Книга
← К списку книгЗагрузка разделов…
активнаАктивные записи участвуют в каталоге и синках. Неактивная книга скрыта, но не удалена из базы.
Книга
Предисловие
Одним из главных путей научно-технического прогресса, как указано в Основных направлениях экономического и социального развития на 1986—1990 годы и на период до 2000 года, утвержденных XXVII съездом КПСС, является развитие радиоэлектроники и особенно микроэлектроники, позволяющей значительно повысить технический, технологический и организационный уровни производства на базе микропроцессорной техники, оптоэлектроники и других видов полупроводниковой электроники.
Основная тенденция развития микроэлектроники состоит в переходе от изготовления полупроводниковых дискретных приборов к созданию интегральных микросхем (ИМС) -со все более высоким уровнем интеграции элементов.
Постоянное совершенствование полупроводниковой технологии и соответствующее обновление типовых программ по дисциплине «Технология производства полупроводниковых приборов и интегральных микросхем» для специальностей 0629, 0604, 0643 повлекло существенную переработку данной книги. В 3-м издании пособия переработаны и дополнены главы, посвященные механической, химической обработке, фотолитографии, эпитаксии, диффузии, ионной имплантации, термическому испарению и ионно-плазменному распылению, методам защиты, сборки и герметизации, изготовлению биполярных и МДП ИМС, введены главы о методах получения защитных пленок1 в планарной технологии, о получении структур методом сплавления, процессах радиационной обработки, конструкциях корпусов приборов и микросхем, полупроводниковых материалах.
Исходя из современных требований к унификации и созданию универсальных базовых технологий, авторы стремились изложить материал в соответствии с основными общими этапами производства полупроводниковых приборов и интегральных микросхем, в пределах каждого этапа дать систематизированный обзор технологических методов и их разновидностей и методы изготовления приборов не относить к производству каких-либо конкретных типов диодов, транзисторов и т. д.
Описание каждого технологического метода начинается с кратких сведений о физических основах данного процесса, при этом рассматриваются его особенности, используемые материалы и оборудование, режимы проведения; далее указываются дефекты, воз-
никающие в структурах на различных операциях; в заключение приводятся методы контроля качества полученных структур и элементов ИМС. В книгу введено много примеров расчетов, встречающихся в практике технолога, таких, как определение ряда физических параметров полупроводниковых структур в зависимости от режимов проведения данного технологического процесса (прямые задачи), а также обратные задачи по выбору основных режимов проведения процессов в зависимости от физических свойств, которыми должны обладать готовые полупроводниковые структуры.
Предисловие, введение, гл. 1, 5, 6, 9—12 и 16 написаны канд. физ.-мат. наук, доц. В. В. Юдиным, гл. 2—4, 7, 8, 13—15 — канд. техн, наук, доц. А. И. Курносовым.
Авторы выражают глубокую благодарность коллективу кафедры микроэлектроники МИФИ (зав. кафедрой — д-р техн, наук, проф. А. В. Шальнов): канд. техн, наук, доц. О. Р. Мочалкиной и канд. техн, наук Ю. А. Воронову за полезные замечания и предложения, сделанные при рецензировании рукописи.
Отзывы о книге просим направлять по адресу: 101430, Москва, ГСП-4, Неглинная ул., д. 29/14, издательство «Высшая школа».
Авторы
Введение
Физические исследования полупроводников были начаты в XIX в., однако возникновение полупроводниковой технологии обязано появлению транзистора (от англ, transresistance — переходное сопротивление). Германиевый транзистор с точечными переходами был: изобретен 23 декабря 1947 г. В 1950 г. методом выращивания слитка германия из расплава был изготовлен первый плоскостной транзистор с р-п-р-структурой. Тогда же начал развиваться Метод сплавления и в 1953 г. были изготовлены германиевые сплавные транзисторы с относительно тонкой (около 5 мкм) базой, получаемой локальным струйным электролитическим травлением пластин германия. Преобладание германия на первом этапе развития полупроводникового приборостроения было обусловлено тем, что его монокристаллы получить проще, чем монокристаллы кремния, поскольку при этом не требовались высокотемпературное оборудование и глубокая очистка. В 1954 г. появились первые кремниевые транзисторы с выращенным р-ц-переходом. В последующие годы интенсивно разрабатывался метод диффузии, и в 1958 г. были изготовлены диффузионные транзисторы с мезаструктурой, названной так потому, что поперечное сечение мезаструктуры напоминает плоскогорье (от исп. mesa — плато). Метод диффузии выгодно отличался от методов сплавления и выращивания слитка тем, что позволял на порядок увеличить точность задания нужной толщины базовой области и перейти к групповому способу производства транзисторов.
Следующим шагом стало появление планарного (от англ. planar — плоский) процесса в 1959 г. Выращивание изолирующего слоя диоксида кремния на поверхности кремниевой пластины и получение в нем топологического рисунка заданной конфигурации с применением процесса фотолитографии позволили добиться прецизионного контроля за размерами элементов структуры приборов. Планарная технология на многие годы обусловила прогресс в производстве полупроводниковых приборов (ПП) и интегральных микросхем (ИМС). Наряду с нею одним из важнейших в технологии стал процесс эпитаксиального наращивания слоев полупроводника требуемых толщины и электрофизических свойств на монокристаллическую подложку, разработанный в 1960 г. Эпитаксиальная технология позволила создавать транзисторы с тонкой базой
и низким сопротивлением коллектора, рассчитанные на высокие частоты и большие рассеиваемые мощности.
Проблема сборки электронного оборудования, содержащего десятки и сотни тысяч компонентов — диодов, транзисторов, резисторов и др., — привела к созданию новой технологии, которая позволила избавиться от соединения множества дискретных компонентов.
В 1959 г. была изготовлена первая полупроводниковая микросхема триггера на кристалле германия по мезадиффузионной технологии. В 1960 г. появились интегральные микросхемы на кремнии, изготовленные по планарной технологии.
Еще в 30-е годы был известен принцип работы полевого транзистора. Получение качественных монокристаллов позволило в 1958 г. изготовить полевой транзистор с управляющим р-п-перехо- дом. В 1962 г. благодаря улучшению технологии обработки кремния были изготовлены полевые транзисторы с изолированным затвором, а в 1963 г. первые ИМС на таких транзисторах. Недостаточная отработанность технологии МОП-транзисторов (металл — оксид — полупроводник) сдерживала их широкое применение вплоть до 70-х годов. В середине 60-х годов в промышленности появился метод ионной имплантации, позволивший существенно повысить точность управления концентрацией и глубиной легирования.
В начале 70-х годов интенсивно использовался метод ионноплазменного распыления, были разработаны процессы электронной литографии, появилась технология «сухой» обработки структур, т. е. без применения жидких травителей и растворителей. Начался период бурного развития микросхем как на базе биполярных приборов, так и МОП-транзисторов. В это же время для контроля топологических чертежей и фотошаблонов стали применять вычислительные машины, что обеспечило высокое Качество разработок и привело к созданию систем машинного проектирования микросхем. В конце 70-х годов появились автоматизированные технологические процессы и установки, управляемые микро-ЭВМ.
Глава 1
ТЕХНОЛОГИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО ПРОИЗВОДСТВА
Технология полупроводникового производства базируется в настоящее время на таких сложных прецизионных процессах обработки, как фото- и электронолитография, оксидирование, ионноплазменное распыление, ионная имплантация, диффузия, термокомпрессия и др. К материалам, используемым в производстве приборов и микросхем, предъявляют высокие требования по чистоте и совершенству структуры. Для осуществления большинства технологических операций используют уникальное по характеристикам оборудование: оптико-механическое, термическое, ионно-лучевое. Процессы осуществляются в специальных обеспыленных, помещениях с заданными влажностью и температурой.
Технологический маршрут
Технологический маршрут — это последовательность технологических операций обработки полупроводниковых пластин, применяемых для изготовления данного типа ПП или ИМС. Документом, содержащим описание маршрута, -является маршрутная карта. Она позволяет судить о перемещении изготовляемого прибора по всем операциям, указывает оборудование, материалы, трудовые нормативы и средства контроля. Проведение каждой технологической операции'регламентируется операционной картой, содержащей описание операции с указанием технологических режимов изготовления структуры или прибора и технологической оснастки. Технологические процессы изготовления различных ПП и ИМС многообразны. Можно выделить ряд общих технологических операций и примерно одинаковую их последовательность. Типовым маршрутом изготовления планарного ПП или ИМС определяется последовательность из ряда основных операций.
Подготовка пластин. Исходные полупроводниковые пластины — эпитаксиальные структуры, например п-п+-типа, или монокристаллические подложки с электропроводностью п- или р-типа, полученные в качестве полуфабриката с завода-изготовителя, подвергают очистке, промывке, травлению с целью удаления с поверх-> ности пластин загрязнений и частиц пыли. Слой с электропроводностью н-типа в эпитаксиальной п-п+-структуре составит в будущих транзисторах коллекторную область (рис. 1.1, а).
Создание топологического рисунка. Чтобы в эпитаксиальной структуре сформировать области с электропроводностью р-типа, необходимо обеспечить проведение локальной диффузии через окна — отверстия в защитной маске. Размеры этих окон задают с помощью процесса фотолитографии. Маской, препятствующей диффузии, служит пленка диоксида кремния. Выращивание ее является необходимой стадией планарного процесса. Пленка диоксида
кремния SiO2 толщиной 0,3—1,0 мкм надежно предохраняет структуру от воздействия многих внешних факторов и диффузии примесей. На пленку наносят слой фоторезиста — фотоэмульсии, экспонируют его ультрафиолетовым светом через фотошаблон, содержащий множество идентичных изображений баз транзисторов с заданной конфигурацией и размерами. Засвеченные участки фоторезиста проявляются и обнажившуюся пленку SiO2 удаляют. Окно, вскрытое для базовой диффузии, показано на рис. 1.1, б.
Рис. 1.1. Основные технологические операции при из готовлении планарно-эпитаксиального транзистора
Получение р-п-перехода база — коллектор. Для прецизионной дозировки количества вводимой в кристалл примеси — атомов бора при создании области р-базы— используют процесс ионной имплантации, заключающийся во внедрении ускоренных ионов в поверхность кристалла. Слой фоторезиста служит защитной маской, так как ионы, внедренные в фоторезист, не достигают поверхности диоксида. Чтобы сформировать базовую область и р-/?-пере- ход коллектор — база на требуемой глубине, используют последующую диффузионную разгонку внедренных атомов бора. Ее проводят в окислительной среде при высоких температурах. В результате формируется область базы с глубиной 2—3 мкм и на поверхности базовой области наращивается пленка SiO2 толщиной 0,3— 0,5 мкм (рис. 1.1, s).
Получение р-п-перехода эмиттер — база. Вначале формируют топологический рисунок эмиттерных областей, используя процесс фотолитографии по пленке SiO2 над базовой областью. Одновременно вскрывают окна, задающие конфигурацию коллекторных 8
контактов. Фоторезист удаляют и ведут диффузию фосфора с высокой концентрацией на малую глубину (до 1—1,5 мкм) (рис. 1.1, г).
Контактная металлизация. Для присоединения к областям эмиттера, базы и коллектора электрических выводов необходимо металлизиров'ать поверхности контактов. Предварительно проводят фотолитографическую обработку структуры для удаления пленки диоксида с нужных участков. Затем с помощью термического испарения в вакууме на всю поверхность пластины напыляют слой металла (например, алюминия) толщиной около 1 мкм, по которому проводят еще один процесс фотолитографии для удаления лишнего металла между областями контактов. Структура с контактной металлизацией показана на рис. 1.1, д. При изготовлении ИМС аналогичным образом создают тонкопленочные пассивные элементы— резисторы, конденсаторы, а также осуществляют коммутацию транзисторов.
Сборка и герметизация. Пластина содержит от нескольких сотен до десятков тысяч отдельных транзисторов. Ее разрезают на отдельные структуры, называемые на данном этапе кристаллами. На рис. 1.1, е показана топология такого кристалла с контактной металлизацией. Кристалл напаивают на кристаллодержатель, осуществляют разводку — подсоединение электрических выводов к контактам базы, эмиттера и коллектора — и герметизируют, помещая в металлический корпус или заливая пластмассой.
Испытания приборов. Для оценки параметров и надежности приборов до их поступления в отдел технического контроля производят электрические, климатические и механические испытания. Они важны для правильной информации о качестве и надежности приборов. Помимо этого каждая технологическая операция сопровождается контролем качества обработки, например измерением глубины диффузии, толщины эпитаксиального слоя, удельного или поверхностного сопротивления. После того как в структуре созданы р-и-переходы, производят контроль электрических параметров— напряжения пробоя, тока утечки, емкости. В технологическом маршруте предусмотрены специальные контрольные карты.
Рассмотренная последовательность операций характерна для изготовления планарно-эпитаксцального транзистора. В основе классификации приборов -лежит технологической метод создания активных областей структуры. По этому признаку различают сплавные, диффузионные, эпитаксиальные, имплантационные дискретные ПП, а также их модификации, например сплавно-диффузионные и др. Большинство современных приборов изготовляют на эпитаксиальных структурах. Активные области формируют с помощью ионной имплантации и диффузии. МОП-транзисторы изготовляют на монокристаллических подложках без эпитаксиального слоя методами планарной, технологии. Непланарные диффузионные и эпитаксиальные переходы используют при изготовлении силовых Диодов и транзисторов.
Особенности и перспективы технологии
В полупроводниковом производстве очень высоки требования к качеству материалов, точности работы оборудования и условиям производства. Механическая обработка полупроводниковых пластин должна осуществляться по высшему классу чистоты обработки поверхности с отклонением от плоскости не более 1 мкм. Особые требования предъявляют к термическому оборудованию: точность установки и поддержания температуры на уровне 1000—1300°С должна быть не хуже 0,5 К. Газовая среда, в которой происходят наиболее важные технологические процессы, подвергается тщательной осушке и обеспыливанию. Содержание влаги в ней измеряют долями процента и оценивают по температуре газа, при которой наступает конденсация влаги, — точке росы. В специальные боксы, в. которых осуществляется сборка изделий, подается воздух, азот или аргон, осушенные до точки росы —70°С. Для создания на поверхности пластины с диаметром 75, 100 или 150 мм сотен тысяч элементов различной формы и размеров применяют фотошаблоны. При изготовлении фотошаблонов и совмещении очередного шаблона с рисунком, ранее нанесенным на полупроводниковую пластину, точность работы оптико-механического оборудования должна составлять десятые доли микрометра. Оптическая часть этого оборудования характеризуется сверхвысокой разрешающей способностью, достигающей более 1000 линий/мм, а экспонируемые материалы — до 2000 линий/мм.
Серьезный враг полупроводникового производства — пыль. Попадая на пластины, она ведет к неисправимому браку при проведении фотолитографии. На рабочем месте количество пылинок с размерами не более 0,5 мкм не должно быть свыше 4 в 1 л воздуха. Низкий уровень запыленности обеспечивается созданием внутри цеха чистых комнат, доступ в которые разрешен ограниченному кругу лиц. Так же остро стоит вопрос о вибрациях в производственных системах. Современный уровень вибрации составляет 1 мкм или доли микрометра. Для внедрения новых технологий необходимо снизить вибрацию. Она должна составлять не более 0,1 мкм.
Характерной особенностью полупроводникового производства является быстрое повышение степени интеграции ИМС — плотности размещения элементов на кристалле. Если кристалл размерами 4X4 мм содержал ранее 100—300 транзисторов, то сейчас он вмещает 20 000—100 000 и более. Сверхбольшие интегральные микросхемы (СБИС) содержат свыше 100 000 элементов на кристалле. Предполагается, что в конце 80-х годов -количество элементов на кристалле достигнет 1 млн. Возрастают требования к минимальным размерам элементов ИМС. В середине 60-х годов на пластине диаметром 25 мм с помощью фотолитографии получали линии шириной не менее 25 мкм. Сейчас большинство производственных установок обеспечивают получение на пластине с диаметром 75 мм линий шириной 4 мкм. Ведутся работы по изготовлению субми- кронных линий на пластинах диаметром 150 мм. Уменьшение раз-
меров элементов ИМС позволяет повысить, их быстродействие и уменьшить потребляемую мощность.
Новые приборы и ИМС нельзя изготовить с помощью тех же методов и на том же оборудовании, которое использовалось для изготовления простых интегральных микросхем. Чтобы наладить серийный выпуск СБИС, необходимо освоение новых материалов, методов технологической обработки, конструирования схем, измерения их параметров и испытаний. Большой сдвиг наметился в области технологии обработки структур — процессов литографии и травления. В традиционной фотолитографии используется оптическое экспонирование, проявление и удаление фоторезиста в растворителях и кислотах. Новейшие литографические процессы основываются на рентгеновских и электронно-лучевых системах экспонирования и сухих методах обработки в газовой плазме. Все более широко внедряются низкотемпературные методы обработки пластин. Процессы эпитаксии, оксидирования, диффузии — высокотемпературные, они вызывают появление пластической деформа-" ции в пластинах, что ведет к изменению размеров элементов и снижению точности изготовления приборов. При размерах элементов менее 3 мкм падение точности становится недопустимым, так как резко падает выход годных приборов. Поэтому термическую обработку структур стремятся заменить воздействием электрических полей, разрядов, ускоренных частиц, проникающей радиации, локального и сверхкратковременного нагрева.
Тенденция к уменьшению размеров элементов ограничена физическими явлениями и законами, на которых основывается действие современных приборов. В табл. 1.1 приведено сопоставление ряда параметров, теоретически достижимых и реально достигнутых к настоящему времени в изготовлении ИМС. Таблица показывает, что современная технология на 2—4 порядка не достигает предельных значений характеристик.
Та блица 1.1
Параметры
Достигнутый уровень
Теоретический предел
Площадь одного транзистора, мкм2
1000
1
Плотность размещения
1О4
2,5-107
элементов, см-2
Время переключения, пс Произведение быстродей-
200
1
ствия на мощность, Дж
Ю-13
io-17
Глава 2
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Требования к полупроводниковым материалам
К полупроводниковым материалам, применяемым для изготовления различных классов полупроводниковых приборов и интегральных микросхем, предъявляются высокие требования. Пригодность того или другого полупроводникового материала определяется в первую очередь его параметрами и свойствами. Требования к оптическим, термическим, термоэлектрическим и электрическим свойствам полупроводниковых материалов диктуются эксплуатационными параметрами готовых приборов и ИМС. Особые требования предъявляют к таким свойствам полупроводниковых материалов, как тип электропроводности, концентрация, подвижность, удельное сопротивление, время жизни, диффузионная длина носителей заряда.
Рассмотрим основные требования, которые предъявляются к большинству полупроводниковых материалов.
Монокристалличность структуры. Для изготовления большинства приборов требуются полупроводниковые материалы в виде пластин, вырезанных из монокристаллических слитков. Монокристаллические слитки в виде стержней круглого сечения получают методом направленной кристаллизации расплавов. В последнее время широкое применение находят монокристаллические эпитаксиальные пленки (однослойные и многослойные).
Однородность распределения легирующих примесей. Легирующие примеси в полупроводниковых материалах должны быть распределены равномерно по всему объему монокристаллического слитка. Это требование обеспечивает одинаковые параметры всей партии пластин, изготовленных из одного слитка полупроводникового материала. Кроме того, данное требование дает возможность обеспечить серийный массовый выпуск полупроводниковых приборов и интегральных микросхем с малым разбросом электрических параметров.
Стойкость к атмосферному воздействию. Большинство полупроводниковых материалов удовлетворяет этому требованию. Такие материалы, как германий, кремний, карбид кремния и др., обладают высокой стойкостью к воздействию окружающей среды. Однако известны полупроводниковые соединения, которые не стойки во влажной атмосфере. К таким материалам относятся некоторые соединения типа AniBv, например антимонид, арсенид и фосфид алюминия, гидролизующиеся во влажной атмосфере. Это обстоятельство, несмотря на ряд очень хороших для некоторых классов полупроводниковых приборов свойств, является серьезным препятствием для широкого применения этих соединений.
Температуростойкость. Требования по температуростойкости диктуются максимальными рабочими температурами, при которых применяются полупроводниковые приборы и интегральные микро-
схемы. Верхний предел рабочих температур полупроводниковых материалов зависит от их ширины запрещенной зоны. Так, для германия он равен 80—100°С, для кремния 180—200°С. Арсенид галлия способен выдерживать температуру до 350°С, фосфид галлия— до 500—600°С, а карбид кремния — до 700—800°С.
Полупроводниковые приборы эксплуатируются и при низких температурах. Поэтому энергия ионизации легирующих примесей полупроводникового материала должна быть значительной при температурах до —60°С.
Верхний предел рабочей частоты полупроводниковых диодов, транзисторов и интегральных микросхем определяется значениями подвижности электронов и дырок, а также диэлектрической проницаемостью материалов, из которых они выполнены. Для данного типа электропроводности полупроводникового материала подвижность имеет максимальное значение в некомпенсированном материале. Поэтому полупроводниковый материал, применяемый для изготовления полупроводниковых приборов и ИМС, должен обладать донорными или акцепторными свойствами. Для большинства полупроводниковых приборов и ИМС, за исключением импульсных, необходим материал с достаточно большим временем жизни неосновных носителей заряда. Для изготовления импульсных полупроводниковых приборов используется материал с малым временем жизни неосновных носителей зарядов.
Для изготовления приборов, в которых используется эффект Холла, лучше всего подходят полупроводниковые материалы с высокой подвижностью и малой концентрацией носителей заряда, обеспечивающие большое холловское напряжение.
Для изготовления магнитоэлектрических приборов применяют арсенид индия и теллурид ртути.
Для изготовления термоэлектрических приборов требуются полупроводниковые материалы, обеспечивающие максимальный коэффициент эффективности, т. е. обладающие высокой электропроводностью и низкой теплопроводностью. Такие свойства имеют антимонид цинка, теллурид и селенид висмута и их твердые растворы.
При выборе материалов для изготовления фотоприборов руководствуются в первую очередь спектральной чувствительностью полупроводникового материала и особенно значением края поглощения. Для уменьшения инерционности фотоприборов обычно используют материалы с малым временем жизни неосновных носителей заряда. Для изготовления фотопреобразователей (солнечных батарей) особое значение имеет ширина запрещенной зоны, определяющая эффективность работы этой группы приборов.
Полупроводниковые материалы, применяемые для производства лазеров, должны быть чистыми и обладать совершенной структурой. Посторонние примеси и дефекты приводят к появлению внутри запрещенной зоны промежуточных энергетических уровней. Материал для полупроводниковых лазеров должен иметь высокое значение подвижности при данной концентрации носителей заряда.
В качестве материала для светодиодов используются полупроводники, обладающие способностью к излучательной рекомбинации: арсенид и фосфид индия и галлия, карбид кремния, сульфид цинка и др. Основной параметр светодиодов— длина волны излучения — зависит от свойств исходного полупроводникового материала и, в частности, от ширины запрещенной зоны. Для полупроводниковых материалов, дающих излучение в видимой области спектра, цвет излучения зависит от типа вводимой примеси и от положения их энергетических уровней. Так, зеленое излучение фосфида галлия может быть изменено на красное с помощью легирования исходного полупроводникового материала кислородом.
Следует отметить, что количество типов полупроводниковых приборов и интегральных микросхем очень велико. Каждый из этих приборов в зависимости от принципов своей работы и требований электрических параметров нуждается в полупроводниковом материале с определенными свойствами.
Классификация полупроводниковых материалов
Полупроводниковые материалы по химическому составу можно разделить на две группы: простые и сложные.
К простым полупроводниковым материалам относятся германий и кремний. Практическое применение для изготовления интегральных схем нашел только кремний.
В группу сложных полупроводниковых материалов входят химические соединения, обладающие полупроводниковыми свойствами и включающие в себя два, три элемента или более. В качеству примера таких соединений можно привести GaAs, Bi2Te3, ZnSiP2 и др. Полупроводниковые материалы этой группы, состоящие из двух элементов, называют бинарными соединениями. Такие соединения, как это принято в неорганической химии, имеют наименования того компонента, у которого металлические свойства выражены слабее. Так, бинарные соединения,, содержащие мышьяк, называют арсенидами, серу — сульфидами, теллур — теллуридами, углерод — карбидами.
Различные группы сложных полупроводниковых материалов объединяют по признаку номера группы Периодической системы элементов Д. И. Менделеева, к которым принадлежат компоненты соединения. Группы полупроводниковых соединений обозначают буквами латинского алфавита: А — первый компонент соединения, В — второй, С — третий и т. д. Буквы, в свою очередь, имеют цифровые индексы. Римские цифры, проставляемые над буквами, обозначают группу элемента в таблице Менделеева. Арабские цифры, проставляемые под буквами, обозначают стехиометрический коэффициент. Например, бинарное соединение фосфид индия InP имеет обозначение AniBv, теллурид висмута Bi2Te3—А» B3V1 соединение типа ZnSiP2 —AnBIVC2v и т. д.
Твердые растворы полупроводниковых материалов обозначают символами входящих в них элементов и нижними индексами, которые определяют их атомную долю в твердом растворе. Например, твердый раствор германий-кремний обозначают в общем виде Sii-xGex, а между соединениями InAs и InP — формулой InAsi_xPx, где х— атомная доля компонента твердого раствора:
Общая характеристика кристаллических тел
Все кристаллы можно разделить по степени совершенства решетки на идеальные и реальные, а по составу — на стехиометрические и нестехиометрические.
Идеальные — это такие кристаллы, каждый атом которых находится в положении, характеризуемом минимумом потенциальной энергии, т. е. он расположен упорядоченно как по отношению к ближайшему соседнему атому, так и по отношению к атомам всего объема кристалла.
Стехиометричностью кристаллов принято называть пропорциональность весового состава атомным весам в его химической формуле. Если весовой состав кристаллического вещества пропорционален его химической формуле, то кристалл имеет стехиометрический состав. Таким образом, идеальные кристаллы являются стехиометрическими по составу.
В отличие от идеальных кристаллов в реальных или дефектных кристаллах имеются нарушения кристаллической решетки или химические примеси. Здесь не все атомы решетки упорядоченно расположены по отношению к ближайшим и дальним соседям. Реальные кристаллы по своему составу могут быть стехиометрическими и нестехиометрическими. В реальных кристаллах могут быть такие несовершенства кристаллической решетки, как структурные дефекты, примесные атомы, дислокации.
Большинство полупроводниковых материалов представляют собой кристаллические твердые вещества с упорядоченной периодической структурой. При описании различных структур используют следующие термины.
Элементарная ячейка-—представляет собой наименьший объем кристаллического вещества' в виде параллелепипеда, перемещая который вдоль трех независимых направлений можно получить весь кристалл.
Постоянная решетки — определяется как длина элементарной ячейки вдоль одной из осей.
Кристаллографические оси — показывают направления кристалла и определяются ребрами элементарной ячейки.
Рассмотрим наиболее важные типы кристаллических решеток.
Простая кубическая решетка состоит из атомов, лежащих в углах куба. Типичным материалом с такой структурой является хлористый цезий. В решетке этого материала последовательно
чередуются положительные ионы цезия и отрицательные ионы хлора.
Гранецентрированная кубическая решетка более сложная, чем простая кубическая, так как в ней атомы располагаются не только в вершинах куба, но и в середине каждой грани. Типичным представителем этой группы кристаллических веществ является алюминий.
Объемно центрированная кубическая решетка состоит из атомов, расположенных в углах и в центре куба (но не на его гранях). Типичным представителем этой группы веществ является железо.
Кроме этих сравнительно простых структур существует ряд более сложных, но также с кубической элементарной ячейкой. Наиболее важной из них является решетка типа алмаза, в которой кристаллизуется большинство полупроводниковых материалов (германий, кремний и Др.). Основную роль в этой решетке играет наличие тетраэдрических связей: каждый атом имеет четырех ближайших соседей, связанных с ним валентными силами. Решетка типа алмаза представляет собой модификацию гранецентрированной кубической решетки и состоит из двух гранецентрированных решеток, сдвинутых одна относительно другой на XU постоянной решетки. В решетке типа алмаза ребра элементарной ячейки не совпадают с направлениями валентных связей.
Все кристаллические вещества обладают анизотропностью, т. е. свойства кристаллов изменяются в зависимости от кристаллографического направления. Поэтому при использовании кристаллических материалов в различных технологических процессах часто бывает необходимо задать ориентацию той или иной кристаллографической плоскости. Для задания нужных плоскостей используют так называемые индексы Миллера. Смысл этих индексов заключается в следующем. За систему координат принимают оси, проходящие через один из узлов решетки и параллельные трем ребрам элементарной ячейки. Эти оси называют кристаллографическими осями и обозначают X, У, Z.
Любую плоскость в такой системе координат обозначают AXBYCZ. Она отсекает на осях X, У, Z отрезки ОАХ) OBY и OCZ. Можно выбрать любую единицу измерения при рассмотрении длин отрезков ОАХ, OBY и OCZ, например одинаковую для всех трех осей X, У, Z \ОАх = ОВх = ОСху В общем случае эти отрезки, принятые за единицу измерения, могут отличаться друг от друга, т. е. ОАх^ОВх^ОСх.
После выбора единицы измерения можно определить положение нужной плоскости AxByCz. Для этого вычисляют соотношение:
ОАх..ОВу_ .OCz=m.n,
ОАхОВХОСх
Если взять обратные отношения этих величин, то
1.1.1_1. Д_.Д_
OAxlOAx 'OByjOBx' OGzJOCxm* л."р ‘
После приведения дробей 1/т, 1/п, 1/р к общему знаменателю получим индексы Миллера к, к, I, которые являются целыми числами.
Таким образом, произвольную плоскость AXBYCZ обозначают тремя целыми числами, представляющими собой отношения трех дробей, числители которых являются ребрами единичной грани (ОАЬ OBlt ОС^, а знаменатели соответствуют ребрам заданной грани кОАх, ОВУ, OCzy
Если плоскость не пересекает какую-либо из координатных осей, то индекс Миллера для этой координатной оси равен нулю.
В качестве примера рассмотрим такой случай. Пусть значения т, п, р равны соответственно 1, 4, 2, тогда числа 1/т, 1/п, и 1/р равны соответственно 1, 1/4, 1/2 и индексы Миллера к, к, I данной плоскости равны 4, 1,2.
Обычно индексы Миллера для обозначения плоскости заключают в круглые скобки без каких-либо знаков между ними, например (121), (111), (100).
ось У—ось У—Из сказанного можно сделать вывод о том, что диагональные плоскости куба имеют индексацию (ИО), (101), (011), а грани куба— (ЮО), (010), (001). Направления кристаллографических осей записывают с помощью индексов Миллера, заключенных в квадратные скобки. Например, ось X обозначают [100], [010], а ось Z—[001].
ось У—
ось У—
Германий
еще в элементеще в элементСуществование и основные свойства германия предсказал 1870 г. Д. И. Менделеев, назвав его эка-силицием. Этот был открыт в 1886 г. Содержание германия в земной коре невелико (около 0,001%). Германий в ничтожных количествах (0,01 — 0,5%) содержится в цинковых рудах, угольной пыли, золе, саже и морской воде. Германий почти не имеет своих руд. Единственная руда германия — германит — содержит гораздо больше меди, железа и цинка, чем германия. Поэтому добыча германия является сложным технологическим процессом.
еще в элемент
еще в элемент
Германий является рассеянным веществом в силикатах, сульфидных минералах, а также в минералах, представляющих собой сульфосоли. Так, в свинцовых рудах содержание германия составляет около 10 г/т, а в иодно-колчеданных ■—от 1 до 10 г/т.
Однако имеются редко встречающиеся минералы, в которых германий содержится в значительных количествах: аргиродит 4Ag2SGeS2 (5—7%), реньерит (до 7%) и др. Большое количество германия содержится в бурых углях (до 100 г/т).
В результате химической переработки исходного сырья получают тетрахлорид германия, который путем дальнейшего окисления переводят в диоксид германия GeO2—порошок белого цвета. Диоксид германия затем восстанавливают в среде водорода до элементарного германия, который представляет собой порошок серого цвета
Окончательным товарным продуктом сложной химической переработки руд или углей и последующей термической обработки является монокристаллический германий в виде стержневидных слитков.
Германий кристаллизуется в кубической пространственной решетке типа алмаза. Этот материал принадлежит к IV группе периодической системы элементов, атомный номер 32, обладает характерным блеском. Температура плавления германия 937°С. Плотность твердого германия при комнатной температуре 5,35 г/см3. При плавлении плотность скачкообразно увеличивается примерно на 4,7%, т. е. до 5,57 г/см3, что связано с изменением межатомного расстояния при переходе германия из твердого состояния в жидкое. Температура кипения германия при давлении 105 Па равна 2700°С. Давление насыщенных паров при температуре 1000°С составляет 0,13 Па, при 1200°С—1,3 Па, при 1400°С— 13 Па и при 1600°С— 133 Па.
В твердом состоянии германий — типичный ковалентный кристаллический материал. Он очень тверд и хрупок, поэтому механическая обработка его затруднена, а на токарных, сверлильных и фрезерных станках вообще невозможна.
Кристаллический германий химически устойчив на воздухе при комнатной температуре. При температуре свыше 600°С он окисляется до диоксида германия GeO2. Вода на германий не действует. Он устойчив к кислотам: в соляной, азотной и в холодной серной кислоте не растворяется.
Активно растворяют германий при комнатной температуре царская водка, раствор перекиси водорода, различные травители (смеси кислот). В растворах кипящих щелочей КОН и NaOH германий хорошо растворяется, а в холодных —мало растворим. Однако добавление в растворы щелочей перекиси водорода приводит к возрастанию растворимости германия. В расплавленных щелочах германий быстро растворяется с образованием растворимых в воде германитов. Расплавленные углекислый и азотнокислый натрий также быстро растворяют германий с выделением соответствующего газа.
Расплавленный германий при температуре 1000—1100°С реагирует с водородом с образованием летучих веществ типа GeH4, GeH6 и др.
С хлором порошок германия взаимодействует уже при комнатной температуре, а гранулированный германий — при 180°С. При слабом нагреве германий реагирует с бромом. Сероводород при температурах ниже 200°С не взаимодействует с германием. Только при более высоких температурах, когда начинается диссоциация сероводорода, германий активно реагирует с серой с образованием моносульфида. Сернистый газ при температуре 500°С взаимодействует с германием с образовавшем диоксида и дисульфида германия.
Германий даже при очень высоких температурах практически не растворяет углерод. При температуре плавления растворимость углерода в германии составляет около 108 ат/см3. При нагревании 18
до 1500°С германий не взаимодействует с кварцем. Поэтому в полупроводниковой технологии широкое использование нашли кварцевые и графитовые тигли, кассеты, контейнеры и другие изделия.
Основными соединениями германия являются диоксид, оксид и тетрахлорид германия.
Рассмотрим основные марки германия, используемые для изготовления различных классов полупроводниковых приборов.
Германий монокристаллический марок ГДЗ, ГДГЗ, ГЭСЗ, ГДСЗ представляет собой слитки германия, легированного золотом, галлием, сурьмой.
Германий выпускается с электропроводностью дырочного и электронного типа. Марки германия расшифровываются так: первая буква означает германий (Г); вторая буква — тип проводимости (Д — дырочный, Э — электронный), третья и четвертая буквы соответствуют легирующей примеси (3 — золото, Г — галлий, С — сурьма). Цифра, стоящая после букв, указывает удельное сопротивление. Слитки германия производят диаметром от 20 до 35 мм и длиной от 30 до 80 мм. Германий марки ГДЗ-0,7 имеет дырочную электропроводность, удельное сопротивление 0,7 Ом-см, плотность дислокаций 5-Ю3 см-2 и концентрацию золота 4-Ю15 см-3. Германий марки ГДЗ-0,6 имеет удельное сопротивление 0,6 Ом-см, плотность дислокаций 103 см-2 и концентрацию золота 5-Ю15 см-3. Германий марки ГДГЗ-З легирован галлием и золотом и имеет удельное сопротивление 3 Ом-см, .а концентрацию золота 3,5 -4О14 см-3. Германий с электронной электропроводностью выпускается двух марок: ГЭСЗ-0,16 и ГЭСЗ-0,2. Эти материалы имеют удельное сопротивление 0,16 и 0,2 Ом-см соответственно, концентрацию золота 4-Ю15 см-3 и время жизни неосновных носителей заряда 4 • 10-3 мкс.
Высокоомный германий с дырочной электропроводностью выпускается четырех марок: ГДСЗ-1014, ГДСЗ-4-1014, ГДСЗ-1015, ГДСЗ-2-1015. Удельное сопротивление германия этих марок при температуре —196°С равно 5-104 Ом-см, плотность дислокаций 104 см-2, концентрация золота соответственно 1014, 4-1014, 1-1015, 2- 1015 см-3, сурьмы 5 -1013, 2 - 1014, 5-1014, 1 • 1014 см-3.
Для получения монокристаллического германия с низким удельным сопротивлением его легируют мышьяком. Марки германия, легированного мышьяком, имеют обозначения ГЭМ (буква М означает мышьяк). Удельное сопротивление такого германия равно 0,0007—0,005 Ом-см.
Германий монокристаллический ГЭКЗС-0,15-0,22/10-3 представляет собой слитки германия, легированного кремнием, золотом и сурьмой. Он предназначен для производства импульсных полупроводниковых диодов. Удельное сопротивление германия составляет 0,15—0,22 Ом-см. Концентрация кремния в германии 2—3 ат %. Время жизни неосновных носителей заряда равно 10-3 мкс. Слитки германия производят диаметром 20 мм и длиной 25. мм.
Марка германия ГЭКЗС-0,15-0,22/10-3 расшифровывается так: германий (Г), электронный (Э), легированный кремнием (К), зо-
лотом (3) и сурьмой (С). Цифры в числителе дроби указывают на диапазон удельного сопротивления германия, а цифра в знаменателе дроби соответствует времени жизни неосновных носителей заряда.
Применение объемных монокристаллических слитков в технологии изготовления полупроводниковых приборов сопряжено с большими потерями ценного материала, возникающими при механической обработке (резке, шлифовке, полировке).
В настоящее время широкое применение находят полупроводниковые монокристаллические слои, которые получили название эпитаксиальных. Эти слои осаждаются на подложки из различных материалов (кварц, сапфир, германий, кремний и др.).
Рассмотрим параметры двух марок германиевых эпитаксиальных структур.
Германиевые эпитаксиальные структуры общего назначения получают методом обратной эпитаксии путем водородного восстановления тетрахлорида германия с последующей сошлифовкой до заданных размеров со стороны эпитаксиального слоя и подложки. Предназначаются для изготовления полупроводниковых приборов. Германиевые эпитаксиальные структуры имеют обозначение ГДБ-0,01 ттс
ГДГ~o'^S " Числитель дроби характеризует эпитаксиальный слои, а знаменатель — подложку. Буквы в числителе и знаменателе означают: Г— германий, Д — тип электропроводности (дырочный), Б— легирующая примесь (бор), Г — легирующая примесь (галлий). Цифры указывают номинал удельного сопротивления слоя и подложки.
Диаметр структур соответствует диаметру исходной пластины. Ориентация эпитаксиальных слоев совпадает с кристаллографической плоскостью (111), а отклонение от этой плоскости не превышает 2°. Отклонение толщины подложки от среднего значения равно +3 мкм. Общая средняя толщина эпитаксиальной структуры 205—215 мкм. Средняя толщина подложки после сошлифования 42—48 мкм.
Другой тип эпитаксиальных структур имеет следующую маркировку: (20-i-35)-^2Г^|^2|_(19О210). Числа перед дробью означают пределы диаметра полупроводниковой пластины, а числа после дроби — предел толщины пластины после механической обработки. Числитель дроби характеризует эпитаксиальный слой, а знаменатель — подложку. Первые числа в числителе и знаменателе указывают среднюю толщину эпитаксиального слоя и подложки. Вторые числа в числителе означают верхний предел удельного сопротивления эпитаксиального слоя, а вторые числа в знаменателе— номинал удельного сопротивления подложки. Буквы в числителе и знаменателе означают: Г — германий, Д — тип электропроводности (дырочный), Б — легирующая примесь (бор), Г — легирующая примесь (галлий).
Кремний
Кремний — элемент IV группы периодической системы с атомным номером 14. После кислорода кремний — самый распространенный элемент в природе. Он составляет примерно 4Л веса земной коры. Многочисленные соединения кремния входят в большинство горных пород и минералов. Песок и глина, образующие минеральную часть почвы, также представляют собой соединения кремния. Наиболее распространенным соединением кремния является диоксид кремния.
Свободный диоксид кремния SiO2 встречается главным образом в виде минерала — кварца. В свободном состоянии кремний в природе не встречается. Кремний, как и германий, кристаллизуется в кубической пространственной решетке типа алмаза. Кристаллический кремний — темно-серое вещество, твердое и хрупкое с металлическим блеском, химически довольно инертное. Плотность твердого кремния при комнатной температуре равна 2,32 г/см3, а жидкого (при температуре плавления)—2,53 г/см3. Температура плавления кремния 1420°С. Кипит кремний при температуре 2477°С и давлении 105 Па. Давление насыщенных паров в зависимости от температуры составляет1: при 1225°С— 0,13 Па, при 1343°С—1,3, при 1485°С—13, при 1670°С—133, при 1890°С— 1,3-Ю3 и при 2083°С — 1,3-104 Па.
При нагревании до температуры 200—700°С кремний реагирует с галогенами, образуя галогениды кремния SiF4, SiCl4, SiBr4, SiJ4, а при температуре 2000°C — непосредственно с водородом, образуя силаны SiH4, SiH6.
При очень высоких температурах (порядка 1100—1300°С) кремний способен непосредственно соединяться с азотом, образуя нитрид кремния, и с углеродом — карбид кремния. Кремний хорошо растворим во многих расплавленных металлах. При комнатной температуре кремний химически устойчив. В воде нерастворим. Не реагирует со многими кислотами в любой концентрации. Однако хорошо растворяется в смеси плавиковой и азотной кислот. Менее интенсивно кремний растворяется в азотной кислоте с небольшими добавками брома или перекиси водорода. Кремний хорошо растворяется в кипящих щелочах. Небольшие добавки перекиси водорода к кипящему водному раствору щелочи ускоряют растворение кремния. Еще более интенсивно растворяется кремний в расплавленных щелочах.
Кремний устойчив на воздухе при нагревании его до 900°С. Выше 900°С он начинает интенсивно окисляться с образованием диоксида кремния. Расплавленный кремний обладает высокой химической активностью. Поэтому подбор для него подходящего контейнерного и тигельного материалов представляет до настоящего времени трудную задачу. Дело в том, что наиболее чистые материалы, из которых изготовляют тигли (кварц и графит), при высоких температурах взаимодействуют с кремнием.
Основными соединениями кремния, которые используются в полупроводниковом производстве, являются диоксид кремния, оксид кремния, тетрахлорид кремния, трихлорсилан и моносилан.
Монокристаллический кремний получают из поликристалличе- ского путем выращивания из расплава методом Чохральского или методом бестигельной зонной плавки. Первый метод применяют, как правило, для получения низкоомных слитков с удельным сопротивлением, не превышающим 250 Ом-см. Такие слитки имеют большой диаметр (до 150 мм). Второй метод используют для получения высокоомных монокристаллических слитков с удельным сопротивлением до 2000 Ом-см.
Промышленностью выпускается большое количество различных марок монокристаллического кремния, который используется для изготовления полупроводниковых диодов, . транзисторов и интегральных микросхем. Монокристаллический кремний занимает в настоящее время ведущее место среди других полупроводниковых материалов, так как он обладает рядом преимуществ. Кремниевые приборы имеют малые обратные токи, работают при повышенных температурах, допускают более высокие удельные нагрузки, а также могут работать в области пробоя р-п-перехода.
Рассмотрим основные марки монокристаллического кремния.
Кремний моносилановый выпускается шести марок: КМД-1, КМД-2, КМД-3, КМД-4, КМД-5 и КМД-6. Применяется для изготовления полупроводниковых приборов. Марка кремния расшифровывается так: К — кремний, М — моносилановый, Д — электропроводность дырочного типа. Цифра после букв означает группу кремния по удельному сопротивлению. Удельное сопротивление этих групп кремния равно 1000, 2000, 3000, 4000, 5000 и 6000 Ом-см соответственно. Время жизни неосновных носителей заряда составляет 400—600 мкс. Плотность дислокаций равна 5-104 см-2. Содержание кислорода в кремнии не превышает 2-Ю16 см-3.
Кремний монокристаллический для силовых вентилей получают методами Чохральского и бестигельной зонной плавки. Такой кремний выпускается одиннадцати марок: КЭ2А, КЭ2Б, КЭ2В, КЭ2Г, КЭ2Д, БКЭ2А, БКЭ2Б, БКЭ2В, БКЭ2Г, БКЭ2Д и БКД2Е. Первые десять марок кремния выпускаются с электронной электропроводностью, а кремний марки БКД2Е — с дырочной. Содержание кислорода в кремнии с электронной электропроводностью равно 5-1017 ат/см3, а с дырочной 2-1016 ат/см3. Удельное сопротивление кремния марок КЭ2А и ВКЭ2А составляет 26—45 Ом-см, марок КЭ2В и БК.Э2В — 40—75, марок КЭ2Г и БКЭ2Г — 50—140, марок КЭ2Д и БКЭ2Д—100, марки БКД2Е — 500—2000 Ом-см.
Разброс удельного сопротивления не превышает 35% по объему слитка и 20% по торцу слитка. Диффузионная длина равна 0,1 — 0,3 мм. Плотность дислокаций не превышает 5-Ю4 см-2.
Кремний монокристаллический общего назначения представляет собой слитки, полученные методом Чохральского. Применяется для изготовления полупроводниковых приборов. Этот кремний вы- 22
пускается пятнадцати групп: 1А, 1Б, 2А, 2Б, 2В, 2Г, 2Д, 2Е, ЗА, ЗБ, ЗВ, 4А, 5А, 5Б, 5В. Каждая группа кремния характеризуется диапазоном удельного сопротивления и допустимым разбросом по
длине слитка (табл. 2.1).
Содержание кислорода в кремнии для всех марок не превышает 5-1017 см-3, содержание золота в кремнии пятой группы равно 2-Ю15 см-3. Кремний групп 1А, 1Б, ЗА легирован фосфором или бором, поэтому он обладает электропроводностью электронного или дырочного типа. Кремний групп 2А—2Д легирован фосфором, а группы 2Е — бором. Кремний групп ЗБ, ЗВ легирован сурьмой и имеет электронную электропроводность, а группы 4А — алюминием и имеет дырочную электропроводность. Кремний групп 5А,
Таблица 2.1ГруппаДиапазон удельного сопротивления. Ом • смРазброс удельного сопротивления, %1А1—15±151Б1—20±202А15—25±202Б25—45±252В40—75±252Г50—140±302Д100—250±302Е500—2000±35ЗА0,005—1,0±35ЗБ0,008—1,04-7ЗВ0,005—0,1±254А0,02—0,2±255А3—18±305Б20—40±305В40^—120+40Таблица 2.1ГруппаДиапазон удельного сопротивления. Ом • смРазброс удельного сопротивления, %1А1—15±151Б1—20±202А15—25±202Б25—45±252В40—75±252Г50—140±302Д100—250±302Е500—2000±35ЗА0,005—1,0±35ЗБ0,008—1,04-7ЗВ0,005—0,1±254А0,02—0,2±255А3—18±305Б20—40±305В40^—120+40и золотом. Плотность дислокацийи золотом. Плотность дислокаций5В и 5Б легирован фосфором для всех групп кремния различна и лежит в пределах от 2-10 до 5-Ю4 см-2. Время жизни неосновных носителей заряда равно 0,2 мкс, а диффузионная длина 0,1 мм.
Таблица 2.1
Группа
Диапазон удельного сопротивления. Ом • см
Разброс удельного сопротивления, %
1А
1—15
±15
1Б
1—20
±20
2А
15—25
±20
2Б
25—45
±25
2В
40—75
±25
2Г
50—140
±30
2Д
100—250
±30
2Е
500—2000
±35
ЗА
0,005—1,0
±35
ЗБ
0,008—1,0
4-7
ЗВ
0,005—0,1
±25
4А
0,02—0,2
±25
5А
3—18
±30
5Б
20—40
±30
5В
40^—120
+40
Таблица 2.1
Группа
Диапазон удельного сопротивления. Ом • см
Разброс удельного сопротивления, %
1А
1—15
±15
1Б
1—20
±20
2А
15—25
±20
2Б
25—45
±25
2В
40—75
±25
2Г
50—140
±30
2Д
100—250
±30
2Е
500—2000
±35
ЗА
0,005—1,0
±35
ЗБ
0,008—1,0
4-7
ЗВ
0,005—0,1
±25
4А
0,02—0,2
±25
5А
3—18
±30
5Б
20—40
±30
5В
40^—120
+40
и золотом. Плотность дислокаций
и золотом. Плотность дислокаций
Кремний монокристаллический электронный, применяемый для производства полупроводниковых приборов, выпускается марок КЭМ-0,003 и КЭМ-0,004. Марка этого кремния расшифровывается следующим образом: К—кремний, Э—с электронной электропроводностью, М — легирован мышьяком с удельным сопротивлением 0,003 (0,004) Ом-см. Плотность дислокаций не превышает
103 см-2.
Кремний монокристаллический для осаждения эпитаксиальных слоев получают методом Чохральского. Кремний выпускается двух марок: ЭКДБ-Ю-1 и ЭКЭС-0,01-5. Первая буква марки этого кремния означает область его применения (Э — эпитаксиальное наращивание). Вторая буква (К)—полупроводниковый материал (кремний). Третья буква указывает на тип электропроводности (Д —дырочная, Э —электронная). Последняя буква соответствует виду легирующей примеси (Б — бор, С — сурьма). Первая цифра указывает удельное сопротивление, а вторая — марку кремния.
Первая марка кремния имеет дырочную электропроводность и удельное сопротивление 1—20 Ом-см с допустимым разбросом, равным 20%. Плотность дислокаций кремния этой марки равна 10 см-2. Вторая марка кремния имеет электронную электропроводность с удельным сопротивлением 0,01 Ом- см и плотностью дислокаций 100 СМ”2.
Широкое применение в производстве полупроводниковых приборов и интегральных микросхем нашли кремниевые эпитаксиальные структуры. Эти слои выращивают из газовой фазы на монокристаллических подложках из кремния, сапфира, кварца, ситалла, корунда и других материалов. Наиболее часто в качестве подложек используют монокристаллический кремний и сапфир. Эпитаксиальные структуры кремния выпускают трех видов: простые, многослойные и гетероэпитаксиальные.
Простые эпитаксиальные структуры кремния представляют собой двухслойные композиции, состоящие из эпитаксиального слоя и кремниевой монокристаллической пластины (подложки). Структуры применяют для изготовления полупроводниковых приборов и
интегральных схем.
Кремниевые эпитаксиальные слои имеют дырочную электропроводность с удельным сопротивлением 0,5—2,0 Ом-см. Толщина эпитаксиальных слоев 8—15 мкм, а толщина всей эпитаксиальной структуры 200—400 мкм. Плотность дислокаций в эпитаксиальном слое не превышает 1 -104 см™2, плотность дефектов упаковки 5-103 см-2.
Эпитаксиальные структуры этого типа имеют следующее обозначение: ^S^k^c q’qt . Первая цифра перед дробью соответст
вует диаметру структуры, первая цифра в числителе — толщине эпитаксиального слоя, а в знаменателе — толщине пластины (подложки). Буквы в числителе обозначают марку кремния, из которого изготовлен эпитаксиальный слой (КДБ— кремний с дырочной электропроводностью, легированный бором), а число, стоящее после этих букв, указывает удельное сопротивление эпитаксиального слоя. Буквы в знаменателе обозначают марку кремния, из которого выполнена подложка (КЭС — кремний с электронной электропроводностью, легированный сурьмой), а число, стоящее после букв, указывает удельное сопротивление подложки.
Многослойные кремниевые эпитаксиальные структуры представляют собой трехслойные композиции, включающие в себя исходную полупроводниковую пластину и выращенные на ее противоположных поверхностях два полупроводниковых эпитаксиальных
слоя.
Эпитаксиальные структуры этого типа имеют следующее обо- ЮКДБ-0,001 значение: 20=—: .
70КМД-2Б
30КЭФ-0.002
Цифра перед дробью указывает диаметр подложки и эпитаксиального слоя. Первая цифра верхнего ряда дроби соответствует толщине верхнего эпитаксиального слоя, а последняя — его удельному сопротивлению. Буквы первого ряда дроби обозначают тип материала эпитаксиального слоя (кремний с дырочной электропроводностью, легированный бором). Первая цифра второго ряда дроби указывает толщину исходной пластины, буквы второго ряда — полупроводниковый материал подложки. Первая цифра третьего
ряда соответствует толщине нижнего эпитаксиального слоя, а последняя— его удельному сопротивлению. Буквы третьего ряда обозначают тип эпитаксиального слоя (кремний с электронной электропроводностью, легированный фосфором).
Гетероэпитаксиальные структуры состоят из монокристаллического эпитаксиального кремниевого слоя, наращенного на монокристаллическую сапфировую подложку. Структуры применяются для изготовления полупроводниковых интегральных микросхем. Гетероэпитаксиальные структуры выпускают со слоями кремния с электропроводностью п- и p-типа и удельным сопротивлением ОД—Ю Ом-см. Толщина слоя кремния составляет 2—20 мкм. Толщина всей гетероэпитаксиальной структуры равна 200—300 мкм.
Гетероэпитаксиальные структуры имеют следующее обозна
чение:
кнскнс10КДБ-0,518С25010КДБ-0,518С250или КНСили КНС1.2КЭФ-4560С2501.2КЭФ-4560С250
кнс
кнс
10КДБ-0,5
18С250
10КДБ-0,5
18С250
или КНС
или КНС
1.2КЭФ-45
60С250
1.2КЭФ-45
60С250
где КНС —кремний на сапфире; числитель указывает параметры эпитаксиального слоя, а знаменитель — параметры пластины (подложки) .
Первая цифра в числителе указывает толщину эпитаксиального слоя кремния. Буквы в числителе соответствуют названию и типу электропроводности кремния (КДБ — кремний с дырочной электропроводностью, легированный бором; КЭФ — кремний с электронной электропроводностью, легированный фосфором). Вторая цифра в числителе указывает удельное сопротивление слоя кремния. Первая цифра в знаменателе соответствует диаметру пластины (подложки), буква —материалу подложки (С —сапфир), а вторая цифра указывает толщину пластины сапфира.
Кремниевые структуры с диэлектрической изоляцией (КСДИ) применяют для изготовления монолитных интегральных микросхем. Структуры представляют собой пластины из поликристал- лического кремния, содержащие со стороны рабочей поверхности островки монокристаллического кремния с электропроводностью л-или р-тина, ориентированные в плоскостях (Ш) или (100), изолированных от поликристаллического кремния слоем диоксида кремния и размещенных по заданной топологии.
Структуры производят двух видов: с высоколегированным скрытым слоем с электропроводностью п+- или р+-типа, выходящим на рабочую поверхность, и без .скрытого слоя. Скрытый слой л+-типа легируется мышьяком или фосфором, а р+-типа— бором.
Скрытые слои п+- или р+-типа получают методом диффузии или. эпитаксии.
Пример записи структуры:
КСЛИ 40 JAK^M/OJ^mVr^
К Д15-12-55*'
КСДИ 40 3АКЭФ-0,5/0,1-(111)/- ,
15** 12-55
где в числителе буквы КС ДИ означают название структуры, 40 — диаметр структуры: ЗАКЭФ-0,5/0,1— марка монокристаллического кремния; (111)—ориентация монокристаллических островков, /п+ — тип электропроводности; М — легирующий элемент (мышьяк); Э — способ получения островков (эпитаксия); прочерк после наклонной черты в числителе (/-) означает отсутствие скрытого слоя; в знаменателе 15 — ширина разделительной дорожки между элементами модуля; 12 — толщина монокристаллического слоя кремния в островках, мкм; 55 — ширина разделительной дорожки между островками монокристаллического кремния в модуле, мкм.
Структуры имеют общую толщину 240 мкм с отклонением от номинала ±10 мкм. Толщина скрытого слоя 5 мкм, его поверхностное сопротивление 20 Ом/D. Толщина изолирующего слоя диоксида кремния 2,5 мкм.
Эпитаксиальные структуры кремния со скрытыми слоями (ЭСС) представляют собой сложные композиции, в которых скрытые слои кремния легированы сурьмой, а эпитаксиальный слой с электронной электропроводностью легирован фосфором. Пример
записи:записи:ЭСС 12КЭФ-0,8/3,5КЭС-30
записи:
записи:
312КДБ-10 (111)-8, [112'1-45
где в числителе 12 — номинал толщины эпитаксиального слоя, мкм; К —материал эпитаксиального слоя (кремний); Э — электронный тип электропроводности эпитаксиального слоя; Ф —легирующий элемент эпитаксиального слоя (фосфор); 0,8 — номинал удельного сопротивления эпитаксиального слоя, Ом-см; 3,5 — номинал толщины скрытого слоя, мкм; К—материал скрытого слоя (кремний); Э — электронный тип электропроводности скрытого слоя; С— легирующий элемент скрытого слоя (сурьма); 30 —номинал поверхностного сопротивления скрытого слоя, Ом/D; в знаменателе 312 — номинал толщины эпитаксиальной структуры, мкм; К — материал подложки (кремний); Д — дырочный тип электропроводности; Б— легирующий элемент (бор); 10 —номинал удельного сопротивления подложки^Ом • см; (111)—8 — ориентация подложки с отклонением 8°; [112]—ориентация базового среза; 45 — номинал диаметра структуры.
Топология, размеры и расположение участков скрытого слоя устанавливаются конструкторской документацией на определенный вид и тип интегральной микросхемы. Номиналы толщины эпитаксиального слоя могут изменяться от 6 до 15 мкм с допустимым отклонением от номинала ±10%. Номиналы удельного сопротивления эпитаксиального слоя могут составлять от 0,15 до 5 Ом-см с допустимым отклонением от номинала не более 25%. Номиналы поверхностного сопротивления скрытого и+-слоя имеют значения 15, 20, 25, 30, 40 и 50 Ом/D с допустимым отклонением 25%. Номиналы толщины скрытого слоя 2,5; 3,5; 5,0; 7,0; 10 мкм с допустимым отклонением 30%. Плотность дислокаций в эпитаксиальном слое не превышает 104 см-2. Отношение эффективной толщины
n-слоя над п+-областью к толщине эпитаксиального слоя равно 85%.
Кремниевые эпитаксиальные структуры с комбинированным диэлектриком (КСКД) применяют для изготовления МДП-структур и приборов на их основе и обозначают: КСКД’
r г0,0381зД/4
0,05SiQ21,5КЭФ1,51015200КЭС0,01
где первая, вторая и третья строки указывают толщину и материал диэлектрика, четвертая строка — параметры эпитаксиального слоя кремния (1,5 — толщина слоя, КЭФ— кремний с электронной электропроводностью, легированной фосфором, 1,5 • 1015— концентрация фосфора в эпитаксиальном слое кремния, см-3); пятая строка — параметры подложки (200 — толщина подложки, КЭС — кремний с электронной электропроводностью, легированный сурьмой); 0,01 — удельное сопротивление подложки кремния.
Кремниевые обращенные эпитаксиальные структуры (КОЭС) с электропроводностью п-и+-типа применяют для изготовления оптоэлектронных приборов. Они представляют собой монокристаллическую кремниевую подложку м+-типа, на которой располагается приборный высокоомный эпитаксиальный слой кремния и-типа. Структура имеет следующее обозначение:
КОЭС кэф1^,
КЭФО, 1-200
где в числителе буквы КЭФ — марка кремния; 1,0 — его удельное сопротивление; 70 — толщина приборного высокоомного слоя; в знаменателе буквы КЭФ — марка кремния; 0,1 — его удельное сопротивление; 200 — толщина подложки.
Арсенид галлия
Арсенид галия GaAs — один из перспективных полупроводниковых материалов, который благодаря своим свойствам находит широкое- применение при разработке новых типов полупроводниковых приборов. Он обладает большей шириной запрещенной зоны, чем германий и кремний. Вторым большим преимуществом арсенида галлия является высокая подвижность электронов и дырок.
Арсенид галлия получают сплавлением чистого мышьяка и чистого галлия. Оба исходных материала загружают, в кварцевую ампулу и нагревают. Рост кристаллов происходит от зародыша, возникающего самопроизвольно. Температура плавления арсенида галлия стехиометрического состава около 1237°С при давлении паров мышьяка около 105 Па. Кристаллизуется арсенид галлия в структуре сфалерита и имеет плотность 5,4 г/см3. Плотность жидкого арсенида галлия 5,9 г/см3.
Показатель преломления арсенида галлия 3,2, а диэлектрическая проницаемость 11,1. Ширина запрещенной зоны при температуре 300 К равна 1,45 эВ. Рабочая температура р-п-переходов, изготовленных на основе арсенида галлия, может достигать значений 300—400°С.
При комнатной температуре арсенид галлия не взаимодействует с водой. Он не окисляется кислородом воздуха при нагревании до температуры 300°С. Однако уже при комнатной температуре арсенид галлия взаимодействует с кислотами с выделением сильнотоксичного вещества — арсина AsH3. Следует отметить, что растворимость арсенида галлия возрастает в смесях кислот. Так, при комнатной температуре растворимость арсенида галлия в растворах соляной кислоты в широком диапазоне концентраций составляет около 2-Ю-5 мг/(см2-ч), в смеси азотной и соляной кислот с водой в отношении 1:1:1 она возрастает до 60 мг/(см2-ч), а в смеси азотной и плавиковой кислот она равна 1200 мг/(см2-ч).
Наиболее распространенными методами получения монокристаллов арсенида галлия являются выращивание из расплава, направленная кристаллизация и бестигельная зонная плавка.
При кристаллизации расплава арсенида галлия в него переходят примеси:
Примеси Концентрация, см-3 в арсениде галлия
Кремний . . . 2-1017—5- 10ls Натрий . . . . 5-1013—1-Ю14 Медь . . . ;2-1013—5-Ю14 Сурьма . . .2-1012—5-1012 Золото. . . .3-10u—3-1012
Обычно нелегированный арсенид галлия имеет электропроводность «-типа, концентрацию носителей заряда 5-Ю15 см-3 и подвижность электронов 8000 см2/(В-с).
Для получения арсенида галлия с высоким удельным сопротивлением (от 104 до 109 Ом-см) расплав легируют железом или хромом с концентрациями около 1017 ат/см3.
При легировании арсенида галлия теллуром концентрация но- .сителей зарядов соответствует 1017±1019 см-3, а подвижность электронов равна 1000—4000 см2/(В-с). При легировании цинком образуется арсенид галлия с электропроводностью p-типа с концентрацией 1017—1020 см-3 и подвижностью дырок 200 см2/(В-с).
Кремний переходит в арсенид галлия в результате взаимодействия галлия с кварцем при термических процессах. Кремний замещает атомы галлия в решетке соединения GaAs, создавая донорный уровень. При высоких (2-Ю18—1-Ю20 ат/см3) концентрациях кремний в арсениде галлия является электрически нейтральной примесью. Медь резко снижает подвижность электронов. Она переходит в арсенид галлия из кварца тиглей, ампул, трубок и лодочек, используемых при получении монокристаллов GaAs. Несмотря на то, что медь является акцептором, поведение ее в арсениде галлия 28
очень сложно. Так, при концентрации меди, превышающей концентрацию кремния, кристаллы арсенида галлия могут сохранять электронную электропроводность.
В настоящее время промышленностью выпускается большое количество арсенида галлия различных марок.
Рассмотрим основные марки арсенида галлия и их электрофизические свойства.
Арсенид галлия общего применения представляет собой монокристаллический материал в виде слитков диаметром 12—25 мм, получаемых методом Чохральского или методом направленной кристаллизации. Применяется для изготовления полупроводниковых приборов. Выпускается четыре группы арсенида галлия: АГЭ — арсенид галлия с электронной электропроводностью, нелегированный; АГЭТ — арсенид галлия с электронной электропроводностью, легированный теллуром; АГДЦ — арсенид галлия с дырочной электропроводностью, легированный цинком; АГП — арсенид галлия полуизолирующий. В буквенном обозначении группы добавляют две цифры: первая показывает номинальную концентрацию основных носителей заряда, вторая является показателем степени десятичного- порядка концентрации основных носителей заряда. Основные марки арсенида галлия: АГЭ 1-15, АГЭ 1-16, АГЭ 4-16, АГЭ 1-17, АГЭТ 3-17, АГЭТ 6-17, АГЭТ 8,5-17, АГЭТ 14,5-17, АГЭТ 4-18, АГЭТ 14-18, АГЭТ 23-18, АГДЦ 2-19, АГДЦ 3-19, АГДЦ 4-19, АГДЦ 6-19, АГДЦ. 9-19, АГДЦ 1,25-20, АГП 1-5.' Плотность дислокаций этих материалов составляет 2-Ю4—3-104 см-2. Подвижность для материалов, группы АГЭ равна 4000—6000 см2/(В-с); для материалов группьь АГЭТ — от 1500 до 3800 см2/(В-с); для материалов группы. АГДЦ — от 30 до 90 см2/(В-с).
За последнее время широкое распространение в производстве- полупроводниковых приборов находят эпитаксиальные слои арсе- нцда галлия. Эпитаксиальные слои арсенида галлия получают методом жидкостной эпитаксии, основанным на кристаллизации- расплавов галлий — мышьяк. Геометрические размеры эпитаксиальных слоев арсенида галлия зависят от ’площади исходной подложки и режима наращивания (время проведения процесса, температура и т. д.).
Для получения эпитаксиальных слоев арсенида галлия используют специальные материалы, обладающие определенными электрофизическими свойствами.
Арсенид галлия монокристаллический для эпитаксиальных структур получают методом Чохральского и выпускают двух марок: ЭАГЭТ и ЭАГЭО. Первая буква Э указывает на применение- арсенида галлия, в данном случае для эпитаксиального наращивания; буквы АГ указывают материал — арсенид галлия; буква Э,. стоящая после буквы Г, означает электронный тип электропроводности арсенида галлия; буква Т показывает, чем легирован арсенид, галлия (теллур); буква О означает легирование арсенида галлия оловом. К буквенному обозначению материала добавляют две циф-
ры. Первая означает номинальную концентрацию основных носителей заряда, вторая является показателем десятичного порядка концентрации основных носителей заряда.
Основные марки арсенида галлия приведены в табл. 2.2.
Таблица 2.2
Марки арсенида галлия
Допустимый предел концентрации, см-з
Плотность дислокаций, СМ-2
Подвижность, см2/(В • с)
Кристаллографическая ориентация
ЭАГЭТ 10-18
6- 1O1S
З-Ю4
1400'
(111)
ЭАГЭТ 5-18
2-Ю18
З-Ю4
1600
(100), (111)
ЭАГЭТ 14,5-17
7-1017—2- 1O1S
З-Ю4
2800
(ЮО), (111)
ЭАГЭТ 5,5-17
4-Ю17—7-Ю17
З-Ю4
3200
(100), (111)
ЭАГЭС 5,5-17
4-Ю17—7-Ю17
З-Ю4
2900
(ЮО), (111)
ЭАГЭТ 3-17
1-Ю17—5-Ю17
З-Ю4
3600
(100), (111)
ЭАГЭО 3-17
1-Ю17—5-Ю17
З-Ю4
3400
(ЮО), (111)
ЭАГЭО 1-17
8-1016—2-1017
3- го4
3600
(111)
ЭАГЭО 4-16
З-Ю16—8-Ю16
З-Ю4
3800
(111)
ЭАГЭО 2-16
ЫО16—З-Ю16
З-Ю4
4300
(111)
ЭАГЭО 1-16
1-Ю16
З-Ю4
4500
(111)
ЭАГЭО 14,5-17
7-Ю17—2-Ю18
З-Ю4
1800
(100), (111)
Фосфид галлия
■Фосфид галлия GaP, как и арсенид галлия, принадлежит к важнейшим полупроводниковым' материалам типа AniBv. Он кристаллизуется в структуре сфалерита и в твердом состоянии обладает плотностью, равной 4,1 г/см3. В жидком состоянии плотность его выше и составляет 4,6 г/см3. Температура плавления фосфида галлия стехиометрического состава 1500°С при давлении паров фосфора около 3-106 Па.
Вследствие большой ширины запрещенной зоны фосфид галлия ■отличается высокой химической стойкостью. С кислородом и водяным паром при обычных условиях не реагирует. Стоек на воздухе -при нагреве до температуры 700—800°С.
Фосфид галлия устойчив ко многим кислотным и щелочным растворам. Скорость растворения его в концентрированной азотной кислоте при комнатной температуре равна 0,16 мг/(см2-ч). В смеси азотной и соляной кислот, взятых в соотношении 1 :3, скорость 7,8 мг/(см2-ч). Более высокая скорость растворения фосфида галлия наблюдается в плавиковой кислоте и смесях кислот с ее участием, а также в царской водке. Необходимо отметить, что при взаимодействии с кислотами выделяется сильно токсичное вещество — фосфин РН3.
Кристаллы фосфида галлия получают кристаллизацией расплава, а также кристаллизацией из газовой фазы. При кристаллизации в фосфид галлия из графитового тигля попадает-большое количество углерода (до 1-Ю'9 ат/см3), который ухудшает его электрофизические параметры. Внешне это проявляется в изменении цвета кри-
сталла от светло-желтого до темно-коричневого и понижении его прозрачности. Примесь углерода ведет себя в фосфиде галлия как акцептор.
Фосфид галлия поликристаллический получают из расплава направленной кристаллизацией. Он используется в качестве исходного материала при получении монокристаллов (в частности, GaP), По внешему виду фосфид галлия представляет собой мелкозернистые поликристаллы серого цвета, прозрачные перед источником света на глубине 20 мм. Количество примесей (%) в фосфиде галлия не превышает:
Медь 1-10-4
Серебро .;...5-10—5
Алюминий....5-1О-4
Висмут5-10“5
Хром 1-I0-3
Железо5-10—4
Олово 5-10-4
Марганец....5-10—5
Поликристаллические слитки фосфида галлия обладают электронной электропроводностью, концентрация носителей зарядов в них 5-1017 см-3 и подвижность до 60 см2/(В • с).
При выращивании монокристаллов в расплав добавляют легирующие добавки — теллур или цинк.
Фосфид галлия монокристаллический представляет собой дендритные пластины, предназначенные для производства полупроводниковых источников света. Фосфид галлия выпускают с электронной и дырочной электропроводностью марок ФГЭТ-К/Ю, ФГЭТ-О/20, ФГЭТ-3/50, ФГЭТК-К/30, ФГДЦ-З, ФГДЦК-К. Первые две буквы ФГ означают фосфид галлия; третья буква означает тип электропроводности (Д — дырочный, Э — электронный); четвертая и пятая буквы соответствуют легирующей примеси (Т — теллур, Ц — цинк, К —кислород). Буква в числителе дроби указывает цвет свечения материала (К — красный, О — оранжевый, 3 — зеленый), а цифра в знаменателе — минимальное значение яркости свечений в нитах.
Фосфид галлия выпускают в виде пластин с размерами 5x5X Х1,5 мм. Фосфид галлия имеет концентрацию основных носителей заряда 5/1016—5-Ю17 см-3 для материалов с электронной электропроводностью и 1 -1017—8-Ю18 см-3 — для материалов с дырочной электропроводностью. Подвижность электронов у материала с электропроводностью n-типа равна 80 см2/(В-с), а подвижность дырок для материала с электропроводностью p-типа составляет 50 см2/(В • с).
Арсенид индия
Арсенид индия InAs — новый полупроводниковый материал, обладающий свойствами, позволяющими использовать его в ряде приборов с гальваномагнитными эффектами. Этот материал обладает высокой подвижностью электронов, что позволяет на его основе изготовлять приборы с повышенной чувствительностью. Арсенид
индия используется в оптоэлектронных устройствах, оптических фильтрах, лазерах, источниках инфракрасного излучения, фотоприемниках и многих других полупроводниковых приборах.
Кристаллизуется арсенид индия в кубической гранецентрированной решетке с постоянной а = 0,605 нм. Температура плавления его 943°С. Диэлектрическая проницаемость 12. Показатель, преломления 3,4. Ширина запрещенной зоны при температуре 300 К соответствует 0,36 эВ.
Монокристаллические слитки арсенида индия получают методами выращивания из расплава и горизонтальной направленной кристаллизации.
Выпускаемый промышленностью арсенид индия представляет собой слитки монокристаллического материала, полученного методом Чохральского или методом горизонтальной направленной кристаллизации. Этот материал применяется для производства электронных полупроводниковых приборов. Выпускаются следующие марки арсенида индия: ИМЭ-1, ИМЭ-2, ИМЭТ-1—ИМЭТ-4; ИМЭО-1— ИМЭО-4; ИМДЦ-1— ИМДЦ-4. Первые две буквы обозначают название полупроводникового материала — арсенид индия (ИМ—индий, мышьяк); третья буква указывает тип электропроводности материала (Э — электронный, Д —дырочный); четвертая буква указывает элемент легирующей примеси (Ц— цинк; Т — теллур; О — олово). Концентрация основных носителей заряда составляет: ИМЭ-1 —3. 1016 см-3; ИМЭ-2 —5- 1016; ИМЭТ-1 — ИМЭТ-4 — 1017 — 5-1018; ИМЭО-1 — ИМЭО-4 — 1017—5-1018; ИМДЦ-1 — ИМДЦ-4—1016—1О20 см-3. Подвижность носителей заряда лежит в пределах от 2- 104 до 5- 104 см2/(В-с), а плотность дислокаций 103—104 см-2.
Антимонид индия
Антимонид индия InSb— новый полупроводниковый материал, который нашел широкое применение при изготовлении фотоэлементов высокой чувствительности, датчиков Холла, оптических фильтров, термоэлектрических генераторов и холодильников.
Получают антимонид индия сплавлением в стехиометрическом соотношении высокочистых индия и сурьмы. Полученный таким образом материал очищают зонной плавкой. Монокристаллические слитки изготовляют методом выращивания из расплава. Кристаллизуется антимонид индия в кубической гранецентрированной ре- япетке с постоянной а = 0,647 нм. Плотность 5,77 г/см3. Температура плавления монокристаллов InSb 525°С. Показатель преломления Д.75. Ширина запрещенной зоны антимонида индия меньше, чем у термания, кремния, арсенида галлия, фосфида галлия, арсенида ин- ,дия и равна 0,17 эВ.
Вследствие малой ширины запрещенной зоны при комнатной •температуре электропроводность антимонида индия становится не
примесной, а собственной. Фотопроводимость InSb охватывает широкую область, лежащую в инфракрасной части спектра. Максимум фотопроводимости материала соответствует длине волны 6,7 мкм.
Промышленностью выпускается монокристаллический антимонид индия в виде слитков и пластин различных геометрических размеров. Наибольшее практическое применение нашли следующие марки антимонида индия: ИСЭ-1, ИСЭ-2, ИСЭТ-3, ИСДГ-1, ИСДГ-2, ИСДГ-3, ИСДГ-4, ИСДЦ-5. Первые две буквы в этих марках материала обозначают полупроводниковый материал (ИС — индий, сурьма), третья буква указывает тип электропроводности материала (Э— электронный, Д — дырочный), четвертая буква соответствует легирующей примеси (Т — теллур, Г — галлий. Ц —цинк).
Основные электрофизические параметры антимонида индия этих марок приведены в табл. 2.3.
Таблица 2.3
Марка
Тип электропроводности
Концентрация носителей заряда, см-з
Подвижность носителей заряда, см2/(В-с)
Удельное сопротивление, Ом • см
Плотность дислокаций, см-2
ИСЭ-1
п
2-Ю14
5-Ю5
50
1-Ю3
ИСЭ-2
П
(3—9) 4 О14
2-Ю5
50
1 • 103
ИСЭТ-3
п
1-Ю15—1-1018
2-104
50
5-Ю3
ИСДГ-1
р
1.1012—5,Ю13
3- 10э
50—500
1-Ю3
ИСДГ-2
р
3.1012—5-Ю13
4-Ю3
50—300
1-Ю3
ИСДГ-3
р
5-1012—з- 1Q13
5-Ю3
50—250
1-Ю3
ИСДГ-4
р
5-1013—1 - 101s
—
50
5-Ю3
ИСДЦ-5
р
1 - IO*5—! • IO*8
—
50
5-Ю3
Антимонид галлия
Антимонид галлия GaSb — новый полупроводниковый материал, который нашел применение в туннельных диодах и микроволновых детекторах. Кристаллизуется антимонид галлия в кубической гранецентрированной решетке с постоянной а = 0,609 нм. Плотность 5,61 г/см3. Температура плавления антимонида галлия 712°С. Диэлектрическая прошЩаЦмость 14,8. Показатель преломления равен 3,9. Ширина запрещенной зоны антимонида галлия при 7' = 300 К составляет 0,67—0,725 эВ.
Монокристаллические слитки антимонида галлия получают из поликристаллического материала стехиометрического состава методом выращивания из расплава. Промышленность выпускает семь марок антимонида галлия: ГСД-1, ГСД-2, ГСДГ(Ц)-1, ГСДГ(Ц)-2, ГСДГ(Ц)-3, ГСЭ(Т)-1 и ГСЭ(Т)-2.
Основные параметры этих материалов приведены в табл. 2.4.
Таблица 2.4
Марка материала
Тип электропроводности
Легирующий элемент
Концентрация основных носителей заряда, см-з
Подвижность основных носителей заряда, см2/(В • с)
ГСД-1
р
8-ЬО16—5-1017
600
ГСД-2
р
1,2-1017—2-Ю17
700
ГСДГ(Ц)-1
р
Германий, цинк
5-Ю17—5-Ю18
200—300
ГСДГ(Ц)-2
р
То же
5-Ю18—5-1019
150—200
ГСДГ(Ц)-3
р
»
5-1019—8-Ю19
150—140
ГСЭ(Т)-1
п
Теллур
2-Ю17—1 • 1018
2500
ГСЭ(Т)-2
п
»
1,4-Ю18
2000
§ 2.11. Структуры на основе материалов интерметаллических соединений
В настоящее время широкое применение находят эпитаксиальные структуры на основе соединений GaAsP и GaAlAs. Эти структуры предназначены главным образом для изготовления светоизлучающих приборов (светодиодов, цифрознаковых индикаторов, световых табло).
Структуры на GaAsP представляют собой двухслойные композиции, в которых на подложке из GaAs имеется эпитаксиальный слой твердого раствора GaAsP. Толщина эпитаксиальных пленок может быть 50—500 мкм, а концентрация носителей заряда 10‘7—1018 см-3.
50ЭФАГ-100300АГЭТ-12-1850ЭФАГ-100300АГЭТ-12-1815САГА-2000 и 300АГЭТ-12-1715САГА-2000 и 300АГЭТ-12-17соответственно, где в числителесоответственно, где в числителеСтруктуры на GaAlAs отличаются от предыдущих тем, что на подложке из арсенида галлия имеется эпитаксиальный слой твердого раствора GaAlAs. Структуры имеют следующее обозначение
50ЭФАГ-100
300АГЭТ-12-18
50ЭФАГ-100
300АГЭТ-12-18
15САГА-2000 и 300АГЭТ-12-17
15САГА-2000 и 300АГЭТ-12-17
соответственно, где в числителе
соответственно, где в числителе
указаны параметры эпитаксиального слоя, а в знаменателе — параметры подложки.
Глава 3
МЕХАНИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ МАТЕРИАЛОВ
Физические основы механизма разрушения хрупких полупроводниковых материалов при механической обработке
Для механической обработки полупроводниковых материалов не могут быть использованы обычные токарные, фрезерные, строгальные и сверлильные станки, которые широко применяются для обработки различных материалов. Это связано с высокой хрупкостью полупроводниковых материалов. Поэтому основным способом их механической обработки является обработка с использованием абразивов как в связанном состоянии (алмазные диски и шлифоваль- ники), так и в свободном (абразивные суспензии и алмазные пасты) .
Физическая сущность механизма разрушения хрупкого полупроводникового материала при обработке свободным, абразивом заключается в следующем. Частицы абразивного материала, вдавливаясь в поверхность обрабатываемого полупроводникового материала, вызывают образование в ней микротрещин. Эти микротрещины в процессе обработки увеличиваются и распространяются вглубь от поверхности. Дальнейшая обработка приводит к созданию сети трещин, которые, смыкаясь, вызывают сколы отдельных участков полупроводникового материала. Отколовшиеся части удаляют с поверхности исходного образца. Таким образом происходит'послойное удаление материала и осуществляется механическая обработка исходного образца.
Зарождение микротрещин при абразивной обработке происходит в местах скопления дислокаций и других дефектов кристаллической решетки. Особое значение имеют краевые дислокации. В месте расположения краевой дислокации наиболее вероятно возникновение микротрещин.
Обработка полупроводниковых материалов свободным абразивом проводится с использованием различных абразивных суспензий, составной частью которых является жидкость. Наличие жидкости способствует процессу механической обработки полупроводниковых материалов, так как абразивный порошок находится в жидкости во взвешенном состоянии и равномерно распределен в ней.
Наличие жидкости при обработке дает возможность более равномерного распределения абразивных зерен по всей обрабатываемой поверхности исходного образца. Жидкость переносит новую порцию абразивных зерен, поступающих из дозатора, и выносит из зоны обработки разрушенные частицы обрабатываемого материала. Смоченные абразивной суспензией обрабатываемые поверхности не подвергаются перегреву, который может привести к ухудшению качества механической обработки. Если жидкостью является не чистая вода, а щелочные или кислотные растворы, то такая жидкость при абразивной обработке оказывает химическое воздействие на обрабатываемый полупроводниковый материал. Кроме того, жидкость способна проникать в имеющиеся на поверхности полупроводникового материала микротрещины и способствовать откалыванию от его поверхности отдельных частиц за счет расклинивающего действия сил поверхностного натяжения.
Физическая сущность процесса механической обработки связанным абразивом несколько отличается от обработки свободным абразивом. При обработке связанным абразивом к разрушению под действием нормальной силы, направленной перпендикулярно поверхности (случай обработки свободным абразивом), добавляется разрушение обрабатываемого материала за счет срезания микровыступов поверхности закрепленным зерном абразива под действием сдвигающей силы, направленной вдоль поверхности пластины.
При обработке свободным абразивом ударное усилие направле- 2*
ii«H№HJ
но внутрь обрабатываемого полупроводникового материала и абразивные зерна вызывают сильное разрушение поверхностного слоя. При обработке связанным абразивом основная часть усилий направлена не внутрь образца, а вдоль его поверхности, что вызывает меньшую глубину разрушения исходного материала при той же толщине удаленного слоя. Жидкость при обработке связанным абразивом используется лишь для охлаждения режущего инструмента и обрабатываемого полупроводникового материала.
Абразивные материалы
Абразивным может быть любой природный или искусственный материал, зерна которого обладают определенными свойствами: твердостью, абразивной способностью, механической и химической стойкостью.
Слово «абразив» латинского происхождения, в переводе на русский язык означает «скоблить». Это понятие и определяет характер обработки, выполняемой абразивными материалами. Главной особенностью абразивных материалов является их высокая твердость по сравнению с другими материалами. На использовании различия в твердости полупроводниковых и абразивных материалов построены все процессы механической обработки полупроводниковых материалов.
Абразивные материалы характеризуются следующими основными параметрами: твердостью, абразивной способностью, механической и химической стойкостью.
Под твердостью понимают способность абразивного материала сопротивляться вдавливанию в него другого материала, не получающего остаточных деформаций. Твердость обычно определяют нанесением риски (царапины) одним материалом на другой. Материал более твердый оставляет на более мягком царапину определенной глубины. По этому принципу построена минералогическая шкала Мооса, по которой самому твердому материалу алмазу соответствует десятый класс, корунду — девятый, топазу — восьмой, кварцу — седьмой и т. д.
Более точной характеристикой абразивного материала является микротвердость, определяемая глубиной вдавливания в исследуемый материал алмазной иглы.
Под абразивной способностью понимают возможность с помощью одного материала обрабатывать другой или группу различных материалов. Абразивная способность определяется количеством удаленного с поверхности обрабатываемого материала в единицу времени. Если принять абразивную способность алмаза за единицу, то абразивная способность других материалов будет иметь следующие значения: карбид бора — 0,6; карбид кремния —0,5; монокорунд — 0,25; электрокорунд — 0,15.
Под механической стойкостью понимают способность абразивного материала выдерживать механические нагрузки и не разрушаться при механической обработке полупроводниковых материалов.
Под химической стойкостью понимают способность абразивных материалов не изменять своих механических свойств в растворах щелочей, кислот, а также в воде и органических растворителях.
В производстве полупроводниковых приборов и интегральных микросхем применяют следующие виды абразивных материалов: алмаз, карбид кремния, карбид бора, электрокорунд, оксид хрома и аэросил. Рассмотрим основные свойства этих материалов.
Алмаз — самый твердый из известных минералов. Его микротвердость равна 9,8-1010 Н/м2. В промышленности используются в основном искусственные алмазы, которые получают из графита, обработанного под большим давлением и при высокой температуре.
Карбид кремния — химическое соединение кремния с углеродом, получаемое нагреванием смеси кварцевого песка с коксом в электрических печах при температуре выше 2000°С. Химически чистый карбид кремния бесцветный, а технический в зависимости от количества примесей приобретает оттенки от светло-зеленого до черного. Твердость по шкале Мооса 9,2. Микротвердость равна 3,4-1010 Н/м2. Выпускают карбид кремния двух разновидностей: зеленый и черный. Черный карбид кремния отличается от зеленого большей хрупкостью и меньшей твердостью. ^
Карбид бора — химическое соединение бора с углеродом; Его твердость близка к твердости алмаза и по шкале Мооса/равна 9,7. Микротвердость его 4,8-1010 Н/м2.
Электрокорунд — кристаллический оксид алюминия,"получаемый в результате плавки химически чистого оксида алюминия (глинозема). При переходе из расплавленного состояния в твердое оксид алюминия кристаллизуется в а-корунд — вещество белого цвета. Микротвердость электрокорунда составляет 1,8 • 1010 — 2,4Х X Ю10 Н/м2. Твердость по шкале Мооса равна 9. Выпускаемый промышленностью электрокорунд в зависимости от содержания А120з подразделяют на три группы: электрокорунд белый (98,5—99,5% А12О3), электрокорунд нормальный (91—96% А12О3) и электрокорунд черный (65—75% А120з).
Оксид хрома — порошок зеленого цвета, получаемый восста- новлецием двухромовокислого аммония серой. Полученный сплав измельчают и отмывают водой от ионов SO4 и других водорастворимых солей. Из отмытого оксида хрома берут фракцию с нужным размером зерен.
Аэросил — рыхлый голубовато-белый порошок, представляющий собой чистый диоксид кремния. Выпускается марок А-175, А-300 и А-380, в которых средний размер частиц составляет соответственно 10—40, 5—20 и 5—15 мкм.
Все абразивные материалы отличаются размером зерен и подразделяются на четыре группы: шлифзерно (от 200 до 16), шлиф- порошки (от 12 до 3), микропорошки (от М63 до М14) и тонкие микропорошки (от М10 до М5).
Каждый номер зернистости абразивных материалов этих групп характеризуется пятью фракциями: предельной, крупной, основной, комплексной и мелкой.
В производственных условиях абразивные материалы перед запуском в работу подвергаются испытаниям на зерновой состав. Для этого отбирают пробу в объеме не менее 5% по массе от всей партии абразивного материала по каждому номеру зернистости. Для набора пробы в абразивный материал опускают щуп до дна тары и захваченное им количество зерен высыпают на противень. Затем пробу тщательно перемешивают и делят на две части. Одну часть направляют в заводскую лабораторию, а вторую — в отдел технического контроля. В зависимости от зернистости применяют различные методы контроля. Для абразивных материалов с зернистостью от 200 до 5 для контроля применяют набор сит с ячейками заданного размера, а для абразивных микропорошков с зернистостью от М40 до М5 проводят микроскопический анализ.
Резка полупроводниковых слитков на пластины
Процесс включает в себя разрезание монокристаллического слитка на тонкие (250—600 мкм) плоскопараллельные пластины и является начальной операцией в общем цикле изготовления полупроводниковых приборов и ИМС.
В настоящее время для разрезания монокристаллических слитков на пластины используют два способа: резка диском с алмазной внутренней кромкой; резка металлическими полотнами с применением абразива.
Резка алмазным диском с внутренней режущей кромкой широко используется в производственных, а резка полотнами—-в лабораторных условиях.
Сущность метода резки алмазным диском с внутренней режущей кромкой состоит в следующем. На шпиндель станка крепят алмазный диск и с помощью специальных растягивающих болтов регулируют его радиальное натяжение. Внутрь полого шпинделя помещают держатель с приклеенным к нему полупроводниковым слитком. Перед началом весь слиток находится внутри шпинделя, а торцовая его часть немного выступает за кромку плоскости алмазного диска. При включении станка шпиндель с закрепленным на нем алмазным диском начинает вращаться. Если держатель со слитком перемещать в горизонтальном (или вертикальном) направлении, то в определенный момент слиток коснется своей боковой поверхностью кромки алмазного диска и начинается процесс резания. При полном отрезании пластины от слитка держатель отводится в исходное первоначальное положение и выдвигается из шпинделя на длину, равную толщине отрезаемой пластины. После этого процесс резки повторяют (рис. 3.1).
Каждое алмазное зерно, закрепленное на кромке металлического диска, представляет собой микрорезец, который скалывает микрочастицы с обрабатываемой поверхности полупроводникового материала. Процесс резания идет при большой частоте вращения шпинделя (3000—5000 об/мин), что способствует увеличению его производительности. При резке происходит выделение большого ко- 38
личества теплоты в месте соприкосновения алмазной кромки диска с поверхностью полупроводникового материала. Поэтому в течение всего процесса резки в область контакта диск — слиток непрерывно подают охлаждающую жидкость.
Режим резки выбирают, исходя из конкретных условий: вида полупроводникового материала, диаметра, толщины отрезаемой пластины, требований по классу и чистоте обработки, точности геометрических размеров и требований по плоскостности и плоскопа- раллельности пластины.
Рис. 3.1. Схема резки слитка иа пластины алмазным диском с внутренней режущей кромкой:
/ — шпиндель; 2— диск с алмазной кромкой; 3— слиток; 4 — держатель слитка; 5 — отрезанная пластина; 6— сборник
Следует отметить, что при резке слитка частоту вращения шпинделя нужно выбирать равной 3000—5000 об/мин. При частотах вращения менее 3000 об/мин производительность процесса резки резко снижается, а при частотах выше 5000 об/мин возрастают вибрации станка, которые вызывают биение диска, что, в свою очередь, приводит к снижению чистоты обработки поверхности полупроводниковых пластин и резкому увеличению расхода полупроводникового материала.
На процесс резания существенное влияние оказывает скорость подачи слитка (сила прижатия к алмазному диску). При малых скоростях подачи слитка производительность процесса резки слишком мала. С увеличением скорости подачи производительность повышается, а точность обработки снижается за счет прогибания диска. Отрезаемая пластина будет иметь искривленную поверхность. При малой толщине пластины это может привести к ее разлому в процессе резки. Поэтому рекомендуется более низкая скорость подачи (20—30 мм/мин) для тонких (200 мкм) пластин и более высокая скорость подачи (60—80 мм/мин) для более толстых пластин (400 мкм). На скорость подачи существенное влияние оказывает твердость обрабатываемого материала. Более твердый материал (например, кремний) разрезают при меньших скоростях подачи, чем более мягкий (германий).
Качество процесса резки в сильной степени зависит от применяемой охлаждающей жидкости и ее расхода. Для этого вида механической резки рекомендуется использовать воду, 3,5%-ный водный раствор кальцинированной соды или жидкость НИИАЛМАЗа. Наи-
лучшим способом подачи охлаждающей жидкости в зону резания является подача ее сверху вниз непосредственно на режущую кромку алмазного диска, который должен рассекать струю жидкости пополам. В этом случае диск равномерно охлаждается с обеих сторон. Рекомендуется выбирать расход жидкости равным 2—4 л/мин.
Стойкость алмазных дисков зависит от режимов резания, рода обрабатываемого материала и качества крепления диска на шпинделе (натяжение, биение, вибрация и др.).
Процесс изнашивания рабочей поверхности алмазного диска характеризуется тремя периодами: 1) выкрашивание из связки отдельных непрочно закрепленных алмазных зерен; 2) округление вершин и расщепление алмазных зерен, а также частичное скалывание отдельных зерен по плоскости спайности; 3) увеличение усталостных явлений в основе диска, зерне, связке.
Стойкость алмазных дисков связана с основными технологическими факторами соотношением
0_ KGvasb
где Kg — коэффициент, характеризующий обрабатываемый материал; и— частота вращения диска, об/мин; s— скорость подачи, мм/мин; а и b — постоянные коэффициенты.
Тепловые явления, возникающие при резке слитка на пластины, оказывают существенное влияние на качество резки: увеличивается толщина нарушенного слоя, создаются остаточные напряжения и микронеровности, структурные изменения поверхности полупроводникового материала и алмазного диска.
Преимуществами метода резки алмазными дисками с внутренней режущей кромкой являются: высокая производительность; 7— 8-й класс чистоты обработки; малый разброс по толщине пластин (±20 мкм); малые отходы полупроводникового материала при резке.
Недостатком метода является сложность установки алмазного диска, его натяжение и центровка.
Метод резки слитков на пластины стальными полотнами имеет ряд преимуществ, которые заключаются в следующем. Во-первых, для резки полупроводниковых материалов могут быть использованы металлические полотна достаточно малой толщины (менее 0,05 мм), которые позволяют получать очень тонкий рез. Во-вторых, качество резки значительно выше, чем при алмазной обработке. Это объясняется рядом особенностей процесса резки полотнами. Здесь режущим веществом является абразивный порошок, подаваемый в виде суспензии в рабочую зону резки, а металлическое полотно или набор полотен служит только средством переноса абра- .•зивного порошка по плоскости реза полупроводникового материала. Абразивные частицы, двигаясь под действием металлических полотен, одной стороной своей грани вминаются в полотно, а другой стороной воздействуют на поверхность обрабатываемого полупроводникового материала. Взаимодействие абразивных зерен с полупро-
водниковым материалом приводит к появлению микротрещин и выколок в последнем и послойному удалению обрабатываемого материала.
Таким образом, рассматриваемый процесс резки больше напоминает шлифовку свободным абразивом, которая характеризуется меньшим числом механических нарушений поверхности полупроводника.
Резка полотнами состоит в следующем. Металлические полотна набирают в обойму от нескольких единиц до нескольких сотен штук. Прокладки, расположенные между полотнами, дают возможность устанавливать нужный размер отрезаемых от слитка пластин. Набранную обойму устанавливают на рабочей скобе станка. Обойма может совершать возвратно-поступательные движения в горизонтальном направлении со скоростью 200—600 дв. ход/мин. Разрезаемый слиток, предварительно приклеенный к рабочему столику станка, подводят к движущимся полотнам снизу до соприкосновения и устанавливают определенную скорость подачи слитка. В зону резания подают абразивную суспензию.
К недостаткам этого метода резки следует отнести в первую очередь невысокую по сравнению с резкой алмазным диском с внутренней режущей кромкой точность обработки. Это объясняется тем, что у диска большая жесткость конструкции, чем у полотен. Полотна в пакете не удается равномерно и сильно натянуть. Кроме того, в процессе резки полотна неравномерно изнашиваются и натяжение их неравномерно ослабевает.
Резка полупроводниковых пластин ; на элементы (кристаллы)
Эта операция заключается в разделении пластин на отдельные элементы (кристаллы) и проводится (в случае изготовления полупроводниковых приборов и ИМС по планарной технологии) не в начале общего цикла, а в его конце, непосредственно перед процессом сборки.
Для разделения полупроводниковых пластин на кристаллы используют следующие способы: резку алмазным диском с внешней режущей кромкой; резку металлическими полотнами с применением абразива; резку металлическими полотнами с алмазной режущей кромкой (штрипсами); резку проволокой с применением абразива; резку с использованием ультразвуковых установок; алмазное скрайбирование с последующим разламыванием; электронно-лучевое скрайбирование с последующим разламыванием; лазерное скрайбирование с последующим разламыванием.
Использование каждого из указанных способов резки пластин на кристаллы диктуется требованиями к конкретному типу полупроводникового прибора и ИМС и технологии его изготовления.
Рассмотрим основные особенности этих способов и принципы осуществления резки полупроводниковых пластин.
Резка алмазным диском с внешней режущей кромкой отличается от рассмотренной резки слитка на пластины. Отличие состоит в конструкции алмазного диска, у которого режущая алмазная кромка нанесена на его периферийную часть. Конструкция такого диска принципиально не может быть использована для разрезания слитка на пластины из-за малой жесткости конструкции, не позволяющей получать глубокие резы без нарушения качества обработки.
Однако для разрезания пластин на кристаллы, когда глубина реза не превышает 0,5 мм, успешно используют алмазные диски с внешней режущей кромкой. Более того, для увеличения производительности процесса часто используют не единичные диски (как при резке слитков), а наборы дисков, причем прокладки между дисками задают размер отрезаемого элемента (кристалл). При использовании набора дисков можно существенно уменьшить их толщину (до 0,1 мм) и, следовательно, ширину реза (до 0,2 мм). При хорошо настроенном оборудовании разброс кристаллов по геометрическим размерам не превышает ±0,03 мм, что дает возможность отдельные разрезанные этим способом кристаллы с полупроводниковыми приборами и ИМС собирать и комплектовать в обоймы.
Резка металлическими полотнами с использованием абразива, используемая для разрезания пластин на кристаллы, не отличается от рассмотренного аналогичного способа резки слитка на пластины.
Резка полотнами с алмазной режущей кромкой (штрипсами) включает в себя возвратно-поступательное движение металлических полотен и взаимодействие алмазных зерен с полупроводниковым материалом. Поэтому резка полупроводниковых пластин на кристаллы осуществляется без применения абразива с использованием охлаждающей жидкости.
Резка проволокой с применением абразива используется для получения кристаллов квадратной и прямоугольной форм из пластин исходного материала. Резка проволокой имеет две разновидности. В одном случае проволока наматывается на ролики, укрепленные на специальной вилке, которая приводится в возвратно-поступательное движение кривошипно-шатунным механизмом. Резка в этом случае производится аналогично резке полотнами с той лишь разницей, что вместо полотен натянута проволока. При этой разновидности резки проволока, совершая возвратно-поступательное движение с вилкой, медленно перематывается. Перемотка необходима для равномерного износа проволоки по всей рабочей длине.
В другом случае резка происходит по принципу перемотки проволоки с одного ролика на другой с большой скоростью. В процессе перемотки происходит резка пластин на кристаллы. При резке в том и другом случаях на проволоку непрерывно подается абразивная суспензия.
Метод резки проволокой обладает определенными преимуществами. Так, для малых скоростей подачи обрабатываемого материала происходит незначительное его разрушение, что позволяет резать полупроводниковые пластины с покрытиями из золота, алюминия, никеля, меди и других металлов без их отслаивания от подложки.
Кроме того, если замена изношенных полотен трудоемка, то на замену проволоки затрачивается значительно меньше времени. Метод резки проволокой обеспечивает получение кристаллов правильной геометрической формы с боковыми гранями, перпендикулярными рабочей поверхности. Минимальный размер кристалла, получаемого этим способом резки, равен 0,5X0,5 мм.
Для резки полупроводниковых пластин обычно используют проволоку из вольфрама, стали, никеля, нихрома и сплава МВ-50. Диаметр проволоки выбирают равным 0,05—0,15 мм, при этом ширина реза соответственно изменяется от 0,08 до 0,2 мм.
К основному преимуществу метода резки проволокой следует отнести возможность получения узких прорезей в полупроводниковой пластине и высокое качество обработки поверхности (отсутствие сколов на углах кристаллов).
Резка пластин на элементы с использованием ультразвуковых установок применяется в тех случаях, когда необходимо получить элемент круглой или более сложной геометрической формы. Сущность процесса ультразвуковой резки состоит в следующем. Ток от генератора ультразвуковых колебаний с частотой 15—70 кГц подается на обмотку электрического преобразователя-вибратора, который преобразует их в упругие механические колебания. Эти колебания усиливаются концентратором и передаются на режущий инструмент, который приводится в соприкосновение с поверхностью разрезаемой полупроводниковой пластины. В область резания непрерывно подается абразивная суспензия. Зерна абразива, приобретая значительные ускорения под действием ультразвуковых колебаний режущего инструмента, воздействуют на полупроводниковый материал, разрушая его точно под рабочей частью режущего инструмента. При ультразвуковой резке происходит разрушение режущего инструмента за счет истирания. Форму режущего инструмента выбирают в зависимости от требуемой формы кристалла.
Алмазное скрайбирование наиболее широко применяется для разделения пластин на кристаллы квадратной и прямоугольной форм. Сущность способа заключается в том, что на поверхности полупроводниковой пластины алмазным резцом наносят риски в двух взаимно перпендикулярных направлениях. Глубина рисок не превышает 5—10 мкм, а ширина — 20—40 мкм. Вокруг нанесенной риски на поверхности полупроводниковой пластины возникают механические напряжения, ослабляющие материал в локальных областях. При приложении к пластине изгибающего усилия она разламывается вдоль нанесенных рисок.
Основным преимуществом способа алмазного скрайбирования является отсутствие пропила в полупроводниковой пластине и, как следствие этого, нет отходов полупроводникового материала при резке.
Минимальный шаг (сторона кристалла) нанесения риски для германия составляет 0,4 мм, а для кремния — 0,5 мм. Минимальный размер кристалла А и толщина исходной полупроводниковой пласти-
ны I связаны соотношением h = kl, где ^ = 4 для кремния и & = 3,2 для германия.
Для алмазного скрайбирования применяют резцы с алмазным наконечником. В зависимости от геометрической формы режущей части алмазного наконечника все резцы подразделяют на три основных типа: с рабочей частью в виде трехгранной пирамиды, четырехгранной пирамиды и четырехгранной усеченной пирамиды. Каждый тип алмазного резца используется для обработки определенного полупроводникового материала. Так, для резки пластин из германия толщиной 100—250 мкм применяют резцы с режущей частью в виде трехгранной пирамиды, а для резки пластин из кремния толщиной 200 500 мкм — резцы с алмазным наконечником, имеющим форму четырехгранной пирамиды с острой вершиной.
Электронно-лучевое скрайбирование. Нанесение рисок на поверхность полупроводниковой пластины, наряду с алмазным резцом, можно проводить, остросфокусированным электронным лучом. Суть способа состоит в сканировании электронного луча по поверхности полупроводниковой пластины с определенным шагом, равным стороне кристалла. Электронный луч, обладая достаточной энергией, производит микрорасплавление локального участка поверхности полупроводниковой пластины. Процесс нагрева и охлаждения локальных областей (бороздок) полупроводниковой пластины происходит в течение короткого времени, что вызывает возникновение термомеханических напряжений в области созданных электронным лучом бороздок. При последующем приложении к пластине изгибающего усилия пластина раскалывается по бороздкам.
При определенных условиях (толщина разрезаемой пластины, диаметр луча, мощность установки и др.) метод электронного луча позволяет проводить сквозную резку полупроводникового материала за счет расплавления и последующего испарения локальной области полупроводниковой пластины.
Лазерное скрайбирование находит все большее применение для разделения пластин на кристаллы. При лазерном скрайбировании риска на поверхности полупроводниковой пластины образуется не механическим, а электрофизическим способом (подобно электронному лучу) путем нагрева и испарения узкой полосы полупроводникового материала. Данный метод позволяет проводить скрайбирование пластин с любым покрытием на любую глубину и сквозное разделение.
Размеры риски (ширина и глубина), зона термического влияния лазерного луча, а также скорость скрайбирования и равномерность удаления полупроводникового материала по всей длине риски определяются скоростью перемещения пластины относительно лазерного луча, мощностью, частотой и длительностью импульса лазерного излучения, а также размером сфокусированного пятна.
Разламывание пластин после скрайбирования
Процесс разламывания пластин после скрайбирования является весьма ответственной операцией в общем цикле разделения пластин на элементы. Неточное разламывание даже хорошо проскрайбиро- ванных пластин может привести к значительному браку получаемых кристаллов: сколам, неровным граням, искажению геометрической формы.
Разламывание пластин с нанесенными на ее поверхность рисками основано на создании растягивающих усилий, которые вызывают появление трещин вдоль нанесенных рисок. В этом случае наиболее критичным является значение угла раскалывания, от которого зависят отклонения геометрических размеров разрезаемых элементов.
Применяют различные способы разламывания пластин на отдельные кристаллы. Рассмотрим три из них, наиболее широко используемые.
При первом способе (ручном) пластину помещают на мягкую подложку (резину, поролон и др.) рисками вниз и сверху прокатывают резиновым валиком в двух взаимно перпендикулярных направлениях, причем ось валика должна быть строго параллельна рискам, по которым идет разламывание, иначе ломка пластины может произойти не по рискам, а по произвольному направлению.
Таким образом, при первой прокатке валика по поверхности пластины с рисками она разламывается на полосы, а при второй прокатке в перпендикулярном направлении полосы раскалываются на квадратные или прямоугольные кристаллы.
Для устранения перемещения полос и кристаллов в процессе разламывания перед началом процесса пластину наклеивают на бумагу или полиэтиленовую пленку. Это позволяет сохранить ориентацию кристаллов относительно расположения их в исходной пластине и избежать их произвольного разламывания и царапания друг о друга.
Второй способ предусматривает механизацию процесса разламывания пластин с рисками. Сущность способа состоит в том, что после наклейки пластины ее пропускают через пространства между двумя движущимися металлическими лентами, которые имеют определенный радиус закругления. Проходя участок закругления, пластина раскалывается по рискам на кристаллы.
Третий способ основан на прижатии пластины с рисками к сферической поверхности линзы, в результате чего происходит одновременное разламывание пластины в двух взаимно перпендикулярных направлениях. Устройство для разламывания состоит из линзы со сферической поверхностью и резиновой мембраны. Пластину располагают на резиновой мембране рисками вниз, а сверху к пластине подводят сферическую поверхность линзы. При определенном давлении воздуха на резиновую мембрану происходит прижатие полупроводниковой пластины к сферической поверхности линзы и разламывание.
Преимуществами этого способа являются простота, возможность автоматизации и высокая производительность. Разламывание пластин этим способом возможно только на кристаллы квадратной формы; кроме того, каждый размер квадратного кристалла требует определенной кривизны линзы.
Качество разламывания полупроводниковых пластин для всех трех рассмотренных способов зависит от изгибающего напряжения. Изгибающее напряжение, необходимое для разламывания пластин, может быть определено из следующего выражения:
,. т№ т j h
П == — ёг-г.
ЬП b V. I ) '
где т — изгибающий момент; И. — толщина ребра кристалла, получаемого при скрайбировании; b— длина кристалла;/ — ширина кристалла.
Величину НЦ в этом выражении называют показателем способности к разламыванию.
Шлифовка полупроводниковых пластин
Полученные после разрезания слитка полупроводниковые пластины обладают рядом нарушений, к которым относятся наличие механически нарушенного слоя, неплоскостность и неплоскопараллельность сторон, изгиб и большой разброс по толщине. Поэтому после проведения процесса резки обязательной технологической операцией является шлифовка.
Для получения хороших результатов шлифовки необходимо выполнять следующие требования: шлифовку нужно проводить в чистых, свободных от пыли помещениях и под защитными кожухами с избыточным давлением воздуха; все установки для проведения процессов шлифовки должны быть разделены по виду обработки и типу используемого абразива; все материалы (шлифовальники, абразивные порошки) должны быть тщательно рассортированы и храниться в отдельных герметичных скафандрах.
Под процессом шлифовки понимают обработку полупроводниковых пластин на твердых доводочных дисках-шлифовальниках абразивными микропорошками. Шлифовальники обычно изготовляют из чугуна, стекла, стали, меди или латуни. Зернистость микропорошков для шлифования полупроводниковых пластин выбирают от М14 до М5. Процесс шлифовки позволяет получать 9—12-й класс чистоты обработки.
Процесс шлифовки классифицируют по технологическим и конструктивным признакам, а также по виду используемого абразивного материала.
По технологическим признакам 'шлифовку подразделяют на предварительную и окончательную, по конструктивным признакам — на одностороннюю и двустороннюю, по виду используемого материала — на шлифовку свободным и связанным абразивом.
Предварительная и окончательная обработка (шлифовка) представляет собой два процесса, отличающиеся друг от друга целями, режимами и применяемыми материалами.
Цель предварительной шлифовки — быстро выровнять плоскости пластин и удалить припуск. Режимы проведения этого процесса отличаются более высокими частотой вращения шлифовальников и давлениями абразивного порошка на поверхность полупроводниковой пластины. Кроме того, для предварительной шлифовки выбирают абразивные порошки с более крупным зерном (М14, М10).
Окончательная шлифовка (тонкая) характеризуется более мягкими режимами обработки и применением абразивных порошков с более мелким зерном (М7, М5). Целью окончательной шлифовки является дальнейшее улучшение геометрических параметров и качества поверхности обрабатываемых пластин.
Принцип снятия полупроводникового материала с поверхности пластин при односторонней и двусторонней шлифовках одинаков. Разница между этими процессами заключается лишь в конструктивных особенностях шлифовальных станков, которые дают возможность проводить процесс шлифования либо с одной стороны пластины, либо сразу с двух сторон. Для шлифовки пластины с двух сторон с использованием оборудования для односторонней шлифовки процесс повторяют, а пластину переворачивают на другую сторону.
При односторонней шлифовке полупроводниковые пластины наклеивают на специальные приспособления — головки, которые располагают на рабочей поверхности шлифовального круга так, чтобы полупроводниковые пластины соприкасались с поверхностью шли- фовальника. На шлифовальнике, как правило, располагают три головки с наклеенными пластинами.. При вращении шлифовальника головки самоустанавливаются и поверхности шлифовальника и полупроводниковых пластин плотно прилегают друг к другу. В зону шлифования подают абразивную суспензию.
Двустороннюю шлифовку проводят на станках, которые имеют два шлифовальника. Обрабатываемые полупроводниковые пластины располагаются в специальных гнездах сепараторов, которые вместе с пластинами размещают между двумя шлифовальниками. Нижний шлифовальник обычно неподвижен, а верхний свободно само- устанавливается при вращении. Пластины, загруженные в гнезда сепаратора, совершают сложное движение, которое складывается из вращения шлифовального круга, вращения сепаратора и вращения самой пластины внутри гнезда сепаратора. Такое движение дает возможность снимать слой материала равномерно со всей поверхности пластины с высокой точностью. Абразивйая суспензия подается через верхний шлифовальник и равномерно обволакивает полупроводниковую пластину со всех сторон. При работе станка абразивные зерна перекатываются по верхней и нижней поверхностям пластины, создавая определенное давление, которое приводит к выкалыванию микрочастиц полупроводникового материала. Шлифованная поверхность обрабатываемых пластин имеет матовую фактуру и состоит из большого числа кратерообразных выколок. Раз-
меры выколок находятся в прямой зависимости от размера зерен абразива, давления иа них шлифовальника и скорости шлифовки.
Шлифовку свободным абразивом выполняют на станках односторонней и двусторонней обработки полупроводниковых пластин с использованием различных суспензий и паст. В процессе обработки зерна абразива находятся в свободном состоянии, т. е. не связаны жестко друг с другом. Абразивная суспензия создает тонкую прослойку между шлифовальником и обрабатываемой полупроводниковой пластиной, в которой абразивные зерна свободно перекатываются. Отсюда и появилось название «свободный абразив».
Шлифовка связанным абразивом существенно отличается от шлифовки свободным абразивом как по физическому принципу удаления полупроводникового материала в процессе обработки, так и по кинематике процесса. Шлифовку связанным абразивом выполняют на станках с жесткими осями, особенностью которых является неизменность положения осей вращения шлифовальника и обрабатываемых пластин. Главной особенностью этого процесса является конструкция шлифовального круга, который представляет собой металлический диск с нанесенным на его поверхность алмазным слоем. Алмазные зерна прочно соединены с поверхностью шлифовального диска специальной крепящей связкой.
Обрабатываемые полупроводниковые пластины наклеивают на головку станка, которая в процессе шлифовки вращается вокруг своей оси. Шпиндель шлифовального круга, вращаясь с частотой 15 000— 18 000 об/мин, приходит в контакт с поверхностью пластин. Алмазные зерна шлифовальника, ударяясь с высокой скоростью о пластины, снимают с поверхности полупроводникового материала микростружку. Обработанная этим способом полупроводниковая пластина имеет специфический рисунок поверхности, который представляет собой сетку из множества пересекающихся рисок. Процесс шлифовки связанным абразивом характеризуется выделением большого количества теплоты. Поэтому для предотвращения перегрева шлифовальника и обрабатываемых пластин в зону шлифования подают охлаждающую жидкость. Уменьшение частоты вращения шлифовального круга приводит к снижению качества обработки поверхности пластин.
Точность обработки связанным абразивом зависит в первую очередь от настройки станка и жесткости крепления его элементов (предметной головки, шпинделя шлифовальника). Погрешности геометрических размеров и форм обрабатываемых пластин возникают вследствие непараллельности осей шпинделя шлифовального круга и предметной головки станка.
Полировка полупроводниковых пластин
Для улучшения качества обработки поверхности полупроводниковых пластин и уменьшения глубины механически нарушенного слоя проводят процесс полировки.
Процесс полировки отличается от процесса шлифовки технологическим режимом, размером зерна и видом абразива, а также материалом полировальника. Общим у этих процессов является вид обработки — односторонняя с использованием свободного абразива.
Процесс полировки проводят, как правило, на мягких полировальниках, которые представляют собой жесткие диски, обтянутые мягким материалом: фланелью, замшей, батистом, фетром, велюром, сукном, шелком и др. В качестве абразива используют микропорошки (с зернистостью не выше 3 мкм) синтетического алмаза,, оксида алюминия, оксида хрома, диоксида кремния или диоксида циркония.
Выбор полировочной ткани зависит от совместимости ее с используемой абразивной средой. Полировочная ткань должна удерживать своим ворсом частицы абразивного материала в процессе обработки полупроводниковых пластин. Полировочная ткань должна быть стойка к истиранию и иметь низкую стоимость. Обычно для предварительной полировки используют безворсовые тканевые материалы с более крупными алмазными зернами. Ворсистые материалы применяются для окончательной обработки с использованием алмазных зерен менее 1 мкм.
К качеству полировальников также предъявляют ряд требований: они не должны иметь складок, порезов, утолщений, разорванных нитей, бугров и впадин, посторонних включений и других дефектов поверхности. Стойкость мягких полировальников невелика. Так, батистовый полировальник пригоден для обработки 20— 30 пластин, сатиновый — для 50—70, замшевый — для 100—120, велюровый — для 500—600 пластин.
Процесс полировки полупроводниковых пластин состоит из трех основных этапов.
