1.Электровакуумная гигиена.

2. Вода, газы и газовые среды, применяемые в производстве интегральных микросхем. Кислород О₂ окислительная среда используется для получения окисных пленок на поверхности пластин. О- атомарный кислород(сильнейший окислитель)

Используется при плазмохимическом травлении пленок и жидкостном методе очистки поверхности пластин в периксидно-амиачных растворах.

H₂О₂+NH₄OH+H₂O

H₂ водород восстановительная среда

В производстве 3 типа водорода(H):

H₂ марка А- технический водород, используется для сжигания продуктов реакции.

Н₂ с точкой росы -40 ˚С , используется для восстановления окисла SiO₂ перед эпитаксиальным выращиванием.

Н₂ с точкой росы -65…-70˚С, используется как газ носитель при эпитаксиальном выращивании.

Температура точки росы говорит о количестве влаги в газе.

СО₂ используется для получения окисной пленки после эпитаксии;

N₂ азот и Ar аргон, нейтральные газы , для продувки реакторов .

SiCI₄ тетрахлорид кремния, используется для выращивания эпитаксиальных слоев.

SiH₄ моносилан, используется для эпитаксиального выращивания и получение окисных пленок на поверхности при низких температурах.

3 ШЛИФОВАНИЕ, СНЯТИЕ ФАСКИ И ПОЛИРОВАНИЕ ПЛАСТИН

Шлифование пластин кремния. Под шлифованием понимают процесс обработки поверхностей заготовок на твердых дисках — шлифовальниках из чугуна, стали, латуни, стекла и других ма­териалов с помощью инструментов — шлифовальников и абразив­ной суспензии (обработка свободным абразивом) или с помощью алмазных шлифовальных кругов (обработка связанным абрази­вом).

В промышленном производстве наиболее часто применяют двустороннюю шлифовку пластин кремния свободным абразивом.

По сравнению с другими методами шлифование этим методом более производительно, обеспечивает высокую точность обработ­ки поверхностей, не требует наклейки пластин. Остаточные ме­ханические напряжения распределены более равномерно, что по­зволяет получать пластины с меньшим изгибом.

Механизм шлифования свободным абрази­вом заключается в следующем. Подаваемая через верхний шлифовальник суспензия равномерно окружает все пластины, обра­зуя прослойку между шлифовальниками и обрабатываемыми по­верхностями. При работе станка движение верхнего шлифовальника и кассет для пластин-сепараторов передается зернам абра­зива. Свободно перемещаясь и переворачиваясь, они создают оп­ределенное давление на обрабатываемые поверхности. Это при­водит к появлению микротрещин и микровыколок, которые отры­ваются от поверхности и уносятся в сборник с отработанной сус­пензией.

Процесс двустороннего шлифования свобод­ным абразивом выполняется на специальных станках, на­пример СДШ-150. Перед шлифованием пластины сортируют по толщине. Контролируют не плоскостность рабочих поверхностей шлифовальников, в случае необходимости выполняют правку — под шлифовку их кольцевыми притирами. Затем шлифовальники очищают от пыли и других загрязнений, промывают водой, сма­зывают глицерином. На поверхность нижнего шлифовальника ус­танавливают зубчатые кольца-сепараторы, которые должны иметь определенные допуски по толщине, а толщина должна быть не­сколько меньше требуемой после шлифования толщины пластин. Обрабатываемые пластины укладывают в отверстия сепараторов.

При вращении верхний шлифовальник свободно устанавлива­ется на поверхности пластин. Движение шлифовальника через це­вочные колеса передается сепараторам. Пластины, увлекаемые сепараторами, совершают сложные перемещения между шлифовальниками, чем достигается равномерность их обработки и из­носа шлифовальников.

