6.1. Основные технологические направления формирования электрон­ных приборов и микросхем с субмикронными проектными нормами

К настоящему моменту освоено и получило распространение множество разнообразных технологических процессов формирования приборных структур и композиций.

При выборе той или иной технологии в современных условиях для завое­вания устойчивого положения на мировом рынке электронных изделий опреде­ляющим учитываемым фактором является скорость и эффективность подготов­ки и реализации новой продукции. По мнению большинства специалистов, на разработку новых технологических процессов должно уходить не более двух лет; полная сменяемость технологий и оборудования должна происходить не реже, чем один раз в пять лет; необходимо соблюдать модульный принцип реа­лизации технологических процессов.

По способу формирования транзисторных структур в кристалле различа­ют биполярную (Би) и МДП-технологии.

Би-технологии явились первым историческим этапом в создании полу­проводниковых приборных структур и к концу 70-х годов достигли зенита в своём развитии. Эти технологии основывались преимущественно на планарных и планарно-эпитаксиальных процессах, в основе которых лежит контролируе­мая диффузия примесей в локальные области пластины, изолированные одним из трёх способов: обратносмещенным р-п-переходом, диэлектриком или их комбинацией. Особенностью планарных (двумерных) структур является выход всех внешних физических границ элементов структуры на одну плоскость.

К числу базовых технологических процессов этого направления следует отнести:

1. Стандартные планарно-эпитаксиальные процессы с использованием разделительной диффузии.

1. КИД-технологию (коллекторная изолирующая диффузия).

2. БИД-технологию (базовая изолирующая диффузия)

2. ЕР1С-т@хнологию (получение изолированных областей из слоев нитри­ дов или оксидов кремния и поликремния).

3. Декаль-технологию (изоляция воздушными зазорами).

4. КПД (КНИ, КНС) - технологию (изоляция материалом подложки).

В рамках этих технологий оказалось возможным создание также меза-планарных структур, получаемых послойным нанесением плёнок различных Материалов.

Комбинирование планарных и мезапланарных структур привело к появ­лению класса гибридных микросхем.

По мере повышения уровня микроминиатюризации и степени функцио­нирования интегральных микросхем эра Би-технологии клонится к закату, и Доминирующее положение в микроэлектронике занимают МДП (МОП)-

73

г

структуры, базовым активным элементом в которых выступает полевой (уни­полярный) транзистор.

В литературе за такими структурами укоренилось название комплемен­тарных, отсюда процессы их создания стали объединять под общим понятием "КМОП-технологш".

Сам термин "комплементарность" (комплементарный - дополнительный, добавочный) заимствован из молекулярной биологии, где он обозначает взаим­ное соответствие, обеспечивающее связь дополняющих друг друга структур.

В микроэлектронике КМОП определяются как логические схемы, в со­став которых входят как р-, так п-канальные транзисторы, сформированные на общей подложке по стандартной планарной МОП-технологии, с металлически­ми и кремниевыми затворами.

В основе базового технологического процесса изготовления КМОП-композиций лежит использование локальной диффузии и эпитаксии при фор­мировании "карманов" в подложке. Наиболее ответственной технологической операцией является создание подзатворного слоя диэлектрика с высокой элек­трической прочностью (Е >10⁶ В/см), а также с минимальной и стабильной ве­личиной заряда в слое.

Достоинствами КМОП-технолоогии являются: самоизоляция элементов, возможность значительного уменьшения размеров МДП-транзисторов и уни­версальность методов формирования как активных, так и пассивных элементов.

КМОП-схемы выгодно отличаются от Би-структур малым потреблением энергии, быстродействием, помехоустойчивостью и радиационной стойкостью.

КМОП-технология используется также для создания ПЗС-микроэлектронных приборов.

Одним из последних достижений технологии микроэлектроники является комбинированный процесс формирования биполярных и полевых транзисторов в едином кристалле (БиКМОП - технология), предоставляющая, по мнению специалистов, большие возможности маневра на рынках сбыта за счёт расши­рения номенклатуры выпускаемых микросхем.

Согласно анализу фирмы 1п(е§га1ес1 С1гсш1з Еп§теега1§ (1СЕ), КМОП-технология трактуется как универсальная, обеспечивающая наивысшее качест­во и рентабельность продукции. Однако Би- и БиКМОП-технологии продол­жают удерживать прочные позиции. Так, по данным той же фирмы 1СЕ, на их долю в 1997 году приходилось 48% мирового объёма производства. Устойчи­вость этих технологий объясняется возможностью достижения более прогрес­сивных субмикронных проектных норм, более высокой степени интеграции, быстродействия (подавления паразитных связей) и совмещения цифровых и аналоговых функций.

В США по КМОП-технологии осуществляется выпуск до 60% всей мик­роэлектронной продукции, в Европе - 55%, в Японии - более 50%.