Первый этап (предварительная полировка) состоит в приготовлении абразивной суспензии и подготовки полировального круга. На стеклянный диск натягивают мягкий материал (батист) с помощью металлических пялец. Поверхность батиста смачивают спиртом или приборным маслом для равномерного распределения абразивных зерен. На поверхность вспомогательного стеклянного диска наносят алмазный порошок АСМЗ, общий вес которого не превышает одного карата, и несколько капель приборного масла. Полученную смесь растирают другим таким же стеклянным диском до равномерного распределения алмазного порошка по всей поверхности стеклянных дисков. После этого поочередно каждый диск переносят на приготовленный батистовый полировальник и проводят втирание алмазного порошка в батист. Втирание ведут до тех пор, пока весь алмазный порошок не перейдет на поверхность батиста.
На приготовленный таким образом полировальник помещают рабочие головки с наклеенными на них полупроводниковыми пластинами. Так как процесс алмазной обработки связан с тепловыделением, то не рекомендуется устанавливать интенсивный режим полировки. Повышение температуры процесса полировки может при-
вести к отклеиванию полупроводниковых пластин, отрыву их от рабочей головки и их механическому повреждению. Поэтому частота вращения полировальника не должна превышать 30—40 об/мин.
Второй этап (промежуточная полировка) характеризуется сменой материала полировальника и использованием алмазного порошка АСМ.1. Для этого на стеклянный диск натягивают другой мягкий материал (велюр), смоченный горячей водой или спиртом. На поверхность велюра рассмотренным способом наносят алмазный порошок с приборным маслом. После проведенных операций очищенные от следов предыдущей обработки головки с полупроводниковыми пластинами располагают на вновь приготовленном полировальнике и процесс полировки продолжается. На втором этапе нагрузка на полупроводниковые пластины несколько увеличивается, а частота вращения полировальника снижается до 25—30 об/мин.
Третий этап (окончательная тонкая полировка) включает в себя смену полировальника и абразивного материала. В качестве материала полировальника используют новую партию батиста, а абразивным материалом могут служить оксид хрома, диоксид кремния и диоксид циркония.
Наиболее часто тонкую полировку полупроводниковых пластин проводят с использованием оксида хрома с величиной зерна менее 1 мйм. Обычно применяют оксид хрома двух сортов: грубый с размером зерна 0,6—0,8 мкм, получаемый путем восстановления бихромата калия серой, и тонкий с размером зерна 0,2—0,4 мкм, получаемый термическим разложением бихромата аммония.
Следует отметить, что полировка оксидом хрома является малопроизводительным процессом, продолжающимся несколько часов.
Более производительным является процесс полировки с использованием на последнем этапе в качестве абразивного материала диоксидов кремния или циркония.
Обычно используют диоксид кремния с размером зерна не более 0,1 мкм. Водную суспензию диоксида кремния составляют в соотношении: 1 ч. порошка диоксида кремния и 5 ч. воды. Суспензия в течение всего процесса полировки должна тщательно перемешиваться. Процесс полировки с использованием суспензии из диоксида кремния проводят на полировальнике из замши с частотой вращения до 100 об/мин.
Диоксид циркония в виде водной суспензии с соотношением компонентов 1 : 10 и величиной зерна не более 0,1 мкм с успехом используется на окончательном этапе процесса полировки.
Последний этап полировки имеет большое значение. Он дает возможность удалить так называемый алмазный фон с поверхности полупроводниковых пластин, возникающий на первых двух этапах, и значительно уменьшить глубину механически нарушенного слоя. Последний этап полировки позволяет получить поверхности полупроводниковых пластин с чистотой обработки, соответствующей 13—14-му классу.
Дальнейшее совершенствование и улучшение методов полировки полупроводниковых материалов предусматривает изыскание путей 50
повышения производительности процесса, создание новых полировочных материалов, обеспечивающих наряду с высоким качеством обработки поверхности хорошую геометрическую форму пластин, К новым перспективным методам полировки следует отнести химико-механические способы, которые отличаются высокой химической активностью по отношению к обрабатываемому полупроводниковому материалу.
Контроль качества механической обработки
Электрические параметры готовых полупроводниковых приборов и ИМС существенно зависят от степени совершенства поверхности, качества обработки и геометрической формы обработанных полупроводниковых пластин, так как эти несовершенства механической резки, шлифовки и полировки неблагоприятно сказываются на последующих технологических процессах: эпитаксии, фотолитографии, диффузии и др. Поэтому после проведения процессов механической обработки полупроводниковые пластины подвергаются контролю. Оценку качества производят по следующим основным критериям годности: 1) геометрические размеры и форма полупроводниковых пластин; 2) чистота обработки поверхности пластин; 3) глубина механически нарушенного слоя.
Контроль геометрических размеров и форм пластин предусматривает определение толщины, стрелы прогиба, клиновидности и плоскостности пластин после каждого вида механической обработки.
Толщину пластин определяют путем измерения ее в нескольких точках поверхности с помощью индикатора часового типа с ценой деления 1 мкм.
Стрелу прогиба пластин определяют как разность значений толщины пластины в двух точках, расположенных в центре пластины на противоположных ее сторонах, т. е. измеряют толщину пластины в центральной точке, а затем пластину переворачивают на другую сторону и снова измеряют толщину в центральной точке. Разность полученных значений толщины даст стрелу прогиба.
Клиновидность определяют как разность значений толщины пластины в двух точках, но расположенных не в центре пластины, а по ее краям на противоположных концах пластины, отнесенную к диаметру пластины. Для более полной картины рекомендуется повторить измерения для двух точек, расположенных на концах диаметра, перпендикулярного диаметру, который был выбран для первого измерения.
Плоскостность определяют измерением толщины пластины в нескольких точках, расположенных по диаметру пластины.
Контроль чистоты обработки поверхности пластин включает в себя определение шероховатости, наличия на поверхности сколов, рисок, впадин и выступов.
Шероховатость оценивают высотой микровыступов и микровпадин на поверхности полупроводниковой пластины. Оценку шерохо-
ватости проводят либо сравнением поверхности контролируемой ■пластины с эталонной поверхностью, либо измерением высоты мик- ■ронеровностей на микроинтерферометре МИИ-4 или на профилографе-профилометре.
Наличие на поверхности пластин сколов, рисок, впадин и выступов контролируется визуально с помощью микроскопа.
Контро ль глубины механически нарушенного слоя. Глубина механически нарушенного слоя является основной характеристикой качества обработки полупроводниковых пластин. Несовершенства кристаллической решетки приповерхностного слоя полупроводниковой пластины после резки, шлифовки и полировки принято называть механически нарушенным слоем. Этот слой распространяется от обработанной поверхности в глубь объема полупроводникового материала. Наибольшая глубина залегания нарушенного слоя образуется при резке слитка на пластины. Процессы шлифовки и полировки приводят к уменьшению глубины залегания этого слоя.
Структура механически нарушенного слоя имеет сложное строение и может быть разделена по толщине на три зоны. Первая зона представляет собой нарушенный рельефный слой, состоящий из хаотически расположенных выступов и впадин. Под этой зоной расположена вторая (самая большая) зона, которая характеризуется одиночными выколками и идущими от поверхности зоны в ее глубь трещинами. Эти трещины начинаются от неровностей рельефной зоны и простираются по всей глубине второй зоны. В связи с этим слой полупроводникового материала, образованный второй зоной, получил название «трещиноватый». Третья зона представляет собой монокристаллический слой без механических повреждений, но имеющий упругие деформации (напряженный слой).
Толщина нарушенного слоя пропорциональна размеру зерна абразива и может быть определена по формуле
F = k\
где к= 1,7 для кремния и ^ = 2,2 для германия; 6 — размер зерна абразива.
Для определения глубины механически нарушенного слоя используют три способа.
Первый способ заключается в последовательном стравливании тонких слоев нарушенной области и контроле поверхности полупроводниковой пластины на электронографе. Операцию стравливания проводят до того момента, когда вновь полученная поверхность полупроводниковой пластины обретет совершенную монокристаллическую структуру. Разрешающая способность данного метода лежит в пределах ± 1 мкм. Для увеличения разрешающей способности необходимо уменьшать толщину снимаемых каждый раз слоев. Процесс химического травления не может обеспечить снятие сверхтонких слоев. Поэтому тонкие слои снимают травлением не полупроводникового материала, а предварительно окисленного слоя. Метод окисления поверхности с последующим стравливанием слоя оксида
дает возможность получить разрешающую способность менее 1 мкм.
Второй способ основан на зависимости предельного тока анодного растворения полупроводниковой пластины от наличия дефектов на ее поверхности. Так как скорость растворения слоя с дефектами структуры значительно выше, чем монокристаллического материала, то значение анодного тока при растворении пропорционально этой скорости. Поэтому при переходе от растворения нарушенного слоя к растворению монокристаллического материала будет наблюдаться резкое изменение как скорости растворения, так и значения анодного тока. По моменту резкого изменения анодного тока судят о глубине нарушенного слоя.
Третий способ основан на том, что скорость химического травления полупроводникового материала нарушенного слоя значительно выше скорости химического травления исходного ненарушенного монокристаллического материала. Поэтому толщину механически нарушенного слоя можно определить по моменту скачкообразного изменения скорости травления.
Критериями годности полупроводниковой пластины после определенного вида механической обработки являются следующие основные параметры.
После резки слитков на пластины диаметром 60 мм поверхность не должна иметь сколов, больших рисок, класс чистоты обработки должен быть не хуже 7—8; разброс по толщине пластины не должен превышать ±0,03 мм; прогиб не более 0,015 мм; клиновидность не более 0,02 мм.
После процесса шлифовки поверхность должна иметь матовый однородный оттенок, не иметь сколов и царапин; клиновидность не выше 0,005 мм; разброс по толщине не выше 0,015 мм; чистота обработки должна соответствовать 11—12-му классу.
После процесса полировки чистота поверхности должна соответствовать 14-му классу, не иметь алмазного фона, сколов, рисок, царапин; прогиб должен быть не хуже 0,01 мм; отклонение от номинала толщины не должно превышать ±0,010 мм.
Необходимо отметить, что контроль качества полупроводниковых пластин (подложек) имеет огромное значение для всего последующего комплекса технологических операций изготовления полупроводникового прибора или сложной интегральной микросхемы. Это объясняется тем, что механическая обработка подложек является, по существу, первой из цикла операций всего процесса производства приборов и поэтому позволяет исправить отклонение параметров от нормы забракованных при контроле пластин (подложек). При некачественном проведении контроля пластины, имеющие какие-либо дефекты или несоответствие требуемым критериям годности, попадают на последующие технологические операции, что приводит, как правило, к неисправимому браку и резкому снижению такого важного экономического параметра, как процент выхода годных изделий на этапе их изготовления.
Таким образом, максимальная отбраковка негодных пластин после механической обработки гарантирует потенциальную надеж-
ность проведения всего комплекса технологических операций и в первую очередь технохимических и фотолитографических процессов, процессов, связанных с получением активных и пассивных структур (диффузия, эпитаксия, ионная имплантация, осаждение пленок и др.), а также процессов защиты и герметизации р-п-переходов.
Глава 4
ТЕХНОХИМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ПОДГОТОВКИ ПОДЛОЖЕК имс
Цели технохимических процессов подготовки подложек
Основными целями технохимических процессов подготовки подложек ИМС являются: получение чистой поверхности полупроводниковой пластины; удаление с поверхности полупроводниковой пластины механически нарушенного слоя; снятие с полупроводниковой пластины слоя исходного материала определенной толщины; локальное удаление исходного материала с определенных участков поверхности подложки; создание определенных электрофизических свойств обрабатываемой поверхности подложки; выявление структурных дефектов кристаллической решетки исходной подложки; получение мезаструктур; осаждение гальванических покрытий.
Получение чистой поверхности полупроводниковых подложек связано с требованием недопустимости каких-либо загрязнений при проведении процессов диффузии, эпитаксиального наращивания и др. Поэтому основной целью технохимических процессов является удаление с поверхности исходных подложек различного рода загрязнений. Получение чистой поверхности подложек связано с большими трудностями и, как правило, достигается проведением комплекса различных технохимических процессов: промывка в воде, ультразвуковая промывка в растворителях, химическое или газовое травление и т. д.
Удаление с поверхноости подложки механически нарушенного слоя, образовавшегося в результате шлифовки и полировки с использованием абразивных или алмазных микропорошков, необходимо для получения атомарно совершенной структуры поверхностного слоя, который, в свою очередь, позволяет создать в подложке активные структуры ИМС с высокими электрофизическими параметрами. Удаление механически нарушенного слоя с поверхности подложек можно осуществлять химическим и газовым травлением, а также ионно-плазменной и плазмохимической обработкой.
Снятие с подложек слоя определенной толщины проводят для получения нужных толщин подложек, поступающих на последующие технологические операции. Требуемая толщина подложек определяется конкретным типом ИМС. Наиболее часто для этой цели
54
используют химическое травление полупроводниковых материалов в различных травителях.
Локальное удаление полупроводникового материала с определенных участков поверхности исходной подложки проводят для создания рельефа, который дает возможность решать сложные технологические вопросы конструирования и изготовления полупроводниковых приборов и ИМС. Локальное удаление исходного материала подложки обычно осуществляют электрохимической обработкой в электролите либо химическим травлением через защитную маску.
Технохимические процессы дают возможность регулировать и изменять электрофизические свойства поверхности обрабатываемой полупроводниковой подложки. К этим свойствам в первую очередь следует отнести изменение поверхностной проводимости и скорости поверхностной рекомбинации. Наиболее эффективными в этом случае являются процессы химического травления в различных травителях, ионно-плазменной и плазмохимической обработки.
Большой практический интерес технохимические процессы имеют при исследовании структурных дефектов кристаллической решетки полупроводниковых подложек на различных этапах их обработки. К таким дефектам следует отнести дислокации, дефекты упаковки, двойникование и др. Выявление дефектов наиболее часто проводят с использованием селективного химического травления.
Получение мезаструктур является широко распространенным технологическим приемом при изготовлении большого класса полупроводниковых приборов и ИМС. Форма и геометрические размеры мезаструктуры определяются рисунком защитного рельефа, а глубина травления — типом химического травильного состава и технологическим режимом травления.
Осаждение гальванических покрытий из металлов позволяет создавать на поверхности полупроводниковой подложки токопроводящие дорожки, омические контакты и пассивные элементы ЙМС.
Таким образом, технохимические процессы дают возможность подготовить полупроводниковую подложку с определенной чистотой поверхности и определенным ее рельефом для дальнейших технологических операций: осаждения эпитаксиальных пленок и защитных диэлектрических пленок, диффузионных процессов, процессов ионного легирования и др.
Выбор того или иного технохимического процесса обработки полупроводниковых подложек зависит от требований конкретного технологического процесса изготовления определенного типа полупроводниковых приборов или ИМС.
Виды загрязнений полупроводниковых подложек
Наличие на поверхности полупроводниковой подложки различного рода загрязнений приводит к резкому снижению процента выхода годных изделий на последующих технологических операциях.
Загрязнение подложек обычно происходит при механической обработке полупроводниковых слитков и пластин (резке, шлифовке и
полировке), а также за счет адсорбции различных веществ из технологических сред.
Все виды загрязнений можно классифицировать по двум признакам: их физико-химическим свойства и характеру их взаимодействия с основными полупроводниковыми материалами, на которых они находятся.
По физико-химическим свойствам загрязнения могут быть органические, неорганические, солевые, ионные, механические и др.
По характеру взаимодействия с материалом подложки загрязнения делят на физически и химически адсорбированные.
К физически адсорбированным загрязнениям относятся все виды механических частиц (пыль, волокна, абразив, металлические включения и пр.), а также все виды органических материалов, связанные с поверхностью подложки силами физической адсорбции. Механические частицы достаточно легко удаляются различными технологическими промывками в водных проточных и ультразвуковых ваннах. Для удаления органических загрязнений требуется более сложный процесс отмывки подложек.
Среди всех видов загрязнений особое внимание следует уделять органическим загрязнениям, так как они при нагревании разлагаются и выделяют газообразные вещества (кислород, оксид и диоксид углерода, пары воды и др.), которые в значительной степени ухудшают последующие технологические процессы (диффузии, эпитаксии, осаждения защитных диэлектрических пленок и др.).
Органические загрязнения, в свою очередь, могут быть полярными и неполярными. К полярным органическим загрязнениям относятся главным образом олеиновая и стеариновая кислоты, канифоль, синтетические вещества и смолы. К неполярным органическим загрязнениям относятся минеральные масла, вазелин, нефтяные парафины и воск.
К химически адсорбированным загрязнениям в первую очередь следует отнести различные виды оксидных и сульфидных пленок на поверхности полупроводниковых подложек, а также катионы и анионы химических веществ. Наиболее трудноудаляемыми химическими загрязнениями являются электроосажденные в порах подложки металлы и труднорастворимые оксиды. Такие виды загрязнений удалить с помощью даже самого сложного процесса промывки подложки не представляется возможным. Их удаляют проведением комплекса химических реакций с использованием определенных типов и составов травильных растворов.
Таким образом, для полной очистки подложки от загрязнений необходимо выбрать технологический процесс, который включал бы в себя ряд последовательных операций, каждая из которых позволяла^ бы удалять с поверхности один или несколько видов загрязнений. При этом необходимо руководствоваться общими закономерностями: механические загрязнения удаляют промывкой в водных ваннах с использованием ультразвука или гидродинамической обработкой; органические загрязнения — обработкой в кипящих растворителях; химические загрязнения — путем химического травления в 56
щелочных или кислотных травителях; соляные и ионные загрязнения— ионным обменом или промывкой в особо чистой высокоомной деионизованной воде и т. д.
При выборе окончательного технологического процесса очистки полупроводниковых подложек следует помнить об экономических аспектах этого процесса и строить его таким образом, чтобы при минимальных затратах получить наиболее чистую поверхность. В этом случае надо всегда исходить из требований по чистоте поверхности подложки, диктуемых той технологической операцией, на которую поступают эти подложки. Так, требования по чистоте к подложкам, поступающим с механической на химическую обработку, резко отличаются от требований по чистоте к подложкам, поступающим с химической обработки на эпитаксиальное наращивание, и т. д.
Все многообразие процессов удаления загрязнений с поверхности полупроводниковых подложек можно свести к двум основным процессам: удаление физических и химических загрязнений.
Отмывка полупроводниковых подложек
Одной из ответственных операций в общем цикле подготовки полупроводниковых подложек для изготовления полупроводниковых приборов и ИМС является операция отмывки. Эта операция состоит из двух этапов: обезжиривание подложек в органических растворителях и промывка в особо чистой воде.
Обезжиривание подложек проводят для удаления органических физических загрязнений. Для удаления неполярных органических загрязнений используют такие растворители, как толуол, четыреххлористый углерод, фреоны, а для удаления полярных органических загрязнений используют ацетон, спирты и трихлорэтилен. В промышленном производстве для процесса отмывки подложки часто используют различные смеси растворителей, которые позволяют проводить отмывку полярных и неполярных органических загрязнений в одном технологическом цикле обезжиривания. К таким смесям относятся: фреон — хлористый метилен, фреон — изопропиловый спирт, фреон — ацетон и др.
Процесс обезжиривания в органических растворителях в сильной степени зависит от режима его проведения (температуры, длительности и скорости смены отработанного растворителя). Так, с повышением температуры процесса скорость растворения органических загрязнений возрастает. На качество обезжиривания оказывает влияние время проведения процесса, которое необходимо для полного растворения определенного вида загрязнения в растворителе. По мере прохождения процесса обезжиривания подложек сам растворитель постепенно загрязняется за счет перехода в него продуктов растворяемого вещества, что приводит к снижению эффективности процесса растворения и в конечном счете к некачественному обезжириванию подложек. Поэтому своевременное и быстрое удаление загрязненного растворителя очень важно для качественного обезжиривания.
Для интенсификации процесса обезжиривания и улучшения качества отмывки широко используют ультразвуковые ванны.
При проведении процессов обезжиривания необходимо соблюдать правила техники безопасности, так как используемые растворители являются ядовитыми веществами и отрицательно действуют на организм и здоровье человека. Все работы по обезжириванию необходимо проводить в помещениях, оборудованных приточно-вытяжной вентиляцией с использованием специальных скафандров или герметичных установок.
Технологический процесс обезжиривания включает в себя загрузку полупроводниковых подложек во фторопластовые кассеты, которые последовательно опускаются в несколько ванн (от двух до четырех) с растворителем или смесью растворителей. В первой ванне происходит удаление наиболее грубых жировых загрязнений, во второй ванне снимаются оставшиеся не растворенными при первой обработке участки жировых покрытий, а в последующих ваннах происходит окончательная более тщательная отмывка подложек.
Наиболее перспективным способом обезжиривания является способ, в котором в качестве реагентов используются не жидкие растворители, а пары кипящих растворителей. Суть способа заключается в том, что пары растворителя более активно взаимодействуют с загрязнениями на поверхности полупроводниковой подложки и более эффективно их растворяют. Кроме того, в процессе обезжиривания в больших пределах и с большой скоростью можно проводить смену отработанного пара на новую свежую порцию пара. Важным преимуществом этого способа является то, что весь процесс проводится в герметичной камере и может быть полностью автоматизирован.
В процессе обезжиривания происходит взаимодействие растворителя с различными видами загрязнений и в результате десорбции молекулы этих загрязнений переходят с поверхности полупроводниковой подложки в приповерхностный слой растворителя (жидкости или пара), а молекулы растворителя оседают на поверхности подложки. Происходит как бы замещение адсорбированных молекул загрязнений молекулами растворителя. Процесс замещения зависит от многих физических факторов, например от энергии связи молекулы загрязняющего вещества с поверхностью полупроводниковой подложки или с растворителем.
Таким образом, в процессе обезжиривания на поверхности полупроводниковой подложки создаются слои растворителя, которые необходимо удалить. Поэтому вторым этапом в процессе отмывки подложек после их обезжиривания является процесс промывки их в особо чистой воде.
Процесс промывки в особо чистой воде служит для удаления с поверхности подложек остатков растворителя и частиц продуктов растворения. В зависимости от требований последующих технологических процессов промывку полупроводниковых подложек проводят в деионизованной воде, удельное сопротивление которой вы- 58
бирают равным 1—20 МОм-см. Промывку подложек проводят в ультразвуковых ваннах с подогревом и без подогрева воды.
Для повышения эффективности процесса промывки подложек наряду с ультразвуковыми ваннами часто используют гидромеханические приспособления в виде кистей и щеток, а также гидродинамические устройства с интенсивной подачей струи проточной воды.
О качестве промывки подложек судят по значению удельного сопротивления воды на входе и выходе промывочной камеры. Сопротивление воды на выходе тем выше, чем меньше в ней загрязнений. Обычно промывку ведут до тех пор, пока сопротивление воды на выходе не сравняется с сопротивлением воды на входе промывочной камеры.
Химическая обработка полупроводниковых подложек
Процесс химической обработки полупроводниковых подложек состоит в растворении их поверхностного слоя под действием кислотных или щелочных травителей. Данный процесс является гетерогенным, так как взаимодействие полупроводникового материала с травителем осуществляется на границе раздела двух различных сред: твердой (подложка) и жидкой (травитель). Другая особенность химического взаимодействия подложки с травителем состоит в том, что процесс травления подложки не является равновесным — объем удаляемого полупроводникового материала меньше, чем травителя. Избыток травителя и фиксация его температуры позволяют производить процесс химической обработки с постоянной скоростью и таким образом точно рассчитать толщину удаляемого слоя полупроводникового материала.
Однако следует учитывать тот факт, что скорость травления слоя, нарушенного при механической обработке, и исходного ненарушенного материала не одинакова. Скорость травления механически нарушенного слоя значительно выше. Это объясняется наличием в механически нарушенном слое большого количества структурных нарушений, которые увеличивают эффективную площадь взаимодействия полупроводникового материала с травителем, что приводит к возрастанию скорости травления.
Существует две теории саморастворения полупроводниковых материалов: химическая и электрохимическая. Согласно химической теории, растворение полупроводникового материала происходит в две стадии: сначала он окисляется, а затем образовавшийся оксид переходит в раствор (растворяется). Согласно электрохимической теории, взаимодействие между полупроводниковым материалом и травителем не ограничивается чисто химическими процессами окисления и растворения оксида, а состоит из анодного и катодного процессов, сопровождающихся протеканием локальных токов между отдельными участками полупроводниковой пластины. При погружении полупроводниковой подложки в травитель на поверхности раздела подложка — травитель образуется двойной электрический слой и между электролитом и подложкой возникает разность по-
тенциалов, которая и приводит к электрохимическому процессу растворения полупроводника.
Травление германия. Для химической обработки германия используют различные по составу травители. Основными составными частями травителей для германия является азотная и плавиковая кислоты, а также перекись водорода. Азотная кислота является сильным окислителем германия, а плавиковая хорошо растворяет диоксид германия. При использовании в качестве травителя перекиси водорода химическая обработка германия проводится при температуре 70 80 С. К основным частям травителя иногда вводят добавки, которые играют роль ускорителей химической реакции (бром) или замедлителей (уксусная кислота).
Основным параметром химической обработки является скорость травления германия. Для различных составов травителей и различных кристаллографических направлений скорости травления существенно различаются. Различия в скорости растворения германия объясняются неодинаковой энергией, необходимой для высвобождения атома из кристаллической решетки.
Наиболее употребительный травитель для германия имеет такой состав:
5 об. ч. НМОз + З об. ч. HF+3 об. ч. СН3СООН + 0,06 об. ч. Вг2.
Вместо брома для ускорения реакции можно использовать NaJ, Na2Cr2O7 и другие добавки.
Травление кремния. Химическая инертность кремния объясняется наличием на исходной пластине оксидной пленки, которая растворима только в водных растворах щелочей и плавиковой кислоты. Поэтому для химической обработки кремния используют два вида травителеи: кислотный и щелочный. В качестве кислотных травителей применяют различные смеси азотной и плавиковой кислот. Максимальная скорость травления кремния достигается при соотношении HNOs: HF= 1 : 4,5 в молярных долях. Растворение кремния bs этом составе травителя происходит по следующей реакции: 3Si+' + 4HNO3 + 18HF=3H2SiF6 + 4NO + 8Н2О.
За счет разницы в концентрации травителя у выступов и впадин, которые имеют место на поверхности кремния, происходит более быстрое растворение выступов. Это приводит к сглаживанию поверхности полупроводниковой подложки.
В качестве щелочных травителей используют водные (10—20%) растворы КОН и NaOH. Травление кремния в щелочных составах проводят при температуре 90—100°С. Обработка в щелочных травителях не дает желаемой зеркальной поверхности кремния, поэтому данный вид травителя в качестве полирующего не нашел широкого практического применения в промышленности. Однако щелочный травитель часто используют для так называемого анизотропного травления, т. е. в тех случаях, когда требуется вытравить на поверхности подложки лунку определенной формы. Особый интерес представляют лунки V-образной формы, широко используемые для. изоляции отдельных областей ИМС.
Для анизотропного вытравливания V-образных лунок на поверхности кремния можно использовать травитель, состоящий из гидразина, пропилового спирта и воды. В качестве окислителя в этом травителе выступает гидразин, окисляющий кремний до гидратированного диоксида кремния, пропиловый спирт является комплексообразующим агентом, способствующим образованию комплексного иона.
Характерной особенностью данного травителя является то,, что он не реагирует с пленкой диоксида кремния и пленкой алюминия, которые могут быть использованы в качестве защитных масок при вытравливании лунок.
Селективным травителем для кремния является смесь N2H4 с водой. Этот травитель обеспечивает высокую скорость травления кремния (около 0,05 мкм/с при температуре 120°С) в направлении, перпендикулярном плоскости подложки и совпадающем с кристаллографической плоскостью (100).
В технологии изготовления ИМС в настоящее время используют анизотропное травление кремниевых подложек, ориентированных по плоскостям (100) и (ПО), так как другие ориентации не позволяют получать нужных углублений.
Скорости травления основных кристаллографических плоскостей? в кремнии находятся в следующих соотношениях: (110) > (100) > >(111) — для кислотных травителей и (100) > (110) > (111) — для» щелочных травителей.
Травление карбида кремния. Карбид кремния чрезвычайно устойчив к химическому воздействию при температурах до нескольких сотен градусов Цельсия. Ни один из рассмотренных травителей» не является достаточно действенным, чтобы обработать поверхность подложки из карбида кремния. Для травления такого материала, как карбид кремния, необходимо, чтобы в соединение с реагентом вступали оба компонента материала, в данном случае кремний и углерод.
Наиболее подходящими травителями для карбида кремния являются составы на основе расплавленных солей и щелочей. В качестве примера приведем несколько травильных составов для карбида кремния: расплавленная NaOH(KOH) при температуре 900°С; расплавленная соль КгСО3 при температуре 1000°С; смесь расплавленных солей Na2CO3 и К2СО3, взятых в соотношении 3:1, при температуре 1000°С.
Травление арсенида галлия. Арсенид галлия травят как в щелочных, так и в кислотных травителях. Щелочной травитель, состоящий из 5%-ного водного раствора NaOH и 30%-ной перекиси водорода, взятых в соотношении 5:1, используют для химической обработки подложек при температуре 40—60°С. Кислотный травитель,, состоящий из смеси азотной и соляной кислот и воды, взятых в соотношении 1:2:2, используют главным образом для травления» подложек из арсенида галлия, ориентированных по плоскости (111) при температуре 25—30°С.
Полирующим травителем для подложек из арсенида галлия является состав на основе азотной и плавиковой кислот и воды, взятых в соотношении 3:1:2.
Представляет интерес анизотропное травление арсенида галлия при подготовке подложек для локальной эпитаксии, а также для вытравливания углублений в исходных подложках для изоляции отдельных областей полупроводниковых структур. Для анизотропного травления арсенида галлия используют смесь из воды, перекиси водорода и серной кислоты, взятых в соотношении 1:8:1 или 8:1:1. Условием получения хороших лунок травления является низкое содержание серной кислоты в составе травильной смеси.
При оптимальных условиях химической обработки на поверхности подложек из арсенида галлия могут быть получены углубления с достаточно плоским дном и определенным углом наклона боковой поверхности лунки.
Химико-динамическая обработка полупроводниковых подложек
Если проводить процесс химической обработки таким образом, что исходная полупроводниковая подложка будет находиться в статическом (неподвижном) положении, то процесс растворения полупроводникового материала будет проходить неравномерно по всей поверхности подложки. Неравномерность стравливания полупроводникового материала объясняется следующими факторами. Во-первых, в статическом положении подложки концентрация травильного раствора различна для различных участков поверхности. Во-вторых, за счет неровностей (выступы и впадины) поверхности подложки в разных ее частях выделяется неодинаковое количество теплоты, что приводит к локальному перегреву отдельных участков подложки и резкому увеличению скорости растворения полупроводникового материала. В-третьих, периферийные области подложки (ее краевые части), к которым быстрее поступает свежий травитель, находятся не в одинаковых термодинамических условиях и в результате этого подвергаются более интенсивному травлению.
Указанные факторы приводят к тому, что в результате химической обработки подложки, находящейся в статическом положении, резко ухудшается ее плоскопараллельность и возникают завалы на ее краевых участках.
Для устранения этих нежелательных эффектов в полупроводниковой технологии применяют так называемую химико-динамическую обработку полупроводниковых подложек. Принцип химикодинамической обработки заключается в активном перемешивании травителя непосредственно у поверхности подложки и постоянном вращении подложки в объеме травителя.
Известно, что скорость стравливания полупроводникового материала в первую очередь зависит от скорости удаления продуктов реакции от поверхности подложки и скорости доставки новых порций травильного раствора к границе раздела подложка — трави- 62
тель. Перемешивание травителя безусловно способствует быстрейшему выравниванию состава травителя по всему объему травильной камеры и, как следствие, приводит к равномерности процесса химической обработки полупроводниковой подложки.
Химико-динамический процесс обработки подложек позволяет получать поверхность с высокой однородностью по плоскопарал- лельности, требует меньших затрат времени и реактивов и, что самое важное, легко поддается автоматизации. В настоящее время в полупроводниковой технологии применяют установки химико-динамической обработки, позволяющие добиваться гладкой зеркальной поверхности полупроводниковых подложек, соответствующей 14-му классу чистоты обработки.
Установка химико-динамического травления полупроводниковых подложек включает в себя в качестве основного узла фторопластовый барабан-стакан, в который помещены кассеты с подложками. Барабан-стакан наклонен к плоскости нормали под углом 20—40° и соединен через редуктор с валом двигателя. При включении двигателя барабан-стакан начинает вращаться с заданной скоростью, а помещенные внутрь барабана-стакана кассеты с подложками перекатываются по его внутренней поверхности.
Установка снабжена автоматическим устройством для загрузки и выгрузки кассет с подложками, а также для плавной регулировки скорости перемещения подложек в процессе травления. Ванны для травления, а также емкости с запасом кислот полностью изолированы от оператора, что гарантирует безопасность проведения химикодинамического процесса обработки подложек.
Способ химико-динамического травления полупроводниковых подложек широко используется при создании мезаструктур, которые находят применение при изготовлении диодов и транзисторов, а также в различных типах ИМС.
Электрохимическая обработка полупроводниковых подложек
Электрохимическая обработка полупроводниковых подложек включает в себя два процесса: электролитическое анодное растворение и анодно-механическое травление полупроводниковых материалов.
Процесс электролитического анодного растворения осуществляют, подавая на обрабатываемый полупроводниковый материал (подложку) положительный потенциал. Если через подложку и металлический электрод, погруженные в электролит, пропускать электрический ток, то начинается процесс электролиза, при котором химические превращения происходят на электродах, т. е. там, где ионный механизм электропроводности в растворе изменяется на электронный в полупроводнике и металле.
Весь процесс является окислительно-восстановительной реакцией, причем анод служит окислителем, так как он принимает электроны, а катод — восстановителем, так как он отдает их. Следовательно, электрохимическое травление полупроводниковых материа-
лов состоит из двух электродных процессов: анодного растворения и катодного восстановления. Анионы и катионы, теряя свой заряд на электродах, вступают во вторичное взаимодействие с электродами, раствором и между собой.
Электролитическое анодное растворение кремния производят главным образом в растворах, содержащих плавиковую кислоту. Практическое использование получил состав электролита на основе плавиковой кислоты, бифторида аммония и глицерина. Сам процесс анодного растворения кремния проходит в узком интервале плотностей тока.
При малых плотностях анодного тока (20—50 мА/см2) растворе- шие кремния сопровождается образованием толстой аморфной пленки фтористых соединений двухвалентного кремния. В состав этой пленки входит фтористо-кремниевый комплекс Sip2, который медленно растворяется в воде с выделением водорода.
При больших плотностях тока (50—70 мА/см2) процесс анодного ' окисления ускоряется и ток, протекающий через электролит, уменьшается. Однако ускорение процесса окисления лимитируется недостатком молекул плавиковой кислоты, которые диффундируют из объема электролита. Это, в свою очередь, затрудняет образование пленки фтористых соединений, и начинается новый электролитический процесс анодного растворения кремния в четырехвалентной «форме. Продуктом реакции при этом процессе является кремние- •фтористоводородная кислота.
При еще более высоких плотностях тока (80—150 мА/см2) происходит образование пассивирующей пленки диоксида кремния, т. е. начинается процесс анодного окисления, а процесс анодного растворения кремния прекращается.
Процесс электролитического анодного растворения кремния шмеет ряд преимуществ (отсутствие завалов по краям пластины, высокая плоскопараллельность пластин и высокий класс чистоты обработки), которые позволяют использовать этот процесс для подготовки подложек.
Процесс анодно-механического травления полупроводниковых ■подложек основан на использовании одновременно двух способов: анодного растворения полупроводникового материала в электролите и механического воздействия полировки. Сущность анодно-механического процесса заключается в том, что на обрабатываемую полупроводниковую подложку подают положительный потенциал, а на полировальный круг — отрицательный потенциал (полировальный круг служит вторым электродом), а между подложкой и полировальным кругом помещают слой электролита. В полировальном круге имеются радиальные пазы, по которым электролит растекается по всей обрабатываемой поверхности. Для интенсификации -процесса сторона обрабатываемой полупроводниковой подложки, соприкасающаяся с полировальником, освещается для генерации необходимых при анодном растворении дырок.
Производительность анодно-механического процесса зависит от
частоты вращения полировального диска-катода, состава и свойств электролита, плотности анодного тока, скорости подачи электролита в рабочее пространство и температуры проведения процесса.
Парогазовая обработка кремниевых подложек
Парогазовая обработка кремниевых подложек находит все более широкое применение в технологических процессах изготовления полупроводниковых приборов и ИМС. Особое практическое значение ^тот процесс имеет для подготовки подложек перед эпитаксиальным наращиванием кремниевых слоев, так как исключается возможность промежуточного загрязнения.
Этот процесс может проводиться после механической полировки, химического травления и других видов технохимиче- ской обработки. Воздействию парогазовых смесей подвергаются поверхностные слои кремниевых подложек, которые в процессе обработки удаляются вместе с имеющимися на них загрязнениями и нарушениями.
Рассмотрим несколько способов парогазовой обработки, которые находят применение в полупроводниковой технологии.
Обработка в смеси (НС1+Н2). Процесс проводят в герметичной камере при температуре 1200° С. Кремниевые подложки располагают в реакторе рабочей • камеры и прогревают в течение нескольких минут в потоке очищенного водорода. После этого в поток водорода добавляют небольшое количество (0,5—2% по объему) безводного хлористого водорода. Реакция взаимодействия кремния с парогазовой смесью идет с образованием продуктов реакции в виде легколетучих соединений SiCl2 или SiC14:
Si (тв) + НО (газ) ^ SiCl2 (пар)-|- Н2 (газ).
Наряду с рассмотренным процессом с использованием смеси (HCi+H2), аналогичные результаты по качеству обработки можно получить с использованием смесей (НВг+Н2) и (Ш+Н2). Если обработку в этих смесях проводить при температурах и концентрациях таких же, как и в смеси (НС1-|-Н2), то скорости удаления кремния будут одного порядка.
Обработка в смесях (С12+Н2), (Вг2 + Н2) и (J2 + H2). Основным преимуществом данного способа обработки перед предыдущими является снижение температуры рабочего процесса с 1200°С для смеси (НС1 + Н2) до 1100°С. Процесс обработки кремниевых подложек проводят в рассмотренных установках. Реакция взаимодействия кремния с хлором имеет вид
Si(TB)4-Cl2(ra3)^t SiCl2(nap).
Обработка в смеси (Н2О+Н2). Обработку кремния парами воды проводят при высокой температуре (1250—1270°С). В рабочую камеру поступает поток водорода, в который добавляются пары воды в количестве, не превышающем 0,02—0,1%. Реакция 3—210 65
взаимодействия кремния с парами воды имеет вид
Si (тв)4-Н2О (пар)^ 5Ю(пар)ф-Н2(газ).
Обработка в смеси (H2S+H2). Взаимодействие кремния с сероводородом происходит при-высоких рабочих температурах (порядка 1200° С). Реакция имеет вид
Si (тв) ф- H2S (газ) ^ SiS (пар) 4- Н2 (газ).
Для обработки кремния используют 0,5%-ный сероводород в потоке водорода. Качество обработки поверхности кремния в сероводороде несколько лучше, чем при обрабтоке в (НС1ф-Н2) и (Н20ф-Н2).
Основным недостатком сероводорода является его токсичность.
Эпитаксиальные слои, выращенные на кремниевых подложках, обработанных в парогазовой смеси (Н25ф-Н2), содержат меньшее количество дефектов упаковки и посторонних включений.
Обработка в смеси (SF6+H2). В отличие от сероводорода гексафторид серы является веществом нетоксичным. Использование гексафторида серы для парогазовой обработки кремния дает возможность снизить рабочую температуру процесса до 1000° С.
Реакция взаимодействия кремния с гексафторидом серы имеет вид
5Si (тв) ф- 2SF6 (пар) ^ 2SiS (пар) ф- 3SiF4 (цар).
Процесс обработки в смеси (SF6 + H2) используют для локального травления кремния. Он позволяет получать углубления (лунки) с плоским дном и перпендикулярными боковыми гранями.
Таблица 4.1
Парогазовая смесь
Концентрация реагента, %
Температура процесса, °C
Скорость травления, мкм/с
(Н2О + Н2)
0,1
1270
0,001
(НС1 + Н2)
0,85
1200
0,005
(ВГ2 + Н2)
0,7
1220
0,006
(С12 + Н2)
0,2
1000
0,012
№+н2)
0,2
1050
.0,003
(H2S + H2)
0,5
1200
0,02
Для всех рассмотренных процессов обработки кремния (кроме обработки в парах воды) наличие примесей в рабочих смесях приводит к образованию нежелательных посторонних включений на поверхности обрабатываемой подложки.
При попадании в рабочую камеру кислорода на поверхности кремния могут образовываться включения SiO или SiO2, а при попадании в камеру азота наблюдаются отдельные включения из нитрида кремния (Si3N4) размером в несколько ангстрем.
Глубина стравленных слоев кремния при парогазовой обработке обычно не превышает 10—15 мкм. В табл. 4.1 приведены режимы обработки для различных парогазовых смесей.
Для снижения рабочей температуры процессов парогазовой обработки можно использовать газовые смеси хлора с гелием, а также более сложные составы газовых смесей, например водорода, гелия, йодистого водорода и фтористого водорода, взятых в соотношении 80:20: 0,5 : 0,001.
Ионно-плазменная обработка подложек
Ионно-плазменная обработка подложек является одним из специфических процессов в полупроводниковой микроэлектронике, который не требует использования жидких травителей. Сущность процесса состоит во взаимодействии ускоренного потока ионов инертного газа с поверхностью обрабатываемой подложки.
Для осуществления этого процесса исходную полупроводниковую подложку помещают в рабочую камеру, где создается определенное давление инертного газа. С помощью расположенных внутри камеры (невдалеке от подложки) электродов добиваются стабильного тлеющего разряда. Пространство тлеющего разряда заполнено квазинейтральной электронно-ионной плазмой. На обрабатываемую полупроводниковую подложку относительно плазмы подается достаточно большое отрицательное напряжение (2—3 кВ). В результате положительно заряженные ионы плазмы бомбардируют поверхность подложки и слой за слоем выбивают атомы с поверхности, т. е. обрабатывают (травят) ее.
Ионно-плазменная обработка, как и химическая, может быть общей и локальной. Преимуществом локальной ионно-плазменной обработки является отсутствие «подтравливания» под маску: стенки вытравленного рельефа практически перпендикулярны поверхности обрабатываемой подложки, а площади углублений (лунок) равны площади окон в защитной маске. Кроме того, процесс ионно-плазменной обработки является универсальным, т. е. с его помощью можно обрабатывать подложки из любого полупроводникового материала.
Рассмотрим теоретические представления о механизме ионноплазменного удаления материала с поверхности полупроводниковой подложки. Наиболее приемлемой следует считать теорию, исходящую из возможности возникновения радиационных дефектов в обрабатываемой полупроводниковой подложке при бомбардировке ее поверхности заряженными ионами инертных газов.
При соударении заряженного иона с атомом полупроводниковой подложки происходит передача момента количества движения бомбардирующего иона атомам подложки. Другими словами, ^ускоренный до определенной энергии положительно заряженный ион инертного газа из ионной плазмы ударяется о поверхность подложки. При этом заряженный ион, сталкиваясь с атомами решетки, передает им свою энергию. Так как началь-
ная энергия иона велика, то первый атом, столкнувшийся с ионом (если энергия иона больше энергии связи атома в решетке), покидает свое место и в свою очередь соударяется с другим атомом кристаллической решетки, который после соударения тоже может покинуть свое место. Таким образом может создаться ситуация, когда серия последовательных столкновений ион — атом и атом — атом приведет к тому, что последний из соуда- рившихся атомов окажется расположенным на поверхности подложки. Если энергия, переданная приповерхностному атому, больше его работы выхода, то он покидает поверхность подложки и переходит в объем рабочей камеры.
Техника проведения процессов ионно-плазменной обработки связана с методом образования ионной плазмы инертного газа. Существует три основных метода образования плазмы. По первому методу источником плазмы служит самостоятельный тлеющий разряд, возникающий при определенном давлении инертного газа в рабочей камере при приложении напряжения между анодом и катодом. По второму методу плазма возбуждается за счет дугового разряда, стимулированного током термоэлектронной эмиссии. Третий метод создания плазмы основан на использовании систем с высокочастотным (ВЧ) возбуждением.
Для поддержания плазмы тлеющего разряда используют эффекты автоэлектронной и ионно-электронной эмиссии за счет высокого межэлектродного поля и бомбардировки поверхности катода положительными ионами плазмы. Основным преимуществом этого метода является его простота и возможность создания равномерной плотности плазмы в большом объеме прикатодного пространства.
Для поддержания плазмы дугового разряда используют специальный источник электронов в виде накаливаемого термоэмиссионного катода. Эмиттируемые этим катодом электроны ускоряются по направлению к аноду и ионизируют по пути молекулы инертного газа. Плотность такой плазмы может быть намного большей, чем плотность плазмы тлеющего разряда. Для увеличения плотности плазмы дугового разряда используют магнитные линзы, которые стягивают ее в шнур за счет фокусировки электронов вдоль направления силовых линий магнитного поля. Поле пространственного заряда сфокусированных электронов притягивает положительно заряженные ионы плазмы, и ее плотность резко возрастает.
Системы с высокочастотным (ВЧ) возбуждением плазмы применяются для ионно-плазменной обработки подложек из диэлектрических материалов. При обработке диэлектрической подложки возникает затруднение, связанное с накоплением на ней положительного заряда, препятствующего дальнейшему процессу удаления материала. Это затруднение преодолевается тем, что на обрабатываемую подложку наряду с постоянным отрицательным напряжением подается переменное напряжение высокой частоты (около 15 Мгц) с амплитудой, несколько превышающей постоян- 68
Рис. 4.1. Схема установки для ионно-плазмеиной обработки полупроводниковых пластинРис. 4.1. Схема установки для ионно-плазмеиной обработки полупроводниковых пластиниое напряжение. Тогда при отрицательном полупериоде результирующее напряжение на обрабатываемой подложке отрицательно и происходит процесс удаления материала подложки. При этом- на поверхности подложки создается положительный заряд за счет положительно заряженных ионов плазмы. Кроме того, положительные ионы из плазмы ускоряются по направлению к подложке и бомбардируют ее. Некоторая часть ионов рекомбинирует с электронами и остается на поверхности диэлектрической подложки, увеличивая тем самым ее положительный потенциал.
Рис. 4.1. Схема установки для ионно-плазмеиной обработки полупроводниковых пластин
Рис. 4.1. Схема установки для ионно-плазмеиной обработки полупроводниковых пластин
При положительном полупериоде высокочастотного напряжения на подложке суммирующее напряжение будет положительным и подложка будет притягивать электроны из плазмы. В этом случае процесс удаления материала с подложки прекращается, но зато происходит компенсация накопленного положительного заряда.
На рис. 4.1 приведена схема установки ионно-плазменной обработки подложек. В рабочей камере 1 размещены три основных электрода: термоэмиссионный катод 2, анод 3 и обрабатываемая подложка 4. Между катодом и анодом создается плазма 5 инерт-
ного газа за счет дугового разряда.
Процесс ионно-плазменной обработки состоит в следующем. Из рабочей камеры откачивают воздух и заполняют ее инертным газом. Наиболее часто для этих целей используют аргон. Предварительно обработанную подложку закрепляют внутри камеры на электроде 4. Давление инертного газа в камере устанавливают в диапазоне 1,3—0,13 Па. Между анодом и катодом прикладывают напряжение, не превышающее нескольких десятков вольт. Процесс обработки подложки начинается с момента подачи на нее высокого отрицательного напряжения (порядка 1—3 кВ), достаточного для интенсивной бомбардировки ее положительными ионами инертного газа плазмы. Выбиваемые атомы подложки переходят в объем рабочей камеры и осаждаются на ее стенках или на специальных защитных экранах.
Плазмохимическая обработка подложек
Плазмохимическая обработка используется в процессах удаления поверхностного слоя материала подложки, находящейся в твердой фазе, при взаимодействии этой подложки с плазмой активных газов или смесей газов. В этом случае протекает процесс реактивного травления материала подложки.
Процесс плазмохимической обработки подложек отличается от ионно-плазменного процесса тем, что удаление вещества с поверхности подложки происходит не только в результате бомбардировки ее положительно заряженными ионами плазмы, но и вследствие химического взаимодействия подложки с активными реагентами плазмы.. Таким образом, при плазмохимичеокой обработке подложек большое значение имеет высокая химическая реакционная способность плазмы.
Способ плазмохимической обработки подложек обладает рядом преимуществ. Во-первых, он легко управляем и позволяет проводить регулировку режима на всех стадиях его проведения. Во-вторых, он имеет незначительную инерционность. В-третьих, это процесс «сухой», не требующий жидких травителей. В-четвертых, плазмохимичеокий способ обладает высокой разрешающей способностью и точностью обработки поверхности подложки.
При плазмохимической обработке можно совместить в одной камере несколько различных технологических операций: очистку поверхности, травление и осаждение новых слоев. Это позволяет резко снизить возможность загрязнения подложек, а также исключить такие трудоемкие технологические операции, как промывка и сушка подложек.
Для обработки кремниевых подложек в качестве реактивных плазмообразующих составов используются смеси кислорода с фторсодержащими и хлорсодержащими газами.
Изотропное травление кремния проводят в газовой смеси CF4+O2+N2. В низкотемпературной плазме происходит разложение CF4 с выделением иона фтора. Молекулы кислорода, заполняющие рабочую камеру, ионизируются и легко взаимодействуют с поверхностью кремния до ее окисления. Ионы фтора взаимодействуют со слоем окисла с образованием легколетучего соединения SiF4, которое быстро удаляется с поверхности подложки. Так происходит плазмохимическое травление кремния. Наличие азота в данной смеси способствует ионизации кислорода в условиях низкотемпературной плазмы.
Анизотропное травление кремния проводят в различных газовых смесях, которые позволяют выбрать нужный коэффициент анизотропии. Если в качестве коэффициента анизотропии К взять отношение скорости травления кремния по плоскости (100) к скорости травления кремния по плоскости (Ш), то использование газовой смеси с реактивным составом СС14+О2 дает А=30, с составом (C2F6+O2)—^=l,l, с составом (C2C12F4-|-O2)— К=0,8.
Для плазмохимической обработки подложек из алюминия используют составы СС14+Аг, СС14-|-Не, СВг4-|-Аг, НО + Аг, НВг + Аг, СЬ + Аг и др. Концентрацию хлор- и бромсодержащих составляющих реактивных смесей выбирают равной 15—20%. Подложки с хромовыми покрытиями обрабатывают в смесях C2HCI3-I-O2, ССЦ-рОг, С^-фОг, BCI3 + O2, PCI5 + O2, CI2+О2 +Аг, 70
CCh+Ar и, др. Для обработки покрытий из золота в качестве реактивного газа используют CF3C1.
Наиболее широкое распространение метод плазмохимической обработки находит в технологическом процессе фотолитографии для удаления фоторезиста с поверхности подложек.
В качестве активного газа для удаления фоторезистов используют смесь кислорода, азота и водорода. Активными частицами, вступающими в химическую реакцию с фоторезистом, являются атомарный кислород и озон, возникающие благодаря диссоциации молекул кислорода в плазме газового разряда. Добавление небольшого количества азота и водорода (около 1%) приводит к увеличению скорости удаления фоторезистивной пленки с поверхности .подложки.
Для осуществления плазмохимического метода обработки подложек обычно используют высокочастотную (ВЧ) газоразрядную плазму низкого давления. Газовый разряд в реакционной камере возбуждается либо индуктором, либо электродами, которые находятся вне реакционной камеры. Это обеспечивает чистоту химических процессов плазменной обработки материалов подложки, так как в этом случае не происходит взаимодействие плазмы, с материалами электродов.
Осаждение гальванических покрытий
На различных этапах технологического процесса изготовления многих типов полупроводниковых приборов и интегральных микросхем на исходные полупроводниковые пластины (подложки) осаждают различные по толщине и форме металлические слои. Эти слои образуются в результате протекания электрического тока через два электрода (одним из электродов обычно является исходная подложка) и электролит определенного состава. В основе процесса осаждения металлов электролитическим способом лежит реакция катодного восстановления.
В полупроводниковой технологии осаждение гальванических покрытий применяют для получения омических контактов к исходной полупроводниковой подложке, создания электродных выводов, контактных площадок и токоведущих дорожек, нанесения многослойных металлических композиций, изготовления шариковых и консольных элементов.
На электролитический процесс осаждения металла на полупроводниковую подложку оказывают влияние многие факторы: состав электролита, химический состав материалов электродов, электродный потенциал в данном электролите, значение и направление электрического тока, проходящего через электролит, температура электролита и др.
Особое внимание при проведении процессов гальванического осаждения металлов следует обращать на чистоту используемых электролитов. В готовом электролите не должно быть примесей,, изменяющих состав осаждаемых пленок и их электрофизические
свойства. Так, присутствие в электролите донорных примесей приводит к тому, что на полупроводниковом материале с дырочной электропроводностью нельзя получить хорошие омические контакты. Присутствие в электролите побочных примесей может привести к отслаиванию, шелушению или вздутию металлической пленки, а также к неравномерности толщины осаждаемого слоя. Примеси могут попадать в электролит из стальной, медной, бронзовой, никелевой, алюминиевой и другой посуды, в которой он временно находится. Поэтому в производстве полупроводниковых приборов и ИМС электролиты необходимо готовить и содержать только в керамической, стеклянной, винипластовой, кварцевой или фторопластовой посуде.
Примеси в электролит могут попадать из воды, которая является их составной частью. Обычная водопроводная и даже дистиллированная вода содержит большое количество различных Ионов металлов; Поэтому в полупроводниковом производстве для приготовления электролитов используют только деионизованную воду.
Кроме того, нежелательные примеси могут попадать в электролит из материала анода, который необходимо контролировать по чистоте и составу входящих компонентов. Для устранения примесей, попадающих на материал анода в процессе его механической обработки (прокатки, штамповки, ковки, токарной обработки и др.), готовые аноды подвергают специальному травлению и тщательной промывке в деионизованной воде.
К исходным материалам, используемым для приготовления электролитов, предъявляются специфические требования, связанные с технологическим процессом осаждения: нагревостойкость, растворимость в кислотах, щелочах и воде, стойкость к дневному свету, стойкость к длительному хранению, неизменяемость состава во времени и безвредность. Материалы, из которых приготавливают электролит, не должны выпадать в осадок при взаимодействии с другими составными частями электролита. При изменении режима электролитического осаждения (температуры, плотности тока, скорости перемешивания и др.) электролит не должен образовывать пузырей, твердых осадков и газовых выделений.
Электрический ток, проходящий через электролит в процессе осаждения, может быть постоянным (не меняющимся во времени) и переменным (сложным образом изменяющимся во времени). Вид электрического тока выбирают в зависимости от требований, которые предъявляют к свойствам осажденных пленок.
Процесс осаждения гальванических покрытий можно разделить на четыре стадии. Первая стадия включает в себя образование заряженных ионов металла в объеме электролита под действием электрического тока. Вторая стадия состоит в переносе заряженных ионов металла из объема электролита к поверхности полупроводниковой подложки (катода). Третья стадия представляет собой собственно электрохимическую реакцию, в ходе кото-
рой заряженные ионы превращаются в адсорбированные ионы и атомы на поверхности полупроводниковой подложки. На четвертой стадии идет процесс диффузии адсорбированных на поверхности подложки ионов к местам роста металлической пленки.
В промышленном производстве полупроводниковых приборов и ИМС используются гальванические покрытия из меди,, никеля, серебра, золота, олова, цинка, кадмия, хрома и индия.
Меднение используют как подслой при покрытии никелем, хромом, серебром и золотом и проводят из цианистых и кислых электролитов. По сравнению с цианистыми кислые электролиты просты по составу и позволяют проводить процесс осаждения меди при более высоких плотностях тока.
В качестве цианистого электролита можно использовать состав, содержащий 15 г/л цианистой меди, 10 г/л цианистого натрия, 15 г/л углекислого натрия и 30 г/л сернокислого натрия. Процесс осаждения меди проводят при 18—20°С и плотности тока 0,3—0,5 А/дм2. В состав кислого электролита входит 200 г/л медного купороса, 5 г/л серной кислоты и 2 г/л этилового спирта. Процесс проводят при 20—25°С и плотности тока 2—3 А/дм2.
Для процесса никелирования используют два вида электролитов: кислые и слабокислые. Приготавливают эти электролиты из солей, содержащих никель: сернокислого, хлористого, борфтористого никеля, двойной сернокислой соли никеля и др. Наиболее часто используют сернокислый никель. Сернокислые соли натрия и магния увеличивают электропроводность никелевого электролита. При составлении электролитов для никелирования необходимо учитывать два обстоятельства: при содержании ионов водорода в электролите с pH выше 6,3 образуется гидрооксид никеля и осаждаемый никель имеет темный цвет, что ухудшает электрофизические свойства пленки никеля. При pH ниже 4 количество водорода, выделившегося на катоде, значительно увеличивается, так как потенциал никеля электроотрицательнее потенциала водорода, что вызывает резкое снижение выхода металла по току и ухудшает сцепление осажденного слоя никеля с поверхностью полупроводниковой подложки. В качестве примера приведем состав электролита для осаждения никеля: 150—200 г/л сернокислого никеля, 70 г/л сернокислого натрия, 10 г/л сернокислого магния, 30 г/л борной кислоты и 5 г/л хлористого натрия. Процесс осаждения проводят при 18—20° С и плотности тока 0,5—1,0 А/дм2.
Для получения омических контактов на кремнии и равных по толщине слоев никеля на деталях сложной геометрической формы часто используют процесс химического никелирования, который заключается в осаждении никелевых покрытий в результате химического восстановления без применения электрического тока. Восстановителями служат гипофосфиты натрия, калия, аммония или кальция. Состав для химического никелирования: 30 г/л хлористого никеля, 10 г/л гипофосфита натрия, 50 г/л хлористого
аммония и 65 г/л цитрата натрия. Процесс осаждения никеля проводят при 70° С.
Серебряные покрытия используют в конструкциях полупроводниковых приборов и ИМС для повышения электропроводности токопроводящих элементов и уменьшения переходного сопротивления в контактах. Для серебрения широко используют цианистые электролиты, главным образом растворы цианистых солей серебра, так как они образуют мелкозернистые, плотные и пластичные пленки серебра. Из нецианистых электролитов используют железисто-синеродистые, иодистые и роданистые, однако они дают худшее качество осажденного металла. Состав электролита для осаждения серебра включает 2—5 г/л хлористого серебра и 80—100 г/л цианистого калия. Процесс проводят при 18—20°С и плотности тока 1,5—2 А/дм2. Железисто-синеродистый электролит состоит из 5 г/л хлористого серебра, 6—30 г/л' железисто-синеродистого калия и 6—30 г/л кальцинированной соды. Процесс проводят при 15—25° С и плотности тока 0,1 А/дм2.
Одним из наиболее распространенных в полупроводниковой технологии является процесс осаждения золотых пленок на поверхности полупроводниковых подложек. Этот процесс позволяет получать покрытия, способные выдерживать любую химико-техническую обработку в самых агрессивных средах, содержащих плавиковую, азотную и уксусную кислоты.
Для осаждения золотых покрытий используется четыре типа электролитов: щелочные, слабощелочные, нейтральные и кислотные. Наиболее часто применяют щелочные электролиты. Кроме основных компонентов (комплексной золотой соли и свободного цианида) в электролиты могут входить различные добавки, улучшающие качество золотого покрытия и его электрофизические свойства. Для примера можно привести состав электролита: 1 г/л дицианоурата калия; 1,5 г/л хлористого калия; 1,3 г/л бифталата калия; 2,5 г/л лимонной кислоты, 3 г/л вольфрамовокислого натрия и 0,2 г/л трилона. Процесс осаждения ведут при 90°С и плотности тока 0,5 А/дм2.
Для получения золотых покрытий, служащих омическими контактами к полупроводниковым материалам с электронной электропроводностью, используют электролиты, дающие возможность осаждения золотых пленок с примесью сурьмы. Для этой цели в состав электролита вводят 0,5—1 г/л сурьмяновиннокислого калия.
Получение особо чистой воды
Вода широко используется при изготовлении полупроводниковых приборов и ИМС. Основное ее назначение — промывка (полупроводниковых пластин, кристаллов, элементов конструкций корпусов) и приготовление травильных растворов и электролитов.
" Вода — бесцветная жидкость, представляющая собой химическое соединение 11,2% водорода и 88,8% кислорода. В воде рас- 74
творимы многие соли, оксиды, кислоты и щелочи. При повышенных температурах реагирует со многими металлами.
В процессе непрерывного кругооборота в природе вода постоянно загрязняется различного рода примесями: пылью, газами, химическими элементами, микроорганизмами. Природная вода никогда не бывает совершенно чистой и поэтому не может быть использована в технологических процессах изготовления полупроводниковых приборов и ИМС.
Очищают воду от механических примесей фильтрацией через слой песка и гравия, а от микроорганизмов — хлорированием. Для дальнейшей очистки воду многократно перегоняют (процесс дистилляции). Такая вода получила название дистиллированной.
Дистиллированная вода содержит достаточно большое количество примесей. Так, концентрация водородных ионов составляет 5,4—6,6. Сухой остаток не превышает 5 мг/л, а остаток после прокаливания — 0,05 мг/л. Количество примесей в виде сульфатов, хлоридов, нитратов кальция и тяжелых металлов сероводородной группы и группы сернистого аммония не превышает 1 мг/л. Таким образом, дистиллированную воду нельзя использовать для промывки полупроводниковых подложек и пластин с р-и-переходами. Ее обычно используют для предварительной промывки деталей и узлов конструкций корпусов, а также для отмывки различных изделий перед химическим травлением.
Для получения особо чистой воды дистиллированную воду подвергают дополнительной очистке с целью удаления из нее неорганических примесей, которые находятся в ней в виде ионов: катионов Fe2+, Cu2+, Na2+ и др. и анионов NO3-, CI-, SO42- и др. Таким образом, особо чистую воду, называемую деионизованной, получают методом ионного обмена, сущность которого состоит в том, что в гетерогенной системе вода — ионит происходит обмен ионами между водой и ионитом. В качестве ионита обычно используют различные ионообменные смолы.
Существует два вида ионообменных смол: катионитовые, связывающие катионы (КУ-1, КУ-2; КУ-8-4с, КБ-4, КБ4П2), и анио- нитовые (АВ-16, АВ-17-8, ЭДЭ-10П, АН-2Ф, АН-1, АВ-17-8-4с), связывающие анионы. Их условные обозначения имеют вид R— Н и R— ОН соответственно, где R—-органический радикал. Смолы гранулированы в шарики размером 1—5 мм.
Если дистиллированная вода сначала проходит через колонку, наполненную катионитовой смолой, то происходит улавливание этой смолой положительно заряженных катионов металлов М+ путем замещения ими протонов, входящих в состав смолы: (R—Н) +М+-^ (R—М) +Н+
Если после этого процесса вода пройдет через вторую колонку, наполненную анионитовой смолой, то произойдет связывание отрицательно заряженных анионов (И-) хлоридов, сульфидов, бикарбонатов и т. д. путем замещения ими гидроксильной группы, входящей в состав анионитовой смолы: (R—OH)+H--^-(R—И)+ +ОН-.
Протоны и гидроксильные группы соединяются в молекуле воды:
Н+ + ОН- — Н2О
ченную для промывкиченную для промывкиРис. 4.2. Номограмма для определения удельного сопротивления воды при различных температурахРис. 4.2. Номограмма для определения удельного сопротивления воды при различных температурахВ производстве полупроводниковых приборов и ИМС применяют деионизованную воду двух марок: марки А (предназна- ; и кристаллов с р-м-переходами) и марки Б (предназначенную для обработки всех других элементов конструкций приборов и ИМС). Вода марки А при температуре 20°С имеет удельное сопротивление 7— 20 МОм-см, а вода марки Б — не менее 1 МОм • см. Окисляемость в пересчете на кислород, определяющая содержание органических примесей, в воде марки А равна 1,3 мг/л, а в воде марки Б — 2,5 мг/л. Содержание кремнекислоты в пересчете на SiO2 в воде марки А не более 2- 10-6%, а в воде марки Б — не более 2 • 10—5 %.
ченную для промывки
ченную для промывки
Рис. 4.2. Номограмма для определения удельного сопротивления воды при различных температурах
Рис. 4.2. Номограмма для определения удельного сопротивления воды при различных температурах
О чистоте деионизованной воды судят по ее удельному сопротивле- Дю, которое в значительной степени зависит от температуры. Собственное сопротивление воды при тем
пературе 20°С составляет 24 МОм-см. На рис. 4.2 показана номограмма для определения зависимости удельного сопротивления воды от температуры.
На правой оси указано сопротивление воды при 20° С. Зная сопротивление воды при 20°С (например, 10 МОм-см), можно определить, как изменится сопротивление воды при 40 или 0°С. Для этого из точки, соответствующей сопротивлению 10 МОм-см (правая шкала), проводят прямые линии через точки 40 и 0°С (средняя шкала) до пересечения с левой шкалой и находят значения сопротивлений 4,8 и 18 МОм-см.
Глава 5
ПОЛУЧЕНИЕ СТРУКТУР МЕТОДОМ СПЛАВЛЕНИЯ
Метод сплавления позволил создать в 50-х годах первые плоскостные диоды и транзисторы с электрическими параметрами, близкими к предсказанным теорией. В настоящее время он имеет важное значение для присоединения контактов и электродных выводов к полупроводниковому кристаллу, а в ряде случаев — для изготовления электрических переходов. Метод состоит в на-
несении на поверхность полупроводниковой пластины легирующего металла или сплава, нагреве его до температуры плавления и охлаждении, при котором происходит захват атомов легирующей примеси в кристаллизующийся полупроводник. Для понимания процесса сплавления необходимо знать диаграммы состояния бинарных систем примесь — полупроводник. Основные физикометаллургические процессы при сплавлении —это смачивание металлом поверхности полупроводника, растворение полупроводника в расплаве и его рекристаллизация; Технологические режимы, способы нанесения электродных металлов и способы проведения процесса сплавления определяют качество получаемых сплавных структур. Несоблюдение режимов приводит к плохому смачиванию, неровному фронту сплавления, развитию трещин в кристалле. Разработаны методы, предупреждающие развитие подобных дефектов в сплавных структурах.
Диаграмма состояния
Рис. 5.1. Диаграмма состояния системы, обладающей простой эвтектикойРис. 5.1. Диаграмма состояния системы, обладающей простой эвтектикойЛиквидус и солидус. Диаграммой состояния или диаграммой фазового равновесия называют графическое изображение соотношений между параметрами состояния. Каждая точка на диаграмме состояния, называемая фигуративной точкой, определяет числовые значения параметров, характеризующие данное состояние системы. Диаграмма состояния показывает, сколько и какие конкретные фазы образуют систему при данных значениях параметров состояния. Для бинарных систем принято строить диаграмму состояния в координатах темпе
Рис. 5.1. Диаграмма состояния системы, обладающей простой эвтектикой
Рис. 5.1. Диаграмма состояния системы, обладающей простой эвтектикой
ратура— состав (рис. 5.1). Линия ликвидуса на диаграмме состояния определяет области на-
чала кристаллизации сплавов дан
ных составов при охлаждении. Линия солидуса определяет области начала плавления сплавов данных составов при нагреве.
Уравнение линии ликвидуса для определения растворимости малорастворимых веществ — разбавленных растворов, близких к идеальным, было предложено в 1890 г. И. Ф. Шредером:
(5.1а)(5.16)(5.1а)(5.16)
(5.1а)
(5.16)
(5.1а)
(5.16)
где ха, хв — мольные доли или молярные растворимости компонентов А и В в растворе; АН а6, АНв0— энтальпия плавления рас-
творителя В и растворяемого вещества Л; R— газовая постоянная; Та, Тв — термодинамические температуры плавления компонентов.
В формуле (5.1а) молярная растворимость хА выражена в атомных долях. На практике нередко требуется определить растворимость в массовых соотношениях. В этом случае под растворимостью Sa какого-либо вещества А в сплаве (Лф-В) понимают отношение массы этого вещества РА в данном сплаве к общей массе сплава (Ра+Рв):
s - Ра
А РаА-Рв"
Переход от атомной растворимости к массовой производят с помощью преобразования:
Амв °мв
ха+хв——хд+хв-—
МлМА
где МА, Мв — атомные массы компонентов.
Как известно, xa+^b=1. Оба уравнения описывают только начальные участки линий ликвидуса левой и правой частей диаграммы состояния с простой эвтектикой. Эвтектикой называют структуру сплава, состоящего из однородной механической смеси кристаллитов двух или нескольких веществ, которая обладает минимальной температурой плавления. Структура эвтектического сплава такова, что атомные и молекулярные связи в нем менее прочные, чем в порознь взятых веществах, и разрываются под действием меньшей тепловой энергии.
Для бинарной системы Л— В, обладающей неограниченной растворимостью компонентов в твердом и жидком состояниях, кривые ликвидуса и солидуса определяются соответственно уравнениями
Лд = [ехр (—Хв) — 1]/[ехр(—Хв) —ехр(Хл)],(5.2а)
Лд=[ехр(—Хв) — lj/]exp(—Xs —Хл)— 1],(5.26)
где
в R \Твт)’ А R \ТА Т Д
хд8 — мольная доля компонента А в твердом состоянии.
Пример 1. Рассчитать линии ликвидуса и солидуса диаграммы состояния системы германий — кремний, обладающей неограниченной растворимостью в твердом и жидком состояниях.
Ликвидус и солидус рассчитывают по формулам (5.2а), (5,26). Растворителем является более легкоплавкий материал — герма- 78
ний, поэтому
Д//в = Д^е=3,4.107 Дж/кмоль, Гв=ГОе = 960°С,A/7a=A^si = 5,05-107 Дж/кмоль, Та = TSi = 1420°С,7?=8,314-103 Дж/(кмоль-К),
= Д^Ое /1Ц =3,4-107/ J 1 \
\ ТОет)8,314-103 \1233Т)
= 4,09 -103 ^8,1 -10—4— — ,\Т)
/? I rSi т )/? I rSi т )5,05-107 / 1 1_\8,3-103 Ц693- Т j5,05-107 / 1 1_\8,3-103 Ц693- Т j
/? I rSi т )
/? I rSi т )
5,05-107 / 1 1_\
8,3-103 Ц693- Т j
5,05-107 / 1 1_\
8,3-103 Ц693- Т j
= —6,07-103 f 5,9-10~4 — —
। т
Диапазон существования жид- Таблиц
а 5.1
ких и твердых растворов 960—
1420°С. Разобьем его на пять ин-
тервалов и рассчитаем значения т „
Л
xla и Xsа при Т= 1050, 1150, 1250
* А
(ЭКСП.)
А
(эксп.)
и 1350°С. Данные расчетов свёде-
ны в табл. 5.1. Там же даны зна-
чения ликвидуса и солидуса, най- 1233
0
0
0
0
ценные экспериментально. Они 1823
0,105 0,268
0,10
0,25
0,286 0,528
0,36 0 59
хорошо согласуются с расчетом. 1523
О',488
0,46
0,727
0,76
Закон рычага. Для определе- 1623
0,763
0,77
0,892
0,92
ния количественного соотношения 1693
1
1
1
1
между жидкой и твердой фазами
но закону рычага,но закону рычага,при любых данных условиях используют закон рычага (правило отрезков). Проведем на диаграмме состояния (рис. 5.1) для произвольной температуры линию Inm, называемую конодой. Точки I и m определяют составы твердой и жидкой фаз, а отношение отрезков In и тп определяет соотношение масс жидкой и твердой фаз. Если Мд — масса жидкой части сплава, а М5 — твердой, то, соглас
но закону рычага,
но закону рычага,
Ms[ML=mn;in.(5.3
По отношению к массе всего содержащегося в тигле сплава
А4 S\M s —М тп] ml(5.4а)
М L^Ms-\-М L^= ttljml.(5.46)
При температуре эвтектики соотношение между массами твердых растворов Sa и Sb, присутствующих в твердой фазе,
MSA/MSB=bJ/aJ.
Равновесный коэффициент распределения. Для определения растворимости примеси в твердой фазе большое значение имеет равновесный коэффициент распределения (коэффициент оттеснения, сегрегации) примеси, характеризующий относительное распределение примеси между твердой и жидкой фазами вещества, находящимися в равновесии. Численно коэффициент распределения равен отношению концентрации примеси в твердой фазе Са к концентрации этой же примеси в жидкой фазе CL при установлении равновесия (рис. 5.1):
h=CsICL.(5.5)
Переход примесного атома из жидкой фазы в твердую связан с преодолением некоторого потенциального барьера, поэтому температурную зависимость коэффициента распределения можно представить в виде
,/ ХНО— Д5°7\
ехр ——-) ,(5.6)
где А//0— энтальпия или теплота плавления; AS0 — энтропия плавления растворителя.
При температуре плавления равновесный коэффициент распределения &о = &пл, а
< Х№ — XS»T\
Апл=ехр—.(5.7)
\ид/
Объединяя выражения (5.6) и (5.7), получим
^(^Упл/Г ехр Г-.(5.8)
L а \ v / j
При температурах, мало отличающихся от Тпл, экспонента близка к единице и
^о=(Апл)Гнл/Г.(5.9)
Эта формула является хорошим приближением для температурной зависимости равновесного коэффициента распределения.
Ретроградный солидус разбавленных растворов Ge и Si. Подавляющее большинство бинарных систем на основе Ge и Si и ряд других полупроводников отличаются ретроградным солидусом, или так называемой «отрицательной» растворимостью. Линия солидуса у них на диаграмме состояния с понижением температуры от точки плавления растворителя вначале показывает увеличение концентрации примеси, а затем уменьшение (см. солидус левой части; рис. 5.1).
На рис. 5.2 и 5.3 приведены кривые растворимости различных примесей в Ge и Si. Все они имеют ретроградный характер.
Явление ретроградной растворимости наглядно иллюстрируется аналитическим путем рассмотрения уравнения ликвидуса совместно с температурной зависимостью коэффициента распреде-
ления. Согласно (5.16), линия ликвидуса для разбавленных рас
творов
,,. д/А / 11
1п(1-Хл)= L
R \Т Тв
Потенцируя, получим
ха— 1 — ехрха— 1 — ехр^в / 11^в / 11RR:.тв т:.тв т(5.10)(5.10)Рис. 5.2. Зависимость предельной растворимости примесных элементов в кремнии от температурыРис. 5.2. Зависимость предельной растворимости примесных элементов в кремнии от температурыРис. 5.3. Зависимость предельной растворимости примесных элементов в германии от температурыРис. 5.3. Зависимость предельной растворимости примесных элементов в германии от температуры
ха— 1 — ехр
ха— 1 — ехр
^в / 11
^в / 11
R
R
:.тв т
:.тв т
(5.10)
(5.10)
Рис. 5.2. Зависимость предельной растворимости примесных элементов в кремнии от температуры
Рис. 5.2. Зависимость предельной растворимости примесных элементов в кремнии от температуры
Рис. 5.3. Зависимость предельной растворимости примесных элементов в германии от температуры
Рис. 5.3. Зависимость предельной растворимости примесных элементов в германии от температуры
Молярная растворимость
xa=Ca!Cl,xa=Ca!Cl,CA=xACL,CA=xACL,
xa=Ca!Cl,
xa=Ca!Cl,
CA=xACL,
CA=xACL,
где Cl = Cal-\-Cbl — полная концентрация атомов Л и В в растворе.
Коэффициент распределения в условиях равновесия фаз ^А = Са?Са ИЛИ CA = feQACA = feQAXACL.
Полагая концентрацию расплава постоянной (CL = const), находим изменение концентрации примеси в твердом растворе в зависимости от температуры:
R \Т в ТR \Т в ТСд = const йолхл=const (йпЛ)Гпл/Г р — ехр
R \Т в Т
R \Т в Т
Таблица 5.2
Выражение (5.11), является
7, к
к
I—ехр лБ
произведением двух функций: виз- Lрастающей и убывающей с темпе-
cAiCратурой. Такое произведение име
ет максимум и дает кривую рет-
1693 1673
1623
1523 1323 1123
923
3-Ю'-3 2,82 ТО-3 2,35-Ю'3 1,59-10~3 5,9-10"4 1,67-Ю-4 2,4-Ю”5
0 0,048 0,146 0,330 0,632 0,838 01,950
роградного типа. Ретроградная 0 растворимость обычно имеет ме- 1,35-10- сто при ^пл^ОД.
'б^-Ю0-'4 Пример 2. Рассчитать ретро- зД.НО-4 градный солидус алюминия в Р4-Ю—4 кремнии.
2,28-10~5 дЛя расчета используем фор-
1 1 1 мулу (5.11). Будем вести расчет концентрации алюминия в твердой фазе относительно полной концентраций атомов алюминия и кремния в расплаве:
C^/C^=(MV 1-ехр Д ,
к\ 1 вJ А)
где &пл = 3-10~3; АДв° = 5,05-107 Дж/кмоль; 7в=1420°С.
Обозначим. ■
Д/Х / 11 х\
Хд=-1 = 6,07-103 (5,9-Ю-4
в R \ТВ Т)(Т )
Расчетная формула
С^О=(3. 10-3)1693/7 [! _ еХр (xs)j.
Данные расчета приведены в табл. 5.2.
Если учесть, что CL«5-1022 см-3, то максимальная растворимость алюминия в кристалле кремния составляет СА = 5,2Х ХЮ-4 CL = 5,2-10-4-5-1022 = 2,6-1019 см-3 при 7= 1250° С, что хорошо согласуется с экспериментально наблюдаемым значением, приблизительно равным 2-Ю19 см-3 при 1100—1250°С.
Физико-металлургические основы образования сплавного р-п-перехода
Метод сплавления используется в технологии производства полупроводниковых приборов для создания р-п-переходов, омических переходов и присоединения электродных выводов к структурам.
Для образования сплавного р-п-перехода на поверхность полупроводникового кристалла помещают электродный материал (металл или сплав). Систему нагревают до температуры, при которой осуществляется сплавление, и после небольшой выдержки охлаждают. Характер протекания процесса сплавления и качество получаемых переходов определяются поверхностными свойствами металла и полупроводника, чистотой окружающей среды, взаимной растворимостью компонентов, диффузией атомов металла и полупроводника в жидкой фазе, растеканием расплава. Физические процессы, происходящие при сплавлении, мож- 82
но разделить на три последовательных этапа: смачивание электродным материалом поверхности полупроводника; растворение некоторого объема полупроводника в электродном сплаве, определяемое диаграммой состояния; образование р-п- или омического перехода вследствие кристаллизации растворенного полупроводникового материала при охлаждении расплава.
Свойства некоторых элементов, применяемых для электродных сплавов, приведены в табл. 5.3.
Таблица 5.3
Элемент
Температура плавления Г, °C
Температура испарения Г, °C
Плотность d, г/см3
ТКР ■ 10s, VK
А1
659,7
996
2,7
23,8
Ад
961,0
1047
10,5
18,7
As
817,0
280
5,7
3,8
Au
1063,0
1465
19,3
14,2
В
2300,0
1365
2,5
8,0
Bi
271,3
698
9,8
14,0
Ga
29,7
1093
5,9
18,0
Ge
936,0
1251
5,4
5,3
In
156,4
952
7,3
33,0
Mo
2620
2533
10,2
5,1
Ni
1455,0
1510
8,9
13,0
Pt
1773,5
2090
21,4
9,0
Pb
327,4
718
11,3
29,5
Si
1420,0
1343
2,32
4,2
Sb
630,5
678
6,6
10,9
Sn
231,9
1189
7,3
26,7
w »
3370,0
3310
19,3
4,5
Zn
419,4
343
7,1
26,3
Если чистый элемент удовлетворяет всем требованиям, предъявляемым к электродному материалу, то он сплавляется с полупроводником без каких-либо добавок.
Растворимость данного компонента в сплаве определяется линией ликвидуса диаграммы состояния. Процесс растворения тесно связан с диффузией. Перешедшие в расплав атомы полупроводника за счет диффузии стремятся распределиться в нем равномерно. Уходящие от поверхности сплавления атомы дают возможность раствориться новому слою полупроводника. Равновесие между расплавом и твердым полупроводником будет достигнуто, когда химический потенциал полупроводника в растворе станет равен его химическому потенциалу в твердом- состоянии. Если концентрация раствора меньше равноверной, то будет происходить дальнейшее растворение полупроводника, так как это способствует уменьшению свободной энергии. Если же, концентрация больше равновесной, то из раствора будет выкристаллизовываться твердое вещество до тех пор, пока химические потенциалы обеих фаз не станут одинаковыми.
где Sn — растворимостьгде Sn — растворимостьРис. 5.4. Образование р-п-пере- хода при сплавленииРис. 5.4. Образование р-п-пере- хода при сплавлении
где Sn — растворимость
где Sn — растворимость
Рис. 5.4. Образование р-п-пере- хода при сплавлении
Рис. 5.4. Образование р-п-пере- хода при сплавлении
При вплавлении в полупроводник металлического электрода, который после плавления не собирается в «каплю» и имеет по всей площади толщину h, глубина вплавления
1 — sn дп
полупроводника в металле в массовых долях; dM и dn — плотности металла и полупроводника.
Образование р-п-перехода. После того как равновесное состояние достигнуто и электродный сплав растворил полупроводник на заданную глубину, осуществляется охлаждение расплава. В результате пересыщения раствора полупроводником последний кристаллизуется в твердую фазу. Процесс кристаллизации полупроводника из расплава называют рекристаллизацией, потому что его осаждение происхо
дит как доращивание растворенной части твердой подложки. На границе раздела твердой и жидкой фаз, существовавшей до начала охлаждения, образуется контакт различно легированных областей полупроводника (рис. 5.4). Ес-
Рис. 5.5. Зависимость напряжения пробоя резких р-п-переходов в Ge, Si, GaAs и GaP от концентрации примеси в базовой области
ли вплавляемый металл представляет собой акцепторную примесь, а исходная пластина полупроводника обладает электропроводностью n-типа, или если металл является донорной примесью, а полупроводник обладает электропроводностью p-типа, то образуется сплавной р-п-переход. Сплавной переход является резким.
84
Он имеет распределение примеси, близкое к ступенчатому. Обычно концентрация примеси в исходной пластине полупроводника сравнительно мала (1014—1016 см"3), а концентрация легирующей примеси в рекристаллизованном слое на несколько порядков выше и составляет 1018—1020 см-3. Напряжение пробоя (/проб сплавных р-п-переходов определяется концентрацией примеси в слаболегированной области Св —исходной пластине полупроводника. На рис. 5.5 представлены зависимости Спроб (Св) для резких р-п-пе- реходов в Ge, Si, GaAs и GaP. Штриховая линия указывает область концентраций примесей, при которых лавинный характер пробоя, преобладающий при низком содержании примеси, сменяется туннельным. Напряжение лавинного пробоя (В) резкого р+-п- или п+-р-перехода определяется приближенным равенством
(/^^(AE/U^tlO16/?^(5.12)
где ДЕ — ширина запрещенной зоны, эВ; Св—концентрация примеси в слаболегированной области, см-3.
Контроль качества сплавных структур
Изготовление поперечных шлифов. Кроме электрических и электрофизических измерений наиболее ценные сведения о структуре сплавных полупроводниковых кристаллов и причинах отклонений характеристик приборов от ожидаемых получают путем изготовления шлифов. Основными этапами изготовления поперечных шлифов являются запрессовка исследуемого кристалла с р-п-переходом в пластмассу (полистирол), сошлифовка части материала перпендикулярно плоскости р-п-перехода, полировка и селективное травление полученного сечения.
Для выявления внешних дефектов производят тщательный осмотр кристалла под микроскопом типа МБС-2, а' также при большом увеличении на металлографическом микроскопе типа МИМ-7, МИМ-8М. Осмотр шлифов может дать некоторые сведения о структуре прибора. Для более детального обследования шлифы подвергают слабому травлению в растворе из 30 см3 HNO3, 10 см3 HF и 120 см3 СН3СООН. После химической обработки на шлифе выявляется граница р-п-перехода, что позволяет определить глубину вплавления и ширину рекристаллизованной области, а также проследить ровность фронта сплавления.
ИК-интроскопия. Германий и кремний прозрачны в инфракрасном диапазоне спектра, поэтому просвечивание ИК-лучами в сочетании с методом декорирования позволяет произвести подсчет плотности дислокаций и установить характер распределения дислокаций в' объеме. Исследуемую структуру кремния травят и на нее из раствора медного купороса с добавкой нескольких
капель плавиковой кислоты осаждают медь. Затем структуру отжигают в вакууме или водороде при 900° С в течение 10 мин. Медь диффундирует по дислокациям и после медленного охлаждения образует осаждения атомов меди вдоль линий дислокаций. Из. пластины вырезают узкие образцы, которые просматривают в ИК-свете с торца. Атомы меди поглощают излучение и на экране электронно-оптического преобразователя (ЭОП) видны темные линии — линии дислокаций.
Для наблюдения механических напряжений необходимы две призмы Николя: поляризатор и анализатор. Если на николь-по- ляризатор направить ИК-луч, то прошедшие через него световые волны оказываются плоскополяризованными. Плоскость поляризации света называют главным сечением николя. Поставив за поляризатором анализатор, в зависимости от взаимного расположения главных сечений николя можно либо полностью погасить свет, либо частично или полностью пропустить его. При скрещенных николях, когда главные сечения поляризатора и анализатора взаимно перпендикулярны, и в отсутствие механических напряжений в образце ИК-свет полностью гасится анализатором и экран ЭОПа остается темным;. При наличии напряжений в образце он оказывается оптически анизотропным, что приводит к повороту плоскости поляризации света, прошедшего через первый николь, в местах искажения кристаллической решетки. Главное сечение анализатора уже не будёт перпендикулярно плоскости поляризации падающего на него ИК-света, и анализатор будет частично его пропускать. Таким образом, просветления, появляющиеся на экране ЭОП, будут соответствовать напряженным участкам образца. Чем больше напряжение, тем на больший угол повернется плоскость поляризации и тем интенсивнее просветлится экран преобразователя. Для количественной оценки напряжений необходимо знать угол поворота плоскости поляризации и коэффициенты фотоупругости для данного кристаллографического направления.
Глава 6
ПОЛУЧЕНИЕ СТРУКТУР МЕТОДОМ ЭПИТАКСИАЛЬНОГО НАРАЩИВАНИЯ
Метод эпитаксии разрабатывался с начала 60-х годов и позволил преодолеть многие затруднения, возникавшие при создании все более совершенных приборов. Процесс эпитаксии осуществляется в вакууме, в газовой и в жидкой фазах. Прогресс полупроводникового производства во многом обязан развитию технологии эпитаксии кремния из газовой фазы.
Наибольшее распространение получил хлоридный метод эпитаксии кремния, основанный на восстановлении хлоридов кремния водородом. Перспективным методом является гидридный ме- 86
тод, позволяющий избавиться от загрязнения слоя хлором и понизить температуру процесса. При создании МДП СБИС наиболее важным процессом является получение эпитаксиальных слоев
кремния на диэлектрических подложках.
В связи с развитием оптоэлектроники широкое распространение получили методы эпитаксии полупроводниковых соединений типа ЛШ5У, существенной особенностью которых является высокая летучесть элементов V группы. Для соединения типа AmBv наряду с газофазной нашла применение эпитаксия из жидкой
фазы.
Наращивание монокристаллического эпитаксиального слоя сопровождается образованием дефектов структуры — дислокаций, дефектов упаковки и др., появление которых во многом связано с конкретными условиями проведения технологического процесса. Контроль дефектов, а также электрофизических и геометрических параметров эпитаксиальных слоев осуществляют металлографическими методами, по интерференции ИК-лучей, с помощью рентгеновского, микроанализа и т. п.
Основные методы эпитаксиального осаждения
К полупроводниковому материалу, используемому для изготовления полупроводниковых приборов и ИМС, часто предъявляют противоречивые требования. Например, для повышения пробивного напряжения импульсных диодов требуется увеличивать удельное сопротивление пластин полупроводника, что вызывает рост сопротивления растекания и ухудшает импульсные свойства и быстродействие приборов. Эмиттерная и базовая области, получаемые методом диффузии акцепторных и донорных примесей, располагаются вблизи поверхности пластины. Коллекторная область с высоким удельным сопротивлением обеспечивает высокое напряжение пробоя, т. е. большое обратное напряжение коллекторного р-и-перехода, но снижает быстродействие транзистора вследствие большого накопленного заряда в объеме коллектора и ограничивает мощность транзистора из-за большого последовательного сопротивления коллектора. Аналогичные проблемы встречаются при изготовлении других полупроводниковых приборов и особенно ИМС. Эти ограничения в значительной мере были сняты с появлением методов эпитаксии, позволяющих наращивать на сильно легированной пластине полупроводника — подложке — тонкие слои того же полупроводника с небольшим содержанием легирующей примеси, служащие базами диодов, коллекторными областями транзисторов и пр.
Разновидности и методы эпитаксии. Термин «эпитаксия» был введен для обозначения процесса ориентированного наращивания кристаллов на кристаллах. Он составлен из двух греческих слов: приставки «эпи» — на и корня «таксис» — расположение в порядке. Эпитаксиальный слой — это монокристаллический материал, осажденный на кристаллическую подложку, сохраняющий
87
морфологию (структуру) этой подложки. В процессе эпитаксиального нарастания образующаяся фаза закономерно продолжает кристаллическую решетку имеющейся фазы с помощью образования переходного эпитаксиального слоя. Переходный слой способствует когерентному срастанию двух решеток по плоскостям и направлениям со сходной плотностью упаковки атомов, через него передается основная информация о кристаллической структуре подложки в нарастающий слой.
Известны три группы процессов эпитаксии: авто-, гетеро- и хемоэпитаксия. *
Автоэпитаксия (от греч. авто — само) — это процесс ориентированного нарастания кристаллического вещества, однотипного по структуре с подложкой, отличающегося от нее только содержанием легирующих примесей.
Гетероэпитаксия (от греч. «гетеро» — другой) — это процесс ориентированного нарастания вещества, отличающегося по составу от вещества подложки, происходящий при их кристаллохимическом взаимодействии.
Хемоэпитаксия — это процесс ориентированного нарастания вещества, в результате которого образование новой фазы происходит при химическом взаимодействии вещества подложки с веществом, поступающим из внешней среды. Полученный хемо- эпитаксиальный слой отличается по составу как от вещества подложки, так и от вещества, поступающего на ее поверхность.
Существует три основных технологических метода эпитаксии, отличающихся природой физико-химических явлений образования растущего слоя:
молекулярно-лучевая эпитаксия из молекулярных пучков в вакууме; 2) газофазная эпитаксия с помощью химического взаимодействия вещества в газовой или парогазовой смеси, называемая газовой или химической эпитаксией; 3) жидкофазная эпитаксия в жидкой фазе путем рекристаллизации из расплава или раствора-расплава.
Рассмотрим кратко основные особенности этих трех методов.
Молекулярно-лучевая эпитаксия. Эпитаксия из молекулярных пучков в вакууме является процессом прямого переноса вещества. Вещество-источник (монокристаллический кремний или германий) с помощью сфокусированного электронного пучка в высоком вакууме интенсивно испаряется, образуя поток молекулярных частиц, достигающих подложки без промежуточных взаимодействий. Осевшие на поверхность подложки частицы полупроводника под влиянием сил молекулярного взаимодействия образуют правильную структуру, определяемую кристаллической ориентацией полупроводника. Рост эпитаксиального слоя происходит вдоль поверхности, и растущий слой повторяет структуру подложки.
Разновидностью эпитаксии из молекулярных пучков в вакууме является метод сублимации, при котором испарение полупроводника, в частности кремния, производят путем прямого разо- 88
грева электрическим током прямоугольной пластины, отстоящей от подложки на расстоянии в несколько сотен микрометров. В данном случае образец-источник не плавится, происходит возгонка (сублимация) кремния и перенос его на подложку. Получаемый слой обладает высоким удельным сопротивлением, так как вероятность попадания посторонних примесей из' вакуумной камеры мала, но производительность процесса недостаточна для промышленного производства.
Эпитаксия в газовой фазе с помощью химического взаимодействия. При кристаллизации из газовой фазы с помощью химического взаимодействия атомы полупроводника переносятся в составе химического соединения, которое диссоциирует на подложке, освобождая атомы полупроводника (если в процессе участвуют элементарные полупроводники —германий и кремний) или его молекулы. Химические методы наиболее широко применяются при получении эпитаксиальных слоев в производственных условиях. Эти методы относятся к непрямым процессам переноса, сущность которых заключается в том, что в результате определенных химических реакций образуется полупроводниковый материал.
Среди гипотез эпитаксиального роста из газовой фазы следует отметить две. Согласно первой, полупроводник образуется на подложке в результате реакции диссоциации, катализируемой поверхностью подложки. Согласно второй, разложение соединений полупроводника происходит на некотором удалении от подложки. Частицы полупроводника достигают подложки путем диффузии в газовой фазе.
Химические реакции, приводящие к освобождению атомов полупроводника, можно объединить в четыре группы.
Реакции диспропорционирования галоидных соединений:
2ПГ25=ПГ4 + П,
где П — атом полупроводника (германий, кремний); Г — атом галоида (хлор, фтор, бром, иод).
Реакции восстановления галоидных соединений водородом:
ПГ4 + 2Н2^П + 4НГ,
ПНГз4-Н2^П + ЗНГ.
Пиролиз (термораспад)—разложение соединений при нагреве:
пн4^пч-2н2.
Транспортные химические реакции (реакции переноса), идущие в две стадии:
П + 2НГ^Г:Г2-|-Н2 (перенос),ПГ2+Н2^П+2НГ (осаждение).
Все эти реакции — обратимые. Направление протекания реакции и скорость осаждения зависят от концентрации исходных веществ и режима процесса.
Эпитаксия в жидкой фазе. Метод жидкофазной эпитаксии заключается в наращивании монокристаллического слоя полупроводника из расплава или раствора-расплава, насыщенного полупроводниковым материалом. Полупроводник эпитаксиально кристаллизуется на поверхности подложки, погружаемой в расплав, при его охлаждении. В большинстве случаев при кристаллизации из жидкой фазы в качестве растворителя используют какой-либо металл, обладающий неограниченной растворимостью с полупроводником в жидком состоянии и образующий эвтектику, например А1— Si или Au — Si. В случае жидкофазной эпитаксии полупроводниковых соединений в качестве растворителя применяют легкоплавкий компонент соединения, например Ga для GaAs и GaP. Это позволяет снизить температуру кристаллизации и уменьшить перепад температуры на границе подложка — расплав, что повышает чистоту наращиваемого слоя.
Перспективным является процесс пар — жидкость — твердое тело, сочетающий методы газовой и жидкостной эпитаксии. На поверхность полупроводниковой подложки наносят тонкий слой металла, образующего жидкую фазу эвтектического состава, что позволяет использовать низкие температуры эпитаксии. Атомы полупроводника осаждаются из газовой фазы и диффундируют через слой жидкости к границе с подложкой, где происходит их кристаллизация. Так как толщина слоя расплава не превышает 1 мкм, то скорость роста эпитаксиального слоя практически не зависит от времени диффузии атомов в расплаве.
Электрические характеристики легированных слоев и электрических переходов, получаемых методами эпитаксии, в основном подобны характеристикам структур, изготовляемых методом сплавления. Структура р-га-переходов в большинстве случаев резкая, поэтому зависимость напряжения пробоя от концентрации примесей в базовой области соответствует изображенной на рис. 5.5.
Технологические особенности эпитаксии Si и Ge
Среди наиболее распространенных методов наращивания эпитаксиальных слоев германия и кремния основными являются восстановление их тетрахлоридов водородом и термическое разложение моносилана SiH4 и моногермана GeH4. Монокристаллические слои кремния или германия осаждаются на нагретых подложках при пропускании над ними водорода с парами хлоридов или гидридов и легирующих примесей. Типичный процесс эпитаксиального наращивания состоит из следующих рпераций: 1) загрузка пластин в реактор; 2) продувка реактора инертным газом и водородом; 2) нагрев пластин и подача реагентов для газового травления с целью; очистки пластин; 4) прекращение травления и установление температуры, необходимой для наращивания; 5) подача реагентов для 90
осаждения и легирования эпитаксиальных слоев; 6) прекращение подачи реагентов и кратковременная продувка водородом; 7) выключение нагрева, продувка водородом и инертным газом; 8) разгрузка реактора. В производстве полупроводниковых приборов и интегральных микросхем наибольший объем эпитаксиальных процессов приходится на эпитаксию кремния. Наиболее широкое практическое применение получило восстановление хлоридов кремния водородом — хлоридный метод эпитаксии.
Хлоридный метод эпитаксии кремния. Его широкое распространение обусловлено сравнительной простотой и доступностью исходных материалов. Пары тетрахлорида кремния и водород подаются в реактор, где протекает основная реакция восстановления кремния
SiCl4+2H2=Si+4HCl(6.1)
Вместо тетрахлорида иногда используют трихлорсилан SiHCl3, восстановление которого протекает согласно реакции
SiHCl3+H2^±Si4-3HCl(6.2)
При избытке хлористого водорода НС1 обе реакции идут справа налево, что используют для газового травления подложек с целью удаления поверхностных слоев кремния, содержащих нарушения структуры, а также остатков диоксида кремния и загрязнений. Процесс восстановления SiCl4 является более сложным, чем описываемый реакцией (6.1). Протекание реакций промежуточных взаимодействий учитывают двумя способами. Согласно первой схеме, восстановление сопровождается протеканием реакций с участием дихлорида кремния SiCl2, НС1 и Н2. Реакции осаждения (6.1) сопутствует реакция травления кремния:
SiCl4 + Si5:2SiCl2(6.3)
Вклад этой реакции увеличивается при возрастании концентрации тетрахлорида в водороде, что приводит к падению скорости роста эпитаксиального слоя. Помимо этого идут побочные реакции:
SiCl2 + HCl^SiHCl3,(6.4)
SiCl2+2H2^SiH3Cl + HCl(6.5)
Образующиеся хлористоводородные соединения кремния восстанавливаются водородом до чистого кремния.
Согласно второй схеме, восстановление SiCl4, происходит в газовой фазе по одной из реакций:
SiCl4 + H2^SiHCl3+HCl(6.6)
или
SiCl4+H2^SiCl2+2HCI.(6.7)
После частичного восстановления SiCl4 идет восстановление хлоридов или диспропорционирование их на подложке с образованием атомарного кремния. Относительно более легкий распад молекулы SiHCl3 по сравнению с молекулой SiCl4 определяется меньшей энергией связи Si — Н по сравнению с энергией связи Si — Cl.
При малых концентрациях тетрахлорида кремния в водороде наблюдают линейную зависимость скорости роста от концентрации SiCl4 в соответствии с реакцией (6.1). При увеличении содержания SiCl4 скорость роста снижается и в дальнейшем наблюдается переход к травлению подложки — преобладает реакция (6.3).
Экспериментально показано, что при температурах 1050— 1300° С максимальное значение энергии активации (145 кДж/моль) соответствует концентрации 5% SiCl4 в водороде. При более низких или более высоких концентрациях SiCI4 энергия активации процесса осаждения кремния снижается. Таким образом, при концентрациях SiCl4 менее 1% происходит реакция роста (6.1). При больших концентрациях одновременно с реакцией (6.1) идет реакция травления (6.3), а также парофазные реакции (6.4) — (6.7).
Осаждение кремния совершается в интервале температур 1150— 1250°С, концентрация тетрахлорида в водороде поддерживается на уровне 0,5—1%, а скорость потока газа составляет 0,1—1 м/с. При этих условиях скорость роста слоев близка к 1 мкм/мин. При невысоких температурах и большом содержании тетрахлорида в парах образуются рыхлые и аморфные или поликристаллические соли кремния. Увеличение температуры подложек и уменьшение мольной доли тетрахлорида в газовой смеси ведет к уплотнению и кристаллизации слоев.
Гидридный метод эпитаксии кремния. При проведении проце са эпитаксии хлоридным методом температура подложек составляет около 1200° С. В результате происходит заметная диффузия примесей из сильно легированной пластины — подложки — в слаболегированный растущий эпитаксиальный слой. Это явление называют автолегированием. Помимо диффузии автолегирование может осуществляться вследствие переноса примеси с обратной стороны подложки в растущий слой. Автолегирование изменяет концентрацию примесей в эпитаксиальном слое, распределение примесей на границе слой — подложка и тем самым толщину области с заданной концентрацией примеси в эпитаксиальном слое.
Для ограничения диффузии примесей из подложки стремятся выбрать легирующую примесь в ней с низким коэффициентом диффузии, например Sb и As в кремниевых п+-подложках вместо фосфора.
Другой возможностью ограничения диффузии примесей является снижение температуры процесса. Снизить температуру до 1000° С при эпитаксии кремния можно путем использования УФ-облучения подложек во время наращивания. Облучение УФ-светом уменьшает влияние примесей, адсорбированных из газовой фазы, на подвижность мигрирующих по поверхности подложки атомов кремния. Более кардинально проблема ограничения автолегирования решается путем использования гидридного метода эпитаксии, позволяющего снизить температуру процесса. Гидридный метод состоит в пиролизе моносилана, поэтому его иногда называют силановым методом. Уравнение реакции термораспада моносилана име- 92
ет вид
SiH4^Sl+2H2(6.8>
Освобождающийся кремний осаждается на подложках, температура которых может быть снижена до 1000° С. Это практически предотвращает диффузию примесей из подложки и способствует росту слоя с равномерным распределением легирующей примеси по толщине. Оптимальные температуры осаждения при пиролизе моносилана 1050—1100° С. В качестве источника обычно применяют смесь, состоящую из 4—5% моносилана и 95—96% Не, Аг или Н2 высокой чистоты. Концентрация моносилана в водороде во время осаждения 0,05—0,1%, а скорость потока газа 30—50 см/с. При этих условиях скорость роста может изменяться от 0,2 до 2 мкм/мин.
Определенной сложностью при работе с моносиланом является возможность его самопроизвольного газофазного разложения в реакторе с образованием твердых частиц. Это вызывает уменьшение- концентрации моносилана в газовой фазе и снижение скорости роста. Твердые частицы, попадая в растущий слой, могут привести к появлению несовершенств кристаллической структуры. Вероятность газофазного пиролиза моносилана увеличивается при температурах выше 1100° С, концентрации моносилана в водороде более 0,12% и скорости потока газа менее 20 см/с, а также- при наличии в газовой фазе следов Н2О и О2.
Кроме сравнительно низкой температуры процесса преимуществом метода пиролиза моносилана является отсутствие во время роста слоев соединений, содержащих хлор. При этом по сравнению с хлоридным методом удается уменьшить автолегирование и получить более резкие профили распределения концентрации примесей на границе слой — подложка. Скорость осаждения кремния при термораспаде моносил-ана линейно зависит от концентрации SiH4 в смеси. При возрастании температуры от 800 до 1100° С скорость роста увеличивается, причем энергия активации процесса составляет (140+17) кДж/моль. При температурах выше 1100° С скорость роста перестает зависеть от температуры и определяется массопе- реносом реагентов в газовой фазе.
Горизонтальные и вертикальные реакторы. Температурные и газодинамические условия проведения процесса во многом определяют качество растущих эпитаксиальных слоев, поэтому к оборудованию для эпитаксии предъявляют высокие требования. Установки эпитаксиального наращивания отличаются прежде всего конструкцией реакторов, которые бывают двух основных типов: горизон- тальные и вертикальные.
Горизонтальный реактор обладает наиболее простой конструкцией (рис. 6.1, а). Поток парогазовой смеси идет в нем параллельно подложкодержателю и, обедняясь по мере протекания над пластинами, вызывает изменение толщины и удельного сопротивления эпитаксиальных слоев. Для более равномерного осаждения используют два способа: подложкодержатель устанавливают под'некото- 9$
рым углом к направлению газового потока (рис. 6.1, б) либо используют распределенный ввод газа по всей длине подложкодер- жателя (рис. 6.1, в).
8)8)Рис. 6.1. Типы горизонтальных реакторовРис. 6.1. Типы горизонтальных реакторова)б)а)б)Вертикальные реакторы обеспечивают наилучшие условия для нагрева и потока газовой смеси благодаря осевой симметрии конструкции реактора. Вращение подложкодержателя способствует выравниванию тепловых и газодинамических полей. На рис. 6.2, а показан реактор с четырехгранным подложкодержателем и верти-
8)
8)
Рис. 6.1. Типы горизонтальных реакторов
Рис. 6.1. Типы горизонтальных реакторов
а)б)
а)б)
Рис. 6.2. Типы вертикальных реакторов
кальным вводом парогазовой смеси, применявшийся в первоначаль- | ных конструкциях установок с вертикальным реактором. На рис. 6.2, б показан высокопроизводительный вертикальный реактор барабанного типа с горизонтальным вводом рабочей смеси. Нагрев четырехгранного графитового подложкодержателя производится с помощью индуктора токами ВЧ, а реактор представляет собой кварцевую трубу. Нагрев барабанного подложкодержателя осуществля- i ется изнутри с помощью резистивных элементов, а реактор выпол- | нен из нержавеющей стали, его иногда называют колпаковым.
Принципиальная схема установки для эпитаксии представлена ' на рис. 6.3. Сосуд с тетрахлоридом кремния или смесью SiCl4+BBr3 либо SiCI44-PCl3, содержащей легирующие добавки — трехбромистый бор ВВг3, или треххлористый фосфор РС13 для легирования слоя акцепторной или донорной примесью, находится в термостате, поддерживающем с высокой точностью температуру тетрахлорида, что обеспечивает необходимое давление паров. Обычно это температура около или ниже 0° С, так как SiCl4 — очень летучая жидкость. В систему подается водород, прошедший палладиевую очистку для удаления следов вла^и и кислорода. В палладиевой или платиновой системе очистки стоит диафрагма из Pd или Pt соответственно, нагретая до 400—450° С. Атомарный водород диффундирует с высокой скоростью через эту диафрагму, его расход составляет около 1 м3/ч, тогда как другие вещества почти не проникают через диафрагму вслествие малости-их коэффициентов диффузии. ;
Точка росы после очистки составляет —70° С. Водород проходит через кран 1 и ротаметр, измеряющий расход водорода. Краны 2, 3, 4 закрыты. Кремниевые подложки нагреваются до 1000—1200° С, и в протоке водорода их поверхность подвергается очистке. Кран 1 закрывают, а краны 2 и 3 открывают. Водород проходит через сосуд с SiCl4 и насыщается парами тетрахлорида, которые в реакторе- восстанавливаются до элементарного кремния. Продукты реакции— непрореагировавший SiCl4, Н2, НС1 и др,—через открытый
Рис. 6.3. Схема установки для эпитаксии кремнияРис. 6.3. Схема установки для эпитаксии кремниякран 5 выходят в скруббер, предназначенный для улавливания ядовитых отходов, где они сгорают в водородном пламени. Для газового травления в установках эпитаксиального наращивания предусмотрена подача хлористого водорода через кран 1 в камеру перед процессом эпитаксии. Широкое применение получила установка наращивания эпитаксиальных слоев УНЭС-2П-В (двухкамерная, с реактором вертикального типа). Оба реактора могут работать последовательно: один за-
Рис. 6.3. Схема установки для эпитаксии кремния
Рис. 6.3. Схема установки для эпитаксии кремния
гружают, в другом идет процесс наращивания слоя.
Технология эпитаксиального наращивания решает прежде всего- задачу достижения требуемых значений толщин эпитаксиальных слоев и уровней легирования с точностью не хуже ±(5—10) % от пластины к пластине. Чтобы добиться хорошей воспроизводимости- толщины эпитаксиальных слоев, прежде всего необходимо сохранять постоянной скорость наращивания. Для этого следует поддерживать на постоянном уровне концентрацию основного вещества: (SiCl4, SiH4) и температуру в течение всего процесса. Для воспроизводимого получения эпитаксиальных слоев с заданным удельным сопротивлением нагрев должен быть равномерным, так как температурные зависимости давлений паров и степени диссоциации основного вещества и легирующих примесей различны.
Гетероэпитаксия кремния на сапфире и шпинели. Гетероэпитак- сиальные структуры кремния на сапфире (КИС) получили широкое распространение для изготовления МДП СБИС. С помощью КНС-структур достигается очень высокая плотность упаковки и обеспечивается простота изоляции элементов схемы. Это обусловлено тем, что вначале на сапфировой подложке наращивают эпитаксиальный слой кремния, в котором создают элементы ИМС,. а затем участки между элементами стравливают вплоть до изолиру- ющей подложки. Наибольшее распространение получили гетеро- эпитаксиальные слои кремния на сапфире Si — А12О3 и на шпинели Si—MgO-Al2O3. В табл. 6.1 дано сопоставление основных свойств кремния, сапфира и шпинели.
Таблица 6.1
Свойство
Кремний
Сапфир
Шпинель
Кристаллическая
Гранецентриро-
Ромбоэдрическая
Гранецентриро-
структура
Постоянная решет-
ванная кубическая 0,54301
Я = 0,4758
ванная кубическая 0,8083
«И, нм
Плотность, г/см3
2,33
с= 1,2991 3,98
3,58
8
Твердость по Моосу
7
9
Модуль упругости, H/CM2
10s
(1,525—2,0) 10е
1,32-10s>
' Тил, °C
Теплопроводность, Цж/(см-с-К)
1412
2030
2105
1,25 (25’С)
0,253(60’ 0, ось с
0,146
ТКЛ 1/К
3,59-10"6
8,4-10—6, ось с
7,45-10-6
е
11,7
9,4, ось с
8,4
tg6
—
10~4—10~3
IO-4— Ю-з
Успешное выращивание эпитаксиальных слоев кремния на сапфире и шпинели в значительной степени зависит от кристаллографических соотношений на границе раздела слой — подложка и от состояния поверхности подложки. Кремний обладает кубической решеткой типа алмаза с постоянной 0,543 нм. Структура сапфира ’более сложная, он принадлежит к ромбоэдрическому классу, но ему можно приписать гексагональные символы. Параметры решетки сапфира: а = 0,476 нм, с= 1,299 нм. Гетероэпитаксиальное срастание в системе полупроводник—изолятор (оксид) осуществляется по направлениям катионных или анионных связей, и ретикулярные плотности (т. е. плотности атомов решетки) в плоскости срастания должны быть высокими. При этом степень соизмеримости параметров решеток не является основной причиной, регламентирующей эпитаксию. Эпитаксиальное соответствие в случае кремний— сапфир объясняют тем, что атомы кремния в плоскости срастания занимают места, которые соответствовали бы атомам алю- ■миния при продолжении решетки А12О3. Аналогично, при эпитаксии кремния на шпинели считают, что атомы кремния продолжают под- уешетку магния. Ретикулярная плотность нарастающего кристалла должна быть высокой, но не должна превышать плотность атомов А1 или Mg в сапфире или шпинели в плоскостях срастания.
При гетероэпитаксиальном наращивании кремния на сапфире наиболее часто используют следующие ориентационные соотноше- нищ Si(100)//Al203 (1012), Si (111)//А12О3(0001) или Si (111) //А12О3 .(1010).
Выращивание эпитаксиальных слоев производят хлоридным или тидридным методом. При восстановлении тетрахлорида кремния температура подложек составляет 1100—1200° С. Реакционные газы -могут химически взаимодействовать с материалом подложки, вызывая значительное ухудшение структуры и электрических свойств слоев. Менее реакционноспособные смеси моносилана с водородом 36
или геЛием имеют преимущество перед смесью SiCU+H2, поэтому гетероэпитаксию часто осуществляют гидридным методом.
Поверхность сапфировых подложек подвергают шлифовке, полировке и УЗ-очистке. В реакторе сапфировую пластину помещают на алундовый держатель, расположенный на кремниевом держателе, нагреваемом высокочастотным индуктором. При 7=1200-?- = 1500°С производят газовое травление и полировку сапфировых подложек хлористым водородом, в процессе которых удаляют поверхностные загрязнения и дефекты. Затем подложки очищают, прогревая их в потоке водорода при 1200—1300°С в течение 10— 20 мин. В последнее время в связи с возросшим качеством механической обработки и химической отмывки используют только отжиг в водороде при 1100—1200° С или в сильно разбавленной смеси моносилана с водородом в течение 10—20 мин. Газовое травление сапфира в этих случаях описывается реакциями
2H2 + Al2O3^Al2Of+2H2O
2Si + А12О3 — А12О|+2S1O
Скорость травления сапфира в водороде составляет около 0,003 мкм/мин при 1200° С и 0,3 мкм/мин при 1650° С. Для удаления нарушенного слоя стравливают около 3 мкм. Режимы гетероэпи- таксиального осаждения обычно отличаются от режимов автоэпитаксии кремния. Для снижения уровня автолегирования слоев атомами подложки применяют более низкие температуры осаждения и более высокие скорости роста. Оптимальные температуры гетеро- эпитаксиального наращивания гидридным методом составляют 1000—1100° С. Скорости роста колеблются в пределах 0,3— 10 мкм/мин, толщины эпитаксиальных слоев составляют обычно 0,5—2 мкм.
Применение твердого раствора MgO—А12О3 в качестве материала подложек для наращивания гетероэпитаксиальных слоев кремния имеет некоторые преимущества перед применением сапфира. Кристаллические решетки и коэффициенты термического расширения у шпинели и кремния согласуются лучше, чем у сапфира и кремния. Используют шпинели с соотношением компонентов MgO : А12О3 от 1 : 1 до 1 :3,5. При кристаллизации кремния на плоскостях шпинели (100), (ИО), (111) слои кремния имеют параллельную ориентацию (100), (НО), (111) соответственно. Перед наращиванием подложки отжигают в водороде при 1200° С. Осаждение кремния производят из смеси моносилана с водородом при 1100° С. Уровень автолегирования кремния при использовании подложек из шпинели на порядок ниже, чем в случае сапфировых подложек. Основными структурными несовершенствами в слоях являются дефекты, обусловленные смещением атома из узла при росте.
Монокристаллические оксидные подложки обладают более низкой симметрией, чем кремний. На таких подложках могут возникать несколько эквивалентных эпитаксиальных ориентаций и различные типы структурных дефектов. Ухудшение структуры гетеро- 4—210 97
эпитаксиальных слоев по сравнению с автоэпитаксиальными происходит под действием следующих факторов: несоответствие типов кристаллических решеток слоя и подложки, взаимодействие между подложкой и газовыми смесями, автолегирование слоя атомами подложки, различие в ТКР подложки и слоя. Гетероэпитаксиаль- ные слои кремния на сапфире содержат дислокации, плотность которых доходит до 2-Ю8 см-2. В результате попадания атомов А1 из подложки в эпитаксиальный слой образуется область с электропроводностью p-типа. Уровень легирования растущего слоя атомами AI зависит от температуры наращивания слоя (табл. 6.2).
