книги из ГПНТБ / Моряков, О. С. Вакуумно-термические и термические процессы в полупроводниковом производстве учеб. пособие

того мышьяка АэСЬ (или БЬС1з или ВВг3). Если необходимо, перед началом эпитаксиального процесса воздух из реакторов можно от­ качать.

Рассмотрим технологический процесс наращивания эпитаксиаль­ ных пленок из газовой фазы. При восстановлении тетрахлорида кремния (БЮи) водородом его проводят следующим образом:

размещают пластины-подложки на подставке, закрывают реак­ тор и после продувки азотом подают в него водород;

включают нагрев и доводят температуру подложек до 1250° С; проводят травление кремния в парах хлористого водорода, а за­ тем устанавливают температуру, необходимую для наращивания

пленок (1250—1270° С);

устанавливают нужные скорости потоков — основного, т. е. газаносителя, через испаритель источника (Б1СЦ) и паров легирующего соединения;

по истечении определенного времени роста пленки прекращают подачу газа в испаритель Б1СЦ и в резервуары с легирующим веще­ ством (РНз, ВВгз и др.);

выключают обогрев и после остывания подложек до температу­

пленкой.

Особое внимание следует обращать на качество подложек (они должны быть тщательно обработаны и иметь чистоту поверхности, соответствующую У13—У14 классам), так как их поверхностные дефекты воспроизводятся на пленке. Водород должен быть хорошо очищен от кислорода и водяных паров: даже небольшие примеси ведут к увеличению плотности дефектов эпитаксиального слоя. Дру­ гие вещества, участвующие в процессе, также должны быть чисты­ ми, иметь стабильную концентрацию и подаваться в реактор с по­ стоянной скоростью и температурой.

Процессом роста эпитаксиальных пленок легко управлять, изме­ няя величину газовых потоков, температуру и концентрацию тетра­ хлорида кремния в водороде.

Напыление пленок в вакууме основано на принципе локального нагрева и испарения полупроводника и легирующего вещества с по­ следующим осаждением их паров на нагретые подложки. Источни­ ком тепловой энергии обычно служит электронный луч. Этим спо­ собом обеспечивается высокая скорость роста пленки (до 4 мкм/мин против 0,5 мкм/мин при восстановлении БЮЬ водородом).

§ 32. Контроль параметров эпитаксиальных пленок

Основными параметрами пленок, которые следует контролиро­ вать после нанесения, являются удельное сопротивление, толщина эпитаксиального слоя, количество дефектов упаковки и дислокаций.

Удельное сопротивление эпитаксиальных пленок определяют как четырехзондовым, так и другими методами. Четырехзондовый метод

90

наиболее распространен и измерения выполняют так же, как при проверке диффузионных слоев (см. § 23).

Толщину эпитаксиальных пленок контролируют методами косого или сферического шлифов; эти измерения также описаны в § 23.

Что касается дефектов упаковки и дислокаций, их обычно оце­ нивают с помощью оптической микроскопии. Вначале пластины подвергают химическому травлению: в местах выхода дефектов на поверхность пленки вытравливаются фигуры, имеющие форму тре­ угольников, одиночных и У-образных линий, а в местах выхода дислокаций —ямки в виде треугольных пирамид. Плотность дефек­ тов упаковки и дислокаций определяют делением их количества на площадь образна. Подсчет ведут визуально, используя микро­ скоп (ММУ-1, МИМ-7 или МИМ-8М).

Кроме контроля этих параметров, иногда необходимо определить тип проводимости эпитаксиальных пленок (при помощи термозонда или по форме вольтамперной характеристики), плотность дефектов роста (под микроскопом МБС-1 или МБС-2), распределение концен­ трации примесей по толщине (на косом шлифе пленки) и класс ше­ роховатости (при помощи интерференционного микроскопа МИИ-4).

Некоторые характеристики кремниевых пластин с эпитаксиаль­ ными пленками типов п—р, р—п, п—п+, р—р+ (первая буква пока­ зывает тип проводимости пленки, а вторая — подложки) приведены ниже.

Согласно техническим условиям БКО 028.006 ТУ вводятся и бо­ лее подробные обозначения. При этом в числителе указывают ха­ рактеристику эпитаксиального слоя, а в знаменателе — подложки.

7 КЭФ 0,3

Например, марка 25 2оо КДбТ (Г Расши(рровывается так: 25 — диа‘

Ом-ем; 200 —толщина подложки, мкм; КДБ — материал подложки (кремний дырочного типа проводимости, легированный бором); 10 — удельное сопротивление подложки, Ом-см.

91

§ 33. Оборудование для наращивания эпитаксиальных пленок

Ознакомимся с устройством и работой двух установок: Т 089.01, предназначенной для наращивания кремниевых эпитаксиальных моно- и поликристаллических пленок методом осаждения из газо­ вой фазы и УРМ 3.279.010 —для наращивания германиевых эпитак­ сиальных пленок методом испарения в вакууме.