Для двустороннего шлифования применяют водные и глицери­новые суспензии микропорошков карбида кремния зеленого или электрокорунда белого с зернистостью от М14 до М5. Соотноше­ние твердой и жидкой компонент Т:Ж=1:3. Шлифование про­водят в несколько этапов, постепенно уменьшая зернистость микропорошка: предварительное шлифование карбидом кремния Ml4 до 6—7-го класса шероховатости поверхности; основное шли­фование карбидом кремния М10 до 8—9-го класса шероховатости и окончательное шлифование электрокорундом М5 до 10-го клас­са шероховатости поверхности. После шлифования пластины очи­щают от загрязнений и контролируют.

Снятие фаски. Фаски с боковых поверхностей пластин можно снимать абразивной обработкой либо химическим травлением со­бранных в специальной кассете заготовок. Наиболее часто фаски снимают методом шлифовки профильным алмазным кругом на специальном станке. Схема шлифования фаски приведена на рис. 2.11. Пластина помещается па шпинделе станка с вакуумным сто­ликом. Режимы шлифования: частота вращения алмазного кр\*га 6000... 8000 об/мин, частота вращения столика с пластиной 15... ...20 об/мин, время шлифования 4... 8 с. Прижим алмазного кру­га осуществляется пружиной, коромыслом или пневмоприводном.

После снятия фасок выполняется очистка, травление пластин и контроль профиля фасок.

Полирование пластин. Заготовки пластин полируют на мягких доводочных полировальниках. Для этого тканые или нетканые ма­териалы (сатин, батист, сукно, фетр, велюр, замшу, синтетическую кожу и др.) натягивают на обычный шлифовальный круг и за­крепляют хомутиком. Полирование выполняют в несколько эта­пов, постепенно уменьшая размер зерна и твердость абразива, а на последнем этапе полностью исключают абразивное воздействие на обрабатываемый материал. Последний этап без абразивного по­лирования позволяет полностью удалять механически нарушенный слой с поверхности пластины.

Полирование может быть односторонним и двусторонним. В первом случае необходима наклейка пластин.

Механическое (предварительное и промежуточ­ное) полирование выполняют алмазными суспензиями и пастами с размером зерен микропорошка от 3 до 1 мкм. Суспензии обычно приготавливают на спирте или приборном масле; пасты — на мазеобразующей основе, легко смывающейся водой. Предвари­тельное полирование проводят на тканых материалах суспензией. Промежуточное — на нетканых материалах пастами. Перед поли­рованием суспензию или пасту тщательно растирают между дву­мя вспомогательными стеклянными дисками до равномерного рас­пределения алмазного порошка по их поверхности. Затем суспен­зию или пасту переносят втиранием с дисков на полировальник. На приготовленный полировальник помещают головки с наклеен­ными пластинами или при двухсторонней полировке — сепарато­ры, в отверстия которых укладывают пластины.

Механическое полирование по своей сущности не отличается от шлифования, отличие состоит лишь в применяемых абразив­ных материалах, их зернистости, материале полировальника и режимах обработки. Механическое полирование иногда называют тонким шлифованием, так как применяются более мелкие абразивные порошки, более мягкие полировальники, существенно меньшие скорости обработки. Например, при полировании алмаз­ной суспензией из порошка АСМЗ наклеенных пластин кремния частота вращения полировальника не более 30 ... 40 об/мин. При переходе на порошок АСМ1 частоту вращения полировальника снижают, нагрузку на пластины увеличивают.

При использовании для полирования алмазных суспензий и паст на поверхности пластин образуется тонкая сеть рисок («ал­мазный фон»), возникающих под воздействием острых режущих граней алмазных зерен. С целью удаления «алмазного фона» и уменьшения шероховатости поверхности иногда выполняют меха­ническое полирование более мягкими абразивными материалами.

Тонкое механическое полирование выполняется мягкими полировальными составами на основе оксидов алюминия, кремния, хрома, циркония и других с размером зерна менее 1 мкм с помощью полировальников из ворсовых материалов, в которых могут «утопиться» субмикронные зерна порошка. Это уменьшает рабочую поверхность зерен и улучшает качество обработки по­верхности пластин.