Таблица 6.2
Тип подложки
Концентрация акцепторов, см—3, при температуре, °C
1030
1100
1150
1200
A12O3
3 • 1014
7-НО15
9-10”
5-Ю17
MgO-3,5Al2O3
1013
10”
7-10”
10”
Концентрация акцепторов в слое минимальна при 1050° С. В слаболегированных слоях концентрация примесей и подвижность носителей заряда зависят от толщины слоя: для концентрации акцепторов 1016 см-3 подвижность дырок возрастает от 70 до 120 см2/(В-с) с ростом толщины слоя от 0,2 до 2 мкм, а при толщине 6 мкм она достигает 330 см2/(В-с), как и в слитках. Подвижность носителей заряда в слоях на шпинели выше, чем в КНС- структурах, вследствие более совершенной структуры. Значительное снижение подвижности носителей заряда в тонких слоях по сравнению с подвижностью в слитках связано с рассеянием не только на структурных дефектах, но и на комплексах А1—О—Si и SiO4. Плотность этих дефектов в гетероэпитаксиальных слоях значительно возрастает вблизи границы раздела. Несмотря на наличие данных несовершенств, в ряде случаев удается получить в тонких слоях подвижность дырок 225 см2/(В-с), что указывает на высокое кристаллическое совершенство слоя. В структурах КНС получают слои с электропроводностью п- и p-типа и с удельным сопротивлением 0,1—20 Ом-см. Для изготовления МОП КНС ИМС используют гетероэпитаксиальные слои кремния с ориентацией (100) и толщиной 0,5—1 мкм.
Эпитаксия германия. Интерес к эпитаксии германия вызван возможностью создания германиевых малошумящих СВЧ-транзисторов и ИМС, работающих эффективнее кремниевых микросхем при низких температурах. Наиболее освоен и изучен хлоридный метод наращивания эпитаксиальных слоев германия. Осаждение производят при 7=800° С и концентрации тетрахлорида германия около 0,2%. Оптимальное значение скорости потока смеси зависит от способа ее подачи, конструкции реактора и составляет обычно не более 20 см/с. При температурах менее 600° С и высоких концентрациях тетрахлорида эпитаксиальные слои приобретают шероховатую 98
поверхность с характерными фигурами роста. Скорость роста при 800° С составляет 0,5 мкм/мин.
При наращивании германиевых эпитаксиальных слоев гидрид- ным методом с помощью пиролиза моногермана GeH4 в атмосфере водорода оптимальная температура близка к 700° С, концентрация моногермана 0,1—0,2%. Скорость роста увеличивается с ростом температуры вплоть до 800° С, а затем немного уменьшается вследствие разложения моногермана в газовой фазе. Для предотвращения газофазного разложения GeH4 применяют высокие скорости потока газа. Хлоридный метод наращивания эпитаксиальных слоев используется чаще, чем гидридный. Наилучшие по качеству слои получены хлоридным методом. Промышленностью выпускается достаточно чистый тетрахлорид германия, позволяющий получать эпитаксиальные слои с удельным сопротивлением свыше 15 Ом-см.
Рассмотрим также менее употребительный метод, основанный на реакции диспропорционирования в ампуле или закрытой трубе. В трубе находится тетраиодид германия Gel4. В зоне источника температура составляет 550—700° С. Здесь тетраиодид реагирует с пластиной германия—источником вещества — и превращается в дииодид: GeI4+Ge->2GeI2. Дииодид диффундирует во вторую зону, где помещены германиевые подложки. Температура здесь составляет 300—400° С. При таких температурах дииодид не может существовать и происходит реакция диспропорционирования (несоответствия):
2GeI2-^ Gel4%-Ge
Германий осаждается на подложках, а пары тетраиодида диффундируют в зону источника, и цикл повторяется вновь.
Легирование эпитаксиальных структур. Чтобы получить эпитаксиальные слои с заданным удельным сопротивлением, необходимо ввести в твердую фазу строго определенное количество примеси. Для введения примеси в процессе эпитаксии используют летучие соединения элементов III и V групп. Наиболее пригодными из них являются галогениды, чаще всего хлориды, и гидриды соответствующих элементов, в составе молекул которых помимо атомов основного легирующего элемента содержится только хлор или водород. Такими веществами являются галогениды (РС13, AsCl3, SbCl3, SbCls, ВС13, ВВг3) и гидриды (РН3 — фосфин, AsH3—арсин, В2Н6— диборан, SbH3 — стибин). Реакции легирования с участием галогенидов и гидридов можно записать в общем виде:
ХС13+(3/2) Н2 ^ X (г) -% ЗНС1
ХН35=Х(г)+(3/2)Н2
Х(г)^Х(тв)
При легировании кремния донорными примесями равновесие этих реакций сильно сдвинуто вправо — происходит практически полное превращение примесного соединения,
4*4*99
4*
4*
Различают следующие основные методы легирования эпитаксиальных слоев: газовых смесей, жидких лигатур и газового разряда. В методе газовых смесей источником примеси является разбавленная смесь инертного газа с летучим гидридом легирующего элемента при содержании гидрида 10~2—10~4% по объему. Метод позволяет осуществлять слабое легирование растущих слоев. Газовые смеси из 0,01% AsH3 с аргоном или 0,01% В2Н6 с аргоном впускают в поток водорода, идущего в камеру, что обеспечивает дополнительное разбавление концентрации смеси и хорошую управляемость уровнем концентрации в слое.
В методе жидких лигатур в качестве источника легирующей примеси используют разбавленный раствор жидкого соединения этой примеси в жидком соединении — источнике осаждаемого полупроводникового материала, чаще всего SiCl4 или GeCl4. Основной объем выпуска эпитаксиальных структур составляют слои кремния с удельным сопротивлением 0,1—10 Ом-см, что соответствует атомной доле фосфора в кремнии 10~6—108, которая легко обеспечивается жидкостным легированием. Этот метод удобен тем, что фиксирует заданное соотношение концентраций примеси и основного вещества как в жидкой, так и в газовой фазах независимо от расхода газа-носителя через испаритель. Обычно требуемая концентрация примеси невелика, поэтому в методе жидких лигатур используют многократное разбавление, в результате которого получают растворы с относительным содержанием примеси 10-9—10-2, что обеспечивает уровень легирования 1014—1019 см-3.
На рис. 6.4 приведены зависимости удельного сопротивления монокристаллов кремния, германия и арсенида галлия с электропроводностью п- и p-типа от концентрации легирующей примеси. Эти кривые справедливы также для эпитаксиальных слоев. Точный расчет концентрации примеси в жидкой фазе, необходимой для получения слоя с заданным удельным сопротивлением, затруднен, поэтому на практике используют эмпирические соотношения. Например, при легировании из раствора РС13 в тетрахлориде кремния
Сд = 2,6-1020Ppci3/Psici4 см-3, где ppci3/psici4—отношение парциальных давлений паров хлоридов фосфора и кремния. Следует учитывать, однако, изменение концентрации примеси в тетрахлориде по мере его расходования вследствие различия в парциальных давлениях паров.
Перспективным методом управления концентрацией примеси в эпитаксиальном слое при выращивании является электроискровое легирование, или метод газового разряда. В этом случае из твердых веществ приготавливают электроды, которые помещают в реактор. Между электродами создают искровой разряд, в процессе которого происходит распыление электродов. Образовавшиеся частицы легирующего вещества переносятся потоком газовой смеси или водорода к подложке. В качестве материала электродов для получения слоев кремния с электропроводностью n-типа используют сурьму, 100
сплав Sb+O,l%P или Sb+l%As, а также GaP, GaAs или InSb. При распылении в газовом искровом разряде эти вещества разлагаются, причем Р, As и Sb образуют гидриды, соединяясь с водоро-
Рис. 6.4. Зависимость удельного сопротивления Si, Ge и GaAs от концентрации примесн
дом, протекающим между электродами. В зоне подложек гидриды распадаются и примеси входят в растущий слой кремния. Галлий не образует гидридов и уносится с потоком водорода из камеры. Для получения эпитаксиальных слоев с электропроводностью р-ти- па используют электроды из борида лантана LaB6, борида алюминия А1В12, карбида бора В4С. При этом бор образует с водородом диборан. Концентрацию вводимых в газовую фазу примесей изменяют, регулируя частоту искрового разряда.
Технологические особенности эпитаксии полупроводниковых соединений типа AinBv
Области применения химических соединений типа AHIBV непрерывно расширяются. В настоящее время их используют в оптоэлектронике для создания систем отображения информации, источников и приемников излучения, полупроводниковых лазеров и др. Во всех
типах перечисленных изделий активная полупроводниковая структура содержит, как правило, минимум два авто- или гетероэпитак- сиальных слоя.Синтез полупроводниковых соединений типа AHIBV и их твердых растворов непосредственно из элементов осложняется сочетанием высоких температур их плавления и давлений паров. При нагреве на воздухе свыше 300°С арсенид галлия окисляется, а начиная с 600°С— разлагается с выделением мышьяка, давление паров которого при температуре плавления составляет 105 Па.Давление паров фосфора в точке плавления GaP составляет 3,5-106 Па. Расплавленные GaAs и GaP очень активны и взаимодействуют со всеми известными контейнерными материалами. Синтетический кварц, используемый в технологии получения монокристалловтипах перечисленных изделий активная полупроводниковая структура содержит, как правило, минимум два авто- или гетероэпитак- сиальных слоя.Синтез полупроводниковых соединений типа AHIBV и их твердых растворов непосредственно из элементов осложняется сочетанием высоких температур их плавления и давлений паров. При нагреве на воздухе свыше 300°С арсенид галлия окисляется, а начиная с 600°С— разлагается с выделением мышьяка, давление паров которого при температуре плавления составляет 105 Па.Давление паров фосфора в точке плавления GaP составляет 3,5-106 Па. Расплавленные GaAs и GaP очень активны и взаимодействуют со всеми известными контейнерными материалами. Синтетический кварц, используемый в технологии получения монокристалловН2+НС1Н2+НС1Н2Н2PH3+AsH3+H2+Zn(H2S)PH3+AsH3+H2+Zn(H2S)22ооРис. 6.5. Схема вертикального реактора для получения твердых растворов GaAs^xPx:1— зона источника паров; 2 — зона смешивания паров; 3— зона осажденияРис. 6.5. Схема вертикального реактора для получения твердых растворов GaAs^xPx:1— зона источника паров; 2 — зона смешивания паров; 3— зона осаждения
типах перечисленных изделий активная полупроводниковая структура содержит, как правило, минимум два авто- или гетероэпитак- сиальных слоя.
Синтез полупроводниковых соединений типа AHIBV и их твердых растворов непосредственно из элементов осложняется сочетанием высоких температур их плавления и давлений паров. При нагреве на воздухе свыше 300°С арсенид галлия окисляется, а начиная с 600°С— разлагается с выделением мышьяка, давление паров которого при температуре плавления составляет 105 Па.
Давление паров фосфора в точке плавления GaP составляет 3,5-106 Па. Расплавленные GaAs и GaP очень активны и взаимодействуют со всеми известными контейнерными материалами. Синтетический кварц, используемый в технологии получения монокристаллов
типах перечисленных изделий активная полупроводниковая структура содержит, как правило, минимум два авто- или гетероэпитак- сиальных слоя.
Синтез полупроводниковых соединений типа AHIBV и их твердых растворов непосредственно из элементов осложняется сочетанием высоких температур их плавления и давлений паров. При нагреве на воздухе свыше 300°С арсенид галлия окисляется, а начиная с 600°С— разлагается с выделением мышьяка, давление паров которого при температуре плавления составляет 105 Па.
Давление паров фосфора в точке плавления GaP составляет 3,5-106 Па. Расплавленные GaAs и GaP очень активны и взаимодействуют со всеми известными контейнерными материалами. Синтетический кварц, используемый в технологии получения монокристаллов
Н2+НС1
Н2+НС1
Н2
Н2
PH3+AsH3+H2+Zn(H2S)
PH3+AsH3+H2+Zn(H2S)
2
2
о
о
Рис. 6.5. Схема вертикального реактора для получения твердых растворов GaAs^xPx:
1— зона источника паров; 2 — зона смешивания паров; 3— зона осаждения
Рис. 6.5. Схема вертикального реактора для получения твердых растворов GaAs^xPx:
1— зона источника паров; 2 — зона смешивания паров; 3— зона осаждения
AinBv, загрязняет расплав GaAs кремнием.
Многие отмеченные трудности устраняются при выращивании соединений типа AHIBV в виде эпитаксиальных слоев из паровой фазы при температурах ниже температуры плавления соединения. Среди вариантов осаждения соединений типа AHIBV из газовой фазы или парогазовых смесей наиболее широкое применение нашел метод химических транспортных реакций в проточной системе. Он обладает большой гибкостью и управляемостью, пригоден для синтеза слоев из материалов со значительно отличающимися свойствами компонентов. Использование газообразных исходных реагентов позволяет уменьшить флуктуации состава соединений, получать кристаллы с высокой гомогенностью. Отличительной чертой метода является возможность постепенного изменения состава растущего слоя по мере удаления от подложки. Это уменьшает напряжения, возникающие из-за различия параметров решеток подложки и растущего слоя. Имеется также возможность создания многослойных структур.
Для соединений типа AniBv, как и при эпитаксии кремния и германия, используют гидридные и хлоридные методы. В гидридных методах элементы полупроводникового соединения транспортируются к подложке в виде газообразных соединений водорода: арсина AsH3, фосфина РН3 и др. На рис. 6.5 показан вертикальный реактор, используемый для получения твердых растворов арсенида- фосфида галлия различных составов от х=0 до х=1.
Вертикальный реактор обеспечивает высокую однородность газо- и термодинамических условий при росте эпитаксиальных слоев. Для получения твердых растворов арсенида-фосфида галлия с составами O^x^l используют фосфин и арсин, которые поступают в реактор сверху в потоке водорода. В эти же смеси добавляют пар или газ, включающий легирующие вещества, например цинк для выращивания слоев с электропроводностью p-типа или сернистый водород для получения слоев n-типа. Также сверху через отдельный ввод пропускают смесь хлористого водорода с водородом, который, проходя через резервуар с расплавленным галлием, образует хлорид галлия:
Ga+HCl — GaCl +(1/2) Н2
Для получения воспроизводимых результатов необходимо, чтобы ‘ объем и протяженность каждой зоны, а также температурные условия и скорости газовых потоков в них обеспечивали образование смесей необходимого состава и постоянной концентрации. Хлорид галлия, арсин и фосфин взаимодействуют в реакторе, в результате чего на подложках осаждается эпитаксиальный слой твердого раствора. Реакция осаждения имеет вид
GaCl (г) + (1/3)МН3 (г) + (1/6) М2 (г) К1/12) М4 (г) GaM (г) + НС1 (г),
где М—атом As или Р, так как при наличии смеси гидридов AsH3+PH3 оба соединения вступают в реакцию с хлористым галлием. Состав твердого раствора GaAsxPi-x изменяется в зависимости от температуры осаждения. Эпитаксиальные слои, осажденные при более низкой температуре, содержат фосфор в меньшем количестве, чем слои, осажденные при температуре 700—800° С. Заметим, что в данном методе вследствие отсутствия гидридов галлия используют хлорид галлия и более точно этот метод называют гидридно-хлоридным.
Скорость роста твердых растворов GaAsP изменяется с температурой немонотонно. С уменьшением температуры возрастает пересыщение паровой фазы и скорость роста стремится возрасти. Однако протекание конкурирующих процессов поглощения GaCl и М на поверхностях реактора ведет к снижению скорости роста. Слои, полученные при температурах ниже 700°С, имеют несовершенную структуру. Скорость роста твердых растворов GaAsP может меняться в пределах 0,1 —10 мкм/мин, толщина достигает 500 мкм в случае осаждения на подложках из GaAs.
Перспективным методом получения соединений и твердых растворов типа AHIBV является пиролиз с использованием металлоорганических соединений:
Ga (СН3)3+(1 - х) AsH3+хРНз= GaAsT_tPt+ЗСН4
Соотношение между мольными долями арсина и фосфина в газовой фазе и составом твердой фазы близко к единице во всем
диапазоне составов. Температурный диапазон осаждения 600— 900° С, оптимальной является температура 750° С. Скорость роста при изменении состава от х=0 до х=0,2 резко падает, а при дальнейшем возрастании х меняется медленно. Соотношение между скоростями роста чистых GaAs и GaP равно 3.
Рассмотрим гидридно-хлоридный метод эпитаксии в горизонтальном реакторе для получения твердых растворов GaxAli-xAs,
Рис. 6.6. Схема горизонтального реактора для получения твердых растворов GazAp-xAs, Gamini—ЖР и др.
GaJni-xP и др. (рис. 6.6). Сосуд с расплавленным галлием помещают в зону источника 1, где поддерживают температуру от 700 до 1000° С. В другую температурную зону помещают сосуд с расплавленным алюминием. Через жидкие металлы пропускают смесь из водорода с 0,1 —10% хлористого водорода. Хлористый водород образует летучие хлориды галлия и алюминия, которые переносятся потоком газов в зону смешивания паров 2, где поддерживается более высокая температура. Сюда же подают арсин. Смесь паров и газов перемещается в зону осаждения 3, в которой температуру подбирают такой, чтобы гидриды и хлориды вступали в реакцию, приводящую к осаждению на подложке из GaAs или GaP твердого раствора GaxAli-xAs. Легирование осуществляют с помощью паров цинка или сернистого водорода.
Для получения соединения GaxIni_xP вместо алюминия берут индий, а вместо арсина подают фосфин. Арсенид-фосфид галлия GaAsPi_x получают, как и в вертикальном реакторе, вводя смесь арсина и фосфииа. Для повышения эффективности люминесценции добавляют пары гидрида азота, из которого атомы азота попадают в твердый раствор.
Для наращивания эпитаксиальных структур арсенида-фосфида галлия любого состава, а также других полупроводниковых соединений и твердых растворов гйдридным и гидридно-хлоридным методами применяют установку «Эпитрон-С1». Вертикальный реактор позволяет производить наращивание одновременно на 32 подложки 104
диаметром до 40 мм при двухъярусной загрузке. В объеме реактора имеется несколько температурных зон, нагрев осуществляется токами высокой частоты, процесс наращивания автоматизирован. Система газоснабжения реактора имеет семь каналов, обеспечивающих дозирование газов: Н2, Ns, AsH3, РН3, NH3, НС1, диэтилтеллура. В процессе роста эпитаксиального слоя используется прецизионное программируемое расходование газовых реагентов.
Закономерности эпитаксии из жидкой фазы. Метод жидкофазной эпитаксии для осаждения слоев полупроводниковых соедине-
а — исходное положение; б — переливка раствора; в — рабочее положение
ний типа A,nBv является в ряде случаев наиболее эффективным. Он преобладает, например, при получении структур светоизлучающих приборов на фосфиде галлия, легированных азотом, так как позволяет получать более высокую эффективность люминесценции по сравнению с газофазными методами. Жидкофазная эпитаксия — это ориентированная кристаллизация монокристаллического слоя полупроводникового материала из растворов этого материала в расплавленных металлах. Пусть мы имеем раствор-расплав, насыщенный полупроводниковым материалом. В расплав погружают подложку из того же полупроводникового материала. При последующем охлаждении вследствие пересыщения раствора-расплава полупроводниковым материалом на подложке происходит кристаллизация эпитаксиального слоя.
По аппаратурному оформлению все технологические варианты жидкофазной эпитаксии делят на открытые и закрытые. Закрытые проводят в отпаянной ампуле, открытые — в токе инертного газа или восстановительной среде. Наиболее широкое распространение получили открытые процессы. Основным способом создания пересыщения является принудительное охлаждение раствора-расплава.
В основе большинства приспособлений для проведения процесса эпитаксии в жидкой фазе лежит устройство, в котором заливка и удаление раствора с подложек осуществляются наклоном кассеты (рис. 6.7). В исходном положении в одной половине кассеты находится раствор-расплав, в другой — подложки (рис. 6.7, а). По достижении требуемой температуры выращивания кассета дважды поворачивается (рис. 6.7, б, в) и расплав покрывает подложки. Мощность нагрева печи уменьшают, регулируя ее так, чтобы полу-
чить соответствующую скорость охлаждения. Рост соединения происходит при медленном охлаждении. Состав расплава подбирают таким образом, чтобы до контакта с подложкой он был равновесным или близким к равновесию. В последнем случае при контактировании с подложками происходит частичное их растворение, благодаря чему удаляются поверхностные нарушения и при последующем охлаждении печи эпитаксиальная рекристаллизация происходит на более совершенной поверхности подложки. Толщину эпитаксиального слоя задают изменением температурного диапазона, в котором происходит охлаждение расплава, и скоростью охлаждения. Раствор находится в контакте с подложками до тех пор, пока не произойдет изменение температуры в заданном диапазоне, после чего кассета возвращается в исходное положение (рис. 6.7, а) и расплав стекает с пластин. Остатки расплава (галлия), прилипшие к поверхности эпитаксиального слоя, удаляют обтиркой и травлением.
Этим методом можно выращивать два слоя — сначала слой с электропроводностью n-типа, легированный серой или теллуром, а затем слой с электропроводностью p-типа из расплава, содержащего цинк. Используют две разновидности этого метода: перекомпенса- ция в расплаве и легирование из паровой фазы. В первом случае вслед за наращиванием n-слоя толщиной 15—20 мкм, когда расплав еще покрывает подложки и процесс роста продолжается, в расплав добавляют акцепторную примесь, чтобы перекомпенсиро- вать содержание донорной примеси. Такой способ позволяет вести непрерывный рост на п-слое p-слоя. Во втором случае слой расплава, покрывающий подложки, подбирают достаточно тонким. Легирование производят также при непрерывном выращивании слоя путем введения в реактор паров цинка или сернистого водорода. Сера и цинк диффундируют в расплаве, захватываются растущим соединением. Эти два способа называют выращиванием р-и-пере- хода «на месте», т. е. без перемещения подложки. Преимущества их состоят в том, что граница р-п-перехода не соприкасается с атмосферой, не требуется какой-либо промежуточной очистки поверхности и р-/г-переход растет совершенным.
В ряде случаев применяют неподвижную кассету с расплавом, а подложки закрепляют на держателях и погружают в расплав, вынимая их через требуемое время. Используют также кассеты в виде пенала с несколькими ячейками для расплава, под которыми перемещается вкладыш с подложками. Для повышения воспроизводимости результатов и лучшего управления процессом разработан метод жидкофазной эпитаксии, контролируемой электрическим током. Между подложкой, например из GaP, и такой же пластиной- источником располагается раствор-расплав. Источник, как правило, служит катодом. При включении электрического тока параметры жидкой фазы и скорость роста принимают стационарное значение. Основной причиной кристаллизации является электроперенос ионов галлия и фосфора через расплав к подложке. Преимуществом жидкофазной эпитаксии, контролируемой электрическим током, яв- 106
ляется то, что средняя скорость роста слоя зависит от плотности тока. Это позволяет просто и точно управлять толщиной слоя, а изотермические условия роста дают возможность получить однородные по физическим свойствам эпитаксиальные слои.
Дефекты в эпитаксиальных структурах
Образование дислокаций в эпитаксиальных слоях. При эпитаксиальном росте воспроизводится морфология подложки, поэтому дислокации, имевшиеся в пластине исходного полупроводника, перерастают в эпитаксиальный слой. Плотность дислокаций в слое обычно превышает плотность дислокаций в подложке. Это обусловлено тем, что область вблизи раздела подложка — эпитаксиальный слой характеризуется наличием примесей, загрязнений и поверхностных дефектов, влияющих на совершенство растущего слоя и служащих источником образования дислокаций. Плотность дислокаций возрастает в направлении от поверхности эпитаксиального слоя к границе раздела слоя с подложкой. Граница раздела обладает повышенной плотностью дислокаций и в ней наблюдаются инородные включения, например хлоридов. Образование несовершенной промежуточной области с большой плотностью дислокаций зависит от состояния поверхности подложки. Для получения слоев с малой плотностью дислокаций требуется тщательная механическая обработка, очистка поверхности пластин, химическое жидкостное или газовое травление.
Если для наращивания используют бездислокационные подложки и поверхность их тщательно обработана и очищена, то генерация дислокаций может происходить в результате действия термических и механических напряжений, возникающих на различных стадиях тепловой обработки структур. Механические напряжения возникают при значительном различии в содержании легирующей примеси в подложке и растущем слое. При введении в кремний атомов бора или фосфора, которые имеют ковалентные радиусы, меньшие, чем атомы кремния, параметр решетки уменьшается. При введении атомов сурьмы — с большим ковалентным радиусом — наблюдается обратный эффект. В процессе наращивания эпитаксиального слоя из-за различия в параметрах решетки подложки и слоя возникают напряжения и структура изгибается. С увеличением толщины эпитаксиального слоя изгиб возрастает до некоторого критического значения, после чего генерируются дислокации поверхности раздела. Образование дислокаций поверхности раздела исключают, применяя легирование эпитаксиального слоя двумя примесями. Ковалентный радиус одной из них больше, чем у кремния, а у другой — меньше, чем у кремния. В этом случае постоянную решетки эпитаксиального слоя можно приблизить к постоянной решетки подложки. Компенсацию напряжений в решетке осуществляют, используя в качестве легирующих примесей бор или фосфор, а в качестве компенсирующей — германий или олово. В случае легирования сурьмой можно использовать фосфор или уг-
лерод и концентрация легирующих примесей может достигать без ущерба для структуры 1019—1020 см~3.
Под действием напряжений, приложенных к кристаллу, происходит скольжение дислокаций, если возникающая сила перпендикулярна линии дислокации. Взаимодействие между дислокациями снижает влияние напряжений, приложенных к кристаллу извне, и упрочняет кристалл. Примесные атомы, находящиеся в кристалле, притягиваются дислокациями и стремятся скопиться вокруг них, образуя так называемую атмосферу Коттреля, что приводит к микронеоднородности в распределении легирующих примесей. Если атомный радиус примесей больше, чем у атомов кристалла, то, попадая в область растяжения вблизи краевой дислокации, они уменьшают свободную энергию кристалла за счет уменьшения упругой деформации. То же дают и атомы меньшего размеры в области сжатия. При высоких температурах атмосфера Коттреля рассасывается, а при более низких образуется вновь.
Упругое поведение вакансий и междоузельных атомов вызывает их притяжение к краевым дислокациям. В результате точечный дефект перемещается к дислокации и аннигилирует на ней, а ось дислокации переходит с одной плоскости скольжения на другую. Когда вакансия подходит к ступеньке, образованной лишней полуплоскостью, ступенька смещается на одно межплоскостное расстояние и вакансия исчезает. При поглощении междоузельных атомов ступенька смещается в противоположном направлении. Линия дислокации является поэтому местом стока для точечных дефектов. Она же служит основным источником генерации равновесных атомных дефектов.
Атомы, расположенные вблизи линии дислокации, обладают повышенным по сравнению с ненарушенной частью кристалла химическим потенциалом, поэтому растворение и испарение кристалла начинаются с линий дислокаций. Присутствие примесей вблизи дислокаций повышает или понижает среднее значение химического потенциала и соответственно увеличивает или уменьшает скорость травления.
Дефекты упаковки. Рост монокристаллического эпитаксиального слоя состоит из зарождения центров кристаллизации, присоединения атомов к этим центрам, бокового роста и соединения отдельных плоских образований в единое целое. Если какой-либо атом выдвигается из своего слоя, то он служит исходной точкой развития дефекта упаковки, ибо окружающие его атомы в процессе последующего роста также будут сдвинуты относительно моноатом- ных слоев всего объема. Дефекты упаковки на поверхности эпитаксиального слоя образуют плоские фигуры в виде равносторонних или равнобедренных треугольников, квадратов, прямых линий, незамкнутых треугольников и квадратов. Иногда образуются сложные формы: комбинации треугольников и линий, квадратов и линий. В конце каждой линии присутствует дислокация. Форма дефектов упаковки зависит от кристаллографической ориентации эпитаксиального слоя. В слоях, выращенных на подложках, ко-
торые ориентированы по плоскости (111), дефекты упаковки проявляются в виде равносторонних треугольников и отдельных углов. На слоях с ориентацией (110) возникают равнобедренные треугольники, на плоскости (100)—квадраты и их комбинации.
Линии скольжения. Причина появления линий скольжения — термические упругие напряжения, возникающие вследствие неоднородного распределения температуры по толщине и площади пластины. При температурах наращивания упругие напряжения оказываются достаточными для генерации дислокаций и их миграции, которая сопровождается пластическим течением кристалла и образованием линий скольжения. Если при пластической деформации на поверхности подложки возникают ступеньки, то при наращивании эпитаксиального слоя на них могут образовываться дефекты упаковки. При достаточно высоких термических напряжениях генерация и движение дислокаций, образование линий скольжения и дефектов упаковки происходят в течение всего процесса наращивания.
Используемые для эпитаксии подложки иногда имеют кривизну в несколько десятков микрометров. Изгиб подложек возрастает при снижении их толщины до 200 мкм и менее, а также при различной механической обработке рабочей и обратной сторон пластины. Более вероятно появление изгиба у подложек, диаметр которых превышает 50 мм. Характерным является сферический изгиб пластин, причем эпитаксиальный слой оказывается на вогнутой стороне. Отсутствие хорошего теплового контакта с поверхностью нагревателя вызывает неоднородное распределение температуры в подложке. Даже плоская, абсолютно ровная подложка, лежащая на нагревателе, будет искривляться при нагреве, так как ее наружная (верхняя) сторона оказывается менее нагретой, чем нижняя. Перепад температур по толщине подложки составляет 20—50 К. Напряжения, возникающие в изогнутой и неоднородно нагретой подложке, достаточны для образования и перемещения дислокаций и сдвига плоскостей {111} в направлениях < 110> при скольжении. Линии скольжения, расположенные в центральной части пластины, видны без химической обработки. Эта область выглядит матовой. Отдельные линии представляют собой ступеньки, возникшие в результате действия сжимающих напряжений на центральную область пластины. Предотвращению появления линий скольжения способствует уменьшение температуры процесса ниже того уровня, при котором происходит пластическое течение (для кремния это 1000°С), а также использование бездислокационных подложек и тщательная химическая полировка.
Методы контроля эпитаксиальных слоев
Основными параметрами, определяющими пригодность эпитаксиального слоя для использования при изготовлении полупроводниковых приборов и интегральных микросхем, являются концентрация носителей заряда, плотность дефектов и толщина слоя. Толщину
слоя на кремнии измеряют, используя технику поперечных шлифов (см. § 5.3), с помощью поперечного скола, по интерференции ИК-лучей и путем наблюдения дефектов упаковки.
Изготовление поперечного скола. Этот способ получил распространение для хрупких материалов, таких, как соединения типа AHIBV и их твердые растворы. Пластину с выращенным эпитаксиальным слоем помещают на ровную поверхность и легким нажатием пинцета или скальпеля на ее край откалывают кусочек. Скалывание происходит по плоскости спайности, поэтому, отступив or грани скола по краю пластины на 1—2 мм, делают еще одно скалывание— параллельно предыдущему. Полученный образец — поперечный скол — представляет собой длинную полоску шириной 1-—2 мм и толщиной, равной толщине пластины.
Для выявления границы слой — подложка, а также р-п-перехо- да, если он присутствует в слое, поперечный скол травят в щелочном растворе красной кровяной соли:
20 (г) K3Fe (СН6)3+30 (г) КОН +250 (г) Н2О
в течение 1—2 мин. Этот состав пригоден для соединения GaAsi-xP*. Граница эпитаксиальный слой — подложка выявляется в виде темной полосы. Измерение толщины эпитаксиального слоя производят с помощью микроскопа МИМ-7 с микрометрической насадкой.
Интерференция ИК-лучей. Отражение инфракрасных лучей в диапазоне длин волн 10—35 мкм происходит не только от поверхности пластины, но и от границы раздела эпитаксиальный слой — подложка вследствие различия показателей преломления, подложки и слоя, содержащих различную концентрацию примесей. По картине интерференции отраженных лучей можно судить о толщине слоя. Надежные данные получают, если сопротивление слоя выше 0,1 Ом-см, а сопротивление подложки ниже 0,02 Ом-см. С увеличением концентрации примеси в слое возрастает поглощение ИК-лучей, тогда как с уменьшением концентрации примеси в подложке растет пропускание ею лучей и уменьшается их отражение на границе.
Разность хода лучей 6, отраженных на поверхности слоя и на границе подложка — слой, определяется толщиной слоя h, показателем его преломления а и углом преломления qx
8 = 2аА cos ?.
Наблюдая интерференционную картину и измеряя разность хода, вычисляют толщину эпитаксиального слоя. Неоднородность слоя по толщине или размытие распределения примеси на границе подложка — слой приводит к ухудшению контраста интерференционной картины.
Наблюдение дефектов упаковки. Так как дефекты упаковки зарождаются преимущественно на границе раздела слоя и подложки и образуют правильные тетраэдры, то высота этих тетраэдров равна толщине слоя. При ориентации подложки по плоскости (111) НЮ
Рис. 6.8. Схема рентге- новского микроанализатораРис. 6.8. Схема рентге- новского микроанализатора
Рис. 6.8. Схема рентге- новского микроанализатора
Рис. 6.8. Схема рентге- новского микроанализатора
основанием тетраэдров является равносторонний треугольник, а высота тетраэдра
A = Z,/2/3=0,8167,,
где L — длина стороны равностороннего треугольника.
Для других типов ориентации можно найти аналогичные выражения. Выявление дефектов упаковки в кремнии производят путем травления в смесях:
40 см3 HF, 20cm3^HNO3, 40 см3 Н2О, 20 г AgNO3
или
30 см3 HNO3, 120 см3 СН3СООН, 10 см3 HF.
Травление ведется 5—20 с. Этим же методом исследуют плотность дефектов упаковки на единице площади поверхности слоя.
Рентгеновский микроанализ. В последние годы все шире используют метод локального рентгеноспектрального анализа элементного состава полупроводников с помощью микроанализаторов, в которых возбуждение характеристического рентгеновского излучения осуществляют острофокусированным электронным пучком. При торможении электронов в веществе возникают тормозное и характеристическое излучения. Тормозное излучение электронов ' имеет сплошной спектр, тогда как характеристическое состоит из отдельных линейчатых спектров, испускаемых атомами вещества. Частота характеристического излучения зависит от атомного номера элемента мишени, поэтому на основании линейчатых спектров характеристического излучения можно определить, какие элементы присутствуют в мишени. На рис. 6.8 представлена схема установки для рентгеновского микроанализа. Электроны эмиттируются катодом 1 и ускоряются в электронной пушке 2 до энергии 10—30 кэВ. Конденсорная магнитная линза 3, диафрагма 4 и объектная линза 6 служат для формирования узкого пучка электронов 5, попадающего на исследуемый образец 8. Для идентификации рентгеновского излучения 9 по длине волны используют два типа спектрометров: с кристаллами слюды для мягкого излучения — 7 и кварца для жесткого —10. Большие меж- плоскостные расстояния кристалла слюды позволяют пропускать длины волн 0,4— 20 нм (энергия излучаемых квантов 4— 0,8 кэВ соответственно), тогда как малые межплоскостные расстояния кварца пропу- - скают длины волн 0,08—0,5 нм (энергия квантов 15—3 кэВ).
Анализатор может работать в статическом режиме и в режиме сканирования, что
позволяет получать топограмму распределения примесей вдоль поверхности образца. Для оценки концентрации исследуемого примесного элемента в полупроводниковой структуре сравнивают интенсивность соответствующей линии характеристического излучения в данном кристалле с интенсивностью той же линии в эталоне, например в чистом элементе с учетом поправок на поглощение рентгеновского излучения, на различие в поглощении компонентами соединения, на флуоресцентное возбуждение и возбуждение атомов тормозным излучением. Чувствительность метода для большинства элементов составляет 10'8—1019 см-3.
Ток в электронном пучке составляет 0,01—1 мкА. С увеличением тока растет диаметр электронного зонда. При 0,01 мкА он составляет 0,4 мкм, при 0,1 мкА—1 мкм, при 1 мкА —2 мкм, при 20 мкА— 10 мкм. Вследствие рассеяния электронов область возбуждения- рентгеновского излучения будет превышать диаметр зонда. Микроанализ на все элементы периодической системы начиная с Be (Z=4, Л1 = 9) требует работы в диапазоне длин волн 0,1—10 нм.
Глава 7
ЗАЩИТНЫЕ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПЛЕНКИ
В ПЛАНАРНОЙ ТЕХНОЛОГИИ
Требования, предъявляемые к защитным диэлектрическим пленкам
Защитные диэлектрические пленки играют важную роль в изготовлении полупроводниковых приборов и интегральных микросхем по планарной технологии. Они дают возможность проводить локальную диффузию донорной и акцепторной примеси, формировать изолированные друг от друга активные и пассивные элементы микросхем, а также защищать р-п-переходы от внешних воздействий.
Поэтому к защитным диэлектрическим пленкам в планарной технологии предъявляют следующие основные требования: полная защита поверхности исходной подложки от проникновения в нее диффундирующих элементов (бора, фосфора, сурьмы, мышьяка и др.); химическая стойкость и стабильность во времени; однородность и бездефектность; высокие удельное сопротивление и электрическая прочность; высокая механическая прочность.
Выбор вещества для получения защитных диэлектрических пленок лимитируется полным выполнением этих требований. Таким образом, изыскать универсальное вещество для создания защитной диэлектрической пленки, удовлетворяющей требованиям планарной технологии, очень трудно.
В качестве исходных материалов для изготовления защитных диэлектрических пленок могут быть использованы кварц, монооксид и диоксид кремния, нитрид кремния, оксид и нитрид алюминия,
нитрид бора и др. Однако в настоящее время широкое промышленное применение нашли только два вида материалов: диоксид и нитрид кремния.
Кинетика термического окисления кремния
Наиболее распространенным в планарной технологии изготовления полупроводниковых приборов и интегральных микросхем является метод термического окисления кремния, при котором защитные диэлектрические пленки SiO2 получают при нагревании исходных кремниевых подложек в окислительной среде. Этот метод позволяет
Рис. 7.1. Модель процесса тер-Рис. 7.1. Модель процесса тер-мического окисления кремниямического окисления кремнияполучать высококачественные маскирующие пленки, равномерные по толщине и структуре и обладающие высокими защитными и диэлектрическими свойствами.
Рис. 7.1. Модель процесса тер-
Рис. 7.1. Модель процесса тер-
мического окисления кремния
мического окисления кремния
Рассмотрим кинетику процесса образования защитной диэлектрической пленки SiO2 при термическом окислении кремния в атмосфере кислорода. Для описания процесса термического
окисления введем понятие «поток окис-
лителя», под которым будем понимать
количество молекул окислителя, пере
секающих единицу поверхности подложки в единицу времени.
На рис. 7.1 показана модель процесса термического окисления кремния, представляющая собой систему окислитель (газ)—слой окисла (тв) — подложка кремния. Через эту систему проходит «поток окислителя», состоящий из четырех потоков, каждый из которых соответствует одной из областей системы окружающая окислительная среда — подложка кремния.
Как видно из рисунка, поток Fi соответствует газофазовому мас- сопереносу окислителя к поверхности подложки кремния. Так как на поверхности кремния всегда имеется тонкий слой оксида, то поток Fx в этом случае соответствует переносу окислителя к поверхности оксида. Этот перенос может осуществляться как за счет процесса диффузии, так и за счет принудительного перемещения с потоком газа-носителя или самого окислителя. Скорость переноса бу
дет зависеть от технологического режима процесса окисления.
В промышленных условиях для процесса термического окисления кремния используют принудительный поток окислителя Fi, проходящий через рабочую камеру с определенной скоростью:
F1 А (С; —С2),
где h — константа скорости процесса газообразного массопереноса окислителя; Сх — равновесная концентрация окислителя в объеме газовой фазы; С2—концентрация окислителя у поверхности оксида.
Окислитель, дошедший до поверхности оксида, адсорбируется на этой поверхности и растворяется в ней. При этом между кон-
центрацией окислителя в газовой фазе и концентрацией окислителя, растворившегося в твердой фазе, устанавливается соотношение, определяемое коэффициентом распределения. Движущей силой процесса растворения окислителя в оксиде является градиент концентрации окислителя в системе газ — поверхность оксида.
Поэтому поток окислителя
F 2= 8 (С2 — С3),
где 6 — константа скорости процесса растворения окислителя в слое оксида; С3— концентрация окислителя в слое оксида на границе с газовой фазой.
Растворившийся в слое оксида окислитель будет диффундировать от поверхности раздела газовая фаза — оксид к границе раздела оксид — подложка кремния. Поток окислителя F3 в этом случае будет пропорционален разности концентраций на границах оксида и обратно пропорционален толщине слоя оксида. Таким образом, поток окислителя
F3 = D —^-СУ
где D— коэффициент диффузии окислителя в оксиде; С4—концентрация окислителя на границе оксид — подложка кремния; х3— толщина слоя оксида.
Продиффундировавший через слой оксида окислитель подходит к границе оксид — кремний и вступает в реакцию с кремнием. В результате окисления кремния образуется новый слой оксида.
Поток F4 характеризует скорость химической реакции окисления, которая происходит на поверхности раздела оксид — кремний. Скорость окисления кремния пропорциональна концентрации окислителя, следовательно,
Г4=/гС4,
где к— константа скорости реакции окисления.
Так как в установившемся режиме (при равновесии) все потоки равны, т. е. Fi=F2=F3—F4=F, то, решая уравнения для потоков совместно, можно получить выражение для суммарного потока окислителя с учетом всех входящих в отдельные потоки величин.
При ламинарном потоке газа-носителя и окислителя распределение концентрации окислителя у границы раздела газ — твердое тело можно условно заменить на линейное:
Сг = аС2> где 0<а<1.
При условии F2=F4 находим
8(С2-С8)=кС. или Л = °2”Сз-.
48 С4
Из условия F3=F4 находим
D ^—CV кС, или = С3-СА ,XqD С^
Складывая почленно эти выражения, получим зависимость С4 от Ci (Ci = aC2):
кх0 I J^_ I J _ Сз — Сд , С2 — С3 । ।
D ++ С4 '^Г С4
С4=С4=с2 к Т +с2 к Т +kx0Dkx0DСх!ак кхоСх!ак кхо
С4=
С4=
с2 к Т +
с2 к Т +
kx0
D
kx0
D
Сх!а
к кхо
Сх!а
к кхо
Подставляя значение С4 выражение для суммарногоПодставляя значение С4 выражение для суммарногов выражение для потока F\, получим потока окислителя:
Подставляя значение С4 выражение для суммарного
Подставляя значение С4 выражение для суммарного
У~^Г=^
I + D
где &Эф — эффективная константа скорости процесса окисления.
Если предположить, что на образование единичного объема оксида V в результате реакции окисления пошло N частиц окислителя, то скорость роста слоя оксида будет выражаться следующим уравнением:
— = — =f FV = к^СУ; dt N. ф— = — =f FV = к^СУ; dt N. ф
— = — =f FV = к^СУ; dt N. ф
— = — =f FV = к^СУ; dt N. ф
Введем обозначения:
\D и В=2^СуО, \ к 8 /а
тогда
dxp Вdt Д -4- 2xq
Интегрируя обе части уравнения методом разделения переменных, получим
Г (Л-|-2хе)^х= С ВУ
или
x^-\-AxQ — Bt = Q.
Решая это квадратное уравнение, получим выражение для толщины оксида в функции времени:
^-г + т/’^-г + т/’А^/(4В)А^/(4В)
^-г + т/’
^-г + т/’
А^/(4В)
А^/(4В)
илиили11
или
или
1
1
-^=1/" 14-l-
Л/2 V АЧ^
Рассмотрим два предельных случая процесса термического окисРассмотрим два предельных случая процесса термического окисРис. 7.2. Зависимость толщины пленки 5Юг от времени проведения процесса окисления кремнияРис. 7.2. Зависимость толщины пленки 5Юг от времени проведения процесса окисления кремнияления кремния. При большом времени окислительного процесса, когда О 1§>Д2/(45), получимления кремния. При большом времени окислительного процесса, когда О 1§>Д2/(45), получим/ х° 1\А!2)А^/^В) ’/ х° 1\А!2)А^/^В) ’ИЛИ Xo = Bt.ИЛИ Xo = Bt.Таким образом, в этом предельном случае имеет место параболический закон процесса термического окисления. Коэффициент В рассматривается как константа скорости окисления.В другом предельном случае приТаким образом, в этом предельном случае имеет место параболический закон процесса термического окисления. Коэффициент В рассматривается как константа скорости окисления.В другом предельном случае приотносительно малом времени окисления, т. е. при условии ^Д2/(4В), получимотносительно малом времени окисления, т. е. при условии ^Д2/(4В), получим-^о ~ 1 /*Л/22Л2/(4В)-^о ~ 1 /*Л/22Л2/(4В)— f. Л— f. Л
Рассмотрим два предельных случая процесса термического окис
Рассмотрим два предельных случая процесса термического окис
Рис. 7.2. Зависимость толщины пленки 5Юг от времени проведения процесса окисления кремния
Рис. 7.2. Зависимость толщины пленки 5Юг от времени проведения процесса окисления кремния
ления кремния. При большом времени окислительного процесса, когда О 1§>Д2/(45), получим
ления кремния. При большом времени окислительного процесса, когда О 1§>Д2/(45), получим
/ х° 1
\А!2)А^/^В) ’
/ х° 1
\А!2)А^/^В) ’
ИЛИ Xo = Bt.
ИЛИ Xo = Bt.
Таким образом, в этом предельном случае имеет место параболический закон процесса термического окисления. Коэффициент В рассматривается как константа скорости окисления.
В другом предельном случае при
Таким образом, в этом предельном случае имеет место параболический закон процесса термического окисления. Коэффициент В рассматривается как константа скорости окисления.
В другом предельном случае при
относительно малом времени окисления, т. е. при условии ^Д2/(4В), получим
относительно малом времени окисления, т. е. при условии ^Д2/(4В), получим
-^о ~ 1 /*
Л/22Л2/(4В)
-^о ~ 1 /*
Л/22Л2/(4В)
— f. Л
— f. Л
На рис. 7.2 показаны общая зависимость толщины оксида от времени проведения процесса термического окисления и два ее предельных случая.
Термическое окисление кремния в парах воды
Для получения защитных диэлектрических пленок на кремнии используют термическое окисление в парах воды высокой чистоты (порядка 10—20 МОм-см). Высокотемпературную реакцию кремния с водяным паром используют в том случае, когда количество пара не ограничивает скорость реакции. Для поддержания необходимого парциального давления водяных паров у поверхности кремниевых пластин воду подогревают.
Структурное формирование пленки оксида происходит за счет диффузионного переноса воды через слой оксида к поверхности кремния. На структурное формирование пленки оксида оказывает влияние водород, образующийся в процессе реакции окисления и диффундирующий в глубь пластины. Так как коэффициент диффузии водорода (2-10~6 см2/с при 1050°С) значительно больше, чем коэффициент диффузии воды (9-10~10 см2/с при 1050°С), то образование гидроксильных групп у границы раздела кремний — оксид объясняется наличием не только молекул воды, но и водорода.
При температурах процесса окисления выше 1100° С образование слоя оксида идет согласно параболическому закону и описывается выражением x2=Bt. При температурах процесса ниже 1100° С 116
закон образования оксидного слоя отличается от параболического и имеет вид
х^ -\-bxx=b^.
Чем ниже температура процесса окисления, тем ближе к линейному закон образования слоя оксида. Линейный характер роста оксидной пленки наблюдается в парах воды высокого давления (2,5-105—4,0-107 Па) при температуре 500—800° С.
Рис. 7.3. Зависимость толщины пленки SiO2, выращенной в атмосфере водяного пара, от времени для температур, °C:
1 — 600; 2 — 700; 3 — 800; 4 — 900; 5— 1000; 6 — 1100; 7 — 1200 ; 8 — 1300; 9—1400
Рост пленки оксида по линейному закону имеет место в том случае, когда скорость окисления ограничена скоростью химической реакции на границе кремний — Оксид. На участке линейного роста скорость реакции зависит от количества свободных связей атомов кремния, которые могут реагировать с молекулами воды на границе раздела кремний — оксид.
На рис. 7.3 приведена зависимость изменения толщины пленки оксида в атмосфере водяного пара от времени проведения процесса для различных температур.
Большое влияние на скорость роста оксидной пленки оказывают ориентация подложки, тип электропроводности и концентрация примеси исходной подложки.
Высокая концентрация примеси в подложке влияет либо на скорость реакции окисления на границе раздела кремний — оксид, либо на коэффициенты диффузии окислителей. Так, наличие в исходной подложке фосфора в первую очередь оказывает влияние на скорость реакции окисления. Поверхность кристалла с высокой концентрацией фосфора окисляется значительно быстрее, чем слаболегированная поверхность. Это справедливо для низкотемпературного диапазона (600—1100°С).
При термическом окислении растущий оксид оттесняет фосфор в глубь кристалла кремния и, таким образом, в оксидном слое концентрация фосфора весьма мала. Для бора картина обратная: растущий оксид включает в себя большое количество бора, что приводит к ускорению диффузии окисляющих веществ. Поэтому кремний
Рис. 7.4. Зависимость толщины пленки SiO2, выращенной в атмосфере сухого кислорода, от времени для температур, °C:Рис. 7.4. Зависимость толщины пленки SiO2, выращенной в атмосфере сухого кислорода, от времени для температур, °C:1 — 700; 2 — 800; 3 — 900; 4—1000; 5—1100; 6 — 1200; 7 — 1300 ; 8 — 14001 — 700; 2 — 800; 3 — 900; 4—1000; 5—1100; 6 — 1200; 7 — 1300 ; 8 — 1400
Рис. 7.4. Зависимость толщины пленки SiO2, выращенной в атмосфере сухого кислорода, от времени для температур, °C:
Рис. 7.4. Зависимость толщины пленки SiO2, выращенной в атмосфере сухого кислорода, от времени для температур, °C:
1 — 700; 2 — 800; 3 — 900; 4—1000; 5—1100; 6 — 1200; 7 — 1300 ; 8 — 1400
1 — 700; 2 — 800; 3 — 900; 4—1000; 5—1100; 6 — 1200; 7 — 1300 ; 8 — 1400
с высокой концентрацией бора окисляется быстрее как в высокотемпературной, так и в низкотемпературной области.
Скорость окисления в парах воды зависит от ориентации исходной пластины кремния только в низкотемпературной области, где рост оксидной пленки не подчиняется параболическому закону.
Термическое окисление кремния в сухом кислороде
Отличием метода окисления в сухом кислороде от окисления в парах воды является то, что в первом случае веществом, диффундирующим сквозь растущую пленку оксида, является не вода, а ионы кислорода. Необходимо отметить, что коэффициент диффузии кислорода в пленке оксида (2,8-10~14 см2/с при 1050°С) значительно меньше, чем у водорода и воды при тех же условиях. Поэтому скорость роста оксидной пленки в сухом кислороде меньше, чем в парах воды.
Так как в процессе образования оксидных пленок отсутствуют водород и - пары воды, то в структуре выращенного оксида нет гидроксильных групп (ОН). Высокая энергия активации процесса окисления кремния в сухом кислороде и отсутствие гидроксильных групп
приводят к образованию прочных связей кислорода с кремнием в структуре полу- таемого оксидного слоя кремния.
Как и при окислении в
парах воды, кинетика окисления в области низких температур определяется в большей мере скоростью реакции на границе раздела кремний — оксид, чем диффузией кислорода. Отклонение закона роста пленки оксида в сторону линейности обычно имеет место при температурах ниже 1000°С.
На рис. 7.4 приведены графики зависимости изменения толщины оксида в атмосфере сухого кислорода от времени проведения
процесса окисления для различных температур.
Процесс окисления кремния в сухом кислороде проводят на установке, показанной на рис. 7.5. В качестве осушителя используют вымораживающую ловушку, химический поглотитель или комбинированное устройство, позволяющее снизить содержание влаги в
кислороде до точки росы. Фильтр служит для удаления частиц пыли и механических загрязнений.
Лильто; 4 — рабочая камера;6 — печь; 6 — пластины кремния;7 — вытяжная вентиляция; 8 —Лильто; 4 — рабочая камера;6 — печь; 6 — пластины кремния;7 — вытяжная вентиляция; 8 —увлажнитель; 9 — подогревательувлажнитель; 9 — подогреватель
Лильто; 4 — рабочая камера;
6 — печь; 6 — пластины кремния;
7 — вытяжная вентиляция; 8 —
Лильто; 4 — рабочая камера;
6 — печь; 6 — пластины кремния;
7 — вытяжная вентиляция; 8 —
увлажнитель; 9 — подогреватель
увлажнитель; 9 — подогреватель
Термическое окисление кремния во влажном кислороде
Процесс окисления кремния во влажном кислороде представляет собой комбинацию двух ранее рассмотренных процессов окисления: в парах воды и в сухом кислороде. Сухой и очищенный от примесей кислород пропускают через водяную баню, где он насыщается горячими водяными парами, и затем подают его в рабочую камеру. Содержание влаги в потоке кислорода определяется температурой водяной бани и скоростью потока кислорода.
Так как скорость образования оксидного слоя в парах воды значительно выше, чем в сухом кислороде, то скорость процесса окисления кремния зависит от содержания влаги в потоке кислорода. Процесс окисления кремния во влажном кислороде проводят на установке, показанной на рис. 7.5.
Основным достоинством данного метода является то, что он позволяет легко изменять концентрацию паров воды в потоке кислорода и варьировать скорость окисления от значения, соответствующего 100%-ному содержанию кислорода, до значения, соответствующего 100 %-ному содержанию паров воды.
В данном методе в качестве окислителя служит смесь кислорода и паров воды, причем соотношение этих компонентов можно изменять в широких пределах.
Если необходимо иметь низкие скорости процесса окисления, то вместо кислорода можно использовать поток аргона или азота .(температура водяной бани должна быть комнатной).
Энергия активации реакции окисления во влажном кислороде уменьшается с увеличением концентрации паров воды. Энергия активации лежит в диапазоне от 1,3 эВ, что соответствует процессу окисления в сухом кислороде, до 0,8 эВ, что соответствует процессу окисления в атмосфере водяного пара.
., от., отРис. 7.6. Зависимость толщины пленки SiO2, выращенной в атмосфере влажного кислорода при температуре 1200° С, от времени для различных температур водяного пара, °C:Рис. 7.6. Зависимость толщины пленки SiO2, выращенной в атмосфере влажного кислорода при температуре 1200° С, от времени для различных температур водяного пара, °C:Г — 15; 2—20; 3 — 30; 4 — 50; 5 — 80;6 — 85; 7 — 95Г — 15; 2—20; 3 — 30; 4 — 50; 5 — 80;6 — 85; 7 — 95На рис. 7.6 приведены графики зависимости толщины оксидной пленки, выращенной в атмосфере влажного кислорода при темпера- шаао^сведения процесса окисления для различных температур водяного пара.
., от
., от
Рис. 7.6. Зависимость толщины пленки SiO2, выращенной в атмосфере влажного кислорода при температуре 1200° С, от времени для различных температур водяного пара, °C:
Рис. 7.6. Зависимость толщины пленки SiO2, выращенной в атмосфере влажного кислорода при температуре 1200° С, от времени для различных температур водяного пара, °C:
Г — 15; 2—20; 3 — 30; 4 — 50; 5 — 80;
6 — 85; 7 — 95
Г — 15; 2—20; 3 — 30; 4 — 50; 5 — 80;
6 — 85; 7 — 95
В производстве полупроводниковых приборов и интегральных микросхем широкое применение нашли двух- и трехступенчатый способы термического окисления кремния. Эти способы основаны на последовательном использовании в качестве окислителей сухого кислорода, влажного кислорода или водяного пара и снова сухого кислорода. Такой технологический процесс образования защитной диэлектрической пленки оксида кремния вызван тем, что оксид, выращенный в атмосфере сухого кислорода, имеет более совершенную структуру пленки, но малую скорость ее роста, а выращенный в атмосфере влажного кислорода и паров воды имеет менее совершенную структуру, но более высокую скорость роста.
Поэтому первая стадия в сухом кис- роде многоступенчатого способа окисления направлена на получение тонкой пленки оксида кремния с совершенной структурой, вторая стадия (во влажном кислороде) применяется для убыстрения процесса окисления и наращивания достаточной по толщине пленки оксида, а третья стадия (в сухом кислороде) — вновь для получения совершенной структуры оксида на поверхности кремния.
Предельная толщина термически выращенной пленки не превышает I—1,5 мкм. Для практических целей планарной технологии толщина оксидных защитных пленок должна составлять 0,2— 0,8 мкм. Это продиктовано тем, что при использовании пленок толщиной более 0,8 мкм клин травления при проведении процесса фотолитографии возрастает и ограничивает возможность получения микроизображения требуемого размера. При использовании пленок толщиной менее 0,2 мкм увеличивается вероятность появления в ней сквозных отверстий и пор, которые при диффузии приводят к локальному проникновению диффузанта в подложку.
Пиролитическое осаждение оксидных пленок кремния
Наиболее простым и технологичным способом образования оксидов кремния без участия материалов подложки является пиролитическое разложение различных кремнийорганических соединений. Сле-- довательно, этот способ дает возможность осаждать оксидные 120
пленки кремния на подложку практически из любого материала. Другим важным преимуществом данного способа является то, что он позволяет свести к минимуму перераспределение примесей, которое имело место в исходной подложке, т. е. сохранить геометрические размеры и электрические параметры активных и пассивных областей подложки. Третьим достоинством способа является более
низкая температура процесса.
Рассмотрим два варианта данного способа, которые нашли широкое применение при изготовлении полупроводниковых приборов
и интегральных микросхем.
Рис. 7.7. Зависимость толщины пленки SiO2, полученной при пиролизе, от времени для температур, °C:I — 700; 2 — 725; 3 — 750Рис. 7.7. Зависимость толщины пленки SiO2, полученной при пиролизе, от времени для температур, °C:I — 700; 2 — 725; 3 — 750Термическое разложение тетраэто- хсисилана Si(OC2H5)4. Этот процесс может проводиться непосредственно над поверхностью подложки либо в отдельной камере, из которой продукты реакции транспортируются к подложке. Реакция разложения тетраэтоксисила- яа происходит при температуре 700— 750°С. В результате реакции выделяются диоксид кремния, оксид кремния, -оксид углерода и органические радикалы в газообразной форме. Источником кислорода в этой реакции служит сам тетраэтоксисилан, а не внешний источник. На рис. 7.7 приведены графики зависимости толщины пленки от времени
Рис. 7.7. Зависимость толщины пленки SiO2, полученной при пиролизе, от времени для температур, °C:
I — 700; 2 — 725; 3 — 750
Рис. 7.7. Зависимость толщины пленки SiO2, полученной при пиролизе, от времени для температур, °C:
I — 700; 2 — 725; 3 — 750
проведения процесса.
Если реакция разложения тетраэтоксисилана проводится в одной камере с подложкой, то температура подложки соответствует температуре пиролиза. Если реакция разложения проходит в одной камере, а подложки находятся в другой камере, то температура подложек может быть значительно снижена по сравнению с температурой пиролиза.
Окисление силана кислородом. Преимущество этой реакции перед предыдущей заключается в том, что в этом случае не происходит образования газообразных органических радикалов и углерода, а сама реакция идет при более низкой температуре.
Окисление моносилана кислородом является перспективным методом в полупроводниковой технологии, так как он дает возможность осаждать оксидные пленки кремния на интерметаллические соединения типа A!!IBV и A!1BV1 без нарушения их стехиометрического состава. Для протекания реакции образования диоксида кремния внешний нагрев не требуется, однако для получения оксидных пленок кремния более высокого качества процесс проводят при температуре 150—300° С:
81Н4(газ)-4-2О2(газ) —> 81О2(тв)4-2Н2О(газ)
Исходными веществами для проведения этого процесса являются газовые смеси, которые включают в себя высокочистый моносилан
SiH4, аргон или азот (газы-носители) и кислород. Контролируемое - окисление сильно разбавленного инертным газом силана (3—10%) позволяет реализовать осаждение диоксида кремния в широком диапазоне температур со скоростью 10—50 нм/мин.
Температурный интервал осаждения оксидных пленок кремния определяется концентрациями моносилана и окислителя. При изменении концентрации моносилана от 0,8 до 0,015 об.%, для постоянного отношения силан : окислитель = 1 : 3 температура процесса осаждения должна быть увеличена с 140 до 450° С.
Особое внимание следует обращать на минимальную температуру процесса осаждения. Нижний температурный предел лимитируется двумя факторами: монотонным увеличением пористости пленки диоксида кремния и гомогенным окислением моносилана в газовой фазе. Монотонное увеличение пористости пленки связано с тем, что по мере снижения температуры процесса уменьшается энергия поверхностной миграции адсорбированных подложкой молекул. Кристаллизация осаждаемых частиц при этом происходит в положениях, все более далеких от минимума свободной энергии системы. Это вызывает образование рыхлых, пористых пленок с низкой электрической прочностью и невысокой адгезией к подложке. При температурах проведения процесса осаждения ниже 150° С происходит отложение частиц диоксида кремния в виде мелкодисперсного белого порошка.
Гомогенное окисление моносилана в газовой фазе связано с тем, что чем ниже температура осаждения оксидной пленки, тем большие концентрации моносилана необходимы для реализации механизма окисления и, следовательно, все большая часть моносилана окисляется в газовой фазе, засоряя реакционную камеру и ухудшая качество образующейся пленки.
В качестве окислителя кроме кислорода могут быть использованы кислородсодержащие соединения, такие, как N2O, СО2, Н2О. Использование в качестве окислителей закиси азота и углекислого газа позволяет практически исключить гомогенное окисление,, однако при этом невозможно реализовать осаждение пленок диоксида кремния в диапазоне температур 200—350° С.
Контролируемое окисление моносилана (кислородом), достаточно сильно разбавленного инертными газами, позволяет получать- пленки SiO2 в широком диапазоне температур (200—500°С), при этом скорости осаждения пленок достигают значений порядка 50— 100 нм/мин.
Следует отметить, что пленки SiO2, полученные данным методом, равномерны по толщине по всей поверхности пластины, обладают достаточной сплошностью, стабильностью химического состава и хорошей маскирующей способностью при проведении процессов диффузии. Отличительным признаком пленок SiO2, полученных этим методом, является более высокая скорость их травления.
Анодное окисление кремния
Анодное окисление кремния является одной из основных электродных реакций, происходящих на поверхности исходной пластины при воздействии на нее электролита и электрического тока. Метод анодного окисления включает две модификации: окисление поверхности кремния в жидком электролите и окисление в газовой плазме. В первом случае процесс называют электролитическим анодированием, во втором — газовым анодированием.
Электролитическое анодирование. При обычных условиях поверхность кремниевых пластин покрыта тонкой пленкой оксида толщиной около ЗОА. Эта оксидная пленка разделяет вещества, которые участвуют в реакции анодного окисления. Поэтому дальнейший рост оксидной пленки возможен только при переносе за счет диффузии или миграции ионов реагирующих веществ через эту пленку. Скорость роста пленок SiO2 на кремнии в жидком электролите, не растворяющем эти пленки, зависит от электростатического поля в слое оксида, стимулирующего миграцию ионов. Считают, что подвижным компонентом в рассматриваемом случае является ион кремния. Поэтому процесс выращивания анодных оксидных пленок может быть описан как процесс переноса ионов кремния через границу раздела оксид — кремний и через оксид к границе раздела оксид — электролит, где происходит реакция окисления.
Присутствие ионов в электролите у границы с оксидом заметно влияет на скорость окисления, а также на предельную толщину оксидной пленки. Толщина пленки при анодном окислении определяется значениями напряжения пробоя и ионного тока .Регулирование значения общего тока в процессе анодного окисления может осуществляться при постоянном токе, при постоянном напряжении и при комбинации этих величин.
Рассмотрим окисление при постоянном токе. Для поддержания постоянного ионного тока через оксид необходимо, чтобы с увеличением толщины оксидной пленки возрастало падение напряжения в этой пленке. Поэтому анодирование при постоянном токе можно характеризовать как скорость роста напряжения в оксиде. Скорость изменения напряжения приблизительно пропорциональна току. Следовательно, чем выше плотность ионного тока, тем быстрее повышается напряжение и быстрее растет оксид. При этом типичное значение коэффициента полезного выхода ионного тока составляет около 1 % от выхода электролитических реакций. Анодное окисление при постоянном токе может продолжаться до тех пор, пока напряжение не достигнет определенного значений, зависящего от типа электролита и конструкции установки, после чего происходит пробой оксидной пленки.
В случае окисления при постоянном напряжении между анодом и катодом первоначальный ток, возникающий вследствие ионной проводимости оксида, определяется сопротивлением электролита, толщиной первоначального слоя оксида на кремниевой пластине и поляризацией, связанной с образованием «двойного слоя» в элек-
123
тролите. По мере роста оксида электрическое поле в нем уменьшается, что приводит к к уменьшению тока, проходящего через оксид. В результате рост оксида замедляется.
Большую роль в получении воспроизводимых результатов анодного окисления играет выбор электролита и процент содержания в нем влаги. Могут быть использованы самые различные электролиты на основе азотной, борной или фосфорной кислот с добавками нитрата натрия, нитрата калия, бихромата аммония и др.
Газовое анодирование кремния аналогично электролитическому с той лишь разницей, что вместо электролита используется газ. Этот метод применяется при выращивании толстых оксидных пленок. Кислородная плазма, возбуждаемая полем высокой частоты, служит источником отрицательно заряженных кислородных ионов. Ионы кислорода из плазмы взаимодействуют с поверхностью кремниевой пластины. Рост оксида зависит от режима проведения анодного окисления: от давления внутри рабочей камеры, температуры и плотности плазмы.
Осаждение пленок оксида кремния термическим испарением
Для нанесения защитных пленок оксида кремния используют два метода, основанные на испарении монооксида кремния. В первом методе используется технический порошкообразный монооксид кремния. Второй метод заключается в том, что кремниевый электрод нагревается в атмосфере кислорода. При этом его поверхность покрывается монооксидом, который легко испаряется, так как обладает более высоким, чем у кремния, давлением паров.
Оксиды, получаемые путем напыления на полупроводниковую подложку, представляют собой комплексы вида Si—SiO—SiO2. При использовании в качестве источника испарения порошка монооксида кремния одним из наиболее важных моментов для получения однородной защитной оксидной пленки является конструкция лодочки для порошка монооксида кремния. Скорость испарения зависит от геометрии лодочки, температуры, давления, а также от однородности порошка монооксида. При использовании какого-либо определенного источника скорость испарения регулируют изменением электрической мощности, служащей для нагрева лодочки. Кремниевые пластины при этом методе осаждения защитной пленки нагревают до 300° С и выше, чтобы получить хорошую адгезию защитной пленки к исходной пластине. Если осаждение производится с малой скоростью, но при высоком парциальном давлении кислорода, то пленка обладает такими же характеристиками, как и пленка SiO2. При больших скоростях осаждения или при более низком парциальном давлении кислорода оптические характеристики осажденной пленки сходны с характеристиками, присущими пленкам SiO.
Защитные пленки, обладающие свойствами пленок SiO2, получают обычно при температуре источника 1300—1400° С и суммарном давлении менее 6,5-10-4 Па.
Для получения оксидных пленок методом напыления в вакууме в качестве источника можно использовать кремний. При этом определяющую роль играет реакция у поверхности кремния. Температура и парциальное давление кислорода у этой поверхности определяют скорость адсорбции кислорода на поверхности кремния и испарения S1O2. Кремний нагревается до температуры 700— 1000° С. Парциальное давление кислорода должно быть таким, чтобы на поверхности кремниевого источника обеспечивалась реакция Si+O->SiO. Указанным методом на исходной полупроводниковой пластине можно получить оксидную пленку толщиной 0,1 мкм при температуре 900° С и давлении 1,3-10—4 Па в течение 30 мин. При подогреве подложки, на которой располагаются пластины, улучшаются адсорбция паров оксида и адгезия их к полупроводниковым пластинам. Во избежание испарения осажденной пленки оксида температура пластин должна быть на 100—200° С ниже температуры источника.
Реактивное катодное распыление оксида кремния
Метод реактивно-катодного распыления оксида кремния основан на использовании электрического разряда между электродами при низком давлении окисляющего газа. Под действием бомбардировки ионизированными молекулами газа материал катода испаряется в виде свободных атомов или в виде соединений, образующихся при реакции катода с остаточными молекулами газа. Перенос распыленных частиц происходит либо за счет их кинетической энергии, либо за счет диффузии, если столкновения с остаточными молекулами газа заметно снижают их кинетическую энергию.
Методом реактивно-катодного распыления можно получать пленки оксида кремния, подвергая распылению в присутствии кислорода кремниевую мишень. Обычно этот процесс проходит при давлении 0,4 Па и напряжении 1500—2000 В. Скорость роста пленки оксида кремния увеличивается при введении в кислородную атмосферу небольших количеств аргона.
Разновидностью реактивно-катодного распыления является метод, при котором плазма получается с помощью высокочастотного- разряда. По данному методу защитные оксидные пленки получают при давлении 26,5—133 Па и напряжении 3—5 кВ.
Хорошая контролируемость процесса реактивно-катодного распыления позволяет автоматизировать процесс осаждения защитных пленок оксида кремния на подложки из полупроводникового материала.
Химическое осаждение пленок нитрида кремния
Наряду с защитными диэлектрическими пленками диоксида кремния в производстве полупроводниковых приборов и интегральных микросхем все более широкое применение находят пленки нитрида кремния.
Пленки нитрида кремния обладают меньшей проницаемостью для диффузантов, используемых в обычной планарной технологии, чем пленки диоксида кремния. Поэтому пленки нитрида кремния получают более тонкими. Это является важным фактором для фотолитографии, способствующим увеличению ее разрешающей способности.
Пленки нитрида кремния можно выращивать во много раз быстрее, чем пленки диоксида кремния, и при более низких температурах.
Рассмотрим несколько способов химического осаждения пленок нитрида кремния.
Реакция взаимодействия кремния с азотом. Для осуществления химической реакции нитрирования необходима температура 1100— 1300°С:
3Si + 2N2^Si3N4
Обычно этим способом пользуются для получения нитрида кремния как тугоплавкого материала. В данной реакции чистый азот может быть заменен аммиаком, который диссоциирует при высокой температуре и взаимодействует с кремнием легче, чем молекулярный азот.
Пленки нитрида кремния могут быть получены методом открытой трубы. В рабочей камере располагают пластины кремния и пропускают через нее поток азота. При температуре 1200°С и скорости потока азота 300 см3/мин на поверхности пластин кремния образуется пленка нитрида кремния.
Реакция взаимодействия силана с аммиаком. Для протекания химической реакции азотирования силана аммиаком необходима температура 700—1100°С. Таким образом, по сравнению с предыдущей реакцией рабочие температуры процесса осаждения пленок нитрида кремния значительно ниже. В рабочую камеру с кремниевыми пластинами в потоке водорода со скоростью (Зч-5) X Х103 см3/мин подаются силан и аммиак в соотношении 1 :20. Избыток водорода препятствует преждевременному разложению силана. В рабочей камере при температуре выше 500°С происходит разложение силана и взаимодействие его с аммиаком:
3SiH4+ 4NH3 — Si3N4 ф-12Н2
Образовавшийся в результате реакции нитрид кремния осаждается на поверхности кремниевых пластин.
Скорость роста пленки нитрида кремния зависит от концентрации силана в рабочей камере и температуры проведения процесса (рис. 7.8). Из графика видно, что при температуре 1250°С скорость осаждения замедляется, а при температуре выше 1250°С 126
значительно уменьшается. Это объясняется недостатком силана в рабочей камере вследствие его интенсивного разложения при по
вышенных температурах.
Обычно пленки нитрида кремния осаждают на подложки при температуре 800—900°С с использованием рабочей смеси, состоящей из водорода или аргона, используемых в качестве газов-носителей и реагентов: силана (до 1%) и аммиака (до 3%). Расход рабочей смеси устанавливают равным 1000 см3/мин. Время процесса
Рис. 7.8. Зависимость скорости осаждения пленок SigN»:а— от концентрации силана при Т=850° С; б— от температуры для соотношения силана (0,05%) и аммиака (1%)Рис. 7.8. Зависимость скорости осаждения пленок SigN»:а— от концентрации силана при Т=850° С; б— от температуры для соотношения силана (0,05%) и аммиака (1%)
Рис. 7.8. Зависимость скорости осаждения пленок SigN»:
а— от концентрации силана при Т=850° С; б— от температуры для соотношения силана (0,05%) и аммиака (1%)
Рис. 7.8. Зависимость скорости осаждения пленок SigN»:
а— от концентрации силана при Т=850° С; б— от температуры для соотношения силана (0,05%) и аммиака (1%)
выбирают из условия требуемой толщины пленки. В качестве газа-носителя наряду с водородом и аргоном могут быть использованы азот или оксид азота.
Реакция взаимодействия тетрахлорида кремния с аммиаком. Образование пленки нитрида кремния при взаимодействии тетрахлорида кремния с аммиаком протекает в несколько стадий. На начальной стадии образуется диимид кремния:
SiCl4 + 6NH3 — Si (NH)2 4-4NH4Cl
При комнатной температуре эта реакция дальше не идет. Происходит полимеризация диимида кремния.
Если температуру повысить до 400°С, то пойдет реакция
61 Si (NH^^h, — 21 Si3 (NH3) N2]
Если температуру повысить до 650°С, реакция идет дальше:
2 J Si3 (NH3) N^h, — 3 [ S i2 (NH) N2I
Завершающая стадия образования нитрида кремния проходит при температуре 1100—1250°С:
3 [ S i2 (NH) Ы2И^ - 2aS i3N4
В результате образуются кристаллиты нитрида кремния а-мо- дификации. Если завершающую стадию реакции проводить при температуре 1100°С, то образуется полностью аморфная пленка нитрида кремния на поверхности подложки.Следует отметить, что с увеличением толщины пленки нитрида кремния (свыше 1 мкм) в них возникают трещины. Наличие трещин — результат высокого значения модуля упругости нитрида кремния, различия в коэффициентах термического расширения кремния и нитрида кремния, а также следствие неоднородности структуры подложки и нитридной пленки.Процесс осаждения пленок нитрида кремния проводят в кварцевой трубе, в которую подают смесь тетрахлорида с аммиаком. В качестве газа-носителя используют водород, аргон или азот. Скорость подачи смеси газа-носителя с реагентами выбирают равной (54- 4-10) 103 см3/мин.Скорость осаждения пленки нитрида кремния зависит от температуры проведения процесса и соотношения иаком.В результате образуются кристаллиты нитрида кремния а-мо- дификации. Если завершающую стадию реакции проводить при температуре 1100°С, то образуется полностью аморфная пленка нитрида кремния на поверхности подложки.Следует отметить, что с увеличением толщины пленки нитрида кремния (свыше 1 мкм) в них возникают трещины. Наличие трещин — результат высокого значения модуля упругости нитрида кремния, различия в коэффициентах термического расширения кремния и нитрида кремния, а также следствие неоднородности структуры подложки и нитридной пленки.Процесс осаждения пленок нитрида кремния проводят в кварцевой трубе, в которую подают смесь тетрахлорида с аммиаком. В качестве газа-носителя используют водород, аргон или азот. Скорость подачи смеси газа-носителя с реагентами выбирают равной (54- 4-10) 103 см3/мин.Скорость осаждения пленки нитрида кремния зависит от температуры проведения процесса и соотношения иаком.Рис. 7.9. Зависимость скоростиРис. 7.9. Зависимость скоростиосаждения пленок Si3N4 температуры:осаждения пленок Si3N4 температуры:отот1 — SiCl<=0,02.%;NH3=4%;SiCI4 = 0,002%. NH3 = 0,2%1 — SiCl<=0,02.%;NH3=4%;SiCI4 = 0,002%. NH3 = 0,2%2 —2 —ии
В результате образуются кристаллиты нитрида кремния а-мо- дификации. Если завершающую стадию реакции проводить при температуре 1100°С, то образуется полностью аморфная пленка нитрида кремния на поверхности подложки.
Следует отметить, что с увеличением толщины пленки нитрида кремния (свыше 1 мкм) в них возникают трещины. Наличие трещин — результат высокого значения модуля упругости нитрида кремния, различия в коэффициентах термического расширения кремния и нитрида кремния, а также следствие неоднородности структуры подложки и нитридной пленки.
Процесс осаждения пленок нитрида кремния проводят в кварцевой трубе, в которую подают смесь тетрахлорида с аммиаком. В качестве газа-носителя используют водород, аргон или азот. Скорость подачи смеси газа-носителя с реагентами выбирают равной (54- 4-10) 103 см3/мин.
Скорость осаждения пленки нитрида кремния зависит от температуры проведения процесса и соотношения иаком.
В результате образуются кристаллиты нитрида кремния а-мо- дификации. Если завершающую стадию реакции проводить при температуре 1100°С, то образуется полностью аморфная пленка нитрида кремния на поверхности подложки.
Следует отметить, что с увеличением толщины пленки нитрида кремния (свыше 1 мкм) в них возникают трещины. Наличие трещин — результат высокого значения модуля упругости нитрида кремния, различия в коэффициентах термического расширения кремния и нитрида кремния, а также следствие неоднородности структуры подложки и нитридной пленки.
Процесс осаждения пленок нитрида кремния проводят в кварцевой трубе, в которую подают смесь тетрахлорида с аммиаком. В качестве газа-носителя используют водород, аргон или азот. Скорость подачи смеси газа-носителя с реагентами выбирают равной (54- 4-10) 103 см3/мин.
Скорость осаждения пленки нитрида кремния зависит от температуры проведения процесса и соотношения иаком.
Рис. 7.9. Зависимость скорости
Рис. 7.9. Зависимость скорости
осаждения пленок Si3N4 температуры:
осаждения пленок Si3N4 температуры:
от
от
1 — SiCl<=0,02.%;NH3=4%;
SiCI4 = 0,002%. NH3 = 0,2%
1 — SiCl<=0,02.%;NH3=4%;
SiCI4 = 0,002%. NH3 = 0,2%
2 —
2 —
и
и
На рис. 7.9 приведена зависимость скорости осаждения пленки нитрида кремния от температуры для двух соотношений между тетрахлоридом и аммиаком.
Кроме тетрахлорида кремния для осаждения пленок нитрида кремния можно использовать галогенированные силаны типа H4-nSiX„, где X — галоген; п=Л, 2, 3, 4. Реакция образования пленки нитрида кремния имеет вид
3H4_„S1X„ 4-4NH3—> Si3N4 + 3/гНХ +3 (4- n) H2
В качестве газов-носителей используют, как и в предыдущем ■случае, водород, аргон или азот. Температура проведения процесса осаждения для этих реагентов может быть снижена до 750— 980°С. Скорость роста пленок нитрида кремния для этого процесса в большой степени зависит от технологических режимов.
Реакция взаимодействия силана с гидразином. Для осаждения пленок нитрида кремния вместо аммиака используют гидразин N2H4. Реакция в этом случае идет по следующей схеме:
SiH4 + N2H4Si (NH)2 + 3H2
2Si (NH)2 — (SiN)2 NH + NH3
3 (SiN)2 NH2Si3N4 + NH3
При использовании реакции взаимодействия аммиака с сила- аюм температура осаждения пленок нитрида кремния не может 428
быть ниже 750°С. Применение гидразина вместо аммиака позволяет снизить рабочую температуру процесса до 550°С,.так как гидразин разлагается при более низких температурах. Осаждение пленок проводят в кварцевой трубе, через которую пропускают газ- носитель и смесь силана с гидразином.
На рис. 7.10 показана зависимость скорости осаждения пленок нитрида кремния от температуры для двух различных соотношений концентраций силана и гидразина.
Реакция взаимодействия тетрабромида кремния с азотом. Реакция осаждения нитрида кремния идет при температуре 950°С и имеет вид
Рис. 7.10. Зависимость скорости осаждения пленок SiaNt от температуры:Рис. 7.10. Зависимость скорости осаждения пленок SiaNt от температуры:/ - SiH,-0,05%. ЫгН,=0.5%: 2 — SiH«—0,1%, №,=0,2%/ - SiH,-0,05%. ЫгН,=0.5%: 2 — SiH«—0,1%, №,=0,2%3SiBr4 + 2N2 — Si3N4 + 6Br2
Рис. 7.10. Зависимость скорости осаждения пленок SiaNt от температуры:
Рис. 7.10. Зависимость скорости осаждения пленок SiaNt от температуры:
/ - SiH,-0,05%. ЫгН,=0.5%: 2 — SiH«—0,1%, №,=0,2%
/ - SiH,-0,05%. ЫгН,=0.5%: 2 — SiH«—0,1%, №,=0,2%
Рис. 7.11. Схема установки для осаждеиия плеиок S13N4:Рис. 7.11. Схема установки для осаждеиия плеиок S13N4:/ — блок очистки водорода; 2—источник SiCh или SiBn; 5 —ротаметры; 4 — краны: 5 — выпуск избыточных газов; 6 — смесительная камера; 7 — пластины; 6 — нагреватель: 9 — рабочая камера/ — блок очистки водорода; 2—источник SiCh или SiBn; 5 —ротаметры; 4 — краны: 5 — выпуск избыточных газов; 6 — смесительная камера; 7 — пластины; 6 — нагреватель: 9 — рабочая камераНа рис. 7.11 показана схема установки для проведения процесса нанесения пленок нитрида кремния на подложки с использованием рассмотренных реакций: S1H4 + NH3; SiCU + NHs; SiH4 + + N2H4; SiBr4 + N2.
Рис. 7.11. Схема установки для осаждеиия плеиок S13N4:
Рис. 7.11. Схема установки для осаждеиия плеиок S13N4:
/ — блок очистки водорода; 2—источник SiCh или SiBn; 5 —ротаметры; 4 — краны: 5 — выпуск избыточных газов; 6 — смесительная камера; 7 — пластины; 6 — нагреватель: 9 — рабочая камера
/ — блок очистки водорода; 2—источник SiCh или SiBn; 5 —ротаметры; 4 — краны: 5 — выпуск избыточных газов; 6 — смесительная камера; 7 — пластины; 6 — нагреватель: 9 — рабочая камера
1291295—210
129
129
Реактивное катодное осаждениечйленок нитрида кремния
Достоинство этого метода состоит в том, что реакция между кремнием и азотом происходит при комнатной температуре окружающей среды за счет энергии газового разряда, между анодом и катодом в рабочей камере.
Нанесение пленок нитрида кремния проводят в специальных установках катодного распыления при постоянном токе с холодным или горячим катодом.
Для проведения процесса катодного осаждения используют катод из высокочистого кремния в виде плоской пластины большого (80—120 мм) диаметра. Анодом служит подложка. При подаче на катод высокого напряжения (1-—3 кВ) в пространстве между анодом и катодом возникает аномальный тлеющий разряд, который ионизирует газ внутри рабочей камеры. Специфика аномального тлеющего разряда состоит в том, что в непосредственной близости около катода образуется настолько сильное электрическое поле, что образовавшиеся при разряде положительно заряженные ионы, газа, ускоряемые этим полем и бомбардирующие катод, выбивают из него не только дополнительные электроны (необходимые для поддержания разряда), но и атомы материала катода.
В течение этого процесса кремниевый катод постепенно разрушается. Поэтому в производственных условиях, когда процесс катодного распыления используется длительное время, катод подлежит замене после определенного срока службы.
Технологический процесс катодного осаждения пленок нитрида кремния включает в себя предварительную откачку воздуха из рабочей камеры с целью удаления имеющихся в воздухе загрязнений.
Откачку обычно проводят до давления 1,3-10-3—1,3-10-4 Па, а затем в рабочую камеру вводят смесь газов аргона и азота, предварительно очищенных от влаги и кислорода. Давление в рабочей камере при этом устанавливают равным 1,3—13 Па.
Азот, участвующий в процессе, является реактивным газом, а аргон используется для повышения эффективности процесса распыления. Требование по отсутствию кислорода в рабочей камере продиктовано тем, что кремний взаимодействует с кислородом значительно лучше, чем с азотом. Поэтому даже незначительное количество кислорода в рабочей камере приводит к образованию пленки диоксида кремния на поверхности подложки.
На процесс катодного осаждения оказывают влияние катодный ток и расстояние между анодом и катодом. При плотности катодного тока 0,2—0,8 мА/см2 и расстояния между анодом (подложкой) и катодом (пластина кремния) 2—5 см можно получить скорость осаждения нитрида кремния 0,01—0,05 мкм/мин.
Применение катода с поверхностью, большей или равной поверхности подложки, позволяет получать осажденные пленки нит- 130
рида кремния одинаковой толщины с разбросом, не превышающим 5%.
Реактивное ионно-плазменное осаждение пленок нитрида кремния является разновидностью катодного способа. Отличительной особенностью реактивного ионно-плазменного способа является то, что высокое отрицательное напряжение прикладывается не к катоду, а к дополнительному электроду, называемому мишенью. Отсюда следует, что и распыляемый материал (кремний) будет служить не катодом, а мишенью.
Второй отличительной особенностью является введение в рабочую камеру устройства для расположения подложек, на которые будет происходить осаждение нитрида кремния.
Третья особенность ионно-плазменного способа состоит в "том, что в промежутке между подложкой и мишенью располагают анод и катод, между которыми создают несамостоятельный дуговой разряд. Для этого между анодом и катодом прикладывают напряжение порядка 100—300 В, а в рабочем объеме создают давление 0,13—0,013 Па. В этом случае катод эмиттирует электроны, которые, взаимодействуя с рабочим газом, создают электронно-ионную плазму.
Положительные ионы плазмы бомбардируют кремниевую мишень и выбивают из нее атомы кремния. Выбитые из мишени, они реагируют с азотом, находящимся внутри рабочей камеры, и образуют нитрид кремния, который осаждается на подложке.
Таким образом, принципиальных различий между процессами катодного и ионно-плазменного осаждения нитрида кремния нет. Обычно различают лишь конструкции установок, которые характеризуют по числу рабочих электродов как двух- и трехэлектродные.
Начало и конец процесса осаждения пленок нитрида кремния определяются подачей и отключением высокого напряжения на мишени.
Контроль качества защитных диэлектрических пленок диоксида и нитрида кремния
При использовании защитных диэлектрических пленок SiO2 и Si3N4 в процессах планарной технологии подвергают контролю три основные характеристики: толщину пленки, наличие в ней сквозных отверстий (пористость) и количество дефектов на границе раздела кремний — защитная пленка.
Толщина защитной диэлектрической пленки является главным критерием, определяющим максимальную глубину проникновения легирующей примеси в полупроводниковые кристаллы при проведении процесса диффузии в планарной технологии.
Наличие сквозных отверстий (пор) в защитной пленке приводит к паразитному легированию исходной подложки и замыканию отдельных активных областей транзисторных структур интегральной микросхемы при проведении процессов локальной диффузии.
Количество дефектов на границе кремний — защитная пленка связано с плотностью зарядов на этой границе. Увеличение плотности зарядов приводит к ухудшению электрических параметров готовых полупроводниковых приборов и интегральных микросхем.
Таким образом, контроль рассмотренных характеристик защитных диэлектрических пленок позволяет оценить возможность их применения в последующих технологических процессах.
Контроль толщины защитных диэлектрических пленок. Толщина защитных диэлектрических пленок определяется с помощью следующих способов: микровзвешивания, интерферометрии и эллипсометрии.
Способ микровзвешивания основан на точном взвешивании подложки до и после осаждения пленки.
Толщина пленки
sd
где Р\ — масса подложки без пленки; Pi— масса подложки с пленкой; s — площадь пленки; d — плотность пленки.
Точность определения толщины пленки этим способом зависит в первую очередь от чувствительности весов и точности взвешивания, а также от точности определения площади пленки и ее плотности.
Наиболее простым из существующих интерференционных методов определения толщины пленок ЗЮг и S13N4 является цветовой. Он основан на гасящей интерференции белого света, падающего на поверхность подложки с защитной пленкой. Цвет поверхности пленки ЗЮг или S13N4 создается равномерным белым светом за вычетом той его части, которая участвует в гасящей интерференции. Отсутствие некоторых компонентов спектра белого света в отраженной волне воспринимается глазом как определенный цвет защитной пленки. Падающая и отраженная волны являются дополнительными: вместе они дают белый свет.
При нормальном падении белого света на поверхность пластины с защитной пленкой условие гасящей интерференции имеет вид
2dn= 26-1 X,
2
где d— толщина пленки SiO2 или SisW, п— коэффициент преломления пленки SiO2 или SisN4; 6=1, 2, 3 — порядок интерференции; X— длина волны падающего света.
Таким образом, определенный цвет поверхности защитной пленки соответствует ее толщине, причем с увеличением толщины пленки один и тот же цвет повторяется с изменением порядка интерференции.
Следовательно, для определения действительной толщины необходимо не только зафиксировать цвет поверхности пленки, но и определить порядок интерференции.
Цвет поверхности пленки необходимо наблюдать и фиксировать при нормальном падении света, так как при косом падении света цвет пленки изменяется в зависимости от ее толщины и коэффициента преломления.
Порядок интерференции на практике определяют следующим образом. Пластину, например с пленкой S1O2, одним концом опускают в плавиковую кислоту на 1—2 мин для получения слоя клиновидной формы. После этого наблюдают цвета как на однородной по толщине пленке ЗЮг, так и на клиновидном участке. На однородном участке 'пленки будет какой-либо один цвет, а на- клиновидном имеет место чередование определенных цветов в зависимости от толщины пленки. По какому-либо одному повторяющемуся определенное число раз цвету полосы (например, красному или зеленому) судят о порядке интерференции.
Для определения толщин защитных пленок ЗЮг и SisN4 можно пользоваться набором цветовых оттенков, указанных в табл. 7.1.
Таблица 7.1
Цвет
Толщина пленок, мкм
1-й порядок
2-й порядок
3-й порядок
4-й порядок"
SiO.
Si3Nt
SiO2
S13N.
SiO,
Si3N4
SiO2
Si3N,
у
Серый
0,01
Коричневый
0,05
—
Синий
0,08
—
—
—
—
Фиолетовый
0,1
0,9
0,28
0,21
0,46
0,34
0,65
0,52
Голубой
0,15
0,12
0,30
0,23
0,49
0,36
0,68
0,53
Зеленый
0,18
0,13
0,33
0,25
0,52
0,38
0,72
0,57
Желтый
0,21
0,15
0,37
0,28
0,57
0,42
0,75
0,61
Оранжевый
0,22
0,18
0,40
0,3
0,60
0,47
0,78
0,65
Красный
0,25
0,19
0,44
0,33
0,62
0,51
0,81
0,68
Недостатком цветового метода является то, что определение цвета пленки зависит от индивидуальных возможностей и особенностей каждого человека.
Относительная ошибка цветового метода определения толщины пленки не превышает 10%.
Эллипсометрический метод измерения толщины пленок SiO» и S13N4 основан на отражении линейно поляризованного луча от поверхности защитной пленки. При отражении учитывается тот факт, что компонента, перпендикулярная плоскости падения, отражается иначе, чем компонента, лежащая в плоскости падения. В результате образуется эллиптически поляризованная отраженная волна. Измерив эллиптичность отраженной волны, можно определить толщину пленки, вызвавшей соответствующие изменения поляризации падающей волны. Обычно для оценки толщины пленки, т. е. для оценки отраженной волны в эллипсометрическом методе, используются соотношения между фазой и амплитудой па-
дающей волны и фазой и амплитудой волны, отраженной от поверхности пленки. В качестве источника света могут быть использованы лазеры.
Эллипсометрический метод позволяет наиболее точно измерить толщину пленки. Этот метод обычно применяется для измерения пленок, толщина которых на порядок меньше, чем допускают другие методы.
Контроль пористости защитных диэлектрических пленок. Наличие сквозных отверстий (пор) в пленках SiO2 и SisN4 является наиболее распространенным видом дефекта, который приводит к значительному браку при последующих операциях в планарной технологии. Поэтому требуется тщательный контроль пластин после операции осаждения защитных диэлектрических пленок.
Для определения пористости пленок используют методы электролитического осаждения меди, диффузионного легирования и электрографический.
Метод электролитического осаждения меди состоит в следующем. Пластину кремния с нанесенной пленкой SiO2 помещают в электролит, содержащий ионы меди. На эту пластину подают отрицательный потенциал. Положительный потенциал подают на медную пластину, которая находится также в электролите и служит вторым электродом. В процессе электролиза ионы меди осаждаются на кремний в тех местах, где имеются сквозные отверстия (поры). По количеству осажденных островков меди судят о качестве пленки. Под микроскопом определяют количество пор и их геометрические размеры.
Метод диффузионного легирования заключается в проведении диффузионного процесса примеси, создающего в исходном полупроводниковом материале противоположный тип электропроводности. После проведения процесса диффузии в тех местах пленки, где имели место сквозные отверстия, образуются локальные р-и-переходы (участки с противоположным типом электропроводности). Далее защитную пленку удаляют с поверхности подложки и по количеству локальных р-н-переходов судят о количестве пор в пленке.
Рассмотренные методы имеют существенный недостаток — они исключают возможность использования исследуемого образца в дальнейших технологических процессах.
Наиболее простым и достаточно эффективным неразрушающим методом контроля пористости, позволяющим точно и быстро определять местонахождение, геометрические размеры и плотность сквозных отверстий в пленках, является электрографический метод. Этот метод позволяет обнаружить сквозные отверстия диаметром до 0,1 мкм.
Методика проведения контроля пористости пленок состоит в наложении на поверхность пластины с пленкой фотобумаги, предварительно, смоченной в 3—4%-ном водном растворе гидрохинона. К пластине с фотобумагой прижимают два металлических диска-электрода, через которые пропускают электрический ток. Так 134
как фотобумага, смоченная в растворе гидрохинона, является проводящей, то ток через нее будет проходить лишь в тех локальных местах, где имеются сквозные отверстия в пленке. Электрический ток, протекающий через поры в пленке, действует на эмульсию фотобумаги подобно световому потоку, образуя изображение в виде черных точек и островков.
Количество и размеры дефектов пленки определяют визуально под микроскопом.
Контроль качества дефектов на границе раздела кремний — защитная пленка. Для осуществления этого вида контроля изготовляют так называемые МДП-структуры (металл — диэлектрик-— полупроводник). На поверхность защитной диэлектрической пленки осаждают слой металла.
На таких МДП-структурах измеряют вольт-фарадные характеристики. По сдвигу между теоретической и экспериментальной вольт-фарадной характеристиками можно непосредственно определить эффективную плотность поверхностных состояний, в которую входят плотность поверхностных состояний на границе полупроводник— защитная пленка и заряд в пленке.
Глава 8
ФОТОЛИТОГРАФИЯ
Фотолитография — основа планарной технологии
Под фотолитографией понимают процесс образования на поверхности подложки с помощью светочувствительных материалов локальных защитных участков пленки (микроизображение), рельеф которых повторяет рисунок топологии прибора или схемы, и последующего переноса этого микроизображения на подложку.
Фотолитография является основным технологическим процессом при производстве полупроводниковых приборов и интегральных микросхем.
Сущность процесса фотолитографии заключается в следующем. На поверхность специально обработанной пластины (подложки) наносят тонкий слой светочувствительного материала — фоторезиста. После высыхания фоторезиста на исходной подложке образуется прочная пленка. Облучение этой пленки фоторезиста через прижатый к ней фотошаблон (контактная печать) актиничным светом приводит к изменению ее свойств. Проявление и полимеризация пленки фоторезиста позволяют получить в ней рельеф нужного рисунка, т. е. открытые (свободные от пленки фоторезиста) и закрытые (наличие пленки фоторезиста) участки пленки. Образовавшийся в пленке фоторезиста рельеф определенного рисунка переносят на подложку.
Образующиеся в пленке фоторезиста «окна» позволяют проводить ряд важнейших технологических операций: локальное травление подложки с целью удаления слоя полупроводникового ма-
териала и создания мезаструктур, удаление защитных диэлектрических слоев SiOa и Si3N4 с целью вскрытия «окон» под диффузию, а также вытравливание металлических слоев с целью создания омических контактов и токоведущих дорожек сложной геометрической формы.
Фотолитография является одним из основных процессов в общем цикле изготовления широкого класса полупроводниковых приборов и интегральных микросхем. Этот процесс стоит в одном ряду с такими процессами, как диффузия и ионное легирование, эпитаксия и окисление, вакуумно-термическое испарение и химическая обработка.
Преимуществами процесса фотолитографии являются универсальность, массовость, технологичность, возможность автоматиза- щии. С помощью фотолитографии на одной подложке можно получить большое число элементов будущих приборов и микросхем, 'что позволяет проводить групповую обработку подложек по заранее выбранному технологическому маршруту.
Процесс фотолитографии известен давно. Он широко используется в полиграфическом производстве. Однако в технологии изготовления полупроводниковых приборов и интегральных микросхем он получил свое особое, более глубокое развитие. С помощью фотолитографии в полупроводниковой технологии произошел качественный переход от производства печатных плат с размером элементов в несколько миллиметров до сверхбольших интегральных микросхем с размерами отдельных элементов менее 1 мкм.
Фотолитография развивается в двух направлениях: постоянное совершенствование высокоточного оборудования и технологических процессов с целью стабильного воспроизводства формы и размеров рисунка и разработка новых приемов, позволяющих расширить предельные возможности процесса создания рисунка на подложке.
Фотолитография является сложным комплексным технологическим процессом, включающим в себя механические, оптические, физические, физико-химические и химические процессы. К ним относятся: выбор исходного светочувствительного материала (фоторезиста), его очистка и обработка; подготовка подложек (химикодинамическая очистка); формирование светочувствительных пленок на поверхности подложки; операция термообработки, экспонирования, проявления, химического травления и т. д.
Фоторезисты
Фоторезистами называют светочувствительные вещества, изменяющие свои свойства, прежде всего растворимость, под действием актиничного света и устойчивые к кислотным и щелочным травителям.
Основным назначением фоторезистов является создание на поверхности полупроводниковой пластины или какой-либо другой подложки тонкой защитной пленки с требуемой конфигурацией рисунка. Рельеф рисунка в защитной пленке фоторезиста получается в результате светового воздействия на отдельные участки пленки и дифференцированной растворимости освещенных и неосвещенных участков. После проявления облученной пленки фоторезиста часть ее (нужный рисунок) остается на подложке и служит защитной маской при последующих технологических операциях, а другая часть удаляется.
Фоторезисты являются сложными мономерными или полимерными композициями органических веществ. Защитные свойства фоторезистивных пленок, образуемых мономерными светочувствительными соединениями, как правило, невысоки, и для фотолитографии мономеры используются в качестве добавок к полимерной основе.
Процессы, происходящие в фоторезистах под действием света, подчиняются основным фотохимическим законам: 1) фотохимически активными являются только те световые лучи, которые поглощаются при реакции взаимодействия света с фоторезистом; 2) химическое действие света прямо пропорционально произведению интенсивности света на время его воздействия; 3) каждому поглощенному кванту света соответствует одна прореагировавшая молекула.
Поэтому для характеристики фотохимического процесса, происходящего в фоторезисте, пользуются понятием квантового выхода, т. е. отношения числа прореагировавших молекул к числу поглощенных квантов света.
Чтобы в фоторезисте протекала фотохимическая реакция, необходимо иметь энергию фотонов, достаточную для разрыва или перестройки между атомами.
Квантовый выход, скорость фотохимических реакций и их управляемость во многом определяются спектральным составом и интенсивностью падающего света и зависят от химического строения облучаемых веществ. Для управления спектральной чувствительностью в состав фоторезистов вводят специальные вещества — сенсибилизаторы, которые сдвигают максимум поглощения в нужную область спектра.
Фотохимические реакции, происходящие в фоторезистах при поглощении световой энергии, отличаются сложностью и многообразием. Различие фотохимических превращений молекул вещества определяется химическим строением вещества и условиями облучения.
Существуют следующие типы фотохимических реакций: фотораспад, фотоперегруппировка, фотоприсоединение, фотоперенос, фотовосстановление и фотосенсибилизация.
Фотораспад представляет собой разложение возбужденной светом молекулы на активные части. В зависимости от природы Тио- лекулы вещества различают фотодиссоциацию, т. е. распад
молекулы на нейтральные частицы — свободные радикалы, и фотоионизацию, т. е. распад исходной молекулы на ионы.
Фотоперегруппировка представляет собой новое расположение (перегруппировку) атомов в скелете молекулы под действием света. Возможны два вида перегруппировки атомов: фотоизомеризация, т. е. поворот одной группы атомов по отношению к другой, и фототаумеризация, т. е. перемещение отдельных атомов из одной части скелета молекулы в другую.
Фотоприсоединение представляет собой присоединение к возбужденной молекуле другой молекулы. Имеют место четыре вида фотоприсоединения: фотодимеризация, т. е. образование из двух молекул исходного вещества нового состояния — димера; фотоконденсация, т. е. образование новых связей в структуре молекулы; фотогидролиз, т. е. процесс взаимодействия молекулы с водой; фотоокисление, т. е. процесс присоединения к возбужденной молекуле молекулы кислорода.
Фотоперенос представляет собой отрыв электрона у молекулы, поглотившей квант света.
Фотовосстановление может происходить с некоторыми веществами в присутствии соединений, легко отдающих атомы водорода.
Фотосенсибилизация представляет собой передачу энергии возбуждения от одной молекулы к другой или от одной части молекулы к другой.
Во многих случаях фотохимические реакции протекают одновременно. Энергия, необходимая для возбуждения молекулы, и, следовательно, характер спектра поглощения вещества зависят от его строения. Многие полимерные вещества, из которых изготовляют фоторезисты, содержат функциональные группы, поглощающие свет в ультрафиолетовой (УФ) области спектра. Так, карбонильная группа углерод — кислород имеет наибольшее поглощение в области 270—360 нм, а группа углерод — углерод — в диапазоне длин волн 220—240 нм.
Собственная светочувствительность полимера может быть изменена в широких пределах при введении в него специальных добавок— стабилизаторов или сенсибилизаторов.
Световое излучение, падающее на пленку фоторезиста, создает в ней активные центры, активизировавшиеся в результате поглощения энергии света молекулой фоторезиста. Активизация молекул может быть прямой и сенсибилизированной.
В первом случае поглотившие световое излучение молекулы непосредственно вступают в реакцию, например диссоциируют на атомы (фотораспад) или объединяются с другими молекулами (фото- присоединение), а во втором случае эти молекулы в реакции не участвуют, но передают свою энергию другим молекулам, в обычном состоянии к реакции не способным (фотосенсибилизация). Когда молекула поглощает свет, она выходит из состояния термодинамического равновесия с окружающей средой и теряет энергию при столкновении с другими молекулами, вызывая химические реакции.
Необходимо отметить, что эффект действия добавок при введении их в полимерную основу фоторезиста определяется не только химическим строением вещества добавки, но и энергетическим взаимодействием добавки с исходным полимером.
Одна и та же добавка для различных полимеров может служить и стабилизатором и сенсибилизатором фотохимических процессов. Так, добавление органических соединений к полимерам, которые, поглощая свет, возбуждаются и передают энергию возбуждения на реакционноспособные молекулы полимера, вызывает фотосенсибилизированную химическую реакцию, причем сам сенсибилизатор (добавка) в ходе фотохимических превращений полимера остается без изменения.
В зависимости от характера протекающих в фоторезистах фотохимических реакций их подразделяют на две основные группы: негативные и позитивные.
Негативные фоторезисты под действием света образуют нерастворимые участки пленки на поверхности подложки за счет фотополимеризации или фотоконденсации и после проявления остаются на ее поверхности.
Рисунок (рельеф) фоторезиста, оставшегося на поверхности подложки, представляет собой негативное изображение оригинала (фотошаблона), через которое проводилось экспонирование фоторезиста.
Позитивный фоторезист, наоборот, под действием света образует растворимые участки за счет фотораспада, которые обычно после проявления удаляются с поверхности подложки. Оставшийся на поверхности слой фоторезиста в точности повторяет рисунок оригинала, через который проводилось экспонирование фоторезиста.
В качестве негативного фоторезиста в полупроводниковой технологии применяют состав на основе сложного эфира поливинилового спирта и коричной кислоты — поливинилциннамат. Эти вещества имеют общую формулу Hi—{О—Л?2]л, где Hi— макромолекула поливинилового спирта, содержащая большое количество атомов, от углеводородной основы которой отходят светочувствительные циннамоильные группы R2.
При поглощении фотонов в негативных фоторезистах двойная связь углерод — углерод циннамоильной группы разрывается, а возникающие при ее разрыве свободные связи приводят к образованию мостиков, сшивающих отдельные молекулы полимера в химически стойкую трехмерную структуру.
Наряду с поливинилциннаматом в качестве негативного фоторезиста используют циклокаучук с различными добавками. Сам циклокаучук не является светочувствительным материалом, поэтому для повышения его чувствительности к свету в него вводят различные органические азиды (алкилазиды, алкеназиды, арила- зиды, бисазиды и др.).
Под действием света азиды разлагаются с потерей молекулы азота, образуя новые вещества — нитрены, которые вступают в
реакцию с макромолекулами каучука, в результате образуется стойкая трехмерная структура.
В качестве позитивных фоторезистов наибольшее применение нашли составы на основе новолака и светочувствительного нафтохинондиазида. Их особенность заключается в том, что под действием света происходит отщепление азота от нафтохинондиазидной группы и в результате химической реакции происходит образование инденкарбоновой кислоты. Гидрофобные производные нафтохинондиазида после фотохимических превращений становятся гидрофильными, т. е. приобретают способность растворяться в слабых водных растворах щелочей. Таким образом, при проявлении проэкспонированной пленки фоторезиста карбоксильная группа, получающаяся при разложении кислоты, реагирует с проявителем с образованием легко растворимых в воде солей. Это приводит к тому, что проэкспонированные участки пленки фоторезиста вымываются (удаляются с поверхности подложки), а Неэкспонированные остаются на поверхности подложки.
В полупроводниковой технологии широкое применение нашел состав позитивного фоторезиста на основе 1,2-нафтохинондиазид- (2)-5-сульфоэфира новолака, в который вводят различные добавки.
Растворителями’ позитивного фоторезиста служат спирты, кетоны, ароматические углеводороды, диоксан, ксилол и др. Рекомендуется использовать смеси из нескольких растворителей с различными значениями упругости паров, что значительно улуч- Та блица 8.1
Марка фоторезиста
Тип фоторезиста
Цвет фоторезиста
Вязкость, мПа-с
Разрешающая способность, линий/мм
Кислото- проиицае- мость по плотности дефектов, мм2
Стойкость в проявителе, с
ФП-307
Позитивный
Оранжевый
60
500
0,35
90
ФП-309
>
Красно-коричневый
60
400
0,5
—
ФП-330
>
Оранжевый
59
400
0,75
60
ФП-333
>
То же
28
500
0,2
180
ФП-334
>
Коричневый
45
400
0,2
600
•ФП-383
>
Оранжевый
59
400
0,5
60
ФП<17
>
Темно-коричневый
230
600
0,2
—
ФП-626
>
Оранжевый
240
500
—
—.
ФП-626а
>
То же
240
500
*
—.
ФП-РН-7
>
Коричневый
25
400
0,5
—m
ФП-РН-7-2
>
То же
25
400
0,5
2400
ФН-11
Негативный
>
90
100
—
Устойчив
ФН-103
>
Темно-красный
150
50
—
>
ФН-106
>
Желтый
70
200
0,4
>
ФН-108
>
Оранжевый
35
400
0,25
» i
140
шает процесс сушки и пленкообразование, снижает количество пор и механическое напряжение в пленке фоторезиста.
Для приготовления позитивных фоторезистов используют три вида светочувствительных хинондиазидов: продукт конденсации 1,2-нафтохинондиазид- (2) -5-сульфохлорида с 4,4-диоксидифенил- пропаном (№ И), продукт взаимодействия 1,2-нафтохинондиазид-(2)-5-сульфохлорида со смолой, полученной поликонденсацией бисфенола с формальдегидом (№ 27), и продукт конденсации 1,2-нафтохинондиазид-(2)'-5-сульфохлорида с новолачной смолой (№ 30).
В состав готового фоторезиста рекомендуется вводить 3—5 г светочувствительного хинондиазида, 5—10 г новолачной смолы; 70—80 мл ксилола, 20—30 мл монометилового эфира ацетатглико- ля. Кроме этих компонентов в состав фоторезиста для увеличения кислотостойкости вводят лак на основе эпоксидных смол в количестве 2—8 мл на 100 мл фоторезиста.
Основные типы фоторезистов приведены в табл. 8.1.
Критерии применимости фоторезистов
Основными критериями, которые необходимо принимать во внимание при использовании фоторезистов в технологии полупроводниковых приборов и интегральных микросхем, являются светочувствительность, разрешающая способность, кислотостойкость, адгезия к подложке и технологичность.
Светочувствительность фоторезистов. Светочувствительность любого фоторезиста является функцией процессов экспонирования и проявления. Главным требованием процесса экспонирования является спектральная чувствительность фоторезиста, которая измеряется величиной, обратной поглощенной световой энергии, необходимой для определенного измерения свойств светочувствительного материала.
Спектральная чувствительность фоторезиста
5= 1/(^0= V^.
где Е— световая облученность фоторезиста, Вт/м2; t — время облучения, с; H—Et— значение экспозиции, Вт-с/м2.
Таким образом, можно сделать вывод о том, что светочувствительность фоторезистов связана с полнотой засветки светочувствительного слоя материала.
Однако конечной целью фотолитографического процесса является не только полнота засветки фоторезиста, но и высокое качество получаемого в слое фоторезиста рельефа рисунка.
Поэтому более правильную характеристику светочувствительности фоторезистов можно дать только при совместном рассмотрении двух процессов: экспонирования и проявления.
Процесс проявления оказывает прямое влияние на светочувствительность фоторезистов, так как при проявлении происходит химическое взаимодействие проявителя с экспонированными и не-
экспонированными областями пленки фоторезиста. Процесс проявления формирует в пленке фоторезиста определенный рельеф рисунка, который в итоге и определяет качество полученной защитной пленки.
Под критерием светочувствительности негативных фоторезистов понимают образование после экспонирования и проявления на поверхности подложки локальных полимеризованных участков (рельефа рисунка) пленки фоторезиста.
Под критерием светочувствительности позитивных фоторезистов понимают полноту разрушения и удаления с поверхности подложки после экспонирования и проявления локальных участков (рельефа рисунка) пленки фоторезиста.
Таким образом, критерием светочувствительности фоторезистов служит четкость изображения рельефа рисунка в пленке фоторезиста после проведения процессов экспонирования и проявления, т. е. рельеф рисунка должен иметь резко очерченную границу между областями удаленного и оставшегося на поверхности подложки фоторезиста.
Разрешающая способность фоторезистов. Критерием применимости в производстве полупроводниковых приборов и интегральных микросхем того или иного фоторезиста является его способность создавать микрорельеф рисунка с минимальным размером элементов.
Разрешающая способность фоторезиста определяется числом линий равной толщины, которые могут быть получены без слияния на 1 мм поверхности пластины в результате проведения процесса фотолитографии.
Пусть необходимо получить на поверхности подложки линию фоторезиста шириной /. Учитывая, что минимальный зазор между линиями равен ширине самой линии, получим выражение для определения разрешающей способности:
R=Wb.
Если для изготовления полупроводникового прибора или интегральной микросхемы необходим рельеф рисунка с минимальным размером /=1 мкм, то разрешающая способность фоторезиста должна быть не ниже чем R—1/(2-0,001) =500 линий/мм.
Для определения разрешающей способности фоторезистов используют штриховые миры, которые представляют собой стеклянные пластины с нанесенными на их поверхности штрихами шириной от одного до нескольких десятков микрометров. Определяют разрешающую способность фоторезиста экспонированием его через миру, проявлением и подсчетом числа линий фоторезиста, оставшихся на поверхности и приходящихся на 1 мм подложки, или проведением процесса фотолитографии и контролем минимального размера рельефа рисунка пленки фоторезиста.
На разрешающую способность оказывают существенное влияние как процессы экспонирования и связанные с ними оптические 142
явления в системе фотошаблон — фоторезист — подложка, так и процессы проявления и сушки.
К оптическим явлениям, оказывающим влияние на разрешающую способность фоторезистов, следует отнести дифракцию света на границе фотошаблон — фоторезист, отражение света от поверхности подложки и рассеяние света в пленке фоторезиста.
Стабильность геометрических размеров элементов рельефа рисунка в пленке фоторезиста в сильной степени зависит от проведения процессов проявления и сушки. Процесс перепроявления приводит к увеличению размеров элементов (особенно для позитивных фоторезистов), а процесс сушки может приводить к короблению пленки фоторезиста.
Поэтому максимальную разрешающую способность можно получить при оптимизации всех рассмотренных процессов.
Кислотостойкость фоторезистов. Под кислотостойкостью фоторезистов принято понимать способность пленок фоторезистов после экспонирования, проявления и сушки селективно защищать поверхность подложки от воздействий кислотных и щелочных травителей.
Критерием кислотостойкости является время, в течение которого травитель воздействует на пленку фоторезиста до начала ее разрушения или отслаивания, а также качество полученных структур в подложке после травления.
Кислотостойкость фоторезистов является важным критерием их применимости в конкретных технологических процессах, так как многие из них связаны с использованием сильных травителей, в состав которых входят азотная, плавиковая, соляная, серная н другие кислоты, соли, щелочи.
Нестойкость фоторезистов определяется по следующим признакам: частичное разрушение пленки, отслаивание пленки от подложки, локальное растравливание пленки и подтравливание пленки на границе пленка — подложка.
Адгезия фоторезиста к подложке. В процессе фотолитографии адгезия фоторезиста к исходной подложке играет важную роль, так как она определяет стойкость пленки к внешним воздействиям. Адгезия пленки фоторезиста зависит от химического состава и строения самого фоторезиста, а также от состояния поверхности исходной подложки и режимов формирования пленки фоторезиста на подложке.
Определяющей предпосылкой для получения высокой адгезионной способности является хорошая смачиваемость подложки фоторезистом. Адгезионные силы пленки фоторезиста возрастают с увеличением степени смачивания.
Адгезия может быть значительно снижена за счет плохо обработанной поверхности подложки. Так, жировые пятна, адсорбированные газы, ионы чужеродных примесей могут создавать отдельные участки на подложке с малой адгезией фоторезиста. Поэтому чистота поверхности подложки является предпосылкой к хорошей адгезии фоторезиста. Наличие на поверхности подложки микро-
рисок и микроуглублений приводит к снижению адгезии за счет трудноудал им ого воздуха из этих структурных дефектов поверхности подложки.
Методы и режимы нанесения фоторезиста оказывают влияние на адгезию его к подложке. При нанесении слоя фоторезиста на поверхность подложки необходимо время, чтобы обеспечить удаление воздуха из-под пленки фоторезиста.
Под технологичностью фоторезистов в промышленных условиях понимают простоту приготовления фоторезиста нужного состава и требуемых физико-химических свойств; доступность нанесения его на поверхность подложки в виде тонкого равномерного слоя; удобство обработки фоторезистивных пленок при сушке, проявлении и травлении. Технологичность фоторезистов предусматривает также длительное их хранение без изменения светочувствительных и механических свойств. Важным моментом технологичности является токсичность самих фоторезистов и используемых для их проявления растворов.