Установка Т 089.01 (рис. 56), на которой обрабатывают пласти­ ны диаметром до 30 мм, имеет индукционную печь 6, -скруббер 9

Рис. 56. Установка Т 089.01 для выращивания эпитаксиальных пленок:

1 — шкаф управления, 2 — бокс, 3 — шлиф, 4 —высокочастотный генера­ тор, 5 — блок оптических пирометров, 6 — индуктор, 7 —водяная рубашка.

5 —реактор, 9 —скруббер, 10 — стол

дожигания газов, шкаф управления 1, холодильное устройство, вы­ ходной блок и высокочастотный генератор 4.

Индукционная печь, смонтированная на столе 10, состоит из ре­ акционной камеры (реактора) 8 с индуктором 6, бокса 2 и блока оптических пирометров 5.

Кварцевый реактор выполнен в виде цилиндра, расположенного горизонтально и имеющего по всей длине водяную рубашку 7. С од­ ной стороны реактора находится шлиф 3, через который производят загрузку и выгрузку подложек, а с другой присоединяют трубопро­ вод для подачи газа. Пробку шлифа охлаждают. В зависимости от размера подложек предусмотрены два сменных комплекта реакто­ ров, подставок и держателей. Загружают и выгружают подложки через съемный бокс в атмосфере воздуха, прошедшего фильтры гру­ бой и тонкой очистки. Для регистрации и регулировки -степени на­ грева подложек предусмотрены два пирометра и -схема автоматиче­ ского поддержания температуры.

92

Выходной скруббер 9 предназначен для улавливания ядовитых отходов эпитаксиального процесса. Отработанные газы из реактора направляются к горелке скруббера, в которую подается также во­ дород, что позволяет сжигать эти газы. Продукты сгорания частич­ но удаляются через фильтр системой вытяжной вентиляции, а час­ тично абсорбируются водой, орошающей насадку скруббера и через винипластовую емкость сливаются в канализацию.

В шкафу управления расположены водяные краны, система газо­ распределения, два термостата, ротаметры, а также программное устройство.

Для охлаждения жидкости, циркулирующей в змеевике термо­ стата, служит устройство, состоящее из холодильного агрегата, ван­ ны и помпы-мешалки. В ванну холодильника заливают незамерзаю­ щую жидкость. Термостаты необходимы для точного поддержания температуры кварцевых сосудов (испарителей) с хлоридами крем­ ния. Каждый термостат представляет собой винипластовую ванну, залитую дистиллированной водой, со змеевиком, по которому цир­ кулирует охлаждающая жидкость. Снаружи они теплоизолированы пенопластом.

Выходной блок системы регулирования температуры подложек выполнен по трехфазной схеме на магнитных усилителях УСО-20 с внутренней положительной обратной связью. Для компенсации па­ дения напряжения к выходу блока подключен повышающий авто­ трансформатор.

Установка обслуживается серийным ВЧ-генератором ИО 60.011 мощностью 25 кВт. Для удобства все цепи управления генератором дублированы и вынесены в шкаф управления. Максимальная тем­ пература нагрева подложек составляет 1450° С. Подъем температу­ ры осуществляется как вручную, так и автоматически по команде программного устройства. Подложки нагреваются теплом, отдавае­

подколпачным устройством, вакуумного поста, системы водоохлаждения, электрооборудования и пульта управления.

Основание 9 установки —сварной металлический каркас, закры­ тый снаружи съемными декоративными панелями. На передних па­ нелях установки размещены рукоятки управления вакуумной систе­ мой 4 и 8, гидроподъемом колпака 2 и поворотом карусели 3. Внутри каркаса находятся вакуумный пост, системы водоохлаждения и электрооборудования, гидросистема подъема колпака и транс­

форматорный блок.

Рабочая камера (колпак) установки УРМ 3.279.010 показана на рис. 58. В сварном колпаке 3 из нержавеющей стали имеются два смотровых окна и кран для соединения с атмосферой. Сверху к кол­ паку приварена воронка для заливки жидкого азота из сосуда Дьюара 1 и штуцер для выхода газообразного азота, а сбоку за­

93

креплена электронная пушка 7. Колпак крепится к подъемной стой­

ке кронштейном.

Под колпаком расположены карусель 1 с держателями подло­ жек 2, нагреватель подложек 16, электронная пушка 7 с фокусиру­ ющей и отклоняющей системами 6 и магнитной призмой 5, держа­ тель источника примеси (галлия) 11 и держатель 13 германия и охлаждаемый жидким азотом экран 12.

