книги из ГПНТБ / Мазель Е.З. Планарная технология кремниевых приборов

На рис. 1-2 схематически показано, как формируется структура пл-анариого п-р-п транзистора. В защитном слое окисла с помощью фотолитографии вытравливают окно для создания 'базовой области 'путем диффузии акцепторной примеси. После диффузии окно снова за­ крывают слоем окисла п в этом новом защитном слое вытравливают окно для создания эмнттернон области

р-абласть базы

Контакт к коллектору е)

Рис. 1-2. Технологическая схема изготовления п-р-п пленарного тран­ зистора.

путем диффузии донорной примеси. Заключительным эта­ пом является вытравливание окон для контактов и соз­ дание самих металлических контактов ко всем областям транзисторной структуры. Более подробно типовую схему планарного технологического процесса рассмотрим далее.

Помимо названных методов окисления, фотолитогра­ фии и диффузии, для создания планарных приборов все шире используется эпитаксиальное наращивание крем­ ния. Сущность этого метода, предложенного еще в 1951 г. [Л. 1-3], заключается в том, что на пластине полупровод­ ника, называемой обычно подложкой, выращивается

10

слой кремния, составляющий с подложкой единый моно­ кристалл, но отличающийся от 'последней типом или величиной проводимости.

Эпитакспальные структуры, состоящие из подложки с высокой удельной проводимостью и выращенного на ней более высокоомного слоя того же типа проводимо­ сти, (позволили создать приборы с малым сопротивлени­ ем насыщения и высокими 'пробивными напряжениями^ Эшитаксиальные структуры с выращенными р-п перехо­ дами нашли широкое применение в технологии изготов­ ления интегральных схем и план арных транзисторов с равномерным распределением примеси в базе; такие транзисторы, в частности, полностью заменяют сплавные приборы и поевосходят их по стабильности параметров [Л. 1-6].

Можно утверждать, что появление план ар ной тех­ нологии вызвало качественный сдвиг в полупроводнико­ вом производстве. Возможность точного задания геомет­ рических конфигураций р-п переходов, их взаимного расположения, а также защита мест выхода р-п пере­ ходов на поверхность от внешних влияний — вот те основные черты, которые качественно отличают планарную технологию от сплавной и мезатехнологии. Эти принципиальные отличия пленарной технологии обеспе­ чили следующие важнейшие достижения в разработке и производстве полупроводниковых приборов:

создание широкого спектра приборов—от маломощных СВЧ транзисторов до больших интегральных схем, от­ личающихся исключительно малыми размерами и слож­ ной конфигурацией активных областей; подобные при­ боры не могли быть изготовлены другими технологиче­ скими методами;

разработка бескорпусных приборов и приборов в пластмассовых корпусах, ставшая возможной благодаря защите -пленарных переходов слоями окисла или нитрида кремния;

создание полевых транзисторов с изолированным за­ твором и интегральных схем на основе этих транзисто­ ров.

Не будет 'преувеличением сказать, что пленарные приборы произвели такую же революцию в полупровод­ никовой технике, как сама полупроводниковая техника-— в электронике. Только появление планарной технологии позволило создать современную микроэлектронику.

11

1-2. ТИПОВАЯ С Х Е М А ПЛАНАРНОГО ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО П Р О Ц Е С С А

Технологический цикл изготовления планарных при­ боров включает от 250 операций (транзисторы среднего класса) до 1 500 операций (интегральные схемы). Наи­ более общая классификация технологических операций различает групповую и индивидуальную обработку изде­ лий. Чем больше удельный вес групповых операций, тем лучше технико-экономические показатели определенного технологического метода. Групповая обработка обеспе­ чивает высокую производительность, при групповой об­ работке растет воспроизводимость результатов и, сле­ довательно, снижается разброс параметров приборов и увеличивается процент выхода годных изделий. По срав­ нению с другими .методами пленарная технология харак­ теризуется наибольшим удельным весом групповых опе­ раций. К ним относятся все операции обработки пла­ стин—механическая, химическая обработка, эпитаксия, фотолитография, диффузия. Операции по обработкепластин являются наиболее сложными и ответственными: именно на этих стадиях формируются электрические па­ раметры структур и определяется выход годных прибо­ ров. К индивидуальным операциям в планарной техно­ логии относятся в основном сборочные операции. Инди­ видуальные операции непроизводительны, с трудом поддаются контролю и автоматизации. Они в основном влияют на себестоимость прибора и на его надежность.