К технологичности следует отнести возможность механизации и автоматизации процессов, связанных с использованием фоторезистов: приготовление, контроль, нанесение на подложку, сушка, экспонирование, проявление, травление подложки и удаление фоторезиста. Чем меньше затрат связано с использованием фоторезистов в общем процессе изготовления прибора, тем они технологичнее.
Фотошаблоны и способы их получения
Для проведения процессов фотолитографии в планарной технологии используют фотошаблоны.
Фотошаблоном в производстве полупроводниковых приборов и интегральных микросхем принято называть плоскопараллельную пластину из прозрачного материала, на которой имеется рисунок, состоящий из сочетания прозрачных и непрозрачных для света определенной длины волны участков, образующих топологию прибора или группы приборов, многократно повторенных в пределах рабочего поля пластины.
Фотошаблоны являются основным инструментом, с помощью которого формируют микроизображения сколь угодно сложного рисунка в слое фоторезиста, нанесенного на исходную подложку.
Основу фотошаблона изготовляют из оптического стекла, а рисунок на поверхность стекла наносят фотографическим способом. В зависимости от материала, из которого создан рисунок на стеклянной пластине, различают эмульсионные, металлизированные и цветные (транспарентные) фотошаблоны.
В эмульсионных фотошаблонах участки рисунка с максимальной и минимальной оптической плотностью создаются в слое эмульсии обычным фотографическим методом. Для этого типа фотошаблонов плотность прозрачного элемента (участка рисунка) 144
равна сумме оптических плотностей стеклянной подложки и эмульсионного слоя, не содержащего частиц серебра.
В металлизированных фотошаблонах участки рисунка создаются за счет тонкого слоя хрома. В этих фотошаблонах минимальная оптическая плотность прозрачных участков равна оптической плотности стекла, а максимальная плотность соответствует практически непрозрачным металлическим слоям хрома.
К достоинствам металлизированных фотошаблонов относится их высокая стойкость к истиранию, позволяющая проводить до нескольких сотен контактных экспозиций. Недостатками металлизированных фотошаблонов являются высокая отражающая способность пленки хрома (до 50—60%) и полная ее непрозрачность для видимого света.
Хромированные фотошаблоны обладают также более высокой разрешающей способностью за счет меньшей неровности края, получаемой при вытравливании микрорельефа в пленке хрома.
Высокая отражающая способность пленки хрома приводит .к засветке периферийных участков фоторезиста, расположенных под непрозрачным элементом фотошаблона, что вызывает-изменение формы и размеров оригинала рисунка.
Непрозрачность пленки хрома для видимого света приводит к значительным трудностям при совмещении рисунка фотошаблона с рисунком на исходной подложке, так как через непрозрачные участки фотошаблона невозможно увидеть элемент совмещения.
В цветных фотошаблонах рисунок выполняется с помощью пленки из оксида железа. Минимальная оптическая плотность, так же как и у металлизированных фотошаблонов, равна оптической плотности стекла, а максимальная плотность соответствует практически непрозрачным в ультрафиолетовом диапазоне пленкам оксида железа.
Основными достоинствами цветных фотошаблонов являются незначительная по сравнению с металлизированными фотошаблонами отражающая способность (до 10—15%) и прозрачность для видимого света.
Использование цветных фотошаблонов позволяет снизить эффект отражения света при контактной печати и тем самым значительно улучшить качество получаемого микроизображения., Прозрачность пленок оксида железа для видимого света дает возможность простого и качественного совмещения рисунка цветного фотошаблона с рисунком на исходной пластине.
Фотошаблоны могут быть негативными (темнопольными), когда изображение элементов рисунка представлено в виде светлых участков на темном поле, и позитивными (светлопольными), когда изображение элементов рисунка представлено в виде непрозрачных участков на светлом фоне.
К фотошаблонам предъявляют следующие основные требования: высокая точность геометрических размеров элементов рисунка, точность размеров шага между фрагментами, стабильность рисунка и его размеров во времени, стойкость к истиранию, пло-
скостность рабочей поверхности, совмещаемость комплекта фотошаблонов.
Высокая точность геометрических размеров элементов рисунка фотошаблона диктуется необходимостью получения активных элементов полупроводниковых приборов и интегральных микросхем, имеющих размеры от единиц до десятых долей микрометра. Точность шага между отдельными фрагментами рисунка фотошаблона обусловлена в первую очередь совмещаемостью комплекта фотошаблонов, а также необходимостью на заключительной стадии планарной технологии разделять исходную подложку на отдельные параллелепипеды, включающие в себя фрагменты прибора или интегральной схемы.
Стабильность рисунка фотошаблона и его размеров во времени является важным требованием, предъявляемым к эмульсионным фотошаблонам, так как при длительном хранении и влиянии внешних факторов (температура, влажность) эмульсионная пленка может деформироваться.
Стойкость к истиранию является основным требованием, которое предъявляется ко всем видам фотошаблонов. Это обусловлено тем, что перенос рисунка изображения с фотошаблона на исходную подложку осуществляется контактным способом, т. е. каждый процесс экспозиции сопровождается контактным прижатием поверхности фотошаблона, на которой нанесен защитный рисунок, к поверхности исходной пластины, на которую нанесена пленка фоторезиста. Многократное контактное прижатие фотошаблона к подложке приводит к его истиранию и непригодности к процессу фотолитографии.
Требование высокой плоскостности поверхности фотошаблона вытекает из того, что при контактной печати между фотошаблоном и исходной пластиной не должно быть зазоров, которые вызывают рассеяние проходящего через фотошаблон света.
Совмещаемость комплекта фотошаблонов является основным критерием применимости комплекта в производстве полупроводниковых приборов и интегральных микросхем. От правильного совмещения отдельных элементов каждого последующего фотошаблона зависит воспроизводимость структуры изготовляемого прибора, а также стабильность электрических параметров.
Изготовление фотошаблонов в настоящее время производится оптико-механическим, способом, который реализуется в трех различных вариантах исполнения, отличающихся друг от друга последовательностью операций и используемым оборудованием (рис. 8.1).
Первая операция первого варианта состоит в вычерчивании увеличенного в 100—1000 раз единичного фрагмента или модуля фотошаблона на бумаге или стекле, на поверхность которых нанесен слой черной краски, или на двухслойной полимерной пленке. Вычерчивание проводят с помощью координатографа с подвижным резцом. Задавая определенные координаты в двух взаимно перпендикулярных направлениях, определяют фигуру на 146
плоскости и резцом обводят контур этой фигуры, подрезая слой краски или один из слоев двухслойной полимерной пленки. Ненужные участки краски или пленки, прорезанные резцом по контуру, удаляют с поверхности стекла или с основы полимерной пленки. Полученные таким образом окна заданной сколь угодно сложной конфигурации являются изображениями фрагментов или
Рис. 8.1. Варианты изготовления фотошаблонов
элементов модуля. Координатографы позволяют обеспечить точность размеров вырезаемых фигур в пределах ±50 мкм.
Если полученную с такой точностью фигуру при последующих процессах уменьшить в 100—1000 раз, то ошибка геометрического размера элемента на рабочем фотошаблоне не превысит сотых долей микрометра.
Вычерчивание фигур на координатографе осуществляется автоматически по заранее составленной программе с использованием ЭВМ.
Вторая операция этого варианта предусматривает изготовление промежуточного оригинала (эмульсионного) с помощью редукционной камеры. Полученный в первой операции увеличенный оригинал помещают в редукционную камеру и фотографируют с уменьшением в 50—100 раз на фотопластину с высокой разрешающей способностью.
Таким образом, промежуточный оригинал является уменьшенной копией увеличенного оригинала. Качество получаемых промежуточных оригиналов в сильной степени зависит от разрешающей способности используемых объективов и фотопластин.
Для улучшения качества и срока службы промежуточного оригинала с изготовленного эмульсионного образца делают металлизированные копии.
Третья операция варианта представляет собой процесс мультипликации рисунка промежуточного оригинала по всему рабочему полю, т. е. изготовление эталонного фотошаблона. Процесс мультипликации проводят в специальных установках: одноместных или многоместных фотоштампах.
Промежуточный оригинал помещают в проекционную, камеру фотоштампа. Фотоштамп экспонирует рисунок промежуточного оригинала на поверхность пластины с фоточувствительным слоем будущего эталонного фотошаблона с уменьшением до рабочих размеров и мультиплицирует этот рисунок по всей поверхности пластины. Мультипликация рисунка осуществляется за счет передвижения стола фотоштампа, на котором расположена стеклянная пластина с фоточувствительным слоем, в двух взаимно перпендикулярных направлениях с заданным шагом.
Наряду с механической в некоторых случаях используют и оптическую мультипликацию. Оптическая мультипликация основана на применении линзовых растров, которые способны создать одновременно большое количество уменьшенных изображений рисунка промежуточного оригинала на поверхности стеклянной пластины с фоточувствительным слоем. Линзовый растр представляет собой множительную оптическую систему, состоящую из большого количества маленьких линз — объективов, размещенных по определенному закону на одной основе, имеющей вид плоскопараллельной прозрачной пластины. Светофокусирующая поверхность линзовых элементов растра может быть сферической, эллиптической, цилиндрической и др. Наиболее часто используют линзовые элементы со сферической поверхностью.
Если перед линзовым растром поставить промежуточный оригинал, а в фокальной плоскости растра — пластину с фоточувствительным слоем, то при экспонировании каждая линза растра спроецирует рисунок промежуточного оригинала на фотослой в заданном месте и в заданном размере. Шаг мультипликации в этом методе постоянен и равен расстоянию между соседними линзами растра. Размеры изображения, получаемые на фотопластине, могут изменяться регулированием расстояния между объектом и плоскостью линзового растра, а также изменением размеров рисунка промежуточного оригинала.
Разрешающая способность процесса с использованием линзовых растров невысока и значительно уступает разрешающей способности процесса мультипликации с использованием фотоштампов.
Четвертая, завершающая, операция этого варианта заключается в изготовлении рабочих копий с полученного эталонного фотошаблона. Эта операция состоит в контактной перепечатке рисунка с эталонного фотошаблона на металлизированную пластину с фоточувствительным слоем. Сначала на стеклян- 148
ную пластину с помощью вакуумно-термического испарения наносят слой хрома толщиной 0,1—0,2 мкм. Затем на слой хрома методом центрифугирования наносят слой фоторезиста толщиной 0,2—0,4 мкм. Перед процессом экспонирования создают хороший прижим эталонного фотошаблона эмульсионной стороной к поверхности металлизированной пластины с фоторезистом, чтобы между ними отсутствовал зазор по всей соприкасающейся поверхности. После этого проводят экспонирование фоточувствительного слоя фоторезиста через эталонный фотошаблон.
Следует отметить, что контактная перепечатка имеет один существенный недостаток —возможность механического повреждения как поверхности эталонного фотошаблона, так и пленки фоторезиста исходной металлизированной пластины. Для устранения этого недостатка необходимо тщательно промывать стеклянные заготовки и соблюдать требуемую чистоту в рабочих помещениях.
Первая операция второго варианта (рис. 8.1) состоит в изготовлении оригинала, представляющего собой увеличенный в 10 раз единичный фрагмент или модуль фотошаблона. Такой оригинал по своим размерам рисунка и габаритам подложки аналогичен промежуточному оригиналу, полученному на редукционной камере.
Оригиналы изготавливают на специальных установках, которые позволяют генерировать изображения определенной формы на поверхность фотопластины. Основными элементами таких установок являются рабочая камера с оптической системой, подвижная диафрагма, двухкоординатный подвижный стол и электронная система управления с ЭВМ.
Генерация изображения осуществляется с помощью пучка света высокой интенсивности, который проходит через оптическую систему и экспонирует определенные участки поверхности фотопластины, расположенной на координатном столе. С помощью подвижной диафрагмы можно автоматически задавать форму и размеры окна, через которое проходит пучок света. Смещением координатного стола в двух взаимно перпендикулярных направлениях выбирают необходимые координаты на фотопластине для проведения экспонирования. Связь между передвижением координатного стола, выбором формы диафрагмы и временем экспозиции осуществляется с помощью ЭВМ по определенной программе. Генераторы изображения можно рассматривать как выходные устройства машинного проектирования топологии фотошаблонов.
Применяют три разновидности генерирования изображения: микрофотонабор, фотомонтаж и сканирование светового луча с поэлементной разверткой.
При микрофотонаборе топологический рисунок оригинала набирается из отдельных элементов. В соответствии с вводимой в ЭВМ информацией (программой) эти элементы последовательно экспонируются в соответствующих местах фотопластины. В простейшем и наиболее распространенном случае наборным элементом служит прямоугольник, размеры которого и угол поворота в
процессе генерирования изображения изменяются за счет подвижной диафрагмы. Диафрагма размещается в предметной плоскости объектива и формирует наборные элементы путем перемещения взаимно перпендикулярных шторок.
При фотомонтаже топологический рисунок набирается из стандартных элементов или фрагментов, также последовательно экспонируемых в определенных местах фотопластины по заданной программе.
Сканирование светового луча с поэлементной разверткой предусматривает последовательное избирательное экспонирование участков фотопластины в соответствии с выбранной и введенной в ЭВМ программой.
Вторая операция этого варианта аналогична третьей операции первого варианта и состоит в изготовлении эталонного фотошаблона путем мультипликации оригинала, полученного на генераторе изображений, по всему рабочему полю фотопластины. Процесс мультипликации, как правило, проводят на одноместных или многоместных фотоштампах.
Третья операция второго варианта заключается в изготовлении рабочих копий фотошаблонов методом контактной перепечатки рисунка с эталонного фотошаблона на рабочую фотопластину (см. четвертую операцию первого варианта).
Первая операция третьего варианта (рис. 8.1) состоит в создании эталонного фотошаблона, основанном на применении установок с генераторами изображений. Отличие этого варианта от предыдущего заключается в том, что полностью исключается изготовление оригинала, а рисунок элемента, фрагмента или модуля сразу генерируется на эталонную фотопластину. Такой вариант изготовления эталонных фотошаблонов позволяет получать минимальные размеры модулей и в значительной степени снижать общие затраты трудоемкости процесса.
Вторая операция этого варианта аналогична четвертой операции первого варианта.
Выбор того или иного варианта изготовления фотошаблонов диктуется в первую очередь теми требованиями, которые предъявляются к топологии рисунка изготовляемого прибора или вновь разрабатываемой интегральной схемы. Полупроводниковые приборы и интегральные микросхемы, имеющие сложные элементы топологии и большую плотность их расположения, требуют более сложного варианта изготовления фотошаблонов с использованием ЭВМ.
Промышленное изготовление фотошаблонов
Для обеспечения выпуска полупроводниковых приборов и интегральных микросхем в настоящее время налажен промышленный цикл изготовления металлизированных фотошаблонов. Он включает в себя комплекс разнообразных технологических процессов: изготовление пластин из оптического стекла, механическую и хи- 150
мическую обработку стеклянных пластин, промывку, нанесение металлических или цветных пленок на поверхность стеклянных пластин, создание на этих пленках слоя фоторезиста, проведение контактной печати, фотохимическую обработку слоя фоторезиста, контроль качества фотошаблонов и их упаковку.
Рис. 8.2. Схема серийного изготовления фотошаблонов
Изготовление эталонного фотошаблона, который используется при контактной печати, проводят по одному из трех рассмотренных в предыдущем разделе вариантов.
На рис. 8.2 приведена схема серийного промышленного производства фотошаблонов, на которой показана последовательность проведения технологических операций.
Рассмотрим особенности этих технологических операций.
Изготовление стеклянных пластин. В качестве исходного материала для изготовления стеклянных пластин используют оптическое боросиликатное стекло марки К-8, обладающее достаточной механической прочностью, не имеющее инородных включений, свилей и пузырей. Это стекло имеет широкий спектр пропускания
151
как видимого света, так и ближнего ультрафиолетового. Оно имеет показатель преломления, равный 1,5163, и среднюю дисперсию 0,008.
После варки стекло формируют для придания ему определенной формы и размеров. В качестве подложек для фотошаблонов используют обычно пластины квадратной формы следующих размеров, мм: 70X70X3, 76X76X3, 102X102X3, 127X127X3. К стеклянным пластинам для фотошаблонов предъявляют повышенные требования по чистоте обработки поверхности и геометрическим размерам.
Механическая обработка стеклянных пластин. Стеклянные заготовки после варки и формовки подвергают механической обработке: шлифовке и полировке. Процесс шлифовки проводят на шлифовальных станках с использованием микропорошков в качестве абразивов. Затем стеклянные пластины полируют на мягких полировальниках с использованием алмазных паст и суспензий на основе оксида хрома. Окончательную доводку производят при получении 14-го класса чистоты обработки и при допустимом отклонении от плоскостности, не превышающем 3 мкм в рабочей части пластины. Полированная поверхность стеклянных пластин не должна иметь рисок, царапин и точек микросколов.
Химическую обработку стеклянных пластин проводят для удаления с их поверхности различного рода загрязнений. После механической обработки пластины подвергают химическому воздействию щелочей, кислот и растворов солей. Такая обработка позволяет растворить имеющиеся на поверхности стекла посторонние частицы.
Промывка стеклянных пластин является одним из наиболее важных технологических процессов при изготовлении фотошаблонов. Этот процесс является логическим продолжением предыдущего процесса химической обработки. От качества промывки зависит окончательная чистота поверхности стеклянной пластины. Оставленная на поверхности инородная частица размером в 1 мкм может вызвать брак на последующей технологической операции. Поэтому особое значение процесс промывки стекла имеет при изготовлении фотошаблонов с размерами элементов менее 1 мкм.
Существуют различные способы очистки стекла после химической обработки: обезжиривание в ацетоне, в горячем 10 %-ном растворе соды или водном растворе бихромата калия, в горячей дистиллированной воде и метиловом спирте, в горячей проточной воде и хромовой смеси, в растворе едкого кали, в серном эфире, в смеси серного эфира и этилового спирта.
Наиболее эффективной является такая последовательность технологических операций.
Первая операция: обезжиривание в горячем перекисно- аммиачном растворе (являющемся хорошим окислителем и не образующем вредных соединений) с последующей промывкой проточной деионизованной водой.
Вторая операция: обработка в концентрированной серной кислоте с последующей промывкой в деионизованной воде. Этот процесс проводится для дополнительного окисления возможных остатков жировых загрязнений и растворения некоторых неорганических веществ.
Третья операция: протирка специальными кистями в проточной деионизованной воде, которая значительно улучшает качество отмывки, механически удаляя остатки реакции двух предыдущих процессов.
Четвертая операция: сушка стеклянных пластин с помощью центрифуги.
Промышленная линия очистки стеклянных пластин обычно состоит из ультразвуковой очистки, обработки в горячем растворителе, вибрационно-химической обработки, финишной отмывки, сушки и нанесения консервирующего лакового покрытия.
Нанесение металлических пленок. На чисто обработанную поверхность стеклянной пластины в вакуумных камерах с помощью термического испарения или катодного распыления наносят слой хрома толщиной 0,1—0,2 мкм. Пленка хрома не должна иметь сквозных отверстий (проколов). Получение высококачественной пленки хрома возможно лишь при соблюдении оптимальных условий по чистоте рабочего места, незапыленности рабочих камер установок и идеальной чистоте поверхности стеклянных пластин. Большое влияние на качество-хромовых покрытий оказывают процесс загрузки пластин в вакуумную камеру, глубина вакуума в рабочей камере и технологический режим осаждения хрома.
Прежде всего необходимо добиваться чистоты процесса загрузки пластин в камеру, исключая попадание пылинок на поверхность пластин и стенки камеры. Защитный консервирующий лаковый слой необходимо снимать с пластины непосредственно перед загрузкой пластины в рабочую камеру установки.
Следует обращать внимание и на чистоту исходной навески хрома. Для удаления загрязнений навеску хрома перед загрузкой в камеру подвергают отжигу при температуре, близкой к температуре испарения.
Нанесение цветных пленок. В качестве цветных пленок при изготовлении фотошаблонов наиболее часто используют пленки оксида железа. Они могут быть нанесены на поверхность стеклянных пластин различными способами: вакуумным термическим испарением оксида железа с использованием в качестве нагревателя испарителя электронного луча или безвакуумным термическим разложением пентакарбонила железа Fe(CO)s в атмосфере кислорода. Толщина пленок оксида железа составляет 0,2—0,25 мкм. Для получения высококачественных пленок оксида железа необходимо выполнять требования по чистоте рабочего места и чистоте проведения процесса осаждения.
В отличие от пленок хрома пленки оксида железа прозрачны для видимого света, что дает возможность использовать их для изготовления цветных фотошаблонов.
Нанесение фоторезиста. От качества пленки фоторезиста (адгезия к подложке, толщина, равномерность толщины по всей поверхности пластины, однородность, отсутствие дефектов и посторонних включений и т. д.) во многом зависят рабочие характеристики фотошаблонов: форма и размер элементов микроизображения, ровность края элемента, наличие или отсутствие проколов (отверстий), минимальный размер элемента и клин травления рельефа микроизображения. Поэтому к процессу нанесения фоторезиста на стеклянную пластину предъявляют высокие требования как по чистоте и исходным свойствам самого фоторезиста, так и по созданию условий хорошей адгезии пленки фоторезиста к стеклу и равномерности ее по толщине.
Наиболее распространенным в промышленности способом нанесения фоторезиста является центрифугирование. По этому способу стеклянная подложка помещается на диск центрифуги. С помощью дозатора на поверхность подложки наносится определенное количество фоторезиста. При вращении центрифуги фоторезист равномерно распределяется по всей поверхности исходной подложки. Режим нанесения фоторезиста и его количество подбирают экспериментально в зависимости от конкретных требований технологического процесса.
После нанесения фоторезиста проводят сушку для образования механически прочной пленки. Процесс сушки ведут при температуре, не превышающей 100°С, в течение 30—40 мин.
Изготовление эталонного фотошаблона. Эта операция непосредственно не входит в общую последовательность изготовления рабочих копий фотошаблонов. Правильнее будет сказать, что изготовление рабочих копий является завершающей операцией после изготовления эталонного фотошаблона.
Рассмотрение данной операции именно в этом месте объясняется тем, что после нанесения фоторезиста следует операция контактной проекционной печати, а для ее осуществления необходим эталонный фотошаблон.
Методы изготовления эталонных фотошаблонов описаны в предыдущем разделе данной главы.
Контактная проекционная печать. Этот процесс дает возможность с одного эталонного фотошаблона изготовить несколько десятков копий, которые являются рабочими фотошаблонами. Изготовление копий проводят простым и надежным контактным способом, который состоит в плотном прижатии эталонного фотошаблона к подложке с фоторезистом и экспонировании фоторезиста через эталонный фотошаблон.
Недостатком контактной печати является возможность механического повреждения как поверхности эталонного фотошаблона, так и слоя фоторезиста. К достоинствам следует отнести неограниченность площади переносимого с фотошаблона на подложку с фоторезистом рисунка микроизображения.
К процессу контактной печати предъявляют два основных требования: получение плотного прижима фотошаблона к пленке фо- 154
торезиста по всей контактирующей поверхности и создание равномерной освещенности по всему полю фотошаблона.
Тиражирование рабочих фотошаблонов контактным способом проводят на специальных установках, которые обеспечивают неравномерность освещенности рабочего поля фотошаблона ±10% и производительность 100 копий в час.
Фотохимическая обработка. После проведения контактного экспонирования пластины с фоторезистом подвергают специальной обработке для создания рельефа рисунка. Эта обработка включает в себя следующие технологические операции: проявление изображения, промывку после проявления, сушку пленки фоторезиста для ее полимеризации, локальное травление металлических и цветных пленок, удаление фоторезиста и промывку готовых копий рабочих фотошаблонов.
Для проявления позитивных фоторезистов широко используют глицериновый (1%-ный раствор тринатрийфосфата в водно-гли- цериновом составе) и щелочный (0,3%-ный раствор КОН) проявители. Негативные фоторезисты проявляют в различных растворителях: толуоле, хлорбензоле или трихлорэтилене. Промывку пластин с фоторезистом проводят в деионизованной воде.
Для удаления влаги и полимеризации пленки фоторезиста проводят термическую сушку при температуре 140—160°С в течение 30—40 мин.
Травление пленки хрома при изготовлении металлизированных копий проводят в водных растворах соляной кислоты (НС1: Н2О = = 1:3), а травление пленок оксида железа при изготовлении цветных копий проводят в фосфорной кислоте.
Удаление фоторезиста после локального травления пленок хрома и оксида железа проводят в установках фреоновой очистки, которые состоят из трех рабочих отсеков. Пластину с фоторезистом помещают последовательно в каждый отсек, наполненный парами фреона.
В первом отсеке установки проводят ультразвуковую обработку пластины в жидком фреоне, во втором отсеке — обработку в смеси фреона с растворителями, а в третьем — обработку в парах фреона. В результате такой трехступенчатой обработки фоторезист полностью удаляется с поверхности пластин.
Контроль фотошаблонов является сложной и трудоемкой операцией. Наиболее трудоемкая часть контроля фотошаблонов относится к проверке качества рабочего поля. Рабочее поле фотошаблона не должно иметь каких-либо дефектов поверхности: сколов, царапин, рисок, сквозных отверстий на темном поле и точек на светлом поле, дефектов края микроизображения (выступы и впадины). Контролируются следующие параметры фотошаблонов: форма и размеры элементов микроизображения, точность совмещения элементов в комплекте фотошаблонов, чистота рабочего поля фотошаблона.
Контроль фотошаблонов проводят на прецизионном измерительном оборудовании с использованием микроскопов.
Процесс аттестации готовых рабочих фотошаблонов осуще-’ ствляется либо переносом функций контрольного оборудования на производственное оборудование, т. е. фиксацией процента выхода годных изделий (приборов и интегральных микросхем), либо соз-, данием специализированного оборудования для контроля параметров фотошаблонов.
Контроль фотошаблонов первым способом проводят в том случае, когда технологический процесс изготовления прибора или микросхемы хорошо отработан или сам прибор или схема достаточно просты.
выборочного иливыборочного илиственно после их изготовления посредством100%-ного контроля основных параметров.Количество контролируемых фотошаблонов находится в прямой зависимости от сложности и минимальныхственно после их изготовления посредством100%-ного контроля основных параметров.Количество контролируемых фотошаблонов находится в прямой зависимости от сложности и минимальныхКонтроль фотошаблонов вторым способом проводят непосред- ,
выборочного или
выборочного или
ственно после их изготовления посредством
100%-ного контроля основных параметров.
Количество контролируемых фотошаблонов находится в прямой зависимости от сложности и минимальных
ственно после их изготовления посредством
100%-ного контроля основных параметров.
Количество контролируемых фотошаблонов находится в прямой зависимости от сложности и минимальных
размеров отдель- ; ных элементов микроизображения. Как правило, 100%-ной провер- ' ке подлежат эталонные фотошаблоны, а также рабочие копии фотошаблонов на этапе освоения производства новых типов приборов и микросхем. При налаженном производстве используют выборочную проверку фотошаблонов с оптимальным количеством ■
наиболее важных параметров.
Проверку линейных размеров отдельных элементов, фрагментов и модулей проводят с помощью микроскопа по всему полю фотошаблона с увеличением в 500 раз. Ошибки при измерениях могут возникать из-за недостаточной резкости изображения, при этом размер одного и того же элемента может колебаться от 0,2 до 0,8 мкм. Кроме того, на ошибку измерения большое влияние оказывает температура окружающей среды. Так, при измерении в ; течение 30 мин и более пластина фотошаблона нагревается от
темпера-темпера-Проверку совмещаемости комплекта фотошаблоновПроверку совмещаемости комплекта фотошаблоновлампы освещения, что приводит к искажению точности измерения . линейных размеров на 0,5 мкм. Поэтому проводить контроль линейных размеров рекомендуется при стабильной температуре окружающей среды с точностью ее поддержания не хуже -I- 10^
темпера-
темпера-
Проверку совмещаемости комплекта фотошаблонов
Проверку совмещаемости комплекта фотошаблонов
проводят на специальных компараторах, которые позволяют контролировать несовмещаемость элементов с точностью 0,1 мкм. Измеряют координаты шаговых меток или расстояния между отдельными элементами, фрагментами или модулями. Вначале измеряют координаты по оси X, при этом записывают значения кЬординаты на одном конце фотошаблона, а затем на другом. После вычитания координат получают так называемую «растяжку» первой строки из матрицы элементов фотошаблона на координате X. Затем повторяют аналогичные измерения по оси У и определяют «растяжку» цо этой оси. После проведения этой операции проводят аналогичную операцию на втором фотошаблоне из одного комплекта. По результатам этих измерений определяют рассовмещение элементов этих двух фотошаблонов. Повторяя эту операцию для всех фотошаблонов одного комплекта, определяют его совмещаемость.
Совмещаемость комплекта фотошаблонов можно оценить с помощью процесса фотолитографии с последовательным использованием фотошаблонов всего комплекта. После каждого фотолитографического процесса визуально под микроскопом определяют совмещаемость двух рисунков. Этот метод широко используется в производственных условиях.
Контактная фотолитография
Контактная фотолитография предусматривает процесс образования рисунка на исходной подложке с фоторезистом. Этот процесс включает создание контакта между фотошаблоном и подложкой, поэтому и получил название контактной фотолитографии.
Использование фотолитографии в планарной технологии позволяет получать на одной подложке большое количество (десятки, и сотни тысяч) дискретных элементов и сложных схем.
Технологический процесс контактной фотолитографии представлен на рис. 8.3 и включает в себя следующие операции:
— подготовка поверхности исходной подложки;
—нанесение на подложку слоя фоторезиста;
первая сушка фоторезиста — пленкообразование;
совмещение рисунка фотошаблона с рисунком на исходной подложке (если процесс фотолитографии повторяется с изменением фотошаблона);
экспонирование фоторезиста контактным способом;
— проявление фоторезиста;
— вторая сушка фоторезиста — полимеризация;
— контроль рельефа рисунка в пленке фоторезиста;
травление подложки;
снятие пленки фоторезиста с поверхности подложки;
контроль рельефа рисунка в подложке.
Рассмотрим подробно каждую из этих операций и дадим характеристику технологическим режимам их проведения.
Подготовка поверхности исходной подложки. Подготовка поверхности исходных подложек оказывает существенное влияние на адгезию фоторезиста к материалу подложки. Чем чище поверхность исходной подложки, тем лучше адгезионная способность фоторезиста. Процесс смачивания поверхности исходной пластины фоторезистом является основным критерием и определяющей предпосылкой для хорошей адгезии. Смачивание в сильной степени зависит от состояния смачиваемой поверхности подложки, т. е. от наличия на ней грязи, пыли, жировых пятен, адсорбированных газов, посторонних примесей и т. д. Удаление перечисленных видоа загрязнений и особенно отпечатков пальцев обеспечивает чистоту поверхности, улучшение процесса смачивания и, как следствие» приводит к повышению адгезионных сил между фоторезистом и* подложкой.
Кроме указанных загрязнений, оказывающих влияние на адгезию, существуют и другие факторы, приводящие к ее снижению»
157
К этим факторам в первую очередь следует отнести всякого рода механические повреждения поверхности исходной подложки: риски, царапины, сколы, микротрещины, углубления и пр. В этих механических повреждениях находится воздух, который трудно удаляется при нанесении на подложку фоторезиста. Поэтому в ме-
Рнс. 8.3. Схема процесса контактной фотолитографииРнс. 8.3. Схема процесса контактной фотолитографии
Рнс. 8.3. Схема процесса контактной фотолитографии
Рнс. 8.3. Схема процесса контактной фотолитографии
стах механических повреждений создаются области слабой адгезии фоторезиста к подложке.
Подготовка поверхности исходной подложки перед нанесением фоторезиста — это ряд последовательных обработок в химических растворах и растворителях с целью удаления различных загрязнений и адсорбированных газов, а также увеличения гидрофобности поверхности.
Наиболее эффективным способом обработки является промывка исходных подложек в различных растворителях: трихлорэтилене, толуоле, амилацетате, ацетоне и этиловом спирте. Некоторые 158
виды загрязнений труднее поддаются удалению, и их можно удалить только кипячением подложек в серной или азотной кислотах.
Нанесение на подложку слоя фоторезиста. От этой операции зависят основные параметры пленки фоторезиста: бездефектность, толщина, равномерность толщины по всей поверхности подложки, адгезия и воспроизводимость результатов.
Для нанесения слоя фоторезиста на подложку применяют различные способы: центрифугирование, распыление (пульверизация), окунание в растьор фоторезиста, полив и накатка валиком. Эти способы находят применение в различных областях производства микроэлектронного приборостроения. Так, способы центрифугирования и распыления в настоящее время используют при производстве полупроводниковых приборов и интегральных микросхем с большой плотностью элементов и малыми размерами.
Окунание в раствор фоторезиста применяют в тех случаях, когда необходимо сразу нанести фоторезист на обе поверхности исходной подложки. Заливку и накатку валиком применяют главным образом для изготовления печатных плат.
Способ центрифугирования является одним из наиболее распространенных в полупроводниковой технологии способов нанесения фоторезиста на поверхность подложки. При сравнительно несложном оборудовании этот способ позволяет получать достаточно' равномерные пленки фоторезиста (разброс по толщине не превышает ±10%). Способ распыления (пульверизации) не нашел широкого распространения в промышленном производстве.
Перед нанесением фоторезиста на подложку он подвергается фильтрации с целью удаления из него механических примесей. До фильтрации проводят контроль вязкости фоторезиста и при необходимости разбавляют его до требуемого значения вязкости.
Для нанесения слоя фоторезиста подложку располагают на диске центрифуги и прочно закрепляют. С помощью дозатора на поверхность подложки нанбсят определенное количество фоторезиста, дают возможность ему растечься по поверхности подложки и после этого включают вращение диска центрифуги. При вращении под действием центробежной силы фоторезист равномерно' распределяется по поверхности подложки.
Толщина пленки фоторезиста зависит от частоты вращения центрифуги, вязкости фоторезиста, характера подложки (химическая природа материала, качество обработки поверхности и ее чистота) и центровки подложки относительно оси центрифуги.
Частоту вращения диска центрифуги выбирают в диапазоне 2000—15 000 об/мин. При частоте вращения подложки менее- 2000 об/мин возможно образование валика фоторезиста по периметру подложки, возникающего за счет поверхностного натяжения. При частоте вращения более 15000 об/мин возможно полное удаление фоторезиста с поверхности подложки за счет увеличения центробежных сил, действующих на фоторезист.
Конкретный технологический режим нанесения фоторезиста на подложку выбирают в зависимости от типа используемого фоторезиста, вида центрифуги и материала исходной подложки.
Критерием выбора толщины пленки фоторезиста, с одной стороны, является бездефектность (отсутствие проколов), с другой стороны, высокая разрешающая способность.
При толщинах пленок фоторезиста менее 0,2 мкм вероятность
появления проколов резко увеличивается, что не дает возможно-
Рис. 8.4. Зависимость разрешающей способности фоторезистов от толщины пленкиРис. 8.4. Зависимость разрешающей способности фоторезистов от толщины пленкирезиста силы, вызванныерезиста силы, вызванныести практического их использования. При толщинах пленок более 1 мкм разрешающая способность их снижается настолько, что не позволяет получать элементы с малыми размерми. Поэтому рекомендуется наносить пленки фоторезиста толщиной от 0,3 до 0,8 мкм. При выборе толщины пленки фоторезиста необходимо учитывать тот факт, что при проявлении они набухают. Чем толще пленка фоторезиста, тем больше деформация пленки при набухании.
Рис. 8.4. Зависимость разрешающей способности фоторезистов от толщины пленки
Рис. 8.4. Зависимость разрешающей способности фоторезистов от толщины пленки
резиста силы, вызванные
резиста силы, вызванные
При малых размерах элементов рисунка такая деформации пленки фоторезиста при набухании может привести к смыканию соседних элементов рисунка.
При больших толщинах пленки фотопроцессом набухания, могут быть столь
значительными, что разрушат связи между подложкой и пленкой фоторезиста. Это приводит к смещению пленки фоторезиста отно
сительно подложки и, как следствие, к изменению формы и размеров элементов рисунка.
Следует отметить, что с увеличением толщины пленки фоторезиста возрастает влияние рассеяния света в самой пленке, что
также приводит к изменению размеров элементов рисунка.
На качество рисунка большое влияние оказывает неоднородность пленки фоторезиста по толщине. С увеличением неоднородности пленки уменьшается разрешающая способность ее отдель
ных участков.
На рис. 8.4 показан график зависимости разрешающей способности фоторезиста от толщины пленки фоторезиста. На графике обозначены две области, ограничивающие выбор толщины пленки при ее нанесении на подложку. Вертикальная область (на рисунке заштрихована), ограничивающая толщину пленки снизу, характеризуется низкой совершенностью пленки и наличием в ней большого числа проколов. Горизонтальная область (на рисунке заштрихована), ограничивающая толщину пленки фоторезиста сверху, характеризуется минимально возможной разрешающей способностью фоторезиста, необходимой для проведения процесса «фотолитографии.
Первая сушка фоторезиста — пленкообразование. Эту операцию проводят для удаления растворителя из слоя фоторезиста и образования прочной и однородной пленки.
Сушка полимерных пленок является одной из важнейших операций, так как от нее зависят адгезия и наличие внутренних механических напряжений в пленке.
Деформация пленки фоторезиста при ее сушке вызывается неравномерностью удаления растворителя с поверхности пленки и с ее более глубоко залегающих слоев. Это приводит к короблению пленки и изменению ее равномерности по толщине. В связи с этим необходимо выбирать такие режимы сушки, которые давали бы возможность равномерного испарения растворителя из пленки фоторезиста и снижения внутренних механических напряжений. Для этого используют двухступенчатый температурный цикл сушки, который обеспечивает плавный процесс удаления растворителя из пленки фоторезиста.
Критерием для выбора температуры сушки является температура, при которой происходит полимеризация пленки фоторезиста. Для различных типов фоторезистов температура полимеризации соответствует 140—200°С. Поэтому первый процесс сушки обычно проводят при температуре значительно ниже температуры полимеризации. Для получения высококачественных пленок фоторезистов их сушат в два этапа, сначала при температуре 18—20°С в течение 15—30 мин, а затем при температуре 90— 100°С в течение 30—60 мин.
Процесс сушки рекомендуется проводить в инертной атмосфере, так как при сушке на воздухе возможно окисление фоторезиста. В качестве источников излучения в оборудовании сушки фоторезистов в настоящее время используют инфракрасный нагрев.
Совмещение рисунка фотошаблона с рисунком на исходной пластине. Эта операция в первичном процессе фотолитографии отсутствует, так как на исходной подложке еще нет рисунка мидро- изображения. Операция совмещения появляется лишь в том случае, если процесс фотолитографии повторяется, а рисунок фотошаблона при второй фотолитографии изменяется. Сущность процесса совмещения состоит в том, чтобы рисунок на исходной подложке, полученный в процессе первой фотолитографии, совместить с рисунком на фотошаблоне, который используется в процессе второй фотолитографии.
Точность совмещения этих двух рисунков зависит от трех факторов: точности совмещения фотошаблонов в комплекте, точности воспроизведения форм и размеров элементов рисунка в процессе фотолитографии и точности самой операции совмещения. Для облегчения процесса совмещения на фотошаблонах изготовляют специальные знаки, которые представляют собой фигуры совмещения в виде крестов, уголков, квадратов и др. Форму фигур совмещения выбирают в зависимости от типа используемого в процессе фотолитографии фоторезиста (негативного или позитивного). Если фигура совмещения на фотошаблоне представляет собой 6—210 161
прозрачное окно, то по своим размерам она должна охватывать аналогичную фигуру совмещения на подложке. Если же фигура совмещения на фотошаблоне — непрозрачный элемент, то она должна охватываться аналогичной фигурой совмещения на подложке.
Операцию совмещения проводят на специальной установке для совмещения микроизображений, основными элементами которой являются предметный стол со сферическим основанием, рамка для закрепления фотошаблона и устройётво для точного перемещения рамки и поворота предметного стола. Перед процессом совмещения подложку помещают на предметном столе так, чтобы слой фоторезиста был сверху. Над поверхностью подложки располагают фотошаблон, закрепляя его в подвижной рамке. Между подложкой и фотошаблоном оставляют воздушный зазор для свободного перемещения фотошаблона относительно подложки. Совмещения рисунка на фотошаблоне и подложке достигают с помощью передвижения рамки с фотошаблонов в двух взаимно перпендикулярных направлениях и поворота рабочего стола с подложкой вокруг вертикальной оси.
После достижения совмещения двух рисунков плоскость подложки плотно прижимают к поверхности фотошаблона.
Экспонирование фоторезиста контактным способом. Операцию экспонирования проводят для того, чтобы в фоторезисте произошли фотохимические реакции, которые изменяют исходные свойства фоторезиста.
От этой операции зависит качество переноса микроизображения с фотошаблона на пленку фоторезиста. Поэтому основной целью операции экспонирования является высокоточное воспроизведение пленкой фоторезиста всех элементов, фрагментов и модулей топологии полупроводникового прибора или интегральной микросхемы.
На процесс экспонирования оказывают влияние следующие факторы: качество фотошаблона, свойства фоторезиста, качество пленки фоторезиста, свойства подложки, оптические явления в системе подложка — фотошаблон, качество процесса совмещения.
При контактном экспонировании свет проходит через фотошаблон и попадает на слой фоторезиста. Следовательно, зарождение элементов рисунка в пленке фоторезиста будет зависеть от оптической плотности темных и светлых участков рисунка фотошаблона, от коэффициентов преломления стеклянной основы фотошаблона и коэффициента отражения металлизированного слоя, резкости и ровности края элемента рисунка на фотошаблоне.
Выбор источника света для операции экспонирования зависит от светочувствительности, контрастности, области спектрального поглощения, коэффициента преломления и разрешающей способности исходного фоторезиста. Основными требованиями, которые предъявляют к источникам света при проведении процесса экспонирования, являются спектр и интенсивность излучения. Для экспонирования используют различные источники света, спектры 162
излучения которых соответствуют максимумам спектральной чувствительности фоторезистов. Наиболее широко применяют ртутнокварцевые и ксеноновые лампы.
Для качественного проведения процесса экспонирования необходимо использовать устройства, позволяющие получать параллельность лучей в пучке света. Создание такого пучка света дает возможность уменьшить размеры области полутеней, возникающих в зазоре между подложкой и фотошаблоном, и тем самым значительно улучшить воспроизводимость рисунка.
Большую роль при экспонировании фоторезиста играет равномерность освещенности по всему полю фотошаблона.
Основными оптическими эффектами при проведении операции экспонирования являются дифракция света на границе фотошаблон— пленка фоторезиста, рассеяние света в пленке фоторезиста и отражение света от подложки и металлизированной пленки фотошаблона. Эти эффекты определяют предельную возможность контактного процесса экспонирования.
Дифракционные эффекты при прохождении света через фотошаблон к пленке фоторезиста при экспонировании вызываются наличием зазора между фотошаблоном и подложкой. Чем больше зазор, тем сильнее влияние дифракции на процесс экспозиции и качество передаваемого рисунка. Дифракционные явления оказывают влияние на распределение световой энергии на поверхности фоторезиста и тем самым на- изменение размеров элементов при контактной фотолитографии. Дифракционные явления вызывают нерезкость и неровность края элемента рисунка при экспонировании и проявлении. Это происходит за счет облучения участков пленки фоторезиста, находящейся под непрозрачным участком фотошаблона.
Таким образом, для уменьшения влияния эффекта дифракции при проведении экспонирования необходимо плотно прижимать фотошаблон к подложке с целью исключения зазора между ними или сведения этого зазора к минимуму.
Другим важным оптическим эффектом при проведении экспонирования является прохождение света через пленку фоторезиста. Световой поток, проходя через пленку фоторезиста, рассеивается в ней, доходя до подложки, отражается от нее и возвращается обратно в пленку. Дойдя до поверхности фотошаблона, световой поток отражается от металлизированного слоя фотошаблона . и снова попадает в пленку фоторезиста. Эти отражения светового потока приводят к нежелательному дополнительному экспонированию участков пленки фоторезиста, находящегося под непрозрачным участком фотошаблона. Отраженный поток света зависит от коэффициентов отражения подложки и металлизированных участков рисунка фотошаблона. Поэтому снижение коэффициента отражения фотошаблона уменьшает влияние эффекта отражения и рассеяния света в пленке фоторезиста, находящейся под непрозрачным участком рисунка фотошаблона. С целью снижения эффекта отражения используют для контактной экспозиции вместо ме-
таллизированных фотошаблонов цветные, коэффициент отражения которых значительно ниже.
Проявление фоторезиста. Операция проявления пленки фоторезиста после ее экспонирования заключается в обработке подложки с пленкой в специальных растворах с целью удаления с поверхности подложки определенных участков пленки фоторезиста: облученных — для позитивных и необлученных— для негативных фоторезистов.
Процесс проявления негативных и позитивных фоторезистов неодинаков. Различие состоит в химических реакциях, которые протекают в этих фоторезистах при воздействии на них определенных растворов. Так, процесс проявления негативных фоторезистов является типичным физико-химическим процессом растворения полимерных материалов. Поэтому в качестве проявителей для негативных фоторезистов используют органические растворители: толуол, хлорбензол, трихлорэтилен и др. При воздействии растворителей на негативные фоторезисты происходит значительное набухание облученных и растворение необлученных участков пленки.
На процесс проявления негативных фоторезистов оказывает влияние экспозиция. При недостаточной экспозиции облученные участки фоторезиста могут полностью раствориться при проявлении или набухнуть до соединения соседних элементов между собой. По набухаемости пленки негативного фоторезиста после проявления судят о правильности выбора режима экспозиции. Существенным моментом в операции проявления негативных фоторезистов является то, что для них не опасно перепроявление, если экспозиция выбрана правильно. Поэтому процессы проявления негативных фоторезистов легко поддаются автоматизации.
Процесс проявления позитивных фоторезистов более сложен. Он основан на протекании химического процесса взаимодействия продуктов фотолиза нафтохинондиазидов и фенольных смол с щелочными растворами с последующим физико-химическим удалением продуктов реакции. Поэтому в качестве проявителей для позитивных фоторезистов обычно используют сильно разбавленные водные растворы едкого кали и натра или тринатрийфосфата. Характерной особенностью процесса проявления позитивных фоторезистов является их чувствительность к перепроявлению, т. е. К чрезмерно длительному пребыванию проэкспонированной пленки фоторезиста в проявителе. Это объясняется тем, что при длительном взаимодействии пленки фоторезиста с проявителем необлу- ченные ее участки начинают химически взаимодействовать с проявителем и постепенно растворяться в нем. Обычно время проявления позитивных фоторезистов не превышает нескольких десятков секунд.
В процессе проявления негативных и позитивных фоторезистов выявляются паразитные эффекты, связанные с дифракцией света на краю непрозрачной части фотошаблона, рассеянием света в пленке фоторезиста и отражением света от подложки и фотошаб- 164
лона. Все эти факторы приводят к появлению клина проявления в пленке фоторезиста у края элемента микроизображения.
Вторая сушка фоторезиста — полимеризация. Эта операция проводится для удаления из набухшей пленки остатков проявителе и термической полимеризации пленки фоторезиста. Этот процесс1 иногда называют задубливанием фоторезиста. Вторую сушку проводят при более высокой температуре, чем первую сушку после* нанесения фоторезиста на поверхность подложки. Для получение более качественной пленки фоторезиста вторую сушку проводят в два этапа: сначала пленку сушат при температуре 18—20°С в течение 15—30 мин, а затем при температуре 140—200°С (в зависимости от типа фоторезиста) в течение 30—60 мин.
В качестве источника теплоты широко используют инфракрасное излучение.
Контроль рельефа рисунка в пленке фоторезиста. Контроль проводят визуально под микроскопом. Проверяют всю рабочую поверхность подложки с имеющимися на ней элементами рисунка из пленки фоторезиста. Контролируются следующие основные критерии качества пленки: чистота рабочего поля пленки фоторезиста, наличие проколов и их количество, геометрические размеры элементов рельефа, неполное удаление фоторезиста в окнах (при позитивном фоторезисте) или за окнами, (при негативном фоторезисте), искажение формы элементов рисунка, наличие ореола и клина в рельефе рисунка.
При обнаружении того или иного дефекта в пленке фоторезиста проводят анализ возможных причин его появления. После этого составляют план мероприятий по проверке отдельных технологических операций фотолитографического процесса.
Травление подложки. Операцию травления подложки проводят с целью переноса изображения рисунка с пленки фоторезиста на подложку. Перенос изображения осуществляется методом химического травления локальных участков подложки через открытые места в маске, роль которой выполняет пленка фоторезиста заданного рельефа. Процесс избирательного травления материала подложки является завершающей стадией формирования топологии рисунка в фотолитографическом цикле. Основными требованиями, предъявляемыми к этому процессу, являются минимальное искажение формы и размеров переносимого рисунка и его отдельных элементов, достижение нужной глубины вытравливания профиля рисунка, полное стравливание металлических и диэлектрических пленок с поверхности подложки, не защищенных слоем фоторезиста, минимальное воздействие травителя на пленку фоторезиста.
На процесс травления оказывают влияние температура и тип выбранного травителя и кинетика химической реакции взаимодействия травителя с материалом подложки.
Важной особенностью локального травления через пленку фоторезиста является то, что в процессе химической обработки происходит не только травление материала по глубине, но и под-
травливание его под защитной пленкой фоторезиста. В результате образуется клин травления в рельефе подложки. Клин травления зависит как от качества химической обработки указанных факторов, так и от качества предыдущих технологических операций (нанесения, сушки, экспонирования, проявления).
Перенос изображения с пленки фоторезиста может проводиться: на подложку из полупроводниковых материалов (германий, кремний, соединения типа A™BV и др.), на диэлектрические слои (SiO2 и Si3N4), осажденные на подложке, на металлические пленки (Ni, Au, Al, Си, Ag, Cr, Zn и др.), нанесенные на подложки и на различного рода резистивные пленки. В каждом конкретном случае выбирают определенный травитель и экспериментальным путем подбирают оптимальный режим химической обработки.
Для вытравливания рельефа в полупроводниковых подложках (Ge, Si, соединения типа AinBv и др.) разработаны и широко используются различные кислотные и щелочные травители (см. гл. 4).
Для получения рельефа в пленках SiO2 широко используют травитель следующего состава:
HF : NH4F : Н2О = 2 : 7 : 1.
Травление пленок нитрида кремния проводят в кипящей фосфорной или в концентрированной плавиковой кислоте.
Медь хорошо травится в 65%-ном растворе хлорного железа FeCl3; алюминий — в 10—20%-ных водных растворах щелочей NaOH и КОН; серебро — в концентрированных азотной и серной кислотах; хром — в смеси концентрированной серной кислоты и воды в соотношении 1:1; цинк хорошо растворяется в соляной, азотной, серной кислотах и в растворах щелочей) никель — в азотной кислоте и в смеси азотной и серной кислот; золото травится в царской водке (смесь азотной и соляной кислот в соотношении 1:3.)
Снятие пленки фоторезиста с поверхности подложки. Эта операция является завершающей в общем цикле процесса фотолитографии. Для удаления пленки фоторезиста с поверхности подложки в настоящее время используют физико-химические методы, основанные на предварительном набухании пленки фоторезиста в растворителях и кислотах и механическом удалении набухшего фоторезиста с поверхности подложки. Наиболее качественное удаление фоторезиста с поверхности пластины получают при ионноплазменной и плазмохимической обработке. В качестве рабочих реактивов используют смеси газов: азота, кислорода и аргона.
Проекционная оптическая фотолитография
Кроме описанной контактной перепечатки переносить изображение с фотошаблона на исходную подложку с фоторезистом можно методом проекционной печати. При использовании проекционной фотолитографии исключаются операции контактирования фотошаб- 166
лона с подложкой. Долговечность фотошаблонов в этом случае становится теоретически бесконечной.
Проекционный метод фотолитографии позволяет избежать недостатков, присущих контактной фотолитографии. Так, при проекционном методе переноса изображения рисунок фотошаблона проецируется через специальный объектив с высокой разрешающей способностью на поверхность подложки, а совмещение ри1
Рис. 8.5. Схема оптической проекционной фотолитографии: а — прямого проецирования; б — совмещения; в — обратного отображения
сунков осуществляется с использованием того же объектива. Устраняется также проблема глубины резкости объективов и связанная с ней проблема точности установки малых зазоров между фотошаблоном и подложкой, так как оператор может проводить совмещение рисунков в одной плоскости фотошаблона либо в плоскости подложки.
Таким образом, проекционный метод фотолитографии повышает точность совмещения, упрощает сам процесс совмещения, снижает время процесса совмещения.
Проекционную фотолитографию можно осуществить тремя способами.
Первый способ предусматривает одновременную передачу всех элементов рисунка фотошаблона путем проецирования его на поверхность подложки, покрытой слоем фоторезиста.
Второй способ включает последовательное поэлементное (шаговое) проецирование отдельных фрагментов или модулей на поверхность подложки с фоторезистом.
Третий способ основан на последовательном вычерчивании рисунка изображения в. слое фоторезиста подложки сфокусиро-- ванным до определенных размеров световым лучем, управляемым по определенной программе от ЭВМ.
Наиболее широкое применение в проекционной фотолитографии нашел первый способ. Второй способ используется в фотоштампах для мультипликации отдельных модулей рисунков фотошаблона по рабочему полю подложки. Третий способ находит применение при изготовлении фотошаблонов.
Первый способ проекционной фотолитографии может ' быть реализован с использованием трех различных вариантов оптических схем (рис. 8.5).
Первый вариант оптической схемы представлен на рис. 8.5, а. Он предусматривает прямое проецирование изображения фотошаблона на подложку с совмещением и экспонированием от одного источника света. По этой схеме пучок света от источника 1 проходит через конденсор 2, фильтр 3, фотошаблон 4 и попадает на полупрозрачное зеркало 7, с которого через проекционный объектив 8— на подложку 9 с фоторезистом. При обратном ходе лучей через объектив 8 и зеркало 7 с помощью микроскопа 5 на экране 6 наблюдают рисунок, имевшийся на подложке, и новый рисунок, спроецированный на ее поверхность с фотошаблона. Преимущества данной оптической схемы состоят в том, что при переходе от операции совмещения к операции экспонирования не требуется дополнительной настройки и второго источника света. Однако эта схема обладает и недостатками: а) лучи света при проецировании изображения и совмещении рисунков проходят через наклонно расположенное зеркало, что приводит к искажениям рисунка изображения; б) при проведении совмещения проецируемое изображение дважды проходит через объектив и, следовательно, ошибки изображения, обусловленные погрешностями объектива, удваиваются; в) рассеяние пучка света на линзах объектива вызывает некоторую потерю контрастности изображения рисунка.
Второй вариант оптической схемы (рис. 8.5, б) не имеет недостатков первого варианта. Здесь свет от источника 1 проходит через конденсор 2, фильтр 3, фотошаблон 4, объектив 8 и попадает сразу на подложку 9 с фоторезистом. Совмещение рисунка подложки с рисунком фотошаблона производят с помощью зеркала 7 и микроскопа 5. Недостатком этого варианта оптической схемы является то, что угловая апертура лучей света, используемых для экспонирования и совмещения, в наблюдаемой области под зеркалом 7 уменьшается, а это в свою очередь приводит к искажению изображения и увеличению ошибки совмещения.
Третий вариант оптической схемы (рис. 8.5, в) дает возможность обратного отображения рисунка подложки на поверхность фотошаблона. С оптической точки зрения данный вариант является наиболее оптимальным. В этой схеме свет от источника / проходит через конденсор 2, фильтр 5, фотошаблон 4, объектив 8 и попадает на полупрозрачное зеркало 7, с которого проецируется на подложку 9 с фоторезистом. При обратном ходе светового луча рисунрк подложки отображается на поверхности фотошаблона 4, ход лучей от фотошаблона к подложке полностью совпадает с 168
обратным ходом лучей от подложки к фотошаблону. Данный ва-* риант схемы позволяет выбирать оптимальные условия освещения как при экспонировании, так и при совмещении. Для экспонирования используется источник света 1, а для совмещения — источник света 10. Достоинством схемы является то, что между фотошаблоном и подложкой нет никаких дополнительных оптических элементов, кроме объектива и зеркала. Недостатком схемы является необходимость при проведении процесса экспонирования менять местами источник света и микроскоп, а при проведении процесса совмещения —использовать второй источник света.
При проведении процессов проекционной фотолитографии учитывают совместимость отдельных компонентов оптической системы источник — объектив— фоторезист. Это необходимо для выбора источника света и согласования его со спектральной чувствительностью используемого фоторезиста.
Рентгенолитография
Под рентгенолитографией принято понимать процесс образования рисунка микроизображения на подложке со специальным чувствительным слоем с помощью рентгеновских лучей. Интерес к этому процессу вызван тем, что он позволяет получать элементы интегральных микросхем с размерами менее 0,1 мкм. При обычной фотолитографии таких размеров элементов рисунка получить нельзя из-за физических ограничений оптических средств, связанных с длиной волны применяемого ультрафиолетового света.
Основным физическим явлением, ограничивающим возможность фотолитографии, является дифракция. Известно из оптики, что дифракционное рассеяние света уменьшается с уменьшением длины волны, поэтому переход к использованию для целей литографии излучений с более короткой длиной волны позволит получать меньшие абсолютные размеры элементов изображений.
Для рентгенолитографического процесса обычно используются мягкие рентгеновские лучи с длиной волны 1 нм. Это дает возможность получать высокую разрешающую способность изображения даже при существующих минимальных зазорах между фотошаблоном и подложкой. К недостаткам рентгенолитографии следует в первую очередь отнести сложность и специфичность применяемого фотошаблона, а также необходимость защиты персонала от рентгеновского излучения.
Процесс рентгенолитографии состоит в следующем. На подложку наносят чувствительный к рентгеновскому излучению материал (рентгенорезист). Обычно для этих целей используют состав на основе полиметилметакрилата. Фотошаблоном служит пластина из кремния, на поверхность которой нанесена тонкая пленка золота, в которой создается рельеф определенного рисунка.
Так как слой золота сильно поглощает рентгеновские лучи, то пленка золота на кремнии играет роль маски при рентгенолитографии (см. § 12.2).
Дефекты фотолитографического процесса
Все дефекты, возникающие в процессе проведения различных стадий фотолитографии, можно разбить на четыре основные группы.
Первая группа — дефекты, связанные с применением фотошаблонов— основных инструментов, с помощью которых формируется рельеф изображения в пленке фоторезиста.
Вторая группа — дефекты, связанные с качеством самой пленки фоторезиста и способами ее получения.
Третья группа — дефекты, возникающие при экспонировании пленки фоторезиста.
Четвертая группа — дефекты, связанные с процессом переноса изображения с пленки фоторезиста на подложку, т. е. с процессами локального травления подложки.
Дефекты фотошаблонов оказывают существенное влияние на качество всего процесса фотолитографии. К дефектам фотошаблонов относят наличие на поверхности механических повреждений (рисок, царапин, сколов), сквозные отверстия на темном поле рисунка и непрозрачные точки на светлом поле, неровность края, формы и размеров элементов рисунка на фотошаблоне относительно исходных данных, несовмещаемость элементов в комплекте фотошаблонов.
■ Тщательный контроль указанных дефектов и отбраковка некачественных фотошаблонов перед запуском их в работу позволяют снизить общий процент брака на операции фотолитографии. z
Дефекты пленки фоторезиста возникают в процессе ее нанесения на поверхность подложки и связаны с неправильно выбранным технологическим режимом. К дефектам пленки фоторезиста относятся завышенная или заниженная толщина пленки, разно- толщинность пленки по рабочему полю, низкая адгезия пленки к подложке.
Толщина пленки и ее разнотолщинность определяются как способом нанесения пленки, так и предварительной обработкой поверхности подложки. Основными факторами, которые обусловливают неровность пленки фоторезиста, могут быть чрезмерная густота фоторезиста, низкая частота вращения диска центрифуги, отклонение диска центрифуги от горизонтальной плоскости и его несоосность. На адгезию пленки фоторезиста к подложке оказывают влияние чистота исходной подложки, чистота фоторезиста и способ нанесения.
Необходимо отметить, что появление указанных дефектов пленки фоторезиста служит критерием при отбраковке на данной операции. Подложки с забракованной пленкой фоторезиста направляют на операцию «снятие фоторезиста». После соответствующей подготовки поверхности они снова поступают на операцию «нанесение фоторезиста».
Таким' образом, процесс фотолитографии повторяется, что влечет за собой определенные экономические затраты, зато исходные параметры подложки не изменяются. Это очень важный момент в общем цикле производства полупроводниковых приборов.
Если качество пленки фоторезиста удовлетворяет требованиям процесса фотолитографии, то она поступает на операции, которые могут создавать свою группу дефектов. К этим операциям относятся экспонирование и проявление фоторезиста.
Операции экспонирования и -проявления могут вызвать такие дефекты, как проколы в пленке фоторезиста, изменение размеров облученных и необлученных участков пленки фоторезиста за счет эффектов дифракции, рассеяния и отражения, неровность края элемента рисунка и клин проявления. Проколы в пленке фоторезиста возникают по двум причинам: наличие в пленке фоторезиста инородных включений и использование некачественных или сильно изношенных фотошаблонов. Изменение геометрических размеров элементов изображения связано с наличием зазора между фотошаблоном и подложкой с фоторезистом. Плохой контакт между элементами при экспонировании приводит к изменению переносимого с фотошаблона на подложку рисунка за счет эффекта дифракции света. Неровность края элемента в виде выступов и впадин может образовываться из-за наличия в пленке фоторезиста субполимерных частиц размером 0,3—0,5 мкм. Появление таких частиц связано с неполной растворимостью сухого фоторезиста в рабочих составах. Для предупреждения этого дефекта необходимо более тщательно фильтровать фоторезист. Клин проявления в пленке фоторезиста может быть уменьшен оптимальным подбором экспозиции и использованием определенного типа проявителя.
Кроме указанных дефектов при недостаточно отработанных процессах экспонирования и проявления могут иметь место дефекты, связанные с остатками пленки фоторезиста в тех местах, где она должна быть полностью удалена, и, наоборот, удаление части пленки фоторезиста из мест, где она должна полностью сохраняться. Этот вид дефекта может быть исключен точным подбором экспозиции и времени проявления.
Дефекты, возникающие при переносе рисунка изображения с пленки фоторезиста на подложку, т. е. при проведении процесса локального травления, являются окончательными и исправлению не поддаются. К этим дефектам относится полное или частичное отслаивание пленки фоторезиста от подложки в процессе травления.
Глава 9
ПОЛУЧЕНИЕ СТРУКТУР МЕТОДОМ ДИФФУЗИИ
Диффузия легирующих примесей в полупроводниковые кристаллы вошла в промышленное производство в 60-е годы и до сих пор является основным технологическим методом создания электрически гетерогенных структур при изготовлении различных типов полупроводниковых приборов и ИМС. Для осуществления диффузии полупроводниковую пластину помещают в нагретую до высокой температуры кварцевую трубу диффузионной печи. Через трубу пропускают пары легирующей примеси, которые адсорбируются на поверхности пластины и диффундируют в кристаллическую решетку полупроводника.
Отличительные особенности диффузии в планарной технологии состоят в том, что примесь вводят в полупроводниковую пластину локально в ограниченные защитной маской окна, а сам процесс осуществляют в две стадии: предварительная загонка нужного количества примеси и последующая разгонка на требуемую глубину и до необходимого уровня концентрации. Важными технологическими факторами являются способы проведения диффузии и виды диффузантов.
В практике технологических расчетов диффузионных структур большое распространение получили задачи по определению профилей распределения примесей по заданным режимам диффузии и обратные задачи — определение длительности и температуры диффузии по известному типу примеси, ее концентрации и глубине залегания р-и-перехода. Создание ИМС потребовало разработки диффузионных методов изоляции отдельных элементов, размещаемых на одной подложке, а также изготовления не только активных, но и пассивных элементов (резисторов, конденсаторов). Введение примесей диффузионным способом сопровождается их воздействием на кристаллическую решетку полупроводника, что приводит к возникновению дефектов в диффузионных структурах. Знание особенностей образования и возможных способов предотвращения таких дефектов необходимо для овладения процессом диффузии. В немалой степени этому способствуют методы контроля диффузионных структур: измерение глубины залегания р-п-перехода, поверхностного сопротивления и концентрации, плотности дислокаций,
■§ 9.1. Распределение примеси при диффузии
Диффузия примесных атомов в твердом теле происходит вследствие хаотического теплового движения в направлении убывания их концентрации. Микроскопическое перемещение атомов происходит либо по вакансиям, либо по междоузлиям. Диффузия основных легирующих примесей в полупроводниках совершается, как правило, по вакансиям, тогда как прочих примесей — по междо- 172
узлиям. В полупроводниковой технологии наибольший интерес представляют два случая распределения примесных атомов.
Если диффузия идет из источника с ограниченным содержанием примеси, находящейся в начальный момент в бесконечно тонком поверхностном слое, то профиль распределения концентра
ции имеет видции имеет видCU, ^ ехр ( у л ut\CU, ^ ехр ( у л ut\Х2 \Wt ) *Х2 \Wt ) *(9.1)(9.1)где N— плотность атомов примеси под единицей площади поверхности, неизменная в любой момент диффузии, ат/см2; х— глубина, соответствующая данной концентрации, см; D — коэффициент диффузии примеси, см2/с; t— длительность диффузии, с.Глубина залегания диффузионного р-п-переходах;=2 VDt УЫС^Сд),(9.2)где N— плотность атомов примеси под единицей площади поверхности, неизменная в любой момент диффузии, ат/см2; х— глубина, соответствующая данной концентрации, см; D — коэффициент диффузии примеси, см2/с; t— длительность диффузии, с.Глубина залегания диффузионного р-п-переходах;=2 VDt УЫС^Сд),(9.2)где Св — концентрация примеси в исходной пластине полупроводника. При х=0 поверхностная концентрация примесигде Св — концентрация примеси в исходной пластине полупроводника. При х=0 поверхностная концентрация примесиСо—Со—NV^DtNV^Dt(9.3)(9.3)Для многих практических случаев глубина р-и-переходаДля многих практических случаев глубина р-и-переходаXj^QV Dt.Xj^QV Dt.(9.4)(9.4)2. Если диффузия идет из источника с постоянной поверхностной концентрацией примесных атомов Со, то распределение имеет видси, O=C0erfc- *^ . (9.5)2. Если диффузия идет из источника с постоянной поверхностной концентрацией примесных атомов Со, то распределение имеет видси, O=C0erfc- *^ . (9.5)Для допустимого упрощения вместо erfc-функции можно использоДля допустимого упрощения вместо erfc-функции можно использовать аппроксимациюerfcTi^^expH^Fвать аппроксимациюerfcTi^^expH^FфО.З)2' .фО.З)2' .(9.6)(9.6)Для этого случая глубина залегания р-п-переходаДля этого случая глубина залегания р-п-переходах,=2 VDt (/1п(С0/(Св)- 0,3) .(9.7)х,=2 VDt (/1п(С0/(Св)- 0,3) .(9.7)При последовательной диффузии ряда примесей пластина полупроводника подвергается многократным циклам диффузии. Для расчета С (х, /) в этом случае следует использовать сумму:Dt=7?i/1-[-D^t^-{-Dat3-]-... . (9.8)При последовательной диффузии ряда примесей пластина полупроводника подвергается многократным циклам диффузии. Для расчета С (х, /) в этом случае следует использовать сумму:Dt=7?i/1-[-D^t^-{-Dat3-]-... . (9.8)Электронно-дырочные переходы, образованные методом диффузии, обладают плавным распределением примеси, крутизна которого характеризуется градиентом концентрации а.Зависимость напряжения лавинного пробоя от градиента концентрации примеси для линейного р-п-перехода в Ge, Si, GaAs и173Электронно-дырочные переходы, образованные методом диффузии, обладают плавным распределением примеси, крутизна которого характеризуется градиентом концентрации а.Зависимость напряжения лавинного пробоя от градиента концентрации примеси для линейного р-п-перехода в Ge, Si, GaAs и173
ции имеет вид
ции имеет вид
CU, ^ ехр ( у л ut\
CU, ^ ехр ( у л ut\
Х2 \
Wt ) *
Х2 \
Wt ) *
(9.1)
(9.1)
где N— плотность атомов примеси под единицей площади поверхности, неизменная в любой момент диффузии, ат/см2; х— глубина, соответствующая данной концентрации, см; D — коэффициент диффузии примеси, см2/с; t— длительность диффузии, с.
Глубина залегания диффузионного р-п-перехода
х;=2 VDt УЫС^Сд),(9.2)
где N— плотность атомов примеси под единицей площади поверхности, неизменная в любой момент диффузии, ат/см2; х— глубина, соответствующая данной концентрации, см; D — коэффициент диффузии примеси, см2/с; t— длительность диффузии, с.
Глубина залегания диффузионного р-п-перехода
х;=2 VDt УЫС^Сд),(9.2)
где Св — концентрация примеси в исходной пластине полупроводника. При х=0 поверхностная концентрация примеси
где Св — концентрация примеси в исходной пластине полупроводника. При х=0 поверхностная концентрация примеси
Со—
Со—
N
V^Dt
N
V^Dt
(9.3)
(9.3)
Для многих практических случаев глубина р-и-перехода
Для многих практических случаев глубина р-и-перехода
Xj^QV Dt.
Xj^QV Dt.
(9.4)
(9.4)
2. Если диффузия идет из источника с постоянной поверхностной концентрацией примесных атомов Со, то распределение имеет вид
си, O=C0erfc- *^ . (9.5)
2. Если диффузия идет из источника с постоянной поверхностной концентрацией примесных атомов Со, то распределение имеет вид
си, O=C0erfc- *^ . (9.5)
Для допустимого упрощения вместо erfc-функции можно использо
Для допустимого упрощения вместо erfc-функции можно использо
вать аппроксимацию
erfcTi^^expH^F
вать аппроксимацию
erfcTi^^expH^F
фО.З)2' .
фО.З)2' .
(9.6)
(9.6)
Для этого случая глубина залегания р-п-перехода
Для этого случая глубина залегания р-п-перехода
х,=2 VDt (/1п(С0/(Св)- 0,3) .(9.7)
х,=2 VDt (/1п(С0/(Св)- 0,3) .(9.7)
При последовательной диффузии ряда примесей пластина полупроводника подвергается многократным циклам диффузии. Для расчета С (х, /) в этом случае следует использовать сумму:
Dt=7?i/1-[-D^t^-{-Dat3-]-... . (9.8)
При последовательной диффузии ряда примесей пластина полупроводника подвергается многократным циклам диффузии. Для расчета С (х, /) в этом случае следует использовать сумму:
Dt=7?i/1-[-D^t^-{-Dat3-]-... . (9.8)
Электронно-дырочные переходы, образованные методом диффузии, обладают плавным распределением примеси, крутизна которого характеризуется градиентом концентрации а.
Зависимость напряжения лавинного пробоя от градиента концентрации примеси для линейного р-п-перехода в Ge, Si, GaAs и
173
Электронно-дырочные переходы, образованные методом диффузии, обладают плавным распределением примеси, крутизна которого характеризуется градиентом концентрации а.
Зависимость напряжения лавинного пробоя от градиента концентрации примеси для линейного р-п-перехода в Ge, Si, GaAs и
173
GaP при комнатной температуре показана на рис. 9.1. Штриховая линия обозначает максимальный градиент концентрации, выше которого преобладающую роль в электрическом пробое играет туннельный эффект. Для приближенных расчетов напряжения пробоя плоскостного р-«-перехода с постоянным градиентом концентрации примеси а (см-4) используют выражение
i7„po6=60 (ДД/1,1)>.2 (3.10 W4,
где Д£ — ширина запрещенной зоны, эВ.
Рис. 9.1. Зависимость напряжения лавинного пробоя от градиента концентрации примеси для р-п-переходов на Ge, Si, GaAs и GaP
Понятие плавного, как и резкого, р-п-перехода идеализировано. С ростом глубины диффузии и более высоким содержанием примеси в исходной пластине переход является более плавным и лучше соответствует модели перехода с линейным распределением примеси в области пространственного заряда (ОПЗ). Чем меньше глубина диффузии и концентрация примеси в исходной пластине, тем лучше приближение к резкому переходу.
Диффузия в планарной технологии. В планарной технологии диффузию проводят в две стадии, что особенно важно, если требуется получить хорошо контролируемую низкую поверхностную концентрацию. Вначале осуществляют короткую диффузию из источника с постоянной поверхностной концентрацией — загонку. Поверхностная концентрация при этом определяется либо предельной растворимостью примеси, либо содержанием примеси в источнике диффузанта. Затем пластины вынимают из печи и удаляют стеклообразный слой, большей частью образующийся на поверхности кремния при загонке в окисляющей атмосфере и имеющий состав, близкий к составу боросиликатных или фосфорно-силикат- ных стекол. Чистые пластины помещают в чистую печь для проведения второй стадии диффузии — разгонки, осуществляемой при более высокой температуре, так что D^t-^Ditb Тонкий диффу- 174
зионный слой, сформированный на первой стадии диффузии, является источником с ограниченным количеством примеси. В на
стоящее время в планарной технологии загонка примеси осуществляется чаще всего не путем диффузии, а с помощью метода ионной имплантации (см. гл. 10). Атомы примеси внедряются в тонкий поверхностный слой с плотностью N (ат/см2). Ионная
имплантация обеспечивает точное регулирование поверхностной концентрации при последующей разгонке, так как, согласно формуле (9.3),
Со= NjVttDt.
Планарные р-п-переходы имеют существенное отличие от простых плоскостных переходов, связанное с их геометрической конфигурацией. В планарной технологии р-п-переход создают диффузией примеси в объем полупроводника через окна в защитном слое диоксида кремния. Примесь при этом диффундирует не только в глубину, но и вдоль поверхности под защитную маску, чем достигается пассивация границы р-п-перехода, выходящей на поверхность пластины. Образую-
Рис. 9.2. Геометрия диффузионного планарного p-n-rie- рехода: а— сечение; б — вид в планеРис. 9.2. Геометрия диффузионного планарного p-n-rie- рехода: а— сечение; б — вид в планещийся р-п-переход состоит из плоской
Рис. 9.2. Геометрия диффузионного планарного p-n-rie- рехода: а— сечение; б — вид в плане
Рис. 9.2. Геометрия диффузионного планарного p-n-rie- рехода: а— сечение; б — вид в плане
части и краевых областей, имеющих приблизительно цилиндрическую форму, как показано на рис. 9.2 (цифрой 1 отмечены цилиндрические участки перехода). Так как в защитной маске имеются углы, то форма перехода вблизи углов близка к сферической. Эти участки отмечены на рис. 9.2 цифрой 2. Если р-п-переход получен диффузией через окно, имеющее конфигурацию узкой щели, ширина которой близка к глубине диффузии, то переход имеет форму полуцилиндра. Переход, созданный диффузией через круглое окно, имеет форму полусферы, если радиус окна равен глубине перехода
или меньше ее.
Вследствие малой iлубины залегания планарных р-п-перехо- дов, обычно не превышающей 10 мкм, они обладают большой кривизной под краем защитной маски, что вызывает стягивание линий тока, локальное возрастание электрического поля и уменьшение напряжения лавинного пробоя. Структура мелких планарных переходов в плоской части подобна резким переходам. На рис. 9.3 приведена зависимость напряжения лавинного пробоя от концентрации примеси для резкого р-п-перехода с цилиндрической (сплошные линии) и сферической (штриховые линии) геометрией ■боковой границы. Как следует из рис. 9.2, а, радиус кривизны боковой границы р-л-перехода /у приблизительно равен глубине залегания перехода х,. Для плоской части перехода радиус кривизны стремится к бесконечности и напряжение пробоя максимально. При данном значении г,- и одинаковых концентрациях
примеси напряжение пробоя сферического перехода меньше, чем цилиндрического. Например, при концентрации Св= 1015 см-3 напряжение пробоя плоского кремниевого перехода составляет 330 В, цилиндрического перехода с радиусом кривизны 1 мкм — 80 В, а сферического перехода такой же .кривизны — 40 В.
Uпроб ’ 8
Рис. 9.3. Зависимость напряжения лавинного пробоя от концентрации примеси для резких р-п-переходов с различной геометрией
Для расчета напряжения пробоя планарных р-п-переходов на Si, Ge, GaAs и GaP используют формулу
' 17проб=17прсб11(л+т + 1)Т"]^-^^ (9.9) где (/проб — напряжение пробоя плоской части перехода, определяемое формулой (5.12); п=1 для цилиндрического и и = 2 для сферического перехода; y=rjw (w— ширина области пространственного заряда резкого р-п-перехода).
Когда радиус кривизны перехода мал и у->0, то множитель в скобках также стремится к нулю и напряжение пробоя уменьшается. Если глубина р-п-перехода велика, радиус кривизны большой и у^-оо, то множитель возрастает до единицы и выражение (9.9) сводится к формуле (5.12).
Еще одна особенность получения диффузионных р-п-переходов в планарной технологии связана с наличием нескольких операций оксидирования, проводимых после операций диффузии. Вследствие различной растворимости диффундирующей примеси в кремнии и в образующемся диоксиде кремния происходит заметное перераспределение концентрации примеси на границе раздела кремнии— диоксид. Растворимость бора и алюминия в диоксиде больше, чем в кремнии, поэтому поверхность кремния обедняется бором 176
и алюминием, тогда как растворимость фосфора, сурьмы и мышьяка выше в кремнии, чем в ЗЮг, и поверхность кремния обогащается атомами этих элементов. Наличие обедненных или обогащенных примесями слоев кремния приводит к изменению электрических свойств диффузионных структур и прежде всего напряжения пробоя.
Технологические приемы получения диффузионных структур
Способы проведения диффузии. Диффузию проводят в сравнительно ограниченном диапазоне температур. Для кремния, например, этот диапазон 1100—1300°С или с учетом процесса загонки при двухстадийной диффузии 1000—1300°С. Ниже 1000°С значения коэф
б)б)?г)?г)47исы+Оо Г" а)ШИШ ■47исы+Оо Г" а)ШИШ ■фициентов диффузии очень малы и глубина диффузии незначительна. Выше 1300°С качество диффузионных слоев неудовлетворительно вследствие нарушения поверхности пластин под действием температуры. Если в изолированный объем поместить пластину полупроводника и примесный элемент и нагреть их до некоторой температуры, то вследствие сублимации или испарения примесного элемента в объеме вскоре ус-
б)
б)
?г)
?г)
47
исы+Оо Г" а)ШИШ ■
47
исы+Оо Г" а)ШИШ ■
тановится определенное парци
альное давление его паров. Моле- Рис. 9.4. Способы проведения диффу- кулы пара адсорбируются всеми зии
поверхностями, в том числе и по
верхностью пластины, и при достаточно большой температуре диффундируют вглубь. В общем случае равновесная концентрация пропорциональна давлению пара, поэтому управление поверхностной концентрацией примеси осуществляют путем контроля давления пара. Если равновесие на поверхности достигается за время, меньшее, чем длительность диффузии, то поверхностная концентрация остается постоянной. Поэтому в большинстве случаев распределение примеси при диффузии из газовой фазы описывается функцией дополнения к интегралу ошибок.
Диффузионные процессы проводят в закрытой или открытой трубе. Термин «открытая труба» обусловлен тем, что выходной конец диффузионной трубы сообщается с атмосферой (рис. 9.4, а — в, <Э). Через него в зону диффузии загружают кремниевые пластины 1. Чтобы свести к минимуму загрязнения из атмосферы, над выходом трубы 2 устанавливают вытяжную систему. Входной конец диффузионной трубы 3 служит для введения газа-носителя (азота, аргона или кислорода). Термин «закрытая труба» относится к диффузии в герметизированной ампуле (рис. 9.4, а). Пла-
стины полупроводника 1 и источник диффузанта 4 загружают в кварцевую ампулу 6, которую вакуумируют, герметизируют и помещают в диффузионную печь 5.
Диффузант 4 либо наносят на поверхность пластины (рис. 9.4, <9), либо вводят в виде пара или газа в газ-носитель (рис. 9.4, а). На рис. 9.4, б показана схема двухзонной печи, применяемой в основном для диффузии из твердых источников диффузанта методом открытой трубы, а на рис. 9.4, в — схема бокс-метода. В последнем методе пластины и источник примеси находятся в лолугерметичном контейнере 5 однозонной печи.
Наиболее широкое распространение получила диффузия в открытой трубе, проводимая из твердых, жидких и газообразных источников. Основными диффузантами при диффузии в кремний являются фосфор и бор. При изготовлении планарных приборов, как отмечалось, процесс диффузии обычно проводят в две стадии. На первой стадии (загонке) на поверхности кремния создают тонкий диффузионный слой с erfc-распределением примеси. Загонку осуществляют в печах с одной или двумя температурными зонами при невысоких по сравнению с собственно диффузией температурах. На второй стадии (разгонке) пластины полупроводника нагревают в однозонной печи в атмосфере, не содержащей атомов диффузанта, так что единственным процессом является диффузионное перераспределение примеси. Вторая стадия соответствует диффузии из источника с ограниченным содержанием примеси. Двухстадийная диффузия имеет два основных преимущества перед одностадийной: 1) разделение процесса на две стадии делает его более управляемым, что повышает воспроизводимость и упрощает его контроль; 2) облегчается маскирование, так как первая стадия кратковременная и относительно низкотемпературная, а на второй стадии нет паров диффузанта. Все это повышает стойкость и защитные свойства диоксида кремния.
Диффузанты. Широкое распространение получили газообразные диффузанты— гидриды бора и фосфора, жидкие (галогениды бора и фосфора) и твердые (оксиды бора и фосфора).
Наиболее распространенным источником фосфора при диффузии из твердого источника диффузанта является обезвоженный пентаоксид фосфора (фосфорный ангидрид Р2О5). Пентаоксид помещают в зону источника и нагревают до 230—300°С (рис. 9.4, б). Газ-носитель захватывает молекулы пентаоксида и переносит их в зону диффузии. Между кремнием и Р2О5 происходит химическая реакция, е результате которой выделяются элементарный фосфор и оксид кремния, образующие стеклообразное соединение на поверхности пластины, из которого и происходит диффузия. Ряд желательных характеристик имеет жидкий источник фосфора (оксихлорид фосфора РОС13). Он не гигроскопичен, имеет малый расход, стабилен по концентрации фосфора при длительном использовании. Механизм диффузии из жидкого источника аналогичен диффузии из ,Р2О5, так как жидкие источники реагируют с избыточным кислородом, образуя Р2О5. На поверх- 178
ностную концентрацию влияют расход РОС13, температура источника, диаметр диффузионной трубы, конструкция отражателя паров и состав газа-носителя. Как правило, по воспроизводимости и возможности регулирования параметров системы с источником в жидкой фазе пуЧще, чем системы с источником в твердой фазе.. С тем же успехом используют трихлорид РС13 и пентафторид, фосфора PF5.
В системах диффузии фосфора в открытой трубе из газообразного источника обычно используют фосфин РН3. Механизм диффузии из РН3 такой же, как и из Р2О5, поскольку он превращается в фосфорный ангидрид в результате окисления, когда поступает в нагретую диффузионную камеру. Для регулирования поверхностной концентрации применяют разбавление*РН3 инертным газом. Фосфин не поглощает воду. С помощью этой системы можно получить низкую поверхностную концентрацию, однако управление концентрацией затрудняется вследствие неконтролируемого поглощения кварцевыми трубами ангидрида фосфора.
Самым распространенным источником в твердой фазе, используемым для диффузии бора в открытой трубе, является борный ангидрид В2О3. Применяют также борную кислоту Н3ВО3, которая легко дегидратирует при высокой температуре, образуя В20з. В трубе поддерживае?'ся температура источника бора 7~900°С. При соприкосновении борного ангидрида с кварцем происходит расстекловывание и кварц становится непригодным к употреблению. Для устранения недостатков В2О3 или Н3ВО3 их смешивают с SiO2, используя метод совместного осаждения из тетраэтилортосиликата SiO (СН3СН2)4. Это позволяет регулировать поверхностную концентрацию в широких пределах.
Наиболее распространенный источник в жидкой фазе, используемый в системах диффузии бора в открытой трубе,— это трехбромистый бор ВВг3. Поверхностной концентрацией управляют, изменяя температуру диффузии, температуру источника и расход потока газа-носителя.
Хлорид бора ВС13 при комнатных температурах является газом. В нейтральной или восстановительной среде при повышенной температуре он взаимодействует с кремнием, образуя летучие соединения— тетрахлорид кремния и хлористый водород. При добавлении кислорода в поток ВС13 образуется борный ангидрид и диффузия сходна с диффузией из В2О3. Добавление кислорода позволяет регулировать поверхностную концентрацию. При высокой концентрации ВС13 в потоке на поверхности кремниевых пластин образуются темные пятна, которые являются субоксидом бора примерного состава В6О и не удаляются никакими известными растворителями. Они обусловливают невоспроизводимость параметров. В последнее время большое внимание уделяют отработке процессов диффузии из газообразного фторида бора BF3, которому не свойственны недостатки ВС13.
Удобным источником для управления диффузией является диборан В2Н6. Его используют в восстановительной или нейтраль-
ной среде в разбавленном виде — в протоке аргона, азота или водорода, содержащих до 0,05% диборана. При Г>300°С происходит пиролиз В2Н6 с образованием элементарного бора. Лучшей воспроизводимостью обладают системы с окислительной средой, содержащей до 0,01% В20б и до 2,5% О2 в аргоне или азоте. Диборан взаимодействует с кислородом, образуя борный ангидрид
Рис. 9.5. Зависимость коэффициентов диффузии нии (а) и арсениде галлия (б) от температурыРис. 9.5. Зависимость коэффициентов диффузии нии (а) и арсениде галлия (б) от температурыпримесей в крем-примесей в крем-
Рис. 9.5. Зависимость коэффициентов диффузии нии (а) и арсениде галлия (б) от температуры
Рис. 9.5. Зависимость коэффициентов диффузии нии (а) и арсениде галлия (б) от температуры
примесей в крем-
примесей в крем-
и воду. Присутствие воды значительно увеличивает скорость испарения борного ангидрида, что обусловливает равномерное распределение диффузанта вдоль рабочей зоны вследствие образования летучих борных кислот, особенно метаборной НВО2. Недостатками В2Не являются токсичность и легкая воспламеняемость на воздухе при концентрации более 0,8 %, взрыв при соприкосновении с хлором. На рис. 9.5, а представлены температурные зависимости коэффициентов диффузии В, Al, Р и As в кремнии.
Диффузия в соединениях типа AinBv. Для соединений типа AinBv диффузия в подрешетке, составленной из атомов группы III, характеризуется меньшей энергией активации, чем соответствующая диффузия в подрешетке, составленной из атомов группы V. Если диффундирующие атомы нейтральны или однократно ионизованы, то на их движение, например в арсениде галлия, по вакантным узлам мышьяка затрачивается большая энергия, чем на движение по вакантным узлам галлия. Это происходит потому, что для образования вакансий галлия необходимо удалить только три электрона, тогда как для образования вакансии мышьяка 180
требуется удалить пять электронов. Способствует такому соотношению скоростей диффузии и геометрический фактор. Так как ковалентный радиус мышьяка (0,118 нм) меньше ковалентного радиуса галлия (0,126 нм), то примеси в галлиевой подрешетке могут диффундировать быстрее, чем в мышьяковой. На рис. 9.5, б представлены температурные зависимости коэффициентов диффузии S, Se, Sn, Mg и Zn в GaAs.
Вследствие испарения поверхностных атомов из арсенида галлия при температурах диффузии в поверхностном слое образуется большое число избыточных вакансий. Так как при температурах свыше 637°С давление паров As2 и As4 больше давления паров Ga, то поверхность становится нестехиометричной. В GaAs п-типа возрастает концентрация акцепторов, которыми являются вакансии Ga. Вакансии As являются донорами и сосредоточены в более узкой поверхностной области, так как имеют меньший коэффициент диффузии.
Особенность проведения процесса диффузии в соединениях типа AIUBV состоит в необходимости создания избыточного давления паров летучего компонента группы V для предотвращения разложения поверхности образцов при нагреве. Поэтому диффузию обычно проводят в отпаянной кварцевой ампуле, в которую кроме легирующей примеси помещают навеску фосфора или мышьяка.
Методы расчетов диффузионных структур
При проведении расчетов диффузионных структур решают два основных типа задач: определение профиля распределения концентрации примеси на основании заданного технологического режима (прямая задача) и определение режима процесса диффузии на основании параметров конечного распределения примеси в структуре (обратная задача). Рассмотрим примеры решения прямых задач.
Расчет распределения примеси в случае двухстадийной диффузии. Как отмечалось, особенностью диффузии в планарной технологии является разбиение ее на две стадии. Стадия загонки примеси осуществляется в течение короткого времени t\ при постоянной поверхностной- концентрации Соь Введенное при загонке количество примесных атомов N (ат/см2) служит источником диф- фузанта при последующей разгонке в течение времени ta с изменяющейся во времени поверхностной концентрацией:
C(a=N[V stD^.
Для построения профиля распределения примеси в случае двухстадийной диффузии необходимо знать температуры и длительности загонки и разгонки. Температура Т\ задает коэффициент диффузии примеси Dx и поверхностную концентрацию Соь определяемую предельной растворимостью примеси.
Поверхностная плотность атомов примеси, введенной на стадии загонки, определяется интегрированием распределения примеси:
A^ = j C{x)dx= j*C01erfc^y^^=2C01 ^~~ • (9.10) о61 \
С (х, t)С (х, t)Распределение примеси после стадии разгонки определяется выражением
С (х, t)
С (х, t)
V D^ [4£)2^2) У ^оу2 еХР [4£>2<2
(9.И)
Пример 1. Построить профиль распределения примеси и определить глубину залегания р-я-перехода в случае двухстадийной диффузии фосфора в кремний с электропроводностью р-тнпа с удельным сопротивлением 10 Ом-см, проводимой в режиме: Тг= 1050° С, tx = 10 мин, Т2 = 1150° С, /2 = 2 ч.
Определим COi. Пользуясь рис. 5.2, найдем, что для Т= 1050° С предельная растворимость фосфора в кремнии составляет 1,2-1021 см~3. Принимаем Coi = 1,2-1021 см-3.
Определим Db С помощью рис. 9.5, а для 7=1050°С найдем, что Dx = = 2,5-10-14 см2/с.
Вычислим N:
/
ОД/ 2,5-10-14.10-60
— = 2-1,2-1021 1/ -—= 5,2-1015 см-2.
Определяем D2. С помощью рис. 9.5, а для Т= 1150° С найдем, что D2 = = 4-10-13 см2/с.
Построим кривую распределения:
С (х, tA = —7 : exp — =
/лО2<2 к 4О272/
5,2-1015/д-2\
~ /3,14-4-10-13-2-60-60 ехР \~4-4-10-13-2-60-60 /
5,5- 10W ехр5,5- 10W ехрх?1,15-10-8х?1,15-10-8
5,5- 10W ехр
5,5- 10W ехр
х?
1,15-10-8
х?
1,15-10-8
Профиль распределения концентрации фосфора после разгонки показан на рис. 9.6. Для сравнения там же приведена кривая распределения фосфора после стадии загонки:
С (л:, 7) — Cqj erfcС (л:, 7) — Cqj erfcх2/ОДх2/ОД1,2-1021 erfc1,2-1021 erfcх7,75-10-eх7,75-10-e
С (л:, 7) — Cqj erfc
С (л:, 7) — Cqj erfc
х
2/ОД
х
2/ОД
1,2-1021 erfc
1,2-1021 erfc
х
7,75-10-e
х
7,75-10-e
Определяем глубину залегания р-я-перехода. Согласно формуле (9.2)
х^УО^ /1п(Сс2/Св).
Значение концентрации примеси в исходной пластине найдем с помощью кривой p=f(c) на рис. 6.4: для рр = ЮОм-см Св=1,2-1О15 см-3. Тогда
/
5 5-1019
2,3!g y2-]o- =3,5-10-4 см = 3,5 мкм.
Расчет по упрощенной формуле (9.4) дает
Xj = 6 V0^2 = 6 ]^2,88-10—э = 3,2 мкм,
что достаточно близко к точному значению.
Расчет распределения примеси при диффузии из слоя конечной толщины. Рассмотренный пример 1 наглядно показывает, что при выполнении условия Dvtx-<D2t2 (1,5-10-1'С2,88-10-9) форма про
филя распределения примеси на стадии загонки не влияет на профиль распределения после разгонки, ибо глубины залегания этих распределений несопоставимы. Если условие Dih<D2t2 не выполняется, то глубина диффузии на стадии разгонки сравнима с глубиной диффузии на стадии загонки, поэтому нельзя считать, что разгонка осуществляется из бесконечно тонкого слоя с ограниченным содержанием примеси. В этом случае получается комбинированное распределение, определяемое решением уравнения Фика для диффузии из слоя конечной тол
щины:
С(х,t2)=—— \ ехр(—z/2)erf(az/)tZy,
/5(9.12)
Рис. 9.6. Расчетные профили распределения фосфора после загонки (/) и разгонки(2)Рис. 9.6. Расчетные профили распределения фосфора после загонки (/) и разгонки(2)где у —переменная интегрирования;
Рис. 9.6. Расчетные профили распределения фосфора после загонки (/) и разгонки
(2)
Рис. 9.6. Расчетные профили распределения фосфора после загонки (/) и разгонки
(2)
z=, a=V D^D^.
4 Wx + D2t^
Поверхностная концентрация после стадии разгонки Со2= = С (х=0, (ь (2)
2
С02= — С01 arctga.
Интеграл (9.12) вычислен и табулирован для различных а и z (табл. 9.1).
Таблица 9.1
0,1
0,3
0,5
1,0 ~
2,0
3,0
5,0
. 0,1 0,3 0,5 0,7 0,9 1,5 3,0
0,09015 0,26295 0,41626 0,54464 0,64829 0,84509 0,99920 1,02843
0,07376 0,21403 0,33557 0,43340 0,50812 0,63065 0,68698
0,68892
0,06035 0,17422 0,27058 0,34515 0,39903 0,47586 0,49825 0,49843
0,03655 0,10416 0,15812 0,19596 0,21979 0,24431 0,24708 0,24709
0,01340 0,03725 0,05419 0,06398 0,06867 0,07141 0,07147 0,07147
0,00491 0,01333 0,01866 0,02120 0,02213 0,02247 0,02247 0,02247
0,00066 0,00174 0,00224 0,00242 0,00245 0,00246 0,00246 0,00246
Пример 2. Рассчитать распределение примеси для двухстадийной диффузии фосфора в кремний, проводимой в режиме: 7\=125О°С, /1 = 10 мин, 7’2=1150° С, /з=2 ч. Определить глубину залегания р-я-перехода.
С помощью рис. 9.5, а определим коэффициенты диффузии фосфора в кремнии: В1 = 4-10-12 см2/с, £>2 = 4-10-13 см2/с.
Так как Dxtv = 4- Ю"12-10-60=2,4- 10-9«О2/2=4 ■ 10-,3-2-60-60 = 2,88Х ХЮ-9 см2, то следует использовать формулу (9.12).
Определим а и г:
*2*2;о,9,*2;о,9,*2а = / О^ВД) = V /4-10-9/(2,88-10-9)
*2
*2
;о,9,
*2
;о,9,
*2
Х2
164(D1t1+D2/2)4м(2,4.10-6 + 2,88-10-9) L2,11-10-8''
Определим поверхностную концентрацию после разгонки. Согласно кривой С=/(7’) на рис. 5.2, при Т| = 125О°С Со1 = 1,2-1021 см-3
Поверхностная концентрация после разгонки
„2С012-1,2-1021
Со2 =arctgа =—arctg 0,9 = 5,6-1020 см—3.
л3,14
Построим распределение. Пользуясь табл. 9.1, зададим значения 2=0,1, 0,3, 0,5 и т. д. и определим для «=0,9 значения интеграла. При построении графика найдем глубину (см):
х = 2 У(D^ + D^ z = 1,45-10—4/5.
На стадии загонки распределение примеси имеет вид
С (х) = 1,2-1021 erfc 7=^=- = 1,2-1021 erfc ——.
.’2У2,4-10-9’0,98-10—4
Оба профиля — после загонки / и после разгонки 2 — показаны на рис. 9.7. Уже на стадии загонки глубина диффузии составляет около 3/4 полной глубины после разгонки.
Глубину залегания р-я-перехода определим по приближенной формуле (9.4), в которой учтем наличие двух сравнимых по глубинам диффузии стадий:
Xj = 6VD1t1 + О2/2 = 6/5,28-10-9 = 4,35-10-4 см = 4,35 мкм.
Для сравнения построим профиль распределения без учета реального соотношения между Dxtx и Dit^, используя кривую Гаусса при ф^э^ = Dxtx-vDiti".
Г" ( Г х2
о \Х) ——.=— е х р
гдегде/л VDt^Р 4 J ’
где
где
С(у\ — -6,6-1016/ Х2 х
= 5,1- 1023 еХр= 5,1- 1023 еХрХ22,11-10-8Х22,11-10-8Это распределение рует кривую 2 на почти на порядок.Это распределение рует кривую 2 на почти на порядок./3,14-5,28-10-9 ехр ( "2,11-10-8 ) =
= 5,1- 1023 еХр
= 5,1- 1023 еХр
Х22,11-10-8
Х22,11-10-8
Это распределение рует кривую 2 на почти на порядок.
Это распределение рует кривую 2 на почти на порядок.
малыхНгпНй РИС" 9 7 КРИВОЙ 5- которая хорошо аппроксими- малых глубинах, но при ^4 мкм завышает концентрацию
телъноГмВиТппМ ?римеси в слУчае Двойной последова- ФФУ • - Ри Иоготовлени диффузионных транзисторов,
Рис. 9.7. Расчетные профили распределения фосфора при двухстадийной диффузииРис. 9.7. Расчетные профили распределения фосфора при двухстадийной диффузииCU, i)=COaexpCU, i)=COaexp*2*24 (Data + D^^4 (Data + D^^— СОл erfc —-==-2— СОл erfc —-==-2Св, (9.14)Св, (9.14)гдегдеСоаСоаNaNaV л (Data + Dat^V л (Data + Dat^(9.15)(9.15)
Рис. 9.7. Расчетные профили распределения фосфора при двухстадийной диффузии
Рис. 9.7. Расчетные профили распределения фосфора при двухстадийной диффузии
CU, i)=COaexp
CU, i)=COaexp
*2
*2
4 (Data + D^^
4 (Data + D^^
— СОл erfc —-==-2
— СОл erfc —-==-2
Св, (9.14)
Св, (9.14)
где
где
Соа
Соа
Na
Na
V л (Data + Dat^
V л (Data + Dat^
(9.15)
(9.15)
тиристоров, варикапов и многих других приборов и интегральных микросхем активную структуру получают путем последовательной диффузии примесей, создающих слои с различным типом электропроводности. Если ведется двойная последовательная диффузия акцепторной примеси с параметрами СОа, Da, ta, а затем донорной примеси с параметрами Сод, £>д, (д в полупроводник с электропроводностью n-типа, равномерно легированный примесью с концентрацией Св, то суммарное распределение концентрации имеет вид
CU, /)=СОаехр erfc (9.13)
Так как атомы акцепторнойТак как атомы акцепторнойи донорной примесей взаимно
Так как атомы акцепторной
Так как атомы акцепторной
компенсируют друг друга, то при расчете профиля распределения значениям концентраций придают положительный (для акцепторов) и отрицательный (для доноров) знаки или наоборот. Первая диффузия является более глубокой, последующая — более мелкой, но с более высокой концентрацией, поэтому при двойной последовательной диффузии будут получены структуры п-р-п согласно формуле (9.13) или р-п-р, если поменять местами типы примесей. По
добное распределение является типичным при получении структуры диффузионного транзистора. Первую диффузию с низкой по-
верхностной концентрацией и большой глубиной называют базовой. Она служит для создания базовой p-области. Вторую диффу
зию с высокой поверхностной концентрацией и малой глубиной называют эмиттерной. Она предназначена для получения эмиттерной
области с электропроводностью п-типа.
Базовую диффузию осуществляют в две стадии, поэтому ее вклад в суммарное распределение (9.13) отражен в виде кривой Гаусса, тогда как эмиттерную диффузию обычно ведут в одну стадию и распределение примеси описывается erfc-функцией. Выражение (9.13) справедливо только в том случае, если во время эмиттерной диффузии не происходит заметного перемещения акцепторной примеси. В более общем случае
Da* — коэффициент диффузии акцепторов при температуре диффузии доноров.
Для определения глубины залегания эмиттерного р-п-перехода приравняем суммарную концентрацию нулю и учтем, что Св во много раз меньше концентраций диффундирующих доноров и акцепторов. Тогда для распределения (9.13)
СОлег1сСОлег1с2 У 57л2 У 57л= СОаехр= СОаехр4Data4Data
СОлег1с
СОлег1с
2 У 57л
2 У 57л
= СОаехр
= СОаехр
4Data
4Data
Воспользуемся аппроксимацией erfc-функции:
(
2'
(9-16>
4Data /
Преобразуя (9.16), получим
^э=[(—1—Г/2/ЫС7ОЗ-(9.17)
L\2T£>74Data\
Это уравнение решим методом итерации, принимая за начальное
QTJQTTCiUttA
тогдатогдах^—бУо^,(9.18)х^—бУо^,(9.18)
тогда
тогда
х^—бУо^,(9.18)
х^—бУо^,(9.18)
^(Voa).(9.19)
\4£?дГд 4L/ata )
Уточненное значение глубины залегания эмиттерного р-п-переходаГ/ 1 I 0,3 \211Тр
xia— I 9/^(Voa)-(9.20)
При определении глубины залегания коллекторного перехода следует учесть его смещение при эмиттерной диффузии, поэтому х;-к=2 /Б^+Б^ УЬДСТСБ,
где СОа определяется формулой (9.15).
Пример 3. Рассчитать профиль распределения концентрации примеси в п-р-п-структуре, полученной последовательной диффузией бора и фосфора в кремний с электропроводностью n-типа и удельным сопротивлением 0,15 Ом-см н проводимой в режимах: 7а = 1200° С, /а = 1 ч, Тк= 1100° С, /д = 2 ч. Поверхностная плотность атомов бора Wa=5-1014 см-2, диффузия фосфора ведется из неограниченного источника примеси с поверхностной концентрацией, равной предельной растворимости.
С помощью рис. 6.4 найдем концентрацию донорной примеси в исходной пластине кремния Св = 5-1016 см-3.
Определим коэффициенты диффузии. Согласно рис. 9.5, а, Da= = 2-10~12 см2/с, Да‘ = 2,5-10-13 см2/с, Пд=1-10-13 см2/с. Согласно рис. 5.2, <?од = 1,2-1021 см-3.
Сопоставим произведения D-J^ и £>а‘1д:
Data = 2-10-12.1 - 60-60 = 7,2-10-9 см2,
О*/л = 2,5-10-13.2-60-60 = 1,8-10-9 см2.
Таким образом, DaU>Da*tK и для построения распределений можно использовать формулу (9.13):
С(^,О = С0аехр (^-^J-^erfcС(^,О = С0аехр (^-^J-^erfc-2 VDA-2 VDA--Св,--Св,
С(^,О = С0аехр (^-^J-^erfc
С(^,О = С0аехр (^-^J-^erfc
-2 VDA
-2 VDA
--Св,
--Св,
гдегде/2,31§(С0дАа) =/2,31§(С0дАа) =(10,3 \2^Э=1\2/ОА + ^э/(10,3 \2^Э=1\2/ОА + ^э/11-1/2——/2,31g (СодАа) =11-1/2——/2,31g (СодАа) =1 2/7,2-10-161 2/7,2-10-160,3\21,35-10-4 )0,3\21,35-10-4 )14-7,2-10-914-7,2-10-9-1/2-1/21,2-10212,31g 3,3-10'81,2-10212,31g 3,3-10'8= 1,2-10-4 см = 1,2 мкм.= 1,2-10-4 см = 1,2 мкм.
где
где
/2,31§(С0дАа) =
/2,31§(С0дАа) =
(10,3 \2
^Э=1\2/ОА + ^э/
(10,3 \2
^Э=1\2/ОА + ^э/
11-1/2
——/2,31g (СодАа) =
11-1/2
——/2,31g (СодАа) =
1 2/7,2-10-16
1 2/7,2-10-16
0,3\2
1,35-10-4 )
0,3\2
1,35-10-4 )
1
4-7,2-10-9
1
4-7,2-10-9
-1/2
-1/2
1,2-1021
2,31g 3,3-10'8
1,2-1021
2,31g 3,3-10'8
= 1,2-10-4 см = 1,2 мкм.
= 1,2-10-4 см = 1,2 мкм.
.55'1014=3,3-1018 СМ=
Оа“ /S5A /3,14-7,2-10-
Для рационального выбора шага по оси х при построении распределения определим глубину залегания коллекторного и эмиттерного переходов:
х,к = 2 /Data /2,3 1g (СОа/Сд) —
= 2 /7,2-10-9 /2,31g (3,3-1018/5-1016) = 3,5-10-4 См = 3,5 мкм.
Для определения глубины залегания эмиттерного перехода используем формулы (9.18)—(9.20):.
Xjga = 6 /5/д = 6/1-10-13-2-60-60 = 1,6-10-4 см = 1,6 мкм;
/ 11 \-1/2
^Э1 =" Wata J
11\ 1/2/2,31g [1,2-1021/(3,3-1018)] =
4-7,2-10-ю4-7,2-10-9 /
= 1,35-10-4 см= 1,35 мкм;
Построим распределение:
С(Х,О = 3,3-1018 ехр (_ ^V—)-1,2-1021 erfc 535 10_" -
-5-1016 см-з.
До глубины х=1,2 мкм используем шаг 0,3 мкм, на глубинах х=1,5—3,5 мкм используем шаг 0,5 мкм. Обычно такое распределение принято представлять в виде отдельных кривых (рис. 9.8). С помощью этих кривых можно найти глубину залегания эмиттерного и коллекторного переходов по точкам пересечения. На рис. 9.8 показано также распределение концентрации примеси в исходной эпитаксиальной структуре с толщиной эпитаксиального слоя 5,5 мкм и концентрацией примеси в подложке 5-1018 см-3. Толщина области базы р-типа
w = XjK-Xj3 = 3,5- 1,2 = 2,3 мкм.
Рис. 9.8. Расчетные профили распределе- ; ния примеси в п-р-п-транзисторе, полу- ’ чениом двойной последовательной диф- ; фузией ;
§ 9.4. Определение режимов диффузии
Обратимся к решению обратных задач. Обратные задачи име-ют большое практическое значение.
В их связи с реальной практикой : состоит специфика их решений— ■ они не однозначны в отношении
выбора температуры и длительности процесса диффузии. Выбор этих параметров определяют конкретные особенности технологического процесса и возможности технологического оборудования. ; Строгое решение обратных задач приводит к определению произведения DL Далее чаще всего задаются температурой Т и по най- | денному значению коэффициента диффузии определяют длитель- | ность диффузии t. Иногда в выборе режимов следует учитывать 1 не только температурную зависимость коэффициента диффузии, | но и предельную растворимость примеси.1
Определение режимов диффузии на основании заданных пара- I метров распределения примеси. Для расчета стадии разгонки или I одностадийной диффузии обратная задача достаточно проста. 1 Пусть диффузия ведется из предварительно созданного с помощью | ионной имплантации слоя с ограниченным содержанием примеси, | тогда на основании формулы1
x^VDt ■/^(C.IC^
запишем
х2.
Dt=^ .
4 In (CqICb)
Теперь нужно выбрать либо температуру, либо время процесса. Если нас лимитирует производительность или иные соображения, требующие задать некоторое минимальное время t, то температуру процесса определим на основании вычисленного коэффициента диффузии:
D =1 .
М In (Со/С5)
Пример 4. Определить температуру разгонки мышьяка, предварительно внед- реииого с помощью иоииой имплантации в кремний с электропроводностью р-тц- па и удельным сопротивлением 1 Ом-см, если распределение должно обладать глубиной залегания р-п-перехода Xj = 0,5 мкм, поверхностной концентрацией Со=1,5-1О20 см-3, а длительность процесса составляет 1 ч. Вычислить количество атомов мышьяка N, которое должно быть внедрено в кремний.
188
1. С помощью рис. 6.4 найдем, что Св =1,5-1016 см-3.
2. Определим коэффициент диффузии:
7
ч0,25-Ю—з
41 1п(С0/СВ)
- 4-1-60-60-2,3 1g (1,5-1020/(1,5-1010)] = 1,9-10-14 см2/с.
Найденному коэффициенту диффузии мышьяка в кремнии соответствует температура 1070’ С (см. рис. 9.5, а).
АГСо= ута ;АГСо= ута ;Количество атомов As, внедренных на единице площади, определим на осиоваиии выражения для поверхностной концентрации:
АГ
Со= ута ;
АГ
Со= ута ;
N = CQVnDt= 1,5-1020/ 3,14-1,9-10—14.1 60-60 =
= 2,2-1015 см-2.
Пример 5. Определить режим диффузии, проводимой в одну стадию при постоянной поверхностной концентрации для условий примера 4.
Распределение примеси описывается erfc-фуикцией, поэтому воспользуемся ее аппроксимацией (9.6) и формулой (9.7):
На основании (9.7) определим коэффициент диффузии:
°4t(/ln(Co/CB)-O,3)2
= 2,3-10-14 см-2/с.= 2,3-10-14 см-2/с.0,25-10-8
= 2,3-10-14 см-2/с.
= 2,3-10-14 см-2/с.
“ 4-1 -60-60(/2,3 1g [1,5-1020/(1,5-1016)] - 0,3)2
Найденному коэффициенту диффузии соответствует температура 1080’С (см. рис. 9.5, а). При такой температуре предельная растворимость As в кремнии составляет 1,7-1021 см-3 (см. рис. 5.2), поэтому для диффузии следует использовать обедненный источник, чтобы получить Со= 1,5-1020 см-3.
Решение обратной задачи для двухстадийной диффузии производят в два этапа. Вначале определим режим разгонки, затем иа основании полученных данных— режим загоики. Режим разгонки найдем, используя выражение (9.10):
А7 = 2C0i УP^tifK,
Отсюда после преобразования рассчитаем произведение:
Л/Л Спо
£>А = "Г ^ОД = D^ —.
Это выражение показывает, что для двухстадийиой диффузии необходимо регулировать поверхностную концентрацию при загонке COi, либо задавать температуру загоики 71, определяющую два параметра Dx и Со1, а время загоики рассчитывать по известным данным:
Р^/яCq2V
19С/2*
Dy\2G01/
Пример 6. Определить температуры и длительности процессов загоики и разгонки в случае двухстадийиой диффузии бора в кремний с электропроводностью n-типа, с удельным сопротивлением 10 Ом-см, если искомое распределение примеси должно иметь следующие параметры: С02=5-Ю13 см-3, х^=2,5 мкм.
По графику рис. 6.4 находим, что Св = 4,5-1014 см~3.
Рассчитаем произведение TGG
6,25-10-8
4 1п(С02/Св)~ 4 2,3 1g [5-1018/(4,5-1014)]
Зададим температуру 7'2=1150= С. Согласно рис. 9.5, £>2 = 7,2-10~13 см2/с, тогда
<2= 1,7-10—9/Z>2 = 1,7-10-9/(7,2-10-13) = 2,36-103 с ~ 40 мин.
/4‘ 3аДадим температуру загонки бора r( = 1050=C тогда G„=3-1020 см-з
<см рис. 5.2), a Di = 6,9-10-14 см2/с (см. рис. 9.5, а).°* СМ
Длительность загонки
ц —ц —DiDiDiDiС02CqiС02Cqi7,2-10-13 /3,14 5-1Q18V6,910—14^ 2 3-1020/7,2-10-13 /3,14 5-1Q18V6,910—14^ 2 3-1020/2,4-103= 10,62,4-103= 10,6с.с.
ц —
ц —
Di
Di
Di
Di
С02
Cqi
С02
Cqi
7,2-10-13 /3,14 5-1Q18V
6,910—14^ 2 3-1020/
7,2-10-13 /3,14 5-1Q18V
6,910—14^ 2 3-1020/
2,4-103= 10,6
2,4-103= 10,6
с.
с.
Такая длительность загонки не может быть выдержана практически, поэтому необходимо использовать обедненный источник бора или вводить примесь методом ионной имплантации.
Количество атомов бора, которое необходимо ввести на стадии загонки, /V = С02 /лДЙ = 5-1018 /3,14-1,7-10-9 = 3,6-1014 см-2.
При использовании обедненного источника диффузанта задают длительность загонки it и определяют произведение:
99 / Л \2 /9
DiC01 = ОгСю•
Зададим 7, = 10 мин, тогда
_ .„/3,14)2 2,4-1031
DvCL =7,2-10-13.25-1036 -1— —= 1,78-1026.
01к 2 /6-102СМ4.С
Зададим 7i=1050°C, тогда £>=6,9-Ю-14 см2/с (см. рис. 9.5, а) и
С01 = /1,78-1026/7)! = /1,78-1026/(6,9-10-14) « 5-1019 см-з.
Определение режимов последовательной диффузии. В рассмотренных примерах примесь диффундирует в однородно легированный полупроводник. При двойной последовательной диффузии эмиттерная диффузия идет в неоднородно легированную базовую область, поэтому расчет технологических режимов усложняется. Исходными данными для расчета являются глубины залегания коллекторного и эмиттерного переходов %;к, х,э, концентрация примеси в эпитаксиальном слое Св, поверхностные концентрации диффундирующих акцепторной и донорной примесей Соа, СОд. Определяемые параметры: режимы загонки (Tai, /1, N^ и разгонки (Та2, /аг) акцепторной примеси при базовой диффузии и режим разгонки (Тд, 1Д) донорной примеси при эмиттерной диффузии.
Расчет режима базовой диффузии выполняют аналогично расчету режима двухстадийной диффузии в однородно легированный лолупроводник. Для упрощения расчетов принимают, что в процессе эмиттерной диффузии не происходит заметного смещения распределения концентрации акцепторной примеси, т. е.
(^/)эф ^32^32 ~Н ^аз/ ^аг/з’
где Daa — коэффициент диффузии акцепторной примеси при эмиттерной диффузии.
Для расчета режима эмиттерной диффузии используют равенство (9.17), полученное при определении глубины залегания эмиттерного перехода. Решив его относительно произведения Дд/, определяют температуру или длительность диффузии:
„2
Dnt
Пример 7. Определить режим загонки (7аь tai, Ма) и разгонки (7а2, Ог) при базовой диффузии бора и режим загонки Тд, (д при эмиттерной диффузии фосфора в кремний, если задано: Св = 5-1016 см-3, х,а=1,2 мкм, XjK = 3,5 мкм, Coa=3,3•lO,8 см-3, Сод= 1,2-1021 см-3.
Вначале определим режимы базовой диффузии.