4 Физическая очистка. При очистке в первую очередь необходи­мо удалить молекулярные органические и химически связанные с поверхностью загрязнения, а затем — остаточные ионные и ато­марные. При физической жидкостной очистке происходит десорб­ция адсорбированных поверхностью загрязнений без изменения их состава, т. е. без химических реакций, путем простого раство­рения. Поскольку возможно обратное загрязнение поверхности из очищаемой жидкости, необходимо следовать принципу ее непре­рывного обновления (освежения).

Обезжиривание (отмывка) в органических растворите­лях (толуоле, четыреххлористом углероде, дихлорэтане, спиртах: этиловом, метиловом, изопропиловом и др.) применяется для уда­ления с поверхности пластин (подложек) жиров животного и рас­тительного происхождения, минеральных масел, смазок, воска, па­рафина и других органических и механических загрязнений.

Десорбция молекул жира с обрабатываемой поверхности про­исходит в результате их собственных колебательных движений и притяжения со стороны молекул растворителя. Если силы связи с поверхностью меньше сил притяжения молекулами растворите­ля, частицы жира отрываются от поверхности и благодаря диф­фузии распространяются по объему обрабатывающей жидкости. На очищаемую поверхность адсорбируются молекулы растворите­ля и могут также вновь попасть молекулы жира и загрязнения самого растворителя. Именно поэтому применяют очищенные растворители, во время обезжиривания создают условия для макси­мальной растворимости и минимальной обратной адсорбции на об­рабатываемую поверхность загрязнений из растворителя, а после обезжиривания удаляют с поверхности остатки растворителя.

При выборе обезжиривающего состава учитывают, что большин­ство органических растворителей неполярны, они растворяют толь­ко неполярные органические загрязнения. Поэтому вначале непо­лярными или слабоиолярными растворителями бензолом, то­луолом, четыреххлористым углеродом удаляют неполярные за­грязнения (парафины, вазелины, минеральные масла), затем ацетоном, спиртами, трихлорэтиленом и другими полярными растворителями удаляют полярные загрязнения, например жи­ры, белки, следы поверхностно-активных веществ. Для интенсив­ного одновременного удаления полярных и неполярных органиче­ских загрязнений в промышленном производстве широко приме­няют смеси различных растворителей.

5

Обежиривание в пероксидно - аммиачных раст­ворах (ПАР), состоящих из пероксида водорода, гидрооксида аммония и воды (II2O2: NH₄OH : Н₂0= 1:1:4), широко применя­ют на различных этапах технологии изготовления микросхем. Та­кой раствор обладает лучшими обезжиривающими свойствами по сравнению с органическими растворителями, является универсаль­ным средством, так как удаляет как омыляемые, так и неомыляе­мые жиры, неорганические загрязнения, а также ионы натрия, ме­ди, серебра и других металлов.

В процессе обезжиривания пероксид разлагается с выделени­ем атомарного кислорода:

Н₂0₂ — О f 4- н₂0.

Выделение атомарного кислорода увеличивается с повышени­ем температуры, поэтому процесс ведут при 80... 90 °С. Атомар­ный кислород оксидирует как органические, так и неорганические загрязнения. Щелочь NH₄OH ускоряет реакцию разложения пе­роксида, омыляет или эмульгирует жиры, а также связывает в хорошо растворимые комплексы некоторые металлы первой и второй групп периодической таблицы Менделеева. Процесс со­провождается пенообразованием благодаря ‘интенсивному выделе­нию углекислого газа при окислении органических загрязнений.

По сравнению с физическим обезжириванием в органических растворителях химическое обезжиривание менее опасно для ра­ботающих и окружающей среды, отличается меньшим расходом реактивов и меньшей трудоемкостью процессов, более высоким качеством отмывки пластин. Обработка в составах содержащих кислоты, после очистки в ПАР не вносит дополнительных загряз­нений поверхности, как это имеет место после обезжиривания в органических растворителях. В последнем случае остатки органических растворителей обугливаются кислотами, загрязняя поверхность.

