Физическая микроэлектроника (стр. 7 )

· подготовительные операции; они выполняются с учетом рекомендаций проектантов и содержат последовательность следующих технологических операций: выращивание методом Чохральского монокристалла полупроводника в форме цилиндра заданного диаметра; нарезка пластин с заданной ориентацией кристаллической решетки; шлифовка и полировка пластин; заготовка фотошаблонов для процессов фотолитографии; заготовка необходимых химикатов и газов для обработки поверхности;

· обрабатывающие операции, в процессе выполнения которых в определенной последовательности производится наращивание эпитаксиального слоя с заданным типом проводимости, нанесение диэлектрических и проводящих слоев, легирование путем диффузии и ионной имплантации, термообработка, сплошное и размерное травление, а также ряд промежуточных операций в виде промывки и сушки пластин в инертных газах; при этом некоторые операции многократно повторяются, например, процесс фотолитографии, с помощью которой создается определенный топологический рисунок схемы; в процессе изготовления серии однотипных интегральных схем выполняется до десятка литографий; при необходимости проводится промежуточный и обязательно финишный контроль на предмет функционирования интегральных схем непосредственно на пластине;

· заканчивается технологический цикл рядом завершающих операций: разделение пластин путем скрайбирования на «чипы» – монокристаллы с готовыми интегральными схемами, монтаж кристаллов в корпуса, разводка и пайка выводов, герметизация, механические, электрические и климатические испытания, разбраковка и маркировка готовых изделий.

Приведенная выше производственная классификация технологических процессов крайне громоздка и не позволяет проводить анализ отдельных процессов на предмет их совместимости на базе общих физико-химических принципов.

Исходя из вышесказанного, предлагается физическая классификация технологических процессов. Она более проста и наглядна.

В основу физической классификации положены физико-химические процессы, используемые при проведении данной конкретной операции. При таком подходе все технологические процессы, перечисленные выше, укладываются в три группы: нанесение тонких слоев, удаление тонких слоев и модификация проводимости приповерхностного слоя кристалла, на базе которого реализуется создаваемая интегральная схема.

Достоинством приведенной классификации является то, что каждому из блоков отнесены преимущественно однотипные по физико-химическому способу реализации технологические процессы. Так, например, нанесение различных диэлектрических или проводящих слоев отличается только наносимым материалом и физическими параметрами нанесенного слоя. То же самое можно сказать и по блоку удаления тонких слоев, которое может реализоваться на однотипном оборудовании с использованием реагентов в виде жидкостей или газо-плазменных сред. Оптимальный режим и качество процессов реализуется путем подбора и поддержания на определенном уровне технологических параметров.

Исходя из предлагаемой физической классификации, рассмотрим некоторые технологические операции, акцентируя внимание на физико-химических процессах, лежащих в их основе.

9.2. Нанесение тонких пленок для целей микроэлектроники

В микроэлектронике широко используются тонкие слои микронной толщины и меньше (тонкие пленки). Выбор материала пленки и подложки, способ нанесения, а также механические, электрические и оптические параметры наносимых слоев определяются их назначением.

Исходный материал может быть в жидком, твердом или газообразном состоянии.

Не вдаваясь в технические подробности различных способов нанесения тонких пленок, которые легко найти в доступной литературе и на которую будут даны соответствующие ссылки, ограничимся их краткой характеристикой и перспективой дальнейшего развития.

9.2.1. Нанесение фоторезиста для фотолитографии

Фоторезист (ФР) представляет собой светочувствительное органическое вещество, используемое в планарной технологии микроэлектроники в качестве защитной маски при избирательном вытравливании окон (рис. 9.1) в диэлектрических пленках SiO2 или Si3N4 для проведения избирательной диффузии в полупроводниковую пластину, а также в пленке Al в процессе металлизации.