Найдем произведение:
Dadal =Dadal =.2JK.2JK12,2512,254 In (Соа/^в) " 4.2,31g [3,3-1018/(5-101е)]4 In (Соа/^в) " 4.2,31g [3,3-1018/(5-101е)]= 7,3-10-9 см2.= 7,3-10-9 см2.Зададим температуру разгонки 7а2=1150’С, тогда .Оа2 = 7,2-10~13 см2/с (см. рис. 9.5, а). Получаем42 = 7,3-I0-9/Z>a2 = 7,3-10-9/(7,2-10-13) =1,01-104 с = 2 ч 50 мин.Найдем поверхностную плотность атомов "бора, необходимую для базовой диффузии:Na = Соа УйБ572 = 3,3.1018 /3,14-7,3-10—9 = 5-1014 см-2Режим загонки выберем на основании произведенияЗададим температуру разгонки 7а2=1150’С, тогда .Оа2 = 7,2-10~13 см2/с (см. рис. 9.5, а). Получаем42 = 7,3-I0-9/Z>a2 = 7,3-10-9/(7,2-10-13) =1,01-104 с = 2 ч 50 мин.Найдем поверхностную плотность атомов "бора, необходимую для базовой диффузии:Na = Соа УйБ572 = 3,3.1018 /3,14-7,3-10—9 = 5-1014 см-2Режим загонки выберем на основании произведенияOaAl —OaAl —OalOalЛ Ср» .2 2 Coal /Л Ср» .2 2 Coal /
Dadal =
Dadal =
.2
JK
.2
JK
12,25
12,25
4 In (Соа/^в) " 4.2,31g [3,3-1018/(5-101е)]
4 In (Соа/^в) " 4.2,31g [3,3-1018/(5-101е)]
= 7,3-10-9 см2.
= 7,3-10-9 см2.
Зададим температуру разгонки 7а2=1150’С, тогда .Оа2 = 7,2-10~13 см2/с (см. рис. 9.5, а). Получаем
42 = 7,3-I0-9/Z>a2 = 7,3-10-9/(7,2-10-13) =1,01-104 с = 2 ч 50 мин.
Найдем поверхностную плотность атомов "бора, необходимую для базовой диффузии:
Na = Соа УйБ572 = 3,3.1018 /3,14-7,3-10—9 = 5-1014 см-2
Режим загонки выберем на основании произведения
Зададим температуру разгонки 7а2=1150’С, тогда .Оа2 = 7,2-10~13 см2/с (см. рис. 9.5, а). Получаем
42 = 7,3-I0-9/Z>a2 = 7,3-10-9/(7,2-10-13) =1,01-104 с = 2 ч 50 мин.
Найдем поверхностную плотность атомов "бора, необходимую для базовой диффузии:
Na = Соа УйБ572 = 3,3.1018 /3,14-7,3-10—9 = 5-1014 см-2
Режим загонки выберем на основании произведения
OaAl —
OaAl —
Oal
Oal
Л Ср» .2 2 Coal /
Л Ср» .2 2 Coal /
Зададим температуру загонки бора 7а1 = Ю50эС, тогда С0а1 = 3- 10м см~3 (см. рис. 5.2), а £>а 1 = 6,9• IО-14 см2 (см. рис. 9.5, а).
Длительность загонки бора
30 c.30 c.Dal(K CoaV, _7Л10^/УА W211V
30 c.
30 c.
41 = "^U^-6,9-10-14^ 23-1020 )
Такую длительность практически трудно реализовать в связи с большим периодом установления стационарного потока диффузанта в диффузионной печи, поэтому, как и в примере 6, следует задать время ^а1 = 10 мин и вычислить про-
3,14\2 1,01-1046-1023,14\2 1,01-1046-102изведение:
3,14\2 1,01-104
6-102
3,14\2 1,01-104
6-102
Oa/oal ~
1
= 3,24-ЮМ——СМ4-С
Зададим Соа1 =5-1019 см-3, тогда
Z)aI = 3,24-1026/С^ == 3,24-1026/(5-1019)2 = 1 ,3-10-13 CM2/c,
что соответствует температуре Tai~1065’С (см. рис. 9.5, а).
Сопоставляя полученные режимы загонки и разгонки бора с режимами прямой задачи, рассмотренной в примере 3, видим, что они несколько отличаются, 191
Сод ехрОтсюда найдем произведение:^44 ——лп , / - соаехр —.4^44 /\4Dafa/4 In (Срд/Сра)1— 1х j э£44.Сод ехрОтсюда найдем произведение:^44 ——лп , / - соаехр —.4^44 /\4Dafa/4 In (Срд/Сра)1— 1х j э£44.
Сод ехр
Отсюда найдем произведение:
^44 —
—лп , / - соаехр —.
4^44 /\4Dafa/
4 In (Срд/Сра)1— 1
х j э£44.
Сод ехр
Отсюда найдем произведение:
^44 —
—лп , / - соаехр —.
4^44 /\4Dafa/
4 In (Срд/Сра)1— 1
х j э£44.
что обусловлено возможностью произвольного выбора температуры, длительности и поверхностной концентрации.
Для определения режима эмиттерной диффузии найдем произведение: = =
4 [ V 2,3 1g (СОд/СОа) + ^3/(4£>a2ta2) — 0,3]
1,44-10-8
~ 4 J/2731g [1,2-1021/(3,3-1018)] +1,44.10-8/(4-7,2.10-9) — 0,3 j2 == 7,2-10-10 см2.
Зададим длительность эмиттерной диффузии ^д = 1 ч, тогда значение коэффициента диффузии фосфора
/)д = 7,2-Ю-Ю/^д 7,2-10-13/(69-60) = 2-10-13 СМ2/С,
что соответствует температуре Уд—1125° С (см. рис. 9.5, а).
Оценим справедливость допущения о неизменности распределения концентрации бора во время эмиттерной диффузии. Для Т—1125° С /)аз = 4Х Х^“13 см2/с; следовательно, Da3^ = 4-10~13-60-^0—1,44-Ю"9 см2, D^tal = = 7,3-IO'9 см2.
Таким образом, соотношение Da^ta^ Da^t^ выполняется достаточно хорошо.
Теперь рассмотрим расчет режимов диффузии в том случае, когда смещением коллекторного перехода в процессе эмиттерной диффузии пренебречь нельзя.
Пример 8. Определить количество атомов бора, которое необходимо ввести в структуру методом ионной имплантации для создания области базы, и режим разгонки Таг, 4г, а также количество атомов фосфора М^, которое необходимо ввести с помощью ионной имплантации для создания эмиттерной области, и режим разгонки Уд, 4» если концентрация донорной примеси в исходном эпитаксиальном слое кремния с электропроводностью /z-типа составляет Св = 5-1О15.см~, Xja=l мкм, XjK = 2 MKM, СОа = 3-Ю18 СМ"3, С0д = 5'1020 см-3.
Рассмотрим базовую диффузию. Чтобы учесть воздействие высокой температуры при эмиттерной диффузии, введем величину
D^a = £4242 + £4з4*
где Das — коэффициент диффузии бора при температуре Уд. Найдем произведение:
2
4-10-8
Data -== 1,565-10-9 см2.
аа 4 1п (Суа/Сд) 4-2,3 1g [3-1018/(5-1015)]
' 4-2,3 1g [5-1020/(3-1018)]1
1-10-8+ 1,565-10-9
Определим количество атомов фосфора, которое необходимо ввести иа единице поверхности:
N^G^V^D^ =5-1020/3,14-3,73-10-10= 1,71-1016 см-2
Зададим температуру эмиттерной диффузии Гд=1100э С, при которой коэффициент диффузии фосфора /)а = 1,Ы013 см2/с (см. рис. 9.5, а), поэтому длительность эмиттерной диффузии
t^ = 3,73-10—Ю//)д = 3,73-10-10/(1,1. Ю-13) = 3,39. юз с _ 53,5 мин.
Определим режим базовой диффузии. При Гд— 1100- С коэффициент диффузии бора ^3=2,5-10-13 см2/с (см. рис. 9.6, а). Найдем
Оа2^2 = Data — Da^ = 1,565-10-9 _ 2,5-10-13-3,39-103 = 7,2- 10-Ю см2.
Выберем температуру базовой диффузии Tas = 1150° С, что соответствует коэффициенту диффузии бора Т^аг = 7,2 • 10—13 см2/с (см. рис. 9.5, а). Длительность базовой диффузии
/а2 = 7,2- 10—Ю//)а2 = 7,2-10-10/(7,2- 10-Ю) = щз с = 16 мин 45 с.
Оценим параметры диффузионного базового слоя после базовой диффузии. Поверхностная концентрация бора
Оа /л/Ш,2/3,14-7,2-10-Ю
Глубина залегания коллекторного перехода
х/К = 2у 5^/ 2,3 1g ((//Св) = 2/7,2-10-10/2,3 1g [4,4-1018/(5-1015)[ ^1,4- IO-4 см — 1,4 мкм.
Таким образом, значения поверхностной концентрации бора и глубины коллекторного перехода после базовой диффузии значительно отличаются от требуемых значений, которые достигаются только после эмиттерной диффузии.
Примеры 7 и 8 показывают, что в зависимости от соотношения произведений Da2^a2 и D^t^ следует учитывать или пренебрегать влиянием эмиттерной диффузии на распределение примеси, полученное при базовой диффузии.
Диффузионные процессы при изготовлении ИМС
Вследствие того что все активные и пассивные элементы полупроводниковых ИМС расположены в одном кристалле, между ними существуют не предусмотренные электрической схемой резистивные и емкостные связи. Поэтому одной из главных проблем при создании полупроводниковых микросхем является проблема изоляции элементов с целью устранения паразитных связей. Существует две группы методов изоляции: с помощью обратносме- щенных р-п-переходов и с помощью диэлектрика. Изолирующие р-п-переходы создают преимущественно методом диффузии. Достоинства методов изоляции с помощью обратносмещенных р-п- переходов состоят в высокой технологичности, малой длительности производственного цикла и сравнительно высоком проценте выхода годных микросхем. Существует ряд разновидностей изоляции 7—210 193
методметодэлементов ИМС обратносмещенными р-п-переходами:
метод
метод
делительной диффузии, коллекторная изолирующая диффузия, базовая изолирующая диффузия, метод трех фотошаблонов, метод
самосовмещения.
Метод разделительной диффузии. Вследствие простоты и низкой стоимости данный метод является наиболее распространенным для изготовления ИМС широкого применения. Основные этапы технологии состоят в следующем. Исходная пластина кремния с электропроводностью p-типа после механической и химиче-
Рис. 9.9. Метод разделительной диффузииРис. 9.9. Метод разделительной диффузии
Рис. 9.9. Метод разделительной диффузии
Рис. 9.9. Метод разделительной диффузии
ской обработки подвергается оксидированию. В диоксиде кремния с помощью фотолитографии создают окна, размеры которых несколько больше площади, которую будут иметь коллекторные переходы. В окна проводят диффузию мышьяка или сурьмы, т. е. примесей, создающих высокую концентрацию носителей заряда и обладающих низким коэффициентом диффузии в кремнии. В результате образуются п+-области будущих скрытых слоев под коллекторами транзисторов, уменьшающие сопротивление насыщения транзисторов (рис. 9.9, а). Диоксид удаляют со всей поверхности пластины и наращивают эпитаксиальный слой с электропроводностью n-типа толщиной 3—10 мкм (рис. 9.9, б). В этом слое будут созданы все активные и пассивные элементы микросхемы. На эпитаксиальном слое выращивают пленку ЗЮг, в которой вскрывают окна, ограничивающие области ИМС, требующие изоляции друг от друга. В окна проводят диффузию бора на глубину 5—12 мкм, чтобы образовавшийся р+-слой надежно сомкнулся с р-подложкой и изолировал структуру транзистора и другие участки схемы (рис. 9.9, в). Изолирующий р-м-переход состоит из трех участков (р+-и, р-п и р-п+) с различными напряжениями пробоя. Минимальное напряжение пробоя должно превышать максимальное смещение используемого при работе ИМС. В процессе дальнейших технологических операций формируются p-база, р-резистор, n-эмиттер и п+-контакт к коллектору (рис. 9.9, г).
Диффузионные резисторы. Для создания резисторов в полупроводниковых ИМС используют диффузионные слои, полученные при формировании базовой или эмиттерной областей тран- 294
зисторов. Как правило, диффузионный резистор создается одновременно с базой транзистора путем диффузии акцепторной примеси в подложку с электропроводностью n-типа (рис. 9.10, а). Сопротивление диффузионного слоя зависит от распределения примеси, глубины диффузии и отношения длины диффузионного резистора к его ширине. Номинал резистора R задается схемой, а длину рассчитывают по известному значению поверхностного сопротивления диффузионного слоя ^s (см. § 9.6), ширине резистора w и сопротивлению контактов RK".
L = -id(R-Rk)!Rs.
Рис. 9.10 Диффузионные резисторы:
а — в базовом; б — в эмиттерном слое (выводы /—/') и в «сжатом* базовом слое (выводы 2—2')
Базовая диффузия позволяет получать высокоомные резисторы. Резисторы с небольшими сопротивлениями получают в процессе эмиттерной диффузии (рис. 9.10, б, выводы /—Г). Наиболее употребительные диффузионные резисторы обладают параметрами, приведенными в табл. 9.2. Для получения резисторов с номиналами свыше 50 кОм используют так называемые «сжатые» базовые слои, получаемые после проведения эмиттерной диффузии (рис. 9.10, б, выводы 2—2'). Сильнолегированная поверхностная часть базового слоя компенсируется эмиттерным диффузионным слоем, и поверхностное сопротивление глубокой части базового слоя возрастает во много раз (табл. 9.2). Разброс номиналов у таких резисторов и ТКР больше, чем у обычных резисторов в базовом слое.
Таблица 9.2
Параметр
Тип резистора
базовый
эмиттерный
сжатый
Поверхностное сопротивление, Ом/П
Номиналы сопротивлений, кОм
Разброс номинала, %
100—400
2—3
500—Ы0‘
0,1—50
0,003—0,05
50—500
± (3—20)
±20
± (30—50)
тк^, ю-’/к
0,05—5
0,1—0,5
3—5
Обязательной составной частью структуры резистора является р-п-переход, изолирующий резистор от подложки и обладающий 7* 195
распределенной емкостью. Напряжение пробоя перехода ограничивает максимальное напряжение, которое можно подать на резистор. Полная распределенная емкость составляет 2—20 пФ для типичных структур и должна учитываться при работе на частотах свыше 10 МГц. Размеры областей, определяющих общую емкость резистора, зависят от рисунка фотошаблона^ Необходимая площадь резисторной области ограничена значением рассеиваемой мощности. Для получения резисторов с большим сопротивлением без увеличения их площади иногда уменьшают ширину диффузионного резистора. В этом случае также применяют «сжатые» резисторы.
Диффузионные резисторы имеют относительно большой разброс по номиналу и большие температурные коэффициенты сопротивлений. Для заданной концентрации примесей в диффузионной области сопротивление ее связано с изменением подвижности дырок или электронов с температурой. Влияние температуры на подвижность обусловливает положительный ТКД диффузионных резисторов. ТО тем больше зависит от изменения концентрации примеси, чем выше поверхностное сопротивление.
Резисторы, получаемые во время базовой диффузии при создании р-п-р-транзисторов, являются резисторами n-типа. Им присущи два основных недостатка, которых нет у резисторов р-типа. Во-первых, при данном значении поверхностного сопротивления из-за более высокой подвижности электронов слой с электропроводностью n-типа обладает меньшей концентрацией примеси. Слабое легирование вызывает несколько большую неоднородность поверхностного сопротивления и больший разброс номинала. Во-вторых, слой p-типа, окружающий резистор, сильнее подвержен возникновению поверхностных каналов, вызывающих нелинейные эффекты. Метод устранения каналов в р-п-р-транзисторах приводит к уменьшению этих эффектов, но при этом требуются дополнительные процессы диффузии и большая площадь подложки. Один из способов решения этой проблемы состоит в применении совмещенной технологии, когда на поверхности оксида в схемах с р-п-р-транзисторами создают тонкопленочные резисторы. Топология схемы остается той же самой, но требует применения дополнительных фотошаблонов. Оптимальным вариантом применения полупроводниковых диффузионных резисторов являются схемы, в которых важно выдержать соотношение между номиналами сопротивлений, тогда как абсолютные значения номиналов не очень существенны.
Диффузионные конденсаторы. Конденсаторы в полупроводниковых микросхемах образуются обратносмещенными р-п-пере- ходами. Основное достоинство диффузионных конденсаторов состоит в том, что их формируют одновременно с получением диффузионных областей транзисторных структур, поэтому при рационально изготовленном комплекте фотошаблонов не требуется никаких дополнительных операций создания пассивных элементов. Значение емкости зависит от типа электропроводности полупро-
водникового материала, площади перехода, характера распределения и концентрации примеси, а также полярности и смещения. Зависимость емкости диффузионных конденсаторов от приложенного напряжения позволяет конструировать специальные микросхемы, например схему генератора, управляемого напряжением; Но в ряде случаев такая зависимость емкости от напряжения нежелательна.
Параметры типичных диффузионныхконденсаторов
Удельная емкость, пФ/см21-Ю4—2-Ю5
Максимальная емкость, пФ200
Разброс номинала, % . • •±(10—30)
ТКС, 1/К 2-Ю-4
Напряжение пробоя, В . .30—100
Дефекты и методы контроля диффузионных структур
Реально получаемые диффузионные слои могут иметь электрофизические свойства, значительно отличающиеся от ожидаемых. Это несоответствие в значительной степени обусловлено возникновением дефектов в диффузионных слоях в процессе диффузии.
Образование дислокаций. Примесные атомы, входящие в кристаллическую решетку полупроводника, вследствие различия в атомных радиусах вызывают сжатие или растяжение решетки. Под действием возникающих напряжений генерируются дислокации. Максимальная плотность примесных атомов бора на поверхности пластины кремния, которая не вызывает напряжений, равных критическому значению возникновения дислокаций, равна 5-Ю15 см-2. Если диффузия бора проводится при Т«1000оС, то в поверхностный слой могут внедриться 3-1015 см-2, если же температура диффузии Т^'НОСГС, то это количество возрастает до 5-Ю16 см-2. Плотность дислокаций, образующихся во время диффузии фосфора в кремний, меньше, так как меньше значения создаваемых фосфором напряжений в силу большего соответствия их атомных радиусов. Вследствие того что концентрация примеси изменяется по глубине диффузионного слоя, изменяется и плотность дислокаций. Обычно область дислокаций не достигает р-п-переходов. Диффузанты, у которых различие в атомных радиусах меньше, чем у бора и кремния или у фосфора и кремния, будут образовывать более совершенные р-л-переходы. К таким диффузантам относятся мышьяк, галлий и алюминий. Сильнолегированный бездислокационный слой можно получить, если провести одновременно диффузию двух примесей, имеющих противоположное различие в атомных радиусах.
Осаждение примесей. Такие металлы, как Си, Аи и Ее, характеризуются резкой температурной зависимостью их растворимости в твердом кремнии (см. рис. 5.2). Если не соблюдать специальных мер предосторожности, то из окружающей атмосферы
и диффузионной печи они внедряются в пластины кремния. Их коэффициенты диффузии при процессах загонки и разгонки примеси составляют 10-7—10-6 см2/с, поэтому за время выдержки они пронизывают весь объем полупроводника. При охлаждении в результате пересыщения твердых растворов этих атомов в кремнии данные примеси образуют осаждения в виде микроскоплений. Преимущественное выпадение их происходит на дефектах структуры и в первую очередь на дислокациях. Так как дислокации пронизывают пластину насквозь, то поперек р-п-перехода возникают проводящие металлические микромостики. Обратный ток возрастает с ростом обратного напряжения по степенному закону I~Un, где чаще всего п=5+2.
Геттерирование. Удаление нежелательных примесей из объема полупроводника с помощью жидкой фазы, образованной на его поверхности, называют генерированием. Извлечение возможно потому, что коэффициент распределения нежелательных примесей Си, Fe, Аи в тройных системах, образованных полупроводником, этими примесями и расплавом, значительно меньше единицы. Благодаря этому создается значительный градиент концентрации примесных атомов, которые активно начинают переходить в жидкую фазу. Для геттерирования меди из германия используют покрытия пленками сурьмы, олова, свинца, индия. Такие металлы, как медь, золото и железо, удаляют из кремния с помощью стеклообразных оксидных слоев, образующихся на поверхности кремния при осаждении паров борного или фосфорного ангидрида. В результате взаимодействия кремния или всегда присутствующей на его поверхности пленки диоксида кремния с ангидридом возникают жидкие стеклообразные расплавы. Осажденные в кремнии атомы Au, Си, Fe диффундируют к поверхности, переходят в слой стекла, образуя с ним химические соединения типа фосфатов или боратов. Температура обработки составляет обычно 1050°С.
Контроль параметров диффузионных слоев составляет основу получения диффузионных структур высокого качества. Основными контролируемыми параметрами являются глубина залегания диффузионного р-п-перехода Xj, поверхностное сопротивление слоя и поверхностная концентрация примеси Со.
Измерение глубины залегания р-п-перехода. Вследствие того что диффузионные слои могут быть очень тонкими (порядка единиц микрометров и менее), для их контроля изготовляют сферический шлиф. Металлический шар диаметром 30—100 мм вращается, касаясь поверхности пластины. В место соприкосновения подается алмазная паста или оксид хрома. Образовавшаяся лунка сферической кривизны должна быть глубже р-п-перехода, тогда после окрашивания, если диффузионный слой имеет электропроводность p-типа, в лунке образуется темное кольцо. Окрашивание p-области производят в растворе, состоящем из 0,05—0,1% азотной (70 %-ной) кислоты в 48 %-ной плавиковой кислоте. Возникающее потемнение обусловлено образованием оксида кремния вследствие окисления р-области.
Измеряя с помощью инструментального микроскопа с микрометрической насадкой больший 'di и меньший ds диаметры окрашенной области, находят глубину залегания р-п-перехода:
Xj=Ui-d^№),
где D — диаметр шара.
Глубину залегания р-п-перехода в полупроводниковых соединениях типа AinBv и их твердых растворах определяют с помощью изготовления поперечных сколов, о чем говорилось в § 6.5.
Измерение поверхностного сопротивления. Удельное сопротивление легированного слоя обратно пропорционально содержанию примеси, поэтому, зная р, можно однозначно определить концентрацию примеси в полупроводнике. Понятие удельного сопротивления для неоднородно легированного диффузионного слоя теряет практический смысл и не может служить точной характеристикой содержания примеси. Уровень легирования диффузионных слоев оценивают, измеряя их поверхностное сопротивление, т. е. продольное сопротивление диффузионного слоя.
Сопротивление вдоль поверхности диффузионного слоя зависит только от количества примесных атомов в слое, а не от их концентрации. Поверхностное сопротивление определяется_как сопротивление диффузионного резистора, толщина которого равна глубине залегания р-н-перехода хд а длина и ширина равны друг другу и образуют квадрат со стороной /. Сопротивление такого параллелепипеда (Ом/П)
R = = p/Xj=Rs,1
где р — среднее значение удельного сопротивления диффузионного слоя, которое нам нет необходимости знать при измерении Rs.
Поверхностное сопротивление не зависит от стороны квадрата /, так как возрастание Rs за счет увеличения длины компенсируется равным уменьшением Rs за счет увеличения ширины, поэтому сопротивление квадрата относят не к единице площади, а к произвольному квадрату. Понятно, что для измерения Rs следует пропустить ток через любые два противоположные сечения 1х, слоя и измерить падение напряжения на них. Это требует изготовления резисторов специальной конфигурации. Чтобы не делать этого, измерение Rs проводят на любых диффузионных слоях четырехзондовым методом.
Теория поля позволяет записать выражение для потенциала, создаваемого на расстоянии г на бесконечно проводящей плоскости точечным источником тока I:
где фо —потенциал в точке г=0.
Если на поверхности бесконечно тонкого проводящего слоя неограниченных размеров расположены два точечных зонда, через
которые проходит ток 1, то потенциал, создаваемый таким диполем в произвольной точке,
?— ?0?— ?0^In-TL ,2л Г2^In-TL ,2л Г2
?— ?0
?— ?0
^In-TL ,2л Г2
^In-TL ,2л Г2
Рис. 9.11. Зависимость поверхностной концентрации от средней электропроводности диффузионных слоев:Рис. 9.11. Зависимость поверхностной концентрации от средней электропроводности диффузионных слоев:1, 3 — Сл—1014; 2, 4 — Св= 1016 см-з1, 3 — Сл—1014; 2, 4 — Св= 1016 см-зр. (С) [С (л;) — CB\dx—р. (С) [С (л;) — CB\dx—
Рис. 9.11. Зависимость поверхностной концентрации от средней электропроводности диффузионных слоев:
Рис. 9.11. Зависимость поверхностной концентрации от средней электропроводности диффузионных слоев:
1, 3 — Сл—1014; 2, 4 — Св= 1016 см-з
1, 3 — Сл—1014; 2, 4 — Св= 1016 см-з
р. (С) [С (л;) — CB\dx—
р. (С) [С (л;) — CB\dx—
где Г] и г2 — расстояния до данной точки от каждого из зондов. При использовании четырехзондового метода зонды распола- ,гают на одной прямой на равных
расстояниях s друг от друга. Ток пропускают через два внешних зонда, а разность потенциалов измеряют между двумя внутренними, поэтому ri = 2s, r2 = s и разность потенциалов, создаваемая диполем между двумя внутренними точечными зондами,
IRS . Г! IRs „
X In—=-1^-In 2.
Fj Л
Поверхностное сопротивление (Ом/П)
/?$ = — ^=4 53£. .л II
Данная расчетная формула справедлива, если выполняется условие s^X; и диаметр пластины с диффузионным слоем много больше рас
стояния между зондами.
Типичные значения поверхностного сопротивления для базовых диффузионных слоев транзисторов составляют 150— 200 Ом/П, для эмиттерных слоев 7?s=34-5 Ом/П.
Определение поверхностной концентрации. По данным измерений х, и Rs определяют поверхностную концентрацию примеси в легированном слое. Зная поверхностную концентрацию, можно рассчитать профиль распределения концентрации примеси (см. § 9.3) и проконтролировать его соответствие заданным требова
ниям.
Средняя электропроводность диффузионного слоя
Это уравнение указывает на связь произведения Rsx, с распределением примеси С (%) и зависимостью подвижности носителей заряда от концентрации ц (С). Используя экспериментально полу-
ченную зависимость подвижности от концентрации и задавая форму профилей распределения концентрации, с помощью машинных расчетов получим зависимость поверхностной концентрации Со от средней электропроводности диффузионного слоя а= = l/(7?sXj). Примеры эти кривых приведены на рис. 9.11 для распределения Гаусса и слоев с электропроводностью п- и р-типа. Для определения Со необходимо измерить Rs и х,. Пусть R8= = 100 Ом, Xj= 2мкм. Средняя электропроводность
111100-2-10—41100-2-10—450 См.50 См.
1
1
1
100-2-10—4
1
100-2-10—4
50 См.
50 См.
Для слоя, образованного диффузией акцепторной примеси в пластину кремния с электропроводностью n-типа и удельным сопротивлением р„ = 0,55 Ом-м, т. е. Сд= 15,-1016 см-3, с помощью рис. 9.11 найдем, что Со= 1,5-1019 см-3.
Глава 10
ПОЛУЧЕНИЕ СТРУКТУР МЕТОДОМ ИОННОЙ ИМПЛАНТАЦИИ
Создание биполярных и МДП СБИС с хорошими технико-экономическими характеристиками невозможно без использования метода ионной имплантации, освоенного промышленностью в 70-е годы. Пучок положительно заряженных примесных ионов в ионнолучевом ускорителе бомбардирует кристалл полупроводника. Проникая в кристалл, примесь легирует его и одновременно вызывает образование радиационных нарушений. Распределение концентрации внедренных ионов описывается кривой Гаусса, основным параметром которой является пробег ускоренных ионов. При малых дозах облучения радиационные нарушения не изменяют кристаллической структуры полупроводника, тогда как большие дозы облучения примесными атомами ведут к аморфизации кристалла. Для устранения нарушений и электрической активации внедренной примеси необходим отжиг кристалла.
Наиболее широкое распространение ионная имплантация получила в технологии загонки строго дозированного количества примесных атомов, которое используется в качестве источника при последующей диффузионной разгонке для формирования примесного профиля. Помимо того, имплантация используется для создания тонких базовых областей биполярных транзисторов, управления пороговыми напряжениями МДП-транзисторов и других целей.
Для контроля ионно-имплантированных структур исследуют профили распределения внедренных атомов, измеряют эффективную поверхностную концентрацию носителей заряда.
Физические представления об имплантации
Метод ионной имплантации состоит в бомбардировке пучками ускоренных ионов с энергиями от 10 кэВ до 1 МэВ твердых тел с целью изменения их свойств и структуры.
Основные явления при имплантации. Ускоренные ионы проникают в кристаллическую решетку, преодолевая отталкивающее противодействие положительных зарядов ядер атомов. Глубина проникновения ионов возрастает с увеличением их энергии. Легкие ионы проникают более глубоко, чем тяжелые,' однако траектории движения тяжелых ионов более прямолинейны. При точной ориентации направления падения пучка ионов вдоль одной из кристаллографических осей пластины полупроводника— (НО) или (111) — часть ионов движется вдоль атомных рядов, между которыми имеются достаточно широкие каналы, свободные от атомов. Это явление называют каналированием. Попав в канал, ионы испытывают менее сильное торможение и проникают в несколько раз глубже, чем в случае неориентированного внедрения. Если энергия, переданная атому' решетки, превышает энергию связи атомов в твердом теле, то атом покидает узел. В результате образуется пара Френкеля — дефект, состоящий из вакансии и междоузель- ного атома. Атомы, находящиеся в поверхностном слое, получив энергию от иона, могут отрываться от кристалла — происходит процесс распыления и образуется дефект по Шотки — вакансия в приповерхностной области кристалла. Энергия первично смещенного атома, называемого атомом отдачи, сравнительно велика, поэтому на пути своего движения атом отдачи образует целый каскад смещений, вследствие чего в кристалле возникают отдельные разупорядоченные зоны размером 3—10 нм. По мере имплантации ионов идет накопление радиационных дефектов. Когда плотность ионов, внедренных на единице поверхности, превосходит критическую, называемую дозой амортизации, образуется сплошной аморфный слой. Внедренный ион может попасть в вакантный узел, став донором или акцептором, но вероятность замещения узлов мала. Большинство внедренных ионов находится в междоузлиях, где они не являются электрически активными. Для перевода их в узлы и восстановления кристаллической структуры полупроводника производят отжиг. В процессе отжига происходят распад и аннигиляция радиационных дефектов, а внедренные примеси занимают вакантные узлы, в результате чего образуется слой с электропроводностью р- или /г-типа.
Средний полный пробег иона. Глубина проникновения иона в вещество характеризуется пробегом. Траектории отдельных ионов в кристалле подобны ломаным линиям, каждый прямолинейный участок и полная длина которых отличаются друг от друга. Вся совокупность пробегов отдельных ионов группируется по закону нормального распределения случайной величины со значением среднего полного пробега R и среднеквадратичным отклонением пробега ЛК. Практическую важность имеет средний нормальный 202
пробег Rp — проекция траектории среднего полного пробега на направление первоначальной скорости, иона и его среднеквадратичное отклонение ^Rp. Для расчета среднего полного пробега R (см) иона с энергией Е (эВ) используют формулы, в которых энергия и пробег выражены в безразмерных единицах е и р соответственно:
9. 1
О— - -1/2 1 ’
як \
R=p!L,
2с/к
(Ю.1)
33 /
к У~с;к + d
аГС g * Clk + d ’
к W.^)
s=FE,(10.3)
L = aa^N^ F =
6,9-106йЛ42
ZXZ<MX + M2) "
(Ю.4)
Здесь L — нормирующий множитель пробега, см-1; F — нормирующий множитель энергии, 1/эВ."
Радиус экранирования заряда ядра атомными электронами (см)
(10.5)(10.5)4,7-10-9
(10.5)
(10.5)
^,3 + Z",sy'2"
Коэффициент передачи ионом с массой Мх атому с массой М2 максимально возможной энергии при лобовом столкновении
Y=ФДТИ, Ш + уИ2)2.(10.6)
Коэффициенты, учитывающие торможение, обусловленное электронным взаимодействием,
^ = 2,47 - №zf /Z^M2 la (1 + M^M^F,(10.7)
3=6,16- lO^MiF.3=6,16- lO^MiF.(10.8)(10.8)
3=6,16- lO^MiF.
3=6,16- lO^MiF.
(10.8)
(10.8)
Параметры, учитывающие торможение, обусловленное ядерным взаимодействием, с=0.45, (/=0,3.
Собственная концентрация атомов в кристалле (V^ см-3, заряды ядер иона Zx, атомов мишени Z2.
Рассмотрим пример расчета среднего полного пробега.
Пример 1. Рассчитать средний полный пробег ионов бора с энергией £=100 кэВ в кремнии.
Для расчета необходимо определить радиус экранирования а, коэффициент передачи максимальной энергии у, параметры электронного торможения к и Р, нормирующие множители L и F. С помощью справочника находим атомные номера и массы бора и кремния и собственную концентрацию атомов в кремнии: Z, = 5, Z2=U, Л11=11, М2=28,09, TV2 = 4,98 -1022 см-2.
Радиус экранирования
4,7-10-94,7-10-9
й - (Z^3 + ZiP)1/2 (52/3 + 142/3)1/2 1 ’59‘ ’° 9 СМ'
Коэффициент передачи максимальной энергии
444^24-11.28,09
Y = (Л^ + Л12)2 = (11 + 28,09)2 = 0|8L
Коэффициент электронного торможения
Jt^lAlAOWZ^^ZyM^Va^ А-М^М^2 = 2,47- 10П52/3 (14/28,09)1/2Х
X [1,59.10-9(1 +28,09/11)]3/2 = 0,22.
Нормирующие множители для энергии и пробега
„6,9-106aM26,9-106.1,59-10-9.28,09
Z^ (Мг + Мг) 5-14(11+28,09)'
L = ла^М2 = 3,14 (1,59-10-9)2 о,81 -4,98.1022 = з, 19. Ю5 1 /см.
Безразмерные энергии
s = EF = 105.1,125-10-4= 11,25;
р = 6,16-ЮЗ^зЛ!^ = 6,16-103.14-11 -1,125-10—4 = 107.
Рассчитаем полный пробег в безразмерных единицах:
2 1/9/. кб\ 1с ] к . 1/ ер = — е 1 + — — —гarctg V
У к V 33 / к /с] к. + d' с jk + d
Вначале вычислим отдельные множители:
cjk = 0,45/0,22 = 2,05, c/k-Ad = 2,05 + 0,3 = 2,35,
/c/^+d =/2^5 = 1,53,/c/^+d =/2^5 = 1,53,1c/k2-2,05кУс^к A-d = 0,22-1,531c/k2-2,05кУс^к A-d = 0,22-1,53
/c/^+d =/2^5 = 1,53,
/c/^+d =/2^5 = 1,53,
1c/k2-2,05
кУс^к A-d = 0,22-1,53
1c/k2-2,05
кУс^к A-d = 0,22-1,53
Подставим числовые значения:
2„/0,22-11,25 \/И72о
? = „ „ К11,25 1 + —-——I — 12,7 arctg ——-— = 16,2.
0,22\ '3-107/s 1,53
Выразим пробег в размерных единицах:
Л = V/L = 16,2/(3,19-105) = 5,0-10-5 см = 0,50 мкм.
Средний нормальный пробег и стандартное отклонение пробега. Средний нормальный пробег связан со средним полным пробегом:
Rp=/R.(Ю.9)
Корректирующая поправка, обусловленная упругим рассеянием иона,
(10.10)(10.10)1 Mi т/ »я \ 1
(10.10)
(10.10)
3 МУ е / ’
где полная энергия, затраченная на упругое рассеяние иона.
«.-т'п(н«.-т'п(нвс [к -|-dвс [к -|-d(10.11)(10.11)
«.-т'п(н
«.-т'п(н
в
с [к -|-d
в
с [к -|-d
(10.11)
(10.11)
Взаимодействие иона с атомами мишени носит случайный характер. Моноэнергетический пучок ионов после прохождения некоторого слоя вещества приобретает дисперсию по энергиям. В результате часть ионов проходит половину своего пути без заметных потерь энергии и проникает на глубину, превышающую Rp, а часть ионов испытывает более сильное торможение и останавливается.
не дойдя до Rp. Стандартное среднеквадратичное отклонение нормального пробега
△^=^l/^(Y+^)5„(e),(10.12)
V.=M^MX.(Ю.13)
Ядерная тормозная способность Sn(e):
прие^Ю 5л(г)=сг1/2дй(_|_£)1(10.14)
приг > 10 5„(г)=(2е)-11п(1,29г),(10.15)
где с=0,45, о?=О,3.
Пример 2. Рассчитать RT и !XRP ионов "В+ с энергией 100 кэВ в кремнии.
Используя данные примера 1, найдем потери энергии на ядерное торможение:
с . / е \/П,25\
£»= In 11 +I = 2,05-2,3 lg I 1 +■ I = 3,63.
к \ с [к -V d )i \> 3d /
Рассчитаем поправку:
Мх ' * / к 3Мх ' * / к 3
Мх ' * / к 3
Мх ' * / к 3
Для е>10 определим тормозную способность:
S„ (е) = (2е)-1 In 1,29* = (2-11,25)-1 2,3 lg 1,29 • 11,25 = 0,119.
Отношение масс сталкивающихся частиц
у. = Мг[Мх = 28,09/11 =2,55.
Средний нормальный пробег
Rp =/Я =0,674-0,50 = 0,337 мкм.
Среднеквадратичное отклонение пробега
ARp = Rp V (V + № (*) = 0,337-а16’2(0,81 + 2,55) 0,119 =
' 9е;'9-11,2D
=0,089 мкм.
Пробег в многокомпонентных веществах. Для оценки пробегов, не требующей очень высокой точности, многокомпонентное вещество представляют в виде гипотетического однокомпонентного, состоящего из атомов с эффективными зарядом ядра и массой:
7i=A,B,-^2эфvi7i=A,B,-^2эфvi> ^2эф—'> ^2эф—'
7i=A,B,-
^2эфvi
7i=A,B,-
^2эфvi
> ^2эф—'
> ^2эф—'
входящих в со- в молекуле сое- для Gd3Ga50i2входящих в со- в молекуле сое- для Gd3Ga50i2
входящих в со- в молекуле сое- для Gd3Ga50i2
входящих в со- в молекуле сое- для Gd3Ga50i2
где Zi и Mi — атомные номера и массы элементов, став соединения; xt— количество атомов элемента динения. Например, для GaAs Хса = 1, Хдз=1;
ато-мас-ато-мас-Хса — 3, хса=5, %o = 12, 2^ = 20. Собственная концентрация
ато-
мас-
ато-
мас-
мов такого соединения определяется с помощью эффективной 'сы при известной плотности реального вещества:
N .dа
Д72=—5-=6,023-1023 —5-■ ат/см3,
^эфР-2эф
где Ц2эФ — молекулярная масса, г/моль.
Отметим, что -V2 точно равно истинной концентрации всех атомов данного многокомпонентного соединения. По этой же формуле рассчитывают значения N2 для элементарных веществ, заменяй эффективную массу реальной молекулярной массой.
В табл: 10.1 даны значения средних нормальных пробегов и стандартных отклонений пробегов, выраженные в нанометрах, для ряда ионов с энергиями 20—200 кэВ в кремнии, рассчитанные на
Таблица 10.1
Е,
кэВ
11 + в
27 + Al
31Р +
75 + As
121 + Sb
20
R р
78
29
26
16
14
^Rp
32
11
9,4
3,7
2,4
40
Rp
161
56
49
27
23
^Rp
54
19
16,4
6,2
3,8
60
R р
244
85
73
38
31
ARp
71
27
23
8,4
5,1
80
R р
324
114
98
48
38
AR р
84
35
30
10,5
6,3
100
R р
398
144
123
58
46
AR р
94
42
35
12,5
7,4
120
R р
469
175
149
68
53
ARp
102
48
41
14,5
8,4
140
R р
537
205
175
79
60
ARp
НО
54
47
16
9,5
160
Rp
603
236
201
89
67
AR р
116
60
52
18
10,5
180
R р
665
266
228
99
74
AR р
121
60
57
20
11,5
200
R р
725
297
254
ПО
81
ARp
126
70
61
22
12,5
Распределение пробегов ионов. Профили распределения концентрации внедренных ионов определяются характером распределения средних нормальных пробегов по глубине облученного слоя. Расчеты пробегов ионов были выполнены для случая, когда атомы в кристалле распределены нерегулярно, что присуще аморфным и поликристаллическим веществам. Пучок ионов, попадая в такие вещества, испытывает случайные столкновения с атомами, и распределение пробегов описывается законом распределения случайной величины. Аналогичная ситуация наблюдается в монокристал- 206
лах, если ионный пучок падает на произвольно ориентированную поверхность пластины относительно кристаллографических направлений с малыми индексами, например вдоль оси (763). Такое внедрение называют неориентированным. В этом случае профиль распределения внедренных атомов описывается, как и для аморфных веществ, кривой Гаусса:
(10.16)(10.16)_ТУ Г 1 /
(10.16)
(10.16)
C^-yTnXRp ехр[ 2 k ^Rp
Максимум концентрации примеси в отличиё от случая введения ее методом диффузии залегает не на поверхности, а на глубине х = =Rp"
Отношение концентраций на глубинах Rp+kRp к максимальной C(RP ± ^Rp)!Cmax= 1//ё=0,607,
что используют для определения дисперсии пробегов (стандартного отклонения) по экспериментально полученным профилям распределения. Некоторые характерные точки кривой Гаусса представлены в табл. 10.2.
Таблица 10.2
x—Rp
±У"Т XRp
0
0,833
1,52
2,14
2,63
3,04
3,39
3,71
4,0
С(х)
Стах
1
0,5
0,1
0,01
ю-3
io-4
ю-=
10-6
io-7
Технологические особенности процессов ионной имплантации
Принцип действия и конструкция ионно-лучевого ускорителя. Ионно-лучевой ускоритель состоит из следующих основных блоков: источника ионов, источника высокого напряжения, ускорительной трубки, магнитного сепаратора, системы фокусировки и сканирования пучка ионов, приемной камеры и вакуумной системы откачки.
Источник ионов предназначен для ионизации паров рабочего вещества и первичной фокусировки ионного пучка. Он представляет собой газоразрядную камеру, при поступлении газа или паров рабочего вещества в которую происходит ионизация молекул и атомов путем бомбардировки электронами, эмиттируемыми термокатодом. Поперечное магнитное поле в разрядной камере, создаваемое системой магнитного сепаратора, вызывает вращение движущихся в нем электронов по спиралям, что увеличивает эффективность ионизации. В ионно-лучевых ускорителях типа «Везувий»
(рис. 10.1) предусмотрены два источника ионов: для фосфора И^ и для бора Иб. Они различаются способом подачи вещества. В ис- 1 точник ионов бора поступает газ — трехфтористый бор BF3— из 1 баллона с микронатекателем МН. Расход газа контролируется автоматически. В источник ионов фосфора подают пары фосфора, образующиеся в испарителе с нагревателем Н, в который загружают ’ порошок красного фосфора. В процессе имплантации функциони- j рует только один из ионных источников. Положительные ионы вы-
Рис. 10.1. Схема ионно-лучевого ускорителя
тягиваются из разрядной камеры небольшим ускоряющим напряжением первой ступени — до 20 кВ, подаваемым на вытягивающий электрод ВЭ. Формирование ионного пучка производят с помощью магнитного сепаратора МС и системы фокусировки и сканирования ФС. Магнитный сепаратор предназначен для разделения пучка ионов в соответствии с их зарядом и массой, так как под действием силы Лоренца в области магнитного поля сепаратора ионы движутся по круговым траекториям, радиусы которых зависят от их массы Mi, ускоряющего напряжения U и магнитной индукции В:
V дВ* ’
где q — заряд иона.
После прохождения магнитного сепаратора ионы больших масс имеют более плавные траектории, ионы меньших масс — меньший радиус поворота и более резкое искривление траектории. Магнитная система сепаратора выполнена в виде постоянного магнита, для которого В=const, поэтому, чтобы вывести пучки ионов В+ н Р+ в систему фокусировки и сканирования, источники ионов бора и фосфора разделяют, как показано на рис. 10.1.
Система фокусировки и сканирования формирует ионный пучок и осуществляет его сканирование в вертикальной плоскости. В систему входит электростатическая фокусирующая линза и два электрода электростатического сканирования. Смещение S пучка в
вертикальной плоскости прямо пропорционально напряжению Uc на электродах сканирования:
чаи ’
где I— длина сканирующего электрода; L— расстояние от центра сканирующего электрода до мишени; d — расстояние между электродами сканирования по вертикали; U— ускоряющее напряжение.
Между системой ФС и ускоряющей трубкой УТ находится заслонка 3 для автоматического перекрытия ионного пучка при наборе заданной дозы.
Ускорительная трубка состоит из последовательности изолированных электродов, между каждым из которых от источника высоковольтного питания ИН прикладывается напряжение до 20 кВ так, что крайние электроды имеют разность потенциалов около 200 кВ. Положительный пучок ионов ускоряется в направлении отрицательно смещенного электрода.
Приемная камера ПК служит для загрузки обрабатываемых полупроводниковых пластин, которые размещаются на кассете барабанного типа Б в несколько рядов. Вакуумная система ВС обеспечивает разрежение 2-10-3 Па. При облучении ионный пучок сканирует вдоль оси вращающейся кассеты Б, что обеспечивает высокую однородность легирования. Перед кассетой стоит прямоугольная диафрагма Д, которая задает высоту и ширину облучаемой области. Время облучения /(с) для набора дозы @(Кл/м2) при плотности ионного тока / (А/м2) определяется соотношением
2л Q а / где а — выраженный в радианах угол, определяемый сектором окружности барабана, на который попадает ионный пучок, проходящий через диафрагму заданной ширины.
Сектор тем больше, чем шире диафрагма. Для набора малых доз ширину диафрагмы уменьшают, что ведет к уменьшению а и увеличению длительности облучения до нескольких минут, что, в свою очередь, улучшает точность контроля дозы.
Вещества—источники ионов. Рабочие вещества для получения ионов могут находиться в газообразном, твердом и жидком состояниях. Для получения ионов О+, N+, Ne+, Аг+, F+, С1+ и т. п. используют соответствующий газ, поступающий в вакуумную камеру источника ионов через микронатекатель. Из других газообразных материалов следует отметить применение BF3 для ионов В+, СО2 для ионов С+, H2S для ионов S+. Широко применяют жидкие вещества, особенно хлориды ВС13, ВВг3, РС13, СС14, SiCl4, хорошо испаряющиеся при комнатной температуре. Наибольшие ионные токи обычно достигаются при употреблении твердых материалов в элементарном виде. Эти вещества требуют нагрева, чтобы получить достаточное давление паров: S и Р (красный)—175°С, As — 260°С, Zn, Se и Те — 550°С, Mg и Sb — 580°С. Могут быть использованы и
другие вещества. Основное требование к ним — большое парциальное содержание легирующего элемента в парах. Вследствие выделения изотопной линии легирующего элемента в анализаторе масс в отличие от других методов легирования полупроводников к рабочим веществам не предъявляют жестких требований по чистоте.
Режимы ионной имплантации. При определении режимов ионной имплантации основными параметрами являются энергия ускоренных ионов и доза облучения. Ион с зарядом q (Кл) под действием разности потенциалов U (В) приобретает энергию Е (Дж):
E—qU. (10.17)
В практике принято, говоря об энергии ускоренных ионов, выражать ее в электрон-вольтах (эВ) или килоэлектрон-вольтах (кэВ). Так как кратность ионизации обычно составляет и=1,2 или 3 электрона, то заряд иона может изменяться от 1 до 3 е. В общем случае
q=tie. (10.18)
Для обозначения кратности ионизации применяют символ «+», например 31Р+, 31Р++, Зф+++. Числом 31 обозначена атомная масса иона фосфора. Иногда для имплантации используют не моноатом- яые ионы, а молекулярные, например 14N2+ — однократно ионизированная двухатомная молекула азота с атомной массой 14, молекулярной массой 2-14 = 28 или Вр2+ — однократно ионизированная трехатомная молекула фторида бора. Молекулярные ионы, внедряясь в кристалл, обычно сразу распадаются на отдельные атомы. Для подсчета энергии, которой будет обладать каждый атом с массой Мь входящий в ускоренный ион с молекулярной массой Л4И, используют соотношение
ЕХ=ЕМХ!МИ. (10.19)
Доза облучения — это количество частиц, бомбардирующих единицу поверхности за данное время. Доза может не быть равной тому количеству ионов, которое осталось в кристалле после завершения процесса облучения, вследствие наличия явлений распыления и отражения. В большинстве случаев эти явления не оказывают заметного влияния на количество внедренных ионов. Доза облучения Q (Кл/м2) определяется плотностью ионного тока / (А/м2) и длительностью облучения t (с):
Q=jt. (10.20)
Практически плотность ионного тока выражают обычно в мкА/см2, поэтому дозу облучения выражают в мкКл/см2. Величина Q не отражает в явном виде числа примесных ионов, внедренных в кристалл. Чтобы выразить дозу в количестве частиц, внедренных на единице поверхности (ион/м2), величину Q делят на заряд одного иона:
N— Qlq — jtl(en).N— Qlq — jtl(en).(10.21)(10.21)
N— Qlq — jtl(en).
N— Qlq — jtl(en).
(10.21)
(10.21)
Имея в виду, что е= 1,6- КН9 Кл, a Q имеет размерность мкКл/см2г доза облучения (ион/см2)
^=6,25•10I2Q/ft. (10.22>
Метод ионной имплантации является основным в планарной технологии, сочетающей загонку примеси в виде дозированного количества ионов и диффузионную разгонку. Совмещение ионной имплантации с планарной технологией облегчается применением тех же легирующих примесей и веществ для их получения, что и при диффузии; использованием тех же материалов для маскирования при таких же толщинах, что никак не'влияет на процесс фотолитографии; возможностью управления дозами облучения в очень широких пределах (от 1010 до 1017 см-2) при высокой производительности.
Основные преимущества метода ионной имплантации, на которых базируется его использование в серийном производстве, состоят в точном контроле полного количества внедренной примеси и высокой однородности легирования по поверхности пластины. Неоднородность в распределении плотности внедренной примеси по пластине с диаметрами 50—80 мм составляет 1 % или менее при воспроизводимости результатов от процесса к процессу в пределах 3%. Точность контроля на большинстве технологических операций полупроводникового производства не достигает 1—3% и колеблется в пределах 10—20%. Даже в исходных кремниевых пластинах разброс по концентрации легирующей примеси доходит до 30%. По этой причине типичная концентрация внедренной с помощью ионной имплантации примеси должна на порядок превышать исходный уровень легирования кремниевой пластины. Резко выраженная перекомпенсация или перелегирование (для однотипных по электропроводности примесей) является необходимым условием получения точности, присущей методу ионной имплантации.
Отжиг и диффузия
Отжиг ионно-имплантированных слоев. В технологической практике получили применение две группы процессов ионной имплантации: имплантация как стадия загонки примеси для последующей диффузионной разгонки с целью реализации необходимой структуры и имплантация для непосредственного создания структуры без диффузионного перемещения внедренного примесного распределения. Во втором случае после имплантации производят отжиг, задача которого — устранить радиационные нарушения и обеспечить электрическую активацию внедренных атомов. Большая часть радиационных дефектов кристаллической решетки, возникающих в кремнии при имплантации, отжигается при 7’<600°С. Можно выделить два режима отжига, при каждом из которых исчезает половина имеющихся нарушений. Если дозы облучения были малы и отдельные кластеры нарушений не перекрываются, то восстановление кристаллической структуры кремния происходит при Т^
^260°С. В случае больших доз облучения образуется сплошной аморфный слой, для рекристаллизации которого необходимы температуры Т^570°С. Отжиг при первом режиме сопровождается освобождением вакансий из кластеров с образованием новых дефектов (ассоциаций вакансий, комплексов вакансия — примесь) и их распадом. Отжиг при втором режиме — эпитаксиальная рекристаллизация аморфизированного слоя, причем роль затравки играет лежащая под ним монокристаллическая пластина.
Граница между понятиями «отжиг» и «диффузия» для ионно- имплантированных слоев кремния лежит вблизи 1000°С. При Т<1000°С диффузионными процессами можно пренебречь. Переход внедренных атомов в узлы кристаллической решетки, где они проявляют донорные или акцепторные свойства, для большинства легирующих примесей начинается при температурах свыше 300°С. При Т=400-?500°С присутствие кластеров и неполное восстановление решетки определяют низкое значение подвижности носителей заряда и сильную температурную зависимость концентрации доноров и акцепторов в слое. При внедрении В, Al, Р подвижность носителей заряда меньше, чем в некомпенсированных материалах с такими же концентрациями примесей. После отжига при 500°С, несмотря на распад большей части кластеров нарушений, в слое еще остаются компенсирующие дефекты и центры с глубокими уровнями, что слабо сказывается на подвижности, но заметно уменьшает концентрацию носителей заряда. Если внедрение проведено большими дозами при таких условиях, что облученная область стала аморфной, то в диапазоне температур отжига 500—650°С происходит резкое возрастание количества носителей заряда. Эта стадия электрической активации примесей совпадает с отжигом аморфизированного слоя и объясняется его эпитаксиальной рекристаллизацией, в процессе которой имеется высокая вероятность замещения вакантных узлов решетки атомами примеси.
Об электрической активности легированного слоя судят после отжига по значению эффективной поверхностной концентрации носителей заряда Ns, характеризующему количество носителей заряда в слое под единицей площади поверхности. Если каждый внедренный ион становится после отжига электрически активным, т. е. образует дырку или электрон проводимости, то доза облучения N=NS. Обычно N>N$.
Диффузия примеси из ионно-имплантированного слоя. Одним из наиболее распространенных приемов в современной технологии является сочетание ионной имплантации и диффузии. Ионная имплантация используется для предварительной загонки строго фиксированного количества примеси с высокой воспроизводимостью от процесса к процессу и высокой однородностью распределения по поверхности облучаемых пластин. Диффузия служит для последующей разгонки внедренной примеси с целью обеспечения нужного профиля распределения атомов с требуемой глубиной залегания р-п-перехода и концентрацией носителей заряда. Наибольший эф- 212
фект дает применение ионной имплантации при создании слаболегированных областей: баз транзисторов, элементов резисторов и др.
Диффузия примесей из ионно-легированного слоя для низких доз облучения Q^IO2 мкКл/см2 идет как из источника с ограниченным содержанием примеси [см. уравнение (9.1)]. В этом уравнении следует учесть наличие предварительного распределения
Рис. 10.2. Профили распределения В в Si после разгонкиРис. 10.2. Профили распределения В в Si после разгонкиРис. 10.3. Профили распределения фосфора С* и дислокаций С» в SiРис. 10.3. Профили распределения фосфора С* и дислокаций С» в Si
Рис. 10.2. Профили распределения В в Si после разгонки
Рис. 10.2. Профили распределения В в Si после разгонки
Рис. 10.3. Профили распределения фосфора С* и дислокаций С» в Si
Рис. 10.3. Профили распределения фосфора С* и дислокаций С» в Si
2-2-примеси, созданного имплантацией. Комбинированое распределение можно представить в виде
2-
2-
(10.23)(10.23)_ [( х — Rp
(10.23)
(10.23)
1 ^Х' ^ — Уп(.У2ХЯр + /57) ехр L ~ \ /2Д/?р+2/57
Сразу после имплантации, а также после низкотемпературного отжига ^Dt <^LRp и распределение (10.23) соответствует кривой (10.16). После диффузионной разгонки при высокой температуре t^Dt^^Rp, RP<^x и распределение (10.23) подобно диффузионному (9.1). Если "v^Dt^^-, то распределение примеси следует строить согласно кривой (10.23).
На рис. 10.2 приведены профили распределения концентрации бора, полученные после разгонки при 1100°С в течение 0,25—16 ч в атмосфере аргона. Имплантация бора производилась с дозой N= = 3-1014 см-2 и энергией £=30 кэВ. Коэффициент диффузии после различных длительностей разгонки соответствует данным, известным для обычной диффузии при малых концентрациях примеси. Между глубиной залегания р-и-перехода и длительностью разгонки с учетом начального залегания перехода существует зависимость (9.2), справедливая при постоянном коэффициенте диффузии.
Соотношение (9.2) нарушается при диффузии из слоев, образованных при больших дозах облучения. На рис. 10.3 сплошными линиями показаны профили фосфора, внедренного с энергией 40 кэВ 213
и дозами от 5-1013 до 6-1016 см-2 в кремний после разгонки в осу-д шенном азоте при 1150°С в течение 1,5 ч. Если вычислить отноше-! ние глубин р-и-переходов и значений Уlg N, которым должны быть! прямо пропорциональны эти глубины согласно уравнению (9.2), то! окажется, что глубина перехода возрастает более стремительно с ростом дозы облучения, чем это следует из теоретических соотношений для обычной диффузии. Форма профилей распределения — сранительно слабый спад концентрации в приповерхностной зоне и более резкий — в глубине слоя — свидетельствует об интенсификации процесса диффузии примеси. Ускоряющими факторами являются высокая концентрация примеси и наличие большого числа радиационных дефектов, распад которых при нагреве сопровождается появлением потока избыточных вакансий. Ступенчатая форма профилей при дозах свыше 1016 см-2 характерна для обычной диффузии и обусловлена образованием дислокаций несоответствия в области легирования. Распределение дислокационных сеток по глубине в относительных единицах показано на рис. 10.3 пунктирными линиями для двух наибольших доз. Глубина распространения сеток дислокаций меньше глубины диффузии. Более глубокая диффузия при больших дозах облучения связана с появлением потока неравновесных вакансий и взаимодействием дислокаций и их диффузией за область дислокационной сетки. Разделить эти эффекты практически невозможно.
Методы расчетов ионно-имплантированных структур
При технологических расчетах ионно-имплантированных структур, как и в случае диффузии, встречаются прямые и обратные задачи. Типичным примером прямой задачи является построение профиля распределения концентрации для заданных ионов, энергии и дозы облучения. Профиль распределения описывается выражением (10.16), и его построение основывается на определении Rp и \RP по таблице или расчетным путем. Более сложным является построение профиля для транзисторной структуры, требующей двукратной имплантации.
Расчет профилей распределения концентрации внедренных примесей в структурах с двойной имплантацией. Для создания транзистора типа п-р-п в эпитаксиальный слой с электропроводностью n-типа производят последовательную имплантацию ионов акцепторной примеси с энергией Еа и дозой Na для формирования базовой области и ионов донорной примеси с энергией Ед и дозой У для формирования эмиттера, причем Rpa>Rra, а Стах а < Стах д. Суммарное распределение примеси описывается выражением
с U)=Cmaxaexp\ — ((х — Rpa^Ky^Rpay^
(10.24}(10.24}^max кехр[- ((х-/?рл)/(/2Д/?,,,))2^^
(10.24}
(10.24}
ГлубинуГлубинуСтах а ехрСтах а ехрКЗЛЯрл )КЗЛЯрл )— Св=0,— Св=0,откудаоткудагдегдеС,С,max аmax аz.k=/yJ-AA>pa/21n(Cтаха/Св).Naz.k=/yJ-AA>pa/21n(Cтаха/Св).Na(10.25)(10.25)У2Л^ЯраУ2Л^ЯраГлубину залегания эммитерного перехода с учетом того, VттП 1ТЛ ПГХПТЛСГГлубину залегания эммитерного перехода с учетом того, VттП 1ТЛ ПГХПТЛСГЧТОЧТОС (xj3):> Св, определяем из условияС (xj3):> Св, определяем из условияС^абХрС^абХрх -Я \2;э pa ।У2ДЯра /х -Я \2;э pa ।У2ДЯра /=Стахдехр=Стахдехрх — Я \/э рд \У2ХЯра /х — Я \/э рд \У2ХЯра /
Глубину
Глубину
Стах а ехр
Стах а ехр
КЗЛЯрл )
КЗЛЯрл )
— Св=0,
— Св=0,
откуда
откуда
где
где
С,
С,
max а
max а
z.k=/yJ-AA>pa/21n(Cтаха/Св).
Na
z.k=/yJ-AA>pa/21n(Cтаха/Св).
Na
(10.25)
(10.25)
У2Л^Яра
У2Л^Яра
Глубину залегания эммитерного перехода с учетом того, VттП 1ТЛ ПГХПТЛСГ
Глубину залегания эммитерного перехода с учетом того, VттП 1ТЛ ПГХПТЛСГ
ЧТО
ЧТО
С (xj3):> Св, определяем из условия
С (xj3):> Св, определяем из условия
С^абХр
С^абХр
х -Я \2;э pa ।У2ДЯра /
х -Я \2;э pa ।У2ДЯра /
=Стахдехр
=Стахдехр
х — Я \
/э рд \
У2ХЯра /
х — Я \
/э рд \
У2ХЯра /
залегания коллекторного перехода определяем из условия
(10.26)(10.26)залегания равенствазалегания равенства(10.27)(10.27)
(10.26)
(10.26)
залегания равенства
залегания равенства
(10.27)
(10.27)
откуда
Xj э = (— т 4- V т2—ас)1а,
где
л = k.Ry — ^RPat т = — Rpa^Rp д-[- R pARp д,
N вДКра
Для ориентировочного расчета более просто глубину эмиттерного перехода можно оценить, исходя из
Cycja)=CB) т. e.
Уэ^^д+Д^рд/2 1П(Стахд1Св>
Толщина базовой области wwXjK—х^.
Пример 3. Рассчитать профиль распределения концентрации примеси в транзисторной структуре, образованной имплантацией ИВ+ и 31Р+ в кремний с электропроводностью n-типа, если Св=1016 см~3, £а=100 кэВ, ^a=5•1013 см2, Еа = =200 кэВ, Na=l-1015 см-2.
Из табл. 10.1 определим, что для иоиов бора с энергией 100 кэВ Rpa= =0,398 мкм, Д/?ра=0,094 мкм, а для иоиов фосфора с энергией 200 кэВ /?РД= =0,254 мкм, ЯрД = 0,061 мкм.
Найдем максимальные концентрации бора и фосфора:
_0,4^0,4-5-1013 л
Стаха—= 2,12-1018 см-3
m ха КЯра0,094.104
_ОЛТУд = 0,4-ЫО1^, = 6;55.1019 см-з. Сщахд — д/?р $0,061-10—4
Г»у6««и залегания «ооектор.ог» - а-.т-ерного
,+ АЯ„/21«0’398+4'6
1=0.705 мкм.
/г’-я Г 6,55.1019"
JC.^Яpx^^Rpa /21п^= 0,254+0,061 ]/ 4,6 1g -у^- -= 0,510 мкм.
Пользуясь выражением (10.24), построим суммарное распределение ак- i пепторной и донорной примесей в структуре и-р-п-транзистора, показанное сплошной линией на рис. 10.4. Там же показаны отдельно распределения внедренных : атомов бора Сс(х) и фосфора Сф (х). Можно видеть, что простая формула для определения положения эмиттерного перехода имеет достаточную точность.
Расчет распределения концентрации примеси в двухслойных структурах. Для создания МОП-структур часто применяют имплантацию примесей в кремний через пленку диоксида. На границе раздела SiO2—Si вследствие различия в тормозных способно
стях кремния и диоксида концентрация примеси изменяется скачком. Для теоретического построения профилей в двухслойных структурах имеется сравнительно простой прием. Пусть нам известны порознь профили распределения ионов в каждом из компонентов структуры SiO2 и Si, облученных с дозой N. На профиле в SiO2 проведем сечение на глубине dt, равной толщине интересующей нас оксидной пленки. Обозначим количество атомов, ле
Рис. 10.4. Распределение бора и жащих слева и справа от этого се- фосфора в п-р-п-транзисторе чения, Nx и N2 соответственно. На профиле в Si проведем такое же сечение на глубине da так, чтобы N'i=Ni и N'2 = N2. Составив теперь части профилей Nx и N'2) получим искомое распределение в двухслойной структуре Si—SiO2.
dx^=J C^dxбdx^=J C^dxбАналитическим путем это распределение может быть построено, если известны значения пробегов и их стандартных отклонений Rpx и ARP- в SiO2, Rps и ARpa в Si. Для построения профилей распределения концентрации внедренной примеси в кремнии необходимо определить дозу ионов Nx, тормозящихся в пленке диоксида на участке от х=0 до x=dt:
dx
^=J C^dxб
dx
^=J C^dxб
Не г /r~^i\2i ——- ехр — —= dx
V^Rpx^/
= — (1 + erf -1 - ^pl .(1028)
Очевидно, что доза ионов примеси, прошедших через оксид в кремний,
^2 ~" Rp2 \ VWp^ J'^2 ~" Rp2 \ VWp^ J'При отсутствии пленки диоксида доза ионов N\=Nx будет содержаться в кремнии на глубине от х=0 до x=d2:
^2 ~" Rp2 \ VWp^ J'
^2 ~" Rp2 \ VWp^ J'
V^XRp J о
Приравняв (10.28) и (10.29), получим
di — RPi d2 — Rp.2
erf —7==erf—— .
/2Д/?р1 /2ДЯр2
тов, поэтомутов, поэтомуУсловием равенства erf-функций является равенство их аргумен-
тов, поэтому
тов, поэтому
(10.30)(10.30)dx — Rpid2 — Rp2
(10.30)
(10.30)
V2bRPi — V^Rp2 "
Отсюда находим толщину эквивалентного слоя тормозится доза ионов N'v=Nx\Отсюда находим толщину эквивалентного слоя тормозится доза ионов N'v=Nx\кремния, вкремния, вкоторомкоторомd<2,= Rp<2.-VVdi — RP0d<2,= Rp<2.-VVdi — RP0^Rp2 ^Rp\^Rp2 ^Rp\(10.31)(10.31)
Отсюда находим толщину эквивалентного слоя тормозится доза ионов N'v=Nx\
Отсюда находим толщину эквивалентного слоя тормозится доза ионов N'v=Nx\
кремния, в
кремния, в
котором
котором
d<2,= Rp<2.-VVdi — RP0
d<2,= Rp<2.-VVdi — RP0
^Rp2 ^Rp\
^Rp2 ^Rp\
(10.31)
(10.31)
примеси вкремния,примеси вкремния,кремнии поэтомукремнии поэтому(10.32)(10.32)3. Запишем расчетные в кремнии3. Запишем расчетные в кремнииформулы для профилей распределения бора:формулы для профилей распределения бора:0,4-6,2-100С(Х)= 0,054-10—4 елР0,4-6,2-100С(Х)= 0,054-10—4 елР= 4,6-1013 ехр= 4,6-1013 ехр(х-V 0,239- 0,161 \2\/2-0,054/х + 0,078 \21.0,0765 /]’(х-V 0,239- 0,161 \2\/2-0,054/х + 0,078 \21.0,0765 /]’
примеси вкремния,
примеси вкремния,
кремнии поэтому
кремнии поэтому
(10.32)
(10.32)
3. Запишем расчетные в кремнии
3. Запишем расчетные в кремнии
формулы для профилей распределения бора:
формулы для профилей распределения бора:
0,4-6,2-100
С(Х)= 0,054-10—4 елР
0,4-6,2-100
С(Х)= 0,054-10—4 елР
= 4,6-1013 ехр
= 4,6-1013 ехр
(х-V 0,239- 0,161 \2
\/2-0,054/
х + 0,078 \21.
0,0765 /]’
(х-V 0,239- 0,161 \2
\/2-0,054/
х + 0,078 \21.
0,0765 /]’
При построении распределения внедреннойначало координат помещают на поверхностипрофиль распределения описывается гауссианой вида, 0,4^Г / х +d2-Rp2
С (л-)= —— ехр — ——
в кремнии.в кремнии.^Rp2I k V^Rpa /]
в кремнии.
в кремнии.
Пример 4. Построить распределение концентрации ионов бора внедренных с энергией 40 кэВ и дозой облучения 6,2-1013 см-2 через пленку диоксида толщиной di=0,2 мкм.
Из данных табл. 10.1 для кремния и табл. 10.3 для диоксида кремния определим, что /?Pi = 0,142 мкм, Д/?р1=0,04 мкм, /?Т2=0,161 мкм, Д/?Р2=.
=0,054 мкм.
По формуле (10.31) найдем толщину эквивалентного слоя кремния: 0,054
d2 = 0,161 + (0,2 — 0,142)^-^- = 0,239 мкм.
в диоксиде кремния
0,4-6,2- 1013Г / х — 0,142 \21
С(х)=Г
—Г / х — 0,142 \2]
= 6,2-1018ехр — —„—I .L у 0,0а66 / J
Согласно расчетным формулам построим профили распределения бора в двухслойной структуре (рис. 10.5).
С помощью формулы (10.28) найдем дозу ионов бора, остающегося в пленке диоксида:
„6,2-1013 /0,2 —0,142\
Nt = 1 + erf— = 5,7а-1013 см-3.
12/2-0,04 /
Доза иоиов бора, прошедшего в кремний,а
^2 = ^_ ^1=6,2•10lЗ —5,75-1013 = 4,5-1012 см-2,|
т. е. в кремний прошло менее 0,1 от полной дозы облучения.1
Расчет распределения концентрации примеси в случае распы-1 ления части ионно-имплантированного слоя. Распыление полупро-| водника, облучаемого ускоренными ионами (см. гл. И), может з
Рис.ра вРис.ра в10.5. Распределение бо- структуре SiO2—Si10.5. Распределение бо- структуре SiO2—SiЛ1,5, кэВ^,НМ^р, нмнв2069244014240100339671404537875As403512,5805218150 18320Л1,5, кэВ^,НМ^р, нмнв2069244014240100339671404537875As403512,5805218150 18320Т а б л и ц а 10.31Т а б л и ц а 10.31привести к тому, что профили распределения будут чаться от кривой Гаусса, а общее количество оставшихся впривести к тому, что профили распределения будут чаться от кривой Гаусса, а общее количество оставшихся всильносильноотли-отли- крис- 1талле ионов станет много меньше дозы облучения. Распределение | внедренных ионов в момент времени t в процессе имплантации вы-, 1 ражается гауссианой вида1 крис- 1талле ионов станет много меньше дозы облучения. Распределение | внедренных ионов в момент времени t в процессе имплантации вы-, 1 ражается гауссианой вида1dCехрdCехр1 (X — Rp + vt\£1 (X — Rp + vt\£
Рис.
ра в
Рис.
ра в
10.5. Распределение бо- структуре SiO2—Si
10.5. Распределение бо- структуре SiO2—Si
Л1,
5, кэВ
^,НМ
^р, нм
нв
20
69
24
40
142
40
100
339
67
140
453
78
75As
40
35
12,5
80
52
18
150 1
83
20
Л1,
5, кэВ
^,НМ
^р, нм
нв
20
69
24
40
142
40
100
339
67
140
453
78
75As
40
35
12,5
80
52
18
150 1
83
20
Т а б л и ц а 10.31
Т а б л и ц а 10.31
привести к тому, что профили распределения будут чаться от кривой Гаусса, а общее количество оставшихся в
привести к тому, что профили распределения будут чаться от кривой Гаусса, а общее количество оставшихся в
сильно
сильно
отли-
отли-
крис- 1
талле ионов станет много меньше дозы облучения. Распределение | внедренных ионов в момент времени t в процессе имплантации вы-, 1 ражается гауссианой вида1
крис- 1
талле ионов станет много меньше дозы облучения. Распределение | внедренных ионов в момент времени t в процессе имплантации вы-, 1 ражается гауссианой вида1
dCехр
dCехр
1 (X — Rp + vt\£
1 (X — Rp + vt\£
где I— интенсивность потока ионов, ион/(см2-с); Idt = dN— доза, ; набираемая за период dt, ион/см2; v = dx!dt— скорость распыления кристалла, см/с.
С <г х Rp A-kx х— R„С кх)= erfА-erf —= -2Дг \ V2XRPУ 2XRpС <г х Rp A-kx х— R„С кх)= erfА-erf —= -2Дг \ V2XRPУ 2XRpИнтегрируя это выражение по времени, найдем профиль распределения ионов в момент t=T, к которому толщина распыленного слоя составит Ax=vT::
С <г х Rp A-kx х— R„
С кх)= erfА-erf —= -
2Дг \ V2XRPУ 2XRp
С <г х Rp A-kx х— R„
С кх)= erfА-erf —= -
2Дг \ V2XRPУ 2XRp
выразить, используя коэф-выразить, используя коэф-Толщину распыленного слоя удобно фициент распыления К:
выразить, используя коэф-
выразить, используя коэф-
Тогда профильТогда профиль^X=KN]N^.
Тогда профиль
Тогда профиль
распределения ионов, остающихся в кристалле, ferfLrf
I /2Д/?Р) 2к ГГгд/?^ J'
Г
Явление распыления приводит к насыщению количества ато- t мов примеси, остающихся в полупроводнике на уровне NRmax, которое рассчитывают по формуле
Nrmax^N^RpIK.
С ростом энергии ионов возрастает пробег, что ведет к увеличению толщины легированного слоя, меньшему влиянию распыления и возрастанию NRmax. Этому же способствует снижение К. Таким образом, явление распыления следует учитывать при малых Rp и больших К.
Определение режимов имплантации
Мы рассмотрели решения ряда наиболее часто встречающихся на практике прямых задач по расчету ионно-имплантированных ■структур. Обратные задачи более сложны. Обычно они заключаются в определении энергии, необходимой для получения заданного среднего нормального пробега ионов, или в определении дозы облучения, требующейся для обеспечения заданной концентрации примеси.
Расчет энергии ионов, необходимой для получения заданного пробега. Соотношение пробег — энергия, описываемое формулой (10.2), не позволяет путем простого преобразования выразить зависимость энергии от пробега. Для многих случаев ^е<3р, поэтому, используя разложение в ряд функции arctgx, можно упростить «формулу (10.2):
Р=_2_ е1/2 Г1 !—!!—VI(10.33)
к [1 + kd/c \4 c/k+d
Если соблюдается условие е^— -^-d, что справедливо для боль- к
шинства практически важных случаев, то 1п(1+%) «х и из формул ,(10.10) и (10.11) следует
—^1_Г\(10.34)
У 1 3 " c/k + d /
Средний нормальный пробег связан с полным пробегом соотношением
Рр^Ур-
Подставив в него формулы (10.33), (10.34) и решив полученное кубическое уравнение, найдем зависимость энергии иона от его среднего нормального пробега:
е=($1 + г2)2,(10.35)
где
е2 =^ -^/2 -/(^/2)2+(,9/3)3,2&(c/6+rf)2 ^р
/7==4£(c/£+d)c/k
мальнЕХ^^^^^ Е’ иеобх°Д™ую Д^ того, чтобы средний нормальный пробег ионов фосфора в кремнии составил =0,1 мкмР
. Для иоиов фосфора (Zt= 15, Ah = 31) в кремнии (Z2= 14, Л12=28,09)
р. = М^Мх = 0,905,
4,7-10-94,7-10-9
МАДА12МАДА124-31-28,094-31-28,09Y =Y =(z/j + Z2/3)V2 - Q5'2/3 + ]42/3)1/2 = 1,36-10-9 СМ,
МАДА12
МАДА12
4-31-28,09
4-31-28,09
Y =
Y =
(Afi + Л42)2(31 + 28,09)2 * 1 *
6,9.10баЛ426,9.106-1,36-10-9-28,09]
ZjZ2 (Afi + Af2) 15-14(31 +28,09)~ 2’ 12‘10-5 ~7в~’
L — лд2уЛ^2 = 3,14 (1,36-10-9)2 1-4,96-1022 = 2,86-105 —?, СМ
й = 2,47-101 iZ2/3/Z^W2[a(i +ц)]3/2== 2,47-Юн (15)2/3/14/28709 X
X [1,36-10-9(1 + 0,905)]3^ = 0,139,с[к = 0,45/0,139 = 3,24, с! к + d = 3,24 + 0,3 = 3,54,— l/Z^F’ Л , 0,905 ./'3^4k + 3 V c/k + d)= 0-776’
Pp = RpL = 0,1-10-4.2,86-105 = 2,86.
Найдем значения p и q;
„ ^d^cfh + d) 4-0.3-3.54
q=26 ^-c!k +d^2'0,139(3,54)2 2,86
cik / ~3,240,776~3,981
Определим значения e, и e2. Вначале вычислим квадратный корень; (9/2)2 +(/>/3)3 = ( — 3,98/2)2+ (^з]^ =4)04
V 2 + к 2 /=1^ 1>"+/4,04 = 1,587,
Щей 1ад°аХмуЛ пробег;-™е безРазмеРИ0Й приведенной энергии е, соответствую-Щей 1ад°аХмуЛ пробег;-™е безРазмеРИ0Й приведенной энергии е, соответствую-
Щей 1ад°аХмуЛ пробег;-™е безРазмеРИ0Й приведенной энергии е, соответствую-
Щей 1ад°аХмуЛ пробег;-™е безРазмеРИ0Й приведенной энергии е, соответствую-
е ~ (Е1 +е2)2 = (1,587 — 0,126)2 = 1,85.
На основании ее вычислим значение энергии:
Е=»1Р = \ ,85/(2,12-10-5) = 87 кэВ.
Эту же задачу можно решить графически при наличии табличных данных о» средних нормальных пробегах ионов фосфора в кремнии в интересующем нас диапазоне энергий. Пользуясь этими данными, построим зависимость Rp(E') и по графику для заданного Rp найдем Е. Существует ряд изданий , где дискретные значения пробегов табулированы через 10—20 кэВ для многих сочетаний иои — мишень.
Расчет дозы облучения, необходимой для получения заданной концентрации примеси. Так как профиль распределения концентрации внедренной примеси описывается кривой Гаусса, то для ее построения необходимо знать средний нормальный пробег Rp, среднеквадратичное отклонение пробега kRp и дозу облучения N. Обычно все три параметра неизвестны. Известными являются глубина залегания р-п-перехода х,, максимальная концентрация примеси Стах и концентрация примеси в исходной пластине полупроводника Св-
Выражение для глубины залегания р-п-перехода найдем из формулы (10.16) приС(х)=0:
(10.36)
Дозу облучения рассчитаем из соотношения
Cmax = 0,47VM,, или ^ = 2,5ДA’/,Cnlax.
Для определения стандартного отклонения пробегов А/?р используем графическое решение. Зададим несколько значений энергии», найдем для них XRp и Rp и построим зависимость правой части уравнения (10.36) от энергии. Затем параллельно оси энергий проведем прямую на уровне заданного значения х,, т. е. построим левую часть уравнения (10.36). Точка пересечения правой и левой частей уравнения (10.36) определяет искомую энергию Е. Для найденной энергии рассчитаем стандартное отклонение пробега А/?р и вычислим дозу облучения.
Пример 6. Определить энергию ионов и дозу облучения, необходимые для создания р-п-перехода на глубине Xj=O,3 мкм с помощью имплантации фосфора в кремний с электропроводностью p-типа и с Св=1016 см-3, если необходимо обеспечить Стах = 5-1019 см-3.
Согласно уравнению (10.36), 1Г 5-1019
Xj = Rp + ^Rp у 4,61g- ццв = Rp + 4,12ARp.
Построим зависимость Rp + 4,12A7?P от энергии в диапазоне 80—160 кэВ, пользуясь данными табл. 10.1 (рис. 10.6). На том же рисунке проведем линию *j = 0,3 мкм и по точке пересечения определим £=113 кэВ. Для практических целей более удобно задавать энергию ионов кратной 5 или 10 кэВ. Принимаем £=110 кэВ.
Интерполируя данные табл. 10.1, найдем, что для £=110 кэВ £Р = 136 нм
Ай? =38 нм. •’
Найдем дозу облучения: ■
Расчет режимов имплаитагшиРасчет режимов имплаитагшиN = ^MRpC^ = 2,5-3,8-10-6.5-1019 = 4,75.1014 см-2.
Расчет режимов имплаитагши
Расчет режимов имплаитагши
4Г,мкм4Г,мкм^4^46,36,3ё=ПЗё=ПЗРис. 10.6. Графическое определение энергии иоиовРис. 10.6. Графическое определение энергии иоиов07160 80 100 120 №0 160Е,КЭВ07160 80 100 120 №0 160Е,КЭВ/к ~ ^ра + ^^?ра/к ~ ^ра + ^^?раi для создания транзисторной структуры. При выполнении данного расчета используются ранее изложенные способы, поэтому рассмотрим его на конкретном примере создания структуры п-р-п-траизистора на кремнии с толщиной базовой области w = = 0,1 мкм, глубиной залегания эмиттерного перехода +э = 0,2 мкм, концентрацией доноров в эпитаксиальном слое СВ = 2Х ХЮ16 см-3 и максимальными концентрациями акцепторной и донорной примесей Стах а = 3- 1018, Стах д = 1 * 102Q СМ-3. СоЗДЗ- ние эмиттерной и базовой областей производится имплантацией фосфора и бора соответственно. Режимы ионной имплантации определяются дозами Na, N^ и энергиями Еа, Ед. Данная задача в общем виде ие решается, поэтому введем ряд упрощающих соотношений.
4Г,мкм
4Г,мкм
^4
^4
6,3
6,3
ё=ПЗ
ё=ПЗ
Рис. 10.6. Графическое определение энергии иоиов
Рис. 10.6. Графическое определение энергии иоиов
07
160 80 100 120 №0 160Е,КЭВ
07
160 80 100 120 №0 160Е,КЭВ
/к ~ ^ра + ^^?ра
/к ~ ^ра + ^^?ра
Запишем выражение для глубины залегания коллекторного р-п-перехода;
Для ионов с приближенное ■бегаДля ионов с приближенное ■бега- Rpa + &RPO //61g [3.1018/(2.10167] = ^a + з, 16Д/?„а.- Rpa + &RPO //61g [3.1018/(2.10167] = ^a + з, 16Д/?„а.ПоэтомуПоэтомумассами Mi>A43 в диапазоне энергий 20—100 кэВ справедливо соотношение между пробегом и стандартным отклонением про-^RP!Rp ~ Y/3 или^Д^ = ^Rpl^-массами Mi>A43 в диапазоне энергий 20—100 кэВ справедливо соотношение между пробегом и стандартным отклонением про-^RP!Rp ~ Y/3 или^Д^ = ^Rpl^-/4,61g(Cmaxa/Cs) =
Для ионов с приближенное ■бега
Для ионов с приближенное ■бега
- Rpa + &RPO //61g [3.1018/(2.10167] = ^a + з, 16Д/?„а.
- Rpa + &RPO //61g [3.1018/(2.10167] = ^a + з, 16Д/?„а.
Поэтому
Поэтому
массами Mi>A43 в диапазоне энергий 20—100 кэВ справедливо соотношение между пробегом и стандартным отклонением про-
^RP!Rp ~ Y/3 или^Д^ = ^Rpl^-
массами Mi>A43 в диапазоне энергий 20—100 кэВ справедливо соотношение между пробегом и стандартным отклонением про-
^RP!Rp ~ Y/3 или^Д^ = ^Rpl^-
/к ~ ^а + $> ^RpafS к 2Rp,
откуда
Rpa = xjK!2 = 0,3/2 = 0,15 мкм.
Пользуясь табл. 10.1, принимаем £а = 40 кэВ, тогда £Ра = 0,161 мкм, АРра = = 0,0538 мкм. Следовательно,
х.х = 0,161 +3,12-0,058 = 0,33 мкм.
Различие с требуемым значением XjK не превышает 10%, что допустимо.
Доза облучения ионами бора
А7а =/^Д/?ряСтаха =/2ДД4 5,38-10—6.3-Ю18 = 4-1013 см-2.
залегания эмиттерного р-п-пере-залегания эмиттерного р-п-пере-хода3' Приближеииое выражение для глубины
залегания эмиттерного р-п-пере-
залегания эмиттерного р-п-пере-
х j э ~ Rp a. A-^Rp цЛ 4,61g (Стаха/Сд) —■
= RpЛ + у Rpд /4,6 1g [1-1020/(2.1016")] «2,5/?^,
откудаRPjl = xj3p,5 = 0,2/2,5 = 0,08 мкм.
Пользуясь данными табл. 10.1, принимаем £д = 80 кэВ, тогда /?РД= = 0,098 мкм, ЛА?рд=0,0295 мкм и л,, = 0,098+4,44-0,0295=0,23 мкм.
Доза облучения ионами фосфора
АГ, = /2лД^дСта„ = УГЗД4-2,95-10-6.1020 = 7,4 - Юи см-2.
Использование процессов ионной имплантации в полупроводниковой технологии
Высокая степень отработанности технологических процессов ионной имплантации позволяет существенно улучшить параметры полупроводниковых приборов, их воспроизводимость, выход годных и снизить стоимость выпускаемых изделий, а также создать новые типы приборов, получение которых затруднено или невозможно без применения ионной имплантации. Наиболее широко используют имплантацию для введения легирующих примесей. Применение имплантации в диапазонах энергий 30—300 кэВ и доз 10й— 1017 см-2 позволяет создать различные типы дискретных полупроводниковых приборов и ИМС: биполярные транзисторы и ИМС, СВЧ-транзисторы, полевые МОП-транзисторы, лавинно-пролетные диоды, варикапы со сверхрезкой зависимостью емкости от напряжения, фотоприемники и др. Дальнейшие перспективы развития приборов и ИМС связаны с субмикронной технологией формирования структур с размерами элементов менее 1 мкм на базе электронной и рентгеновской литографии (см. гл. 12), которая также невозможна без использования ионной имплантации. Рассмотрим основные направления использования ионной имплантации в полупроводниковом производстве.
Биполярные транзисторы. При изготовлении биполярных транзисторов ионную имплантацию применяют для получения эмиттера, базы, коллектора, сильнолегированных областей для коллекторного и базового контактов, разделительной диффузии, скрытых п+-слоев и др. (рис. 10.7). Изменение дозы облучения при создании базы позволяет управлять коэффициентом передачи тока эмиттера, а изменение энергии ионов при формировании профиля распределения легирующей примеси в базе — регулировать ее ширину и тем самым задавать частотные характеристики приборов. Для создания биполярных транзисторов с высоким коэффициентом передачи тока применяют два способа, оба они основаны на внедрении бора с небольшой дозой при высокой энергии для формирования p-базы и внедрении мышьяка с высокой дозой для получения мелкого эмиттера. В первом случае стремятся сохранить неизменным профиль внедренной примеси и обеспечить высокую электрическую активность примеси в процессе отжига эмиттерного слоя при температуре 900—950°С в течение 10—15 мин. Во втором случае используют высокотемпературную кратковременную разгонку эмиттерной примеси. Эмиттерный переход располагается в этом
Е,кэ8Е,кэ8КК33База.База.Омический переходОмический переход\Э монтер- Скрытый слой\Э монтер- Скрытый слойI Уменьшение уиирины 1 базыI Уменьшение уиирины 1 базы160160160160120120Рис. 10.7. Диапазоны доз и энергий ионов, используемых при изготовлении биполярных транзисторовРис. 10.7. Диапазоны доз и энергий ионов, используемых при изготовлении биполярных транзисторов1001008080увеличение брейоо - Ваго поляувеличение брейоо - Ваго поля6060бо\— 10”бо\— 10”10’210м10*10'51015N.cm-Z-10’210м10*10'51015N.cm-Z-случае в материале, не затронутом имплантацией, где время жизни носителей заряда не уменьшилось вследствие разупорядочения решетки, поэтому эффективность эмиттера высока. Изготовление структуоы биполярного транзистора начинают с создания области пассивной базы с помощью диффузии бора. Используя в качестве защитной маски пленку БЮг толщиной 1 мкм, проводят имплантацию ионов 75As2+ с энергией 100 кэВ и дозами 1015— 1016 см-2. После отжига при 1000°С в течение 20— 30 мин мышьяк диффундирует на глубину 0,3 мкм, где образуется эмиттерный р-п-переход. Активная база формируется имплантацией бора с энергией 200 кэВ и доза
Е,кэ8
Е,кэ8
К
К
3
3
База.
База.
Омический переход
Омический переход
\Э монтер- Скрытый слой
\Э монтер- Скрытый слой
I Уменьшение уиирины 1 базы
I Уменьшение уиирины 1 базы
160
160
160
160
120
120
Рис. 10.7. Диапазоны доз и энергий ионов, используемых при изготовлении биполярных транзисторов
Рис. 10.7. Диапазоны доз и энергий ионов, используемых при изготовлении биполярных транзисторов
100
100
80
80
увеличение брейоо - Ваго поля
увеличение брейоо - Ваго поля
60
60
бо\— 10”
бо\— 10”
10’210м10*10'51015N.cm-Z-
10’210м10*10'51015N.cm-Z-
ми 2-Ю12—1013 см-2 в процессе последующего отжига при Т= = 850°С в течение /=20 мин. Так как средний нормальный пробег ионов бора составляет 725 нм, а стандартное отклонение пробега 126 нм (см. табл. 10.1), то основная часть профиля распределения бора располагается за эмиттерным слоем в глубине кристалла. При оптимальном сочетании параметров данным способом изготовляют транзисторы с коэффициентами усиления по току 100— 300 и предельными частотами 1—8 ГГц.
МДП-транзисторы. Одно из первых практических применений технологии ионной имплантации в промышленном производстве, показавшее ее высокую эффективность, связано с МОП-транзисторами. Использование имплантации обеспечивает высокую однородность и воспроизводимость параметров транзисторов и позволяет значительно увеличить процент выхода годных. Применение имплантации повышает надежность МДП-транзисторов, что достигается увеличением толщины подзатворного оксида и последующим снижением порогового напряжения до требуемого значения путем внедрения легирующих ионов через оксид. С точки зрения обеспечения надежности и достаточной крутизны вольт-амперной характеристики МОП-транзисторов оптимальной является толщина подзатворного оксида 0,1—0,15 мкм.
Одним из важнейших применений ионной имплантации является управление концентрацией легирующей примеси с целью сдвига порогового напряжения. Управление значением порогового напряжения с помощью ионной имплантации сводится к изменению поверхностного заряда МОП-транзистора. Примеси, вводимые в область, примыкающую к границе раздела диоксид — кремний, уменьшают или увеличивают заряд поверхностных состояний и со-
ответственно повышают или понижают пороговое напряжение при данной толщине диэлектрической пленки. Достоинство данного метода в том, что он позволяет регулировать пороговое напряжение структур при работе в режиме обеднения и обогащения без существенного изменения других параметров прибора. В этой роли метод ионной имплантации обеспечил не только более удачную конструкцию МОП-транзисторов и ИМС, но и оказался легко совместимым со стандартной МОП-технологией. Основные направления использования ионной
Рис. 10.8. Диапазоны доз и энергий ионов, используемых при изготовлении МОП-транзисторовРис. 10.8. Диапазоны доз и энергий ионов, используемых при изготовлении МОП-транзисторовимплантации при изготовлении МОП-транзисторов показаны на рис. 10.8.
Рис. 10.8. Диапазоны доз и энергий ионов, используемых при изготовлении МОП-транзисторов
Рис. 10.8. Диапазоны доз и энергий ионов, используемых при изготовлении МОП-транзисторов
Чтобы индуцировать или обогатить проводящий канал между электродами истока и стока, потенциал затвора должен превышать пороговое напряжение. Типичное значение порогового напряжения для кремниевого МОП-транзистора с каналом p-типа с алюминиевым затвором равно —2 В при поверхностном заряде в затворном диэлектрике 2Х. X Юп см-2, Сд=1015 см-3 и
толщине диоксида затвора 0,1 мкм. Пороговое напряжение обычно
регулируют, манипулируя значениями зарядов в затворном диэлектрике и объемного заряда в подложке.
Заданное значение порогового напряжения получают, используя профили распределения внедренных ионов для управления объемным зарядом в подложке. Степень легирования подложки под электродом затвора зависит от распределения внедренных ионов по глубине. Имплантацию бора производят через тонкую пленку подзатворного диоксида при энергии 30—50 кэВ, что недостаточно для проникновения через толстый оксид, покрывающий остальные участки пластины. Для отжига радиационных нарушений и активации примеси применяют нагрев до 900°С в течение нескольких минут. В ряде случаев оказывается достаточным нагрев до 400—500°С, производимый после нанесения металлизации.
Отклонения в степени легирования подложки приводят к потере управления пороговым напряжением. Один из способов улучшения управления пороговым напряжением заключается во внедрении ионов с достаточно высокой дозой в слаболегированную подложку. Тогда пороговое напряжение определяется не удельным сопротивлением подложки, а концентрацией примеси, введенной имплантацией. Ионы бора, внедренные в подложки п-типа с удельным сопротивлением р=4 Ом-см, эффективно уменьшают плотность объемного заряда в каналах p-типа, что ведет к изменению пороговых напряжений от —2,5 В без имплантации бора до +3 В
при дозе облучения НО'2 см-2. Для МОП-транзисторов с каналами п-типа аналогичная имплантация приводит к изменению пороговых напряжений от —0,5 В до +2 В при том же значении удельного сопротивления подложки p-типа. При дозах свыше 5 - 10й см-2 в МОП-транзисторах с индуцированными p-каналами образуется встроенный p-канал и приборы работают в режиме обеднения, а не обогащения. Ионное внедрение бора в подложки p-типа или фосфора в подложки и-типа приводит к повышению порогового напряжения для приборов, работающих в режиме обогащения.
Резисторы. Легированные слои, полученные после имплантации и отжига, являются, по сути, готовыми резистивными элементами с высокой однородностью поверхностного сопротивления. Изменяя дозу облучения и температуру отжига, управляют поверхностным сопротивлением резистивного слоя от 10 Ом/П до 100 кОм/D. Технология изготовления резисторов совместима с биполярной технологией транзисторов и ИМС. Формирование резисторов зачастую совмещают с формированием базовой области или эмиттерного слоя. Конфигурация резистора задается топологией окон, вскрываемых в диоксиде кремния, а защитной маской служит диоксид или фоторезист. Контактные площадки создают диффузионным методом перед имплантацией. Однородность по сопротивлению резисторов удается повысить таким образом, что ограничивающим фактором становится допуск на фотолитографию.
Формирование линейных профилей. В ряде случаев перед технологом или конструктором стоит задача получения линейного профиля распределения примеси на сравнительно большой глубине. Для получения заданного профиля распределения примеси используют многократную имплантацию с несколькими дозами и энергиями. Это позволяет получать однородные, а также равномерно возрастающие или спадающие профили. Выбор энергий и доз производят с помощью моделирования суммарного профиля на ЭВМ. Вначале устанавливают необходимую энергию ионов в соответствии с требующейся глубиной и дозу, обеспечивающую нужную концентрацию на этой глубине. Затем производят подбор доз облучения при различных энергиях ионов, так чтобы суммарный профиль не выходил за пределы допустимого разброса концентрации.
Легирование атомами отдачи. Имплантация атомов отдачи из находящихся на поверхности пленок в подложки при бомбардировке ионами инертных газов является перспективным методом получения сверхтонких силыюлегцрованных слоев кремния, необходимых для многих типов полупроводниковых приборов, в первую очередь СВЧ-диапазона. Атомы отдачи могут получать достаточно высокую энергию от ускоренных ионов и перемещаться на расстояние в несколько нанометром. Особенно важен данный способ легирования для примесей с большой атомной массой, таких, как In, Sb или Bi. На поверхность пластины наносят тонкий слой легирующей примеси, который бомбардируют потоком ионов. Согласно теоретическим оценкам, поток атомов отдачи через поверхность 226
раздела пленка — подложка пропорционален плотности упругих потерь энергии бомбардирующих частиц вблизи этой поверхности, если толщина пленки сравнима с пробегом частиц. Если пленки более тонкие или энергии частиц более высокие, то поток пропорционален сечению ядерного торможения этих частиц в пленке. Для получения наибольшего выхода атомов отдачи толщина пленки должна быть равной положению максимума зависимости упругих потерь энергии от глубины пробега ионов. Увеличение дозы облучения ведет к снижению выхода атомов отдачи, что связано с распылением пленки легирующего вещества. При дозах более 1016 см-2 выход атомов отдачи становится меньше единицы, так как в пограничном слое происходит сильное перемешивание атомов подложки и пленки и резкая граница между ними исчезает.
Каскадное перемешивание. При внедрении ускоренного иона в кристалл образуются каскады смещений, в которых происходит беспорядочное перемещение атомов. Если облучается структура, состоящая из тонкой металлической пленки, расположенной на поверхности полупроводниковой пластины, го при соответствующем выборе энергии ионов и дозы облучения происходит не только легирование атомами отдачи, но и активное перемещение атомов пленки в подложку, а атомов подложки в пленку. Этот процесс называют атомным или каскадным перемешиванием. Его используют для создания омических переходов с низким сопротивлением, не требующих для своего создания высокой-температуры отжига. Одним из материалов контакта является силицид молибдена, образующийся при каскадном перемешивании в системе молибден — кремний. Если использовать для бомбардировки ионы инертного газа, то в области контакта образуются газовые полости, ухудшающие надежность контакта. Поэтому для перемешивания предпочтительнее использовать ионы легирующих примесей (В, Р, As), тогда одновременно с формированием силицида молибдена происходит дополнительное легирование подложки. Для эффективного перемешивания выбор энергии определяется тем же требованием, что и легирование атомами отдачи, которое имеет вид Rp~h, где h— толщина пленки тугоплавкого металла (молибдена). Доза облучения должна быть достаточно высокой, чтобы сместилось большое число атомов. Для образования силицида молибдена MoSi2 необходимы доза ~ 1016 см-2 и энергия ~250 кэВ. При дозах 1015 см-2 силицид не образуется. Каскадное перемешивание используют также для формирования контактов на базе Pd, Ni, Pt, Nb и Au. Преимущество использования каскадного перемешивания перед термическим испарением в вакууме заключается в снижении температуры нагрева. Так как тугоплавкие металлы требуют высоких температур нагрева подложек при их нанесении, то это вызывает появление термомеханических напряжений и обусловливает низкую надежность контакта.
Формирование изолирующих пленок. Благодаря точному управлению количеством внедряемой примеси метод ионной имплантации позволяет формировать изолирующие пленки типа БЮг, SisNt.
Принципиальным ограничением является малая толщина слоя, в котором образуется пленка данного состава. Она ограничена пробегом ионов и обычно не превышает 2RP. Практически оказалось, что для формирования изолирующей пленки нет нужды точно выдерживать стехиометрический состав диоксида или нитрида кремния. Поэтому дозы облучения кремния ионами 0^2 или N+г составляют 1016—1017 см-2 при энергиях 30—100 кэВ. После облучения производят отжиг структур при 800°С для улучшения структуры пленки и лежащего под ней слоя кремния.
Методы контроля ионно-имплантированных структур
, Внедрение технологии ионной имплантации в полупроводниковое производство стимулировало развитие ряда специфических методов контроля ионно-имплантированных структур, направленных на выявление особенностей поведения внедренных атомов примесей и образования радиационных нарушений. Рассмотрим ряд таких методов.
Исследование распределения концентрации носителей заряда по глубине легированного слоя. Это исследование производят путем измерения коэффициента Холла и удаления тонких слоев. Тонкие слои кремния удаляют с помощью анодного оксидирования и растворения оксидной пленки в плавиковой кислоте. Электролит для оксидирования состоит из 498 г этиленгликоля и 2 г азотнокислого калия. Кремниевый образец является анодом. Анодное напряжение составляет 100—250 В, анодный ток в начальный момент повышается до 100 мА, а к концу процесса спадает до 1—2 мА при площади образца ~ 1 см2. Толщину оксидной пленки определяют на лазерном эллипсометрическом микроскопе или по цветам интерференции. Толщину удаленного слоя кремния рассчитывают на есновании массовой доли кремния в диоксиде кремния:
Afsi :Afsio,=A-v: As1Os=28 :60=0,465.
Практически с допустимой погрешностью толщина удаляемего слоя кремния линейно связана с анодным напряжением и для указанных режимов справедливо соотношение &x=KU, где К = = 0,2 нм/В.
Слои с неоднородным распределением примесей характеризуются поверхностным коэффициентом Холла Rhs, включающим усреднение напряжения Холла по толщине всего слоя хд. Произведение средней концентрации носителей заряда в слое С на толщину слоя равно числу носителей, заключенных под единицей площади легированного слоя ^(см-2). Эту величину называют эффективной поверхностной концентрации носителей заряда:
Ns=CXj.
Поверхностный коэффициент Холла связан с Ns выражениемN^r^eRHsY
где г=^н/^ — фактор Холла, т. е. отношение холловской и дрейфовой подвижностей.
Так как точное значение фактора Холла обычно неизвестно, то для ионно-имплантированных слоев его принимают равным 1. Это может привести к ошибке в расчете Ns на 20—30% в сторону занижения истинных значений по электронам и завышения по дыркам.
Пластины для холловских измерений могут быть произвольной формы. Две пары противолежащих контактов наносят по краям образца и обозначают по порядку номерами 1, 2, 3, 4. Поверхностная постоянная Холла Rhs (см/Кл) определяется по изменению напряжения Д/Лз (В) при протекании тока /24(A) и наложении магнитного поля В(Тл), перпендикулярного плоскости образца:
RHS= 10W13/(/?/24).
Определив коэффициент Холла, находят эффективную поверхностную концентрацию:
Ns=6,25-10«/ RHS.
Затем удаляют тонкий слой легированного кремния и вновь измеряют М5. Эту процедуру повторяют многократно. Концентрацию носителей в г-м удаленном слое С, (см-3) толщиной Дх находят из соотношения
cC^jAX O$j s(i+l),
откуда
i(t), и максимальная концентрация
С,пах=0,9^/®,
где w— Полная ширина кривой Гаусса на уровне С=0,5 СШах.
Спектроскопия оже-электронов (СОЭ). Метод спектроскопии оже-электронов дает сведения о составе и содержании примесей в приповерхностных слоях кристаллов и аморфных тел с толщинами от 0,3 до 3 нм. Идентифицируются все элементы, за исключением водорода и гелия. При возбуждении внутренних оболочек атомов пучком ускоренных электронов наблюдается безызлучательный процесс испускания вторичных электронов, обнаруженный Оже в 1925 г. Если падающие на образец первичные электроны ионизируют внутренний /(-уровень и возникшую на этом уровне дырку заполняет электрон с более высокого уровня Ль то энергия, выделяемая при таком переходе 1д—К, может быть передана электрону на уровне Г2. Энергия достаточно велика, чтобы перевести электрон с уровня L2 в вакуум. Такой электрон, ушедший с уровня L2, называют оже-электроном. В результате испускания оже-электронов атом оказывается в двукратно ионизированном состоянии. При достаточно высокой чувствительности детектора вторичных электронов на кривой распределения вторичных электронов по энергиям разрешимы несколько пиков, часть которых характеризует энергию испускаемых оже-электронов. Энергия оже-электронов не зависит от энергии первичных электронов. По значению энергии, соответствующей пику испускаемых оже-электронов, идентифицируют элемент, а по интенсивности испускания судят о концентрации анализируемых атомов. .
С помощью СОЭ определяют содержание примеси с концентрацией не менее 1018 см-3. Минимально достижимая концентрация составляет 1016 см-3. Последовательно удаляя тонкие слои полупроводника с помощью ионного распыления и проводя СОЭ-ана- лиз, получают профили распределения концентрации примеси по глубине. Высокое разрешение метода обусловлено тем, что оже- электроны выходят только из глубины 1—5 атомных слоев, т. е. 0,5—3 нм.
Глава 11
ПОЛУЧЕНИЕ СТРУКТУР МЕТОДАМИ ТЕРМИЧЕСКОГО ИСПАРЕНИЯ И ИОННО-ПЛАЗМЕННОГО РАСПЫЛЕНИЯ
Большое место в полупроводниковой технологии занимают процессы, связанные с нанесением на поверхности структур тонкопленочных покрытий и их. удалением в вакууме. Эти процессы основаны на молекулярно-кинетических явлениях в разреженных газах. Существует два основных метода осаждения тонких пленок: термическим испарением и катодным распылением. При термическом испарении осаждаемое вещество нагревается до температуры ис- 230
парения и его пары конденсируются на подложке. При катодном распылении осаждаемое вещество находится при комнатной температуре и бомбардируется низкоэнергетичными ионами из плазмы газового разряда. Распыленные атомы достигают подложки и конденсируются на ней. Оба метода используют для осаждения проводящих, резистивных и диэлектрических пленок. Качество тонкопленочных покрытий во многом зависит от глубины вакуума в рабочей камере и соотношения потоков молекул остаточного газа и испаряемого вещества на поверхность подложек. При термическом испарении элементов и сплавов используют однотигельные и мно- готигельные-способы. Усовершенствованием катодного распыления является метод ионно-плазменного распыления и его модификации, которые составляют основу так называемой технологии «сухой» обработки полупроводниковых структур, позволяющей исключить применение жидких химических травителей и растворителей при фотолитографической обработке тонкопленочных покрытий. При изготовлении ПП и ИМС термическое испарение и ионно-плазменные процессы используют для создания омических переходов, пассивных элементов тонкопленочных схем, межэлементной изоляции и коммутации. Для оценки качества тонкопленочных покрытий контролируют их толщину и структуру.
Технологические особенности термического испарения материалов
Термическое испарение производят в глубоком вакууме, поэтому технологический процесс в первую очередь определяется конст
Рис. 11.1. Схема вакуумной установки для напыленияРис. 11.1. Схема вакуумной установки для напылениярукцией вакуумного оборудования.
Рис. 11.1. Схема вакуумной установки для напыления
Рис. 11.1. Схема вакуумной установки для напыления
Схема вакуумной установки для напыления. На рис. 11.1 показана схема вакуумной системы напылительной установки. Она включает рабочую камеру 1 колпакового типа с объемом до 0,5 м3, в которой размещаются полупроводниковые структуры 2 на плане-, тарном, карусельном или барабанном держателе, испаритель 4 и заслонка 3. Измерение давления до 10-1 Па производят термопарным манометром, а ниже 10-1 Па — ионизационным, которые объединены в одном приборе 5. Предварительный вакуум достигается с помощью форвакуумного насоса 9
при закрытом клапане 12 диффузион
ного насоса 11 и закрытом кране 10. Краны 8 и 7 открыты. По достижении давления ~ 10 Па кран 7 закрывают и открывают кран 10 и клапан 12, в результате чего осуществляется откачка диффузионным насосом. В случае аварийного отключения форвакуумного
насоса срабатывает электромагнитный клапан 8, предохраняя систему от натекания в нее атмосферного воздуха через неработающий форвакуумный насос. Для конденсации паров масла и остаточных газов служит ловушка 6, наполняемая жидким азотом. В настоящее время все шире используют безмасляную откачку с применением турбомолекулярных и гетероионных насосов, позволяющих достигать разрежения до 10-9 Па.
Типы испарителей. Термическое испарение материалов производят из испарителей косвенного подогрева — проволочных (W, Та), ленточных (Мо, Та) или тигельных (кварц, графит, стекло- графит, керамика). Эти материалы слабо взаимодействуют со многими испаряемыми веществами и не загрязняют молекулярный поток. Форма испарителей зависит от агрегатного состояния испаряемого материала. Порошкообразные вещества испаряют из тиглей и лодочек, что особенно удобно для несмачивающих материалов. Для испарения крупнозернистых порошков используют проволочные спиральные конические испарители. Если испаряемый металл относится к числу смачивающих, то применяют ленточные или спиральные проволочные испарители. Металл навешивают на них в виде гусариков или навивают тонкой проволочной спиралью. Подложки обычно располагают над испарителем, что предотвращает случайное попадание на них капель расплавленного вещества. Заслонка 3 (рис. 11.1) играет важную технологическую роль, так как позволяет точно контролировать длительность процесса осаждения покрытия и препятствует попаданию на подложки летучих загрязнений, содержащихся в испаряемом веществе, в начальный момент испарения. Для образования равномерного по толщине покрытия карусель и подложки на ней вращаются над испарителем.
Соотношение потоков газа и паров на подложках. При термическом напылении тонкопленочных покрытий между испарителем и подложкой создается направленный поток пара. Чтобы он распространялся в технологической камере беспрепятственно, давление в ней должно быть достаточно малым. Концентрация молекул газа должна быть такой, чтобы столкновения частиц пара с молекулами остаточного газа отсутствовали. Средняя длина свободного пробега молекул газа Хг между двумя столкновениями при Р = 10-2 Па составляет около 0,5 м. Для многих веществ приблизительно такова же средняя длина свободного пробега молекул пара в газе. Если при этом подложка удалена от испарителя на 10 см, то более чем 80% молекул пара достигает подложки без столкновения с молекулами газа. Это определяется на основании закона ослабления поюка: число частиц N потока пара, прошедших в газе путь х без столкновений,
N = No exp (— х/Х), где No — число частиц потока пара; Х = ХГ— средняя длина свободного пробега. Поэтому при данных условиях влияние газа на 232
поток пара можно не учитывать. При высоких давлениях пара становится существенным взаимодействие молекул пара друг с другом, в частности при Р^Ю-1 Па.
В табл. 11.1 приведены числа столкновений молекул газа со стенкой камеры vr, числа столкновений молекул друг с другом в
Р, Па
Vp, 1/(см2-с)
v„, !/(см3-с)
1
0,5
СМ
2,8-1018
5,6-1019
10~2
50
см
2,8-1016
5,6-1019
10~4
50
м
2,8-1014
5,6-Ю11
ю-6
5
км
2,8-1012
5,6-10’
Таблица 11.1Таблица 11.1объеме камеры v® и средние длины пробега Хг для различных давлений.
Таблица 11.1
Таблица 11.1
При давлениях ниже 10~3 Па преобладают столкновения со стенкой. Однако для анализа влияния давления газа на процесс осаждения вещества важнейшим параметром является не число столкновений с
поверхностью, а отношение числа столкновений vr газа к числу столкновений vn пара с поверхностью подложки. Отношение числа столкновений со стенкой молекул газа и пара находят с помощью кинетической теории газов. Для газа (воздуха) при Т=293 К
^bn=55,5MnPtKaKd),
где Мп — массовое число молекул пара; Рг— давление газа, Па; пк — скорость конденсации, выраженная как скорость нарастания осаждаемого слоя, нм/с; d— плотность испаряемого материала, г/см3. Для алюминия это соотношение имеет вид
vr/vAi = 5,6-102PrK.
Скорость конденсации при осаждении алюминия обычно составляет 1—100 нм/с. При давлении 2-10"2 Па v,/vai= 10-4-0,1. Этот пример показывает, что уже при относительно низком давлении остаточного газа частота столкновений его молекул с подложкой может быть одного порядка с частотой столкновений с нею молекул пара. Судить о влиянии газа на Свойства осажденного слоя только по одному отношению частот столкновений с подложкой нельзя. Вероятность конденсации большинства химически пассивных компонентов газа мала, поэтому даже при сравнимых v конденсация паров протекает без заметной адсорбции газа. Вероятность адсорбции и конденсации активных газовых компонентов (кислорода, водорода, паров веществ, проникающих в камеру из вакуумных насосов) достаточно велика. В этом случае, чтобы избежать влияния адсорбции газа, добиваются очень низкого значения отношения vr/vn. Для этого сильно понижают давление остаточных газов и в первую очередь парциальное давление нежелательных компонентов или задают очень высокую скорость конденсации паров. При осаждении алюминия скорость конденсации доводят до 10 мкм/с, тогда отношение vr/vn при давлении Рт= = 10-1 Па становится менее 10~2.
Испарение элементов. При испарении вещества, нагреваемого в высоком вакууме, скорость испарения v (м“2/с-1), т. е. число
частиц, покидающих единицу поверхности испаряемого вещества в единицу времени, определяется уравнением Лэнгмюра:
у^бЗ-Ю^аР^/рЛ
где a — коэффициент испарения, равный 1 для идеального испарителя; Рз — упругость пара вещества при температуре Т, Па; у — молекулярная масса, кг/кмоль.
РзЛа -
Рис. 11.2. Зависимость давления насыщенных паров (а) н скорости испарения (5) различных элементов от температуры
В единицах массы вещества скорость испарения'
G=mt,
где пг — масса молекулы.
Подставляя уравнение Лэнгмюра, получим
q=4a-xq-^psV"XIt,
где Мп — массовое число молекулы пара, а размерность G—• г/(см2-с). При большом давлении газа часть испарившихся молекул может возвращаться на испаряемую поверхность. В этом случае эффективная скорость испарения
О,ф=тО,
где т=0-4-1— коэффициент передачи.
234
При испарении Си в условиях остаточного давления аргона в камере РГ=Ю-2, 10-1, 1, 10 Па, т=1, 0,95, 0,8, 0,2 соответственно. Уже при давлении газа 1 Па его влияние на скорость испарения становится существенным.
Для расчета скорости испарения необходимо знать давление насыщенного пара при данной температуре.
На рис. 11.2 показаны экспериментальные зависимости давлений насыщенных паров разных элементов и скорости их испарения в зависимости от температуры.
Многотигельное испарение сплавов. При нанесении покрытий из сплавов металлов требуется выдерживать соотношение компонентов сплава одинаковым по всей толщине слоя. Слои из сплава наносят либо методом многотигельного испарения, либо из одного тигля. При многотигельном испарении компоненты испаряются порознь, каждый из своего тигля, а конденсируются они на подложке совместно. При однотигельном испарении поток пара создается и конденсируется, имея тот же состав, который требуется для покрытия.
Рассмотрим процесс многотигельного испарения на примере бинарного сплава, образующегося из компонентов А и В, находящихся в разных тиглях. Над обоими тиглями устанавливаются потоки пара со скоростями испарения Од и GB. Если тигли расположены друг от друга на расстоянии /, малом по сравнению с расстоянием L между подложкой и тиглями, то возникает обширная область, в которой поток пара содержит оба компонента. Из-за зависимости плотности потока пара от направления поддерживать постоянное соотношение между компонентами можно только на ограниченном участке поверхности подложки. Если коэффициент конденсации для обоих компонентов равен 1, т. е. доля компонента В в слое хв та же, что в паре хв", то связь параметров испарения с долей хв" определяется выражением
8в®в!^дСд)—хв]^—Хв) , в котором содержания компонентов даны в массовых долях, так что хв"А-Ха'= 1; Sa и Sb — площади поверхностей испарения.
Если принять, что скорости испарения и площади поверхностей постоянны и Z-CL, то, подбирая температуры в тиглях, можно отрегулировать процесс многотигельного испарения так, чтобы в слое существовала определенная доля компонента В. Достижимая точность состава сплава слоя ограничивается сильной зависимостью скоростей испарения от температуры. Отклонение доли одного из компонентов, например никеля в железоникелевом сплаве, можно рассчитать, используя данные рис. 11.2, б о зависимости скорости испарения от температуры. При 7ьч= 1900 К
AxnJxni ^ 20а7 ni/7ni.
При изменении температуры всего на 10 К доля никеля в паре изменяется на 10%. Поэтому для получения покрытий из сплавов
с неизменным составом методом многотигельного испарения требуется высокая стабильность скоростей испарения, что, в свою очередь, определяет необходимость поддержания с. высокой точностью постоянства температуры в испарителях.
Многотигельное испарение для получения покрытий из сплавов применяют в том случае, если испаряемый материал трудно или невозможно приготовить в том же составе, который должен быть у покрытия, что не дает возможности применить однотигельное испарение. Смешение компонентов в паровой фазе целесообразно производить тогда, когда давления паров компонентов отличаются друг от друга на несколько порядков. Кроме того, такое смешение применяют, если доля одного из компонентов в слое должна быть небольшой.