6 Физический механизм роста окисла при высокой температуре

Особенности процесса термического окисления кремния во многом определяются структурой и свойствами образующейся стеклообразной пленки двуокиси кремния. Окисел обладает открытой пространственно-полимерной структурой с прочными связями º Si-O-Si º и, с одной стороны, имеет высокую проницаемость, с другой стороны, является одним из лучших диэлектриков с очень высоким сопротивлением, вплоть до температур, близких к температуре плавления. Поэтому процесс окисления кремния не может быть аналогичен процессам окисления металлов, где рост окисла предполагается за счет отрыва металлических ионов и их диффузии в растущем окисле. Рост окисла кремния SiO2 происходит на границе раздела кремний - окисел в атмосфере сухого кислорода или паров воды согласно реакциям Si + O2 ® SiO2; Si + H2O ® SiO2 + 2H2. При этом граница двух фаз Si - SiO2 движется в глубь полупроводника, часть кремния поглощается окислом. Толщина пленки SiO2, равная x, поглощает слой кремния толщиной 0,44 x. Таким образом, можно считать, что толщина окисла примерно в два раза больше толщины поглощенного им кремния. Высокотемпературный процесс окисления кремния рассматривается обычно состоящим из двух этапов: диффузии окисляющих частиц через растущий окисел и их химического взаимодействия с кремнием на границе раздела двух фаз Si - SiO2. Диффундирующими частицами в случае окисления в сухом кислороде считаются либо молекулы кислорода O2, либо атомы кислорода. При окислении в парах воды окисляющими частицами могут быть молекулы воды H2О, а также ионные пары H3O+ и OH–.

7 Окисление кремния при повышенном давлении

Термическое оксидирование при повышенном давление позволяет значительно уменьшать температуру или время процесса для выращивания диоксида кремния той же толщины, что при атмосферном давлении. Если проводить процесс в обычных для стандартного термического оксидирования режимах, можно получить толстые изолирующие слои. Это объясняется увеличением концентрации окислителя в растущем SiO2 слое при повышении его парциального давления и соответственным возрастанием

скорости оксидирования кремния.

Для получения высоких скоростей роста оксидирование выполняют в парах воды при температуре 600...700С . При температуре 650С и давлении 5МПа скорость роста диоксида кремния 0,15мкм/ч . Такое гидротермальное оксидирование позволяет не только снизить термовоздействие на пластины кремния, но и получить толстые слои диоксида 2...3 мкм, что важно, например, для изопланарных структур микросхем.

Процесс оксидирования можно также проводить во влажном кослороде при давлении 2,5 МПа и температуре 1100 С. На качество оксида существенное влияние оказывает чистота паров воды, доставляемых в камеру установки.

В сухом кислороде оксидирование проводят при давлении 70 МПа. Качество пленок при переходе от паров воды к сухому кислороду повышается. Основные достоинства метода:

1)Высокая производительность в сравнении с оксидированием при атмосферном давлении

2) Уменьшение окислительных дефектов пленок и границы Si — SiO2.

Основной недостаток - сложность создания герметичныхи прочных камер, так как при повышенных давлении и температуре происходит ускоренная эрозия их внутренних стенок

10

Механизмы диффузии

Основными механизмами перемещения атомов по кристаллу могут быть (рис. 2): а -прямой обмен атомов местами; 6 -кольцевой обмен; в- перемещение по междоузлиям; г - эстафетная диффузия; д - перемещение по вакансиям; е - диссоциативное перемещение; а также миграция по протяженным дефектам (дислокациям, дефектам упаковки, границам зерен). В любом процессе диффузии, как правило, имеют место все перечисленные механизмы движения атомов. Однако вероятность этих процессов в кристалле различна. Для диффузии атомов примеси в полупроводнике наиболее существенны перемещения по междоузлиям и вакансиям. При комнатной температуре равновесная концентрация вакансий в кремнии составляет 10 - 1(г см'3. Однако с повышением температуры до 1000 °С она возрастает до 1016 - 1018см"

Рис. 2.1. Схема возможных механизмов диффузии атомов в кристаллах

11

Распределение примесей при диффузии

Если примесь вводится в приповерхностную область кристалла, то создается градиент концентрации н возникает направленный поток частиц, стремящийся выровнять концентрацию. Этот процесс описывается первым законом Фика:

j=-DVN

где j - плотность потока атомов; D - коэффициент диффузии; V - оператор (градиент) диффузии; N — концентрация атомов. Знак «минус» означает, что поток направлен в сторону уменьшения концентрации.

