СПОСОБЫ ПОЛУЧЕНИЯ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЛОЕВ
Тема 9
ТЕХНОЛОГИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ СТРУКТУР
В окислительной среде можно получить тонкий прочный и влагонепроницаемый слой двуокиси кремния. Поэтому Si является основным материалов в полупроводниковой технологии. Другой важный полупроводник - арсенид галлия GaAs. Основным достоинством GaAs является высокая подвижность носителей заряда, а значит и высокое быстродействие приборов на его основе. Однако его применение ограничивается следующими трудностями:
- выращивание кристалла GaAs,
- создание изоляционных слоев,
- вредность производства.
Необходимую электропроводимость в полупроводниках получают легированием. Атом примеси генерирует свободный носитель заряда – электрон или дырку, появляется, соответственно проводимость n- или р- типа. Концентрацию носителей заряда изменяют в больших пределах. Если степень концентрации более 108 1/см3, то применяют обозначение n+ или p+. Основным прибором в микроэлектронике и основной структурой в микротехнологии является транзистор. Транзисторы используются для регулирования тока в цепи с помощью относительно небольшого тока или напряжения, приложенного в биполярных транзисторах к вспомогательному электроду- базе (Б) .
Биполярный транзистор состоит из двух включенных навстречу друг другу p-n переходов, разделенных общей тонкой областью Б. Внешние области коллектор (К) и эмиттер (Э) имеют одинаковый тип проводимости.
|
|
|
Полевой (униполярный) транзистор состоит из 2-х небольших высоколегированных областей одного типа проводимости, называемых истоком (И) и стоком (С). Область, прилегающая к поверхности подложки между И и С, называется каналом. Канал покрыт тонким слоем изолирующего материала (если окисла, то говорят о МОП-транзисторе, если другого диэлектрика – МДП-транзисторе), на который наносится металлический электрод- затвор (З).
Особенности производства полупроводниковых ИМС
Технология изготовления включает 3 группы процессов:
1.Заготовительные:
а) получение монокристаллических пластин Si
б) изготовление отдельных деталей и узлов корпуса ИМС.
2. Обрабатывающие:
а) окисление Si
б) эпитаксия – наращивание монокристалла
в) диффузия – движение атомов в направлении уменьшения концентрации
г) ионная имплантация – внедрение примесей
д) вакуумная металлизация – ТВИ, ИПР
е) литография
3. Сборочно-монтажные процессы.
В зависимости от корпуса МС и других различных факторов число этих операций доходит до 200.
Общие характеристики полупроводникового процесса
Элементы
5гр 3гр
Атом становится носителем заряда, если занимает место в узле кристаллической решетки Si, т.е. занимает вакансию. Плотность атомов Si 5∙1022 1/см2, а количество вакансий при комнатной температуре только 107 1/см3, т.е. одна вакансия на 103 атомов. При t=900-1000 °C концентрация вакансий становится ~1021 1/см3, т.е. одна вакансия на 50 атомов Si. Отсюда: отличительной особенностью процессов полупроводниковой технологии является то, что: 1) это высокотемпературные процессы; 2) все формируемые слои - монокристаллические; 3) все процессы многократно повторяющиеся.
|
|
|
СПОСОБЫ ПОЛУЧЕНИЯ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЛОЕВ
Диэлектрические слои получают 2-мя способами:
1. Термическое окисление Si.
2. Осаждение из газовой фазы.
1. Термические окисление Si – процесс окисления, который интенсифицируется нагревом пластины Si до высокой t°. Этот метод является основным при получении маскирующих и изолирующих слоев, и для получения подзатворного диэлектрического слоя для МДП – структур. Si обладает большим сродством к О2. На тщательно отполированной пластине Si даже при комнатной t° образуется пленка SiO2, толщиной 1-1,5 мкм. Таким образом, термическое окисление осуществляется уже при наличии окисной пленки. Кинетику роста окисной пленки можно представить так:
|
|
|
1. Адсорбция O2 на поверхности Si (захват).
2. Прохождение атомов окислителя через слой окисла.
3. Взаимодействие атомов окислителя с атомами Si.