Однотигельное испарение сплавов. Для предсказания состава покрытия, которое получится при использовании метода однотигельного испарения, следует принять допущение о справедливости закона парциальных давлений Рауля и применимости уравнения Лэнгмюра с учетом термодинамических свойств сплава. Это позволяет рассчитать состав покрытия исходя из состава расплава в испарителе. Парциальное давление паров над расплавом определяет закон Рауля: относительное понижение давления насыщенного пара растворителя над раствором равно мольной доле растворенного вещества:
ЬРВ]РВ = 3А,
где АРв=Рв°—Рв, Рви — давление насыщенного пара над чистым растворителем; Pb = SbPb°— парциальное давление паров растворителя над расплавом; Ва^СаДСа + Сд), здесь С а, Св— концентрация атомов А и В в расплаве. Сумма мольных долей Sa + Sb=1.
Определим соотношение между массовой долей вещества А в расплаве и в осаждаемом на подложке слое. Массовая доля
хА=МАКМА+Мвр
где МА и Мв — массы компонентов в расплаве.
Обозначим массовые доли компонента А в расплаве Ха, в парах — Ха". Будем считать, что составы пара и осаждаемого слоя идентичны, т. е. коэффициенты конденсации для веществ А и В равны 1—все молекулы конденсируются.
Давление пара над расплавом Рав складывается из парциальных давлений компонентов: Рав=Рл-\-Рв. Отношение скоростей испарения
°д _ Вд ч /Мпд 5дВд . ГмиД
GB Рв МпВSBP°B V м„в '
Кроме того, отношение скоростей равно отношению массовых долей в парах, а значит в покрытии:
GaIqb = xa,x’b.
Отношение массовых и мольных долей, согласно гл. 5,
Х;4хв= SдМ^[^5вМд^ .
Учитывая это, получим
ха_ ха м»в ра 1/ЖТХв х В ^uA Рв ^пВ
ИЛИ
ХА _ ХА РА "l/ М„д —
1 —хА 1 —xA Рв ' МпА
откуда
х\=VAa дв/[ 1 — х\ (1 — адв)],
где аАВ—^Р^Рв) ^МаВ1МпА —коэффициент испарения сплава. Зависимость Ха" (хд') позволяет определить изменение состава осаждаемого при испарении слоя по сравнению с составом исходного расплава. При аАв=1 испарение происходит конгруэнтно, т. е. составы конденсата и расплава одинаковы. При аАв>1 доля компонента А в слое выше, чем в расплаве, и в процессе испарения расплав обедняется компонентом А. Если о,ав<3, то расплав обедняется компонентом В. В общем случае при однотигельном испарении осавт^Х, поэтому со временем происходит изменение составов расплава и конденсата. При технологических применениях способа требуется вести процесс так, чтобы соотношение компонентов в слое оставалось постоянным. Если доля компонента В в расплаве в точности соответствует требуемой доле в конденсате, то поддерживать процесс испарения в таком желательном режиме можно, подпитывая расплав испаряемым материалом. Чтобы процесс однотигельного испарения был стационарным, подпитывающий расплав или материал должен иметь точно такой же состав, который нужно получить в покрытии.
Конденсация пара на подложке. Начальный рост пленок в вакууме состоит из трех этапов: конденсация атомов пара на подложке, образование многоатомных зародышей и превращение зародышей в большие агрегаты. Адсорбированные атомы мигрируют по поверхности и при столкновении друг с другом образуют скопления, в которых действуют междуатомные силы связи, определяемые энергией конденсации, поэтому такие агрегаты (дублеты, триплеты и др.) обладают повышенной стабильностью. При малых размерах агрегатов отношение их поверхности к объему велико, поэтому велика их поверхностная энергия, что обусловливает увеличение давления пара над поверхностью и вызывает диссоциацию скопления. Существует критический размер скоплений, при котором их устойчивость минимальна. Добавление атома ■к такому критическому скоплению (зародышу) приводит к его
стабилизации, и зародыш приобретает тенденцию к росту. Удаление одного атома вызывает распад критического зародыша.
Кроме адсорбции, приводящей к окончательному оседанию атома паровой фазы на подложке, может происходить отражение атома сразу после удара и его реиспарение через некоторое время после адсорбции. Вероятность испарения атомов с подложки тем больше, чем выше ее температура и ниже температура испарения веществ. Для каждого вещества существует критическая температура подложки, выше которой атомы молекулярного потока полностью отражаются от подложки. Энергия теплового движения, которую атомы приобретают от подложки, превышает энергию их связи с поверхностью, миграция оказывается незначительной, скопления не образуются, и атомы испаряются с подложки. Увеличение плотности молекулярного потока приводит к тому, что атомы, испаряющиеся с подложки, захватываются частицами молекулярного потока в, вновь осаждаясь на подложке, образуют ядра конденсации. Кроме того, с увеличением плотности потока уменьшается длина пути, необходимая мигрирующим атомам для объединения в критические зародыши.
Катодное распыление материалов
Тлеющий разряд. Для образования ионов, используемых при бомбардировке поверхности распыляемой мишени, между анодом и катодом в вакуумной камере создают тлеющий разряд. Он характеризуется наличием двух основных областей: небольшой по протяженности прикатодной, в которой сосредоточено основное падение потенциала, называемое катодным падением потенциала, и области столба разряда, представляющей собой сильно ионизированный газ — плазму с высокой проводимостью и поэтому с малым падением потенциала. При сближении электродов анода и катода в первую очередь уменьшается протяженность положительного столба разряда. Электроны могут выходить из катода под действием фотоэмиссии. Для увеличения плотности эмиссии электронов применяют термоэмиссионные катоды. В сильном электрическом поле катодного падения потенциала электроны набирают энергию, определяемую напряженностью электрического поля и их подвижностью в данной области. Возбуждение молекул газа при столкновении с электронами вызывает появление свечения, а ионизация ведет к образованию положительных ионов газа. Ионы устремляются к мишени, на которую подан отрицательный потенциал относительно плазмы разряда, и распыляют ее.
Механизм распыления. Явление физического распыления обусловлено передачей ускоренным ионом атому мишени энергии, превышающей пороговую энергию смещения, последующим перемещением атома в направлении к поверхности мишени и вылетом из нее. Основным ?.1еханизмом катодного распыления является процесс передачи импульса либо путем непосредственного 'столкно- 238
вения ускоренного иона с атомом мишени, либо путем ряда вторичных столкновений первично смещенных атомов. Очевидно, что при нормальном падении ионного пучка на мишень распыление может происходить только при последовательных вторичных столкновениях. Физическое распыление вещества количественно характеризуется коэффициентом распыления К (ат/ион)—числом атомов, выбиваемых из мишени одним падающим на нее ионом. Коэффициент распыления является величиной статистической и определяется интегральным соотношением:
K=NV]N,
где Np — число атомов мишени, распыленных с единицы поверхности при облучении ее потоком ионов с дозой N.
Коэффициент распыления. Коэффициент распыления определяется характером атомных столкновений и структурой мишени. Выражение для коэффициента распыления изотропных мишеней имеет вид
(П 1) FES 1 + £/£м
Коэффициент Ко зависит от заряда ядра бомбардирующего иона Zt и атома мишени Z2 и периодически изменяется с изменением Z2. При 3<Z2<16.
Ко= 1,3.10-102^ 1 + 0,25 51п/2л(22/8)+^-^-
-4,65-10-12(2!- 18) см.(11.2)
При Z2^19.
/С0 = 1,3. lO-’oZ^p +0,25 sin /2n(^±^) + ^\j-
-4,65-IO"12(2!-18) см.(11.3)
При расчетах Ко в случае Z2+72 или Zi^72 следует использовать эффективные заряды ядер Zi,23$—Z)(2—14.
Сечение экранирования (см2)?
оа = ла2,(Н.4)
где а — радиус экранирования, который рассчитывают по формуле (10.5). Нормирующий коэффициент энергии F определяют по формуле (Ю.4). Энергия сублимации Es (эВ) для ряда элементов приведена в табл. 11.2.
Таблица 11.2
Элемент
А1
Si
Ti
Сг
Ni
Си
Та
W
Аи
Е„ эВ!
3,26
3,91
4,34
3,68
4,42
3,56
8,7
8,76
3,92
Растае^^ости™ ScX^ ^^ распыления воз- (эВ), соответствующая максимуму %? УМеНЬШается- Энергия
(Н.5)(Н.5)^=0,3//=-.
(Н.5)
(Н.5)
Максимальное значение коэффициента распыления
(И.6)(И.6)*xmax рн/ •
(И.6)
(И.6)
Пример 1. Рассчитать коэффициент распыления золота ионами криптона с энергией 3 кэВ.
Пользуясь справочниками, запишем табличные данные: 2; = 36, Afi = 54, Z2=79, Al2=197, Af2 = 5,91.1022 cm-3, £, = 3,92 эВ.
Рассчитаем вспомогательные величины:
4,7-10-94,7-10-9
* = (2^'4СМ’
оа = ла2 = 3,14 (8,68■ 10-Ю)2 = 2,366• 10-1 s см2,
6,9.106дМ26,9-106.8,68-10 -10.197.£ 1
~ Z^tAl!+А42) ~36-79(54 + 197)= 1,65-10 6 ^ ,
z23* = z2- 14=79—14 = 65.
Определим значение коэффициента Ко:
L\18-^О-1^-18)^3.^^L\18-^О-1^-18)^3.^^2л —— 182л —— 18KQ = 1,3-10-io/i^ р + 0,25 sin ; Z 2л ^Д^- + — \1 -
L\18
-^О-1^-18)^3.^^
L\18
-^О-1^-18)^3.^^
2л —— 18
2л —— 18
- / J
-4,65-10-12(36— 18) = 9,19-10-ю см.
Найдем максимальный коэффициент распыления:
KaN^a 9,19.10-12.5,91.1022.2,366-10-18
/Стах =: = =19,8 ат/ион.
ах FES1,65-10-6.3,92
Определим энергию, соответствующую /Стах:
Ем = 0,3/£ = 0,3/(1,65-10-6) = 1,82-105 эВ.
Находим значение К при £=3-103 эВ:
2(£/£M)V219,8-2/3-103/(1,82^ 105)
К = /Стах =1 = 5 ат/ион.
х 1 +£/£м1 +3.103/(1,82-105)
Зависимость коэффициента распыления от угла падения ионов.Распыление изотропных веществ подчиняется закону косинуса: .
К (1а'>=К (O)/cos а,
где К (0) — коэффициент распыления при нормальном падении иона на поверхность мишени, при а=0 (а — угол падения ионов относительно нормали к поверхности). На рис. 11.3 показана зависимость К (а) для случая распыления ионами Аг мишеней из 240
Рис. 11.3. Зависимость К от угла падения пучка ионовРис. 11.3. Зависимость К от угла падения пучка ионов
Рис. 11.3. Зависимость К от угла падения пучка ионов
Рис. 11.3. Зависимость К от угла падения пучка ионов
Al, Ti, Та и Ag. При нормальном падении коэффициент распыления пропорционален энергии, рассеиваемой ионом в поверхностном слое вещества, в пределах которого упругие столкновения с атомами приводят к распылению. С увеличением угла падения число смещенных атомов, достигающих поверхности и могущих покинуть кристалл, увеличивается, так как области смещений располагаются под малым углом к поверхности. Из геометрических рас- суждений следует, что число распыленных атомов возрастает в 1/cosa раз.
Увеличение а от 60 до 90° приводит к падению К до нуля вследствие преобладания отражения ионов от поверхности. Значение угла, при котором наблюдается максимум коэффициента распыления, зависит от типа иона, материала мишени и энергии:
л, /SogN^Z^ER .2 ~ у Е ^3 + Zip)
где Er= 13,6 эВ — энергия Ридберга.
Угловые зависимости коэффициента распыления одинаковы для поликристаллов и монокристаллов, так как при бомбардировке образуется большое число радиационных нарушений. Если при распылении монокристаллов происходит отжиг образующихся нарушений, то наблюдается сложная зависимость К (а), обусловленная анизотропией распыления по различным кристаллографическим направлениям. При температурах до 400 К для Ge и 500 К для Si К не зависит от температуры вследствие наличия радиационных нарушений. С ростом температуры нарушения отжигаются и К возрастает до значения, характерного для соответствующей кристаллографической плоскости. Дальнейшее возрастание температуры приводит к уменьшению сечения смещения атомов вследствие возрастания амплитуды их теплового движения, и К уменьшается.
Технологические особенности ионно-плазменного распыления
Классификация процессов ионно-плазменного распыления. В полупроводниковой технологии широкое практическое применение получили две основные группы процессов ионно-плазменного распыления: ионное травление — распыление вещества под действием ионизированных атомов газа и плазмохимическое травление — уда-
ление вещества с помощью химических реакций, протекающих между ионами активного газа и данным веществом. Говоря об ионном распылении или травлении, различают ионно-лучевое травление, осуществляемое бомбардировкой образца пучком ускоренных ионов, сформированным в автономном ионном источнике, и собственно ионно-плазменное травление, при котором образец является одним из электродов в разрядной камере и бомбардируется ионами, вытягиваемыми из плазмы разряда. Плазмохимическое травление отличается от ионно-плазменного в основном применением химически активного газа, образующего при взаимодействии с распыляемым образцом летучие соединения.
Процессы ионно-плазменного травления применяют для обработки металлов, диэлектриков и полупроводников на этапах создания металлизации и межэлементной изоляции ИМС, для формирования окон в фоторезисте и диэлектрике, для очистки и выявления структуры поверхности монокристаллов.
Методы ионно-плазменного распыления позволяют наносить и синтезировать тонкопленочные покрытия из металлов и диэлектриков. В последнем случае особую важность имеет реакттгвное распыление, названное так в связи с протеканием химических реак- дий между распыленными атомами вещества и ионизированным гадом, в результате которых на подложке происходит осаждение химического соединения.
По методу создания и особенностям поддержания электрического разряда в камере выделяют высокочастотное распыление, при котором к мишени подводится напряжение высокой частоты, я магнетронное распыление, при котором плазма разряда находится в магнитном поле. По числу электродов, расположенных в рабочей камере распылительных систем, их делят на диодные, триодные, тетрадные и многоэлектродные.
Процессы сухой обработки. Методы ионно-плазменного распыления составляют основу так называемого «сухого» технологического процесса создания полупроводниковых структур ' и ИМС, позволяющего отказаться от традиционных процессов химической обработки в жидких кислотах, электролитах, растворителях. Жидкостное химическое травление с применением фотолитографических масок, являющееся главным методом обработки структур ИМС, имеет ряд недостатков. Подтравливание материала под маской из фоторезиста ограничивает точность передачи топологии микросхемы и разрешающую способность ее воспроизведения. Преимущественное травление вдоль границ зерен и микродефектов тонкопленочных материалов приводит к большой неровности краев микроизображекий. Необходимость тщательных промывок для удаления следов травителей требует введения дополнительных операций.
В отличие от жидкостного химического травления методы ионно-плазменного распыления обеспечивают такой режим, при котором ионы бомбардируют структуру перпендикулярно поверхности пластины, что исключает подтравливание под маской, обеспечивает 248
полупроводниковыхполупроводниковыхпараметрыпараметрыРис. для ления:Рис. для ления:/ — подложкодержатель; 2—анод: 3 — мишень с пластинами; 4 —-экран; 5— охлаждающая вода/ — подложкодержатель; 2—анод: 3 — мишень с пластинами; 4 —-экран; 5— охлаждающая вода11.4. Диодная ВЧ-система ионно-плазменного распы-11.4. Диодная ВЧ-система ионно-плазменного распы-содержит два электрода: за- на которую помещают обра-содержит два электрода: за- на которую помещают обра-
полупроводниковых
полупроводниковых
параметры
параметры
Рис. для ления:
Рис. для ления:
/ — подложкодержатель; 2—анод: 3 — мишень с пластинами; 4 —-экран; 5— охлаждающая вода
/ — подложкодержатель; 2—анод: 3 — мишень с пластинами; 4 —-экран; 5— охлаждающая вода
11.4. Диодная ВЧ-система ионно-плазменного распы-
11.4. Диодная ВЧ-система ионно-плазменного распы-
содержит два электрода: за- на которую помещают обра-
содержит два электрода: за- на которую помещают обра-
получение четких краев элементов ИМС, не требует высокой адгезии маскирующих материалов. После ионно-плазменного травления не нужны вспомогательные операции очистки, промывки и сушки обрабатываемых структур. К недостаткам методов ионноплазменного распыления относят сравнительно малую скорость процесса, явление «задубливания» фотолитографических масок вследствие воздействия энергии бомбардирующих их ионов, что вызывает значительные трудности при последующем удалении маски. Образующиеся радиационные повреждения могут влиять на
структур, в частности изменяют заряд в диоксиде кремния МОП-транзисторов.
Высокочастотное диодное распыление. Технологические возможности процессов ионно-плазменного распыления определяются конструктивны- ■ ми особенностями технологического оборудования. Конструкция установки, вид и параметры газового разряда задают скорость и разрешающую способность распыления, а также степень управляемости процесса. Наиболее широкое применение получили диодные ВЧ-системы и системы с автономными ионными источниками, позволяющие производить обработку любых материалов на большой площади.
Диодная ВЧ-система (рис. 11.4) земленный анод и мишень (катод), llu — - ,
батываемые пластины и подают напряжение от ВЧ-генератора. Диодная ВЧ-система позволяет производить распыление металлов, полупроводников, диэлектриков, органических покрытий. Промышленные ВЧ-генераторы, используемые в установках травления, работают на частотах 1,76; 5,28; 13,56 МГц. Давление рабочего газа 0,5—5 Па, мощность разряда 1—2 кВт, амплитуда ВЧ-напря- жения 0,8—4 кВ, радиус обрабатываемой мишени до 20 см, расстояние между . анодом и мишенью 4—8 см. При подаче на пластины ВЧ-напряжения из-за различия в скоростях электронов и ионов в разряде во время положительного полупериода на образцы приходит больше электронов, чем ионов во время отрицательного полупериода. Поэтому мишень имеет эффективный отрицательный заряд, что позволяет (в отличие от диодной системы на постоянном токе) производить распыление диэлектриков. При использовании постоянного тока положительный заряд на диэлектрике препятствует дальнейшей бомбардировке. В диодной системе мишень является не только электродом, поддерживающим
I y£ZZZZ№ZZ2ZA6I y£ZZZZ№ZZ2ZA6разряд, но и источником распыления. Такое совмещение функций ограничивает управляемость процессом плазменного травления, так как изменение скорости травления должно учитывать возможность поддержания разряда. Скорость распыления в этих системах обычно относят к плотности мощности ионного тока на мишень. В табл. 11.3 приведены значения скоростей травления некоторых материалов ионами аргона в диодной ВЧ-системе при плотности мощности 1,6 Вт/см2. Для осаждения тонких пленок из материала мишени в камеру помещают подложкодержатель, на который ие подается потенциал. Распыленные атомы мишени осаждаются на подложках, закрепленных на держателе, и образуют тонкую пленку. Скорость осаждения примерно равна скорости распыления мишени.
I y£ZZZZ№ZZ2ZA6
I y£ZZZZ№ZZ2ZA6
Рис. 11.5. Система распыления магнетронного типа с автономным ■источником ионов:/ — натекатель; 2 — термокатод; 3 — анод; 4 — электромагнит; 5 — заслонка;5— вращающаяся мишень с пластинамизагрязнение образцов за счетРис. 11.5. Система распыления магнетронного типа с автономным ■источником ионов:/ — натекатель; 2 — термокатод; 3 — анод; 4 — электромагнит; 5 — заслонка;5— вращающаяся мишень с пластинамизагрязнение образцов за счетИонное распыление. Системы ионного травления с автономными источниками ионов позволяют независимо регулировать энергию, поток ионов и угол их падения на мишень. Это обстоятельство и возможность вращения мишеней и образцов обеспечивают равномерность распыления и хорошую управляемость процессом. Разделение рабочей камеры и источника ионов позволяет повысить глубину вакуума и уменьшает распыления деталей конструкции,
Рис. 11.5. Система распыления магнетронного типа с автономным ■источником ионов:
/ — натекатель; 2 — термокатод; 3 — анод; 4 — электромагнит; 5 — заслонка;
5— вращающаяся мишень с пластинами
загрязнение образцов за счет
Рис. 11.5. Система распыления магнетронного типа с автономным ■источником ионов:
/ — натекатель; 2 — термокатод; 3 — анод; 4 — электромагнит; 5 — заслонка;
5— вращающаяся мишень с пластинами
загрязнение образцов за счет
лроисходящего в плазме газового разряда.
Схематическое изображение системы магнетронного типа с автономным источником ионов показано на рис. 11.5. При магнетронном травлении тонких пленок источник ионной плазмы содержит электромагнит или соленоид, что обеспечивает высокую плотность плазмы и большие скорости травления. Плотность ионного тока 0,5—30 мА/см2, энергия ускоренных ионов 50—3000 эВ. Поток ионов создается за счет ионизации рабочего газа электронами термоэмиссионного катода. Магнитное поле соленоида повышает вероятность ионизации и способствует нейтрализации положительного объемного заряда ионов. После загрузки пластин на подложкодержатель рабочий объем откачивают до давления 5-10—4 Па и устаналивают значение тока накала катода в пределах 20—30 А. В рабочий объем напускают аргон до давления 6—9-10~2 Па, подают на анод напряжение 200—300 В и устанавливают ток соленоида 1—1,5 А. Возбуждение плазмы газового разряда осуществляют кратковременной подачей высокочастотного напряжения. Рабочий режим ионного ис-
точника устанавливают, регулируя анодное напряжение, магнитное поле и давление аргона в камере.
Таблица 11.3
Вещество
А1
Au
Си
Ti
SiO2
AUO3
Фоторезист
■о, нм/с
0,2—0,25
0,3—1,5
0,11
0,07
0,20
0,03—0,08
0,12—0,5
По сравнению с диодными ВЧ-системами основным недостатком систем с автономными источниками ионов является малое сечение ионного пучка, что ограничивает площадь обработки. В табл. 11.4 приведены скорости распыления различных материалов в системе с автономным источником ионами аргона с ускоряющим напряжением 1 кВ при плотности ионного тока 1 мА/см2.
Таблица 11.4
Материал
А1
Au
Си
W
Ti
SiO2
ai2o3
Фоторезист
У, нм/с
0,8—1,3
2,7—3,6
1,8—2,0
0,3—0,4
0,3
0,6—1,1
0,2
0,6—1,0
Триодное распыление. Схема триодной системы для распыления показана на рис. 11.6 Она включает три независимо управляемых электрода: термокатод, анод и распыляемую мишень. По
достижении в камере вакуума ~ 10~4 Па разогревают термокатод и в камеру через натекатель подают инертный газ при давлении 0,05— 1 Па. Напряжение зажигания разряда между анодом и катодом составляет ~500 В. Функции катода и мишени здесь разделены, что позволяет управлять энергией ионов, изменяя напряжение на мишени. Положительные ионы инертного газа вытягиваются из плазмы разряда под действием отрицательного потенциала мишени и распыляют ее. На мишень можно подавать как по
Рис. 11.6. Триодная система распыления:Рис. 11.6. Триодная система распыления:/ — термокатод» 2 — подложки для осаждения пленок; 3— анод: 4 мишень с подложками для распыления, 5 — натекатель/ — термокатод» 2 — подложки для осаждения пленок; 3— анод: 4 мишень с подложками для распыления, 5 — натекательстоянное отрицательное напряжение для распыления проводящих материалов, так и ВЧ-напряжение для распыления диэлектриков. Эта система, как и диодная, может выпол-
Рис. 11.6. Триодная система распыления:
Рис. 11.6. Триодная система распыления:
/ — термокатод» 2 — подложки для осаждения пленок; 3— анод: 4 мишень с подложками для распыления, 5 — натекатель
/ — термокатод» 2 — подложки для осаждения пленок; 3— анод: 4 мишень с подложками для распыления, 5 — натекатель
нить два процесса — ионно-плазменное травление, если образец, помещен на мишень, и ионно-плазменное осаждение тонких пленок из материала мишени, если подложки для осаждения размещаются напротив мишени. Плотность тока на мишени в триодной системе составляет до 20 мА/см2, что позволяет получить высокие скорости распыления материалов (до 10 нм/с). Вследствие малого размера термокатода в триодной системе, трудно получить однородную плазму разряда, поэтому область равномерного травления образцов невелика. Кроме того, термокатод не позволяет использовать для травления активные газы.
Реактивное распыление. Распыление называют реактивным, если на подложке вследствие взаимодействия ионов газа и атомов распыляемого вещества образуется химическое соединение. Реактивное распыление применяют для нанесения покрытий из оксидов, нитридов, сульфидов, гидридов (например, из диоксида кремния, нитрида кремния, полутораоксида индия и др.). Тип химического соединения, получаемого в разряде, можно задавать путем подбора материала катода и газообразного вещества. Основное условие получения требуемого соединения состоит в тщательной очистке реагентов и отсутствии натекания и газовыделения в камере. Недостатком реактивного распыления является возможность образования соединений на катоде и в пролетном пространстве, что существенна уменьшает скорость роста конденсата. С помощью реактивного распыления создают пленки диоксида кремния на кремнии, германии, арсениде галлия. В качестве катода применяют пластину чистого кремния. Рабочий газ представляет собой смесь аргона с кислородом. Добавление аргона позволяет увеличить скорость распыления и препятствует образованию пленки SiO2 на катоде. Ионы кислорода на поверхности подложки взаимодействуют с конденсирующимися атомами кремния, в результате чего образуется пленка диоксида, позволяющая проводить планарный процесс на германии и арсениде галлия. Для аналогичных целей используют пленки нитрида кремния. Для их получения реактивным распылением в камеру напускают осушенный и очищенный от кислорода аргон с добавкой азота. Кремниевый катод бомбардируется ионами аргона и азота, которые выбивают атомы кремния. На подложке вследствие большой химической активности ионизированного азота возникает нитрид кремния Si3N4, отличающийся высокой химической стойкостью.
Плазмохимическое распыление. Плазмохймическое травление основано на создании плазмы фторсодержащих газов — фреонов (CF4, C3F8, C2F6), гексафторида серы SF6 и др. Ионы фтора, образующиеся в плазме разряда, обладают высокой активностью при взаимодействии с кремнием, диоксидом и нитридом кремния, молибденом, вольфрамом, титаном и др. В результате химического- взаимодействия образуются летучие соединения фтора, которые уносятся с потоком откачиваемых газов из вакуумной камеры. Так как в основе плазмохимического травления лежат химические реакции между атомами или молекулами обрабатываемых мате- 246
риалов и ионами химически активных газов или паров, то плаз- мохимическое травление обладает высокой селективностью и анизотропией.
Селективность травления определяется отношением скоростей травления двух сравниваемых материалов, которые при изготовлении структуры, как правило, располагаются один на другом (пленка SiO2 на Si, пленка А1 на пленке SiO2 и пр.). Высокой селективностью обладают F2, CF4+O2 и другие фторсодержащие смеси при травлении Si относительно SiO2, Si3N4, металлов и силицидов. Селективность травления кремния, покрытого пленкой диоксида, в плазме чистого фтора составляет usi: usio2=41 : 1, тогда как для защитной пленки нитрида, полученной в плазме, селективность меньше vsi: ustoNy”8 : 1.
Травление называют анизотропным, если материал тонкопленочного покрытия или подложки удаляется преимущественно вглубь от поверхности, а боковое подтравливание пренебрежимо мало. Анизотропия травления в значительной степени обусловлена бомбардировкой поверхности ускоренными ионами плазмы. Радиационные нарушения, возникающие в поверхностном слое, облегчают отрыв атомов вещества при последующем химическом взаимодействии с атомами фтора. Боковые стенки структуры частично экранируются маской от попадания ионов, поэтому травятся фтором с меньшей скоростью. Второй механизм анизотропного травления действует в том случае, если в плазме присутствуют радикалы, которые, адсорбируясь на боковой поверхности, образуют защитную пленку, препятствующую проникновению атомов фтора. Радикалы, адсорбированные на открытой поверхности, удаляются с нее под действием ионной бомбардировки.
Для получения плазмы фторсодержащих газов обычно используют высокочастотный разряд, так как это позволяет вынести электроды за пределы реакционной камеры и обеспечивает чистоту процесса травления — плазма не взаимодействует с ними. После создания в камере разрежения порядка 1—10 Па в нее напускают фреон. Давление поддерживают форвакуумной откачкой. Включают ВЧ-генератор, который создает плазму высокочастотного разряда, обеспечивающую травление. Для травления кремния используют смесь фреона CF4 с кислородом. Атомарный кислород не реагирует с фреоном, в плазме идут следующие реакции:
CF4-»CF3 + F
О2—>20 cf3+o^cof2+f COF2+O-CO2+F2
F2-2F
4F+Si-.SiF4
3F + Si-»SiF3
Избыток кислорода подавляет травление кремния вследствие связывания атомарного фюра:
f+o2-.fo2
F 4-FO2—*F24—О2
Травление кремния в этой смеси носит изотропный характер, при котором боковое подтравливание составляет примерно Vs от глубины травления. Для анизотропного травления применяют смесь СзРб+СЬ. В плазме происходят реакции
C2F6 >2CF3
Cl2—2С1
Si -|-л: Cl—*SiCl^ (травление),
CF3-|- C1-*CF3C1 (рекомбинация).
Реакция рекомбинации на поверхности Si происходит достаточно быстро, и хлор удаляется до того, как его воздействие на боковые стенки рельефа станет заметным, что и определяет анизотропность травления.
Травление пленок алюминия ведут в плазме
СС14—CCI3 + CI
ЗС14-А1-^А1С13 (травление),
С1ДСС13 ^СС14 (рекомбинация).
Травление идет анизотропно со скоростью ~100 нм/с при плотности мощности 0,4 Вт/см2. В табл. 11.5 приведены основные сочетания газов, используемых для травления в полупроводниковой технологии.
Таблица 11.5
Газ или смесьГаз или смесьСтравливаемый материалСтравливаемый материал
Газ или смесь
Газ или смесь
Стравливаемый материал
Стравливаемый материал
CF4+4-8% О2SiF4SF6CF4+10—48% Н2Не+3% CF4+0,5% О2С12+С50% О2c2ci2f4c3f8CF4+4-8% О2SiF4SF6CF4+10—48% Н2Не+3% CF4+0,5% О2С12+С50% О2c2ci2f4c3f8
CF4+4-8% О2
SiF4SF6CF4+10—48% Н2Не+3% CF4+0,5% О2
С12+С50% О2c2ci2f4c3f8
CF4+4-8% О2
SiF4SF6CF4+10—48% Н2Не+3% CF4+0,5% О2
С12+С50% О2c2ci2f4c3f8
Si, поликремний, SiO2, Si3N4,Мо, Та
Si, поликремний, Si3N4
Si
SiO2
Si3N4 над Si и SiO2
Al, SiO2CrAu
SiO2, электронорезистПММА
Фоторезисты
Применение плазмохимического травления позволяет полностью исключить из технологического цикла токсичные и агрессивные 248
кислоты и другие химические реагенты, вносящие загрязнения на поверхность подложки, а также избавиться от промывочных операций и сушки. Плазмохимическая обработка имеет высокую производительность и обладает лучшей точностью поддержания заданных размеров элементов, обеспечивает меньшую ширину линии по сравнению с химической обработкой. Особенно важно то, что плазмохимическое травление применимо для обработки фоторезистов, в том числе для удаления их с поверхности структур после завершения операции фотолитографии. Оно производится в кислородной плазме, в которой органический фоторезист фактически полностью сгорает без каких-либо остатков на поверхности. Травление тонких металлических покрытий предпочтительнее производить в плазме хлорсодержащих соединений, например четыреххлористого углерода (см. табл. 11.5).
Маски для травления микроструктур. Одно из основных применений процессов ионно-плазменного травления — создание топологического рельефа па полупроводниковой пластине, покрытой тонкими пленками различных материалов. Топологический рельеф получают с помощью предварительно сформированной на поверхности пластины защитной маски. Для качественной передачи- изображения с фотошаблона на подложку маска должна иметь угол наклона боковых стенок в «окнах», близкий к 90°, быть стойкой к воздействию ионной бомбардировки и иметь скорость распыления намного меньшую, чем ■ материалы на подложке. Отношение толщины маски к толщине распыляемого материала должно быть минимальным, что обеспечивает высокое разрешение маски, т. е. точность передачи размеров изображений. С уменьшением толщины маски ее. разрешение возрастает, так как при этом не так сильно сказывается влияние переосаждения. При малых толщинах маски существенно повышаются требования к ее стойкости к воздействию ионной бомбардировки. Критерием выбора толщины является соотношение коэффициентов распыления материала маски Км и подложки Кп. Через маску толщиной hM можно произвести травление подложки на глубину йп:
В качестве защитных тонкопленочных масок, применяемых при ионно-плазменном травлении, используют органические полимерные материалы: фоторезисты, электронорезисты и др., а также пленки металлов и диэлектриков. Скорость травления органических материалов обычно сравнима со скоростью травления материалов подложек, поэтому глубина травления подложки близка к толщине маски, однако /гм = 0,5ч-1,5 мкм. Наличие в камере химически активных газов (кислород, пары воды) ведет к сильному возрастанию Км, поэтому парциальные давления их не должны превышать 10"4 Па. Термостойкость органических масок невелика, что ограничивает плотность мощности ионного тока на мишени и не позволяет получать больших скоростей распыления без принудительного охлаждения мишени и подложек. Для неохлаждае-
мой мишени критическая мощность составляет 0,05 Вт/см2, для охлаждаемой — 0,5 Вт/см2, если образцы хорошо прижаты к мишени— до 1 Вт/см2. Ионная бомбардировка повышает стойкость органических масок к растворению в химических реагентах. Для решения проблемы удаления масок их делают тонкими, полностью распыляемыми за время травления, либо толстыми, чтобы ионы не воздействовали на них по всей толщине. Более кардинальный способ решения проблемы — удаление органической маски с помощью плазмохимического травления в кислородосодержащих Таблица 11.6 газовых смесях.
Маска
Ti
Сг
AI
Та
Менее требовательны к составу остаточной среды и воздействию ионной бомбардировки ме-
и, нм/с
0,026
0,022
0,068
0,08
таллические маски. Они выдерживают в 3—4 раза более высокие плотности мощности ионного то-
ка, что позволяет повысить скорость травления. В качестве металлических масок используют пленки Ti, Cr, V, Мо, Та, А1. Скорость травления их резко понижается при добавлении к инертному газу небольших количеств кислорода. Через такие маски можно проводить глубокое травление материалов, скорость травления которых незначительно уменьшается в присутствии кислорода (Si, SiO2, Si3N4, Си, Ag и др.) или совсем не уменьшается (Au, Pt, GaAs и др.).
В табл. 11.6 даны скорости травления масок в присутствии кислорода (Ро^Ю-2 Па) для ионов Ат при Е=1 кэВ и / = = 0,6 мА/см2.
Маска точно воспроизводит на подложке заданный рисунок только до определенного момента травления. Даже при вертикальных боковых стенках «окна» в маске верхние края этих окон имеют некоторый скос. Ионы бомбардируют эти края не под прямым углом. Это вызывает возрастание коэффициента распыления и ведет к образованию граней на боковых стенках окон маски. Дальнейшее возрастание скорости травления приводит к стравливанию маски и подтравливанию материала подложки (рис. 11.7, й).
При травлении углублений в подложке атомы распыляемого вещества движутся не только по нормали к поверхности, но и под малыми углами к ней. Встречая на своем пути выступы в маске или подложке, частицы распыляемого вещества осаждаются на этих боковых поверхностях — происходит процесс переосажде- ния (рис. 11.7, б). Переосаждение интенсифицируется с увеличением плотности элементов рельефа на поверхности образца. Наличие переосаждения часто ведет к замыканию соседних элементов ИМС, уменьшает скорость травления узких канавок.
Отражение ионов от боковых стенок маски при углах падения, больших максимальных, ведет к повышению скоростей распыления подложки около основания маски и вызывает изменение профиля в рельефе травления. Эффект отражения увеличивает поток бомбардирующих подложку ионов и образует у основания элемен-
тов канавку (рис. 11.7, в). Наличие этой канавки в многослойных покрытиях может привести к их замыканию. Для устранения
а)а)Рис. 11.7. Процессы подтравливаиия маски (а), переосаждеиия (б) и образования канавок (в)Рис. 11.7. Процессы подтравливаиия маски (а), переосаждеиия (б) и образования канавок (в)
а)
а)
Рис. 11.7. Процессы подтравливаиия маски (а), переосаждеиия (б) и образования канавок (в)
Рис. 11.7. Процессы подтравливаиия маски (а), переосаждеиия (б) и образования канавок (в)
эффекта отражения ионов используют наклон и вращение подлож- кодержателей относительно направления падения пучка ионов порядка 20—30°.
Изготовление межэлементных соединений и контактов
Соединительная металлизация. Одно из важнейших применений напылительно-распылительны.х процессов — это создание металлических токопроводящих шин между электродами элементов ИМС и контактных площадок. Соединительные шины в ИМС принято называть межэлементными соединениями или межсоединениями. Занимаемая ими площадь сравнима (а иногда превышает) с площадью активных и пассивных элементов. Требования к способу металлизации можно определить, исходя из заданных электрических параметров, процента выхода годных изделий, надежности, простоты изготовления и стоимости. Каждый из указанных факторов в свою очередь зависит от трех самостоятельных требований, предъявляемых к системам металлизации в кремниевых ИМС. Система металлизации кремниевых электродов активных и пассивных элементов Микросхемы должна обеспечивать низкое сопротивленйе контакта. Металл должен обладать хорошим сцеплением с диэлектриком, допускать разделение пленки на очень узкие полоски (высокое разрешение) и должен быть металлургически совместимым со сплавами, которые применяются для присоединения внешних выводов.
Типичная последовательность операций при изготовлении ИМС такая: напыление металла, нанесение на полученную пленку с помощью фотолитографии требуемого рисунка и термообработка или вжигание для образования низкоомных контактов к кремнию. При изготовлении многослойной структуры полупроводниковые пластины подвергают дополнительным операциям: нанесение диэлектрика, фотолитографическая обработка с целью образования окон в диэлектрике там, где требуется контакт к нижней
металлической плёнке, осаждение второго слоя металла и нанесение рисунка на нега
Алюминиевые межсоединения. Наиболее широкое применение при изготовлении межэлементных соединений в кремниевых ИМС получила технология металлизации алюминием. Использование алюминия дает многие преимущества. Алюминий позволяет изготовить ИМС с металлизацией лишь одним металлом, что значительно упрощает технологию. Его испарение в вакууме — наиболее отработанный и легко осуществляемый процесс. Алюминий обладает хорошей адгезией к оксидам. Пленки алюминия легка обрабатываются методами фотолитографии для получения межэлементных соединений необходимой конфигурации. Испарение алюминия производят из тиглей с косвенным подогревом или с помощью электронного луча. В интегральных микросхемах пленки алюминия имеют толщину ~ 1 мкм. В многослойных структурах со многими уровнями металлизации первый слой металла часта делают более тонким.
Пленки, нанесенные на аморфную поверхность диоксида кремния, выращенного термическим оксидированием, являются поли- кристаллическими. Они имеют зеркально-гладкую поверхность, однако под действием повышенных температур последующих технологических процессов происходит рост кристаллитов и поверхность становится шероховатой. Удельное сопротивление пленки А1 толщиной 1 мкм составляет 3-10—6 Ом-см и на 10—20% превышает удельное сопротивление чистого алюминия. Пленки алюминия на оксидированных пластинах кремния при комнатных температурах обычно находятся под действием растягивающих напряжений порядка (14-2) -105 Н/см2.
Создание определенного рисунка производится методом фотолитографии. В серийных ИМС ширина линий и зазоров между ними составляет 5—10 мкм. В СБИС эти размеры на порядок меньше. После получения нужного рисунка алюминиевое покрытие подвергают термообработке для получения низкоомного контакта к кремнию. Режим отжига составляет несколько минут при 550°С. Эта температура ниже температуры появления жидкой фазы в системе А1 — Si. Операция вжигания алюминия приводит к твердофазной реакции растворения Si в А1. Количество кремния, растворимого в алюминии, зависит от температуры и длительности термообработки и кристаллографической ориентации подложки. Растворение в направлении (111) происходит медленнее, чем в других направлениях. Чрезмерно высокая температура или отсутствие контроля процесса вжигания может привести к разрыву алюминия на ступеньках пленки диоксида вблизи контактных окон и площадок. Алюминий дает низкоомный контакт к кремнию с электропроводностью р- и н+-типа. Именно такие слои используются в интегральных микросхемах, изготовляемых как по биполярной, так и по МДП-технологии.
Использование алюминия имеет свои недостатки. Электродиффузия ионов алюминия происходит при плотностях токов мень- 252
ших, чем в других металлах, вследствие чего в пленках появляются - пустоты и образуются острые выступы, служащие причиной коротких замыканий в системах с несколькими уровнями металлизации. При одновременном использовании других металлов возможна гальваническая коррозия алюминия. Соединения алюминия с золотом хрупки, что уменьшает проводимость и приводит к повреждению пленок. Не решена проблема получения хорошего контакта между двумя пленками алюминия, а обычные методы пайки для крепления к ним выводов неприменимы. Если пленка алюминия покрыта диэлектриком, то при нагреве совместное действие собственных напряжений в диэлектрике и напряжений, обусловленных расширением алюминия, вызывает его растрескивание на краях металлических шин.
В случае подсоединения золотых проволочек к пленке алюминия методом термокомпрессии возможно образование интерметаллических соединений, если не выдерживать необходимый режим. Эти соединения со временем вызывают механическое повреждение контакта. При повышенных температурах алюминий взаимодействует с SiO2 и фосфорно-силикатным стеклом, что может приводить к разрушению тонких пленок, используемых в МОП- транзисторах. Несмотря на отмеченные недостатки, металлизация алюминием нашла повсеместное применение, так как она позволяет снизить стоимость и упростить технологический процесс, не ухудшая надежности и параметров микросхем.
Невыпрямляющие контакты. Невыпрямляющие контакты характеризуются сопротивлением и линейностью в рабочем диапазоне токов. Адгезия металлической пленки в значительной степени зависит от очистки поверхности полупроводника, метода нанесения металла и подогрева подложки.
Одним из основных способов уменьшения сопротивления контакта является сильное легирование поверхности полупроводника. Создание низкоомного контакта на кремнии при р^0,01 Ом-см представляет значительную трудность. Наиболее широкое распространение для планарных кремниевых приборов вследствие простоты и технологичности получил контакт из алюминия, описанный в предыдущем разделе. Сопротивление контакта на кремнии с электропроводностью п-типа на два порядка выше, чем на кремнии р-типа.
Для создания контактов на кремнии с электропроводностью п-типа применяют золото, напыляемое термическим испарением из молибденовой лодочки. Для улучшения адгезии золото наносят ионно-плазменным распылением. При изготовлении контактов к тонким диффузионным слоям толщина пленки Ап не превышает 20 нм. Пленку вжигают при 500°С, затем на нее осаждают слой серебра толщиной 0,5—1,5 мкм. Тугоплавкие металлы, имеющие сильное сродство с кислородом, обладают высокой адгезией к кремнию, диоксиду кремния и стеклообразным слоям. Адгезия тем больше, чем меньше радиус катиона. Титан, нанесенный на диоксид кремния, при нагреве до 400—500°С взаимодействует с
«им:
Ti-|-SiO2—>TiO2-|-Si
Образующийся диоксид титана обладает сравнительно хорошей проводимостью, и сопротивление контакта невелико. На воздухе титан быстро окисляется, что препятствует присоединению к пленке контакта электрического вывода. Поэтому сразу после нанесения Ti в той же вакуумной камере на него последовательно напыляют Au, Ag, Ni, препятствующие окислению. Испарение Ti производят с вольфрамовых спиралей, Ап и Ag — из молибденовой или танталовой лодочки. Чтобы титан не окислялся, давление в камере должно быть не выше КУ5 Па. Вместо Ti можно применять Nb, Та, V, Ст. Свойство Ti образовывать прочное сцепление с пленкой SiO2 используют при создании контактных площадок на диоксиде кремния. Активные области в ИМС часто составляют единицы квадратных микрометров. Сделать электрические выводы к ним методами термокомпрессии, сварки или пайки и не повредить р-ц-переход очень трудно. Поэтому создают контактную площадку, часть которой соединяется к активной областью прибора, а периферийная часть имеет большую площадь и располагается на диоксиде кремния. Контактные площадки выполняют с подслоем титана из Ti—Ni, Ti—Ag, Ti—Au или из чистого Al.
Малопроникающий контакт на кремнии получают последовательным напылением слоев хрома толщиной 100 нм и золота толщиной 300 нм. Структуру подвергают термообработке при 900°С, при которой происходит вжигание Сг в Si. Термическое испарение хрома и золота производят одновременно из одной молибденовой или танталовой лодочки. Хром сублимируется, поэтому вначале напыляется чистый хром, затем слой с переменным составом и сверху — слой чистого золота. Сцепление с кремнием хрома значительно выше, чем золота. Контакт с малым сопротивлением получают на сильнолегированном кремнии последовательным напылением Мо и Au. Молибден трудно поддается термическому испарению, поэтому применяют электронно-лучевой нагрев или ионно-плазменное распыление. Подложки нагревают до 300°С.
В производстве современных ИМС важное место занимают невыпрямляющие и выпрямляющие контакты на основе силицидов тугоплавких металлов типа MnSi,n. Их особенностью и достоинством является малая глубина проникновения в легированный слой при высокой адгезии и совершенстве омического перехода или перехода Шотки.
Глубина проникновения контакта соответствует толщине слоя кремния, реагирующего с металлом при формировании силицида. Количество кремния, пошедшего на образование силицида, определяется не только толщиной сформированной пленки, но и концентрацией кремния в силициде. С этой позиции формирование силицида, обедненного кремнием, типа M2Si предпочтительнее, чем обогащенного силицида типа AlSi2. Чем тоньше слой силицидобразующего металла М, тем меньше входит в него 254
кремния из подложки. Однако при слишком малой толщине металла образуется неравномерная или несплошная пленка силицида. Для формирования мелкого контакта на поверхность пластины кремния наносят слой сплава силицидобразующего металла и «разбавляющего» элемента, не взаимодействующего с кремнием при температуре образования силицида. В процессе термообработки атомы силицидобразующего металла экстрагируются из сплава и взаимодействуют с кремнием, формируя тонкий слой силицида. В качестве силицидобразующего компонента используют Pt или Pd, силициды которых образуются при Т х 200°С. В качестве «разбавляющего» элемента используют тугоплавкий металл, взаимодействующий с кремнием при Т^бОО’С (Сг, W, V, а также сам Si). В последнем случае сплав имеет состав Pdo,sSio,2 и реакция образования силицида имеет вид
Pd4Si + Si—2Pd2Si,
что уменьшает уход кремния из подложки и обеспечивает малую глубину проникновения контакта. При толщине пленки Pdo,sSio,2= = 40 нм толщина силицида палладия Pd2Si составляет 48 нм, а глубина проникновения ее в пластину кремния 8—10 нм. Для осаждения пленки Pdo,bSio,2 применяют метод многотигельного испарения с электронно-лучевым нагревом. Скорость осаждения Pd~0,9 нм/с, a Si ~ 0,3 нм/с. После напыления пленки пластину нагревают до 175—300СС, в процессе чего Pd мигрирует из аморфной пленки Pdo,sSio,2 к границе с кремнием, образуя там кристаллическую фазу Pd2Si.
.§ 11.5. Пассивные элементы интегральных микросхем
При изготовлении интегральных микросхем в качестве пассивных элементов широко используют тонкопленочные резисторы и конденсаторы. Большое щачение при изготовлении тонкопленочных элементов имеет выбор подложки. Основными материалами для подложек пленочных микросхем являются стеклокерамические: материалы-—ситалл и фотоситалл. В полупроводниковых микросхемах пассивные элементы создаются на пластине кремния.
Тонкопленочные резисторы. Тонкие резистивные пленки напыляют в вакууме на подложки и с помощью фотолитографии придают им вид полосок различной конфигурации, ограниченных с обоих концов контактными площадками. Тонкопленочные резисторы принято характеризовать поверхностным сопротивлением, определяемым, как и в случае диффузионных слоев, сопротивлением квадрата тонкопленочного материала, к двум противоположным сторонам которого подведены контактные выводы. Сопротивление пленки Р протяженностью I, сечением hw и удельным сопротивлением р
R = ^l!{hw)= R^lw,
где h — толщина пленки; Rs=plh— поверхностное сопротивление, Ом/D. Для квадрата l=w и R = RS, т. е. сопротивление не зависит от размера стороны квадрата и равно поверхностному сопро
тивлению.
квадратов и его сопротивление вквадратов и его сопротивление вРис. 11.8. Линейный (а) и зигзагообразный (б) резисторыРис. 11.8. Линейный (а) и зигзагообразный (б) резисторыСопротивление резистора зависит от его формы. Если длина резистора в 10 раз больше ширины, то это эквивалентно тому, что резистор составлен из десяти последовательно соединенных 10 раз больше поверхностного. Таким образом, один и тот же
квадратов и его сопротивление в
квадратов и его сопротивление в
Рис. 11.8. Линейный (а) и зигзагообразный (б) резисторы
Рис. 11.8. Линейный (а) и зигзагообразный (б) резисторы
номинал сопротивления можно получить при различных значе-
ниях I и w, если lfw = const. Минимальную длину и ширину резистора подсчитывают по заданному номиналу R, поверхностному сопротивлению, мощности рассеяния Р и допустимой мощности рассеяния Ёд:
iB^/PRsKPaR), l=VPR/(PaRs) или 1=wR/Rs.
Конфигурация резистивных элементов бывает линейной и зигзагообразной (рис. 11.8) в зависимости от номинала. При расчете номиналов зигзагообразных резисторов необходимо учитывать, что сопротивления угловых квадратов составляют 0,55 от сопротивлений квадратов, входящих в линейные ветви резистора. Материалы, используемые для получения резистивных пленок, должны обеспечивать широкий диапазон сопротивлений с низким ТК^ и высокой стабильностью во времени. Значения Rs и ТЮ? в сильной степени зависят от метода нанесения пленки, режима ее обработки и других технологических факторов. Удельное сопротивление пленки зависит от ее структуры и состава, которые изменяются при напылении и термообработке. При малых толщинах пленки ее свойства зависят от характера микронеровностей поверхности подложки. Могут наблюдаться нарушения непрерывности структуры пленки, что вызывает нестабильность сопротивления. Поэтому целесообразно использовать пленки такой толщины, при которой существенно сказываются ее объемные свойства. Металлические пленки толщиной около 1 нм независимо от природы металла имеют большое удельное сопротивление, которое экспоненциально уменьшается с увеличением толщины. Пленки таких толщин имеют нестабильные характеристики и практически не применяются. Для получения заведомо сплошных пленок необходимо, чтобы их толщины были не менее 0,1 мкм. Пленки тугоплавких металлов обладают более стабильными характеристиками и могут быть тонкими. Проводимость металлических пленок таких толщин высока, поэтому для резисторов используют не чистые металлы, а сплавы, сопротивление которых во много раз выше, например те, что представлены в табл. 11.7. Эти материалы 256
позволяют получать'поверхностные сопротивления в пределах 10—104 Ом/D. На практике применяют Rs = 100-4-300 Ом/D. Раз
брос номиналов резисторов во многом зависит от точности изго
товления микроизображения при фотолитографии, где для обычных
микросхем абсолютная погрешность составляет ~5 мкм. Желаемая
элементов. Если номинал то нужно 300 квадратов.элементов. Если номинал то нужно 300 квадратов.Рис. 11.9. Способы подгонки номиналов резисторов:Рис. 11.9. Способы подгонки номиналов резисторов:а — уменьшение ширины; б — увеличение длиныа — уменьшение ширины; б — увеличение длиныточность часто обусловливает размеры R = 90 кОм сделан при ^s=300 Ом/D, Если требуется точность 5%, то ширина линии не может быть сделана меньше 100 мкм, т. е. длина резистора будет 3 см, а площадь зигзагообразного резистора примерно равна удвоенной площади резистивного элемента, т. е. 0,06 см2. При точности 20% ширина линии может быть около 25 мкм, длина
элементов. Если номинал то нужно 300 квадратов.
элементов. Если номинал то нужно 300 квадратов.
Рис. 11.9. Способы подгонки номиналов резисторов:
Рис. 11.9. Способы подгонки номиналов резисторов:
а — уменьшение ширины; б — увеличение длины
а — уменьшение ширины; б — увеличение длины
резистора — около 7,5 мм, а площадь — около 3,75-10-3 см2. Если необходимо
получить резистор с высокой точностью— 1%, то номинал подгоняют путем анодирования или микрофрезерования. На рис. 11.9, а показан способ
подгонки сопротивлений пленочных ре
зисторов путем прорезания алмазным резцом или лучом лазера участка с расширенной поверхностью. На рис. 11.9,6 показан более грубый, но более доступный способ подгонки—путем последо
вательного удаления шунтирующих перемычек проводников и подключения дополнительных резистивных участков. Оба способа ведут к увеличению сопротивления резистора.
Таблица 11.7
Наименование
Состав
Re, Ом/П
TKR • 10s.
K-1
Нихром
Nix + CrL_x
10—400
50-500
Нитрид тантала
TaN
50—500
100
Керметы
С-Гх + (Si О) i—х
300—104
100
Металлосилициды
Cr,x + Sii-x
IO2—104
50—250
Температурные характеристики пленочных резисторов зависят от толщины. Толстые пленки имеют положительный ТК7?, как и у объемных материалов. Тонкие пленки имеют тенденцию к отрицательному ТК7?. Если /?5<100 Ом/D, то ТКЛ = (0-4-200) • 10-6К-1, если 7?s>250 Ом/D, то TKJ?=(—300-4-0) • 10~6К-1. Отрицательный ТКУ?, имеющий место у тонких пленок, обычно обусловлен присутствием в пленке полупроводящих оксидов или туннелированием электронов между гранулами и границами зерен вещества.
Тонкопленочные конденсаторы. На рис. 11.10 приведена структура тонкопленочного конденсатора. При его изготовлении ис- 9—210 257
пользуют три напылительных процесса для получения металли- Я ческих обкладок и дсщлектрической пленки. Удельная емкость я С (Ф/см2) плоского конденсатораЯ
С=8,86- 10~14г/h,I
где е — диэлектрическая проницаемость; h — толщина слоя диэлек- ] трика,см.1
Точность обеспечения нс определяется точностью, сТочность обеспечения нс определяется точностью, слинала тонкопленочного конденсатора]
Точность обеспечения нс определяется точностью, с
Точность обеспечения нс определяется точностью, с
которой может быть сформирован диэлектрический слой,и точностью<
Рис. 11.10. Структура тонкопленочного конденсатораРис. 11.10. Структура тонкопленочного конденсаторазадания конфигурации.Управление]
Рис. 11.10. Структура тонкопленочного конденсатора
Рис. 11.10. Структура тонкопленочного конденсатора
толщиной и диэлектрической проницаемостью— достаточно сложная задача: допуск по ним составляет ±15% и допуск на номинал равен ; ±20%. Ошибка за счет маски суще- ' ственна при С<100 пФ, поэтому на ; такие конденсаторы допуск задается ; до ±30%. Удельные емкости лежат ' в пределах 2—40-10—4 пФ/см2, что ‘ практически достаточно. Конденса- ■ тор в 104 пФ имеет размер 2,5Х
Х2 5мм. ТКС обычно положителен и близок к значению 250Х ХЮ-6 к-1.
Основное различие между дискретными и тонкопленочными конденсаторами заключается в значении тангенса угла диэлектрических потерь. Потери в тонкопленочных конденсаторах почти ; полностью определяются последовательным сопротивлением обкладок конденсатора — от нескольких ом при большой емкости до нескольких сотен ом при малой. Поэтому получить малые значения потерь достаточно сложно.
Напряжение пробоя ограничивается 10—20 В, в лучшем случае оно может доходить до 100 В. Электрическая прочность пленок ослаблена вследствие наличия сквозных пор и других дефектов. , Поэтому диэлектрические пленки толщиной менее 15 нм непригодны i для конденсаторов, а линейная зависимость емкости и пробивного напряжения от толщины пленки справедлива при толщинах свыше ( 0,1 мкм.;
Основным элементом пленочного конденсатора, определяющим ’ его параметры и свойства, является диэлектрик. Наиболее часто для тонкопленочных конденсаторов в качестве диэлектрика используют монооксид кремния S1O. Температура плавления SiO составляет 2300°С. Испарение ведут из цилиндрического испарителя с отражателем, препятствующим пролету макрочастиц, ухудшающих однородность пленки. Оптимальная температура испаре- : ния близка к 1250°С, т. е. оксид кремния сублимируется — испаряется из твердой фазы со скоростью около 1 нм/с. Некоторое распространение получили конденсаторы на основе халькогенид- ' ных стекол. Температура испарения этих материалов невелика 258
(400—700°С), а диэлектрическая проницаемость для трехсернистой сурьмы достигает 20.
Оксиды ряда металлов (Та, Ti, Nb, Zr, Al и др.) получают анодным окислением. Наиболее употребительны пленки пентаоксида тантала Та2О5. Вначале на подложку осаждают пленку тантала, а затем, получив с помощью фотолитографии нужную кон-
Рис. 11.11. Корректировка номиналов конденсаторов для уменьшения (а) и увеличения (б) емкостиРис. 11.11. Корректировка номиналов конденсаторов для уменьшения (а) и увеличения (б) емкости^zzzzzzzzzzzzzzM^zzzzzzzzzzzzzzM
Рис. 11.11. Корректировка номиналов конденсаторов для уменьшения (а) и увеличения (б) емкости
Рис. 11.11. Корректировка номиналов конденсаторов для уменьшения (а) и увеличения (б) емкости
^zzzzzzzzzzzzzzM
^zzzzzzzzzzzzzzM
фигурацию элементов, производят оксидирование. Конденсаторы на основе анодированного алюминия, несмотря на небольшую диэлектрическую проницаемость (8—9), отличаются высокой воспроизводимостью и простотой изготовления пленок алюминия и стабильностью пленок оксида алюминия. Высокая проводимость алюминиевых обкладок позволяет создавать высокочастотные конденсаторы. Алюминиевые обкладки используют и в других типах конденсаторов со многими диэлектриками.
Для обеспечения максимальной добротности тонкопленочных конденсаторов длину выводов от обкладок необходимо сокращать до минимума, а толщину увеличивать, чтобы их сопротивление оыло минимальным. При изготовлении прецизионных конденсаторов производят корректировку номинала с помощью секционирования-введения дополнительных участков на верхней обкладке конденсатора (рис. 11.11, а). Отсоединение дополнительной сек- иии уменьшает емкость и позволяет достигнуть желаемого номинала. Отсоединение осуществляют скрайбированием алмазным резцом либо выжиганием электронным или лазерным лучом. Для увеличения емкости используют несколько не связанных между собой секции (рис. 11.11, б), которые подсоединяют параллельно друг другу. Характеристики пленочных конденсаторов с рядом диэлектриков и обкладками из алюминия приведены в табл. 11.8.
Пассивные элементы СВЧ ИМС. Интегральные схемы СВЧ- диапазона изготовляют в гибридном исполнении на диэлектрических подложках из сапфира или алунда, на которых формируют пассивные элементы. ГИС СВЧ-диапазона охватывают область частот 1 15 ГГц и могут быть с распределенными и сосредоточенными параметрами. В схемах с распределенными параметрами 9*
Таблица 11.8
Характеристика
SiO
SbiSs
TagOg
С, пФ/см2
0,1—2,0-104
1—2-Ю4
0,1—2-Ю5
ткс-ю6, к-1
60—500
200—300
8
5—6
18—21
tg6
0,002—0,02
0,004—0,01
0,01
Епроб-Ю"6, В/см
2—5
0,2—1
1 — 1,5
^Vpa6, В
15
4
10
широкое распространение получили микрополосковые линии передачи, показанные на рис. 11.12, а. Электрическое поле в микро- полосковой линии сосредоточено в основном в диэлектрической подложке с высоким значением е. Менее распространенные конструкции линий передачи — щелевая (рис. 11.12, б), копланарная (рис. 11.12, в) и копланарно-полосковая (рис. 11.12, г). Для соз-
Рис. 11.12. Типы волноводов, применяемых в СВЧ ИМС:
а — микрополосковый; б —щелевой; в — копланарный; г — копланарно-полоскорый
Дания микросхем с сосредоточенными параметрами необходимо, чтобы линейные размеры элементов были меньше длины волны в линии передачи. Этому условию сосредоточенные элементы отвечают на частотах до 20 ГГц. При более высоких частотах преобладают распределенные элементы, так как вследствие паразитных связей через тонкую подложку сосредоточенные элементы оказываются неразличимыми для СВЧ-сигналов.
При изготовлении сосредоточенных элементов СВЧ ИМС получили распространение планарные конденсаторы, индуктивности и нагрузочные резисторы. Некоторые структуры планарных конденсаторов, используемых в ГИС СВЧ, показаны на рис. 11.13. В структурах, представленных на рис. 11.13, а, б, в не используется диэлектрическая пленка; они обладают низкой емкостью (менее 1 пФ) и их применяют в схемах с высоким импедансом. В структурах, представленных на рис. 11.13, г, д, используется диэлектрическая пленка; их применяют для любых СВЧ-схем с низким импедансом и их емкость составляет 10—30 пФ.
Различные конфигурации планарных индуктивностей показаны на рис. 11.14. Кроме участка линии с высоким импедансом все конфигурации тонкопленочных индуктивностей позволяют получить высокие значения индуктивности на малой площади (0,5— 10 нГн). Для сосредоточенных элементов вследствие наличия 260
межсегментной емкости трудно добиться высоких значений индуктивности. В качестве нагрузочных используют тонкопленочные планарные резисторы, изготовленные в основном из пленок металлов, сплавов и керметов. Общей проблемой для большинства тонкопленочных резисторов является наличие паразитной емкости и распределенной индуктивности, так как резисторы расположены
Рис. 11.13. Типы планарных конденсаторов в СВЧ ИМС:Рис. 11.13. Типы планарных конденсаторов в СВЧ ИМС:-д)-д)
Рис. 11.13. Типы планарных конденсаторов в СВЧ ИМС:
Рис. 11.13. Типы планарных конденсаторов в СВЧ ИМС:
-д)
-д)
а —с боковой связью; б —с торцовой связью; в — гребенчатый; г —с торцовой связью и диэлектриком; д — с перекрытием
на диэлектрической подложке и имеют зигзагообразную форму. Это обусловливает зависимость сопротивления резистора от частоты на высоких частотах.
а)б)6)г) д)а)б)6)г) д)Рис. 11.14. Типы планарных индуктивностей в СВЧ ИМС:а — участок линии с высоким импедансом; б — меандровая линия; в — S-образная линия; г — прямоугольная спираль; б —круговая спиральРис. 11.14. Типы планарных индуктивностей в СВЧ ИМС:а — участок линии с высоким импедансом; б — меандровая линия; в — S-образная линия; г — прямоугольная спираль; б —круговая спираль
а)б)6)г) д)
а)б)6)г) д)
Рис. 11.14. Типы планарных индуктивностей в СВЧ ИМС:
а — участок линии с высоким импедансом; б — меандровая линия; в — S-образная линия; г — прямоугольная спираль; б —круговая спираль
Рис. 11.14. Типы планарных индуктивностей в СВЧ ИМС:
а — участок линии с высоким импедансом; б — меандровая линия; в — S-образная линия; г — прямоугольная спираль; б —круговая спираль
Важным конструктивно-технологическим параметром тонкопленочных СВЧ ИМС является тепловое сопротивление между резистивным элементом и подложкой. Для его уменьшения увеличивают поверхность резистивной пленки. Ширина резистора не должна заметно отличаться от ширины передающей линии, поэтому для снижения теплового сопротивления увеличивают длину резистора, а для поддержания нужного номинала изменяют поверхностное сопротивление.
Методы контроля тонких пленок
Проводящие, резистивные и диэлектрические пленки, осаждаемые на полупроводниковые и изолирующие подложки, при изготовлении пассивных элементов ИМС и полупроводниковых приборов контролируют, исследуя их структуру и измеряя толщину.
Контроль структуры пленок. Изучение структуры тонких пленок позволяет установить связь между физическими, свойствами пленок и условиями их осаждения. Распространенными методами контроля структуры поликристаллических и монокристалличе-
ских пленок являются электронная микроскопия, электронография и рентгенография. Эти же методы применяют при исследовании аморфных, пленок.
Метод электронной микроскопии чаще всего применяют, используя трансмиссионную (просвечивающую) микроскопию, что дает возможность контролировать пленки толщиной 10—100 нм. Для исследования изготовляют «реплику» — пленку, нанесенную на материал, который перед исследованием растворяют, оставляя одну тонкую пленку. Наблюдение структуры и дефектов пленки возможно благодаря амплитудному контрасту, который создается упруго и неупруго рассеянными электронами, прошедшими через пленку и лежащими за пределами апертуры микроскопа. Электроны, рассеянные на меньшие углы и испытавшие небольшие неупругие потери энергии, образуют светлопольное изображение. Темнопольное изображение получают при наклоне конденсорной электромагнитной линзы или путем перемещения апертурной диафрагмы до тех пор, пока дифрагированные пучки электронов не попадут в апертуру микроскопа. Благодаря высокой разрешающей способности (около 1 нм) серийные электронные микроскопы используют для стандартных структурных исследований тонких пленок. В аморфных пленках контролируют сплошность, зернистость, наличие пустот, включений инородных веществ и пр.
Вследствие большого поперечного сечения рассеяния электронов веществом для изучения тонких пленок хорошо подходит электронография. Электронный пучок направляют под очень малым углом к поверхности, по которой он «скользит» и отражается. Отраженные электроны образуют дифракционные картины, по которым судят о строении поверхностных слоев кристаллов и тонких пленок (наличие дефектов, напряжений, чужеродных атомов и др.). Аморфные пленки создают на электронограммах рассеянный диффузный фон и небольшое число широких колец. 11о- ликристаллические пленки образуют много сравнительно резких концентрических колец, расстояние между которыми удовлетворяет уравнению Вульфа — Брэгга:
k\=2a sin 9,
где k— порядок спектра, обычно Л=1; а — межплоскостное расстояние; 6 — угол падения и отражения пучка — угол Брэгга.
Если часть кольца отсутствует или имеет иную интенсивность, образуя симметричную картину, то поликристаллическая пленка текстурирована, т. е. кристаллики имеют предпочтительную ориентацию в одном или более кристаллографических направлениях. Монокристаллические пленки дают дифракционные картины, состоящие из отдельных рефлексов. Хорошо упорядоченные кристаллы образуют на электронограммах так называемые кикучи — линии, получающиеся в результате многократного рассеяния электронов. По диаметру колец судят о типе рассеивающих атомов, а по ширине интерференционного максимума — о размерах зерен, если они составляют от десятых долей до десятков нанометров.
Задачей рентгеновского структурного анализа является нахождение точных позиций атомов в элементарной ячейке, установление пространственной группы структур, распределение электронной плотности. Дифракция рентгеновских лучей дополняет дифракцию электронов при определении кристаллической структуры пленки. По уширению интерференционных линий можно определить размеры зерен от 5 до 120 нм, т. е. почти на порядок больше, чем с помощью электронографии. Рентгеновская эмиссионная спектроскопия позволяет установить элементный состав пленок при минимальной толщине около 10 нм.
Измерение толщины пленки. Определение толщины пленок представляет значительные методические трудности, так как плотность, удельное сопротивление, оптические свойства пленок и массивных образцов различаются. Поэтому измеренная каким-либо методом толщина будет эффективной, отличающейся от значения «истинной» толщины. Значения эффективных толщин пленки, полученные различными способами измерения, не совпадают. При выборе способа определения эффективной толщины слёдует ориентироваться на требования, связанные с использованием данной пленки. В интерферометрии имеет значение фазовый сдвиг и необходимо знать «интерферометрическую» толщину пленки. В тонкопленочных конденсаторах важно знать «емкостную» толщину пленки, определяющую удельную емкость. Рассмотрим ряд наиболее употребительных методов измерения толщины пленки.
Методы интерферометрии основаны на возникновении разности фаз луча света, отраженного от подложки и поверхности пленки. Перед измерением на образце получают так называемую ступеньку— резкую боковую границу пленки на подложке. Это достигается либо с помощью маскирования части подложки при осаждении пленки или распылении подложки, либо путем удаления осажденной пленки с участка подложки. Измерение толщины пленки производят на микроинтерференционном микроскопе типа МИИ-4. Для получения двух систем волн, исходящих из одной точки источника света, используют наклонную пластинку с полупрозрачным покрытием. Половину падающего на нее света пластинка отражает, половину пропускает, образуя две системы волн. Одна система волн падает на эталонное зеркало и, отражаясь от него, попадает на фокальную плоскость окуляра. Вторая попадает на исследуемую поверхность и, отражаясь от нее, также попадает на фокальную плоскость окуляра. В результате на фокальной плоскости окуляра наблюдаются интерференционные полосы. Разность хода интерферирующих лучей от центра поля к краям увеличивается. В точках поля, где разность хода равна кХ, получаются светлые полосы, где разность хода составляет (Л + Х/2)—темные полосы. Расстояние между полосами зависит от длины волны. Поэтому в белом свете полосы для разных длин волн не. совпадают друг с другом, за исключением нулевой полосы, определяющей ось симметрии интерференционной картины. Интерференционная картина в белом свете имеет следующий вид: в центре белая ахроматиче-
ская полоса, по обеим сторонам две черные полосы с цветными каймами, а дальше цветные полосы. Если на поверхности образца есть ступенька, то интерференционные полосы смещаются на величину, зависящую от высоты ступеньки. Измеряя расстояние между полосами L и сдвиг полос I, определяют высоту ступеньки (мкм):
H^TTljL,
где I и L отсчитывают в делениях круговой шкалы на микрометре микроскопа.
Точность измерения составляет 30 нм и до 3 нм на лучших интерферометрах. Данный метод применим только для непрозрачных пленок. Если пленка прозрачна, то на пленку и подложку в районе ступеньки осаждают непрозрачную хорошо отражающую металлическую пленку, например алюминия. Для уменьшения вносимой погрешности ее толщина должна быть много меньше толщины измеряемой пленки.
Для измерения толщины пленки из любого материала в процессе осаждения используют метод кварцевого резонатора. Частота колебаний f кварцевого кристалла с массой М линейно меняется с изменением массы осажденного материала пг. Сдвиг резонансной частоты
Д/=fm]M.
Зная плотность d и площадь S пленки, можно получить выражение для определения ее толщины:
Sd f
Выбор частоты / зависит от диапазона измеряемых толщин пленок. Для тонких пленок и большой чувствительности используют высокие частоты. Чувствительность кварцевого резонатора m/Af=10^ г/Гц. Применение радиотехнической аппаратуры при /=20 МГц позволяет определить сдвиг А/=20 Гц, что дает возможность измерять приращения массы около 10-9 г/см2 или 0,01— 0,1 нм толщины. Практически точность составляет 5—20 нм.
Глава 12
ПРОЦЕССЫ РАДИАЦИОННОЙ ОБРАБОТКИ
делением большого количества теплоты, и нетермические, происходящие без заметного нагрева образца. Термические процессы реализуются прежде всего лазерным излучением и реже импульсными пучками электронов или некогерентным светом. Нетермические процессы инициируются воздействием ускоренных ионов и электронов или у-излучением. Термическое воздействие состоит в совершении фазовых превращений (плавлении, испарении), тогда как нетермическое связано с образованием радиационных нарушений и стимуляцией химических реакций. Большинство процессов радиационной обработки основано на образовании в полупроводниковых структурах радиационных нарушений. По характеру технологического воздействия существует две группы процессов: контролируемое введение радиационных нарушений на стадии изготовления отдельных элементов структуры-, совершаемое локально с использованием различных масок, и управление электрическими параметрами готовых приборов, совершаемое после их герметизации или перед нею сплошными потоками быстрых частиц, облучающих весь прибор или структуру.
Для контроля радиационных дефектов, возникающих в кристаллах, используют такие методы, как обратное рассеяние ионов гелия, электронный парамагнитный резонанс и др.
Воздействие проникающей радиации на вещество
Процессы радиационной обработки основаны на воздействии потоков электронов, у-квантов, протонов, ускоренных ионов, реже нейтронов на полупроводниковые структуры или приборы. Особенности воздействия ускоренных ионов, включая протоны на структуры, были рассмотрены в гл. 10. Быстрые нейтроны образуют радиационные дефекты в основном в результате упругого взаимодействия с ядрами атомов веществ. При этом нейтрон передает ядру атома часть своей кинетической энергии, в результате чего ядро увлекает за собой электронную оболочку атома. Быстрое смещение атома в процессе отдачи может вызвать его ионизацию, если скорость смещения больше скорости орбитальных электронов. Таким образом, при нейтронной бомбардировке характер повреждений во многом схож с результатом воздействия протонов.
Взаимодействие ^-квантов с веществом осуществляется тремя механизмами: за счет фотоэффекта, эффекта Комптона и образования пар. Для большинства материалов с атомными массами 30—50 и энергиями квантов 0,1—10 МэВ преобладающим является эффект Комптона. В его основе лежит явление передачи энергии фотона электрону, в результате чего появляется электрон отдачи. Все три механизма вызывают образование электронов с энергиями, сравнимыми с энергией у-квантов. Поэтому у-облуче- ние приводит к бомбардировке вещества быстрыми электронами изнутри. Электроны с энергиями 10 кэВ—1 МэВ тормозятся в веществе, испытывая столкновения с ядрами атомов и электронами атомных оболочек. Основная часть энергии расходуется вслед-
ствие неупругих процессов рассеяния, вызывающих ионизацию атомов. Упругое рассеяние, связанное с кулоновским взаимодействием электрона с ядром атома, может приводить к смещению атомов из узлов. Как видно, роль быстрых электронов в процессах радиационной обработки является основной. Пробег электронов в веществе определяется их энергией Е (эВ) и плотностью вещества d (г/см3):
при £=10 кэВ : 1 МэВ
£ = 6,67 • 10~п£5/3/'/ см;
При £/> 1 МэВ
7?=(5,1 - Ю-7^ —0,26)/^ см.
Вторичные процессы при электронном облучении. В области встречи электронного пучка с веществом кинетическая энергия электронов при взаимодействии с атомами превращается в тепловую энергию или энергию возбуждения атомов и молекул. Часть электронов пучка отражается и рассеивается поверхностью. Вторичные процессы состоят в эмиссии вторичных электронов, появлении рентгеновского излучения и часто термоэмиссии электронов, так как в зоне действия пучка температура повышается.
Вторичные электроны эмиттируются с поверхности мишени с энергиями до 50 эВ. Ток вторичной эмиссии зависит от материала и структуры мишени, угла падения на ее поверхность и имеет тот же порядок, что и ток пучка. Эмиссия вторичных электронов и термоэмиссия практически не играют роли в балансе энергии, теряемая из-за них мощность не превышает 1 % мощности пучка. Отражение электронов в зоне действия пучка приводит к их рассеянию со спектром энергии,, простирающимся до энергии электронов в пучке. Доля отраженных электронов, их энергия и распределение в пространстве зависят от атомного номера элемента и угла падения пучка. При возрастании Z2 доля отраженных электронов достигает 40% при Z2 = 40 и 50% при Z2= 100. Для элементов с большими номерами более резко проявляется максимум энергии в спектре отраженных электронов, который смещается в область больших энергий. Из-за отражения электронов теряется значительная энергия пучка: для стали—-25%, для вольфрама — 38%. Отражение электронов тем сильнее, чем больше отклонение пучка от нормали к поверхности.
Рентгеновское излучение в интервале энергий до 0,5 МэВ распространяется в пространстве равномерно, его интенсивность не зависит от направления лучей и падает обратно пропорционально квадрату расстояния от источника излучения. При поглощении рентгеновского излучения веществом его интенсивность спадает экспоненциально. Коэффициент ослабления интенсивности
д=///0=ехр( — ;«),
где ц— коэффициент поглощения; х— толщина экрана или глубина проникновения.
При торможении электронов в веществе возникает тормозное и характеристическое излучение. Тормозное излучение имеет непрерывный спектр с широким максимумом и предельной энергией квантов hv = eU. Торможение электрона — это ускорение движения заряда. Согласно электромагнитной теории, оно должно сопровождаться возникновением электромагнитных колебаний, что и наблюдается. Характеристическое излучение состоит из отдельных линейчатых спектров, испускаемых атомами мишени. Электронный пучок, сталкиваясь с электронами внутренних оболочек атомов, выбивает их. Электроны из внешних оболочек переходят на свободные орбиты внутренних. Избыток потенциальной энергии электронов испускается в виде квантов рентгеновского излучения с фиксированной частотой. Частота излучения зависит от атомного номера элемента мишени. Энергетическая доля характеристического излучения в общем рентгеновском излучении пренебрежимо мала. Потери энергии электронного пучка на рентгеновское излучение не превышают 1%.
Влияние радиации на электрофизические свойства полупроводниковых материалов. Свойства реальных кристаллов (электро- и теплопроводность, диффузия и др.) связаны с присутствием атомных точечных дефектов. Поэтому изменение количества дефектов под действием проникающей радиации ведет к изменению основных электрофизических параметров полупроводниковых материалов и вызывает изменение электрических характеристик полупроводниковых приборов и микросхем. Типы радиационных нарушений и их влияние на основные свойства облучаемых кристаллов зависят от структуры решетки, строения энергетических зон, а также от природы и энергии бомбардирующих частиц. Радиационные нарушения вызывают образование ловушек рекомбинации, которые определяют изменение всех электрофизических параметров материалов. Радиационные дефекты вносят глубокие энергетические уровни в запрещенную зону полупроводника. Появление глубоких уровней обусловливает возрастание скорости объемной рекомбинации и соответствующее уменьшение времени жизни неравновесных носителей заряда т. Для различных видов проникающей радиации существует связь между изменением частоты рекомбинации v — величины, обратной времени жизни носителей,— и интегральным потоком облучения Ф:
Av = v — у0=/СтФ,
где v=l/r — частота рекомбинации после облучения; vo = 1/to—■ частота рекомбинации до облучения; Кт— коэффициент радиационного изменения времени жизни.
Коэффициент Кт зависит от концентрации основных носителей заряда, скорости введения ловушек рекомбинации, степени заполнения их электронами, сечений захвата электронов и дырок: Кт= =NRfC, где Кн=рФ— концентрация ловушек рекомбинации
^р — вероятность образования ловушек рекомбинации бомбардирующей частицей); f — вероятность того, что ловушка занята основными носителями заряда, зависящая от положения уровня Ферми и уровня ловушки; С=ои — постоянная захвата неосновного носителя (и — тепловая скорость носителя заряда). Глубокие энергетические уровни, вводимые проникающей радиацией, имеют донорный или акцепторный характер. Наличие таких уровней сопровождается захватом основных носителей заряда, что ведет к компенсации электропроводности. В кремнии зависимость удельного сопротивления от потока облучения имеет вид
Р = Роехр(/<рФ).
Коэффициент радиационного изменения удельного сопротивления
«О Ф
где п0 — значение концентрации основных носителей заряда в исходном полупроводниковом материале; Дп— изменение концентрации основных носителей вследствие захвата компенсирующими ловушками.
Существенно то, что на зависимость р(Ф) изменение подвижности носителей заряда оказывает незначительное влияние по сравнению с изменением концентрации.
Изменение электрофизических параметров полупроводниковых материалов под действием проникающей радиации позволяет направленно изменять электрические параметры приборов и микросхем: увеличивать быстродействие, стабильность параметров, стойкость к внешним воздействиям. Обработку ускоренными частицами или у-квантами производят в конце технологического маршрута изготовления прибора, что обусловлено большой проникающей способностью высокоэнергетического излучения, в первую очередь электронов и у-лучей. Поэтому воздействию радиации подвергают прибор в корпусе или готовую структуру с контактами и коммутацией перед процессом герметизации.
Тепловое воздействие электронных пучков. В тепловых процессах основную роль играет энергия электронного пучка, преобразуемая в теплоту. Рассеяние теплоты происходит за счет теплопроводности и излучения. При микросварке и микротермообработке преобладают потери теплоты вследствие теплопроводности. При плавлении и испарении, особенно тугоплавких материалов, потери теплоты в результате излучения могут значительно превосходить потери из-за теплопроводности. Мощность, поглощаемая в единице объема вещества, является функцией расстояния от поверхности, так как передача энергии по мере проникновения электронов в глубь вещества происходит неравномерно:
Р(х)=Ртах[1 -2,25(х/Р- 1/3)2],
4
гДе . /Этах = — 71Р5 —максимальное значение поглощаемой мощно-
сти, которое имеет место при расстоянии от поверхности х—Р/З (Г|— доля поглощенной мощности от поступающей на поверхность мишени мощности пучка;
Р = PjA=4W/( л/Э2)=Uj
— удельная поверхностная мощность; Р=Ш— мощность пучка при ускоряющем напряжении U и токе /; D— диаметр электронного пучка).
Радиационная литография
Одним из важнейших применений радиационной технологии являются новые литографические процессы: электронолитография, рентгенолитография и ионолитография.
Электронная литография. Для изготовления полупроводниковых приборов и интегральных микросхем широко используется контактная фотолитография и фотолитография с зазорами, которые не обеспечивают достаточно высокого уровня выхода годных структур. Успешно развивается проекционная фотолитография с сохранением масштаба фотошаблона. Существенным ограничением всех оптических систем литографии является то, что предельная разрешающая способность соответствует минимальной ширине изображаемого элемента 0,3—0,5 мкм. Возросшие требования к разрешающей способности при изготовлении СБИС обусловили развитие других систем литографии: электронно-лучевой, рентгеновской и ионно-лучевой.
Использование электронной оптики позволяет повысить разрешающую способность процесса литографии, так как длина волны электрона зависит от его энергии:
? h _1,24
Если U выражено в В, то X получают в нм. При изменении ускоряющего напряжения от 102 до 104 В длина волны изменяется от 0,1 до 0,01 нм. Практически с помощью электронолитографии получают элементы с минимальной шириной 0,2—1 мкм, а предельная ширина линии составляет 0,05 мкм. Достоинствами систем электронной литографии являются: практическое отсутствие дифракции, что обеспечивает высокую четкость изображения, значительно более высокая глубина резкости, чем у оптических систем, и, как следствие, большая площадь изображения с предельным разрешением.
Развиваются две системы электронолитографии — проекционная и сканирующая. Сканирующая используется в основном для изготовления рабочих и промежуточных шаблонов, применяемых для проекционной фотолитографии. Производительность сканирующих систем невелика, что затрудняет их использование для непосредственного экспонирования резиста на пластинах без применения шаблонов. Электронно-лучевые проекционные системы явля-
ются более производительными. Они аналогичны проекционной фотолитографии с сокращением масштаба, где вместо источника ультрафиолетового излучения используют электронные пучки большого диаметра.
При использовании сканирующей электронолитографии для непосредственного переноса изображения на полупроводниковую пластину минимально достижимые размеры определяются точностью совмещения. Совмещение производят с помощью маркерных знаков — вытравленных канавок в кремнии или металлической пленке. Вторичные электроны, эмиттированные под действием электронного пучка, регистрируются детектором. Если луч попадает на маркерный знак, то в детекторе появляется соответствующий сигнал, поступающий в ЭВМ. Используют два типа маркерных знаков: для вращения пластины и определения местоположения кристалла. Первые расположены диаметрально по периферии пластины и служат для установления положения пластины относительно предметного стола. Вторые размещены в углах каждого кристалла и необходимы для корректировки области сканирования. Точность совмещения такой системы 0,1 мкм, а время совмещения занимает 0,3—0,4 с.
В случае проекционной электронолитографии точность задания элементов определяется качеством изготовления шаблона, через который производят экспонирование. Шаблон изготовляют из пластины кремния диаметром 75 мм, на которой вначале вытравливают квадратный участок размером 40x40 мм до толщины кремния 3—5 мкм, а затем в этой тонкой кремниевой пленке травят микроизображения элементов ИМС. Помимо ограничений, присущих всем маскам подобного типа по конфигурации и сочетанию элементов, изготовление таких шаблонов весьма трудоемко и требует селективного травления.
Так как при изготовлении микросхем минимальные размеры необходимо передавать на очень ограниченном числе операций литографии, то широко используют гибридную литографию, сочетающую электронную и обычную оптическую, что технологичнее и производительнее.
Производительность процесса электронолитографии во многом определяется длительностью экспонирования резиста, поэтому чувствительность электронорезистов и их разрешение должны быть высокими: доза экспонирования — не более 0,8 мкКл/см2, разрешение— не хуже 0,5 мкм. В качестве электронорезистов применяют полиметилметакрилат, чувствительность которого составляет 300 мкКл/см2 при энергии электронов 20 кэВ, а также полихлор- метилстирол с чувствительностью 3 мкКл/см2.
Рентгеновская литография. Использование рентгеновского излучения позволяет повысить разрешение процесса литографии. Предел минимальной ширины линии рентгенолитографии оценивается в 10 нм. Практически получены линии шириной 20 нм, а на пластинах с резистом изготовляют изображения с разрешением до 0,1 мкм. В отличие от ультрафиолетовых лучей, поглощаемых 270
атомными группами полимерных цепей фоторезистов, рентгеновские лучи поглощаются целыми молекулами. При этом происходит инжекция электронов с внутренних оболочек атомов. Под действием этих электронов совершается химическое изменение полимерной пленки резиста, причем разрешающая способность резиста зависит от расстояния, которое проходит в ней электрон. Достоинством рентгенолитографии является то, что технологические установки для ее проведения дешевле и проще по конструкции, чем для электронно-лучевой.
В зависимости от размеров элементов ИМС, производительности и типа систем совмещения рентгеновская литография развивается по двум направлениям. Первое включает использование излучения с Л=0,4-4-1,3 нм в рентгеновских установках с вращающимся анодом, применение' относительно простых систем совмещения и достаточно чувствительных (~5 Дж/см3) негативных резистов, обеспечивающих разрешение 0,5 мкм и длительность экспонирования не более 1 мин. Эти системы применяют для изготовления ИМС с размерами элементов 0,5—1 мкм. При втором используются синхротронное излучение с л= 1-4-2,5 нм, более сложные системы совмещения, менее чувствительные, но обладающие высокой разрешающей способностью позитивные резисты, обеспечивающие изготовление многослойных структур с размерами элементов 0,05—0,5 мкм. Синхротронное излучение возникает от циркулирующих по замкнутой орбите релятивистских электронов в синхротроне или электронном накопительном кольце. Высокая ' интенсивность и малая расходимость синхротронного излучения обеспечивают хорошую передачу изображения. В качестве резиста используют полиметилметакрилат.
Широкое распространение получили системы первого типа. Источник рентгеновского излучения — мишень (анод) из Си, Al, Mo, Si, Rh, Pd, Ag — помещают в вакуумную камеру и бомбардируют потоком электронов. Длина волны характеристического излучения определяется материалом мишени и составляет 0,44, 0,54, 0,83, 1,33 нм для Pd, Mo, А1, Си соответственно. Камера имеет выходное окно, закрытое тонкой мембраной (~50 мкм) из бериллия, обеспечивающей однородность экспонирования подложек большого диаметра. Подложки помещают в камеру, заполненную Не при давлении 1 Па или атмосферном давлении, что повышает производительность. Расстояние от мишени до шаблона около 50 см. Шаблоны, через которые производят экспонирование, представляют собой несущее основание. Это, например, пластина из кремния или стекла, содержащая в центральной части мембрану — маску с микроизображениями, подобно шаблону для электронолитографии. Важным параметром мембраны является значение и характер механических напряжений в ней. В случае сжимающих напряжений мембрана стремится сжаться при стравливании кремния с обратной стороны пластины и провисает. В случае больших растягивающих напряжений мембрана очень хрупкая, поэтому в ней должны существовать умеренные растягивающие
напряжения, которые обеспечивают хорошее натяжение мембраны. Для этой цели применяют пленки нитрида кремния Si^Ny толщиной 1 мкм, осаждаемые на кремниевые пластины толщиной 400 мкм в плазме газового разряда, содержащей моносилан и аммиак. Пленки SixNy содержат растягивающие напряжения, равные 1—5 кН/см2. На пленку SUN» осаж- Au Si'x№ дают слой Ti толщиной ~5 нм, на ■■пк ■ ^ "■^■■■^ него — слой Ап толщиной ~20 нм. ^~Т ~ ~ ~\§iС помощью электронолитографии и
/\плазмохимического травления слоев
JSi3N4X=lTi—Au формируют топологический
Рис. 12.1. Сечение шаблона для рентгенолитографииРис. 12.1. Сечение шаблона для рентгенолитографиирисунок микросхемы. Затем гальва-
Рис. 12.1. Сечение шаблона для рентгенолитографии
Рис. 12.1. Сечение шаблона для рентгенолитографии
ническим методом наращивают слой Au до толщины 0,8 мкм. Этот слой
необходим для поглощения рентгеновского излучения. Затем с обратной стороны пластины по периферии наносят слой нитрида кремния Si3N4 толщиной 0,1 мкм и в кипящем 20—30%-ном растворе КОН ведут селективное травление кремния в центральной части пластины, вплоть до пленки Si^Ny. Сечение полученного шаблона показано на рис. 12.1. Пленка SixNy оптически прозрачна, и совмещение шаблона с микроизображениями на подложке производят традиционными оптическими способами. Зазор между шаблоном и подложкой составляет ~40 мкм.
Ионно-лучевая литография. С помощью ионных пучков выполняются различные операции для создания ИМС, в том числе экспонирование резистов при изготовлении шаблонов и обработке пластин. При использовании пучков протонов или других ионов исключаются проблемы, связанные с дифракцией в оптической фотолитографии или с диффузным рассеянием электронов в электро- нолптографии. Ионно-лучевая литография обеспечивает разрешающую способность не хуже 0,5 мкм, а минимальная ширина линии составляет 0,04 мкм. Для экспонирования требуются дозы облучения, во много раз меньшие, чем в электронной литографии. В отличие от рентгеновской литографии экспонирование ускоренными ионами позволяет избавиться от полутеневых искажений микроизображений, так как источники ионов обеспечивают хорошо коллимированные пучки.
Радиационно-стимулированная диффузия
Диффузия в полупроводниковых кристаллах осуществляется в основном при участии дефектов кристаллической решетки, в первую очередь вакансий, поэтому облучение кристалла, приводящее к образованию таких дефектов, сказывается на скорости диффузии. Диффузию примесей, ускоряемую воздействием излучений, называют радиационно-стимулированной диффузией (РСД). РСД относят к группе низкотемпературных методов введения примесей 272
в полупроводник, так как она совершается при температурах значительно более низких, чем обычная термическая диффузия.
Распределение концентрации примеси при РСД имеет вид
Z2
CU, /)=Соехр —exp U!L^ , где Со и Z)o—концентрация и коэффициент диффузии примеси на глубине x=La, на которой под действием проникающей радиации образуются неравновесные дефекты; U— диффузионная длина вакансий.
Обычно полная глубина диффузии x^Ld, поэтому Со является поверхностной концентрацией, которая определяется выражением
С — _ у,
0 ^лЮ0 ехр ( — х/£„)
где N— плотность атомов примеси, введенной в кристалл до начала РСД, ат/см2.
Закономерности РСД. Радиационно-стимулированная диффузия наиболее заметно проявляется при облучении легированных слоев быстрыми частицами и при имплантации примесных ионов в нагреваемые структуры. Тонкий легированный слой, полученный имплантацией либо диффузией, облучают потоком протонов, образующих точечные дефекты. Структуры нагреты до температуры, при которой термически равновесная диффузия незначительна, т. е. 600—900°С для кремния. Избыточные вакансии, генерируемые протонами, увеличивают скорость диффузионного перемещения примеси. Глубина диффузии в тех участках, которые находились под облучением, в несколько раз больше, чем в необлученных. Коэффициенты диффузии атомов В, Р, As в Si возрастают на несколько порядков при стимулирующем действии облучения (рис. 12.2). Вертикальной штриховой линией на рис. 12.2 отмечена температура 1000°С, при которой в кремнии становится заметной термическая диффузия. Горизонтальной штриховой линией отмечено значение £> = 1(Н4 см2/с, которое принимают коэффициенты диффузии бора и фосфора примерно при 1000°С. Как следует из рисунка, в диапазоне температур 500—1000°С коэффициент РСД во много раз больше 10-14, что указывает на возможность практического применения РСД.
Наблюдаются следующие закономерности. Если пробег быстрых частиц не превышает глубины легированного слоя, то профиль рас- пределецця концентрации примеси после РСД содержит сравнительно пологий начальный участок и резко спадает на глубине. Если пробег превышает глубину слоя, то образуется пологий профиль. Однако по мере его углубления на хвостовой части возникает резкий спад концентрации. Это указывает на то, что фронт диффузии примеси опережает область генерации неравновесных вакансий.
; 7 ~’5 ] ।; 1 i -JI—I—I—J™6 - В 10 H W.K; 7 ~’5 ] ।; 1 i -JI—I—I—J™6 - В 10 H W.KДругой вид процессов, при которых проявляется РСД, связан с имплантацией примесных ионов при повышенных температурах образца. Ускорение диффузии становится заметным при внедрении легирующих ионов в кремниевые пластины, нагретые свыше 300°С, и уверенно проявляется при температурах более 400°С. Определяющую роль в РСД диффузии избыточных вакансий показывает то, что энергия бомбардирующих ионов может быть не очень большой, например 1 кэВ. При бомбардировке кремния ионами фосфора в плазме тлеющего разряда, образованного из смеси водорода и 1 % фосфина, в течение 2 ч образуется слой с электропроводностью л-типа, глубина и поверхностная концентрация в котором возрастают от 0,5 мкм и 5-1018 см-3 при 715°С до 1,7 мкм и 7-1019 сдг3 при температуре пластин 920°С. При использовании смеси водорода и 1% диборана и нагреве до Г=810°С в течение 1 ч образуется слой с электропроводностью
; 7 ~’5 ] ।; 1 i -JI—I—I—J™
6 - В 10 H W.K
; 7 ~’5 ] ।; 1 i -JI—I—I—J™
6 - В 10 H W.K
Рнс. 12.2. Коэффициенты РСД ^тнпа глубиной 1,1 МКм^По данным . бора, фосфора, мышьяка в Si различных исследователей, диффузионная длина вакансий в кремнии составляет 0,04—0,3 мкм. В полупроводниковых соединениях РСД начинает проявляться при 150°С и уверенно, наблюдается при Г>200°С, причем в диапазоне 200—500сС концентрация электрически активной примеси и глубина ее проникновения слабо изменяются с температурой.
Технологическое применение РСД. Достоинством РСД является то, что низкие температуры ее проведения не вызывают перераспределения примесей в ранее легированных областях кристалла и не ведут к диссоциации полупроводниковых соединений. Процесс РСД хорошо совмещается с планарной технологией и для практической реализации во многих случаях не требует специального оборудования— он осуществляется на установках ионной имплантации при подогреве образцов. При этом глубина введения примеси оказывается больше, чем при обычной имплантации, а нарушения кристаллической структуры отсутствуют. Процесс РСД включает в себя все достоинства метода ионной имплантации, связанные с высокой контролируемостью и воспроизводимостью.
Основное применение РСД заключается в перераспределении легирующей примеси и управлении профилем ее распределения. Для формирования легированных областей в качестве источника используют легированные слои, полученные диффузионной загонкой или ионной имплантацией. Перераспределение примеси производят путем бомбардировки этих слоев ионами водорода, гелия, неона с энергиями 10—50 кэВ. При Г=800°С легированный слой углубляется до 2 мкм за 20—30 мин, доза облучения составляет 274
103 мкКл/см2. Использование РСД позволяет обеднять поверхностный слой кремния легирующей примесью, формируя таким образом в однородно легированной подложке аналог эпитаксиального слоя. Исходная кремниевая подложка равномерно легирована по всему объему фосфором с концентрацией ~ 1018 см-3 и сурьмой с концентрацией до 1016 см~3. Бомбардировка протонами с энергией 100—200 кэВ ведет к диффузии фосфора в пластину на глубину свыше 2 мкм. Атомы Sb, обладая на несколько порядков меньшим коэффициентом диффузии, не покидают своих мест. По
ББррРис. 12.3. Структура транзистора для биполярной ИМС, полученного с помощью РСДРис. 12.3. Структура транзистора для биполярной ИМС, полученного с помощью РСДверхность обедняется фосфором до концентрации 10’4—Ю15 см-3, а на глубине свыше 2 мкм—его концентрация возрастает до 2х X Ю18 см-3. В результате возникает псевдоэпитаксиальный слой, содержащий в качестве легирующей примеси сурьму с концентрацией Ю16 см-3, тогда как остальная часть пластины играет роль сильнолегированной подложки. Ана-
Б
Б
р
р
Рис. 12.3. Структура транзистора для биполярной ИМС, полученного с помощью РСД
Рис. 12.3. Структура транзистора для биполярной ИМС, полученного с помощью РСД
логично осуществляют подгонку
толщины эпитаксиального слоя. Например, слой с исходной толщиной 3,6 мкм после бомбардировки протонами при 800°С имел толщину 3,1 мкм.
В технологии изготовления ИМС большое значение приобретают совмещаемые процессы. РСД хорошо совместима с ионной имплантацией и ионно-плазменными процессами, что позволяет в одном технологическом цикле формировать области активных элементов, пассивные элементы, межэлементные соединения и изоляцию. На рис. 12.3 показана структура биполярного транзистора (элемента ИМС), изготовленная с применением РСД. Перед наращиванием эпитаксиального слоя в подложке с электропроводностью p-типа с помощью ионной имплантации был сформирован скрытый Ц+-СЛОЙ коллектора. Создание изолирующих областей р+-типа производят РСД акцепторной примеси из предварительно легированных участков с помощью бомбардировки прогонами при температуре около 700°С. При этом смещение границы изолирующей области за край маски пренебрежимо мало, что позволяет значительно уменьшить площадь, занимаемую разделительными областями, и значительно повысить плотность размещения элементов на кристалле. Вертикальная контактная п+-область к скрытому коллекторному слою также формируется с помощью протонной бомбардировки. Для маскирования необлучаемых поверхностей используют пленки диоксида кремния, молибдена, алюминия.
Контролируемое введение радиационных нарушений с помощью ионной имплантации
Метод ионной имплантации предоставляет большие возможности для радиационной технологии, ибо позволяет управлять количеством, типом и распределением радиационных нарушений. Введение радиационных дефектов используется для стимуляции электрической активности внедренных примесных атомов, прецизионной корректировки и создания высокоомных резисторов, разделительной изоляции элементов ИМС и цифрознаковых индикаторов, получения аморфизированных слоев для элементов памяти, геттерирова- ния нежелательных примесей, стабилизации поверхности раздела Si — SiO2, управления свойствами контакта металл — полупроводник и др.
Управление границей раздела кремний — диэлектрик. Нестабильность электрических свойств границы раздела кремний — диоксид в значительной степени связана с миграцией ионов натрия. Бомбардировка диоксида небольшими дозами тяжелых ионов вызывает образование в них дефектов, действующих как ловушки для ионов щелочных металлов. Ионы натрия, дрейфующие в оксидной пленке, попадают в область с высокой концентрацией радиационных дефектов и закрепляются там. Энергию ионов выбирают из условия их полного торможения в диоксиде. Дозы облучения составляют 1012—10!3 см-2. Бомбардировка производится ионами инертных газов, а также бора и фосфора. Отметим, что данный метод применим в основном для биполярной технологии, .так как требует большой толщины диоксида.
Другой процесс получил распространение для управления границей раздела кремний — диэлектрик в КНС-технологии. Недостатком гетероэпитаксиальных структур КНС является наличие несовершенного слоя Si вблизи границы раздела Si —А120з, содержащего повышенную концентрацию дефектов структуры. Для улучшения кристаллического совершенства этого слоя производят бомбардировку эпитаксиального слоя ионами неактивных примесей, чаще всего 28Si+. Энергию подбирают так, чтобы максимум разупорядочения приходился на границу А120з- Бомбардировку слоев кремния с ориентацией (100) и толщинами 0,15—0,65 мкм, выращенных на сапфире с ориентацией (1102), производят ионами Si с энергиями 170—450 кэВ и дозами (1,7-^2) -1015 см 2. При имплантации происходит аморфизация глубинных областей кремния, а поверхность остается кристаллической. В процессе последующего отжига кристаллический поверхностный слой служит затравкой при эпитаксиальной рекристаллизации, совершающейся в глубь слоя вплоть до границы Si — А12О3, что позволяет заметно улучшить кристаллическое совершенство пограничного слоя кремния.
Управление номиналом и TKR резисторов. Точность задания номинала полупроводникового резистора определяется рядом трудноконтролируемых факторов: состоянием диффузанта, газо- 276
вым потоком, точностью поддержания температуры и расхода газа при разгонке, состоянием поверхности полупроводйика и др. В результате даже использование метода ионной имплантации, обеспечивающего введение заданного количества примеси, не дает возможности добиться воспроизводимого задания номинала сопротивления с точностью выше чем + 10%. Для задания номинала с высокой точностью используют метод двойной ионной имплантации. Вначале создают резистивный слой. Пластину кремния облучают ионами бора, например с энергией 40 кэВ и дозой 103 мкКл/см2, и отжигают ее при 800°С в течение 30 мин. Вслед за измерением фактически полученного номинала резистора производят дополнительную имплантацию ионов бора с той же энергией, но без отжига. Доза облучения определяется на основании предварительно полученных экспериментальных данных. Ионы бора, внедряясь в резистивный слой, образуют в нем кластеры дефектов, действующие как компенсирующие центры, в результате чего сопротивление слоя возрастает и номинал резистора достигает требуемого значения. Так как отжиг кластеров совершается при температурах свыше 200°С, а рабочие температуры не превышают 150°С, то резисторы обладают высокой стабильностью.
Изменяя дозы первичного и вторичного облучений, можно управлять не только номиналом сопротивления, но и значением ТКД -Если для диффузионных резисторов ТКТ?= (0,05+5) X ХЮ-3 К"1, а для полученных ионной имплантацией ТКТ< = = (0,02+2) • 10-3 К~!, то для резисторов, полученных двойной ионной имплантацией, ТК/?= (0,01 + 1) • 10-3 К-'. Для диффузионных резисторов и резисторов, полученных традиционной имплантацией, рост сопротивления слоя сопровождается ростом ТК/?. Для резисторов с кластерами нарушений наблюдается обратная зависимость, обусловленная тем, что увеличение количества кластеров вызывает компенсацию носителей заряда. При повышении температуры возрастает рассеяние носителей заряда на тепловых колебаниях решетки, подвижность носителей заряда уменьшается и сопротивление слоя растет. Одновременно происходит освобождение носителей с глубоких ловушек, в результате чего сопротивление падает. Эти два конкурирующих процесса обусловливают низкие значения ТК₽ для больших номиналов сопротивлений резистивных слоев с кластерами радиационных нарушений.
Изоляция элементов ИМС. Дефекты, образующиеся при имплантации, создают глубокие уровни в запрещенной зоне, что вызывает сдвиг уровня Ферми к середине зоны. В широкозонных материалах, какими являются многие полупроводниковые соединения, это приводит к появлению области с низкой проводимостью. Эти области используют для разделительной изоляции элементов интегральных микросхем. Полупроводниковые соединения облучают протонами или ионами инертных газов с высокими энергиями. В качестве защитной маски используют пленки фоторезиста толщиной около 5 мкм или тяжелых металлов с высокой тормозной способностью. Дозы облучения составляют 1014—1016 см"2. При
облучении арсенида галлия и его твердых растворов протонам*™ 100 кэВ толщина изолирующего слоя составляет около 1 мкм. ■ Процесс геттерирования. Отжиг аморфизированного с помощью™ ионной имплантации полупроводника сопровождается генерацие^Я дислокаций, дислокационных петель и сеток, которые захватывав ют быстродиффундирующие атомы железа, никеля, кобальта, зо-™ лота, меди. Скорость геттерирования атомов нарушенным слоем™ зависит от типа примеси. Плотность осажденных атомов тем выше,Я чем выше растворимость и скорость диффузии примесных атомов™ в кристалле. Эффективность геттерирования зависит от типа иона™ и дозы облучения. Облучение кристалла с дозой, равной дозе™ аморфизации, оказывается недостаточным для хорошего геттери-™ рования. Для геттерирования требуется определенное количество™ аморфизированного материала. Приближенной мерой такого' коли- ■ чества служит критическая плотность энергии, поглощенной ре-Я шеткой вследствие ядерного торможения иона:Я
Е ЕЯ
Значение Еп находят по формуле (10.11).Я
Сопоставляя значения Еа для различных ионов и энергий, мож- Я
но предсказать эффективность этих ионов для создания геттери- Я рующего слоя. Наибольшей эффективностью обладают слои крем- Я ния, облученные большими дозами аргона. При температурах от- Я жига свыше 1000°С эффективность геттерирования с их помощью Я не уступает эффективности геттерирования с помощью вводимого Я диффузией фосфора. При температурах ниже 1000°С повреждение Я кремния аргоном обеспечивает в четыре раза более эффективное Я геттерирование, чем диффузия фосфора. Повреждение ионами Я мышьяка оказывает слабое геттерирующее действие. При темпе- Я ратурах до 1000°С эффективность геттерирования атомов золота Я слоями кремния, поврежденными различными ионами с дозой Я 1016 см"2, зависит от типа иона следующим образом: Аг+^О+> Я >P+>Si+>As+^B+.Я
Процесс геттерирования используют при эпитаксиальном нара- Я щиваиии для уменьшения образования дефектов упаковки, особей- Я но в тех случаях, когда эпитаксиальный слой выращивают над Я скрытым сильнолегированным слоем коллектора. После образова- Я ния скрытого слоя с помощью имплантации ионов мышьяка пла- Я стину кремния бомбардируют с обратной стороны ионами аргона • Я с энергией 100 кэВ и дозой свыше 2-Ю14 см"2, соответствующей Я дозе аморфизации кремния аргоном. Толщина эпитаксиального Я слоя при последующем его наращивании составляет 3 мкм. Умень- Я шение плотности дефектов упаковки, обусловленное удалением Я из скрытого слоя чужеродных атомов, позволяет изготовить тран- Я зисторы с толщиной базовой области 0,1 мкм, глубиной залегания Я эмиттерного перехода 0,2 мкм и предельной частотой 1т = 6-у7 ГГц. Я
Ускорение травления. После бомбардировки кристалла уско- Я ренными частицами образуется неупорядоченная структура, со- Я держащая многочисленные оборванные связи, что способствует Я 278■
увеличению скорости травления как в жидких химических травителях, так и при использовании плазмохимического или ионноплазменного травления. На рис. 12.4 показана зависимость ускоренного травления пленки SiO2 толщиной 1,1 мкм, выращенной термическим оксидированием кремния, от дозы облучения ионами П с энергией 75 кэВ. Ускорение проявляется при дозах свыше 10*5 см-’ и достигает насыщения при дозе 2-Ю16 см-2 на уровне
Рис. 12.4. Ускоренное травление пленки SiOa при облучении ионами Н2+Рис. 12.4. Ускоренное травление пленки SiOa при облучении ионами Н2+/=Уобл/Унеобл = 5. Для ионов Не+ насыщение происходит при дозе ~1015 см-2 при том' же Д Облучение электронами приводит к насыщению при 5-Ю18 см-2 на уровне f=34-4. Ускоренное травление используют для создания рельефа в пленках SiOz, Si3N4 и на кремнии. Одним из примеров практического использования ускоренного травления пленок SiO2 является создание пологого края в контактных окнах планарных структур. При ступенчатой форме края окна пленка алюминия, применяемая для металли-
Рис. 12.4. Ускоренное травление пленки SiOa при облучении ионами Н2+
Рис. 12.4. Ускоренное травление пленки SiOa при облучении ионами Н2+
зацпи, утоньшается на границе и может обрываться при термоциклирова
нии. Имплантация в окна, ограниченные фоторезистом как маской, ионов Ar+, As+, В+ с энергиями до 200 кэВ позволяет при последую
щем травлении пленки во фреоновой плазме получить окно с пологим краем. Угол клина уменьшается до 30° и даже до 10° с ростом дозы облучения ионами As+ от 1012 до 1016 см-2 при толщине пленок SiO2 и Si3N4 около 0,4 мкм.
Модификация свойств феррогранатов. Одним из новых типов интегральных микросхем являются СБИС ЗУ большой информационной емкости, основанные на феррогранатовых эпитаксиаль
ных структурах, содержащих цилиндрические магнитные домены (ЦМД). Цилиндрические магнитные домены образуются в тонких слоях феррогранатов, в которых ось легкого намагничивания перпендикулярна поверхности. Направление собственного намагничивания ЦМД противоположно направлению намагниченности окружающего материала. Ионная имплантация феррогранатов с целью введения в них радиационных нарушений широко применяется для модификации магнитных свойств, например изменения поля разрушения (поля коллапса) ЦМД, для подавления твердых цилиндрических доменов (ТЦД), а также для создания ионно-имплантированных структур продвижения. Облучение феррогранатового слоя ускоренными ионами изменяет магнитную анизотропию кристалла. Повреждения, возникающие вследствие ионной имплантации, вызывают расширение кристаллической решетки. В направлении, параллельном поверхности слоя, расширению препятствуют окружающая область необлученного кристалла и нижележащий слой, поэтому в нарушенной области возникает сжимающее уси-
лие и поврежденный слой находится в фиксированном сжатом состоянии вдоль поверхности. Феррогранаты обладают свойством магнитострикции, поэтому сжимающие усилия изменяют магнитную анизотропию имплантированной части слоя. Радиационные нарушения всегда переводят материал в состояние бокового сжатия, и для материала с отрицательным коэффициентом магнитострикции, выращенного с одноосевой анизотропией, ось легкого намагничивания меняет свое направление с перпендикулярного поверхности на параллельное ей.
В результате облучения по всей поверхности пластины ЦМД оказываются закрытыми планарным магнитным слоем. Этот слой обеспечивает магнитную поддержку доменов и не влияет на коэрцитивность и подвижность лежащих под ним ЦМД. Магнитный поток от ЦМД замыкается через слой планарной намагниченности с материалом, окружающим цилиндрические домены. Это стабили- < зирует ЦМД и вызывает возрастание поля коллапса. Возрастание энергии внедряемых частиц приводит к взаимно противоположному воздействию двух факторов. Уменьшается высота ЦМД, что влечет за собой пропорциональное уменьшение поля коллапса. Увеличивается толщина нарушенного слоя, что ведет к возрастанию магнитного потока доменов, замыкающегося в планарном слое, стабилизирует ЦМД и увеличивает поле коллапса. Последний фактор преобладает при более низких энергиях, первый — при более высоких. В соответствии с этим поле коллапса вначале растет, а затем уменьшается.
Кроме обычных ЦМД в ряде случаев в феррогранатовых эпитаксиальных слоях могут присутствовать так называемые твердые или жесткие домены. Они отличаются от нормальных ЦМД структурой граничной оболочки цилиндра — доменной стенки. ТЦД обладают более высоким полем коллапса, и направление их движения под действием продвигающего магнитного поля отклоняется на значительный угол от направления движения нормальных ЦМД. Образование нарушенного с помощью ионной имплантации слоя с намагниченностью параллельной поверхности пластины приводит к возникновению доменной стенки, повернутой на 90° относительно доменных стенок ЦМД. Присутствие такой «крышки» позволяет освободиться магнитным моментам атомов, до этого жестко закрепленным в доменной стенке ТЦД, и занять нормальные положения, в результате чего ТЦД превращается в обычные ЦМД.
Если в эпитаксиальном слое феррограната ионной имплантации подвергнуты только отдельные участки поверхности, то ЦМД в имплантированных участках притягиваются к границе с необлу- ченным слоем. Притяжение обусловлено магнитостатическим взаимодействием вследствие различия в толщинах доменсодержащих слоев в облученном и необлученном материале и наличием градиента механических напряжений у границы. Эта граница является, таким образом, своеобразным «рельсом», вдоль которого выстраиваются ЦМД. С приложением магнитного поля ЦМД пере- 280
мещаются вдоль этого рельса, что позволяет избавиться от пермаллоевых аппликаций.
Лазерная технология
Использование лазерного излучения в полупроводниковой технологии обусловлено прежде всего возможностью концентрировать большую энергию в небольшом объеме вещества, что позволяет производить термическую обработку структур. Рассмотрим основные типы лазеров, применяемых для технологических целей.
Лазеры и их воздействие на вещество. Лазеры генерируют мощный пучок фотонов — когерентный и монохроматический поток электромагнитного излучения, обладающий высокой яркостью. Но роду активного элемента, с помощью которого создается монохроматическое излучение, лазеры подразделяют на твердотельные, жидкостные и газовые. Твердотельные лазеры имеют ряд преимуществ: острая фокусировка луча, быстродействие, возможность работы в оптически прозрачной атмосфере, отсутствие вторичного рентгеновского излучения, простота установки. Их недостатками являются: низкий к. п. д. (0,1—5%) из-за больших потерь тепло-, ты в кристаллической решетке активного материала и его перегрева; трудность охлаждения, что не позволяет длительное время работать в непрерывном режиме; сравнительно ограниченная мощность; малая глубина обработки; небольшой срок службы.
Активным рабочим элементом твердотельных лазеров обычно является стержень синтетического рубина А12О3 с добавкой 0,01— 0,05% Сг2О3; алюмоиттриевый гранат (АИГ) с неодимом; стекла с неодимом; кристаллы CaF2, CdF2, BaF2, CrF2 с небольшим содержанием (0,05%) редкоземельных и других элементов (неодим, хром). Принцип создания в твердотельном лазере потока фотонов состоит в возбуждении в активном элементе с помощью освещения импульсной лампой накачки ионов примеси, электроны которых переходят на более высокий энергетический уровень. После прекращения освещения электроны возвращаются на прежний энергетический уровень, излучая полученный избыток энергии в виде мощного потока фотонов. Лавинообразному нарастанию потока фотонов способствует многократное отражение его от зеркальных торцов рубинового стержня. Поток фотонов излучается из торца стержня, имеющего полупрозрачное зеркало.
Активный излучательный элемент газовых лазеров представляет собой газоразрядную трубку из стекла или кварца, заполненную активной средой — газом, который может пропускаться через нее непрерывно. Газ может быть смешан с парами металла. Существуют аргоновые, азотные, углекислотные, гелий-неоновые, гелий-кадмиевые и другие лазеры. Наибольшей мощностью и к. п. д. 10—30% обладают углекислотные лазеры, генерирующие излучение с длиной волны 10,6 мкм.
Минимальный диаметр сфокусированного светового пучка лазера
где. /— фокусное расстояние объектива; D— диаметр несфокусированного светового пучка, определяемый при гауссовом распределении удельной мощности в пучке.
В реальных системах добиваются отношения //£) = 2-уЗ, тогда Omin~ (24-3)К. Для газового лазера на СО2 минимальный диаметр сфокусированного пучка составляет 30 мкм, для твердотельного лазера на стекле с неодимом Фт1п = 3 мкм.