Рис. 57. Установка УРМЗ 279.010 для вакуумного реактивного напыления:

) — сосуд Дьюара, 2 и 3 — рукоятки управления гидропри­ водом подъема колпака и каруселью, 4 и 8 — рукоятки управления вакуумным затвором и клапанной коробкой, 5 — воронка для заливки жидкого азота, 6 —колпак, 7 — элек­ тронная пушка, 9 — основание

Источником вещества пленки служит слиток германия, а леги­ рующей примесью — металлический галлий, осаждение которых на подложки (в виде эпитаксиальной пленки) идет совместно.

Многопозиционная карусель позволяет поочередно обрабатывать 24 подложки, закрепленные в вольфрамовых держателях. Смену по­ зиций производят вручную, вращая ручку, управляющую системой конических и цилиндрических шестерен. Поворот карусели фиксиру­ ется мальтийским крестом.

Нагреватель 16 подложек представляет собой вольфрамовую ленту, закрепленную на охлаждаемых токовводах.

Плавление и испарение веществ, осаждаемых на подложки, осу­ ществляется электронной пушкой 7, состоящей из катода, анода к

94

управляющей диафрагмы. Электронный пучок проходит фокусиру­ ющую и отклоняющую системы 6 и поворачивается на 90° магнит­ ной призмой 5, после чего попадает на поверхность слитка герма­ ния. В результате бомбардировки электронами германий плавится и начинает испаряться. Скорость испарения зависит от мощности электронного пучка, которая, в свою очередь, зависит от тока эмис­ сии и напряжения на электродах. Фокусирующая и отклоняющая системы, а также магнитная призма защищают электронную пушку от запыления германием.

Испарение галлия ведут из кварцевой трубки, нагреваемой воль­ фрамовой спиралью, закрепленной на держателе. Температуру на­ грева регулируют в диапазоне 250—450° С. Вакуумный пост уста­ новки включает механический ВН-6-2М и паромасляный Н-2Т на­ сосы, клапанную коробку, высоковакуумный затвор, натекатели, ловушки и трубопроводы. Работа системы водоохлаждения паро­ масляного насоса и токовводов контролируется гидрореле.

Пульт управления, выполненный отдельно от установки, пред­ ставляет собой металлический сварной шкаф с приборами и органа­ ми управления и подключается к установке через панель разъемов.

Техническая характеристика установки УРМ 3 279.010 приведена ниже.

Контрольные вопросы

1.Что такое эпитаксия?

2.Какими преимуществами обладают эпитаксиальные приборы по сравнению

сдиффузионными?

3.Какие методы наращивания эпитаксиальных слоев вы знаете?

4.Каков технологический процесс наращивания эпитаксиальных слоев ме­ тодами осаждения из газовой фазы и испарением в вакууме?

96

5.Каково устройство установки для наращивания кремниевых эпитаксиаль­ ных слоев?

6.Каково устройство установки для наращивания германиевых эпитаксиаль­ ных слоев?

Г Л А В А С Е Д Ь М А Я

ВАКУУМНО-ТЕРМИЧЕСКИЕ И ТЕРМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПЛЕНОК

§ 34. Сведения о пленках

Пленки широко применяют для получения пассивных и активных компонентов в полупроводниковых приборах.

Как пассивные компоненты пленки используют в качестве ди­ электриков для маскировки поверхности полупроводниковых плас­ тин при локальной диффузии, для пассивации поверхности пластин и стабилизации параметров электронно-дырочных переходов, а также для изготовления омических контактов, токопроводящих до­ рожек, резисторов, конденсаторов и индуктивностей. Эти пленки обычно разделяют на тонкие (от 100 до 10 000 А) и толстые (свы­ ше 10 000 А).Толстые пленки имеют ограниченное применение (ис­ пользуются в качестве резисторов).

Активные компоненты —это пленки с электронно-дырочными пе­ реходами. Однако тонкопленочные полупроводниковые приборы се­ рийно пока не выпускаются. Рассмотрим только пленки, применяе­ мые в качестве пассивных компонентов.

Исходными материалами для изготовления этих пленок служат нихром, тантал, керметы (смесь керамики или других диэлектриков с металлом), хром, алюминий, золото и различные соединения крем­ ния и германия.

Пленки получают различными методами, основными из которых являются химический (например, окисление кремния), вакуумная конденсация (термическое испарение в вакууме), катодное или ре­ активное распыление, ионноплазменное распыление и осаждение из паровой или газовой фазы (эпитаксиальное выращивание).

Химический метод был рассмотрен в главе четвертой. Эпитакси­ альному выращиванию посвящена шестая глава. Поэтому ознако­ мимся с процессами вакуумной конденсации, катодным и ионно­ плазменным распылением.

§ 35. Технологические методы изготовления пленок

Вакуумной конденсацией обычно получают металлические плен­ ки для невыпрямляющих (омических) контактов полупроводнико­ вых приборов, токопроводящих дорожек, резисторов, конденсаторов и других пассивных элементов интегральных схем.