Особенностью планарной технологии является повто­ ряемость однотипных технологических операций. На тех­

последовательностей). При этом основа операций часто остается неизменной, а меняются только технологиче­ ские режимы и фотошаблоны, используемые для фото­ литографии. Каждая такая последовательность (иногда ее называют блоком [Л. 1-7]) 'формирует определенную часть структуры: базовую или эмиттерную область, кон­ такты и т. д. Завершает блок контрольная процедура, что позволяет своевременно устанавливать причины воз-

12

Рис. 1-3. Типовой технологический процесс изготовления планарного транзистора я-р-я-типа.

шествующей химической обработкой. Плотности дефек­ тов окисиых слоев толщиной 0,7 мкм на пластинах, обработанных перед термическим окислением тазовым травлением и обычными химическими методами очистки, соотносятся как 0,07 мм~г и 0,5—1,5 ммгг (Л. 1-8]. Для химической очистки применяют сложные комплексы об­ работок, состоящие из операций обработки в органиче­ ских растворителях, кислотах, отмывки в деионизованной .воде и т. д.

Первое окисление пластин проводят в термических печах при температуре 1 000—1 200°С в особо чистых условиях, поскольку 'выращенный на этом этапе окисел

ности окисла при первом окислении предъявляют в том случае, если за ним следует операция разделительной

диффузия бора для создания 'базовых областей транзи­ сторов. На окисленную пластину наносят слой фоторе­ зиста и экспонируют его через фотошаблон излучением ртутной лампы. На рис. 1-4 показан используемый для фотолитографии фотошаблон с конфигурациями базовых областей. Аналогичные шаблоны с совмещающимися между собой изображениями эмиттеров, контактов и т.д. образуют комплект, необходимый для изготовления лю­ бого планарного прибора. При фотолитографии базы опасны остающиеся в окне окисловые островки, которые возникают в основном из-за дефектов фотошаблона. Под окисловым островком может не. пройти диффузия бора, и в результате после создания эмиттера возникнут утеч­ ки или закоротки в цепи эмиттер — коллектор (подроб­ нее об этом см. [Л. 1-9]).

Химическая обработка после фотолитографии по

окислу (очистка типа I I на схеме) предназначена для удаления фоторезиста и подготовки пластин к диффузии. Эта обработка отличается от обработки перед первым окислением тем, что здесь нельзя из-за наличия окисла на поверхности пластин применять травление в плавико­ вой кислоте. Для удаления фоторезиста обычно исполь-

15

зуют горячую серную кислоту или окисление в кисло­ родной плазме. После удаления фоторезиста пластины проходят комплекс обработок в растворителях и кисло­ тах и передаются на операцию диффузии.

Диффузия бора для создания базы проводится, как

правило, в две стадии, причем после первой стадии об­ разовавшееся боросиликатное стекло с поверхности пла­ стин может быть удалено. Па второй стадии диффузии

Кремний

"База,-

Рис. 1-4. Вид фотошаблона, используемого для созда­ ния базы в планарном транзисторе.

в базовых окнах наращивается слой окисла, достаточный для маскировки при эмиттерной диффузии. Выбор мето­ да диффузии определяется конкретными условиями про­ изводства. Применяют твердые и жидкие источники диффузанта. Воспроизводимость процесса диффузии по величине поверхностного сопротивления составляет 5— 10% в диапазоне номиналов от 30 до 200 ом,.

Фотолитография эмиттера заключается в создании окон в слое окисла, выращенном над базовой областью в процессе предыдущей диффузии. Опасными дефектами

вую область. Например, проколы, попадающие в область распространения объемного заряда перехода база — коллектор, могут снизить пробивное напряжение прибо­ ра. При этой фотолитографии, помимо дефектов, на вы­ ход годных влияет точность совмещения эмиттерного и базового окон. '

16

Him между контактными полосками, вызывающие замы­ кания электродов. В мощных приборах, где используют слои алюминия толщиной до 4 мкм, существенную роль начинает играть изменение размеров контактов за счет бокового травления алюминия.