Рубиновый лазер имеет длину волны излучения Х=0,694 мкм и работает в режиме переключаемой добротности при длительности импульсов 10—100 нс с максимальной плотностью мощности 100 МВт/см2. Лазеры на АИГ с неодимом имеют Х= 1,064 мкм для основной гармоники и Х=0,53 мкм для второй гармоники при той же длительности импульсов, что и у рубиновых. У аргонового лазера Х=0,488 мкм, у криптонового Х=0,647 мкм.
При взаимодействии лазерного излучения с металлом происходит поглощение световой энергии свободными электронами, после чего энергия излучения переходит в энергию тепловых колебаний решетки. Время релаксации составляет 10~13—10~1! с, поэтому тепловой источник, возникающий в металле, мгновенно повторяет все изменения в интенсивности лазерного импульса. В полупроводниках с сильным поглощением — оптически непрозрачных, когда энергия квантов Av превышает ширину запрещенной зоны Е, процесс взаимодействия излучения лазера с кристаллом на первоначальной стадии представляет собой внутренний фотоэффект. После появления большого количества фотоэлектронов изменяются оптические и электрофизические свойства полупроводника, в том числе возрастает его отражающая способность. Для световых потоков с плотностью мощности свыше 1 МВт/см2 при h\>E концентрация свободных фотоэлектронов достигает значений порядка 1020—Ю21 см-3 за время 10"9—10~8 с и по истечении этого времени металлы и полупроводники ведут себя одинаково.
Лазерный отжиг. Технология лазерного отжига используется для улучшения кристаллической структуры слоя кремния, подвергнутого ионной имплантации, поликристаллического кремния, напыленного на кремниевые подложки, и КНС-структур. При лазерном отжиге на поверхности кристалла образуется тонкий сильно разогретый или расплавленный слой, который рекристаллизуется с очень большой скоростью, превышающей 102 см/с. При этом температура в пластине на глубине более 10 мкм не отличается от окружающей и в целом образец не разогревается, что позволяет сохранить высокое время жизни в кристалле. Процесс лазерного отжига определяется следующими основными параметрами: длиной волны излучения, плотностью энергии на поверхности пластины, длительностью импульса, температурой подогрева образца.
Температурная зависимость поглощения лазерного излучения свободными носителями заряда является главным фактором, приводящим к плавлению. Энергия, поглощаемая свободными носителями заряда, переходит в теплоту, которая распространяется в толщу материала. Температура поверхности пластины растет и достигает точки плавления. Коэффициент поглощения возрастает с температурой экспоненциально. Для лазера на СО2 с Л— = 10,6 мкм при облучении кремния с концентрацией носителей за
Т, °C
20
200
400
600
h, мкм
0,33
0,38
0,44
0,50
У, м/с
3,2
2,7
2,1
1,7
Таблица 12.1Таблица 12.1а резко увеличивается,а резко увеличивается,ряда 1019 см-3 коэффициент поглощения
Таблица 12.1
Таблица 12.1
а резко увеличивается,
а резко увеличивается,
а(Г)=3,17-104ехр(Г/346) м-1
где Т— термодинамическая температура.
тет медленно. С повышением температурытет медленно. С повышением температурыПока Т<700 К коэффициент поглощения мал, длина, на которой происходит поглощение света, велика и температура рас-
тет медленно. С повышением температуры
тет медленно. С повышением температуры
роет температуры идет круче, все больше энергии поглощается в поверхностном слое. Импульсы с энергией 1,25 Дж/см2 (плотность мощности 5 ГВт/см2) вызывают лавинный разогрев, но температура на поверхности не превышает 920 К. Для плавления кремния необходима плотность энергии 1,52 Дж/см2. Эти значения изменяются с изменением концентрации носителей заряда в кремнии и длины волны излучения лазера. В табл.12.1 представлены зависимости глубины расплавленной области h и скорости рекристаллизации у от температуры кремниевой пластины Т при плотности энергии рубинового лазера 1,2 Дж/см2 и длительности импульсов 20 нс.
Лазерный отжиг ионно-имплантированных структур в отличие о г термического диффузионного отжига позволяет сохранить внедренную примесь в тонком поверхностном слое и обеспечить высокую электрическую активность примеси. Лазерный отжиг КНС- структур улучшает кристаллическую структуру гетероэпитаксиаль- ных слоев кремния и повышает подвижность носителей заряда, если происходит оплавление поверхности островков кремния и не затрагивается граница раздела Si — А12О3. Для эпитаксиальных слоев толщиной 0,4 мкм на подложках с толщиной 400 мкм необходима плотность энергии 0,8 Дж/см2. В § 12.4 рассматривалось применение радиационной технологии для управления свойствами доменсодержащих материалов — феррогранатов. Использование лазерного отжига необлученных эпитаксиальных слоев феррогранатов позволяет повысить поле коллапса и намагниченность на- - сыщения. Нагрев вызывает перераспределение атомов железа и галлия в узлах кристаллической решетки таким образом, что большее число атомов галлия замещает атомы железа. При резком охлаждении атомы Ga не успевают уйти из узлов (Г «замораживаются» там.
Наряду с лазерным получил .распространение импульсный от-] жиг некогерентным лучом света газоразрядной лампы. Дуговая^ лампа значительно дешевле лазеров и более эффективно преоб-| разует электрическую энергию в световую. Энергия, необходимая ] для отжига пластины с диаметром 75 мм широким пучком света' дуговой лампы, составляет лишь 3% от энергии, затрачиваемой ; сфокусированным пучком аргонового сканирующего лазера вепре- : рывного действия. Спектр излучения газоразрядных ламп доста- ; точно широк. Для ксеноновой лампы он простирается от ближнего ' УФ-до ближнего ИК-света, что делает пренебрежимо малым влия- ] ние диэлектрических пленок, находящихся на поверхности пла- < стин. Длительность импульса составляет 0,01—10 с, мощность i лампы составляет несколько киловатт, диаметр луча до 80 мм. * Импульсный отжиг некогерентным светом применяют для актива- i ции внедренных ионов примеси, устранения перераспределения ] примеси, отжига радиационных дефектов и сохранения совершен- j ства структуры диэлектрических пленок.i
основная доля поглощается пленкой метал- !основная доля поглощается пленкой метал- !ла, который плавитсяла, который плавитсяза время 1—10 нс, меньшее длительности < импульса. Плавление поверхности кремния происходит вследст- ; вне передачи теплоты за счет теплопроводности от расплавленной : П ПОИТДТ! TI тт-1 ПтТ1тттт/-> —~ за время 1—10 нс, меньшее длительности < импульса. Плавление поверхности кремния происходит вследст- ; вне передачи теплоты за счет теплопроводности от расплавленной : П ПОИТДТ! TI тт-1 ПтТ1тттт/-> —~ пленки и частично запленки и частично заЛазерное легирование. Лазерное легирование заключается в ’ нанесении на поверхность кремния тонкой пленки легирующего ; элемента и облучения ее импульсным лазерным пучком. Таким способом формируют мелкие р-п-переходы на кремнии и омиче- 5 окне переходы на GaAs. Эффект легирования обусловлен плавле- ; нием металлической пленки и тонкого приповерхностного слоя по- ] лупроводника. Плотность поверхностной энергии составляет 1— ; 10 Дж/см2, причем ее
основная доля поглощается пленкой метал- !
основная доля поглощается пленкой метал- !
ла, который плавится
ла, который плавится
за время 1—10 нс, меньшее длительности < импульса. Плавление поверхности кремния происходит вследст- ; вне передачи теплоты за счет теплопроводности от расплавленной : П ПОИТДТ! TI тт-1 ПтТ1тттт/-> —~
за время 1—10 нс, меньшее длительности < импульса. Плавление поверхности кремния происходит вследст- ; вне передачи теплоты за счет теплопроводности от расплавленной : П ПОИТДТ! TI тт-1 ПтТ1тттт/-> —~
пленки и частично за
пленки и частично за
распределяетсяраспределяетсясчет непосредственного поглощения части энергии лазерного импульса. С ростом энергии импульса количество атомов легирующей примеси в слое кремния возрастает, достигает максимума, а затем уменьшается. Это обусловлено быстрым испарением примеси при высоких энергиях. Легирование происходит за счет диффузии примеси в жидкой фазе полупроводника. Последующая мгновенная кристаллизация слоя ведет к образованию метастабильного пересыщенного твердого раствора, концентрация примеси в котором нередко на 1—2 порядка выше предела растворимости. Толщина легирующих пленок металла составляет обычно 2—50 нм. Оптимальное значение плотности энергии рубинового лазера составляет 1,1—2 Дж/см2 при длительности импульса 20 нс. Равномерно освещается участок с диаметром 1 см, облучение — однократное. Для обработки большей площади производят смещение луча на расстояние его радиуса. После облучения остатки пленки удаляют с помощью травления. Легирующая примесь проникает в расплав на глубину порядка 0,3—0,35 мкм и распределяется там по кривой с максимумом на глубине 20— 30 нм. С увеличением толщины пленок возрастают потери на испарение. Потери легирующего материала наибольшие для элементов, обладающих низкой растворимостью и малым коэффициентом
распределяется
распределяется
распределения. Для Bi и In в кремнии они достигают 90%. В табл. 12.2 сопоставлены предельные растворимости ряда элементов в кремнии и концентрации примеси в замещенном состоянии после лазерного легирования.
Нагрев до высоких температур слоев, легированных лазерным облучением, ведет к снижению концентрации до равновесных зна-
Растворимость, см—3
Элемент
равновесная
лазерное легирование
Sb
6-то19
1-Ю21
Ga
5-Ю19
9-1020
In
6-1017
1,5-ГО20
Bi
8-1017
3-1020
Таблица 12.2Таблица 12.2чений.
Таблица 12.2
Таблица 12.2
пара и гидростатическим давлением в расплаве на поверхности лунки образуется углубление. Рабочее пятно пучка сме-пара и гидростатическим давлением в расплаве на поверхности лунки образуется углубление. Рабочее пятно пучка сме-Лазерное разрушение материалов. При достаточной удельной поверхностной мощности на поверхности вещества появляется линзообразная лунка расплава. Если увеличить плотность мощности, сфокусировав пучок более остро, то над центром лунки возникнет локальная область повышенного давления пара. В равновесном состоянии между давлением
пара и гидростатическим давлением в расплаве на поверхности лунки образуется углубление. Рабочее пятно пучка сме-
пара и гидростатическим давлением в расплаве на поверхности лунки образуется углубление. Рабочее пятно пучка сме-
щается вниз на дно углубления, которое претерпевает соответствующее изменение. При дальнейшем увеличении мощности давление пара растет и образуется паровой капилляр со стенкой из расплава и углублением из паров. При некотором экстремальном значении мощности давление пара и скорость испарения возрастают настолько, что весь расплав потоком паров выбрасывается из капилляра, образуя узкий и глубокий канал. Это явление лежит в основе лазерной обработки для изготовления отверстий в керамических, стеклянных или полупроводниковых подложках, а также в ферритовых пластинах для запоминающих устройств. Обработка в режимах с образованием неглубоких лунок расплава применяется для подгонки номиналов резисторов и конденсаторов в тонкопленочных и толстопленочных ИМС. Излишки материала резистивного слоя испаряются, и номинал возрастает. Испарение части обкладок конденсатора ведет к уменьшению емкости. Аналогично производят ретуширование фотошаблонов, выжигая дефектные участки остро- сфокусированным лазерным пучком. Для присоединения выводов в дискретных приборах и микросхемах используют импульсную лазерную микросварку. Неразрушающая обработка лазерным пучком используется для подгонки номиналов металлокерамических резисторов в сторону уменьшения. Нагрев изменяет кристаллическую структуру пленки резистора, что способствует уменьшению его со-
противления.
Методы контроля радиационных нарушений
Резерфордовское обратное рассеяние (POP). Концентрацию дефектов и их распределение по глубине определяют по энергетическому спектру обратнорассеянных легких частиц высоких энергий, 285
если падающий пучок хорошо коллимирован. Частицы, движущие-, ся в каналах, не могут подойти к атомам решетки ближе чем на радиус экранирования, равный 0,01—0,02 нм. Поэтому столкновения с малыми прицельными параметрами, меньшими радиуса экранирования, приводящие к обратному рассеянию — отражению частиц в направлении, противоположном первоначальной скорости их движения, — для частиц, движущихся в каналах, невозможны. Если атом кристалла смещен из своего атомного ряда на расстояние, большее 0,02 нм, то столкновения с малыми прицельными параметрами становятся возможными и частицы могут быть рассеяны из каналов в обратном направлении. Разупорядочение решетки оценивают, сравнивая выход обратнорассеянных частиц от неповрежденного образца и образца, содержащего радиационные нарушения.
В качестве пучков-анализаторов используют протоны и ионы Не+ с энергиями 1—2 МэВ, глубоко проникающие в кристаллы. Пучки ориентируют в направлении каналирования с точностью до 0,1°. Под углом 10—40° от направления падения пучка на поверхность образца устанавливают детектор, который может регистрировать обратнорассеянные ионы с определенной энергией. Ионы гелия с начальной энергией 1 МэВ, однократно отраженные от поверхности кремния под углом 30° к направлению первичного ионного пучка, могут иметь максимальную энергию 0,59 МэВ. Если ионы попали в канал, то по мере продвижения в канале их энергия уменьшается под действием электронного торможения, поэтому ионы, рассеянные на тот же угол 30°, в глубине кристалла будут иметь энергию менее 0,59 МэВ.
Фиксируя количество отраженных частиц с определенной энергией, вычисляют разупорядоченность решетки, а сопоставляя значение разупорядоченности с глубиной, на которой происходит обратное рассеяние ионов, получают пространственное распределение радиационных нарушений.
Электронный парамагнитный резонанс ОПР). Для исследования электронного состояния дефектов кристаллов используют метод ЭПР.
Содержащий радиационные дефекты образец помещают в резонатор, соединенный с СВЧ-генератором, где происходит поглощение колебаний. Поглощение определяется по изменению добротности резонатора, которое измеряют детектирующим устройством, расположенным на выходе резонатора. К образцу прикладывают магнитное поле, в результате чего возникает дополнительное поглощение, зависящее от электронного состояния дефектов. Если дефекты имеют электронные связи, включающие два электрона с антипараллельными спинами, подобные ковалентной связи в идеальной решетке кремния, то такая связь не парамагнитна и дополнительное поглощение отсутствует. Если у центра оказывается один несвязанный электрон, то его энергия будет зависеть от ориентации спина в магнитном поле с напряженностью Н. Уровень энергии электрона расщепляется на два подуровня, разде- 286
ленные промежутком
где g— фактор спектроскопического расщепления; р — магнетон Бора.
При возбуждении в резонаторе СВЧ-колебаний условием поглощения или излучения энергии будет равенство
h'* = g^H,
на основании которого определяют g-фактор. Сигнал ЭПР для аморфного кремния состоит из симметричной изотропной линии с g=2,006. Появление такого сигнала соответствует концентрации спинов 2-Ю20 см-3. Нелегированный кристалл кремния не парамагнитен. Различные типы дефектов, обладающие неспаренным спином, дают сигнал ЭПР, который хорошо идентифицируется. Сочетая измерение спектра ЭПР с послойным удалением материала, устанавливают профили распределения концентрации дефектов по глубине образца.
Глава 13
ЗАЩИТА ПОВЕРХНОСТИ р-п-ПЕРЕХОДОВ
Влияние состояния поверхности р-га-перехода на электрические параметры прибора
Поверхностью р-п-перехода принято считать ту его часть, которая выходит на поверхность полупроводникового кристалла или полупроводниковой пластины (подложки). Состояние поверхности полупроводникового материала, на которую имеет выход р-п-переход (степень ее совершенства, чистота обработки и качественная защита от внешней среды), оказывает более сильное влияние на электрические параметры приборов, чем физические свойства объема полупроводника, в котором расположена остальная часть р-п- перехода. Если р-п-переход внутри полупроводникового кристалла надежно защищен от внешних воздействий, то его часть, выходящая на поверхность кристалла, не может без дополнительной защиты противостоять влиянию этих воздействий.
Кроме того, структура поверхности полупроводникового материала имеет иную, качественно отличающуюся картину энергетических зон по сравнению с известной картиной энергетических зон бесконечно протяженного кристалла. Структура поверхности состоит из атомов с частично оборванными связями. Так как каждому атому не хватает «напарников» для ковалентной связи, то эти связи остаются ненасыщенными, что эквивалентно энергетическим состояниям, при которых уровни лежат внутри запрещенной зоны. Так как атомы стремятся насытить свои связи путем захвата электронов, то образующиеся уровни являются акцепторными
независимо от типа электропроводности объема полупроводнико- ■■ вого материала.9
Вместе с рассмотренными уровнями в полупроводниковом ма- I териале могут образовываться дополнительные поверхностные Я состояния в результате адсорбции атомов чужеродных веществ ■ в виде газов и жидкостей. В зависимости от свойств адсорбирован- а ных атомов вновь возникающие уровни могут быть акцепторными и 1 донорными. Если на поверхности полупроводникового материала ад- ■ сорбируется атом или молекула, которые захватывают электроны, I то образуются акцепторные уровни. Если в этом случае исходный | полупроводниковый материал обладает электронной электропровод- 1 ностью, то электроны из зоны проводимости или с донорных уров- 1 ней будут стремиться заполнить акцепторные уровни, лежащие 1 ниже уровня Ферми. Это приводит к тому, что тонкий слой полу- 1 проводникового материала, расположенный в непосредственной 1 близости от поверхности кристалла, обедненной подвижными 1 электронами, оказывается положительно заряженным оставшими- 1 ся там донорными центрами. Возникающее электрическое поле 1 направлено таким образом, что отталкивает электроны, приходя- 1 щие из объема полупроводникового материала, и создает энергети- J ческий барьер. При этом наблюдается искривление энергетических ; зон на границе полупроводник—среда и возникновение инверсных слоев на поверхности полупроводникового материала.
Адсорбция молекул газа или паров может быть физической или химической. В случае физической адсорбции пары и газы удерживаются на поверхности полупроводникового материала за счет сил кулоновского взаимодействия между ионами твердого тела и поляризующимися молекулами газа или пара.
В случае химической адсорбции (хемосорбции) молекулы диссоциируют на атомы, между ними и поверхностными атомами полупроводникового материала происходит перераспределение валентных электронов с образованием устойчивых химических связей. Так, пары воды адсорбируются на поверхности полупроводниковых материалов с помощью обоих механизмов, причем два-три первых слоя (химические) прочно связаны с атомами решетки полупроводника и являются неподвижными, а в последующих слоях (физических) молекулы воды могут перемещаться по поверхности полупроводникового материала.
Таким образом, адсорбция различных газов и паров приводит к образованию пространственного заряда в приповерхностной области полупроводника. Наиболее активными являются хемосорбированные газы, особенно кислород и пары воды. Адсорбция кислорода, озона, а также хлора способствует созданию поверхностного заряда с отрицательным знаком. Адсорбция паров воды, спирта, ацетона, наоборот, обусловливает образование положительного заряда.
Адсорбированная на поверхности полупроводникового материала влага может содержать ионы металлов (например, натрия в количестве до 10‘4 см 2) и быть нонны.м проводником. При приложе-
нии к р-л-переходу, выходящему на такую поверхность полупроводника внешнего электрического поля, возникает поверхностный ионный ток, который может на несколько порядков превышать объемный ток р-п-перехода.
Помимо ионного тока значительную роль в изменении электрических параметров приборов играют токи утечки, обусловленные образованием инверсных слоев (каналов). Так, инверсный слой, образовавшийся на какой-либо части полупроводникового материала и примыкающий к р-п-переходу, выходящему на эту поверхность полупроводника, увеличивает эффективную площадь р-п-перехода и способствует возрастанию обратного тока прибора. Следовательно, обратный ток прибора может значительно возрасти вследствие ионной или канальной проводимости.
По характеру изменения обратного тока можно судить о том, какой механизм преобладает. Для ионных токов зависимость близка к линейной, канальный ток изменяется пропорционально корню квадратному из приложенного напряжения.
Уменьшение пробивного напряжения р-п-перехода также связано с наличием каналов. Напряжение пробоя р-п-перехода в районе канала меньше, чем в объеме, так как проводимость канала больше проводимости исходного материала базы.
Важным параметром, на который оказывает влияние состояние поверхности полупроводникового материала, является скорость поверхностной рекомбинации неосновных носителей заряда.
Скорость поверхностной рекомбинации значительно выше объемной из-за указанных нарушений поверхностного слоя полупроводника и механизмов адсорбции. Поэтому действительное время жизни неосновных носителей заряда значительно меньше времени жизни, определяемого только одними объемными дефектами. В транзисторах увеличение поверхностной рекомбинации приводит к уменьшению коэффициента переноса носителей заряда и снижению коэффициента усиления.
При длительной работе приборов ухудшение, их электрических параметров происходит в первую очередь вследствие изменения состояния поверхности полупроводникового кристалла с р-п-пере- ходами. Изменение состояния поверхности полупроводникового кристалла обусловлено изменением окружающей среды и ее воздействием на полупроводниковый материал. Поэтому от качества защиты поверхности полупроводникового кристалла с р-п-перехо- дами зависят не только электрические параметры готовых приборов, но и их надежность и срок службы.
В полупроводниковой технологии для предотвращения влияния внешней агрессивной среды на поверхность кристалла полупроводника с р-п-переходом используют различные приемы и технологические операции, которые дают возможность стабилизировать электрические параметры готового прибора при его работе и длительном хранении.
НаименованиеРежим сушкиУдельное сопротивление р,Ом * смвремя, чтемпература, °C20° Спри 200° СЛак:МК-4У52001014Ю12К-5531501013IO12К-14150IO1210'°ПЭ-51832001014ю12КО-938115010141012КО-961120'ю1410'2Эмаль РПЭ-4015200ю14ю12Компаунд МБК-312100ю13ю10Эмаль ЭС-50О180ю1410"НаименованиеРежим сушкиУдельное сопротивление р,Ом * смвремя, чтемпература, °C20° Спри 200° СЛак:МК-4У52001014Ю12К-5531501013IO12К-14150IO1210'°ПЭ-51832001014ю12КО-938115010141012КО-961120'ю1410'2Эмаль РПЭ-4015200ю14ю12Компаунд МБК-312100ю13ю10Эмаль ЭС-50О180ю1410"сплавных и.мезадиффузионных). Таблица 13.Гсплавных и.мезадиффузионных). Таблица 13.Гпроводникового материала, которыебильность электрических параметровпроводникового материала, которыебильность электрических параметров
Наименование
Режим сушки
Удельное сопротивление р,Ом * см
время, ч
температура, °C
20° С
при 200° С
Лак:
МК-4У
5
200
1014
Ю12
К-55
3
150
1013
IO12
К-1
4
150
IO12
10'°
ПЭ-518
3
200
1014
ю12
КО-938
1
150
1014
1012
КО-961
1
20'
ю14
10'2
Эмаль РПЭ-401
5
200
ю14
ю12
Компаунд МБК-3
12
100
ю13
ю10
Эмаль ЭС-50
О
180
ю14
10"
Наименование
Режим сушки
Удельное сопротивление р,Ом * см
время, ч
температура, °C
20° С
при 200° С
Лак:
МК-4У
5
200
1014
Ю12
К-55
3
150
1013
IO12
К-1
4
150
IO12
10'°
ПЭ-518
3
200
1014
ю12
КО-938
1
150
1014
1012
КО-961
1
20'
ю14
10'2
Эмаль РПЭ-401
5
200
ю14
ю12
Компаунд МБК-3
12
100
ю13
ю10
Эмаль ЭС-50
О
180
ю14
10"
сплавных и.мезадиффузионных). Таблица 13.Г
сплавных и.мезадиффузионных). Таблица 13.Г
проводникового материала, которыебильность электрических параметров
проводникового материала, которыебильность электрических параметров
Защита веществами на основе кремнийорганических соединений и полимеров
Нанесение жидких кремнийорганических лаков и компаундов на | поверхность полупроводникового кристалла с р-п-переходами с по- следующим их отверждением, явившееся одним из первых методов | защиты поверхности, сохранило применение до настоящего вре- : мени..:
Этот метод используют в первую очередь при изготовлении при- • боров непланарного типа (сплавных, сплавно-диффузионных, меза- *
По этому способу тонкие | слои лаков и компаундов I наносят на поверхность по- 1 лупроводникового кристал- 1 ла в местах выхода границ 1 р-п-переходов и сушат. По- | крытие плотно сцепляется с I поверхностью полупровод- I никового кристалла и пре- j дотвращает доступ внешней атмосферы.
Основными достоинствами метода являются его простота и возможность автоматизации процесса защиты. К недостаткам следует отнести возникновение меха- • нических напряжений в при- , поверхностном слое полу- оказывают влияние на ста- и снижают механическую
прочность готового прибора.
В качестве материалов для защиты р-п-переходов используются различные кремнийорганические лаки и компаунды, обладающие относительно высокой влагостойкостью и хорошими диэлектрическими свойствами (табл. 13.1).
Наряду с лаками и компаундами для защиты поверхности полупроводниковых кристаллов с р-п-переходами находят применение кремнийорганические вазелины в сочетании с влагопоглотителями. Получают вазелины на основе кремнийорганических жидкостей с добавкой мелкодисперсного наполнителя. К таким вазелинам относятся КВ-1, КВ-2, КВ-2А и КВ-3. Они обладают высокими изоляционными свойствами -(удельное сопротивление при температуре 20°С составляет 1014 Ом-см, при 150°С—1012 ОмХ Хем; электрическая прочность равна 15 кВ/мм). Перед нанесением на поверхность кристалла вазелины подвергаются вакуумной сушке. Основным преимуществом вазелинов перед лаками и компаундами является то, что они не вызывают возникновения меха- 290
нических напряжений в полупроводниковом кристалле после нанесения.
Использование метода силанирования позволяет добиться более надежной защиты поверхности полупроводникового кристалла с р-п-переходом и стабилизации электрических параметров готовых приборов. Процесс силанирования состоит в образовании защитной кремнийорганической пленки на поверхности кремниевой пластины в результате реакции гидролиза алкилгалоидсиланов. .
Формула алгилгалоидсилана имеет вид R^SiX, (i=l, 2, 3), где R — органический радикал; X— гидролизуемая часть соединения (галоид). В качестве органических радикалов могут быть использованы метил СН3, этил СгН5 и фенил С6Н5. Из галоидов используют хлор и б-ром.
В ходе процесса силанирования на поверхности кремния образуются тонкие пленки, которые обладают высокой влагостойкостью и газонепроницаемостью, инертностью к различным химическим реагентам, высокой адгезионной способностью и термостойкостью. Наиболее перспективными веществами для образования защитных силановых пленок являются диметил, триметил и хлорзамещенные силаны. Недостатком последних является выделение при гидролизе хлористого водорода, который может взаимодействовать с другими элементами конструкции прибора, например с алюминиевыми контактами. Хлористый алюминий, образующийся при этом, весьма гигроскопичен и может привести к закорачиванию р-п-перехода.
Важным фактором при проведении процесса силанирования является кислотность рабочей среды. От нее и от чистоты исходного продукта зависят молекулярная масса полимера и однородность его химического состава. Существует три основных способа проведения процесеа силанирования: погружение исходной пластины кремния с р-и-переходами в жидкие метилхлорсиланы с предва- рителыГым увлажнением поверхности пластины; погружение исходной кремниевой пластины в растворы метилхлорсиланов или их смесей; помещение исходной кремниевой пластины в пары силанов или их смесей.
Первый способ дает лучшие результаты, но при его использовании создается высокая концентрация хлористого водорода. Этот же недостаток присущ и третьему способу. Второй способ дает возможность регулировать концентрацию метилхлорсиланов, а также удалять продукты реакции при соответствующем подборе растворителей. Кроме того, способ силанирования из растворов не требует сложного оборудования и создает условия для гомогенного роста защитной пленки.
Защита оксидными и нитридными пленками кремния
Защитные пленки диоксида и нитрида кремния нашли широкое применение в производстве полупроводниковых приборов и ИМС, получаемых по планарной и планарно-эпитаксиальной технологии. В планарном варианте изготовления прибора защитные пленки'
SiO2 и SisN4 наносят на исходные подложки до начала создания р-п-переходов. Проведение локальной диффузии через защитную пленку SiO2 и SisN4 дает возможность изолировать выход р-п- перехода на поверхность кристалла полупроводникового материала и тем самым защитить его от внешних воздействий.
Способы получения защитных диэлектрических пленок SiO2 и SisN4 подробно описаны в гл. 7. Рассмотрим лишь те способы защиты поверхности р-п-переходов, которые используются при изготовлении сплавных, сплавно-диффузионных и мезасплавных приборов. Для этих типов приборов защитные пленки SiO2 и SisN4 наносят, как правило, после изготовления р-п-переходов и омических контактов.
Один из способов защиты кристаллов с р-п-переходами пленками SiO2 предусматривает обработку исходных кристаллов и пластин в автоклавах при высоком давлении. В качестве рабочего вещества наиболее часто используют водяной пар. Режим процесса образования защитной оксидной пленки выбирают из диаграмм состояния «давление — температура», по которой определяют максимально приемлемое давление, не ведущее к образованию кремниевой кислоты в рабочем диапазоне температур (500—700°С).
Защитные оксидные пленки на поверхности кремниевых кристаллов с р-п-переходами могут быть получены путем обработки их в сильных химических окислителях. В качестве окислителей наиболее часто используют азотную кислоту. Толщина и сплошность образующих на поверхности кремния защитных пленок в значительной степени зависят от режимов химического окисления.
Защитные оксидные пленки могут быть получены с помощью нанесения на поверхность полупроводниковой пластины с р-п-переходами водных растворов ряда кислородсодержащих соединений. Эти соединения, взаимодействуя с кремнием, выделяют кислород и окисляют его поверхность, образуя тонкую защитную пленку. В качестве таких растворов могут быть использованы смеси: 100 мл воды и 50 мг ацетата натрия; 200 мл воды и 70 мл ортофос- форной кислоты; 100 мл воды и 50 мл серной кислоты; 150 мл воды и 10 г двунатрийфосфата и др. Обработку в этих смесях проводят при температуре 250—350°С в течение 10—15 ч.
Однородные защитные пленки SiO2 могут быть получены обработкой кремниевых пластин и кристаллов с р-п-переходами в атмосфере углекислого газа или вещества, которое способствует выделению углекислого газа в присутствии катализатора. Катализатором обычно служит водород или водородсодержащее соединение, такое, как метан или этилен. Этот способ дает возможность получать защитные пленки после проведения процессов сплавления или диффузии.
Кроме указанных способов оксидные пленки на поверхности кристаллов могут быть получены погружением их в расплавы солей азотной или азотистой кислот при температурах 380—400°С. Механизм образования оксида связан с выделением в расплаве 292
свободного кислорода и оксидов азота, которые активно воздействуют на поверхность кремния. В качестве исходных материалов можно использовать азотнокислый калий, азотнокислый натрий, азотнокислый кальций и их смеси.
Защита пленками оксидов металлов
Пленки оксидов металлов образуют на поверхности полупроводникового материала защитные покрытия, которые обладают удельным сопротивлением р= 1014-4-1015 Ом-см, высокой влагоустойчи- востью и термостойкостью.
оксидов алюминия, титана, бериллия, циркония и др. Исходный материал берут в виде порошков. В качестве несущего агента может быть использован галоген или галоидное соединение водоро-оксидов алюминия, титана, бериллия, циркония и др. Исходный материал берут в виде порошков. В качестве несущего агента может быть использован галоген или галоидное соединение водоро-Температ^у-Темпе-МатериалНесущиератураисточникареагентыка, °Cпластин, °CА120зНС1, НВг800—1200400—500ВеОНС1, НВг900—1200450—500ТЮ2НС1, НВг,800—1000480—500С12ZrO2НС1, НВг1000—1200490—500Температ^у-Темпе-МатериалНесущиератураисточникареагентыка, °Cпластин, °CА120зНС1, НВг800—1200400—500ВеОНС1, НВг900—1200450—500ТЮ2НС1, НВг,800—1000480—500С12ZrO2НС1, НВг1000—1200490—500Таблица 1'3.2Таблица 1'3.2да. Осаждение пленок проводят онных камерах, устанавливаетсяда. Осаждение пленок проводят онных камерах, устанавливаетсязащитных в реакци- в которых градиентзащитных в реакци- в которых градиентВ производстве полупроводниковых приборов для защиты кристаллов с р-и-переходами применяют защитные пленки на основе
оксидов алюминия, титана, бериллия, циркония и др. Исходный материал берут в виде порошков. В качестве несущего агента может быть использован галоген или галоидное соединение водоро-
оксидов алюминия, титана, бериллия, циркония и др. Исходный материал берут в виде порошков. В качестве несущего агента может быть использован галоген или галоидное соединение водоро-
Температ^у-
Темпе-
Материал
Несущие
ратура
источника
реагенты
ка, °C
пластин, °C
А120з
НС1, НВг
800—1200
400—500
ВеО
НС1, НВг
900—1200
450—500
ТЮ2
НС1, НВг,
800—1000
480—500
С12
ZrO2
НС1, НВг
1000—1200
490—500
Температ^у-
Темпе-
Материал
Несущие
ратура
источника
реагенты
ка, °C
пластин, °C
А120з
НС1, НВг
800—1200
400—500
ВеО
НС1, НВг
900—1200
450—500
ТЮ2
НС1, НВг,
800—1000
480—500
С12
ZrO2
НС1, НВг
1000—1200
490—500
Таблица 1'3.2
Таблица 1'3.2
да. Осаждение пленок проводят онных камерах, устанавливается
да. Осаждение пленок проводят онных камерах, устанавливается
защитных в реакци- в которых градиент
защитных в реакци- в которых градиент
температуры между источником и полупроводниковым материалом. Температуру источника выбирают выше температуры полупроводникового материала, чтобы продукты реакции могли осаж
даться на поверхности р-и-переходов.
С увеличением градиента температуры между источником и исходным полупроводниковым материалом скорость образования защитной пленки возрастает. Для осаждения защитных пленок А120з, ВеО, TiO2, ZrO2 необходимо температуру источника выбирать в диапазоне 800—1200°С, а температуру полупроводникового кристалла с р-и-переходами —в диапазоне 350—500°С. Расстояние между источником и полупроводниковым кристаллом выбирают в зависимости от требуемого температурного градиента, оно должно составлять 10—20 см.
Технологический процесс образования защитной пленки на полупроводниковой пластине с р-и-переходами проводят в кварцевой трубе, в которой с одного конца помещают источник, например тигель с А12О3, а с другой стороны — пластины или кристаллы полупроводникового материала с р-и-переходами. Из кварцевой трубы сначала откачивают воздух, а потом вводят необходимое коли
чество несущего реагента.
В табл. 13.2 приведены режимы осаждения защитных пленок
оксидов металлов.
При использовании в качестве источника оксида- алюминия реакция в зоне источника протекает так:
Л12О3+ 6НС1->2А1С1з+ЗН2ОА12О3+6НВг—2А1Вг3 + ЗН2О
При использовании оксида бериллия реакция в зоне источника имеет вид
ВеО+2НС1—>ВеС12-|-НаО
ВеО+2HBr—»BeBr2 -j-H2O
Аналогичные реакции протекают в зоне источника при использовании оксидов титана и циркония.
Продукты реакции из зоны источника поступают в зону, где расположены полупроводниковые пластины с р-и-переходами. Так как в зоне полупроводниковых пластин температура значительно ниже, чем в зоне источника, то термодинамическое равновесие в парогазовой смеси сдвигается и все приведенные реакции идут справа налево, в результате чего происходит осаждение пленок А12О3, ВеО, ТЮ2 и ZrO2 на поверхность полупроводниковых пластин.
Кроме рассмотренных защитных пленок оксидов металлов для защиты полупроводниковых материалов с р-п-переходами можно использовать в качестве источника свинцовый сурик, растворенный в смеси, состоящей из 7,5% полиэтилена и 92,5% полибутилена. Эту смесь перемешивают и наносят на поверхность р-п-перехода. Температуру сушки выбирают в диапазоне 120—140°С. В качестве источника может быть использован хромат цинка ZnCrO4, а также смесь, состоящая из ZnCrO4, SrCrO4 и РЬ3О4. Такая смесь получается при смешивании порошков указанных веществ с летучими растворителями для получения суспензии. Эту суспензию наносят на поверхность полупроводникового кристалла с р-и-переходами. После этого проводят термообработку при температуре 200°С, в результате чего образуется защитная пленка из оксидов металлов.
Защитные пленки могут быть получены с использованием в качестве источников титанатов, цирконатов и станнатов щелочно-земельных металлов.
Защитные пленки А12О3 могут быть получены на основе взаимодействия поверхности полупроводника с потоком газообразного вещества, содержащего алюминий. Газообразным транспортным веществом в этом случае является иод. При температурах 150— 300°С иод взаимодействует с алюминием с образованием трииодида алюминия. При взаимодействии трииодида алюминия с оксидами германия или кремния, которые всегда находятся на поверхности полупроводниковых кристаллов, образуется твердый оксид алюминия и газообразный иодид германия или кремния:
312-{-2А1-2А11з
4А113 -|-3SiO2->2 А120з+3SH
4АП3 -|-ЗОеО2->2А12О3+3GeI
Защита пленками стекла
Метод защиты пленками стекла используется для большинства видов полупроводниковых приборов и ИМС (планарных, сплавных, диффузионных, мезасплавных, мезадиффузионных, планарно-эпитаксиальных и др.). Защита стеклом способствует улучшению электрических параметров приборов и ИМС, так как слой стекла связывает ионы, мигрирующие по поверхности р-и-перехода. Защитная пленка стекла повышает также стабильность, надежность
Рис. 13.1. Диаграмма состояния системы ZnO—В20з—S1O2Рис. 13.1. Диаграмма состояния системы ZnO—В20з—S1O2и срок службы приборов и ИМС.
Рис. 13.1. Диаграмма состояния системы ZnO—В20з—S1O2
Рис. 13.1. Диаграмма состояния системы ZnO—В20з—S1O2
Выбор стекла для защитных пленок и его состава зависит от конкретных особенностей прибора или ИМС и определяется конструкцией прибора и технологией его изготовления. Свойства защитных пленок стекла зависят от его состава и могут быть изменены добавлением в него дополнительных компонентов.
Стекло в виде суспензии микропорошков и растворителей можно наносить на чистую поверхность по-
лупроводникового материала, на слой оксида или пассивированную поверхность. Кроме того, стекло может защищать наряду с поверхностью р-и-перехода и часть металлических выводов, смежных с полупроводниковым материалом, для упрочнения всей структуры прибора или ИМС.
В технологии изготовления полупроводниковых приборов и ИМС для получения защитных пленок широко используются следующие виды стекол: боросиликатные, алюмосиликатные, свинцо- во-силикатные, халькогенидные и стекла более сложного состава.
Боросиликатные стекла отличаются низкой электропроводностью, малыми диэлектрическими потерями, хорошей механической прочностью, термической и климатической стойкостью. Эти стекла
могут включать умеренные концентрации моновалентных катионов (например, натрия до 0,1%), не проявляя при этом увеличения электропроводности. Основной состав боросиликатных стекол включает в себя смесь оксидов бора, кремния и цинка.
В боросиликатном стекле могут находиться небольшие концентрации примесей, таких, как оксиды титана, циркония, церия и др. Эти составы стойки к расстекловыванию в широком диапазоне температур и обладают полной смешиваемостью составных частей. На рис. 13.1 приведена диаграмма состояния системы В2О3—81Ог— ZnO, иллюстрирующая образование боросиликатного стекла нуж
ного состава.
Для целей полупроводникового производства и, в частности, для защиты поверхности р-и-переходов рекомендуется использо-
вать составы боросиликатных стекол, ограниченные выделенной областью на рис. 13.1.
Номер
Компоненты, %
состава стекла
SIO,
AI2O3
ВаО
GaO
Na2O
1
35
35
29,9
0,1
2
10
55
34,9
0,1
3
45
20
34,9
0,1
4
5
10
5
60
45
—
29,5
49,5
0,5
0,5
оксида кремния способствует адгезии между стеклом и кремнием. В табл. 13.3 приведеныоксида кремния способствует адгезии между стеклом и кремнием. В табл. 13.3 приведеныТаблица 13.3Таблица 13.3на поверхностьна поверхностькремниевогокремниевогопять составов наиболее употребительныхпять составов наиболее употребительныхалюмосиликат-алюмосиликат-ных стекол.Кроме традиционного способа получения (в виде суспензий) алюмосиликатные стекла (SiO2-А120з) могут быть получены и с помощью осажденияных стекол.Кроме традиционного способа получения (в виде суспензий) алюмосиликатные стекла (SiO2-А120з) могут быть получены и с помощью осаждениякристалла из паровой фазы сложныхкристалла из паровой фазы сложныхАлюмосиликатные стекла нашли широкое применение для защиты р-п-переходов, выполненных на кремнии, так как эти стекла обладают коэффициентами термического расширения, достаточно близкими к коэффициенту термического расширения кремния. Наилучшие защитные характеристики стекло имеет при нанесении его на окисленную поверхность кремния. Это связано с тем, что слой
оксида кремния способствует адгезии между стеклом и кремнием. В табл. 13.3 приведены
оксида кремния способствует адгезии между стеклом и кремнием. В табл. 13.3 приведены
Таблица 13.3
Таблица 13.3
на поверхность
на поверхность
кремниевого
кремниевого
пять составов наиболее употребительных
пять составов наиболее употребительных
алюмосиликат-
алюмосиликат-
ных стекол.
Кроме традиционного способа получения (в виде суспензий) алюмосиликатные стекла (SiO2-А120з) могут быть получены и с помощью осаждения
ных стекол.
Кроме традиционного способа получения (в виде суспензий) алюмосиликатные стекла (SiO2-А120з) могут быть получены и с помощью осаждения
кристалла из паровой фазы сложных
кристалла из паровой фазы сложных
соединений типа Al(OCnH2n+1)Si(OCnH2n+1)4, где^“^3 4 нияСтекла обычно наносят на кристаллы крем-
ия, покрытые оксидными пленками толщиной не менее 0 2 мкм имееУтСЛ°ВИе ДИКТуеТСЯ тем’ ЧТ0 при ме™ толщинах слоя оксида пР°ни™°вения ионов натрия из стекла через переход По "Мерхнос™ полупроводникового материала и к р п переходу. По мере приближения ионов натрия к поверхности
Н3 НеЙ М°ГУТ В03Никать каналы> которые ухудшают катныг "араметРы приборов и ИМС. Поэтому алю^осили- ie стекла следует применять только на полупроводниковых кристаллах, имеющих слой SiO2. На основе алюмХР°ка?™те- ™ получают так называемые пузырьковые стекла, которые широко используются для защиты поверхности р-п-переходов и омеле- “”“™Ш1 СТРуКТур ИМС друг от ЯРУ™ Наличие в слое стекла пузырьков дает возможность снизить остаточные напряжения r лчп™™ зна™тели» Улучшить согласованность спая стекла с по У Р °ДНИКОвьш материалом. В качестве веществ способствую в"делте^«"ользую™: "аСо”которой
топыйРезультате термического разложения; углерод ко-
рВ1в °бразУет газ в Результате окисления, и оксид тел тура ТеО, которыи образует газ сублимацией Обычн’о эти в™^ мн стекла Превышающем 10/°’ смешивают с основными компонента-
мез^с™™^СТСКЛа ШИР°К° используют для защиты
«аирукт^р. Основными составными частями стекла явтяютг® нмее^виТ^ " Кре“НМ' Сг№"№ с™«о=о«™о^^^^^
Применяют свинцово-силикатные стекла различного состава
Так, для защиты планарных структур „ композиций „споль™,юг 296
стекло следующего состава: 50% РЬО, 30% SiO2, 7% А120з и 13% LiO. Толщина защитной стеклянной пленки для этого состава не превышает 3 мкм. Стекло наносят в виде суспензий.
Свинцово-силикатные защитные пленки могут быть получены и другим способом, который состоит в нанесении на окисленную поверхность кремния порошкообразного оксида свинца с последующей термической обработкой. Образование защитной пленки свинцово-силикатного стекла происходит при температуре 500°С в течение нескольких часов.
Для защиты мезаструктур применяют стекла, в состав которых кроме оксидов свинца и кремния входит оксид алюминия. Наиболее широкое распространение получил состав, состоящий из 50% РЬО, 40% SiO2 и 10% А12О3. .
В некоторых случаях при получении защитных стекол на поверхности полупроводниковой пластины или кристалла используют катализаторы, которые вводят в стекло в процессе его образования. Катализаторы служат для интенсификации процесса окисления. Введение катализаторов дает возможность получать защитные пленки из свинцово-силикатного стекла при температурах ниже 500°С. В качестве катализаторов могут быть использованы свинец, галогены и щелочно-земельные металлы. Для примера приведем несколько композиций таких стекол:
Si—О—Pb; Si—О—Cl, Br, J; Si—О—Pb—Li, Na, К;
Si—О—Pb—В, А1, Те; Si—О—Pb—Mg, Са, Ba; Si—О—Pb—Zn, Sn.
Халькогенидные стекла имеют в своей основе тройные композиции: мышьяк — сера — таллий и мышьяк — селен — таллий. На рис. 13.2, а представлена тройная диаграмма состояния системы мышьяк — сера —таллий, на которой выделена область составов, стекол, пригодных для защиты полупроводниковых материалов с р-и-переходами. Эта область ограничена точками 1, 2, 3, 4 и 5. На рис. 13.2, б показана тройная диаграмма состояния системы мышьяк— селен — таллий, на которой выделена область составов стекла, пригодных для защиты р-п-переходов. Эта область ограничена точками 1, 2, 3, 4, 5 и 6.
В качестве добавок к указанным тройным системам может быть использован германий. Введение германия в нужных пропорциях дает возможность изменять коэффициент термического расширения
халькогенидного стекла. Стекло системы As—Se—Т1—Ge обладает более высоким электрическим сопротивлением. Температура раз- мягчения такого стекла лежит в диапазоне 250—300°С. Вместо германия в качестве добавки к халькогенидным стеклам может использоваться иод. Такое стекло готовят в нейтральной атмосфере: при температуре 500—600°С. В качестве исходных компонентов берут 24% As, 65% S, 5% Т1 и 6% I. Стекло наносят на полупро-
Рис. 13.2. Диаграммы состояния систем: a — As—S—TI; б — As—S&-TI
водниковый кристалл с р-га-переходом при температуре 250—300°С и выдерживают при этих условиях в течение нескольких минут.
Стекла сложного состава используют для защиты интегральных микросхем, имеющих алюминиевую разводку на поверхности пластины. Составы стекол, применяемых для защиты ИМС, разнообразны как по составу, так и по своим электрофизическим свойствам. Поэтому каждый состав стекла выбирают в зависимости от конкретных конструктивных особенностей прибора или ИМС и технологии их изготовления. Так, для защиты интегральных схем, выполненных на кремнии и имеющих контактные площадки и то- коведушие дорожки из алюминия, необходимо выбирать составы стекол с температурой плавления, не превышающей температуру эвтектики алюминий — кремний (577?С).
Наиболее часто в качестве стекол сложного состава, используемых для защиты приборов и ИМС (имеющих алюминиевые элементы), применяют многокомпонентные составы на основе свинцо- во-силикатных стекол. В табл. 13.4 приведены наиболее часто используемые составы для защиты полупроводниковых структур, а в табл. 13.5 — свойства этих составов стекла.
Эти многокомпонентные стекла отличаются низкой проницаемостью для различных агрессивных сред (газов и паров) и малым коэффициентом диффузии в них щелочных ионов. Кроме того, они обладают достаточно низкой температурой размягчения, большим электрическим сопротивлением, малыми диэлектрическими потерями и хорошей устойчивостью к расстекловыванию.
Добавка TiO2 приводит к снижению коэффициента температурного расширения без существенного увеличения температуры раз- 298
мягчения. Добавка оксида титана увеличивает влагостойкость, а оксида меди — химическую стойкость.
Таблица 13.4
Номер состава стекла
Компонентг, %
РЬО
в2О3
AI2O3
SiOa
TiO2
CrO
CdO
ZnO
CuO -
1
75
10
12
3,0
—
—
2
85
7,0
—
7,0
—
—
.—
0,5
0,5
3
85
—
—
15
—
—
—
—
4
75
10
10
3
1,0
0,5
0,5
—
—
Таблица
13.5
Свойства стекла
Номер состава стекла
1!
2
3
4
Показатель преломления
1,91
1,85
1,78
1,76
Диэлектрическая прони-
16
15,5
15
14
цаемость
530
Температура размягчения, °C
440
490
530
Удельное сопротивление,
1014
1014
1014
1015
Ом • см
Коэффициент температур-
7,9-10-6
6,8-10-6
5,8-Ю-6
4,7-10-8
кого расширения, 1/=С
1,5
2,2
3,3
4,2
Максимально допустимая
толщина пленки, свободная
от трещин, мкм
Для получения стекла сложного состава отдельные компоненты размельчают в шаровых мельницах до размеров частиц 1,5— 0,1 мкм и разводят в специальных жидкостях до образования суспензий. Для получения однородных, свободных от дефектов пленок стекла большое значение имеют степень измельчения шихты и дисперсионная среда, в которой частицы стекла находятся во взвешенном состоянии. Чем выше степень измельчения, тем выше качество защитной пленки. Для улучшения качества и однородности защитных пленок стекла рекомендуется дисперсионную среду выбирать на основе органических жидкостей с сильно отличающимися диэлектрическими характеристиками, но с одинаковыми вязкостью и летучестью. Однородные по составу пленки стекла могут быть получены при использовании жидкого компонента, имеющего диэлектрическую постоянную в интервале 6—12. Для приготовления суспензии порошкообразное стекло сначала размешивают в жидкости с более высокой диэлектрической постоянной. Это приводит к тому, что имеющиеся в стекле агломераты распадаются и переходят во взвешенное состояние. Кроме того, частицы стекла в жидкости с более высокой диэлектрической постоянной приобре-
тают больший электрический заряд и сильнее отталкиваются друг от друга, что вызывает образование лучшей коллоидной суспензии. При добавлении в такую суспензию жидкости с более низкой диэлектрической постоянной частицы стекла остаются во взвешенном состоянии.
Для приготовления стеклянных суспензий можно использоват^ ацетон, изопропиловый спирт, бензол, этилацетат, трихлорэтилен! хлороформ и их смеси. I
Состав жидкости оказывает большое влияние на свойства зая щитных стеклянных пленок. Для получения пленок малой толщиньг и равномерных по составу и толщине рекомендуется использовать смесь различных жидкостей. Можно применять смесь, состоящую из 10 см3 бутилового спирта, 65 см3 изопропилового спирта и 25 см3 бензина.
Стеклянные суспензии наносят на поверхность полупроводникового кристалла с р-п-переходами методом пульверизации. Образование защитной пленки происходит в процессе термической обработки ее при температуре плавления стекла.
При проведении технологических процессов оплавления стекла необходимо пользоваться вытяжной вентиляцией, так как нагрев стеклянной суспензии сопровождается бурным испарением рабочих жидкостей, являющихся токсичными.
Глава 14
СБОРКА ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ I И ИНТЕГРАЛЬНЫХ МИКРОСХЕМ
Особенности процесса сборки
Сборка полупроводниковых приборов и интегральных микросхем является наиболее трудоемким и ответственным технологическим этапом в общем цикле их изготовления. От качества сборочных операций в сильной степени зависят стабильность электрических параметров и надежность готовых изделий.
Этап сборки начинается после завершения групповой обработки полупроводниковых пластин по планарной технологии и разделения их на отдельные элементы (кристаллы). Эти кристаллы могут иметь простейшую (диодную или транзисторную) структуру или включать в себя сложную интегральную микросхему (с большим количеством активных и пассивных элементов) и поступать на сборку дискретных, гибридных или монолитных композиций.
Трудность процесса сборки заключается в том, что каждый класс дискретных приборов и ИМС имеет свои конструктивные особенности, которые требуют вполне определенных сборочных операций и режимов их проведения.
Процесс сборки включает в себя три основные технологические операции: присоединение кристалла к основанию корпуса; присое- 300
динение токоведущих выводов к активным и пассивным элементам полупроводникового кристалла и внутренним элементам корпуса; герметизация кристалла от внешней среды.
Присоединение кристалла к основанию корпуса
Присоединение кристалла полупроводникового прибора или ИМС к основанию корпуса проводят с помощью процессов пайки, при- плавления с использованием эвтектических сплавов и приклеивания.
Основным требованием к операции присоединения кристалла является создание соединения кристалл — основание корпуса, обладающего высокой механической прочностью, хорошей электро- и теплопроводностью.
Пайка — процесс соединения двух различных деталей без их расплавления с помощью третьего компонента, называемого припоем. Особенностью процесса пайки является то, что припой при образовании паяного соединения находится в жидком состоянии, а соединяемые детали — в твердом.
Сущность процесса пайки состоит в следующем. Если между соединяемыми деталями поместить прокладки из припоя и всю композицию нагреть до температуры плавления припоя, то будут иметь место следующие три физических процесса. Сначала расплавленный припой смачивает поверхности соединяемых деталей. Далее в смоченных местах происходят процессы межатомного взаимодействия между припоем и каждым из двух смоченных им материалов. При смачивании возможны два процесса: взаимное растворение смоченного материала и припоя или их взаимная диффузия. После охлаждения нагретой композиции припой переходит в твердое состояние. При этом образуется прочное паяное соединение между исходными материалами и припоем.
Процесс пайки хорошо изучен, он прост и не требует сложного и дорогостоящего оборудования. При серийном выпуске изделий электронной техники припайка полупроводниковых кристаллов к основаниям корпусов производится в конвейерных печах, обладающих высокой производительностью. Пайка проводится в восстановительной (водород) или нейтральной (азот, аргон) среде. В печи загружают многоместные кассеты, в которые предварительно помещают основания корпусов, навески припоя и полупроводниковые кристаллы. При движении конвейерной ленты кассета с соединяемыми деталями последовательно проходит зоны нагрева, постоянной температуры, охлаждения. Скорость движения кассеты и температурный режим задают и регулируют в соответствии с технологическими и конструктивными особенностями конкретного типа полупроводникового прибора или ИМС.
Наряду с конвейерными печами для припайки полупроводникового кристалла к основанию корпуса используют установки, которые имеют одну индивидуальную нагреваемую позицию, ла кото-
рую устанавливают только одну деталь корпуса (ножку) и один полупроводниковый кристалл. При работе на такой . установке оператор с помощью манипулятора устанавливает кристалл на основание корпуса и производит кратковременный нагрев соединяемого узла. В зону нагрева подается инертный газ. Этот способ соединения деталей дает хорошие результаты при условии предварительного облуживания соединяемых поверхностей кристалла и основания корпуса.
Процесс присоединения кристалла пайкой подразделяют на низкотемпературный (до 400°С) и высокотемпературный (выше 400°С). В качестве низкотемпературных припоев используют сплавы на основе свинца и олова с добавками (до 2%) сурьмы^или висмута. Добавка сурьмы или висмута в оловянно-свинцовый припой позволяет избежать появления «оловянной чумы» в готовых приборах и ИМС при их эксплуатации и длительном хранении. Высокотемпературные припои изготовляют на основе серебра (ПСр-45, ПСр-72 и.др.).
На технологический процесс пайки и качество полученного паяного соединения деталей сильное влияние оказывают чистота соединяемых металлических поверхностей и применяемого припоя, состав атмосферы рабочего процесса и наличие флюсов.
Наиболее широкое применение процесс пайки находит при сборке дискретных полупроводниковых приборов (диодов, транзисторов, тиристоров и Др.). Это объясняется тем, что процесс пайки дает возможность получить хороший электрический и тепловой контакт между кристаллом полупроводника и кристаллодержате- лем корпуса, причем площадь контактного соединения может быть достаточно большой (для приборов большой мощности).
Особое место процесс пайки занимает при закреплении полупроводникового кристалла большой площади на основании корпуса из меди. В этом случае для снижения термомеханических напряжений, возникающих за счет разницы в температурных коэффициентах расширения полупроводниковых материалов и меди, широко используют молибденовые и молибденовольфрамовые термокомпенсаторы, имеющие площадь, равную площади полупроводникового кристалла, а ТКУ— близкий к ТК/ полупроводника. Такая сложная многоступенчатая композиция с двумя прослойками из припоя с успехом используется при сборке полупроводниковых приборов средней и большой мощностей.
Дальнейшее развитие процесс пайки получил при сборке интегральных микросхем по технологии «перевернутого кристалла». Эта технология предусматривает предварительное создание на планарной стороне кристалла с ИМС «шариковых выводов» или «контактных выступов», которые представляют собой бугорки из меди, покрытые припоем или оловом. Такой кристалл располагают на поверхности подложки или на основании корпуса так, чтобы бугорки соприкасались с ней в определенных участках. Таким образом, кристалл переворачивается и его планарная сторона посредством бугорков контактирует с поверхностью основания корпуса.
а)а)При кратковременном нагреве такой композиции происходит прочное соединение контактных выступов полупроводникового кристалла с основанием корпуса. Следует отметить, что те участки поверхности корпуса, с которыми соприкасаются «выступы», предварительно тоже облуживаются. Поэтому в момент нагрева происходит соединение припоя основания корпуса с припоем контактных выступов.
а)
а)
б)б)6)6)Рис. 14.1. Присоединение кристал- лов к подложке методом припаивания:Рис. 14.1. Присоединение кристал- лов к подложке методом припаивания:На рис. 14.1, а показан вариант присоединения кристалла ИМС, имеющего медные облуженные контактные выступы, к подложке. Такая конструкция выводов не боится растекания припоя по подложке. Наличие высокого грибообразного выступа обеспечивает необходимый зазор между полупроводниковым, кристаллом и подложкой при расплавлении припоя. Это позволяет проводить присоединение кристалла к подложке с высокой степенью точности.
б)
б)
6)
6)
Рис. 14.1. Присоединение кристал- лов к подложке методом припаивания:
Рис. 14.1. Присоединение кристал- лов к подложке методом припаивания:
На рис. 14.1, в показан вариант сборки кристаллов, имеющих мягкие столбиковые выводы из припоя на основе олово — свинец.
а — медные облуженные выступы; б — медные необлуженные выступы; в — выступы из сплава олово — свинец* 1 — кристалл; 2 — пленка SiO2; 3 —медный выступ; 4 — олово; 5 —- металлическая пленка; 6 — подложкаа — медные облуженные выступы; б — медные необлуженные выступы; в — выступы из сплава олово — свинец* 1 — кристалл; 2 — пленка SiO2; 3 —медный выступ; 4 — олово; 5 —- металлическая пленка; 6 — подложкаПрисоединение такого кристалла к основанию корпуса проводят обычным нагревом без дополнительного давления на кристалл. Припой контактных выступов при нагревании и расплавлении не растекается по поверхности облуженных участков основания корпуса за счет сил поверхностного натяжения. Это, кроме того, обеспечивает определенный зазор между кристаллом и подложкой.
а — медные облуженные выступы; б — медные необлуженные выступы; в — выступы из сплава олово — свинец* 1 — кристалл; 2 — пленка SiO2; 3 —медный выступ; 4 — олово; 5 —- металлическая пленка; 6 — подложка
а — медные облуженные выступы; б — медные необлуженные выступы; в — выступы из сплава олово — свинец* 1 — кристалл; 2 — пленка SiO2; 3 —медный выступ; 4 — олово; 5 —- металлическая пленка; 6 — подложка
Рассмотренный метод присоединения кристаллов ИМС к основанию корпуса или к какой-либо плате позволяет в значительной степени механизировать и автоматизировать технологический процесс сборки. .F
Приплавление с использованием эвтектических сплавов. Этот способ присоединения полупроводниковых кристаллов к основанию корпуса основан на образовании расплавленной зоны, в которой происходит растворение поверхностного слоя полупроводникового материала и слоя металла основания корпуса.
рую устанавливают только одну деталь корпуса (ножку) и один полупроводниковый кристалл. При работе на такой . установке оператор с помощью манипулятора устанавливает кристалл на основание корпуса и производит кратковременный нагрев соединяемого узла. В зону нагрева подается инертный газ. Этот способ соединения деталей дает хорошие результаты при условии предварительного облуживания соединяемых поверхностей кристалла и основания корпуса.
Процесс присоединения кристалла пайкой подразделяют на низкотемпературный (до 400°С) и высокотемпературный (выше 400°С). В качестве низкотемпературных припоев используют сплавы на основе свинца и олова с добавками (до 2%) сурьмы дли вис-; мута. Добавка сурьмы или висмута в оловянно-свинцовый припой позволяет избежать появления «оловянной чумы» в готовых приборах и ИМС при их эксплуатации и длительном хранении. Высокотемпературные припои изготовляют на основе серебра (ПСр-45* ПСр-72 и.др.).
На технологический процесс пайки и качество полученного пая-; ного соединения деталей сильное влияние оказывают чистота соединяемых металлических поверхностей и применяемого припоя, состав атмосферы рабочего процесса и наличие флюсов.
Наиболее широкое применение процесс пайки находит пр® сборке дискретных полупроводниковых приборов (диодов, транзисторов, тиристоров и др.). Это объясняется тем, что процесс пайки дает возможность получить хороший электрический и теплово! контакт между кристаллом полупроводника и кристаллодержате лем корпуса, причем площадь контактного соединения может быт) достаточно большой (для приборов Дольшой мощности).
Особое место процесс пайки занимает при закреплении полупроводникового кристалла большой площади на основании корпуса из меди. В этом случае для снижения термомеханических напря-^ жений, возникающих за счет разницы в температурных коэффициентах расширения полупроводниковых материалов и меди, широко используют молибденовые и молибденовольфрамовые термокомпенсаторы, имеющие площадь, равную площади полупроводникового кристалла, а ТК/ — близкий к ТК/ полупроводника. Такая сложная многоступенчатая композиция с двумя прослойками из припоя с успехом используется при сборке полупроводниковых приборов средней и большой мощностей.
Дальнейшее развитие процесс пайки получил при сборке интегральных микросхем по технологии «перевернутого кристалла». Эта технология предусматривает предварительное создание на планарной стороне кристалла с ИМС «шариковых выводов» или «контактных выступов», которые представляют собой бугорки из меди- покрытые припоем или оловом. Такой кристалл располагают на поверхности подложки или на основании корпуса так, чтобы бугорки соприкасались с ней в определенных участках. Таким образом, кристалл переворачивается и его планарная сторона посредством бугорков контактирует с поверхностью основания корпуса.
При кратковременном нагреве такой композиции происходит прочное соединение контактных выступов полупроводникового кристалла с основанием корпуса. Следует отметить, что те участки поверхности корпуса, с которыми соприкасаются «выступы», предварительно тоже облуживаются. Поэтому в момент нагрева проис
ходит соединение припоя основания корпуса с припоем контактных выступов.
На рис. 14.1, а показан вариант присоединения кристалла ИМС, имеющего медные облуженные контактные выступы, к подложке. Такая конструкция выводов не боится растекания припоя по подложке. Наличие высокого грибообразного выступа обеспечивает необходимый зазор между полупроводниковым кристаллом и подложкой при расплавлении припоя. Это позволяет проводить присоединение кристалла к подложке с высокой степенью точности.
На рис. 14.1, в показан вариант сборки кристаллов, имеющих' мягкие столбиковые выводы из припоя на основе олово — свинец.
Присоединение такого кристалла к основанию корпуса проводят обычным нагревом без дополнительного давления на кристалл. Припой контактных выступов при нагревании и расплавлении не растекается по поверхности облуженных участков основания корпуса за счет сил поверхностного натяжения. Это, кроме того, обеспечивает определенный зазор между кристаллом и подложкой.
Рис. 14.1. Присоединение кристаллов к подложке методом припаивания:Рис. 14.1. Присоединение кристаллов к подложке методом припаивания:а — медные облуженные выступы; 6 — медные необлуженцые выступы; в — выступы из сплава олово — свинец; 1 — кристалл; 2 — пленка SiO2; 3 — медный выступ; 4 — олово; 5 — металлическая пленка; 6 — подложкаа — медные облуженные выступы; 6 — медные необлуженцые выступы; в — выступы из сплава олово — свинец; 1 — кристалл; 2 — пленка SiO2; 3 — медный выступ; 4 — олово; 5 — металлическая пленка; 6 — подложкаРассмотренный метод присоединения кристаллов ИМС к основанию корпуса или к какой-либо плате позволяет в значительной степени механизировать и автоматизировать технологический процесс сборки. . F
Рис. 14.1. Присоединение кристаллов к подложке методом припаивания:
Рис. 14.1. Присоединение кристаллов к подложке методом припаивания:
а — медные облуженные выступы; 6 — медные необлуженцые выступы; в — выступы из сплава олово — свинец; 1 — кристалл; 2 — пленка SiO2; 3 — медный выступ; 4 — олово; 5 — металлическая пленка; 6 — подложка
а — медные облуженные выступы; 6 — медные необлуженцые выступы; в — выступы из сплава олово — свинец; 1 — кристалл; 2 — пленка SiO2; 3 — медный выступ; 4 — олово; 5 — металлическая пленка; 6 — подложка
Приплавление с использованием эвтектических сплавов. Этот способ присоединения полупроводниковых кристаллов к основанию корпуса основан на образовании расплавленной зоны, в которой происходит растворение поверхностного слоя полупроводникового материала и слоя металла основания корпуса.
В промышленности широкое применение получили два эвтекти- 1 ческих сплава: золото — кремний (температура плавления 370°С) J изолото — германий (температура плавления 356°С). Процесс эвтектического присоединения кристалла к основанию корпуса , ' имеет две разновидности. Первый вид основан на использовании прокладки из эвтектического сплава, которая располагается между соединяемыми элементами: кристаллом и корпусом. В этом виде соединения поверхность основания корпуса должна иметь золотое покрытие в виде тонкой пленки, а поверхность полупроводникового кристалла может не иметь золотого покрытия (для кремния и германия) или быть покрытой тонким слоем золота (в случае присоединения других полупроводниковых материалов). При нагреве такой композиции до температуры плавления эвтектического сплава между соединяемыми элементами (кристалл — основание корпуса) образуется жидкая зона. В этой жидкой зоне происходит с одной стороны растворение слоя полупроводникового материала кристалла (или слоя золота, нанесенного на поверхность кристалла).
После охлаждения всей системы (основание корпуса — эвтектический расплав — полупроводниковый кристалл) происходит затвердевание жидкой зоны эвтектического сплава, а на границе полупроводник — эвтектический сплав образуется твердый раствор. В результате этого процесса создается механически прочное соединение полупроводникового материала с основанием корпуса.
Второй вид эвтектического присоединения кристалла к основанию корпуса обычно реализуется для кристаллов из кремния или германия. В отличие от первого вида для присоединения кристалла не используется прокладка из эвтектического сплава. В этом случае жидкая зона эвтектического расплава образуется в результате нагрева композиции позолоченное основание корпуса — кристалл кремния (или германия). Рассмотрим подробнее этот процесс. Если на поверхность основания корпуса, имеющего тонкий слой золотого покрытия, поместить кристалл кремния, не имеющий золотого покрытия, и всю систему нагреть до температуры на 40— 50°С выше температуры эвтектики золото — кремний, то между соединяемыми элементами образуется жидкая фаза эвтектического состава. Так как процесс сплавления слоя золота с кремнием является неравновесным, то количество кремния и золота, растворившихся в жидкой зоне, будет определяться толщиной золотого по- : крытия, температурой и временем проведения процесса сплавления. ' При достаточно больших выдержках и постоянной температуре ; процесс сплавления золота с кремнием приближается к равновесному и характеризуется постоянным объемом жидкой фазы золото— кремний. Наличие большого количества жидкой фазы может | привести к вытеканию ее из-под кристалла кремния к его перифе- М рии. При затвердевании вытекшая эвтектика приводит к образованию достаточно больших механических напряжений и раковин в структуре кристалла кремния, которые резко снижают прочность сплавной структуры и ухудшают ее электрофизические параметры.
При минимальных значениях времени и температуры сплавление золота с кремнием происходит не равномерно по всей площади соприкосновения кристалла с основанием корпуса, а лишь в ее отдельных точках.
В результате этого уменьшается прочность сплавного соединения, увеличиваются электрическое и тепловое сопротивления контакта и снижается надежность полученной арматуры.
Существенное влияние на процесс эвтектического сплавления оказывает состояние поверхностей исходных соединяемых элементов. Наличие загрязнений на этих поверхностях приводит к ухудшению смачивания контактирующих поверхностей жидкой фазой и неравномерному растворению.
Приклеивание — это процесс соединения элементов друг с другом, основанный на клеящих свойствах некоторых материалов, которые позволяют получать механически прочные соединения между полупроводниковыми кристаллами и основаниями корпусов (металлическими, стеклянными или керамическими). Прочность склеивания определяется силой сцепления между клеем и склеиваемыми поверхностями элементов.
Склеивание различных элементов интегральных схем дает возможность соединять самые разнообразные материалы в различных сочетаниях, упрощать конструкцию узла, уменьшать его массу, снижать расход дорогостоящих материалов, не применять припоев и эвтектических сплавов, значительно упрощать технологические процессы сборки самых сложных полупроводниковых приборов и ИМС.
В результате приклеивания можно получать арматуры и сложные композиции с электроизоляционными, оптическими и токопроводящими свойствами. Присоединение кристаллов к основанию корпуса с помощью процесса приклеивания незаменимо при сборке и.монтаже элементов гибридных, монолитных и оптоэлектронных схем.
При приклеивании кристаллов на основания корпусов применяют различные типы клеев: изоляционные, токопроводящие, светопроводящие и теплопроводящие. По активности взаимодействия между клеем и склеиваемыми поверхностями различают полярные (на основе эпоксидных смол) и неполярные (на основе полиэтилена) .
Качество процесса приклеивания в значительной степени зависит не только от свойств клея, но и от состояния поверхностен склеиваемых элементов. Для получения прочного соединения необходимо тщательно обработать и очистить склеиваемые поверхности. Важную роль в процессе склеивания играет температура. Так, при склеивании элементов конструкций, которые не подвергаются в последующих технологических операциях воздействию высоких температур, можно использовать клеи холодного отверждения на эпоксидной основе. Для приклеивания кремниевых кристаллов к металлическим или керамическим основаниям корпусов обычно используют клей ВК-2, представляющий собой раствор кремний-
органической смолы в органическом растворителе с мелкодиспер-< гированным асбестом в качестве активного наполнителя или . ВК.-32-200, в котором в качестве наполнителя используют стекло или кварц.
Технологический процесс приклеивания полупроводниковых кристаллов проводят в специальных сборочных кассетах, обеспечивающих нужную ориентацию кристалла на основании корпуса и необходимое прижатие его к основанию. Собранные кассеты в зависимости от используемого клеящего материала подвергают определенной термической обработке или выдерживают при комнатной температуре.
Особые группы составляют электропроводящие и оптические клеи, используемые для склеивания элементов и узлов гибридных и оптоэлектронных ИМС. Токопроводящие клеи представляют собой композиции на основе эпоксидных и кремнийорганических смол с добавлением порошков серебра или никеля. Среди них наиболее широкое распространение получили клеи АС-40В, ЭК-А, ЭК-Б, К-3, ЭВТ и КН-1, представляющие собой пастообразные жидкости с удельным электрическим сопротивлением 0,01— 0,001 Ом-см и диапазоном рабочих температур от —60 до +150°С. К оптическим клеям предъявляют дополнительные требования по значению коэффициентов преломления и светопропускания. Наиболее широкое распространение получили оптические клеи ОК-72 Ф, ОП-429, ОП-430, ОП-ЗМ.
Присоединение выводов
В современных полупроводниковых приборах и интегральных микросхемах, у которых размер контактных площадок составляет несколько десятков микрометров, процесс присоединения выводов является одним из самых трудоемких технологических операций.
В настоящее время для присоединения выводов к контактным площадкам интегральных схем используют три разновидности сварки: термокомпрессионную, электроконтактную и ультразвуковую.
Термокомпрессионная сварка позволяет присоединять электрические выводы толщиной несколько десятков микрометров к омическим контактам кристаллов диаметром не менее 20—50 мкм, причем электрический вывод можно присоединить непосредственно к поверхности полупроводника без промежуточного металлического покрытия следующим образом. Тонкую золотую или алюминиевую проволоку прикладывают к кристаллу и прижимают нагретым стержнем. После небольшой выдержки проволока оказывается плотно сцепленной с поверхностью кристалла. Сцепление происходит вследствие того, что даже при небольших удельных давлениях, действующих на кристалл полупроводника и не вызывающих его разрушения, локальное давление в микровыступах на поверхности может быть весьма большим. Это приводит к пластической деформации выступов, чему способствует подогрев до температуры ниже 306
эвтектической для данного металла и полупроводника, что не вызывает каких-либо изменений в структуре кристалла. Происходящая деформация (затекание) микровыступов и микровпадин обусловливает прочную адгезию и надежный контакт вследствие ван- дер-ваальсовых сил сцепления, а с повышением температуры между соединяемыми материалами более вероятна химическая связь.
Термокомпрессионная сварка имеет следующие преимущества: а) соединение деталей происходит без расплавления свариваемых материалов; б) удельное давление, прикладываемое к кристаллу, не приводит к механическим повреждениям полупроводникового материала; в) соединения получают без загрязнений, так как не используют припои и флюсы.
К недостаткам следует отнести малую производительность процесса.
Термокомпрессионную сварку можно осуществлять путем соединений внахлест и встык. При сварке внахлест электрический проволочный вывод, как отмечалось, накладывают на контактную площадку кристалла полупроводника и прижимают к нему специальным инструментом до возникновения деформации вывода. Ось проволочного вывода при сварке располагают параллельно плоскости контактной площадки. При сварке встык проволочный вывод приваривают торцом к контактной площадке. Ось проволочного вывода в месте присоединения перпендикулярна плоскости контактной площадки.
Сварка внахлест обеспечивает прочное соединение кристалла полупроводника с проволочными выводами из золота, алюминия, серебра и других пластичных металлов, а сварка встык — только с выводами из золота. Толщина проволочных выводов может составлять 15—100 мкм.
Присоединять выводы можно как к чистым кристаллам полупроводника, так и к контактным площадкам, покрытым слоем напыленного золота или алюминия. При использовании чистых поверхностей кристалла увеличивается переходное сопротивление контакта и ухудшаются электрические параметры приборов.
Элементы, подлежащие термокомпрессионной сварке, проходят определенную технологическую обработку. Поверхность кристалла полупроводника, покрытую слоем золота или алюминия, обезжиривают.
Золотую проволоку отжигают при 300—600°С в течение 5— 20 мин в зависимости от способа соединения деталей. Алюминиевую проволоку протравливают в насыщенном растворе едкого натра при 80°С в течение 1—2 мин, промывают в дистиллированной воде и сушат.
Основными параметрами режима термокрмпрессионной сварки являются удельное давление, температура нагрева и время сварки. Удельное давление выбирают в зависимости от допустимого напряжения сжатия кристалла полупроводника и допустимой деформации материала привариваемого вывода. Время сварки выбирают экспериментальным путем.
Относительная деформация при термокомпрессионной сварке
6 =6 =0,8—) 100%,ь0,8—) 100%,ь
6 =
6 =
0,8—) 100%,
ь
0,8—) 100%,
ь
где d— диаметр проволоки, мкм; b— ширина соединения, мкм.
Давление на инструмент определяют, исходя из распределения напряжений на стадии завершения деформации:
Рис. 14.2. Номограмма для выбора режимов термокомпрессионной сварки:Рис. 14.2. Номограмма для выбора режимов термокомпрессионной сварки:а — золотой проволоки с пленкой алюминия; б — алюминиевой проволоки с пленкой алюминияа — золотой проволоки с пленкой алюминия; б — алюминиевой проволоки с пленкой алюминия
Рис. 14.2. Номограмма для выбора режимов термокомпрессионной сварки:
Рис. 14.2. Номограмма для выбора режимов термокомпрессионной сварки:
а — золотой проволоки с пленкой алюминия; б — алюминиевой проволоки с пленкой алюминия
а — золотой проволоки с пленкой алюминия; б — алюминиевой проволоки с пленкой алюминия
где А— коэффициент, характеризующий изменение напряжений в процессе деформации проволоки; / — приведенный коэффициент трения, характеризующий трение между инструментом, проволокой и подложкой; е — относительная деформация; от — предел текучести материала проволоки при температуре деформации; d— диаметр проволоки; D — диаметр прижимного инструмента, равный обычно (24-3) d.
На рис. 14.2 приведены номограммы режимов термокомпрессионной сварки золотой (а) и алюминиевой (б) проволоки с алюминиевыми контактными площадками. Эти номограммы дают возможность оптимального выбора соотношения между давлением, тепературой и временем.
Термокомпрессионная сварка имеет довольно много разновид^ ностей, которые можно классифицировать по способу нагрева, по способу присоединения, по форме инструмента. По способу нагрева различают термокомпрессионную сварку с раздельным нагревом иглы, кристалла или пуансона, а также с одновременным нагревом двух из этих элементов. По способу присоединения термокомпрессионная сварка может быть встык и внахлест. По форме инструмента различают «птичий клюв», «клин», «капилляр» и «иглу» (рис. 14.3).
При сварке инструментом «птичий клюв» одно и то же устройство подает проволоку, присоединяет ее к контактным площадкам интегральной схемы и автоматически обрывает, не выпуская ее из 308
«клюва». Инструмент в виде «клина» прижимает конец проволоки к подложке, при этом вдавливается не вся проволока, а только центральная ее часть. При сварке с помощью «капиллярного инструмента» проволока проходит через него. Капиллярный наконечник одновременно служит инструментом, передающим давление на проволоку. При сварке «иглой» конец проволочного вывода подводят в зону сварки специальным механизмом и накладывают на контактную площадку, а затем прижимают ее иглой с определенным усилием.
а — «птичий клюв»; б — «клин»; в — «капилляр»; г — «игла»
Для осуществления процесса термокомпрессионной сварки используются различные установки, основными узлами которых являются: рабочий столик с нагревательной колонкой или без нее, механизм создания давления на присоединяемый вывод, рабочий инструмент, механизм подачи и обрыва проволоки для выводов, механизм подачи кристаллов или деталей с присоединенным к ним кристаллом, механизм совмещения соединяемых элементов, оптическая система визуального наблюдения процесса сварки, блоки питания и управления. Все перечисленные узлы могут иметь различное конструктивное исполнение, однако принцип их устройства и характер выполняемой работы одинаков.
Так, рабочий столик всех установок служит для закрепления кристалла или корпуса интегральной схемы в определенном положении. Обычно рабочий столик термокомпрессионных установок является сменным, что позволяет закреплять кристаллы различных размеров и геометрических форм. Нагревательная колонка служит для нагрева кристаллов или корпусов до требуемой температуры и позволяет регулировать ее в пределах 50—500°С с точностью регулировки + 5°С. Механизм создания давления предназначен для прижатия вывода к контактной площадке кристалла и обеспечивает регулирование усилия от 0,01 до 5 Н с точностью ±5%. Рабочий инструмент является одним из основных узлов термокомпрессионной установки. Его изготовляют из твердых сплавов типа ВК-6М, ВК-15 (для инструментов «птичий клюв» и «капилляр»)
или из синтетического корунда (для «клина» и «иглы»). Конструк- 1 ция механизма подачи и отрыва проволоки зависит от типа уста- I новки и формы рабочего инструмента. Наиболее широко распрост- 1 ранены два способа отрыва; рычажный и электромагнитный. Про- цесс отрыва проволочного вывода после изготовления термоком- ( прессионного соединения на кристалле интегральной схемы без " нарушения его прочности во многом зависит от конструктивных ~ особенностей механизма. Механизм подачи кристаллов или деталей к месту сварки представляет собой обыкновенные зажимы ■ или сложные кассеты, смонтированные на рабочем столике уста- 5 новки. Наибольшая производительность достигается при использо- | вании кассет с металлической лентой, на которой корпуса или 1 кристаллы предварительно ориентируются в заданной плоскости I и в определенном положении. Механизм совмещения обычно вклю- । чает в себя манипуляторы, которые позволяют перемещать кри- ; ■сталл до его совмещения с соединяемыми элементами. Обычно используют манипуляторы двух видов: рычажные и пантографные. Оптическая система визуального наблюдения состоит из бинокулярного микроскопа или увеличительного экрана-проектора. В зависимости от размеров присоединяемых элементов выбирают увеличение оптической системы от 10 до 100 крат.
Электроконтактная сварка применяется для присоединения металлических выводов к контактным площадкам кристаллов полупроводниковых приборов и интегральных микросхем. Физическая сущность процесса электроконтактной сварки заключается в нагреве соединяемых элементов в локальных участках приложения электродов. Разогрев локальных областей соединяемых элементов 1 происходит за счет возникающего в местах контакта материала с электродами максимального электрического сопротивления при i прохождении через электроды электрического тока. Основными параметрами процесса электроконтактной сварки являются значение сварочного тока, скорость нарастания тока, время воздействия тока на соединяемые элементы и сила прижатия электродов к сое- 1 диняемым деталям.
В настоящее время для присоединения выводов к контактным площадкам кристаллов интегральных схем используются два способа электроконтактной сварки: с односторонним расположением : двух электродов и с односторонним расположением одного сдвоенного электрода. Второй способ отличается от первого тем, что рабочие электроды выполнены в виде двух токонесущих элементов, ; разделенных между собой изоляционной прокладкой. В момент прижатия такого электрода к проволочному выводу и пропускания через образовавшуюся систему электродного тока происходит выделение большого количества теплоты в месте контакта. Внешнее давление в сочетании с разогревом деталей до температуры пластичности или расплавления приводит к прочному их соединению.
Технологическое оборудование для присоединения выводов методом электроконтактной сварки включает в себя следующие ос- i новные узлы: рабочий столик, механизм создания давления на 310
электрод, механизм подачи и отрезки проволоки, рабочий инструмент, механизм подачи кристаллов или корпусов с кристаллами, механизм совмещения соединяемых элементов, оптическую систему визуального наблюдения процесса сварки, блоки питания и управления. Рабочий столик служит для расположения .на нем кристаллов или корпусов с кристаллами. Механизм создания давления на электрод позволяет прикладывать усилия 0,1—0,5 Н. Принцип действия механизма подачи и отрезки проволоки основан на движении проволоки через капиллярное отверстие и отрезании ее рычажным ножом. Форма и материал рабочего инструмента оказывают большое влияние на качество и производительность процесса электро- контактной сварки. Обычно рабочая часть наконечников электродов имеет форму усеченной пирамиды и изготовляется из высокопрочного материала на основе карбида вольфрама марки ВК-8. Механизм подачи кристаллов включает в себя набор кассет, а механизм совмещения — систему манипуляторов, которые позволяют располагать кристалл в нужном положении. Оптическая визуальная система наблюдения состоит из микроскопа или проектора. Блок питания и управления позволяет задавать рабочий режим сварки и производить его перестройку и регулировку при смене типа кристалла и материала вывода.
Ультразвуковая сварка, применяемая для присоединения выводов к контактным площадкам, полупроводниковых приборов и интегральных схем, имеет следующие преимущества: отсутствие нагрева соединяемых элементов, малое время сварки, возможность сварки разнородных и трудносвариваемых материалов. Отсутствие нагрева позволяет получать соединения без плавления свариваемых деталей. Малое время сварки дает возможность повысить производительность процесса сборки.
Механизм образования соединения между выводом и контактной площадкой при ультразвуковой сварке определяется пластической деформацией, удалением загрязнения, самодиффузией и силами поверхностного натяжения. Процесс ультразвуковой сварки характеризуется тремя основными параметрами: амплитудой и частотой ультразвуковых колебаний, значением приложенного давления и временем проведения процесса сварки. Установки для ультразвуковой сварки состоят из следующих основных узлов: рабочего столика, механизма создания давления, механизма подачи и отрезки проволоки, ультразвукового сварочного устройства и оптической системы.
Герметизация кристалла
После того как полупроводниковый кристалл ориентирован и закреплен на основании корпуса и к его контактным площадкам присоединены выводы, его необходимо защитить от влияния окружающей среды, т. е. создать вокруг него герметичную и механически прочную оболочку. Такая оболочка может быть создана либо присоединением к основанию корпуса специальной крышки (бал-
лона), которая накрывает полупроводниковый кристалл и изолирует его от внешней среды, либо обволакиванием основания корпуса с расположенным на нем полупроводниковым кристаллом пластмассой, которая также отделяет кристалл от внешней среды.
Для герметичного соединения основания корпуса с крышкой ■или баллоном (дискретный вариант полупроводниковых приборов) широко используют пайку, электроконтактную и холодную сварку, а для" герметизации кристалла на держателе — заливку, обволакивание и опрессовку пластмассой.
Пайка. Пайку применяют для герметизации как дискретных приборов, так и ИМС. Наибольшее практическое использование этот процесс нашел при сборке и герметизации корпусов диодов и транзисторов. Элементы конструкции корпусов включают в себя отдельные узлы и блоки, полученные на основании процессов пайки: металла с металлом, металла с керамикой и металла со стеклом. Рассмотрим эти виды пайки.
Пайка металла с металлом уже рассматривалась в § 14.2. Поэтому здесь остановимся лишь на технологических особенностях, которые связаны с получением герметичных паяных соединений.
Основными элементами паяного соединения при герметизации интегральных схем являются основание корпуса и крышка. Процесс соединения основания корпуса с крышкой может проводиться либо с использованием прослойки припоя, которая располагается между основанием корпуса и крышкой в виде кольца, либо без прослойки припоя. Во втором случае края основания корпуса и крышки предварительно облуживают припоем.
При герметизации диодов, транзисторов и тиристоров в зависимости от конструкции корпуса могут иметь место несколько паяных соединений. Так, пайкой соединяют кристаллодержатель с баллоном и герметизируют верхние выводы корпуса тиристора.
К процессу пайки при герметизации предъявляют требования по чистоте исходных деталей, которые предварительно подвергаются очистке, промывке и сушке. Процесс пайки проводят в вакууме, инертной или восстановительной среде. При использовании флюсов пайку можно проводить на воздухе. Флюсы в значительной степени улучшают смачивание и растекание припоя по соединяемым поверхностям деталей, а это залог образования герметичного паяного шва. По выполняемой роли флюсы подразделяют, на две группы: защитные и активные. Защитные флюсы предохраняют детали от окисления в процессе пайки, а активные способствуют восстановлению оксидов, образовавшихся в процессе пайки. В качестве защитных флюсов наиболее часто используют растворы канифоли. Активными флюсами служат хлористый цинк и хлористый аммоний. Для пайки используют припои ПОС-40 и ПОС-60.
Пайка керамики с металлом. В полупроводниковой технике, как и в электровакуумной, широкое применение находят спаи керамики с металлом, которые обеспечивают более надежную герметизацию интегральных схем.
Припои, которые используют для пайки металла с металлом, не смачивают поверхность керамических деталей и поэтому не спаиваются с керамическими деталями корпусов интегральных схем.
Для получения паяных соединений керамики с металлом ее предварительно металлизируют. Металлизация проводится с помощью паст, которые наносят на керамическую деталь. Хорошее сцепление металлизационного слоя с поверхностью керамики достигается высокотемпературным вжиганием. При вжигании паст растворитель улетучивается, а металлические частицы прочно соединяются с поверхностью керамической детали. Толщина воз- жженного слоя металла составляет обычно несколько микрометров. Нанесение и вжигание пасты можно повторять по нескольку раз, при этом толщина слоя увеличивается и качество металлизационного слоя улучшается. Полученную таким образом металлизированную керамику можно паять обычными припоями.
Распространенным способом нанесения металлических покрытий на детали керамических корпусов является спекание слоя ме- таллизационной пасты с керамикой при высокой температуре. В качестве исходных материалов используются порошки молибдена, вольфрама, рения, тантала, железа, никеля, марганца, кобальта,’ хрома, серебра и меди с размерами зерен в несколько микрометров. Для приготовления паст эти порошки разводят в связующих веществах: ацетоне, амилацетате, метиловом спирте и др.
Пайка металлизированных керамических деталей с металлическими проводится обычным способом.
Пайка стекла с металлом. Стекло ни с одним из чистых металлов не спаивается, так как чистая поверхность металлов не смачивается или плохо смачивается жидким стеклом.
Однако если поверхность металла покрыта слоем оксида, то смачивание улучшается, оксид частично растворяется в стекле и после охлаждения может произойти герметичное соединение. Основная трудность при изготовлении спаев металл — стекло состоит в подборе компонентов стекла и металла с достаточно близкими значениями коэффициентов термического расширения во всем диапазоне от температуры плавления стекла до минимальной рабочей температуры полупроводникового прибора. Даже небольшое различие в коэффициентах термического расширения может привести к образованию микротрещин и разгерметизации готового прибора.
Для осуществления пайки стекла с металлом для получения герметичных спаев необходимо: подбирать компоненты с одинаковыми коэффициентами термического расширения; применять стеклянный припой в виде суспензии с металлическим порошком; постепенно переходить от металла к основному стеклу с помощью промежуточных стекол; металлизировать поверхность стекла.
Для получения герметичных спаев стекла с металлом используют три способа нагрева исходных деталей: в пламени газовой горелки, с помощью токов высокой частоты, в муфельных или сили- товых печах. Во всех случаях процесс проводят на воздухе, так как наличие оксидной пленки способствует процессу пайки.
Электроконтактная сварка. Этот процесс широко используется для герметизации корпусов полупроводниковых приборов и интегральных микросхем. Она основана на расплавлении определенных частей соединяемых металлических деталей за счет прохождения через них электрического тока. Сущность процесса электро- контактной сварки состоит в том, что к свариваемым деталям подводят два электрода, на которые подают определенное напряжение. Так как площадь электродов значительно меньше, чем площадь свариваемых деталей, то при прохождении через всю систему электрического тока в месте соприкосновения свариваемых деталей, находящихся под электродами, выделяется большое количество теплоты. Это происходит за счет большой плотности тока в малом объеме материала свариваемых деталей. Большие плотности тока разогревают контактные участки до расплавления определенных еон исходных материалов.
При прекращении действия тока температура контактных участков снижается, что влечет за собой остывание расплавленной зоны и ее рекристаллизацию. Полученная таким образом рекристаллизационная зона герметично соединяет однородные и разнородные металлические детали друг с другом.
Форма сварного шва зависит от геометрической конфигурации рабочих электродов. Если электроды выполнены в виде заостренных стержней, то сварка получается точечной. Если электроды в виде трубки, то сварочный шов имеет форму кольца. При пластинчатой форме электродов сварочный шов имеет вид полосы.
Большое значение для качественной герметизации корпусов приборов электросваркой имеет материал, из которого изготовляют рабочие электроды. К материалу электродов предъявляют повышенные требования по тепло- и электропроводности, а также по механической прочности. Для удовлетворения этих требований электроды делают комбинированными, выполненными из двух материалов, один из которых обладает высокой теплопроводностью, а другой — механической прочностью. Широкое распространение получили электроды, основание которых изготовлено из меди, а сердечник (рабочая часть) — из сплава вольфрама с медью.
Наряду с комбинированными используют электроды, выполненные из однородного металла или сплава. Так, для сваривания стальных деталей используют электроды из меди (Ml и М3) и бронзы (0,4—0,8% хрома, 0,2—0,6% цинка, остальное — медь). Для сварки материалов с высокой электропроводностью (медь, серебро и т. п.) применяют электроды из вольфрама и молибдена.
Электроды должны хорошо прилегать друг к другу по рабочим свариваемым поверхностям. Наличие дефектов на рабочих поверхностях деталей (риски, вмятины, раковины и т. п.) приводит к неравномерному разогреву свариваемых участков деталей и образованию негерметичного сварного шва в готовом изделии. Особое внимание следует уделять креплению электродов в электродержателях, так как при плохом креплении между ними возникает так называемое переходное сопротивление, которое приводит к разо- 314
греву самих электрододержателей. Электроды должны быть строго соосны между собой. Отсутствие соосности электродов приводит к возникновению брака при сварке.
Качество сварки в большой степени зависит от выбранного электрического и временного режима. При малом значении сварочного тока выделяющаяся теплота оказывается недостаточной для нагрева деталей до температуры плавления свариваемых металлов, в этом случае получается так называемый «непровар» деталей. При большом значении сварочного тока выделяется слишком большое количество теплоты, которое может расплавить не только место сварки, но и всю деталь, что связано с «пережогом» деталей и выплеском металла.
Большое значение имеет время прохождения сварочного тока через электроды и детали. Как только включается сварочный ток, в месте контакта начинается разогрев свариваемых деталей, причем точки плавления достигают только поверхностные слои металла. Если в этот момент выключить ток, то получится непрочная сварка. Чтобы получить прочный сварной шов, необходимо время для образования расплавленного ядра по всей локальной площадке свариваемых деталей. Перегрев ядра расплавленного металла приводит к его разрастанию и выплеску металла наружу. В результате этого могут образовываться раковины, которые резко снижают механическую прочность и герметичность сварных швов.
Перед проведением процесса электроконтактной сварки все детали корпусов интегральных схем подвергают тщательной обработке (промывке, обезжириванию, травлению, зачистке и т. п.).
Качество сварки контролируют внешним осмотром и с помощью поперечных разрезов сваренных изделий. Основное внимание уделяется механической прочности и герметичности сварных швов.
Холодная сварка. Метод герметизации холодной сваркой широко используется в электронной промышленности. В тех случаях, когда при герметизации исходных деталей корпусов недопустим их нагрев и требуется высокая чистота процесса, применяют холодную сварку—сварку под давлением. Кроме того, холодная сварка обеспечивает прочное герметичное соединение наиболее часто используемых разнородных металлов (меди, никеля, ковара и стали).
К недостаткам данного метода следует отнести наличие значительной деформации деталей корпусов в месте соединения, что приводит к существенному изменению формы и габаритных размеров готовых изделий.
Изменение наружного диаметра корпуса прибора зависит от толщины исходных свариваемых деталей. Изменение наружного диаметра готового прибора после проведения процесса холодной сварки
Д£)=(0,6- 1,3)(5В+5И),
где SB — толщина буртика верхней детали до сварки; SH — толщина буртика нижней детали до сварки.
Большое значение для проведения процесса холодной сварки имеет наличие на поверхности соединяемых деталей пленки оксида. Если эта пленка пластичная и более мягкая, чем основной металл, то под давлением она растекается во все стороны и утоньшается, разделяя тем самым чистые металлические поверхности, в результате чего сварка не происходит. Если оксидная пленка более хрупкая и твердая, чем покрываемый ею металл, то под давлением она трескается, причем растрескивание происходит одинаково на обеих соединяемых деталях. Загрязнения, имевшиеся на поверхности пленки, оказываются упакованными с обеих сторон в своеобразные пакеты, прочно зажатые по краям. Дальнейшее увеличение давления приводит к растеканию чистого металла к периферийным участкам. Наибольшее растекание происходит в серединной плоскости образовавшегося шва, благодаря чему все пакеты с загрязнениями вытесняются наружу, а чистые поверхности металла, вступая в межатомные взаимодействия, прочно сцепляются друг с другом.
Таким образом, хрупкость и твердость — это основные качества оксидной пленки, обеспечивающие герметичное соединение. Так как у большинства металлов толщина покрытия оксидными пленками не превосходит 10-7 см, детали из таких металлов перед сваркой никелируют или хромируют. Пленки никеля и хрома обладают достаточной твердостью и хрупкостью и, следовательно, значительно улучшают сварное соединение.
Перед проведением процесса холодной сварки все детали обезжиривают, промывают и сушат. Для образования качественного соединения двух металлических деталей необходимо обеспечить достаточную деформацию, пластичность и чистоту свариваемых деталей.
Степень деформации К при холодной сварке должна находиться в пределах 75—85%:
где 2/7— суммарная толщина свариваемых деталей; t— толщина сварного шва.
Прочность сварного соединения
P = 0ADHo,
где Р— усилие разрыва; D — диаметр отпечатка выступа пуансона; Н — толщина одной из свариваемых деталей с наименьшим размером; а — предел прочности на растяжение с наименьшим значением.
Для деталей корпусов при холодной сварке рекомендуются следующие сочетания материалов: медь МБ — медь МБ, медь МБ — медь Ml, медь МБ — сталь 10, сплав Н29К18 (ковар) —медь МБ, ковар — медь Ml.
Критические давления, необходимые для пластической деформации и холодной сварки, например для сочетания медь —медь, составляют 1,5-10® Н/м2, для сочетания медь ковар они равны 2-Ю9 Н/м2. .
Герметизация пластмассой. Дорогостоящую герметизацию стеклянных, металлостеклянных, металлокерамических и металлических корпусов в настоящее время успешно заменяют пластмассовой герметизацией. В ряде случаев это повышает надежность приборов и ИМС, так как устраняется контакт полупроводникового кристалла с газовой средой, находящейся внутри корпуса.
Пластмассовая герметизация позволяет надежно изолировать кристалл от внешних воздействий и обеспечивает высокую механическую и электрическую прочность конструкции. Для герметизации ИМС широко используют пластмассы на основе эпоксидных, крем- , нийорганических и полиэфирных смол.
Основными методами герметизации являются заливка, обволакивание и опрессовка под давлением. При герметизации заливкой используют полые формы, в которые помещают полупроводниковые кристаллы с припаянными внешними выводами. Внутрь форм заливают пластмассу.
При герметизации приборов обволакиванием берут два (или более) вывода, изготовленных из ленточного или проволочного материала, соединяют их между собой стеклянной или пластмассовой бусой и на один из выводов напаивают полупроводниковый кристалл, а к другому (другим) выводу присоединяют электрические контактные проводники. Полученную таким образом сборку герметизируют обволакиванием пластмассой.
Наиболее перспективным путем решения проблемы сборки, и герметизации приборов является герметизация кристаллов с активными элементами на металлической ленте с последующей герметизацией пластмассой. Преимущество этого метода герметизации состоит в возможности механизации и автоматизации процессов сборки различных типов ИМС. Основным элементом конструкции пластмассового корпуса является металлическая лента. Для выбора профиля металлической ленты необходимо исходить из размеров кристаллов, тепловых характеристик приборов, возможности монтажа готовых приборов на печатную плату электронной схемы, максимальной прочности на отрыв от корпуса, простоты конструкции.
Технологическая схема пластмассовой герметизации прибора включает в себя основные этапы планарной технологии. Присоединяют полупроводниковые кристаллы с активными элементами к металлической ленте, покрытой золотом, эвтектическим сплавлением золота с кремнием или обычной пайкой. Металлическую ленту изготовляют из ковара, меди, молибдена, стали, никеля.
Глава 15
КОНСТРУКЦИИ КОРПУСОВ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ И ИМС
Общие сведения о корпусах
Для защиты полупроводникового кристалла с активными и пассивными элементами от внешних механических, климатических и световых воздействий его помещают в специальный корпус. Корпус является важным элементом полупроводникового прибора и ИМС, от конструкции которого во многом зависят их надежность и нормальная работоспособность.
Основные функции корпуса: объединение всех элементов прибора в единый комплекс; отвод теплоты от полупроводникового кристалла; предотвращение передачи механических напряжений к кристаллу; обеспечение изоляции токоведущих частей; защита от влаги, газов и агрессивных сред.
По виду оболочки корпуса могут быть стеклянные, металло- стеклянные, металлокерамические, металлические с проходными изоляторами и пластмассовые.
К корпусам полупроводниковых приборов и ИМС предъявляют высокие Требования по механической устойчивости, герметичности, циклическим изменениям повышенных и пониженных температур, троп иксустойчивости и устойчивости к космической радиации.
Согласно ГОСТ 18472—82 (СЭВ 1818—79) все полупроводниковые приборы по форме корпуса, их габаритным и присоединительным размерам разбиты на соответствующие типы и их модификации. Каждому типу корпуса и его модификации присвоено обозначение. Все корпуса полупроводниковых приборов принято обозначать буквой К (корпус). Рядом с буквой К проставляют букву Д (диод), что в сочетании дает обозначение корпуса диода (КД), или букву Т (транзистор), что дает обозначение корпуса транзистора (КТ). После этих двух букв следуют дефис и цифра, обозначающая номер модификации корпуса.
Следовательно, корпус диода с порядковым номером 27 и номером модификации 2 имеет обозначение КД-27-2 ГОСТ 18472—82. Корпус транзистора с порядковым номером 34 и номером модификации 4 имеет обозначение КТ-34-4.
Корпуса диодов общего назначения имеют порядковые номера от КД-1 до КД-31, корпуса диодов СВЧ-диапазона — от КД-101 до КД-129. Корпуса транзисторов имеют порядковые номера от КТ-1 до КТ-39.
Корпуса интегральных микросхем подразделяют на пять типов (ГОСТ 17467—79). Деление корпусов ИМС на типы проводят по форме проекции тела корпуса на плоскость основания и расположению выводов корпуса. Первый тип корпуса имеет четыре подтипа (11, 12, 13, 14), второй — два подтипа (21, 22), третий — три подтипа (13, 32, 33), четвертый — два подтипа (41, 42), пятый—■
один подтип (51). Каждый подтип может иметь несколько модификаций, которые обозначают двузначными цифрами от 01 до 99.
Все корпуса ИМС имеют следующие обозначения: 1201.14-1. В этой записи цифры 1201 означают порядковый номер подтипа корпуса (12) и порядковый номер модификации (01). За этим числом следует точка. За точкой стоит цифра 14, которая показывает число выводов ИМС. После цифры 14 идет дефис, а за ним цифра 1, показывающая порядковый регистрационный номер.
Для изготовления корпусов полупроводниковых приборов и ИМС широко используют спаи металла со стеклом и керамикой, а также различные пластмассы.
Конструкции корпусов диодов общего назначения
Диодами общего назначения являются выпрямительные и импульсные диоды, варикапы, стабилитроны и ряд специальных типов диодов (генераторы шума, ДНЗ и др.).
Несмотря на большое различие в электрических параметрах и сфере применения этих приборов, при их изготовлении и массовом производстве можно использовать типовые конструкции корпусов. Для данного класса приборов используют несколько десятков конструкций корпусов, различающихся как методом получения, так и способом монтажа приборов в радиоаппаратуре. Рассмотрим конструктивные особенности основных типов корпусов.
Конструкции стеклянных корпусов (КД-1, КД-2, КД-3). Наиболее широкое распространение получили два конструкционных варианта стеклянного корпуса. На рис. 15.1, а показана конструкция стеклянного корпуса, которая состоит из проволочных кристалло- держателя и иглодержателя и стеклянного корпуса. Соединение указанных элементов корпуса в единый объект проводят в два этапа. Сначала изготовляют спай проволочного вывода из платинита с бусой из стекла С88-1. Затем вывод с бусой вставляют в стеклянную трубку и спаивают стекло бусы со стеклом трубки. Аналогичную операцию проводят и для второго вывода с бусой, при этом происходит герметизация корпуса.
Второй вариант стеклянного корпуса (рис. 15.1,6) в отличие от предыдущего не ийеет предварительной операции спая вывода с бусой. Корпус в этом случае создается в результате одной операции спая стеклянной трубки с двумя выводами. Металлические выводы в этой конструкции корпуса могут быть составными, изготовленными из двух разнородных металлов. Часть выводов, которая непосредственно соединяется со стеклом, может быть изготовлена из платинита или молибдена, а та часть выводов, которая не соединяется со стеклом, может быть изготовлена из меди, никеля, платинита. Основные размеры этих типов корпусов приведены в табл. 15.1.
Рассмотренные стеклянные конструкции корпусов являются малогабаритными, простыми в изготовлении и дешевыми в промышленном производстве. Недостатками этих конструкций явля-
ются невысокая механическая прочность спая металла со стеклом и возможность появления трещин в стекле при многократном изгибании выводов при монтаже.
Рис. 15.1. Конструкции стеклянных корпусов: 1 — стеклянная трубка; 2 — вывод; 3 —стеклобуса
Конструкция металлостеклянных корпусов (КД-4, КД-5, КД-6, КД-7). Для приборов с мощностью рассеяния более 100 мВт стеклянный корпус использовать нельзя из-за его высокого теплового сопротивления. В этом случае используют конструкции металлостеклянного корпуса. Рассмотрим две модификации металлостек-
Таблица 15.1
Тип корпуса
Размеры, мм
D
G
ь
кд-1-1
1,0—1,5
2,0—3„0
0,25—0,35
26—30
КД-1-2
1,0—1,5
2,0—3,0
0,25—0,35
18—22
КД-1-3
1,0—1,5
2,0—3,0
01,25—0,35
6—10
КД-2-1
1,5—2,2
3,5—5,4
0,45—0,56
25
КД-3-1
1,6—2,7
3,5—7,6
0,45—0,56
26—30
лянного корпуса. На рис. 15.2, а показана конструкция металлостеклянного корпуса, которая включает в себя два металлических держателя, стеклянную трубку и две переходные коваровые втулки. Последовательность операции создания корпуса состоит в предварительном изготовлении баллона корпуса. Баллон представляет собой соединение на основе металлостеклянных спаев трубки из стекла С-49-2 и двух втулок из сплава 29НК. Металлические втулки служат для центровки держателей и их закрепления при оконча- 320
тельной сборке корпуса прибора. Держатели кристалла и вывода представляют собой отрезки проволоки разного диаметра, соединенные между собой ударной конденсаторной стыковой сваркой. Окончательную герметизацию корпуса прибора производят пайкой в конвейерной печи в атмосфере водорода. В качестве припоя используют ПОС-61 в виде штампованных колец.
Рис. 15.2. Конструкции металлостекляиных корпусов:
/ — стеклянная трубка; 2 — коваровые втулки; 3 — вывод; 4 — припой;
5 — стаканы, 6 — колпачки
Второй разновидностью конструкции металлостеклянного корпуса является конструкция, представленная на рис. 15.2,6. Эта конструкция состоит из баллона, двух разрезных стаканов и двух колпачков с проволочными или ленточными выводами. Баллон корпуса выполняют на основе металлостеклянного спая трубки из стекла С49-2 и двух трубок из их сплава 29НК (ковар). Разрезные стаканы из листового никеля получают методом глубокой вытяжки. Эти стаканы вставляют в коваровые трубки баллона. На внешние части трубок, которые выступают за пределы стеклянного баллона, надевают никелевые колпачки с предварительно приваренными к ним выводами. Окончательную герметизацию корпуса осуществляют пайкой припоем ПОС-61.
Основные размеры этих типов корпусов приведены в табл. 15.2, Рассмотренные металлостеклянные конструкции корпусов широко используются в серийном производстве полупроводниковых приборов. Недостатком конструкции является наличие на заключительном этапе сборки прибора процесса пайки с использованием
флюса, однако использование при пайке инертной атмосферы знал чительно повышает качество готовых приборов.
Таблица 15.2
Тип корпуса
Размеры, мм
D
G
Ь
1
КД-4-1
2,4—3,0
6,5—7,5
0,4—0,6
26—30
КД-4-2
2,4—3,0
6,5—7,5
0i,4—0,6
22—28
КД-4-1
3,2—4,0
6,5—7,5
0,9—1,1
25
КД-6-1
3,2—4,0
9,0—12,0
0,5—0,7
26—30
КД-7-1
3,4—3,8
6,0—7,0
0,8—1,1
26—30
Конструкции металлических корпусов с проходным изолятором (КД-8, КД-9, КД-11). Для герметизации полупроводниковых приборов с мощностью рассеяния свыше 1 Вт используют, как правило, металлические конструкции корпусов с проходными изоляторами. Особенностью этих корпусов является наличие массивных кристаллодержателей с проволочным (КД-8 и КД-9) или винтовым (КД-П) выводом.
На рис. 15.3,а показана конструкция металлического корпуса со стеклянным проходным изолятором. Корпус состоит из кристал-
лятора’ ^ Конструкции металлических корпусов с проходными изо-
УЫД?нсталлодержатель: 2 —баллон: з — стеклоизолятор; 4 — трубка: 5 —
лодержателя, изготовленного из ковара или малоуглеродистой стали, и баллона. По периферии кристаллодержатель имеет кольцевой выступ, который обеспечивает получение надежного соединения при электроконтактной сварке с баллоном корпуса. К внешней части кристаллодержателя приваривают вывод из никеля. Баллон корпуса состоит из металлической оболочки, стеклоизолятора и металлической трубки, которые соединены между собой прочными металлостеклянными спаями. Оболочку баллона изготовляют холодной штамповкой из ленты 29НК или 47НД. Трубку изготовляют из ковара. Для образования прочного герметичного спая оболочки баллона со стеклом и стекла с трубкой используют стек- лотаблетки из стекла С-48-2 или С-72-4. При сборке прибора полупроводниковый кристалл припаивают к основанию кристаллодержателя, а верхний вывод от кристалла пропускают через трубку баллона. Баллон соединяют с кристаллодержателем кольцевой электроконтактной сваркой. Окончательную герметизацию корпуса проводят с помощью обжима и проварки верхнего конца трубки баллона с пропущенным через нее выводом от полупроводникового кристалла. К обжатой части трубки приваривают проволочный вывод из никеля.
На рис. 15.3, б показана конструкция (КД-11-1) металлического корпуса с проходным изолятором, которая применяется для приборов с мощностью рассеяния свыше 2 Вт. Данная конструкция имеет кристаллодержатель в виде шестигранника с винтом, что позволяет крепить корпус на теплоотводящем радиаторе. Кристаллодержатель изготовляют из меди штамповкой с пооперационным отжигом полуфабрикатов для перекристаллизации и перевода меди в пластичное состояние. Резьбу на хвостовике кристаллодержателя выполняют накаткой с использованием резьбонакатного устройства. Баллон корпуса аналогичен рассмотренному в предыдущей конструкции, только больше по габаритным размерам. Отличительной особенностью данной конструкции корпуса является соединение баллона с кристаллодержателем, осуществляемое методом холодной сварки. Окончательную герметизацию корпуса производят так же, как в предыдущем случае, т. е. обжимом и проваркой трубки с выводом. Отличительной особенностью данного корпуса является наличие отверстия в обжатой части трубки.
Основные размеры металлических корпусов с проходными изоляторами приведены в табл. 15.3.
Таблица 15.3
Тип корпуса
Размеры, мм
А
D
Dv
G
Qi
Qi
6i
62
КД-8-1
7,1—8,1
5,5—7,0
3,0—5,0
12—14
83-31
19—25
0,5—0,7
0,9—1,1
КД-9-1
8,1—9,1
9,6—10,0
3,2—8,2
16—18
45—5
25—33
0,7—0,9
. 0,9—1,1
КД-П-1
6,5
12—12,8
8—10,5
—
16—20
10—11,5
3,3—6,3
Л45—6Л
Необходимо отметить, что во всех конструкциях металлических
корпусов, в которых предусмотрено соединение баллона с кристал- лодержателем холодной сваркой, кристаллодержатели имеют две конструктивные особенности: наличие в центральной части кри- сталлодержателя выступа для напайки полупроводникового кристалла; наличие разгрузочной кольцевой канавки, предотвращаю-
Рис. 15,4. Конструкция пластмассовых корпусов диодов:а — корпус типа КД-14. получаемый методом заливки в форму; б —корпуса типа КД-17— КД-20, получаемые опрессовкой под давлением; в —корпуса типа КД-21—КД-23. получаемые трансферным литьем; г — корпус типа КД-30, получаемый методом обволакиванияРис. 15,4. Конструкция пластмассовых корпусов диодов:а — корпус типа КД-14. получаемый методом заливки в форму; б —корпуса типа КД-17— КД-20, получаемые опрессовкой под давлением; в —корпуса типа КД-21—КД-23. получаемые трансферным литьем; г — корпус типа КД-30, получаемый методом обволакивания
Рис. 15,4. Конструкция пластмассовых корпусов диодов:
а — корпус типа КД-14. получаемый методом заливки в форму; б —корпуса типа КД-17— КД-20, получаемые опрессовкой под давлением; в —корпуса типа КД-21—КД-23. получаемые трансферным литьем; г — корпус типа КД-30, получаемый методом обволакивания
Рис. 15,4. Конструкция пластмассовых корпусов диодов:
а — корпус типа КД-14. получаемый методом заливки в форму; б —корпуса типа КД-17— КД-20, получаемые опрессовкой под давлением; в —корпуса типа КД-21—КД-23. получаемые трансферным литьем; г — корпус типа КД-30, получаемый методом обволакивания
щей передачу деформации кристаллодержателя от периферии к центру при проведении холодной сварки.
Конструкции пластмассовых корпусов (КД-14—КД-30). Дорогостоящие стеклянные, металлостеклянные и металлические корпуса в настоящее время успешно заменяются пластмассовыми корпусами. Это повышает надежность прибора, так как устраняется контакт между полупроводниковым кристаллом и атмосферой, находящейся внутри корпуса.
Для создания пластмассового корпуса широко используют различные пластические материалы: заливочные компаунды и пресс- порошки. При использовании заливочных компаундов пластмассовый корпус создается в результате заливки компаунда в специальные формы, в которые предварительно загружают арматуру с полупроводниковым кристаллом и электродными выводами. После процесса полимеризации заливочный компаунд затвердевает и образует прочный герметичный пластмассовый корпус. Если в каче- 324
стве исходного пластического материала используется пресс-порошок, то образование пластмассового корпуса происходит в результате прессования двух таблеток, между которыми предварительно располагают арматуру с полупроводниковым кристаллом и электродными выводами, или после трансферного литья в формы.
Основным конструктивным элементом пластмассовых корпусов является ленточный профиль, перфорированный по определенному рисунку и имеющий два выступа.
На один из выступов с помощью пайки или эвтектического сплавления прикрепляют полупроводниковый кристалл, а другой служит для присоединения термокомпрессионного вывода. Выступы с полупроводниковым кристаллом и выводом обвалакивают пластмассой для образования корпуса определенной формы (рис. 15.4).
Основные размеры пластмассовых корпусов приведены в табл. 15.4.
Таблица 15.4
Тип корпуса
Размеры, мм
А ,
в
Ь
с
е
D |/
h
к
Q
КД-14-1-
4,0— 4,5
1,9— 2,5
ОД- ОД
0,1— 0,2
2,4— 2,6
4,5— 5,0
4,5— 7,5
1,0
1—1,3
0,6— 1,2
КД-17-1
1,9— 2,4
2,0— 2,5
1—
1,25
0,2— 0,3
—
3,5— 4,0
7,0— 8,0
1,5
—
—
КД-18-1
2—2,5
2—2,5
ОД- ОД
0,2— 0,3
—
3,9— 4,2
4,5— 7,5
ГД
—
—
КД-19-1
3,5—
40
5—5,5
0,6— 0,9
0,4— од
—
6,1 — 7,0
26—30
1,5
—
—
КД-20-1
4,0— 4 5
5—5,5
1,4— 1,9
0,2— 0.3
7,1 — 8,0
26—30
1,5
—
—
КД-21-1
4,0— 4 5
—
—
0,5— 0.7
—
4,5— 5,0
^6—30
2,5
—
2,5
КД-22-1
4,0- 4,5
—
—
3,5— 0,7
6,4— 7,0
26-30
2,5
—
2Д
КД-23-1
4,0— 4,5
—
—
,5— ' 5
—
13,3— 14,0
26—30
2,5
—
2,5
КД-30-1
—
0.5
1.:
—
2,8
16—20
1,0— 2,0
§ 15.3.