Рис. 9.1. Фотолитографический процесс при создании

планарного p–n-перехода:

1 – исходная полупроводниковая пластина; 2 – нанесение диэлектрической пленки SiO2; 3 – нанесение фоторезиста; 4 – экспонирование фоторезиста через фотошаблон; 5 – проявление фоторезиста; 6 – избирательное плазменное травление SiO2 через маску фоторезиста; 7 – диффузия примеси через маску SiO2; 8 – удаление пленки фоторезиста

Роль фоторезиста в фотолитографическом процессе наглядно иллюстрируется последовательностью технологических операций при создании планарного p–n-перехода (рис. 9.1). Интересующий нас процесс удаления задубленного фоторезиста изображен операцией 8.

Защитная маска фоторезиста должна быть стойкой к реакционной среде, с помощью которой производится травление SiO2. Отметим, что фоторезист первоначально был разработан и использовался в жидкостно-химическом травлении. Он оказался стойким и в плазменной технологии травления.

Структурная формула одного из наиболее распространенных отечественных фоторезистов ФП-РН-7 и его наполнителя (новолака) представлены на рис. 9.2.

Рис. 9.2. Структурная формула позитивного фоторезиста ФП-РН-7

Различают позитивные и негативные фоторезисты. Позитивный фоторезист (ФП) удаляется с экспонированных ультрафиолетом участков в жидком травителе, так как под действием света разрушаются отдельные связи между атомами. Негативный фоторезист (ФН) в экспонированных участках полимеризуется и при травлении с этих участков не удаляется. ФП дает позитивное изображение фотошаблона, а ФН – негативное. ФП обладает большим разрешением по сравнению с ФН; последний является более чувствительным.

Наиболее простым способом нанесения фоторезиста является центрофугирование. В центр поверхности быстро вращающейся пластины наносится капля жидкого фоторезиста, которая затем под действием центробежных сил равномерно растекается тонким слоем по всей пластине. Варьируя скорость вращения пластины, температуру и плотность фоторезиста, получают микронные по толщине слои, которые после сушки используются для проведения фотолитографического процесса. Единственным недостатком данного способа нанесения фоторезиста является его несовместимость с последующими вакуумно-плазменными процессами, доминирующими в настоящее время, что затрудняет автоматизацию всего технологического цикла. К сожалению, «сухих» способов нанесения тонких слоев с характеристиками фоторезиста пока нет.

9.2.2. Эпитаксия

Под эпитаксией подразумевают ориентированный рост кристаллического слоя на подложке. Само слово «эпитаксия» происходит из двух греческих слов: epi – над и taxis – упорядочивание.

Эпитаксиальное наращивание полупроводникового слоя является одной из первых технологических операций, ибо в нем в последствии формируется вся интегральная схема. Причиной изобретения эпитаксии явилась необходимость наращивания монокристаллического слоя на подложку с одновременным легированием для создания соответствующего типа проводимости. Толщина эпитаксиального слоя составляет несколько микрон. Возможные сочетания типа проводимости кремниевой подложки и эпитаксиального слоя приведены ниже на рис. 9.3.

Различают гомоэпитаксию, или автоэпитаксию, например, наращивание Si на Si, и гетероэпитаксию - наращивание кристаллического полупроводникового слоя на подложку из другого материала.

Эпитаксия отличается от выращивания полупроводниковых кристаллов методом Чохральсого тем, что она реализуется при более низких температурах, существенно ниже температуры плавления полупроводника, а рост слоя происходит не из расплавленного полупро-

Рис. 9.3

водника, а из газовой среды или жидкого раствора полупроводникового соединения.

Кроме газо-фазовой эпитаксии, возможна жидкостная и наиболее прогрессивная в настоящее время – молекулярно-лучевая эпитаксия. Сравнительные параметры названных эпитаксиальных процессов приведены в таблице 9.1.

Таблица 9.1

Сравнительные параметры газофазной, жидкостной и молекулярно-лучевой эпитаксии

Схемы реактора и процесса эпитаксии приведены на рис 9.4.

Наращивание эпитаксиальных слоев проводится обычно групповым способом при непрерывной прокачке смеси газов SiH4 + PH2 в газоносителе H2 при индукционном нагреве реакционной кварцевой камеры.

