Министерство образования Республики Беларусь

Учреждение образования «Белорусский государственный университет информатики и

радиоэлектроники»

Кафедра микро- и наноэлектроники

Ю. А. Родионов

Базовые технологические процессы в микроэлектронике

Учебное пособие

для специальности 41.01.02 «Микро- и наноэлектроника, технологии и системы»

Минск, 2011

СОДЕРЖАНИЕ

1. Поверхностная обработка полупроводниковых пластин

1.1. Кремний - основной материал ИС

1.2. Механическая обработка кремниевых пластин

1.3. Химическое травление кремния

1.4. Плазмохимическое травление кремния

2. Диэлектрические пленки на кремнии

2.1. Термическое окисление кремния

2.2. Методы контроля параметров диэлектрических слоев

2.3. Контроль заряда на границе раздела полупроводник - диэлектрик

2.4. Осаждение диэлектрических пленок

3. Введение примесей в кремний или легирование полупроводниковых материалов

3.1. Диффузия примесей в полупроводник

3.2. Эпитаксия

3.3. Ионное легирование полупроводников

4. Технология литографических процессов

4.1. Классификация процессов литографии

4.2. Схема фотолитографического процесса

4.3. Фоторезисты

4.4. Фотошаблоны

4.5. Технологические операции фотолитографии

4.6. Электронолитография

4.7. Рентгенолитография

5. Металлизация

5.1. Свойства пленок алюминия

5.2. Создание омических контактов к ИС

5.3. Использование силицидов металлов

5.4. Многоуровневая металлизация

6. Ионно-плазменные методы в технологических процессах микро-наноэлектроники

6.1. Классификация ионно-плазменных процессов нанесения тонких пленок

6.2. Технологические источники ионов для процессов формирования пленок

6.3. Формирование тонких пленок с использованием магнетронных распылительных систем

7. Микролитография.

7.1. Классификация методов плазменного травления

7.2. Обработка поверхности подложек вне зоны плазмообразования

7.2.1. Ионно-лучевое травление

7.2.2. Реактивное ионно-лучевое травление

7.3. Обработка подложек непосредственно в зоне плазмообразования

7.3.1. Ионно-плазменное травление

7.3.2. Реактивное ионно-плазменное травление

7.3.3. Плазменное травление

8. СВЧ плазменные процессы и устройства

8.1. Общая характеристика

8.2. Области использования СВЧ энергии в производстве изделий микро- и наноэлектроники

8.3. Конструктивные решения СВЧ газоразрядных устройств технологического назначения

Литература

1. Поверхностная обработка полупроводниковых материалов

1. Кремний - основной материал для полупроводниковых интегральных микросхем

В производстве полупроводниковых приборов и интегральных схем используются германий, кремний и арсенид галлия.

Германий (Ge) и кремний (Si) относятся к простым или элементарным полупроводникам IV группы таблицы Менделеева, арсенид галлия (GaAs) -к интерметаллическим соединениям, обозначаемым символом АIIIВV.

Основные физические и механические свойства этих материалов приведены в табл, 1.1.

Таблица 1.1

Физические и механические свойства германия, кремния и арсенида

галлия

Свойства	Ge	Si	GaAs
Атомный (молекулярный) вес	72,59	28,09	144,6
Плотность, г/см	5,327	2,33	5,316
Модуль Юнга, х109 Н/м2	13,7	16,9	1,13
Коэффициент Пуассона	0,256	0,262	0,336
Температура плавления, °С	936	1420	1238
Теплопроводность, кал/град мс	0,14	0,2	0,125
Удельная теплоемкость, кал/г-град	0,074	0,210	0,086
Критерий хрупкости	4,4	2,0	3,0
Коэффициент термического расширения а, х10-8 град-1	5,75	2,23	5,74
Ширина запрещенной зоны, эВ	0,76	1,11	1,36
Тип кристаллической структуры	Алмаз	Алмаз	Цинковая обманка
Подвижность электронов, см2/В-с	3900	1400	8800
Подвижность дырок, см2/В-с	1900	480	400
Концентрация собственных носителей при 300 К, см 2	2-1013	1,5-Ю10	1,4-106
Диэлектрическая постоянная	16	11,8	11,1

В производстве приборов и схем используют полупроводниковые материалы, легированные различными примесями, что дает возможность существенно изменять свойства этих материалов. Однако основным материалом для изготовления интегральных микросхем (ИМС) и микросистем до настоящего времени остается кремний. Он обладает рядом свойств, позволяющих легко создавать на нем диэлектрические слои для маскирования от проникновения примесей и защиты поверхности от влияния внешней среды, обеспечивающих высокие рабочие температуры (до 150 °С). Поэтому именно технология кремниевых интегральных элементов будет рассматриваться в настоящем пособии.

Кремний имеет алмазоподобную кристаллическую решетку, которая может быть представлена как две гранецентрированные кубические решетки, сдвинутые относительно друг друга на 1/4 большой диагонали куба. Параметр решетки куба а равен 0,54 нм (длина ребра куба), а расстояние между двумя ближайшими соседними атомами составляет 0,23 нм. Каждый атом связан с четырьмя ближайшими соседями ковалентными связями, расположенными по отношению к этому атому в вершинах правильного тетраэдра (рис. 1.1).

В кубической решетке кремния удобно выделить наиболее характерные плоскости и направления, называемые индексами Миллера (рис. 1.2). Если в начало координат поместить куб с ребрами, отсекающими единичные отрезки по осям координат, то плоскости, образующие грани куба, будут иметь координату по одной из осей, например х, равную 1, а другим плоскостям будут параллельны. Обратные величины отрезков, отсекаемых плоскостями по осям координат, для этой кристаллографической плоскости будут 1,0,0 (рис.1.2,а). Это и есть индексы Миллера для граней куба. Соответственно для диагональной плоскости куба (рис. 1.2,б) эти индексы будут 1,1,0, а для плоскостей, отсекающих единичные отрезки по всем трем координатам (рис .1.2,в) - 1,1,1.

• - атомы кремния с тетраэдрической ориентацией ковалентных связей;

- примесь замещения

Рис. 1.1. Схематическое представление кристаллической решетки кремния

Кристаллографическая плоскость

Направление

а) б) в)

Рис. 1.2. Схематическое представление плоскостей с различными индексами Миллера в кубической решетке

Индексы помещают в круглые скобки: (100), (110), (111). Если же речь идет о системе кристаллографически эквивалентных плоскостей, то используются фигурные скобки: {100}, {110}, {111}. Направления, перпендикулярные этим плоскостям, имеют те же индексы, но заключаются в квадратные скобки: [100], [110], [111], а семейство направлений с одинаковыми индексами - в треугольные скобки:< 100>, <110>, <111>. Три указанных плоскости и направления являются наиболее важными в кристалле кремния и в основном используются в производстве кремниевых интегральных микросхем. Многие технологические процессы протекают различно при разных кристаллографических ориентациях поверхности кремниевой пластины. Для биполярных ИМС обычно используется ориентация поверхности параллельно

111. , для МДП схем предпочтительной является ориентация поверхности по плоскости (100).