Для одномерного случая поток примеси будет пропорционален градиенту концентрации:

(2.6)

Процесс диффузии обычно проводится в два этапа. На первом этапе легирования в тонкий приповерхностный слой полупроводника вводится необходимое количество примеси, обеспечивающее на втором этапе заданное сопротивление и толщину легированного слоя. Двухэтапная диффузия позволяет лучше управлять процессом и обеспечивать нужное для практики распределение примеси.

Двум этапам диффузионного процесса соответствуют два решения закона Фика при различных граничных условиях:

- на первом этапе рассматривается диффузия с постоянной поверхностной концентрацией или диффузия из бесконечного источника примеси (концентрация примеси над поверхностью полупроводника постоянна);

12 Загонка примеси

Целью первого этапа диффузии является введение в полупроводник точно контролируемого количества примеси, которое будет служить ограниченным источником на втором этапе процесса. При этом поверхностная концентрация примеси на границе х = 0 все время остается постоянной и равной No. Это означает, что в начале процесса примесь в объеме кристалла отсутствует, однако на поверхности ее концентрация в любой момент времени равна Лго- В процессе диффузии примесь к поверхности кристалла поступает из внешнего источника непрерывно и поток ее все время одинаков. Поэтому процесс и получил название диффузии из бесконечного или неограниченного источника.

13

Разгонка примеси

Целью второго этапа диффузии является получение заданного распределения примеси. Высоколегированный поверхностный слой полупроводника, образованный на первом этапе диффузии, служит источником примеси, количество О. Поверхность х = О считается абсолютно непроницаемой, т.е. поток примеси через эту поверхность в любое время отсутствует. Вся примесь считается сосредоточенной в тонком поверхностном слое толщиной h, а распределение примеси в этом слое равномерно. Полное количество примеси в предельном случае определяется величиной поверхностной концентрации No и толщиной легированного слоя h. Площадь, ограниченная прямоугольником, должна быть равна площади кривой х и t. Полное количество введенной примеси, таким образом, равно

Q = N0h.

При диффузии вглубь кристалла поверхностная концентрация примеси будет все время уменьшаться.

14

Контроль параметров диффузионных слоев

К параметрам диффузионного слоя относят глубину залегания р-и- перехода xj поверхностное сопротивление слоя Rs (поверхностную концентрацию примеси Ns) и зависимость концентрации примеси от глубины N(x).

Обычно Xj измеряют с помощью сферического шлифа. Погрешность определения xj в этом случае составляет около 2 %. Для определения удельной электрической проводимости тонких диффузионных слоев измеряется хj и поверхностное сопротивление слоя Rs четырехзондовым методом.

15,16.

Полупроводниковые структуры ИМ нельзя изготовить, не применив хотя бы один-два из трех процессов: эпитаксиальное наращивание полупроводниковых слоев, диффузионное и ионное легирование.Эпитаксия — процесс наращивания монокристаллических слоев на монокристаллических подложках. Монокристаллические под-ложки в процессе роста эпитаксиального слоя выполняют ориентирующую роль затравки, на которой происходит кристаллизация.

Процессы эпитаксиального роста аналогичны получению тонких , пленок и с точки зрения технологии производства могли бы бить рассмотрены в гл. 4. Однако благодаря их исключительной роли для полупроводниковых структур мы эти процессы изучаем отдельно. Эпитаксиальные слои можно наращивать в вакууме, из парогазовой и жидкой фазы. Большинство процессов эпитаксии — осаждение из парогазовой фазы. Вакуумная эпитаксия, называе­мая сейчас молекулярно-лучевой (МЛЭ), отличается от рассмот­ренного в § 4-1 метода ТВН тем, что процесс напыления ведется в условиях сверхвысокого вакуума. Эпитаксия из ПГФ и МЛЭ отличаются от выращивания монокристаллов методом Чохральского прежде всего тем, что рост кристалла происходит при темпе­ратуре ниже температуры плавления. Жидкофазная эпитаксия, ос­нованная на кристаллизации вещества, растворенного в расплав­ленном металле, на поверхности подложки, применяется главным образом для получения слоев двойных и тройных полупроводни­ковых соединений. Жидкофазная эпитаксия плохо совмещается с сухими процессами интегральной технологии.