Основные тенденции технологий микроэлектроники развиваются в на­правлении дальнейшего улучшения их локальности, существенного снижения рабочих температур, применения быстродействующих процессов, повышения стерильности, использования новых материалов и проч. Помимо традициойной

74

газофазной эпитаксии (ГФЭ) в настоящее время для создания микроэлектрон­ных структур все более используются три метода:

• МОС-гидридная эпитаксия (с применением металлоорганических со­ единений);

• 8Юе-технология создания гетероструктур;

• КНИ-технология (кремний на изоляторе).

6.2. МОС-гидридная эпитаксия

Необходимость создания оптоэлектронных приборов и микросхем (в ча­стности, низкоразмерных сверхрешёток) заставила обратиться к процессам по­лучения полупроводниковых структур на основе соединений типа А₃В₅, высо­кие требования к которым ограничивают применение традиционных методов газофазной (ГФЭ), жидкофазной (ЖФЭ) и молекулярно-лучевой (МЛЭ) эпитак­сии.

В начале 60-х годов для этих целей был предложен метод газофазной эпитаксии с использованием металлоорганических соединений (МОС ГФЭ; в английской транскрипции МОУРЕ - те1а1ог§ашс уарог рЬазе ерпаху, или МОСУВ - те1а1ог§ашс спепнса! уарог ёерозШоп).

Достоинством этого метода является возможность изготовления кванто-воразмерных гетероструктур с минимальными топологическими размерами слоев при их высокой однородности и стабильности. Метод является низкотем­пературным, что определяет высокую скорость осаждения на подложки из са­мых разнообразных материалов и высокую степень совершенства структуры наращивания слоев.

Осаждение соединений А₃В₅ основано на химических реакциях типа:

А₃(С₂Н₅)₃ + В₅Н₃ = А₃В₅ + ЗС₂Н₅ (6.1)

Чаще используют МОС-элементы А₃ и гидридные элементы В₅. В качест­ве газа - носителя применяют ультрачистый водород. Легирование осуществ­ляют, применяя либо гидриды (81Н4, ОеН₄, Н₂8 и др), либо МОС (2п(С₂Н₅)₂, Те(С₂Н₅)₂).

Ввиду относительно низких температур термической диссоциации МОС-элементов и отсутствия в системе агрессивных газовых продуктов (в частности, НС1) исключается травление подложки и неконтролируемое загрязнение нара­щиваемых слоев А₃В₅. Процесс осуществляют в условиях пониженного давле­ния (<10⁴ Па), что обеспечивает высокую однородность эпитаксиальных слоев по толщине и резкость границ гетеропереходов.

МОС-гидридным методом в настоящее время получают, в основном, з. При скорости эпитаксиального роста 10 -*• 20 нм/мин получены сверхтон­кие эпитаксиальные слои толщиной менее 10 нм на подложке диаметром 100 мм с разбросом толщины + 1%.

Ведущим производителем оборудования для МОС ГФЭ является фирма А1ХТКХЖ (Германия), производящая до одной трети соответствующей про-

75

дукции мирового рынка. Установки МОС ГФЭ представляют собой достаточно сложные автоматизированные и компьютеризированные системы, в которых используется ИК- или ВЧ-нагрев, обеспечивающие контролируемое осаждение эпитаксиальных слоев с шагом 0,1 с.

Основными технологическими проблемами при получении МОС-структур являются их неконтролируемое загрязнение посторонними примесями (повышенное содержание углерода) и высокая токсичность гидридов.

По совокупности технологических и экономических показателей метод МОС ГФЭ в настоящее время не уступает менее производительному и более дорогостоящему методу молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ).

Приборы, основанные на МОС ГФЭ-технологии, завоевали свою проч­ную нишу в современной микро- и оптоэлектронике: светодиоды для видимой и ИК-областей спектра, оптроны, лазерные диоды, фотоприёмники, фотокато­ды, солнечные элементы, высокочастотные биполярные транзисторы, ВОЛС и проч.

Основным направлением развития МОС ГФЭ-метода остается поиск и разработка новых источников, обладающих более высокой стерильностью и безопасностью с точки зрения охраны труда.

Важным достижением является разработка неразрушающих методов кон­троля роста эпитаксиальных слоев непосредственно (т зпи) в процессе их оса­ждения. К числу реализованных методов контроля процесса т зтд можно отне­сти: метод изучения спектров отражения поляризованного излучения, метод ис­следования поверхностного фотопоглощения, метод изучения упругого рассея­ния света. Перспективным представляется АСЭ-вариант метода МОС ГФЭ (атомно-слоевая эпитаксия), основанный на поочерёдной импульсной подаче в реактор источников, содержащих атомы разноимённых компонентов осаждае­мого материала.

Применяют различные методы термического, электронного и фотонного отжига слоев, особое внимание уделяя нетермическим методам стимуляции и активации низкотемпературных процессов.

МОС ГФЭ-метод в настоящее время стремительно развивается, вытесняя другие эпитаксиальные методы. Он всё больше и больше становится универ­сальным в промышленном производстве структур на основе АзВ₅ для опте- и наноэлектроники.