В качестве окислителя используют очищенный сухой и влажный кислород. При использовании сухого О2 на поверхности Si идет реакция:
Пленка SiO2 получается тонкой, качественной. Но реакция идет долго.
При использовании влажного О2 идет реакция:
Образование пленки идет быстрее, но они менее качественны.
Схема установки термического окисления Si
1 кварцевая труба с открытым выходом
2 нагревательная печь
3 кремниевая кассета для пластин
4 кремниевые пластины
5 вентили;
6 ротаметры;
7 сосуд с водой
Процесс окисления выполняют в таких универсальных установках, где возможно выполнять другие процессы, например, диффузию.
В промышленном производстве чаще всего используют комбинированное окисление Si. Вначале выращивают тонкий слой в сухом кислороде. Затем наращивают более толстый слой во влажном О2, а затем вновь в сухом О2. Это дает хорошее свойства на границе «Si-SiO2» и хороший окисел на границе «SiO2 – окружающая среда». Большая часть толщины SiO2 получается быстро и при меньшей t°. Это нужно для уменьшения разгона примеси в процессе окисления.
|
|
|
В обычных технологических процессах в качестве маскирующего слоя для диффузии As, Sb, B достаточно толщины SiO2 в 0,5-1,5 мкм.
2. Осаждение диэлектрических пленок из газовой фазы позволяет получать сравнительно толстые пленки. При этом необходимо учитывать согласование пленки и Si по ТКЛР. Осаждение позволяет:
1. Уменьшать t° воздействие на пластину.
2. Использовать в качестве диэлектрика другие диэлектрические материалы, которые могут обладать лучшими свойствами.
Для осаждение SiO2 используется реакция окисления силана SiH4
SiH4 – газ. Необходимую концентрацию подают с помощью газа-носителя (Ar). Это позволяет строго контролировать концентрацию реагентов. Скорость осаждение ~ 0,1 мкм/мин.
Недостаток: токсичность и взрывоопасность SiH4.
Кроме того используется осаждение Si из различных кремне - органических соединений, например, тетраэтоксисилана путем его пиролитического, т.е. высокотемпературного разложения.
Аналогичным методом осаждают из газовой фазы SiN4, Al2O2, TiO2, Ta2O5. Осаждение производят в ректорах из нержавеющей стали.
Особенность: используется инфракрасный нагрев внутри камеры.
1-Камера с открытым выходом
2-Охлаждение
3-ИК- нагрев
4-Кассета с пластинами.
Можно использовать плазмохимическое осаждение. Этим методом получают окислы Ti, Ta, нитриды. В этих установках можно осуществлять плазмохимическое травление, т.е. производить подготовку пластины.
Еще один метод - газо-фазовое осаждение твердых диффузантов. Этот метод основан на реакции окисления силана и гидридов легирующих элементов. Так получают фосфоросиликатное стекло (ФСС) и боросиликатное стекло (БСС). Скорость осаждения зависит от t°, а содержание окисла фосфора и бора зависит от содержания в газовой смеси диффузантов. Эти стекла применяют для защиты поверхности полупроводниковых структур.
Тема 10
Эпитаксия
Эпитаксия – процесс наращивания на монокристаллической полупроводниковой пластине атомов упорядоченных также в монокристаллическую структуру. Эта наращиваемая структура является продолжением ориентации атомов подложки. Ориентировано - выращенные слои нового вещества называются эпитаксиальными слоями. Основное достоинство техники эпитаксии состоит в возможности получения чистых пленок совершенной структуры. При этом сохраняется возможность регулирования концентрации примесей. Эпитаксиальный слой может иметь проводимость и n- типа и p- типа независимо от типа проводимости подложки.
На поверхности монокристаллической пластины в результате кислотного травления непрерывность кристаллической решетки нарушается.
Появляется избыток свободных связей. Этот избыток действует ориентирующим образом на атомы из газовой фазы. Распределение свободных связей в плоскости эпитаксиального роста зависит от кристаллического строения и ориентации плоскости пластины. Кристаллическая решетка Si это решетка типа «алмаза» и представляет собой гранецентрированный куб, внутри которого находятся 4 атома.