Предположительно механизм газо-фазного эпитаксиального наращивания кремния выглядит следующим образом. Молекулы соединения полупроводникового материала (SiH4 или SiCl4), разбавленные газом носителем (H2), диффундируют к поверхности подложки (Si), нагретой внешним индуктором до высокой температуры (1150 – 1300 оС), распадаются на радикалы и свободные атомы и под действием полей поверхностных атомов подложки создают зародыши эпитаксиального монослоя. Процесс активации газовой среды происходит, в основном, в объеме газа вблизи поверхности.

При благоприятных условиях (большая подвижность атомов кремния и возможность рассеяния освобождающейся скрытой теплоты кристаллизации и теплоты реакции) происходит рост монослоя вдоль поверхности подложки, а затем и последующих слоев, повторяющих кристаллическую ориентацию подложки. Этот процесс возможен только при наличии подложки.

1000 oC

SiH4 + PH2 ® Si¯ + P¯ + H2­

Рис. 9.4. Газофазная эпитаксия в реакторе горизонтального типа (метод открытой трубы) в среде моносилана и фосфина:

1 – индуктор (ВЧ нагреватель), 2 – кварцевая труба, 3 – подложки,

4 и 5 – ввод и вывод газовой среды

В заключение отметим, что весь процесс газофазной эпитаксии содержит не менее десяти различных технологических операций.

При жидкостно-электролитической эпитаксии (рис. 9.5) подложка обычно находится в термическом равновесии с жидким раствором. Осаждение происходит вследствие локального пересыщения раствора за счет понижения температуры на границе подложка–раствор при прохождении электрического тока (эффект Пельтье).

Рис. 9.5. Жидкостно-электролитическая эпитаксия:

1 – верхний электрод; 2 – раствор полупроводникового

материала и легирующей примеси; 3 – эпитаксиальный слой;

4 – подложка

Молекулярно-лучевая эпитаксия основана на химической реакции в конденсате молекулярных пучков из независимых источников в вакууме (p ~ 10–6 Па). Основным преимуществом данного метода перед упомянутыми выше – это более низкая рабочая температура (400 – 800 оС) и возможность создания сложных гетероструктур, например:

p-AlxGa1-xAs / p-GaAs / n-AlxGa1-x. (9.1)

Схема молекулярно-лучевой эпитаксии представлена на рис. 9.6.

Независимость источников исходных компонентов дает широкие возможности создания гетероструктур сложного состава. Отметим, что МЛЭ является наиболее перспективным методом элитаксии в настоящее время.

Рис. 9.6. Схема молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ):

1 – нагреватель подложки; 2 – подложка; 3 – эпитаксиальный слой;

4 – электронная пушка; 5 – источник полупроводникового материала (Si);

6 – источник легирующей примеси

9.2.3. Осаждение диэлектрических слоев

В полупроводниковой микроэлектронике при создании биполярных и МОП транзисторов в силу технологической целесообразности наибольшее распространение получили слои оксида (SiO2) и нитрида (Si3N4) кремния, обладающих маскирующими, диэлектрическими, изолирующими и защитными свойствами. Эти слои используются для изоляции элементов, в качестве подзатворного диэлектрика в МОП транзисторах, в качестве диэлектрика в МДП конденсаторах, в качестве маски при локальной диффузии, межслойной изоляции и, наконец, в виде планаризирующего слоя в многоуровневых ИС.

Получение слоев SiO2 и SI3N4 совместно с литографией составляют основу планарной технологии ИС.

Кроме названных диэлектрических соединений, в микроэлектронике используются пленки Al2O3 и планаризующие диэлектрики в виде боро-, фосфоро - и борофосфоросиликатного стекла.