Химическая обработка пластин с алюминиевыми кон­

тактами (очистка типа I I I на схеме) отличается от пре­ дыдущих тем, что для удаления фоторезиста нельзя использовать кислоты. Обычно применяют горячие орга­ нические растворы или удаление в кислородной плазме.

Термообработка напыленных алюминиевых контактов

при температуре 450—500 °С в атмосфере аргона (5— 10 мин) применяется для улучшения адгезии алюминие­ вого слоя к окислу и снижения переходных сопротивле­ ний контактов. После термообработки пластин на обрат­

Проверка вольт-амперных характеристик структур

производится с помощью зондовых установок; одновре­ менно бракованные структуры маркируют, например, специальными чернилами — устройством, совмещенным

сзондовой головкой.

3.Заключительные (сборочные) операции. Скрайби-

рование пластин кремния осуществляется алмазным рез­ цом, после чего пластины разделяют на кристаллы с по­ мощью резинового валика. Заметим, что эти на первый взгляд простые операции при невнимательном отношении могут вызывать значительный брак — сколы кремния, по­ вреждения слоя алюминия, трещины, поломанные кри­ сталлы.

Сборка кристалла на основании корпуса производит­ ся на специальных установках в восстановительной среде при температуре 450—500°С. Для прочного соединения кристалл прижимают нижней поверхностью с напылен­ ным слоем золота к позолоченному основанию корпуса и подают ультразвуковые колебания.

Термокомпрессия алюминиевых или золотых прово­

лочек— операция соединения контактных площадок на кристалле с выводами основания корпуса. Проволочка прижимается к алюминиевой площадке нагретым до тем­ пературы 350—400 °С конусообразным инструментом, и за счет сочетания нагрева и давления проходит микро­ сварка. Операция термокомпрессии малопроизводитель-

18

на, а отсутствие объективных методов контроля -не по­ зволяет уверенно определить качество термокомпресси­ онных соединений. Практика показывает, что основная доля отказов при эксплуатации приборов связана с пло­ хой термокомпрессией.

Герметизация прибора осуществляется путем привар­ ки металлического колпачка к основанию корпуса. Для этой цели используют холодную сварку или контактную электрическую сварку. Иногда герметизация проводится в среде, содержащей гелий, для того, чтобы в дальней­ шем можно было бы осуществить проверку герметично­ сти с помощью гелиевого течеискателя.

Готовые транзисторы поступают на измерения параметров, после чего подвергаются испытаниям на герметичность, механическую проч­ ность, влагоустойчивость, циклическое воздействие температур и ра­ боту при крайних температурах. Для стабилизации параметров и отбраковки потенциально ненадежных приборов применяют термопли электротермотренировку.

Описанная схема пленарного технологического про­ цесса является общей для всех транзисторов, в которых используется диффузия для создания как эмиттерной, так и базовой областей. Некоторые отклонения имеют место •при изготовлении СВЧ транзисторов. Так, например, в связи с необходимостью получения в этих приборах очень тонких диффузионных слоев (0,1—0,3 мкм) обыч­ ное термическое окисление могут заменять пиролитическим осаждением окисла, алюминий — молибденом или двуслойной системой молибден — алюминий, а саму диф­ фузию— ионным внедрением; однако в основном схема процесса остается такой же. Особенности создания СВЧ транзисторов затронуты в гдавах, посвященных вопро­ сам диффузии и фотолитографии.

Процесс создания планарных диодов по сути дела отличается от изложенной технологической схемы только сокращением числа операций, поэтому отдельно он рас­ сматриваться не .будет.

При изготовлении интегральных схем [Л. 1-10—-1-12] добавляются специфические операции, обеспечивающие электрическую изоляцию компонентов схемы друг от друга и от общей подложки. На рис. 1-5 показаны спо­ собы изоляции, в которых используют операции окисле­ ния, диффузии, фотолитографии и элитаксии. Наиболее широко применяется в настоящее время изоляция с по­ мощью диффузии примеси, обеспечивающей тот же тип