Характер связи тетраэдрический, т.е. каждый атом связан ковалентно с 4-мя соседними атомами (а ≈ 0,5 мкм) Вероятность того, что атом наращиваемого слоя займет энергетически наивыгодное положение (в узле КР), возрастает с повышением подвижности атомов, т.е. повышением t°, а с другой стороны. эта вероятность достаточно велика, если плотность адсорбируемых атомов не слишком велика, т.е. скорость роста эпитаксиального слоя должна быть не высокой. Совершенство структуры зависит от наличия дефектов кристаллической структуры. Существенный вклад в несовершенство структуры эпитаксиального слоя вносят дефекты структуры подложки: дислокации, дефекты упаковки атомов и др. По ГОСТу плотность дефектов должна быть 
. В эпитаксиальный слоях это величина не превышает 
. Таким образом, основными условиями, обеспечивающими совершенство эпитаксиальной структуры, являются следующие:
1. Подложка должна иметь max возможную t°, для обеспечения max подвижности атомов. Обычно 
.
2. Поверхность подложки должна быть без дефектов. Это обеспечивается тщательной механической обработкой: полированием, шлифовкой с последующим кислотным травлением и промывкой.
3. Химические реакции выделения атомов Si и атомов примеси должны быть гетерогенными, т.е. выделение должно происходить на пластине, а не в газовой фазе. Это необходимо, чтобы исключить образование агломератов атомов, т.е. чтобы каждый атом занимал свое место.
Методы получения эпитаксиальных слоев
В зависимости от исходного состояния рабочих материалов различают:
- газовую, жидкостную и твердофазную эпитаксию.
По типу химической реакции выделения Si используют метод восстановления Si и метод пиролитического разложения силана.
Для восстановления Si используется SiCl4, SiBr4. Эти реакции – обратимые. Если молекул SiCl4 больше чем 0,4 от общего числа молекул в смеси газов, то идет реакция травления кремневой пластины. Поэтому их проводят в атмосфере водорода.
Реакция пиролитического разложения силана:
Особенность силана – воспламеняемость на воздухе. Поэтому силан в реакцию подается обогащенным 
(95% H2 и 5% SiH4). Для получения Si с заданным содержанием примеси используют в качестве источника донорных примесей фосфин РН3 ,а акцепторных примесей – диборан В2Н6,
Схема установки для эпитаксиального наращивания кремния с вертикальным реактором
1– вертикальная реакционная камера с открытым выходом; 2– держатель подложек из графита, покрытого нитридом кремния Si3N4; 3-водяное охлаждение стенок камеры.
Держатель подложек подогревается индуктором или резистивным методом и с определенной скоростью вращается, чтобы все пластины были в одинаковых условиях.
Основные стадии реакции, протекающей на границе газовой и твердой фаз:
1. Перенос веществ, участвующих в реакции на поверхность пластин.
2. Адсорбция поверхностью реагирующих веществ.
3. Реакции на поверхности пластины.
4. Десорбция молекул побочных продуктов.
5. Перенос побочных продуктов в основной поток газа.
6. Занятие атомами узлов кристаллической решетки.
Цикл работы установки:
1. Загрузка пластин .
2. Продувка реактора азотом, потом водородом для вытеснения атмосферного воздуха.
3. Нагрев пластин и выдержка в атмосфере Н2 с целью восстановления окислов.
4. Газовое травление пластин с помощью 1% HCl в атмосфере Н2 на глубину 1-2 мкм с целью удаление наружного слоя. Продувка Н2.
5. Подача Н2, тетрохлорида кремния и, например, бромида бора, т.е. наращивание эпитаксиального слоя. По окончании - снова продувка водородом.
6. Подача CO2 для осаждения окисной пленки SiO2. Снова продувка H2.
7. Плавное охлаждение пластин в потоке H2.
Использование эпитаксии
- сокращает длительность процесса получения транзисторных структур, так как скорость роста эпитаксиальных пленок достаточно высокая от 0,1 до нескольких мкм /мин.,
-позволяет получать Si с меньшим удельным сопротивлением на подложке ( с нужной проводимостью) из высокоомного Si.
Тема 11
Дата добавления: 2018-05-12; просмотров: 623; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!