Конструкции корпусов тиристоров
Тиристоры представляют собой особый класс полупроводниковых приборов, у которых кристалл содержит три р-л-перехода, образующих многослойную структуру р-п-р-п-типа. Для герметизации полупроводниковых кристаллов с такой структурой используются металлические корпуса с проходным изолятором (КД-12, КД-13, КД-31). .
На рис. 15.5 представлена конструкция корпуса КД-31-1, предназначенная для тиристоров средней мощности. Корпус состоит из кристаллодержателя с резьбовым хвостовиком и баллона. Кристал-
лодержатель изготовляют из меди. Кроме резьбового хвостовика он имеет круглое основание, заканчивающееся шестигранником под ключ, и разгрузочную канавку по периметру основания. В центре основания кристаллодержателя имеется выступ для прикрепления полупроводникового кристалла. В некоторых случаях между выступом кристаллодержателя и полупроводниковым кри-
Рис. 15.5. Конструкция корпуса тиристора средней мощности:
/ — кристаллодержатель; 2 — баллон; 3— изолятор; 4 — коваровые трубки: 5— выводы
сталлом располагают термокомпенсационную прокладку из мо- либдена. Для защиты от окисления медный кристаллодержатель покрывают слоем никеля.
Баллон корпуса представляет собой металлостеклянный спай между оболочкой баллона, стеклотаблеткой и двумя трубками. Оболочку баллона изготовляют из листового ковара холодной штамповкой. Стеклотаблетку из стекла С-49-2 прессуют из порошка с последующим спеканием. Трубки изготовляют из ковара.
Соединение баллона с кристаллодержателем производят с помощью холодной сварки. Окончательную герметизацию осуществляют обжимом и проваркой двух трубок, через которые предварительно пропущены электродные выводы от полупроводникового кристалла. На концы обжатых трубок приваривают наконечники, имеющие сквозные отверстия для присоединения монтажных проводов.
Основные размеры металлических корпусов с проходным изолятором для тиристоров приведены в табл. 15.5.
Таблица 15.5
Тип
'Размеры, мм
корпуса
л
1 D
1 Dt
Е
F
N
V
КД-12-1 кд-13-1 кд-31-i
10—14
11—15 15,5
12—13 15-16 20
10—11
11 — 12
13,5
10—11 13—14
17
2,5—4,0 2,5—5,4 6,0
20—24 26—30
90—110
10—11
10—11
10—11
М5—6А М5—6Л 446—6g
Конструкции корпусов диодов СВЧ-диапазона
Конструкции корпусов диодов СВЧ-диапазона достаточно специфичны и разнообразны. Это объясняется применением этих диодов в СВЧ-волноводных системах, в которых требуется специальный их монтаж. Необходимо отметить, что большинство конструкций
Рис. 15.6. Конструкции корпусов СВЧ-диодов:Рис. 15.6. Конструкции корпусов СВЧ-диодов:
Рис. 15.6. Конструкции корпусов СВЧ-диодов:
Рис. 15.6. Конструкции корпусов СВЧ-диодов:
/ — кристаллодержатель; 2 — керамическая втулка; 3 — металлическое кольцо; 4 — крышка; 5-—термокомпенсатор; 6 — баллон корпуса; 7 узел изолятора
корпусов этого класса имеют вид патрона. Рассмотрим наиболее широко используемые конструкции корпусов приборов этого класса.
На рис. 15.6 показана конструкция корпусов типа КД-107— КД-НО. Отличительной чертой данных корпусов является многоцелевое назначение и унификация деталей. Корпуса предназначены для параметрических, смесительных, переключательных, огра-
327
ничительных и умножительных диодов СВЧ-диапазона. Эти конструкции состоят из кристаллодержателя, керамической втулки и металлического кольца. Керамическая втулка соединяется с кристаллодержателем и металлическим кольцом с помощью высокотемпературного припоя ПСр-72. Кристаллодержатель и кольцо покрывают слоем золота. Окончательную герметизацию корпуса осуществляют путем присоединения к металлическому кольцу баллона корпуса металлической крышки электроконтактной сваркой. Керамическую втулку изготовляют из высокоглиноземистой керамики М7 или 22ХС. Крышку делают из ковара.
На рис. 15.6, а представлена конструкция корпуса для мощных умножительных диодов (КД-1Н, КД-112). Особенностью данной конструкции является наличие крышки, выполненной в виде штыря определенного диаметра. Другой конструктивной особенностью является наличие термокомпенсационной прокладки из ковара между медным кристаллодержателем и керамической втулкой. Последнее обстоятельство связано с тем, что из-за больших размеров корпуса осуществить спай керамической втулки с кристаллодержателем без компенсатора невозможно. Полупроводниковый кристалл напаивают на кристаллодержатель через термокомпенсирующую прокладку из молибдена. Электродный вывод от полупроводникового кристалла с помощью термокомпрессионной сварки присоединяют к кольцевому фланцу баллона. Окончательную герметизацию осуществляют присоединением к фланцу баллона крышки-штыря электроконтактной сваркой.
На рис. 15.6,6 показана конструкция корпуса типа КД-113. Основными узлами этой конструкции являются керамическая втулка с резьбой из керамики СНЦ, металлическая втулка, кристаллодержатель и иглодержатель. Металлическая втулка, иглодержатель и кристаллодержатель изготовляют из латуни. Металлическая втулка соединяется с кристаллодержателем резьбовым способом. Керамическая втулка соединяется с металлической втулкой и иглодержателем посредством герметизирующих компаундов на основе эпоксидных смол с различными отвердителями. Для создания хорошей коммутации приборов в волноводных трактах все металлические детали корпуса покрывают слоем серебра.
На рис. 15.6, в представлена конструкция корпусов типа КД-117, КД-118, предназначенная для маломощных параметрических диодов СВЧ-диапазона. Конструкция корпуса выполнена на основе металлокерамического спая. Керамическая трубка из керамики М7 или 22ХС образует с двумя металлическими втулками из ковара герметичное паяное соединение. В данном случае используют припой ПСр-72. Втулки могут быть резьбовые и безрезьбовые в зависимости от методов крепления корпуса прибора в аппаратуру. В отверстия втулок запрессовывают с одной стороны кристаллодержатель с полупроводниковым кристаллом, с другой.— иглодержатель. Окончательную герметизацию осуществляют пайкой выходных отверстий металлических втулок низкотемпературным припоем ПОС-61.
На рис. 15.6, г, б приведена конструкция корпусов типа КД-127, КД-128, которые используют для приборов, монтируемых в коаксиальные линии СВЧ-аппаратуры. Конструкция корпуса включает в себя следующие основные детали: баллон, узел изолятора и кри- сталлодержатель. Баллон корпуса изготовляют из латуни. Узел изолятора выполняют на основе спая иглодержателя из ковара и коварового кольца со стеклом С-49-2.
Узел изолятора впаивают во внутреннюю часть баллона. В противоположный от узла изолятора конец баллона ввинчивают резьбовой кристаллодержатель с напаянным на него полупроводниковым кристаллом. Закрепление кристаллодержателя и окончательную герметизацию корпуса производят пайкой с помощью низкотемпературного припоя.
Основные размеры корпусов диодов СВЧ-диапазона приведены в табл. 15.6.
Таблица 15.6
Тип корпуса
Размеры, мм
А
D
Di
d
/
W
F
di
КД-107-1
0,7—1,1
1,9—2,4
0,9—1,3
1,7—1,2
1,8—2,0
0,25— 0,5
—
КД-108-1
1,6—2,0
3,2—3,7
1,5—1,9
1,5—1,6
1,8-2,0
—
0,3—
0,6
—
КД-109-1
1,6—2,0
3,2—3,7
2,0—2,4
1,5—1,6
1,8—2,0
—
0,3— 0,6
КД-ИО-1
2,6—3,1
3,2—3,7
1,9—2,3
1,5—1,6
1,8—2,0
—
0,3— 0,6
КД-1П-1
9,8—11,0
5,3—5,8
3,6—4,1
2,3—2,4
3,6—4,8
—
—
—
КД-112-1
9,8—11,0
7,1—7,7
5,4—6,0
2,3—2,4
3,6—4,8
-—
—
■—
КД-113-1
20
7,3—7,5
6,2—6,3
2,3—2,4
4,7—4,8
—
1,2— 1,3
—
КД-117-1
2,6—3,0
1,9—2,3
—
1,5—1,6
1,4—1,5
—
—
—
КД-118-1
5,6—6,1
3,4—3,8
—
2,3—2,4
2,9—3,0
М3
—
•—
КД-127-1
15,7—
16,2
4,4—4,5
4,0—4,02
1,3—1,4
—
-—
—
0,5— 0,6
КД-128-1
15,7—
16,2
4,9—5,0
4,0—4,02
1,3—1,4
0,5— 0,6
Конструкции корпусов туннельных диодов
Особую группу приборов составляют туннельные диоды, конструкции корпусов которых значительно отличаются от конструкций приборов других классов. В основе конструкции заложен таблеточный вариант корпуса. Внешними выводами служат ленточные полоски или крышки корпуса.
На рис. 15.7, а показана конструкция корпуса типа КД-101. Корпус состоит из кристаллодержателя, верхнего фланца и керамической втулки, образующих единое герметичное металлокерами-
ческое соединение—баллон. Кристаллодержатель и верхний фланец имеют гибкие ленточные выводы для использования прибора при подвесном монтаже электронной аппаратуры. В качестве изоляционного керамического материала применяют стеатитовую керамику СК-1, из которой изготовляют втулки определенных размеров. Торцовые части керамических втулок подвергают металлизации молибденомарганцевой или молибденожелезной пастой.
Рис, 15.7. Конструкции корпусов туннельных диодов:
/ — кристаллодержатель; 2 — верхний фланец; 3 — керамическая втулка; 4 — крышка
Кристаллодержатель и верхний фланец изготовляют из сплава 29НК. Окончательную герметизацию корпуса осуществляют путем электроконтактной сварки крышки из никеля или ковара с фланцем баллона. Для уменьшения вероятности попадания выплесков металла при сварке внутрь корпуса между крышкой и фланцем баллона помещают защитную прокладку.
На рис. 15.7,6 представлена конструкция корпусов типа КД-102—КД-Ю4 для туннельных диодов, используемых в полосковых линиях. В этой конструкции по сравнению с предыдущей отсутствуют гибкие ленточные выводы. Корпус представляет собой плоскую таблетку. Основу корпуса составляет баллон, выполненный с помощью спая двух металлических деталей (кристаллодер- жателя и фланца) с керамической втулкой. Окончательную герметизацию корпуса проводят привариванием к фланцу баллона крышки из никеля или ковара.
Основные размеры корпусов туннельных диодов приведены в табл. 15.7.
Таблица 15.7
Тип корпуса
Размеры, мм
А
D
Dx
ь
1
F
КД-101-1 КД-102-1 КД-ЮЗ-1 КД-104-1
1,7—2,1 0,9—1,3 1,2—1,6 2,5—2,9
4,0—4,7 2,0—2,4 3,2—3,7 3,2—3,7
2,6—3,0 0,9—1,3 1,9—2,3 2,0—2,4
0,15—0,3
7,0—7,5
0,3—0,6 0,3—0,6 0,3—0,6
Конструкции корпусов транзисторов
Значительную часть корпусов полупроводниковых приборов как по объему производства, так и по количеству типономиналов составляют конструкции для транзисторов.
Для герметизации полупроводниковых кристаллов с транзисторными структурами п-р-п и р-п-р в основном используют металлические корпуса с проходными изоляторами и корпуса, выполненные с применением пластмасс.
Рис. 15.8. Конструкции корпусов транзисторов:
; — кристаллодержатель; 2 — проходной изолятор: 3 — крышка; 4 — выводы
Конструкции металлического корпуса с проходными изоляторами (КТ-1—КТ-3, КТ-34, КТ-35). Конструкции корпусов этого типа, как правило, состоят из двух основных частей: ножки и баллона. Полупроводниковый кристалл присоединяют к основанию ножки. Ножку корпуса изготовляют на основе спая стеклотаблетки из стекла С48-2 с отверстиями для выводов и фланца. Выводы и фланец— коваровые. Фланец представляет собой чашечку с отверстиями и буртиком. В зависимости от модификации ножка может содержать от двух до пяти выводов, причем один из выводов при- 331
Тип корпуса
Длина ВЫВОДОВ,
Число выводов
КТ-1, КТ-2-1, КТ-3-1
КТ-1-6, КТ-2-6, КТ-3-6 КТ-1-11, КТ-2-11, КТ-3-11 КТ-1-16, КТ-2-16, КТ-3-16
7,5-
9,5
2
3
4
5
КТ-1-2, КТ-2-2, КТ-3-2
КТ-1-7, КТ-2-7, КТ-3-7
КТ-1-12, КТ-2-12, КТ-3-12 КТ-1-17, КТ-2-17, КТ-3-17
12,5—
14,5
2
3
4
5
КТ-1-3, КТ-2-3, кт-з-з КТ-1-8, КТ-2-8, КТ-3-8
КТ-1-13, КТ-2-13, КТ-3-13
КТ-1-18, КТ-2-18, КТ-3-18
19—21
2
3
4
5
КТ-1-4, КТ-2-4, КТ-3-4 КТ-1-9, КТ-2-9, КТ-3-9 КТ-1-14, КТ-2-14, КТ-3-14 КТ-1-19, КТ-2-19, КТ-3-19
22—24
2
3
4
5
КТ-1-5, КТ-2-5, КТ-3-5
КТ-1-10, КТ-2-10, кт-з-ю КТ-1-15, КТ-2-15, КТ-3-15 КТ-1-20, КТ-2-20, КТ-3-20
25
2
3
4
5
КТ-34-1, КТ-35-1
7,5—
9,5
4
КТ-34-2, КТ-35-2
12,5—
14,5
4
КТ-34-3, КТ-35-3
19,0—
21
4
КТ-34-4, КТ-35-4
25
4
варен к металлическому фланцу и является базовым. Необходимо отметить, что благодаря наличию протяженного металлостеклянного спая и большого объема стекломассы ножка корпуса обладает хорошей механической прочностью и высокой надежностью. Изменение количества выводов не требует специальной дорогостоящей оснастки. Фланец ножки при штамповке за счет смены пуансонов может иметь любое число отверстий для выхода изолированных друг от друга выводов. Аналогично изготовляют стеклотаблетку с двумя, тремя или четырьмя отверстиями. Таким образом, для изготовления ножек с различным числом выводов необходим один комплект оснастки.
Металлические детали корпуса в зависимости от специфики применения транзистора имеют никелевое или золотое покрытие. Наружные концы выводов для удобства монтажа в аппаратуре облуживают припоем ПОС-61.
Баллон корпуса
ставляет собой
пред
полый ци
линдр из стали СТЮ или
никеля, на конце которого имеется буртик для соеди-
шнv-v 1 vTi vy^jlHK ДЛЯ С06ДИ" нения с ножкой корпуса. При герметизации корпуса баллон надевают на чашечку ножки, где он фиксируется буртиком ножки. Окончательную герметизацию проводят электроконтактной сваркой. На рис. 15.8, а показана конструкция корпуса типа КТ-1.
В табл. 15.8 приведены модификации корпусов типа КТ-1, КТ-2, КТ-3, КТ-14, КТ-35.
Основные размеры корпусов этих типов приведены в табл. 15.9.
Кроме рассмотренных производятся и другие виды металлических корпусов с проходным изолятором, например КТ-4, КТ-5, 332
Тип корпуса
Размеры, мм
л
а
D
О,
F
6
1
кт-1
4,3—5,3
2,2—2,6
5,3—5,8
4,5—4,9
0,5—1,0
0,5
30
КТ-2
6,1—6,6
4,7—5,3
8,6—9,4
7,9—8,5
1,0—2,0
0,5
30
кт-з
4,2—4,7
4,7—5,3
8,6—9,4
7,9—8,5
1,0—2,0
0,5
30
КТ-34
9,7—10,0
2,54
5,4—5,6
4,5—4,7
1,0
0,5
20
КТ-35
1,65—2,15
2,54
5,4—5,8
4,5—4,9
1,0
0,5
20
КТ-6 и КТ-7, которые применяют для транзисторов средней мощности. Корпуса этих типов имеют медные кристаллодержатели с резьбовым хвостовиком и шестигранником под ключ при монтаже в аппаратуру. На верхнюю периферийную область кристаллодер- жателя припаивают никелевое кольцо с рельефным выступом для проведения качественной электроконтактной сварки. Баллон корпуса представляет собой металлокерамический спай никелевой- оболочки, керамического изолятора из керамики 22ХС и трех никелевых трубок. Другой вариант баллона для данного типа корпуса изготовляют на основе металлостеклянного спая коваровой оболочки, стеклотаблетки из стекла С-49-2 и трех коваровых трубок. Соединение баллона с кристаллодержателем проводят с помощью электроконтактной сварки или пайки. Окончательную герметизацию осуществляют обжимом и проваркой трубок, через которые предварительно пропущены выводы от полупроводникового кристалла.
На рис. 15.8,6 показана конструкция корпуса КТ-4, характерная для рассмотренного варианта металлического корпуса с винтом.
Основные размеры корпусов этих типов приведены в табл. 15.10.
Таблица 15.10
Тип
Размеры, мм
корпуса
А
а
1 °
о,
1 £
N
р
b
N,
КТ-4
6,6—7,6
4,7—5,3
12—12,8
10,7
10—11
10—11
Л45—№
10—11
1,2
1,5-
КТ-5
12—14
12—13
24—25
19—20
21—22
12—13
MS—%h
17—20
2,6
1,5
КТ-6
9,8—11
9,9—10
18—19
14—15
16—17
10—11
AJ6—6Л
20—22
з,о
2,0.
КТ-7
12—13
12—13
24—25
18—19
21—22
11 — 12
448—8Л
24—26
3,0
2,0
Пластмассовые конструкции корпусов транзисторов широко применяют для герметизации различных классов приборов. Существуют разнообразные конструктивные варианты пластмассовых корпусов, однако все они получаются с помощью трех основных технологических операций: заливкой пластмассы в формы, опрессовкой пресс-порошков и трансферным литьем. Основанием для крепления полупроводникового кристалла с транзисторной структурой может служить металлическая перфорированная по опреде-
Рис. 15.9. Пластмассовые конструкции корпусов транзисторов:Рис. 15.9. Пластмассовые конструкции корпусов транзисторов:■а — КТ-12; б —КТ-27; в —КТ-28; г — КТ-37■а — КТ-12; б —КТ-27; в —КТ-28; г — КТ-37
Рис. 15.9. Пластмассовые конструкции корпусов транзисторов:
Рис. 15.9. Пластмассовые конструкции корпусов транзисторов:
■а — КТ-12; б —КТ-27; в —КТ-28; г — КТ-37
■а — КТ-12; б —КТ-27; в —КТ-28; г — КТ-37
ленному рисунку лента, металлический кристаллодержатель с винтом или без винта.
На рис. 15.9 представлены четыре типа пластмассовых корпусов (КТ-12, КТ-27, КТ-28 и КТ-37), полученных методом заливки компаунда в силиконовые формы. Полупроводниковый кристалл размещают на металлической ленте и закрепляют с помощью пайки или эвтектического приплавления. Разводка выводов от кристалла к соответствующим местам перфорированной ленты осуществляется методом термокомпрессии.
На рис. 15.10, а показаны
конструкции корпусов типов КТ-14, КТ-16, КТ-29 и кт-31, полученные методом опрессовки и трансферного литья.
Основные размеры пластмассовых корпусов транзисторов приведены в табл. 15.11.
Таблица 15.11
Тип корпуса
Размеры, мм
л
В
D
1
ь
с
L
КТ-12
4,0—4,4
1,9—2,5
4,5—5,0
12—13
0,5—0,7
0,3
КТ-13
4,5—5,0
2,4—3,0
6,7—7,2
6—7
0,6—^0
0i,2
КТ-14
1,7—2,7
—
4,8—5,3
4,5—5,5
0,6—1,3
0,2
К1 -16
4,0—5,9
1,4—1,6
6,8—7,2
4,8—5,0
2,4—2^6
0'1—0,18
19—20
КТ-26
4,4—5,2
3,2—4,2
4,4—5,2
12—14
0,7
0,5 '
0 3—1,1
КТ-28
3,6—3,8
—
14—15
12—14
0,6—1,1
КТ-29
2,3—2,7
—
4,8—5,2
8—9
0,7—1,0
0^24
7 7
КТ-31
6,1—6,9
—
12—12,9
—
5—5,7
6,12—
27
КТ-37
5,0—5,2
3,9—4;5
5,0—5,2
12,5—
14,5
0,5
0,18 0,4—0,5
—
Конструкции корпусов источников света
Полупроводниковые источники света — класс приборов, который получает все более широкое применение в устройствах оптической связи, буквенной и цифровой индикации, в счетно-решающих устройствах и световых панелях.
Основная особенность конструкции корпусов источников света — наличие выходного окна для прохождения света от полупро- 334
водникового кристалла. Наиболее широкое распространение для источников света нашли пластмассовые конструкции корпусов.
На рис. 15.11,а показана конструкция корпуса семисегментного девятиразрядного цифрового индикатора АЛС-318. Основой конст-
Рис. 15.10. Пластмассовые конструкции корпусов транзисторов:
а —КТ-14; б —КТ-16; в — КТ-29; г —КТ-31
рукции корпуса служит изоляционная подложка из стеклопластика, на которую предварительно нанесена металлизированная коммутационная система контактных площадок и токоведущих дорожек. На эту подложку с помощью эпоксидных компаундов приклеивают девять полупроводниковых кристаллов, каждый из которых имеет семь светоизлучающих структур. Герметизация полупроводниковых кристаллов осуществляется заливкой или опрессовкой таким образом, что над кристаллами образуется система прозрачных линз. На краях корпуса имеются выступы, улучшающие видимость светового излучения прибора. Электрические сигналы подаются на 17 металлизированных контактов, расположенных на передней части изоляционной подложки. Для улучшения монтажа корпуса в аппаратуру в контактных площадках имеются отверстия.
Рис. 15.11. Конструкции корпусов многоразрядных цифровых индикаторов:Рис. 15.11. Конструкции корпусов многоразрядных цифровых индикаторов:На рис. 15.11,6 представлена конструкция пластмассового корпуса семисегментного пятиразрядного цифрового индикатора АЛС-311А. Корпус состоит из пластмассового основания, в котором имеется 14 выводов, и системы прозрачных линз, соединенных друг с другом. Полупроводниковые кристаллы со светоизлучающими структурами приклеивают к основанию корпуса и герметично закрывают светопрозрачными линзами. Аналогичная конструкция корпуса для цифрового индикатора АЛС 311Б имеет 12 выводов и 4 кристалла с линзами. ■
Рис. 15.11. Конструкции корпусов многоразрядных цифровых индикаторов:
Рис. 15.11. Конструкции корпусов многоразрядных цифровых индикаторов:
На рис. 15.12, а представлен пластмассовый корпус одноразрядного семисег-
« — девятиразрядный; б — пятиразрядныйМСНТНОГО ЦИфрОВОГО ИНДИКЗ-
тора АЛС-304. Данную конструкцию корпуса получают опрессовкой полупроводникового кристалла, расположенного на арматуре с десятью выводами.
Рис. 15.12. Конструкции корпусов одноразрядных цифровых индикаторов:
а — 35-элементиый; б — семисегментный
336.
■ На рис. 15.12,6 показана пластмассовая конструкция корпуса 8 одноразрядного 35-элементного цифробуквенного индикатора с пе- ж рекрестной коммутацией. Корпус имеет 14 выводов, расположен- $ ных на темновой стороне корпуса перпендикулярно его поверх- Я ности.
Я Основные размеры корпусов источников света приведены в Я табл. 15.12.
а Таблица 15.12
Тип корпусаРазмеры, ммА1 Б1 в5| ЬС1Lx° 1бАЛС 31849,57,018,52,5 2,05——1,913АЛС 31118,96,67,52,5 1,50,54153,7—1,83,0АЛ 3046,35,3з,о1,0 0,50,254,5;15,3102,43,02,0АЛ 30619,510,53,27,5 0,5—7,3 .——1,38,96,5Тип корпусаРазмеры, ммА1 Б1 в5| ЬС1Lx° 1бАЛС 31849,57,018,52,5 2,05——1,913АЛС 31118,96,67,52,5 1,50,54153,7—1,83,0АЛ 3046,35,3з,о1,0 0,50,254,5;15,3102,43,02,0АЛ 30619,510,53,27,5 0,5—7,3 .——1,38,96,5Конструкции корпусов интегральных микросхем
Тип корпуса
Размеры, мм
А
1 Б
1 в
5| Ь
С
1
Lx
° 1
б
АЛС 318
49,5
7,0
18,5
2,5 2,0
5
—
—
1,9
13
АЛС 311
18,9
6,6
7,5
2,5 1,5
0,5
4
15
3,7
—
1,8
3,0
АЛ 304
6,3
5,3
з,о
1,0 0,5
0,25
4,5;
15,3
10
2,4
3,0
2,0
АЛ 306
19,5
10,5
3,2
7,5 0,5
—
7,3 .
—
—
1,3
8,9
6,5
Тип корпуса
Размеры, мм
А
1 Б
1 в
5| Ь
С
1
Lx
° 1
б
АЛС 318
49,5
7,0
18,5
2,5 2,0
5
—
—
1,9
13
АЛС 311
18,9
6,6
7,5
2,5 1,5
0,5
4
15
3,7
—
1,8
3,0
АЛ 304
6,3
5,3
з,о
1,0 0,5
0,25
4,5;
15,3
10
2,4
3,0
2,0
АЛ 306
19,5
10,5
3,2
7,5 0,5
—
7,3 .
—
—
1,3
8,9
6,5
Все корпуса интегральных микросхем разбиты на пять типов па форме проекции тела корпуса на плоскость основания и по расположению проекции выводов на плоскость основания.
Первый тип. Корпуса этого- типа имеют прямоугольную форму проекфии тела на -плоскость основания и одностороннее перпендикулярное расположение выводов в пределах проекции тела корпуса. Корпуса этого типа имеют четыре подтипа (11, 12, 13 и 14), различающиеся размерами корпуса и расположением выводов относительно плоскости основания.
Тип корпусаРазмеры, ммАБВ1Z, | dь1101.7-119,54,5203—80,52,252,51,50,51102.9-124,54,5203—80,52,252,51,50,5Тип корпусаРазмеры, ммАБВ1Z, | dь1101.7-119,54,5203—80,52,252,51,50,51102.9-124,54,5203—80,52,252,51,50,5Таблица 15.13Таблица 15.13а Корпус подтипа 11 имеет две модификации 1101.7-1 и 1102-9-1,1 различающиеся габаритными размерами и числом выводов (табл.515.13).I 12-210337а Корпус подтипа 11 имеет две модификации 1101.7-1 и 1102-9-1,1 различающиеся габаритными размерами и числом выводов (табл.515.13).I 12-210337Корпус подтипа 11 имеет прямоугольную форму и перпендикулярное расположение выводов в один ряд по центру основания (рис. 15.13, а). Корпус подтипа 12 имеет прямоугольную форму и перпендикулярное расположение выводов в два ряда, сдвинутых от центра корпуса к его краям (рис. 15.13,6). Корпус подтипа 13 имеет прямоугольную форму и перпендикулярное расположение выводов с определенным шагом по всему основанию (рис. 15.13,в). Корпус подтипа 14 также имеет прямоугольную форму и перпендикулярное расположение выводов по контуру основания (рис. 15.13,г).
Тип корпуса
Размеры, мм
А
Б
В
1
Z, | d
ь
1101.7-1
19,5
4,5
20
3—8
0,5
2,25
2,5
1,5
0,5
1102.9-1
24,5
4,5
20
3—8
0,5
2,25
2,5
1,5
0,5
Тип корпуса
Размеры, мм
А
Б
В
1
Z, | d
ь
1101.7-1
19,5
4,5
20
3—8
0,5
2,25
2,5
1,5
0,5
1102.9-1
24,5
4,5
20
3—8
0,5
2,25
2,5
1,5
0,5
Таблица 15.13
Таблица 15.13
а Корпус подтипа 11 имеет две модификации 1101.7-1 и 1102-9-1,
1 различающиеся габаритными размерами и числом выводов (табл.
515.13).
I 12-210337
а Корпус подтипа 11 имеет две модификации 1101.7-1 и 1102-9-1,
1 различающиеся габаритными размерами и числом выводов (табл.
515.13).
I 12-210337
Рис. 15.13. Конструкции корпусов интегральных микросхем первого типаРис. 15.13. Конструкции корпусов интегральных микросхем первого типаТип корпусаРазмеры, ммлБв 11ЛdСАь1201.10-114,57,07,53-80,552,51,50,51202.14-119,512,07,53—80,552,51,50,51204.20-127,014,57,53—80,552,51,50,51205.16-122,019,57,53—80,552,51,50,51210.28-137,027,07,53—80,552,51,50,51212.40-152,037,07,53—80,552,51,50,51213.46-159,539,510,03—80,552,51,50,51214.12-117,07,020,03—80,552,51,50,51218.24-132,07,020,03—80,552,51,50,51219.22-129,59,520,03—80,552,51,50,5Тип корпусаРазмеры, ммлБв 11ЛdСАь1201.10-114,57,07,53-80,552,51,50,51202.14-119,512,07,53—80,552,51,50,51204.20-127,014,57,53—80,552,51,50,51205.16-122,019,57,53—80,552,51,50,51210.28-137,027,07,53—80,552,51,50,51212.40-152,037,07,53—80,552,51,50,51213.46-159,539,510,03—80,552,51,50,51214.12-117,07,020,03—80,552,51,50,51218.24-132,07,020,03—80,552,51,50,51219.22-129,59,520,03—80,552,51,50,5Таблица 15.14Таблица 15.14Тип корпусаРазмеры, ммАБВ1 |dС 1кь1301.16-112127,50,52,52,51,50,51302.48-13219,57,50,52,52,51,50,51303.77-12919,57,50,52,52,51,50,51304.56-12219,57,50,52,52,51,50,51305.45-124,519,57,50,52,52,51,50,5Тип корпусаРазмеры, ммАБВ1 |dС 1кь1301.16-112127,50,52,52,51,50,51302.48-13219,57,50,52,52,51,50,51303.77-12919,57,50,52,52,51,50,51304.56-12219,57,50,52,52,51,50,51305.45-124,519,57,50,52,52,51,50,5Таблица 15.15Таблица 15.15Тип корпусаРазмеры, ммл |Б 1в 11d ]Скь1401.16-114,514,57,53—80.52,52,51,50,51402.20-119,514,57,53—80,52,52,51,50,51403.26-122,019,57,53—80,52,52,51,50,51404.28-127,017,07,53—80,52,52,51,50,51405.32-129,519,57,53—80,52,52,51,50,51406.36-1. 32,022,07,53—80,52,52,51,50,51407.68-157,037,07,53—80,52,52,51,50,5Тип корпусаРазмеры, ммл |Б 1в 11d ]Скь1401.16-114,514,57,53—80.52,52,51,50,51402.20-119,514,57,53—80,52,52,51,50,51403.26-122,019,57,53—80,52,52,51,50,51404.28-127,017,07,53—80,52,52,51,50,51405.32-129,519,57,53—80,52,52,51,50,51406.36-1. 32,022,07,53—80,52,52,51,50,51407.68-157,037,07,53—80,52,52,51,50,5Корпус подтипа 14 имеет семь модификаций, различающихся размерами и количеством выводов. В табл. 15.16 приведены основные размеры корпусов этих модификаций.Таблица 15.16Корпус подтипа 14 имеет семь модификаций, различающихся размерами и количеством выводов. В табл. 15.16 приведены основные размеры корпусов этих модификаций.Таблица 15.16
Рис. 15.13. Конструкции корпусов интегральных микросхем первого типа
Рис. 15.13. Конструкции корпусов интегральных микросхем первого типа
Тип корпуса
Размеры, мм
л
Б
в 1
1
Л
d
С
А
ь
1201.10-1
14,5
7,0
7,5
3-8
0,5
5
2,5
1,5
0,5
1202.14-1
19,5
12,0
7,5
3—8
0,5
5
2,5
1,5
0,5
1204.20-1
27,0
14,5
7,5
3—8
0,5
5
2,5
1,5
0,5
1205.16-1
22,0
19,5
7,5
3—8
0,5
5
2,5
1,5
0,5
1210.28-1
37,0
27,0
7,5
3—8
0,5
5
2,5
1,5
0,5
1212.40-1
52,0
37,0
7,5
3—8
0,5
5
2,5
1,5
0,5
1213.46-1
59,5
39,5
10,0
3—8
0,5
5
2,5
1,5
0,5
1214.12-1
17,0
7,0
20,0
3—8
0,5
5
2,5
1,5
0,5
1218.24-1
32,0
7,0
20,0
3—8
0,5
5
2,5
1,5
0,5
1219.22-1
29,5
9,5
20,0
3—8
0,5
5
2,5
1,5
0,5
Тип корпуса
Размеры, мм
л
Б
в 1
1
Л
d
С
А
ь
1201.10-1
14,5
7,0
7,5
3-8
0,5
5
2,5
1,5
0,5
1202.14-1
19,5
12,0
7,5
3—8
0,5
5
2,5
1,5
0,5
1204.20-1
27,0
14,5
7,5
3—8
0,5
5
2,5
1,5
0,5
1205.16-1
22,0
19,5
7,5
3—8
0,5
5
2,5
1,5
0,5
1210.28-1
37,0
27,0
7,5
3—8
0,5
5
2,5
1,5
0,5
1212.40-1
52,0
37,0
7,5
3—8
0,5
5
2,5
1,5
0,5
1213.46-1
59,5
39,5
10,0
3—8
0,5
5
2,5
1,5
0,5
1214.12-1
17,0
7,0
20,0
3—8
0,5
5
2,5
1,5
0,5
1218.24-1
32,0
7,0
20,0
3—8
0,5
5
2,5
1,5
0,5
1219.22-1
29,5
9,5
20,0
3—8
0,5
5
2,5
1,5
0,5
Таблица 15.14
Таблица 15.14
Тип корпуса
Размеры, мм
А
Б
В
1 |
d
С 1
к
ь
1301.16-1
12
12
7,5
0,5
2,5
2,5
1,5
0,5
1302.48-1
32
19,5
7,5
0,5
2,5
2,5
1,5
0,5
1303.77-1
29
19,5
7,5
0,5
2,5
2,5
1,5
0,5
1304.56-1
22
19,5
7,5
0,5
2,5
2,5
1,5
0,5
1305.45-1
24,5
19,5
7,5
0,5
2,5
2,5
1,5
0,5
Тип корпуса
Размеры, мм
А
Б
В
1 |
d
С 1
к
ь
1301.16-1
12
12
7,5
0,5
2,5
2,5
1,5
0,5
1302.48-1
32
19,5
7,5
0,5
2,5
2,5
1,5
0,5
1303.77-1
29
19,5
7,5
0,5
2,5
2,5
1,5
0,5
1304.56-1
22
19,5
7,5
0,5
2,5
2,5
1,5
0,5
1305.45-1
24,5
19,5
7,5
0,5
2,5
2,5
1,5
0,5
Таблица 15.15
Таблица 15.15
Тип корпуса
Размеры, мм
л |
Б 1
в 1
1
d ]
С
к
ь
1401.16-1
14,5
14,5
7,5
3—8
0.5
2,5
2,5
1,5
0,5
1402.20-1
19,5
14,5
7,5
3—8
0,5
2,5
2,5
1,5
0,5
1403.26-1
22,0
19,5
7,5
3—8
0,5
2,5
2,5
1,5
0,5
1404.28-1
27,0
17,0
7,5
3—8
0,5
2,5
2,5
1,5
0,5
1405.32-1
29,5
19,5
7,5
3—8
0,5
2,5
2,5
1,5
0,5
1406.36-1
. 32,0
22,0
7,5
3—8
0,5
2,5
2,5
1,5
0,5
1407.68-1
57,0
37,0
7,5
3—8
0,5
2,5
2,5
1,5
0,5
Тип корпуса
Размеры, мм
л |
Б 1
в 1
1
d ]
С
к
ь
1401.16-1
14,5
14,5
7,5
3—8
0.5
2,5
2,5
1,5
0,5
1402.20-1
19,5
14,5
7,5
3—8
0,5
2,5
2,5
1,5
0,5
1403.26-1
22,0
19,5
7,5
3—8
0,5
2,5
2,5
1,5
0,5
1404.28-1
27,0
17,0
7,5
3—8
0,5
2,5
2,5
1,5
0,5
1405.32-1
29,5
19,5
7,5
3—8
0,5
2,5
2,5
1,5
0,5
1406.36-1
. 32,0
22,0
7,5
3—8
0,5
2,5
2,5
1,5
0,5
1407.68-1
57,0
37,0
7,5
3—8
0,5
2,5
2,5
1,5
0,5
Корпус подтипа 14 имеет семь модификаций, различающихся размерами и количеством выводов. В табл. 15.16 приведены основные размеры корпусов этих модификаций.
Таблица 15.16
Корпус подтипа 14 имеет семь модификаций, различающихся размерами и количеством выводов. В табл. 15.16 приведены основные размеры корпусов этих модификаций.
Таблица 15.16
Корпус подтипа 12 имеет 19 модификаций (1201—1219), различающихся габаритными размерами и числом выводов. Некоторые из этих модификаций приведены в табл. 15.14.
Корпус подтипа 13 имеет пять модификаций, различающихся размерами и числом выводов. В табл. 15.15 представлены основные размеры корпусов этих модификаций. ■
Модификация 1301.16-1 имеет четыре ряда выводов по четыре вывода в ряду. Модификация 1302.48-1 имеет шесть рядов по восемь выводов в ряду. Модификация 1303.77-1 имеет семь рядов по одиннадцать выводов. Модификация 1304.56-1 имеет семь рядов по девять выводов. Модификация 1305.45-1 имеет пять рядов по девять выводов в каждом ряду.
338
Второй тип. Корпуса этого типа имеют прямоугольную форму проекции тела на плоскость основания и двустороннее боковое расположение выводов, выходящих за пределы проекции. Этот тип включает в себя два подтипа (21 и 22).
Корпус подтипа 21 имеет прямоугольную форму и расположение выводов в плоскости проекции корпуса в два ряда по боковым сторонам (рис. 15.14, а). Корпус подтипа 22 имеет прямоугольную форму и расположение выводов в плоскости проекции корпуса в
12* 339
четыре ряда в шахматном порядке по боковым сторонам (рис. 15.14,6)..четыре ряда в шахматном порядке по боковым сторонам (рис. 15.14,6)..Размеры, ммТип корпусаA iБВ |Iк | сй | »ddi2201.14-119,57,5 5,02,5—50,5—1,8 2,5'7,5102202.16-122,07,5 5,02,5—50,5—1,8 2,57,5102203.40-128,222,5 5,252,5—50,5—1,8 2,51,5 0,5 22,525,02204.42-129,522,5 6,252 5—50,5—1,8 2,о22,525,02205.48-130,722,5 6,26 2,5—50,5—1,8 2,522,525,02206.42-129,517,5 5,02,5—50,5—1,8 2,517,520,02207.48-133,217,5 5,02,5—50,5—1,8 2,517,520,02208.62-142,025,0 5,02,5—50,5—1,8 2,525,027,52209.64-145,725,0 5,02,5—50,5—1,8 2,525,027,5,Размеры, ммТип корпусаA iБВ |Iк | сй | »ddi2201.14-119,57,5 5,02,5—50,5—1,8 2,5'7,5102202.16-122,07,5 5,02,5—50,5—1,8 2,57,5102203.40-128,222,5 5,252,5—50,5—1,8 2,51,5 0,5 22,525,02204.42-129,522,5 6,252 5—50,5—1,8 2,о22,525,02205.48-130,722,5 6,26 2,5—50,5—1,8 2,522,525,02206.42-129,517,5 5,02,5—50,5—1,8 2,517,520,02207.48-133,217,5 5,02,5—50,5—1,8 2,517,520,02208.62-142,025,0 5,02,5—50,5—1,8 2,525,027,52209.64-145,725,0 5,02,5—50,5—1,8 2,525,027,5,Корпус подтипа 22 имеет девять модификаций (2201—2209), различающихся габаритными размерами и числом выводов.В табл. 15.18 приведены основные размеры корпусов этих модификаций.'Таблица 15.18Корпус подтипа 22 имеет девять модификаций (2201—2209), различающихся габаритными размерами и числом выводов.В табл. 15.18 приведены основные размеры корпусов этих модификаций.'Таблица 15.18нцицинцициб)б)Рис. 15.14. Конструкции корпусов интегральных микросхем второго типаРис. 15.14. Конструкции корпусов интегральных микросхем второго типаКорпус подтипа 21 имеет 39 модификаций (2101-2139), различающихся размерами и числом выводов. В табл. 15.17 приведены основные размеры корпусов некоторых модификаций этого подтипа.
четыре ряда в шахматном порядке по боковым сторонам (рис. 15.14,6)..
четыре ряда в шахматном порядке по боковым сторонам (рис. 15.14,6)..
Размеры, мм
Тип корпуса
A i
БВ |I
к | с
й | »d
di
2201.14-1
19,5
7,5 5,02,5—5
0,5—1,8 2,5
'7,5
10
2202.16-1
22,0
7,5 5,02,5—5
0,5—1,8 2,5
7,5
10
2203.40-1
28,2
22,5 5,252,5—5
0,5—1,8 2,5
1,5 0,5 22,5
25,0
2204.42-1
29,5
22,5 6,252 5—5
0,5—1,8 2,о
22,5
25,0
2205.48-1
30,7
22,5 6,26 2,5—5
0,5—1,8 2,5
22,5
25,0
2206.42-1
29,5
17,5 5,02,5—5
0,5—1,8 2,5
17,5
20,0
2207.48-1
33,2
17,5 5,02,5—5
0,5—1,8 2,5
17,5
20,0
2208.62-1
42,0
25,0 5,02,5—5
0,5—1,8 2,5
25,0
27,5
2209.64-1
45,7
25,0 5,02,5—5
0,5—1,8 2,5
25,0
27,5,
Размеры, мм
Тип корпуса
A i
БВ |I
к | с
й | »d
di
2201.14-1
19,5
7,5 5,02,5—5
0,5—1,8 2,5
'7,5
10
2202.16-1
22,0
7,5 5,02,5—5
0,5—1,8 2,5
7,5
10
2203.40-1
28,2
22,5 5,252,5—5
0,5—1,8 2,5
1,5 0,5 22,5
25,0
2204.42-1
29,5
22,5 6,252 5—5
0,5—1,8 2,о
22,5
25,0
2205.48-1
30,7
22,5 6,26 2,5—5
0,5—1,8 2,5
22,5
25,0
2206.42-1
29,5
17,5 5,02,5—5
0,5—1,8 2,5
17,5
20,0
2207.48-1
33,2
17,5 5,02,5—5
0,5—1,8 2,5
17,5
20,0
2208.62-1
42,0
25,0 5,02,5—5
0,5—1,8 2,5
25,0
27,5
2209.64-1
45,7
25,0 5,02,5—5
0,5—1,8 2,5
25,0
27,5,
Корпус подтипа 22 имеет девять модификаций (2201—2209), различающихся габаритными размерами и числом выводов.
В табл. 15.18 приведены основные размеры корпусов этих модификаций.'
Таблица 15.18
Корпус подтипа 22 имеет девять модификаций (2201—2209), различающихся габаритными размерами и числом выводов.
В табл. 15.18 приведены основные размеры корпусов этих модификаций.'
Таблица 15.18
нцици
нцици
б)
б)
Рис. 15.14. Конструкции корпусов интегральных микросхем второго типа
Рис. 15.14. Конструкции корпусов интегральных микросхем второго типа
Таблица 15.17
Тип корпуса
Размеры, мм
А
5
В
1 -
Л
О
А
ь
d
2101.8-1
12,0
7,5
5,0
2,5—5,0
0,5—1,8
2,5
1,5
0,5
7,5
2102.14-1
19,5
7,5
5,0
2,5—5,0
0,5—1,8
2,5
1,5
0,5
7,5
2106.16-1
22,0
10,0
5,0
2,5—5,0
0,5—1,8
2,5
1,5
0,5
10,0
2112.18-1
34,5
12,5
5,0
2,5—5,0
0,5—1,8
2,5
1,5
0,5
12,5
2120.24-1
32,0
15,0
5,0
2,5—5,0
0,5—1,8
2,5
1,5
0,5
15,0
2125.44-1
54,0
15,0
5,0
2,5—5,0
0,5—1,8
2,5
1,5
0,5
15,0
2134.48-1
62,0
17,5
7,5
2,5—5,0
0,5—1,8
2,5
1,5
0,5
17,5
2135.66-1
84,0
20,0
7,5
2,5—5,0
0,5—1,8
2,5
1,5
0,5
20,0
340
Третий тип. Корпуса этого тйпа имеют круглую или овальную' форму проекции тела на плоскость основания и одностороннее перпендикулярное расположение выводов по одной окружности. Корпус этого типа имеет три подтипа (31, 32 и 33), различающиеся друг от друга формой, размерами и числом выводов.
Корпус подтипа 31 имеет круглую форму проекции тела на плоскость основания и выходящие за пределы проекции корпуса выводы, расположенные по одной окружности (рис. 15.15, а). Корпус подтипа 32 имеет овальную форму проекции на плоскость основания и такое же расположение выводов, как в корпусе подтипа 31 (рис. 15.15,6). Корпус подтипа 33 имеет круглую форму и расположение выводов по периметру боковой части, которые имеют изгиб, перпендикулярный основанию (рис. 15.15, в).
Корпус подтипа 31 имеет шесть модификаций (3101—3106)’, отличающихся размерами и числом выводов. В табл. 15.19 приведены основные размеры корпусов этих модификаций.
Таблица 15.19
Тип корпуса
Размеры, мм
град
А
л,
в
1
Z,
ъ
й 1
d
d,
®а
к
3101.8-1
3102.10-1
8,0
8 0
9,0
9,0
4,7
14,5
0,5
0,5
1,0
0,8
0,8
1,0
1,0
5,0 5,0
0,76
0,76
45
36
3103.12-1
3104.8-1
3105.10-1
8,0
8,0
8,0
9,0
9,0
9,0
6,6
14,5
0,5
0,5
0,1
0,8
0,8
0,8
1,0
1,0
1,0
5,0
5,0
5,0
0,76
0,76
0,76
30
45
36
3106.12-1
8,0
9,0
0,8
1,0
5,0
0,76
30
Корпус подтипа 32 имеет четыре модификации (3201—3204), различающиеся размерами и количеством выводов. В табл. 15.20 приведены основные размеры корпусов этих модификаций.
341
Корпус подтипа 33 имеет одну модификацию (3301.32-1). Основные размеры корпусов этой модификации приведены в табл. 15.21.
Четвертый тип. Корпуса этого типа имеют прямоугольную форму проекции на плоскость основания и параллельное по двум проти-
Рис. 15.15. Конструкции корпусов интегральных микросхем третьего типа
Воположным боковым сторонам расположение выводов за преде- йами проекции тела корпуса. Корпус этого типа имеет подтипы 41, 42, отличающиеся размерами, количеством выводов и их расположением.
Корпус подтипа 41 имеет прямоугольную форму; выводы его расположены по двум противоположным боковым граням параллельно основанию (рис. 15.16, а). Корпус подтипа 42 имеет прямоугольную или квадратную форму; выводы расположены по всем четырем боковым граням параллельно плоскости основания ^рис. 15.16,6).
342
Таблица 15,20
Тип корпуса
Размеры, мм
а, град
д
. Б
Д,
в
h
- 1
I,
- 6
0а
3201.8-1
16.5
15,0
1,3—3,2
3,2—9,2
2,0
1,0
12,5
45
3202.10-1
40
27
16,5
15,0
1,3—3,2
3,2—9,2
2,0
1,0
12,5
36
3203.8-1
22,8
7,5
1,3—3,2
3,2—9 2
2,0
1,0
12,5
45
3204.10-1
22,8
7,5
1,3—3,2
3,2—9,2
2,0
1,0
12,5
36
Корпус подтипа 41 имеет 46 модификаций (4101—4146), различающихся между собой размерами и числом выводов. Основные размеры некоторых модификаций корпусов этого типа приведены в табл. 15.22.
Таблица 15.21
Тип корпуса
Размеры, мм
А
а
В
ь
1
0а
3301.32-1
16,5
11=51'
5,0
0,45—0,85
2,5—5,0
25,0
Таблица 1&.22
Размеры,
ММ
Тип корпуса
д
Б
1 в
1
ь
d
1 »>
4101.6-1
10,75
5,0
2,5
3,0
0,5
0,5
1,25
33,75
0,2
4104.10-1
9,5
13,75
2,5
3,0
0,5
0,5.
1,25
36,26
0,2
4109.20-1
13,25
11,25
2,5
3,0
0,5
0,5
1,25
28,75
0,2
4114.24-1
15,75
11,25
5,0
3,0
0,5
0,5
1,25
17,25
0,2
4119.28-1
18,25
13,75
5,0
3,0
0,5
0,5.
1,25
19,75
0,2
4130.48-1
30,75
20,0
5.0
3,0
0,5
0,5
1,25
26,0
0,2
4139.64-1
40,75
26.25
5,0
З.о
0,5
0,5
1,25
53,75
0,2
4146.70-1
44,5'
41,25
7,5
3,0
0,5
0,5
1,25
68,75
0,2
Корпус подтипа 42 имеет три модификации (4201—4203), различающиеся между собой размерами и количеством выводов, В табл. 15.23 приведены основные размеры корпусов этих модификаций.
Таблица 15.23
Размеры, мм
Тип корпуса
.А
Б
В
Z
Z,
С
ь
d
4201.26-1
12,5
6,25
5,0
3,0
0,7
1,25
0,5
0,2
35,0
4202.44-1
14,5
14,5
5,0
3,0
0,7
1,25
0,5
0,2
37,0
4203.64-1
21,25
21,25
5,0
3,0
0,7
1,25
0,5
0,5
48,0
Пятый тип. Корпуса этого типа представляют собой квадратную пластину с выводами, расположенными на ее боковой и планарной сторонах. Корпус имеет один подтип (51) (рис. 15.17) и пять модификаций, различающихся размерами и числом выводов. В табл. 15.24 приведены основные размеры корпусов этих модификаций.
343
Рис. 15.16. Конструкции корпусов интегральных микросхем четвертого типа
Таблица 15.24
Тип корпуса
Размеры, мм
А
Б
В
с
Ь
Ь,
^2
5101.12-1
10
10
5,0
1,25
0,9
1 6
0,9
5102.18-1
' 12,5
12,5
5,0
1,25
0,9
1 6
0,9
5103.22-1
15,0
15,0
5,0
1,25
0,9
1 6
09
5104.24-1
17,5
17,5
5,0
1'25
0,9
1 6
0 9
5105.28-1
20,0
20,0
5,0
1,25
0,9
L6
0,9
Глава 16
ОСОБЕННОСТИ ТЕХНОЛОГИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ИМС
Появление первых интегральных микросхем в начале 60-х годов стало возможным благодаря успехам в развитии технологических методов изготовления полупроводниковых структур, а именно изобретению планарного процесса и совершенствованию метода диффузии. По технологическому исполнению ИМС подразделяют на две группы: биполярные микросхемы и МДИ-микросхемы.
Сложность современных микросхем, многообразие соединений и необходимость тщательного учета технологических допусков обусловили необходимость использования ЭВМ для разработки топологии ИМС. Активные элементы биполярных ИМС (диоды и транзисторы) отличаются по структуре от дискретных приборов. Конструктивной особенностью ИМС с высокой степенью интеграции является широкое использование функциональной интеграции элементов, т. е. совмещения различных функций в одних и тех же областях и р-п-переходах структуры. Для устранения нежелательных электрических связей между элементами микросхемы применяют различные методы изоляции: с помощью диффузии или диэлектрических покрытий. Большое значение для выпуска высококачественных ИМС имеет технологический контроль, осуществляемый путем изготовления тестовых кристаллов.
Классификация интегральных микросхем
Интегральные микросхемы. Интегральной микросхемой называют микроэлектронное изделие, состоящее из многих элементов или компонентов, выполняющее заданную функциональную обработку сигналов и рассматриваемое как единое целое при испытаниях, приемке и эксплуатации.
Элементом ИМС называют часть микросхемы, выполняющую функцию какого-либо электрорадиоэлемента, которая не может быть выделена как самостоятельное изделие при испытаниях, приемке, поставке и эксплуатации. Компоненты ИМС, также выполняющие функции различных электрорадиоэлементов, в отличие от элементов ИМС могут быть выделены как самостоятельные изделия при испытаниях, приемке, поставке и эксплуатации. Понятия «элемент» и «компонент» отражают конструкционную специфику ИМС и используются при рассмотрении полупроводниковых и гибридных микросхем соответственно.
По функциональному признаку микросхемы подразделяют на аналоговые и цифровые.
Показателем сложности ИМС является степень интеграции, определяемая количеством элементов, входящих в состав микросхемы. ИМС 1-й степени интеграции содержат до 10 элементов, 2-й — до 102, 3-й — до 103 и т. д. Помимо этого, микросхемы с числом элементов до 10 называют схемами с малой степенью
интеграции, с числом элементов до 100 — со средней степенью интеграции, с числом элементов до 1000 — с высокой степенью интеграции, свыше 1000 — со сверхвысокой степенью интеграции. Одно из направлений дальнейшего повышения степени интеграции— создание больших интегральных схем (БИС), состоящих из нескольких десятков и сотен микросхем, выполненных в одном кристалле полупроводника.
Качественно новым этапом в развитии БИС является объединение в одном кристалле определенного набора функциональных блоков мини- и микроЭВМ, в результате чего в пределах кристалла осуществляются все вычислительные операции, включая запоминание результата. Такими свойствами обладают микропроцессорные ИМС. Микропроцессором называют программно-управляемое устройство, осуществляющее процесс обработки цифровой информации и управление им, которое построено на основе одной или нескольких БИС.
Полупроводниковые, пленочные и гибридные микросхемы. В полупроводниковых ИМС все элементы и межэлементные соединения выполнены в объеме или на поверхности кристалла полупроводника. Кристаллом или чипом (от англ, chip — кусочек) именуют идентичные части полупроводниковой пластины, получаемые после разделения ее на прямоугольные кусочки. Основой схемы является полупроводниковая, обычно кремниевая, подложка, в которой методами планарно-эпитаксиальной технологии создают диоды и транзисторы. Резисторами служат тонкие диффузионные слои, конденсаторами — р-п-переходы или структуры с выращенным термическим оксидированием диоксидом кремния.
Пленочной называют интегральную микросхему, элементы и межэлементные соединения в которой выполнены в виде пленок, нанесенных на изолирующую подложку. Так как активные пленочные элементы пока не могут конкурировать с полупроводниковыми, то пленочную технологию используют в основном для создания полупроводниковых и гибридных микросхем.
Различают тонкопленочную технологию, заключающуюся в создании с помощью напыления в вакууме, ионно-плазменных процессов, анодного оксидирования проводящих, диэлектрических и резистивных пленок толщиной не более 1 мкм, и толстопленочную технологию, состоящую в нанесении слоев проводящих изолирующих и резистивных паст толщиной 5—25 мкм методом трафаретной печати. Тонкопленочная технология хорошо совмещается с планарной технологией создания полупроводниковых микросхем и широко применяется для изготовления пассивных элементов. Активные элементы создают в полупроводниковой пластине, а пассивные формируют на поверхности защитной пленки SiO2 путем нанесения диэлектрических, проводящих и резистивных пленок.
Для изготовления полупроводниковых и тонкопленочных ИМС необходимы трудоемкая разработка топологии и разумные компромиссы в технологических режимах. Менее трудоемко и технологически более просто осуществляется изготовление гибридных
рШНГЧ1ШН1Ч.ЦЦ..><11.
ИМС, обозначаемых как ГИС. Гибридные ИМС включают в себя либо полупроводниковые и пленочные ИМС, либо любое сочетание этих схем с дискретными компонентами. Чаще всего при изготовлении ГИС на керамической подложке создают тонкопленочные резисторы, конденсаторы, индуктивности и контактные площадки, на которые напаивают дискретные активные компоненты. Активные компоненты представляют собой бескорпусные транзисторы и диоды. Для изготовления ГИС часто используют толстопленочную технологию.
Цифровые и аналоговые микросхемы. Цифровые ИМС предназначены для преобразования и обработки сигналов, изменяющихся по закону дискретной функции. Цифровые ИМС используют в первую очередь для работы в логических устройствах, в частности в ЭВМ. Использование логических схем позволяет различные логические зависимости и решения представить в виде электрических сигналов. В современных цифровых вычислительных машинах информация выражается с помощью двух состояний уровней напряжения и тока: низкое и высокое, что соответствует в двоичной системе символам 0 и 1. Цифровые ИМС представляют собой функциональные блоки, которые выполняют такие функции, как сложение, запоминание и др. Понятие функциональной ИМС вводится для того, чтобы подчеркнуть, что микросхема, содержащая в одном кристалле несколько сотен или тысяч транзисторов, может рассматриваться при проектировании системы как черный ящик. Зная его характеристики и соблюдая некоторые основные правила, микросхему можно применять в качестве основного компонента системы, не вникая в детали ее внутренней структуры. Цифровые микросхемы подразделяют на вентили, счетчики, регистры сдвига, преобразователи данных, таймеры, арифметические устройства, схемы сопряжения и др. Все они относятся к схемам малой и средней степени интеграции. Запоминающие устройства и микропроцессоры относят к цифровым схемам с высокой и сверхвысокой степенью интеграции.
Аналоговые микросхемы предназначены для преобразования и обработки сигналов, изменяющихся по закону непрерывной функции. Частным случаем аналоговых микросхем являются микросхемы с линейной характеристикой, так называемые линейные ИМС. В группу аналоговых микросхем входят усилительные схемы, компараторы напряжения, стабилизаторы напряжения, аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи, аналоговые запоминающие устройства, аналоговые ключи, схемы фазовой подстройки частоты, а также схемы для радио, телевидения и другой аппаратуры массового потребления.
Разработка топологии ИМС
После того как спроектирована ' принципиальная электрическая схема разрабатываемой ИМС, ее необходимо преобразовать в топологическую, определяющую конфигурацию, геометрические раз-
меры, размещение активных и пассивных элементов и межэлементных соединений. Характеристики отдельных элементов и рабочие характеристики готовой ИМС определяются точностью задания размеров и технологических допусков, расположением элементов на кристалле и технологией изготовления. Преобразование электрической схемы в топологическую не сводится к простому составлению топологии каждого элемента. Необходимо учитывать взаимосвязи элементов, обусловленные их взаимодействием и паразитными эффектами, связанными с монолитной структурой полупроводниковых ИМ.С. В результате выполнения топологического проектирования получают конфигурации всех элементов схемы в виде комплекта из послойных чертежей для изготовления соответствующих фотошаблонов, а также таблиц координат всех элементов, необходимых для управления координатографом и микрофотонаборной установкой, обеспечивающей изготовление оригиналов фотошаблонов.
Принципы проектирования топологии. Существует ряд основных принципов, которых следует придерживаться при разработке топологической схемы. Основным критерием является обеспечение минимальной суммарной длины межэлементных соединений, минимума их пересечений и наименьшей площади кристалла. Необходимо помнить, что с увеличением площади, занимаемой микросхемой, даже при неизменной вероятности появления случайных одиночных дефектов резко уменьшается выход годных структур. Как и для любого радиотехнического устройства, характеристики микросхем зависят не только от принципиальной электрической схемы и качества отдельных элементов, но и в значительной степени от взаимного расположения элементов, длины соединительной коммутации, числа пересечений, т. е. от паразитных связей. Поэтому активные и пассивные элементы изолируют друг от друга, например с помощью разделительных р-п-переходов.
Для уменьшения паразитной емкости подложка с электропроводностью p-типа должна обладать наиболее отрицательным потенциалом в схеме. Коллекторные области транзисторов с электропроводностью n-типа, обладающие разными потенциалами, и каждый диод, сформированный на коллекторном р-/г-переходе, обязательно изолируют, тогда как и-р-и-транзисторы, работающие в каскаде эмиттерного повторителя, и диоды на эмиттерных переходах допускается размещать в одной изолированной области и совместно с резисторами.
Ряд требований предъявляют к размещению пассивных элементов. Наименее критичны форма и расположение конденсаторов. У резисторов наиболее критична ширина. Необходимо обеспечить согласование между длиной, шириной и поверхностным сопротивлением резистивного слоя. Высокоомные резисторы целесообразно изготовлять в виде параллельных полосок, соединенных на концах проводящими перемычками, что обеспечивает более точное задание номинала. Резисторы, изготовляемые в базовом диффузионном слое, можно располагать в одной изолированной области, имею- 348
щей наиболее высокий положительный потенциал. Так как поверхность резистивного слоя покрыта пленкой диоксида кремния, то пересечение соединительного металла с ним не оказывает на него существенного влияния. Все элементы, в первую очередь резисторы, для которых необходимо обеспечить согласование характеристик и точно выдержать отношение номиналов, должны располагаться как можно ближе друг к другу и иметь одинаковую топологию.
Создание изолированной области под каждой контактной площадкой способствует уменьшению паразитной емкости, так как емкости изолирующего перехода и контакта оказываются включенными последовательно. Для уменьшения паразитного сопротивления шины питания и заземления изготовляют в виде широких и коротких полосок. С целью обеспечения развязки между коллекторными изолирующими областями контакт к кристаллу располагают вблизи мощного транзистора.
Одно из важнейших требований при проектировании топологии состоит в соблюдении технологических допусков. Для этого все элементы микросхемы размещают на расстоянии от окна в диоксиде кремния для разделительной диффузии, равном удвоенной толщине эпитаксиального слоя. Это позволяет учесть влияние боковой диффузии под пленку диоксида, растравливание окон, ошибок совмещения и др.
Зазоры между элементами на топологической схеме оптимизируют, так как при очень малых зазорах происходит перекрытие отдельных диффузионных областей и возрастают паразитные связи между элементами. Оба явления вызывают неправильное функционирование схемы. Необоснованное завышение топологических зазоров также нежелательно, так как влечет за собой увеличение площади кристалла. Типичные значения геометрических размеров элементов структуры и технологических допусков представлены в табл. 16.1 для ИМС среднего уровня интеграции.
На рис. 16.1 показана топология однополоскового транзистора (элемента ИМС) и обозначены символы, приведенные в табл. 16.1.
Последовательность разработки топологии. Исходными данными для проектирования топологии являются принципиальная электрическая схема, заданная на уровне соединения отдельных активных и пассивных элементов, и типовой технологический процесс, на базе которого должна быть изготовлена ИМС. Выполнив расчеты геометрических размеров активных и пассивных элементов, компонуют эскиз топологии ИМС, в котором стремятся отразить соотношение геометрических размеров элементов и их рациональное размещение. Эскизирование позволяет определить количество изолированных областей, которые необходимо изготовить для изоляции элементов. Обычно для изготовления микросхемы используют эпитаксиальные структуры со слоем, обладающим электропроводностью л-типа, поэтому изоляцию обеспечивают путем создания диффузионных разделительных областей с электропроводностью p-типа. Изолирующие участки n-типа составят коллекторы буду-
Рис. 16.1. Однополосковый транзистор — элемент ИМСРис. 16.1. Однополосковый транзистор — элемент ИМСщих транзисторов. Выявив по электрической схеме количество транзисторов с различными потенциалами коллектора, принимают это число за количество минимально необходимых изолированных областей. При компоновке и коммутации изолированных областей и элементов в соответствии с электрической схемой стремятся обеспечить минималь
Рис. 16.1. Однополосковый транзистор — элемент ИМС
Рис. 16.1. Однополосковый транзистор — элемент ИМС
стояния выбирают из приведенныхстояния выбирают из приведенныхное количество пересечений между соединениями, а размеры и допустимые рас- в табл. 16.1. Размещение элементов осуществляют в два этапа. Вначале на макете схемы в
стояния выбирают из приведенных
стояния выбирают из приведенных
произвольном масштабе отрабатывают размещение элементов с Таблица 16.1
Размер или допуск
Символ
Значение, мкм
Размеры эмиттерного окна
Размеры базового окна
Ширина коллекторного контакта
Ширина линии скрайбирования
Расстояние от линии скрайбирования до диф
фузионной области
Зазор между полосками металла
Перекрытие окна металлом
Расстояние:
база — эмиттер
база — изолирующая область
база — базовый контакт
эмиттер — базовый контакт база — коллекторный контакт эмиттер — эмиттерный контакт
WaXhe w6Xh6
йУс
/с Ам К-'н
/бэ /б Де Дэб Дк А.
3X6—10X20 4X6—10X2» 12—15 80
120 8—10 2—5
4—10 10—25 3—10 4—15 7—20 5—10
минимальным числом пересечений, затем составляют эскиз, выдерживая заданные геометрические размеры. Полученный эскиз тщательно контролируют с точки зрения допустимости расположения активных и пассивных элементов, расстояний между ними с учетом особенностей функционирования схемы (например, расширения ОПЗ переходов при максимальном смещении, тепловыделения и теплоотвода) и технологических возможностей ее реализации. Если выявится несоответствие, то производят корректировку эскиза, изменяя геометрические размеры элементов, расположение контактных площадок, вводя диффузионные перемычки и меняя 350
путь коммутирующих соединений. Предварительный вариант топологии вычерчивают на базе отработанного эскиза в масштабе, кратном 100 (100 : 1, 200 : 1 и т. д.). Все элементы схемы образованы ортогональными линиями, т. е. являются прямоугольниками или их комбинациями: П-, Т-, Ш-образными и более сложными фигурами. Предварительный вариант позволяет произвести более строгие оценки и расчеты паразитных связей, теплового режима ИМС и выявить возможность уплотнения компоновки. После внесения изменений в топологию предварительного варианта ИМС получают окончательный вариант топологии, исходя из которого изготовляют послойные чертежи оригиналов комплекта фотошаблонов.
Найти оптимальную конфигурацию и размещение элементов схемы расчетным или опытным путем — задача практически неразрешимая, поэтому при проектировании топологии ИМС широко применяют ЭВМ. Их использование позволяет добиться повышения качества микросхемы за счет уменьшения ошибок проектирования и предварительного моделирования характеристик, сокращения сроков и снижения стоимости разработки. Основными задачами машинного проектирования топологии являются точное соответствие топологии заданной принципиальной схеме, строгий учет технологических ограничений на минимальные размеры областей, расстояний между ними и их перекрытие, получение наилучших характеристик ИМС и минимальной площади кристалла.
Изготовление элементов биполярных ИМС
К36К36■р■рРнс. 16.2. Структура обычного планарного транзистора в ИМСРнс. 16.2. Структура обычного планарного транзистора в ИМСТранзисторы в интегральных микросхемах. В ИМС применение транзисторов более предпочтительно, чем пассивных элементов, вследствие меньшей площади, занимаемой ими. Транзисторы в составе интегральной микросхемы дешевле дискретных, поэтому можно использовать 5— 10 транзисторов вместо 2—3 в том же каскаде на дискретных приборах. Транзисторы п-р-п- типа обладают лучшими характеристиками и параметрами, чем р-га-р-транзисторы, поэтому нашли преимущественное применение в ИМС. Техно
К36
К36
■р
■р
Рнс. 16.2. Структура обычного планарного транзистора в ИМС
Рнс. 16.2. Структура обычного планарного транзистора в ИМС
логия их изготовления более экономична.
Различают три разновидности структур транзисторов для интегральных микросхем: обычная планарная, горизонтальная (латеральная) и с вертикальными переходами. В обычной планарной структуре интегрального транзистора (рис. 16.2), топология которого была показана на рис. 16.1, эмиттерный и коллекторный переходы, за исключением их границ, расположены параллельно поверхности пластины. В отличие от дискретных приборов, в которых коллекторный контакт размещен на обратной стороне пласти-
ны и служит местом присоединения транзистора к кристаллодер- жателю, в интегральных транзисторах все контакты выведены на планарную сторону. Для микромощных схем более пригодна однополосковая конфигурация выводов, показанная на рис. 16.1, обеспечивающая минимальную площадь, занимаемую транзистором. В схеме малой и высокой мощности планарное расположение кон-
Рис. 16.3. Топология транзистора с П-образным контактом коллектораРис. 16.3. Топология транзистора с П-образным контактом коллектораРис. 16.4. Топология двухэмиттерного транзистораРис. 16.4. Топология двухэмиттерного транзистора
Рис. 16.3. Топология транзистора с П-образным контактом коллектора
Рис. 16.3. Топология транзистора с П-образным контактом коллектора
Рис. 16.4. Топология двухэмиттерного транзистора
Рис. 16.4. Топология двухэмиттерного транзистора
тактов ведет к увеличению сопротивления коллектора и снижает быстродействие. Скрытый сильнолегированный слой с электропроводностью /г+-типа, получаемый диффузией мышьяка или сурьмы в р-подложку перед наращиванием эпитаксиального слоя /г-типа, обладает низким сопротивлением н шунтирует высокоомную часть коллекторной области. Введение скрытого слоя позволяет снизить сопротивление коллектора. Для дополнительного уменьшения сопротивления коллектора используют транзисторы с П-образным расположением контакта (рис. 16.3). Для повышения коэффициента передачи тока используют двухэмиттерную конструкцию транзисторов (рис. 16.4). В логических ИМС широко используют многоэмиттерные транзисторы, включающие по четыре (и более) отдельные эмиттерные области, объединенные общим контактом. Активные области баз, расположенные под эмиттерными переходами, соединены друг с другом областью пассивной базы. Многоэмиттерные транзисторы располагают во входных каскадах логических вентилей, основаных на транзисторно-транзисторной логике. Так как контакт к общей базовой области осуществляется с помощью узкой диффузионной перемычки, то инверсный коэффициент передачи тока у него уменьшается. Для уменьшения сопротивления базы применяют двухбазовую конфигурацию транзистора с полосковой конструкцией выводов. Достоинства многоэмиттерной и многобазовой структур сочетаются в гребенчатой конструкции транзистора. Здесь Ш-образные контакты от эмиттерных и базовых областей чередуются, образуя две гребенки, входящие друг в друга своими зубцами.
‘о:-'«-<*г«1*«»к|и«з.ъ.м«#и1мим.мшя»4,«,1»»мзи«1ик*мя»<ииин1иб!»1№б1»и;<еми;»«.е,««?и1ы;««^1С.й#к.ииянв1{ят«миия>#ч,Ж1е
Рис. 16.5. Структура горизонтального (латерального) р-п-р-транзистора
Рис. 16.6. Варианты коммутации транзисторов для получения различных типов диодов в ИМСРис. 16.6. Варианты коммутации транзисторов для получения различных типов диодов в ИМСГоризонтальные структуры транзисторов наиболее широко применяют для создания транзисторов типа р-п-р. В горизонтальном (латеральном) транзисторе (рис. 16.5) дырки, инжектированные эмиттером, движутся к коллектору в основном вдоль эпитаксиального слоя базы, т. е. горизонтально. Наличие скрытого п+-слоя позволяет увеличить до
Рис. 16.6. Варианты коммутации транзисторов для получения различных типов диодов в ИМС
Рис. 16.6. Варианты коммутации транзисторов для получения различных типов диодов в ИМС
лю дырок, достигающих коллек
тора, так как этот слой служит отражателем для дырок, перемещающихся перпендикулярно поверхности кристалла. Латеральные транзисторы просты в изготовлении, их применяют в микросхемах в качестве составных элементов в сложных транзисторных структурах, например в сочетании с обычными планарными транзисторами п-р-п, и реже — в качестве самостоятельных элементов. Коэффициент передачи тока у латеральных транзисторов мал, частотный диапазон низок.
При изготовлении биполярных транзисторов на изолирующих подложках, в частности на КНС-структурах, вследствие малой толщины эпитаксиального слоя (0,5—1,0 мкм) диффузия примесей происходит на всю глубину слоя и в нем образуется структура с вертикальными р-п-переходами, плоскость которых перпендикулярна поверхности слоя и подложки. Более широко применяют вертикальные переходы в МДП-транзисторах.
Диоды в микросхемах. В большинстве интегральных микросхем,
за исключением диодных матриц, не проектируют диодные структуры, ибо их функции при необходимости выполняют транзисторы с определенной коммутацией электродов. На рис. 16.6 показаны различные варианты коммутации, позволяющие получать на базе одной и той же структуры транзистора диоды с различными пара-
метрами. Структуры а—в на рис. 16.6 основаны на транзисторном переходе эмиттер — база и имеют низкие обратные напряжения. Структуры гид основаны на переходе коллектор — база и обладают средними по значению обратными напряжениями. При использовании транзисторных структур с зашунтированным коллекторным переходом получают наименьшее время рассасывания накопленных носителей заряда, сравнимое с временем рассасывания быстродействующих дискретных диодов, используемых в ЭВМ. У таких диодов прямое падение напряжения меньше, чем у транзисторных структур с разомкнутым коллектором. Поэтому если допустимо низкое значение напряжения пробоя перехода, то в качестве диодов используют транзисторы с зашунтированными переходами коллектор — база.
Широкое применение в микросхемах находят диоды Шотки вследствие их высокого быстродействия, малых размеров, а также электрической, топологической и технологической совместимости с большинством типов ИМС. В основном диоды Шотки применяют для ограничения насыщения биполярных транзисторов. При незначительном увеличении площади, занимаемой транзистором на кристалле ИМС, удается сформировать диод Шотки, включенный параллельно переходу коллектор — база, что позволяет повысить ■быстродействие схем насыщенного типа. Весьма эффективно применение диодов Шотки в схемах инжекционной логики, так как они способствуют повышению быстродействия и функциональной гибкости.
Изоляция элементов в ИМС. Для создания изолированных областей в полупроводниковых микросхемах используют обратносме- щенные р-п-переходы, покрытия из диэлектрика, комбинацию об- ратносмещенных переходов с диэлектриком и изоляцию воздушными промежутками.
Изоляция обратносмещеиными переходами основана на диффузии и была рассмотрена в гл. 9. Серьезным ее недостатком является наличие тока утечки и емкости перехода, а также коммутация схемы таким образом, что изолирующие р-/г-переходы всегда находятся под обратным смещением. Благодаря значительному снижению удельной емкости, высокому пробивному напряжению диэлектрическая изоляция обеспечивает широкие возможности при изготовлении ИМС. Изоляция диэлектриком состоит в том, что между областями полупроводникового материала размещают диэлектрический слой. Наиболее распространенным способом изоляции является эпик-процесс. Исходной структурой для него служит пластина кремния /г-типа, на которой выращен эпитаксиальный /г+-слой. Эпитаксиальный слой оксидируют и в диоксиде кремния с помощью фотолитографии вскрывают окна нужной конфигурации. В окнах кремний вытравливают химическим методом на глубину 20—30 мкм при ширине разделительной канавки 50—80 мкм. На поверхности эпитаксиального слоя и вытравленных канавок путем термического либо пиролитического оксидирования создают слой SiO2 толщиной около 1 мкм. Затем на всю поверхность пла- 354
стины наращивают поликристаллический кремний. Толщина его составляет 200—250 мкм, поэтому все канавки полностью зарастают. На прецизионном полировальном станке часть поликремния сошлифовывают, обеспечивая плоскопараллельность пластины. Пластину переворачивают и шлифуют монокристаллическую подложку до тех пор, пока не обнажатся канавки, заполненные поликремнием. Поверхность тщательно полируют и окисляют. Теперь подложкой структуры, по существу, является поликремний. В нега вкраплены отдельные участки монокристаллического кремния,, изолированные друг от друга пленкой SiO2 и поликремнием.
Метод позитивной изоляции, названный по типу применяемого фотошаблона, позволяет получать /г-слой с точно заданной толщиной и высокой однородностью. Исходной структурой служит /г+-подложка с пленкой диоксида. На нее наращивают поликремний и доводят толщину п+-подложки до 8—10 мкм. На этот слой наращивают эпитаксиальный кремний л-типа заданной толщины и сопротивления. Кремний оксидируют и вытравливают разделительные канавки до поликремния. Стенки канавок оксидируют, после- чего всю поверхность структур покрывают поликремнием, который заполняет канавки на всю глубину. Излишки поликремния сошлифовывают до обнажения поверхностного оксида. Диоксид растворяют и на структуре проводят планарный процесс для создания микросхемы.
Метод повторного нанесения поликремния сочетает приемы эпик-процесса и позитивного метода с двукратным нанесением поликремния. Окисленную эпитаксиальную л-л+-структуру покрывают поликремнием. Подложку сошлифовывают на большую глубину, чтобы л+-область была одного порядка толщины с «-областью. После оксидирования селективным травлением создают канавки до поверхности раздела между кристаллом и поликремнием. Канавки оксидируют и наносят на эту сторону пластины второй слой поликремния большой толщины. Первый слой поликремния удаляют, создавая структуры, аналогичные структурам, полученным позитивным методом.
Рассмотренные методы включают прецизионную механическую обработку, которая осложняется из-за прогиба подложки в результате различия ТКР кремния и поликремния, а также разных значений микротвердости этих материалов и диоксида кремния. Поэтому возникли комбинированные методы, в частности изопланарный, Изопланарный метод основан на применении в качестве изоляции термически выращенного диоксида кремния. После формирования в пластине скрытых коллекторных областей п+-типа па всей поверхности пластины выращивают тонкий эпитаксиальный и-слой. На нем формируют маску из нитрида кремния и производят длительное термическое оксидирование кремния для образования изолирующих областей на тех участках, где в нитриде кремния были вскрыты окна. Затем нитрид удаляют, наносят пленку SiO2 и формируют элементы микросхемы (рис. 16.7, а). Для повышения плотности размещения элементов используют полипланарный ме-
тод изоляции, основанный на вертикальном анизотропном травлении в плоскости (100). Травление в этой плоскости происходит в 30 раз быстрее, чем в плоскости (111). Полученные таки^ образом V-образные канавки экономят площадь, необходимую для изоляции элементов (рис. 16.7,6). Дальнейшая обработка состоит в запол
нении канавок поликремнием и
Рис. 16.7. Комбинированные методы изоляции:Рис. 16.7. Комбинированные методы изоляции:а —изопланарная; б — полипланарнаяа —изопланарная; б — полипланарнаяизготовлении разводки.
Рис. 16.7. Комбинированные методы изоляции:
Рис. 16.7. Комбинированные методы изоляции:
а —изопланарная; б — полипланарная
а —изопланарная; б — полипланарная
Несмотря на достоинства методов диэлектрической изоляции, всегда имеется опасность повреждения пленки диэлектрика и возникновения паразитной связи через слой поликремния. С этой точки зрения методы воздушной изоляции являются почти идеальными. Они основаны на вытравливании отдельных островков
кремния, которые соединяются друг с другом с помощью коммутирующей металлизации. Изоляция воздушным проме
жутком применяется в технологии балочных выводов, декаль-методе и технологии структур «кремний на сапфире» (КНС-технологии). Технология балочных выводов применяется в основном для схем малой степени интеграции. Она достаточно сложна и не обеспечивает высокой плотности размещения элементов, не позволяет проводить сложную коммутацию. Декаль-метод (от слова декалькомания — нанесение переводной картинки) состоит в напайке планарной стороны кремниевой пластины с полностью сформированной микросхемой на стеклянную подложку, удаления обратной стороны пластины до толщины 20— 30 мкм и химическом вытравливании воздушных промежутков вокруг каждого элемента вплоть до стеклянной подложки. Недостатками этого метода являются малая плотность упаковки, плохой теплоотвод и необходимость тщательного согласования ТКР кремния и стекла. Изоляция в КНС-технологии рассмотрена в § 16.4.
Изготовление элементов МДП ИМС
Уникальными свойствами микросхем на МДП-транзисторах являются высокое (около 1015 Ом) входное сопротивление для сигнала любой полярности, простота технологии и обусловленный этим более высокий процент выхода годных изделий, меньшая стоимость, самоизоляция МДП-транзисторов от подложки, облегчающая построение ИМС, простота построения логических схем и возможность создания схем, содержащих одни МДП-транзисторы, малые геометрические размеры транзисторов по сравнению с би-
полярными, что обусловливает более высокую плотность размещения элементов, а также электрическая совместимость МДП ИМС с биполярными схемами различных типов.
МОП ИМС с каналами р- и п-типов. Технология изготовления МОП-транзисторов с каналом p-типа была первой освоена в промышленном производстве и заложена в большинстве серийно выпускаемых ИМС. Пластину кремния с электропроводностью п-типа, удельным сопротивлением 4—8 Ом-см и ориентацией (111) подвергают термическому оксидированию. Выращивают толстый диоксид (около 0,5 мкм), в котором вскрывают окна и ведут диффузию бора на глубину 2—3 мкм для создания р+-областей стока и истока. При диффузии над р+-областями нарастает оксид толщиной 0,2—0,3 мкм. В нем вскрывают окна и пластину подвергают оксидированию в тщательно осушенном и очищенном кислороде для создания подзатворного оксида. Этот процесс является наиболее ответственной операцией, так как качество и свойства подзатворного диоксида определяют параметры и стабильность МДП-транзистора. Толщина диоксида составляет 0,05—0,1 мкм. Электроды затвора, стока и истока формируют с помощью алюминиевой металлизации.
Эта стандартная технология позволяет получать МОП-транзисторы с индуцированным каналом p-типа, работающие в режиме обогащения, со следующими типовыми параметрами: минимальная эффективная длина канала 5—7 мкм, плотность поверхностных зарядов 4-10й см-2, пороговое напряжение — (4±0,5) В. Недостатком стандартной технологии является наличие значительного (порядка 5 мкм) перекрытия электродом затвора областей стока и истока, вызывающее увеличение паразитных емкостей затвор — сток и затвор — исток и снижение быстродействия схемы. Это перекрытие обусловлено запасами на разбросы и ошибками совмещения в процессе трех фотолитографий. Использование МДП-тран- зисторов с каналами п-типа, работающих в режиме обеднения, привело к повышению быстродействия ИМС, так как подвижность электронов в поверхностных инверсионных слоях в 2—3 раза выше подвижности дырок. Выпускаемые в последние годы микросхемы включают преимущественно транзисторы с каналами п-типа. Это обеспечивает совместимость с биполярными микросхемами транзисторно-транзисторной логики по знаку и значению напряжения питания.
Для снижения пороговых напряжений используют кремниевые пластины с поверхностью, ориентированной по кристаллографической плоскости (100), которая по сравнению с плоскостью (111) содержит меньшее число ненасыщенных связей на границе раздела Si—SiO2. Поэтому в структуре меньшая плотность поверхностных зарядов, которая составляет около Ы011 см-2. Это же позволяет уменьшить пороговые напряжения МОП-транзисторов с каналами p-типа до —2,5 В.
Комплементарные структуры. Комплементарными, или дополняющими, МДП-транзисторы (КМОП-транзисторы) названы по-
тому, что в состав комплементарной пары входят транзисторы с каналами р- и n-типов, сформированные на общей подложке и работающие в режиме обогащения с индуцированным каналом» В стационарном состоянии один из транзисторов всегда закрыт» Значение тока открытого транзистора комплементарной пары определяется утечкой одного из стоковых переходов и не превышает единиц наноампер, что обеспечивает мощность рассеяния в статическом режиме 10-9 Вт. Помехоустойчивость схем на КМОП-
Рис. 16.8. Структура КМОП-транзистора:
/ — транзистор с каналом р-типа; 2 — транзистор с каналом1 л-типа
транзисторах за счет высокой крутизны переходной области передаточной характеристики может достигать 40% от напряжения питания.
Технологический процесс изготовления КМОП-приборов начинается с формирования в пластине n-типа диффузионных карманов p-типа, служащих для изготовления в них транзисторов с каналами л-типа. С помощью диффузии бора в n-пластину формируют стоковую и истоковую области транзистора с каналом p-типа. Для формирования стока и истока транзисторов с каналом n-типа используют диффузию фосфора. Подзатворный диоксид выращивают одновременно у всех транзисторов, после чего формируют соединительную металлизацию (рис. 16.8).
Кремниевые затворы. Использование поликремниевых затворов позволяет получить структуры с самосовмещенным затвором, снизить пороговое напряжение за счет уменьшения разности работ выхода между материалами затвора и подложки, а также уменьшения плотности поверхностных зарядов, уменьшить геометрические размеры транзисторных структур, создать второй слой межэлементных соединений. Процесс изготовления начинается с выращивания пленки диоксида затвора толщиной 0,1 мкм. На поверхность пластины осаждают поликремний толщиной около 0,5 мкм. Из него формируют шины затвора шириной около 5 мкм и проводники первого слоя межэлементных соединений. В области стока и истока на глубину 1 мкм проводят диффузию бора. Тонкий слой диоксида не является преградой для диффузии. Одновременно бор диффундирует в шины затвора, что снижает их поверхностное сопротивление до 20 Ом. Шины затвора из поликремния при диффузии надежно защищают области каналов от проникновения бора, благодаря чему области стока и истока автоматически совмещаются с затвором при паразитном перекрытии менее 1 мкм. На 358
Рис. 16.9. Структура МОП- транзистора с кремниевым затворомРис. 16.9. Структура МОП- транзистора с кремниевым затворомповерхности пластины выращивают пленку диоксида кремния, в котором вытравливают окна и формируют контакты (рис. 16.9). Использование поликремния р+-типа приводит к уменьшению порогового напряжения по абсолютному значению на 1,1 В. В результате пороговое напряжение приборов с каналами p-типа на подложке (111) уменьшается до —1,5 В, а на подложке (100)—до —0,5 В, что приводит к существенному улучшению произведения потребляемой мощности на быстродействие для ИМС.
Рис. 16.9. Структура МОП- транзистора с кремниевым затвором
Рис. 16.9. Структура МОП- транзистора с кремниевым затвором
Технология кремниевых затворов позволяет также получать транзисторы с каналами «-типа с обогащением: одновременно с диффузией фосфора в области стока и истока происходит легирование кремниевых затворов и снижение поверхностно-
го сопротивления кремниевых соединительных шин до 10 Ом. К числу основных преимуществ МДП ИМС с кремниевыми затворами следует также отнести их совместимость по входным и выходным уровням напряжения с биполярными логическими микросхемами, что значительно упрощает построение цифровых систем. Снижение пороговых напряжений, самосовмещение затворов, уменьшение размеров диффузионных областей и емкости поликремниевых соединительных шин относительно подложки обеспечивает улучшение быстродействия по сравнению со стандартными МОП ИМС в 3—5 раз. Технология кремниевых затворов является в настоящее время одной из перспективных в области массового производства быстродействующих и недорогих МДП ИМС.
Структуры КНС. В любой современной микросхеме активные и пассивные элементы занимают не более 1% объема кремниевого кристалла, на котором сформирована ИМС, остальные 99% выполняют роль держателя и обусловливают наличие паразитных связей. Идея изоляции элементов с помощью структур КНС появилась в 1963 г., но только в 1971 г. были изготовлены первые образцы функционирующих микросхем на КНС-структурах и лишь спустя десятилетие КНС-технология дошла до промышленного уровня. Применение изолирующих монокристаллических подложек яз сапфира, на поверхности которых выращивают тонкий (около 0,5—1 мкм) эпитаксиальный слой кремния, является эффективным технологическим методом уменьшения паразитных емкостей в МДП ИМС на порядок и более, что позволяет существенно повысить быстродействие микросхем. Отдельные МДП-транзисторы формируют в вытравленных в этом слое изолированных друг от друга островках, что позволяет уменьшить паразитные связи между элементами через подложку практически до нуля. По сравнению со стандартными КМОП ИМС упрощаются фотошаблоны и уменьшается их число. Это обусловлено тем, что на сапфире можно исключить защитные зоны, изолирующие р- и «-области в КМОП ИМС. Применение КНС-структур увеличивает быстродействие
ИМС средней степени интеграции в 3—5 и до 10 раз, если оно не определяется полностью емкостью корпуса и электродов.
Технология изготовления МДП-транзисторов на изолирующих сапфировых подложках иллюстрируется на примере КМОП-инвертора (рис. 16.10). На поверхности сапфировой подложки выращи-
Рис.КНСРис.КНС16.10. КМОП-инвертор на структуре16.10. КМОП-инвертор на структуревают эпитаксиальный слой монокристаллического кремния p-типа толщиной 0,5 мкм и с высоким удельным сопротивлением. С помощью фотолитографии и селективного травления формируют изолированные островки для отдельных транзисторов, в которые прово
Рис.
КНС
Рис.
КНС
16.10. КМОП-инвертор на структуре
16.10. КМОП-инвертор на структуре
дят одновременную диффузию бора и фосфора на всю глубину кремниевого слоя. Затем вскрывают окна, выращивают подзатворный диоксид, создают электроды и соединительные проводники. В структурах КНС почти в 20 раз уменьшается площадь слоя кремния на подложке, а вместе с этим число дефектов в диоксиде и замыканий в соединительных шинах, что способствует повышению процента выхода годных при- бпппта
Технология КНС имеет ряд недостатков. Различие в кристаллических структурах сапфира и кремния приводит к значительному повышению концентрации структурных дефектов в эпитаксиальном слое. Следствиями этого являются падение подвижности носителей заряда, что снижает быстродействие, и возрастание коэффициента диффузии легирующей примеси вблизи границы раздела кремний — сапфир, что может вызвать сквозное диффузионное замыкание канала. При высокой температуре диффузии происходит автолегирование кремния алюминием и кислородом, входящими в состав сапфира. Сапфировые подложки трудно резать на кристаллы. Они не поддаются скрайбированию, и их режут полотнами. Сапфировые чипы нельзя монтировать в корпус путем пайки эвтектикой, их приходится приклеивать.
Заключение
На тенденции развития полупроводниковой технологии сильное влияние оказывает то обстоятельство, что в настоящее время совершается переход от создания отдельных БИС и СБИС к созданию целых устройств в интегральном исполнении — интегральных систем. Для расширения функциональных возможностей систем на сверхбольших интегральных схемах необходимо повышать степень интеграции и быстродействие, сохраняя низкую потребляемую мощность.
Возрастание числа элементов в составе микросхемы при действии случайных факторов, вызывающих нарушение функции элементов, приводит к уменьшению вероятности получения годных микросхем. Упомянутыми случайными факторами являются технологические ошибки (неточность совмещения шаблонов, подтравли- вание или недотравливание и пр.) и недостаточная чистота воздушной среды. Установлено, что размеры пылинок не должны превышать 0,1 от минимального размера топологических элементов. Для устранения технологических ошибок перспективным направлением является внедрение гибких автоматизированных линий, состоящих из герметизированных, чаще всего вакуумных, камер, соединенных шлюзами и транспортирующими устройствами. В каждой камере пластины подвергаются обработке сухими методами: к ним относятся электронная или рентгеновская литография, имплантация, ионноплазменное травление, термическое или плазменное напыление и др. Гибкие линии можно перестраивать на выпуск ИМС с различными технологическими маршрутами, их широкое использование позволит значительно повысить выпуск годных устройств и систем.
Следует упомянуть о важности организационных мероприятий в решении проблемы уменьшения дефектных систем. В последние годы повсеместное распространение получают так называемые операционные циклы. В технологическом маршруте выделяют группы операций, которые необходимо осуществлять одну за другой, чтобы длительность межоперационного хранения структур не превышала критической (обычно 0,5—24 ч). Четкое соблюдение этого требования позволяет сократить появление бракованных структур и приборов в два-три раза.
Прогресс в повышении степени интеграции полупроводниковых устройств связан со стремлением к созданию более дешевых, надежных и обладающих лучшими параметрами систем. Одним из основ-
ных направлении снижения времени задержки при передаче сигна- ла является уменьшение размеров системы. ;
Для обеспечения более высокого быстродействия ведутся работы по созданию БИС на GaAs, а также устройств на переходах Джозефсона. GaAs и InP обладают высокой собственной проводи- мостью, обусловленной более высокой подвижностью носителей;
с подвижностью в полу изолирующийс подвижностью в полу изолирующийкремнии,арсенид.кремнии,арсенид.заряда в этих материалах по сравнению Другой особенностью является то, что
с подвижностью в полу изолирующий
с подвижностью в полу изолирующий
кремнии,арсенид.
кремнии,арсенид.
галлия можно использовать в качестве подложки для наращивания автоэпитаксиального слоя, поэтому накопление заряда в емкостных элементах в этом слое невелико. Обе особенности позволя
ют снизить задержку распространения сигнала и получить микросхемы со сверхвысоким быстродействием.
Элементы с переходами Джозефсона обладают еще более высоким быстродействием и на три порядка меньшей потребляемой мощностью при том же электрическом токе. Развитие микро- и мина- ЭВМ требует обеспечения их внешней памятью с малыми габаритными размерами и высокой информационной емкостью. Наиболее перспективными для этой цели являются устройства памяти на цилиндрических магнитных доменах, существующих в тонких эпитаксиальных слоях ферритов-гранатов, выращенных на немагнитной гранатовой подложке.
Приведенные примеры показывают, что развитие- технологии создания СБИС и интегральных систем совершается в направлении
гии их изготовления.гии их изготовления.использования новых типов полупроводниковых материалов, а также сверхпроводящих металлов, магнитных диэлектрических кристаллов и других неполупроводниковых веществ при сохранении и совершенствовании методов технологической обработки, присущих полупроводниковому производству. Поэтому успех в реализации перспективных направлений микроэлектроники зависит от прогресса как в области проектирования систем, так и в области техноло
гии их изготовления.
гии их изготовления.
Список литературы
Березин А.С., Мочалкина О. Р. Технология и конструирование интегральных микросхем.— М.: Радио и связь, 1983.
Ефимов И. Е., Г о р б у н о в Ю. И., К о з ы р ь И. Я. Микроэлектрони
ка. М., 1977.,„ о
Колобов Н. А. Основы технологии электронных приборов.— М.: Высшая школа, 1980.
Кремниевые планарные транзисторы/Под ред. Я. А. Федотов а.— М.: Энергия, 1973.
М е н з д а Ф. Интегральные схемы. Технология и применение: Пер. с англ.— М.:Мир, 1981.
Пичугин И. Г„ Таиров Ю. Н. Технология полупроводниковых приборов.— М.: Высшая школа, 1984.
Скворцов И. М. и др. Технология и аппаратура газовой эпитаксии кремния и германия.— М.: Энергия, 1978.
Черняев В. Н. Технология производства интегральных микросхем.— М.: Энергия, 1977.
Чистяков Ю. Д., Р а й н о в а Ю. П. Физико-химические основы технологии микроэлектроники. — М.: Металлургия, 1979.
Та ру и Я. Основы технологии сверхбольших интегральных схем: Пер. с япон.— М.: Радио и связь, 1985.
Л. Парфенов О. Д. Технология микросхем,—М.: Высшая школа, 1986.
106106.1.1жжяяУКАЗАТЕЛЬУКАЗАТЕЛЬ— электронного торможения 203 Критерий светочувствительности Лазерное излучение 281 Легирование атомами отдачи 226 — эпитаксиальных структур 99, Линзовый растр Ликвидус 77Литография ионно-лучевая 272 — рентгеновская 169, 270 — электронная 269 МДП-транзистор 224, 356 Межсоединения 251Механизм разрушения Микропроцессор 346 Микросхемы интегральные 345 — аналоговые 346 — гибридные 347 — линейные 346 - МДП 345, 356 — пленочные 347 — полупроводниковые 347 — цифровые 346 МикрофотонаборМультипликация механическая — оптическая— электронного торможения 203 Критерий светочувствительности Лазерное излучение 281 Легирование атомами отдачи 226 — эпитаксиальных структур 99, Линзовый растр Ликвидус 77Литография ионно-лучевая 272 — рентгеновская 169, 270 — электронная 269 МДП-транзистор 224, 356 Межсоединения 251Механизм разрушения Микропроцессор 346 Микросхемы интегральные 345 — аналоговые 346 — гибридные 347 — линейные 346 - МДП 345, 356 — пленочные 347 — полупроводниковые 347 — цифровые 346 МикрофотонаборМультипликация механическая — оптическаяОбработка подложек ионно-плазменная 67— парогазовая 65— плазмохимическая 69— химико-динамическая 62— химическая 59— электрохимическая 63Окисление термическое кремния 113— во влажном кислороде 119— в парах воды 116— в сухом кислороде 118Оригинал фотошаблона 144промежуточный 147Осаждение гальванических покрытий 71—■ катодное реактивное 125— оксида кремния пиролитическое 120 термическим испарением 124— примесей на дефектах 197— химическое нитрида кремния 126Отжиг импульсный 284— лазерный 282— термический 212Перенос изображенияПереосаждение 250Переход диффузионный 173, 174— линейный 173, 174— планарный 175, 176— резкий 84, 85— сплавной 82, 84Пиролиз, 92, 103Поверхностное сопротивление 199, 256Полимеризация фоторезиста 157Обработка подложек ионно-плазменная 67— парогазовая 65— плазмохимическая 69— химико-динамическая 62— химическая 59— электрохимическая 63Окисление термическое кремния 113— во влажном кислороде 119— в парах воды 116— в сухом кислороде 118Оригинал фотошаблона 144промежуточный 147Осаждение гальванических покрытий 71—■ катодное реактивное 125— оксида кремния пиролитическое 120 термическим испарением 124— примесей на дефектах 197— химическое нитрида кремния 126Отжиг импульсный 284— лазерный 282— термический 212Перенос изображенияПереосаждение 250Переход диффузионный 173, 174— линейный 173, 174— планарный 175, 176— резкий 84, 85— сплавной 82, 84Пиролиз, 92, 103Поверхностное сопротивление 199, 256Полимеризация фоторезиста 157
106
106
.1
.1
ж
ж
я
я
УКАЗАТЕЛЬ
УКАЗАТЕЛЬ
— электронного торможения 203 Критерий светочувствительности Лазерное излучение 281 Легирование атомами отдачи 226 — эпитаксиальных структур 99, Линзовый растр Ликвидус 77
Литография ионно-лучевая 272 — рентгеновская 169, 270 — электронная 269 МДП-транзистор 224, 356 Межсоединения 251
Механизм разрушения Микропроцессор 346 Микросхемы интегральные 345 — аналоговые 346 — гибридные 347 — линейные 346 - МДП 345, 356 — пленочные 347 — полупроводниковые 347 — цифровые 346 Микрофотонабор
Мультипликация механическая — оптическая
— электронного торможения 203 Критерий светочувствительности Лазерное излучение 281 Легирование атомами отдачи 226 — эпитаксиальных структур 99, Линзовый растр Ликвидус 77
Литография ионно-лучевая 272 — рентгеновская 169, 270 — электронная 269 МДП-транзистор 224, 356 Межсоединения 251
Механизм разрушения Микропроцессор 346 Микросхемы интегральные 345 — аналоговые 346 — гибридные 347 — линейные 346 - МДП 345, 356 — пленочные 347 — полупроводниковые 347 — цифровые 346 Микрофотонабор
Мультипликация механическая — оптическая
Обработка подложек ионно-плазменная 67
— парогазовая 65
— плазмохимическая 69
— химико-динамическая 62
— химическая 59
— электрохимическая 63
Окисление термическое кремния 113
— во влажном кислороде 119
— в парах воды 116
— в сухом кислороде 118
Оригинал фотошаблона 144
промежуточный 147
Осаждение гальванических покрытий 71
—■ катодное реактивное 125
— оксида кремния пиролитическое 120
термическим испарением 124
— примесей на дефектах 197
— химическое нитрида кремния 126
Отжиг импульсный 284
— лазерный 282
— термический 212
Перенос изображения
Переосаждение 250
Переход диффузионный 173, 174
— линейный 173, 174
— планарный 175, 176
— резкий 84, 85
— сплавной 82, 84
Пиролиз, 92, 103
Поверхностное сопротивление 199, 256
Полимеризация фоторезиста 157
Обработка подложек ионно-плазменная 67
— парогазовая 65
— плазмохимическая 69
— химико-динамическая 62
— химическая 59
— электрохимическая 63
Окисление термическое кремния 113
— во влажном кислороде 119
— в парах воды 116
— в сухом кислороде 118
Оригинал фотошаблона 144
промежуточный 147
Осаждение гальванических покрытий 71
—■ катодное реактивное 125
— оксида кремния пиролитическое 120
термическим испарением 124
— примесей на дефектах 197
— химическое нитрида кремния 126
Отжиг импульсный 284
— лазерный 282
— термический 212
Перенос изображения
Переосаждение 250
Переход диффузионный 173, 174
— линейный 173, 174
— планарный 175, 176
— резкий 84, 85
— сплавной 82, 84
Пиролиз, 92, 103
Поверхностное сопротивление 199, 256
Полимеризация фоторезиста 157
ПРЕДМЕТНЫЙ
Абразивная способность 36
Автолегирование 92
Автоэпитаксия 88
Алмазный диск 38
Аморфизация 202, 212, 276, 278
Анодирование газовое 124
— электролитическое 123
Атом отдачи 202, 226
Вакансия 108, 172, 212
Генератор изображения 149
Гетероэпитаксия 88, 95—98
Геттерирование 198, 278
Дефекты радиационные 202, 265, 267
— упаковки 108
Диаграмма состояния 77
Дислокации 107, 197, 214
Диффузанты 178—180
Диффузия 172—193, 212—214
Доза облучения 210
Загонка примеси 174, 178
Законы фотохимические
Заряд иона 210
Защитные пленки
Излучение синхротронное 271
— тормозное 267
— характеристическое 267
Изоляция элементов ИМС 194, 277, 354—356 .
Индексы Миллера
Ионная имплантация 201
Ионнообменные смолы
Испарение многотигельное 235
— однотигельное 236
—■ элементов 233
Испарители 232
Источник ионов 207
Каналирование 202
Каскадное перемешивание 227
Каскад смещений 202
Кислотостойкость фоторезистов
КМОП-транзистор 358
КНС-структура 359
Контакт малопроникающий 254
— невыпрямляющий 253
Контактная проекционная печать
Концентрация поверхностная 173, 175, 181, 200
эффективная 228
Коэффициент диффузии 173, 180
— испарения 234, 237
— ослабления интенсивности 266
— передачи 237
энергии 203
— поверхностный Холла 229
— поглощения 267
— распределения примеси 80
— распыления 239
364
Полировка пластин окончательная 50
— предварительная 49
— промежуточная 50
Присоединение выводов 306
Пробег иона 202—205
— электрона 266
Профиль распределения примеси 206, 213
в двухслойных структурах 216
линейный 226
при двойной имплантации
214
последовательной диф
фузии 184
двухстадийной диффузии 181
диффузии из слоя конечной толщины 183
— —распылении ионолегированного слоя 218
Процесс обработки радиационной 264
сухой 6, 231, 242
Радиационно-стимулированная диффузия 272—275
Радиационные нарушения 201, 211, 267, 276
Радиация проникающая 265
Разгонка примеси 174, 178
Разрешающая способность 269
Распыление диодное 243
— высокочастотное 242, 243
— катодное 238
— магнетронное 242
— реактивное 242, 246
— триодное 242, 245
— физическое 238
Растворимость 78, 80
Резание пластин 41
—■ — алмазным диском 42
проволокой 42
стальными полотнами 42
ультразвуковое 43
— слитков 38
алмазным диском 38
— ■— стальными полотнами 38
Резисторы диффузионные 195
— полученные ионной имплантацией 226
— тонкопленочные 255
Рекристаллизация 84, 282
Сборка 300:
Сварка термокомпрессионная 306
— ультразвуковая 311
— холодная 315
— электроконтактная 310, 314
Силанирование 291
Силициды 254
Скрайбирование алмазное 43
— лазерное 44
— электронно-лучевое 44
Совмещаемость фотошаблонов 157, 161
Совмещение 157, 161
Солидус 77
— ретроградный 80
Стекло алюмосиликатное 296
— боросиликатное 295
— многокомпонентное 298
— оптическое 144
-г- свинцовосиликатное 296
— халькогенидное 297
Степень интеграции 345
Тлеющий разряд 238
Топология 347—350
Травление анизотропное 247, 248
— анодно-механическое
— изотропное 248
— ионное 241, 244
— ионно-лучевое 242
— ионно-плазменное 242
— плазмохимическое 246
— селективное 247
Транзистор 223, 351—353
Ультразвуковая ванна 58
Управление границей раздела 276
— номиналом и TKR 277
— пороговым напряжением 224
Уравнение Вульфа—Брегга 262‘
— Лэнгмюра 234
Ускорение травления 278
Ускоритель ионно-лучевой 207
Фотолитография 135?
Фотомонтаж 150
Фотонабор 149
Фоторезист 139
Фотошаблон 144
Фотоштамп 148
Хемоэпитаксия 88
Центрифугирование 159
Шлифовка пластин 146
Эвтектика 78
Экспонирование фоторезиста 162
Электродиффузия алюминия 252
Электронорезист 270
Электроны вторичные 266
Элементы ИМС активные 351—360’ — — пассивные 255—259 СВЧ 259—261
Энергия иона 210
— сублимации 239
Эпитаксия 87
— газофазная 89
— германия 98
— жидкофазная 90, 105
— кремния гидридным методом 92
хлоридным методом 91
— молекулярно-лучевая 88
— соединений типа AlnBv 101
Ядерная тормозная способность 205
365
Оглавление
Предисловие
Введение
Глава 1. Технология полупроводникового производства
. Технологический маршрут
1.2. Особенности и перспективы технологии . . .
Глава 2. Полупроводниковые материалы
3
5
7
10
§ 2.1. Требования к полупроводниковым материалам § 2.2. Классификация полупроводниковых материалов § 2.3. Общая характеристика кристаллических тел .
§ 2.4. Германий
§
5 § $ $ §
2.5.
2.6.
2.7.
2.8.
2.9.
Кремний . . . Арсенид галлия
Фосфид галлия
Арсенид индия
Антимонид индия
. Антимонид галлия
2.11. Структуры на основе материалов интерметаллических
соединений
12
13
15
17
21
27
30
31
32
33
34
Глава 3. Механическая обработка полупроводниковых материалов
Физические основы механизма разрушения хрупких полупроводниковых материалов при механической обработке Абразивные материалы Резка полупроводниковых слитков на пластины Резка полупроводниковых пластин на элементы (кристаллы) . . . Разламывание пластин после скрайбирования Шлифовка полупроводниковых пластин Полировка полупроводниковых пластин Контроль качества механической обработки
§
§
§
§
§
§
3.1.
3.2.
3.3.
3.4.
3.5.
3.6.
3.7.
3 8.
Глава 4. Технохимические процессы подготовки подложек ИМС § 4.1. Цели технохимических поопессов
34
36
38
41
45
46
48
51
а
Цели технохимических процессов подготовки подложек
Виды загрязнений полупроводниковых подложек
Отмывка полупроводниковых подложек
Химическая обработка полупроводниковых подложек
Химико-динамическая обработка полупроводниковых подложек . .
Электрохимическая обработка полупроводниковых подложек . . . Парогазовая обработка кремниевых подложек Ионно-плазменная обработка подложек Плазмохимическая обработка подложек 4.10. Осаждение гальванических покрытий
§ 4.11. Получение особо чистой воды
5
§ §
§ § §
4.2.
4.3.
4.4.
4.5.
4.6.
4.7.
4.8.
4.9.
54 5
55 'А
57 1
59 J
62 I
62 I
65 |
67 -Я
69
71?
74
Глава 5. Получение структур методом сплавления
§5.1. Диаграмма состояния
366
Физико-металлургические основы образования сплавного р-п-пере- хода 82
Контроль качества сплавных структур 85
Глава 6. Получение структур методом эпитаксиального наращивания §6.1. Основные методы эпитаксиального осаждения 87
Технологические особенности эпитаксии Si и Ge 90
Технологические особенности эпитаксии полупроводниковых соединений типа AnlBv 101
Дефекты в эпитаксиальных структурах 107
Методы контроля эпитаксиальных слоев 109s
Глава 7. Защитные диэлектрические пленки в планарной технологии
Требования, предъявляемые к защитным диэлектрическим пленкам 112
Кинетика термическогоокислениякремния ИЗ
Термическоеокислениекремниявпарах воды 115
Термическоеокислениекремниявсухом кислороде 113
Термическоеокислениекремнияво влажном кислороде119
Пиролитическое осаждение оксидных пленок кремния 126
Анодное окисление кремния 123
Осаждение пленок оксида кремния термическим испарением . . .124
Реактивное катодное распыление оксида кремния 125
Химическое осаждение пленок нитрида кремния 126
Реактивное катодное осаждение пленок нитрида кремния . . .136
Контроль качества защитных диэлектрических пленок диоксида и нитрида кремния 131
Глава 8. Фотолитография
Фотолитография—основа планарной технологии 135
Фоторезисты 136
Критерии применимости фоторезистов 141
Фотошаблоны и способы их получения 144
Промышленное изготовление фотошаблонов 156
Контактная фотолитография 157
Проекционная оптическая фотолитография 166
Рентгенолитография 169
Дефекты фотолитографического процесса 176
Глава 9. Получение структур методом диффузии
Распределение примеси при диффузии 172
Технологические приемы получения диффузионных структур . .177
Методы расчетов диффузионных структур 181
Определение режимов диффузии •• •188
Диффузионные процессы при изготовлении ИМС 193
Дефекты и методы контроля диффузионных структур 197
Глава 10. Получение структур методом ионной имплантации § 10.1. Физические представления об имплантации . 202
Технологические особенности процессов ионной имплантации . .207
Отжиг и диффузия 211
Методы расчетов ионно-имплантированиых структур 214
Определение режимов имплантации 219
Использование процессов ионной имплантации в полупроводниковой технологии .223
Методы контроля ионно-имплантированных структур 228
Глава 11. Получение структур методами термического испарения и ионноплазменного распыления.
Технологические особенности термического испарения материалов 231
Катодное распыление материалов 238
Технологические особенности ионно-плазменного распыления . .241
Изготовление межэлементных соединений и контактов251
Пассивные элементы интегральных микросхем 255
Методы контроля тонких пленок 261
Глава 12. Процессы радиационной обработки
Воздействие проникающей радиации на вещество 265
Радиационная литография 269
Радиационно-стимулированная диффузия 272
Контролируемое введение радиационных нарушений с помощью ионной имплантации. 276
Лазерная технология 281
Методы контроля радиационных нарушений 285
Глава 13. Защита поверхности р-п-переходов
Влияние состояния поверхности р-и-перехода на электрические параметры прибора 287
Защита веществами на основе кремнийорганических соединений и полимеров 290
Защита оксидными и нитриднымипленками кремния 291
Защита пленками оксидовметаллов 293
Защита пленками стекла 295
Глава 14. Сборка полупроводниковых приборов и интегральных микросхем
Особенности процесса сборки 300
Присоединение кристалла к основанию корпуса 301
Присоединение выводов 306
Герметизация кристалла 311
Глава 15. Конструкции корпусов полупроводниковых приборов и ИМС
Общие сведения о корпусах 318
Конструкциикорпусовдиодов общего назначения 319
Конструкциикорпусовтиристоров 325
Конструкциикорпусовдиодов СВЧ-диапазона 327
Конструкциикорпусовтуннельных диодов 329
Конструкциикорпусовтранзисторов . . 331
Конструкциикорпусовисточников света 334
Конструкции корпусов интегральных микросхем-..337
Глава 16. Особенности технологии изготовления ИМС
Классификация интегральных микросхем . . . 345
Разработка топологии ИМС 347
Изготовление элементовбиполярных ИМС 351
Изготовление элементовМДПИМС 356
Заключение 361
Список литературы 363
Предметный указатель 364
дом ионной имплантации, то эмиттерная диффузия аналогична стадии разгонки
яз слоя с ограниченным содержанием примеси, поэтому глубина залегания эмит
терного перехода определяется из условия равенства двух распределений, опи
сываемых кривыми Гаусса:
1 ер-.Ax
В конце 70-х годов получили практическое применение технологические процессы обработки полупроводниковых структур и прибо
ров потоками проникающей и непроникающей радиации. Носителями энергии в этих процессах являются быстрые частицы (ионы, электроны, иногда нейтроны), а также кванты рентгеновского и оптического излучения. Технологические процессы радиационной
А. И. Курносов В.В.Юдин
ТЕХНОЛОГИЯ ПРОИЗВОДСТВА полупроводниковых приборов и интегральных микросхем
ИЗДАНИЕ ТРЕТЬЕ,ПЕРЕРАБОТАННОЕИ ДОПОЛНЕННОЕ
Допущено Министерством высшего и среднего специального образования СССР в качестве учебного пособия для студентов вузов, обучающихся по специальностям «Полупроводники и диэлектрики* и «Полупроводниковые приборы»
МОСКВА
«ВЫСШАЯ ШКОЛА
К 93
Рецензент — кафедра микроэлектроники Московского инженерно-физи-ческого института (зав. кафедрой д-р техн, наук, проф. Шальков А. В.)
Курносов А. И., Юдин В. В.
К 93 Технология производства полупроводниковых приборов и интегральных микросхем: Учеб, пособие для вузов по спец. «Полупроводники и диэлектрики» и «Полупроводниковые приборы».— 3-е изд., перераб. и доп. — М.: Высш шк., 1986.—
368 с., Ил.
ББК 32.8526ФО.32ББК 32.8526ФО.32В книге рассмотрены основные технологические процессы производства полу* проводниковых приборов и интегральных микросхем. В 3-е издание (2-е — в 1979 г.) введены новые разделы, посвященные технологическим процессам радиационной обработки материалов н приборов, новейшим конструкциям корпусов интегральных микросхем, а также полупроводниковым материалам.
ББК 32.852
6ФО.32
ББК 32.852
6ФО.32
2403000000-415_кб № 18_19_86
К001(01)—86(
УЧЕБНОЕ ИЗДАНИЕ
Анатолий Иванович К.
Владимир Васильевич
Художник редакторы КорректорХудожник редакторы КорректорТЕХНОЛОГИЯ ПРОИЗВОДСТВА ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ И ИНТЕГРАЛЬНЫХ МИКРОСХЕМ
Художник редакторы Корректор
Художник редакторы Корректор
Заведующий редакцией Л. А. Романова. Редактор И. Г. Волкова.
Ф. Н. Буданов, Художественный редактор Т. М. Скворцова. Младшие И. А. Исаева, И. А. Титова. Технический редактор Л. А. Григорчук.
Г. Й. Кострикова
ИБ 5404
Изд. № Эр-394. Сдано в набор 27.03.86. Поди, в печать 21.07.86. Т-07590.
Формат 60X90V16. Бум. кн.-журн. № 2. Гарнитура литературная. Печать высокая.
Объем 23 усл. печ. л. 23 усл. кр.-отт. 25,46 уч.-изд. л.
Тираж 22 000 экз. Зак. № 210. Цена 1 р. 3 0 к.
Издательство «Высшая школа», 101430, Москва, (ГСП-4, Неглнниая ул., д. 29/14.
Московская типография № 8 Союзполнграфпрома при Государственном комитете СССР по делам издательств, полиграфии н книжной торговли, 101898, Москва, Центр, Хохловский пер., 7.
© Издательство «Высшая школа», 1974
© Издательство «Высшая школа», 1986, с изменениями