На рис. 59, а показана схема рабочей камеры установки для ва­ куумного напыления металлов (т. е. их термического испарения в

97

вакууме) с последующей конденсацией на охлажденной подложке. Процесс ведут под колпаком 1 при давлениях 1+2,5-10~5 мм рт. ст. Пластины полупроводника (подложки) 6 укладывают на нагрева­ тель 7, а на испаритель 2 помещают полоски металла 3, предназна­ ченного для напыления. Чтобы ограничить зону конденсации метал­ лических паров, используют неподвижный экран 4, который направ­ ляет их на полупроводниковые пластины. Подвижная заслонка 5 предотвращает напыление загрязненного металла в начале процес­ са.

Рис. 59. Рабочие камеры установок для напыления -материалов:

Познакомимся с технологическим процессом распыления сплава серебро — золото — сурьма при изготовлении невыпрямляющих кон­ тактов транзисторов ГТ311 на установке ЖК 43.05, который состоит из следующих операций:

подготовки установки и откачки рабочей камеры до давления

~ 30~6 мм рт. ст.;

отжига германиевых пластин при температуре нагревателя 520±5° С в течение 10 мин;

напыления сплава при температуре испарителя 520±5°С в те­ чение 15 с;

вплавления сплава в германий при температуре 520±5°С в те­ чение 5 мин;

повторного напыления сплава в течение 20 с при температуре на­ гревателя пластин 400+5° С и еще одного напыления при темпера­ туре нагревателя 340±5° С;

охлаждения пластин до комнатной температуры.

В результате напыления и вплавления на поверхности германия образуется металлическая пленка толщиной 0,0004—0,0006 мм.

Достоинствами этого метода являются сравнительная простота и воспроизводимость процесса, возможность напыления на подлож­ ку как одного, так я нескольких металлов, непосредственно (в ва­ кууме) сплавление пленки с подложкой, предохраняющее пластины от окисления и загрязнения. К недостаткам его относится некото­

98

рая неравномерность пленок по толщине и составу (так как напыле­ ние происходит из точечного источника и при различных темпера­ турах), а также инерционность процесса как в период разогрева, так и после выключения испарителя.

На качество пленок влияет состав остаточных газов (пары воды, кислород, окись углерода и др.) и степень разрежения в напыли­ тельной установке.

Как до начала работы, так и при напылении на поверхностях пластин могут адсорбироваться молекулы газа; это явление проис­ ходит тем отчетливее, чем медленнее испаряется металл, т. е. чисто­ та пленок зависит от скорости испарения, так как с увеличением скорости молекулы остаточных газов рассеиваются. Масс-спектро- метрический анализ показывает, что на долю водяных паров прихо­ дится около 97% от общего количества остаточных газов. Вымора­ живая водяные пары с помощью жидкого азота, можно существенно улучшить вакуум. Такие же результаты дает применение химиче­ ских газопоглотителей или высокотемпературный прогрев рабочей камеры при откачке. Однако при прогреве значительно увеличивает­ ся продолжительность производственного цикла.

Время откачки установки можно уменьшить, если перед разгер­ метизацией заполнить колпак осушенным и очищенным воздухом и сократить, насколько возможно, время сообщения его с атмосферой. Например, если начать очередной процесс спустя пять минут после подъема колпака, продолжительность откачки сокращается в два раза.

На рис. 59, б показана рабочая камера установки для катодного распыления, которое основано на разрушении напыляемого мате­ риала, служащего катодом, положительными ионами газа.

Технологический процесс ведут при небольшом (КН —10~2 мм рт. ст.) давлении инертного газа. Для ионизации газа между анодом и катодом прикладывают достаточно высокое напряжение (несколь­ ко киловольт). В результате в рабочей камере возникает так назы­ ваемый тлеющий разряд. Ионы остаточного газа бомбардируют рас­ пыляемый материал (катод), частицы которого распыляются и пе­ реносятся на полупроводниковую подложку. Если необходимо, под­ ложки можно нагревать. Заслонка имеет то же назначение, что и при вакуумной конденсации металлов. На качество пленок влияет расстояние от катода до анода, межэлектродное напряжение и дав­ ление газа под колпаком.

Методом катодного распыления получают пленки тугоплавких металлов (тантала, титана, циркония, ниобия), а также кремния, германия, алюминия, никеля, серебра, золота и др. Достоинствами этого метода является равномерность пленок по толщине и химиче­ скому составу, а недостатком —некоторое их загрязнение остаточ­

ными газами.

Разновидностью процесса катодного распыления является реак­ тивное распыление. В отличие от катодного его ведут в разреженной среде определенного газа, реагирующего с атомами распыляемого металла. В результате на подложке осаждается пленка. Например,

99