Способов осаждения диэлектрических пленок довольно много, однако все их можно подразделить на две групп:

· методы, основанные на химической реакции при взаимодействии материала подложки с окислителем; типичным представителем указанного способа является термическое окисление кремния; отметим, что пластина кремния при контакте с воздухом даже при комнатной температуре покрывается тонким слоем SIO2 прядка нескольких десятков ангстрем;

· методы, основанные на формировании диэлектрической фазы на подложке при поставке компонентов из внешней среды, т. е. без использования материала подложки, например, осаждение SiO2 путем пиролиза силана в кислородной среде.

Примером первого способа может быть сухое окисление кремния, химическая реакция которого протекает следующим образом:

1300 оС

Si + O2 ® SiO2. (9.2)

Пленка SiO2 образуется за счет материала полупроводника. Недостатком этого метода являются: высокая температура процесса, низкая скорость (менее 1 мкм/час) и, главное, невозможность получения относительно толстых слоев окисла, т. к. первоначальный слой окисла препятствует дальнейшей диффузии кислорода, что ограничивает скорость роста пленки, постепенно сводя ее к нулю.

Возможно жидкостное окисление кремния в парах воды при относительно низкой температуре и большой начальной скорости. Однако качество таких пленок невысокое.

Si + 2Н2О ® SiO2 + 2Н2. (9.3)

Примером второго способа нанесения диэлектрических пленок является наращивание пленки SiO2 из газовой фазы, например, путем пиролиза силана.

500 оС

SiH4 + О2 ® SiO2 + 2Н2. (9.4)

Как видно из химической формулы, процесс реализуется при значительно более низкой температуре, а скорость роста пленки постоянна при неизменной концентрации силана и кислорода. Скорость роста пленки окисла порядка 0,1 мкм/мин.

Осаждение SiO2 может проходить как при атмосферном, так и при пониженном давлении. Возможно одновременное легирование пленок SiO2, например, при получении боро - или фосфоросиликатных стекол, используемых при планаризации рельефа поверхности.

Процесс осаждения и параметры полученных пленок SiO2 зависят от многих технологических факторов: температуры, концентрации реагентов, давления и др. и, конечно, от способа осаждения. Наиболее перспективным считается плазменный с использованием тлеющего разряда низкого давления на постоянном или переменном токе, температура газовой среды которого не превышает нескольких сотен градусов.

Стехиометрический нитрид кремния (Si3N4), обладает лучшими защитными свойствами в кремниевой технологии по сравнению с SiO2. Он представляет собой надежный барьер против диффузии ионов натрия и молекул воды, которая может привести к коррозии металлизации интегральных схем или к нестабильности электрических параметров. Он используется при локальном окислении кремния в качестве дополнительной маски при литографии и в ряде других случаев. Осаждение нитрида кремния осуществляется за счет химической реакции паров силана и аммиака при температуре 800 – 900 оС, а также в реакции дихлорсилана с аммиаком при температуре 700 – 800 оС.

3SiН4 + 4NH3 ® Si3N4 +12 Н2 (9.5)

3SiCl2H2 + 4NH3 ® Si3N4 + 6HCl + 6Н2. (9.6)

Следует отметить, что процесс осаждения Si3N4 более сложный по сравнению с SiO2. Например, не наблюдается рост пленки нитрида кремния в аммиачной атмосфере на кремниевой пластине даже при температурах в пределах 1000 – 1100 оС.

Химически осажденный нитрид кремния представляет собой аморфный диэлектрик, содержащий до 80 % водорода.

Как и в случае осаждения пленок SiO2, весьма перспективен плазменный метод, позволяющий формировать слои Si3N4 при температуре подложки в пределах 250 – 350 оС.

Плазма, созданная ВЧ разрядом низкого давления, является хорошим катализатором реакции синтеза азота и кремния, а также других соединений.

Сравнительные параметры пленок SiO2 и Si3N4, осажденных парогазовым и плазмо-химическим методами, представлены в табл. 9.2.

Таблица 9.2

Свойства диэлектрических пленок, полученных различными

способами осаждения [5]

9.2.4. Осаждение токопроводящих пленок; металлизация

Из за большого объема этот материал размещен на нескольких страницах: 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12