В зависимости от состава материалов слоя и подложки разли­чают процессы автоэпитаксии и гетероэпитаксии. Если составы материалов практически одинаковы, например слой кремния на кремниевой пластине, процесс называют автоэпитаксией. Автоэпитаксией можно получить однородные по составу (гомогенные) электронно-дырочные переходы, поэтому процесс выращивания слоев иногда называют гомоэпитаксией.

Гетероэпитаксия — процесс ориентированного нарастания веще­ства, отличающегося по химическому составу от вещества подлож­ки. При наращивании гетероэпитаксиальных слоев на границе слой — подложка образуется неоднородный по составу (гетероген­ный) переход. Процесс гетероэпитаксии возможен для элементов и сложных веществ, не образующих между собой химических сое­динений.

Для изготовления ИМ применяют эпитаксиальные структуры — подложки с выращенными эпитаксиальными слоями: однослойные­

, многослойные, со скрытыми слоями и гетероэпитаксиальные. По аналогии с обозначением марок кремния в марках эпитакси­альных структур имеются следующие обозначения: К — кремний; Д, Э — дырочный и электронный тип проводимости соответственно; Б, С, М, Ф —легирующие элементы: бор, сурьма, мышьяк, фосфор.

Однослойные эпитаксиальные структуры изго­тавливают на кремниевых монокристаллических пластинах /г-типа проводимости в процессе автоэпитаксии слоя p-типа. Марка однослойных эпитаксиальных структур записывается в виде дроби с числовым коэффициентом. Например,

_?6 8КДБ — 0,5 400 КЭС —0,01

Числовой коэффициент обозначает диаметр эпитаксиальной структуры (76 мм), первая цифра в числителе соответствует тол­щине эпитаксиального слоя (8 мкм), а в знаменателе—толщине пластины (400 мкм). Вторые цифры в числителе и знаменателе соответствуют удельным сопротивлениям эпитаксиального слоя (0,5 Ом-см) и подложки (0,01 Ом-см).

Многослойные эпитаксиальные структуры изготавливают в процессах автоэпитаксии слоев разных типов проводимости с двух сторон кремниевой пластины p-типа. Маркировка аналогична маркировке однослойных структур, но содержит три уровня.

Гетероэпитаксиальные структуры изготавливают наращиванием монокристаллического слоя n-или p-типа проводимости на монокристаллическую подложку. Пример маркировки гетероэпитаксиальных структур:

10КДБ — 0,5

17

18контроль параметров эпитаксиальных пленок

19вакуумная техника

Из средств получения низкого вакуума широко распространены насосы пластинчато-роторного типа. В таких насосах охлаждаемый маслом статор 5 имеет цилиндрическую расточку, в которой вращается ротор 12 вокруг оси, смещенной относительно оси статора. В радиальных пазах ротора* перемещаются пластины 7 и 10, с помощью пружины 9 создается необходимое усилие герметизации в контакте пластин со статором. В насосе этого типа имеются три области откачки: всасывания 6, переноса 11 и выхлопа 8, разделенные контактами статора с пластинами и ротором.

При вращении ротора, объем области 6 увеличивается и заполняется через впускной патрубок 1 газом из откачиваемого объекта, который затем через пол-оборота ротора попадает в область переноса 11 и еще через пол-оборота ротора — в область выхлопа 8 и через обратный клапан 3 выпускного патрубка 2 выбрасывается в атмосферу. Ротор насоса хорошо сбалансирован, три области откачки позволяют предотвратить прорыв газа в откачиваемый объем при несрабатывании- обратного клапана.