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

проводимости, что и подложка. Изолирующую или раз­ делительную диффузию проводят таким образом, чтобы примесь продиффундировала сквозь эпитаксиальный слой до подложки. В результате, как показано на рис. 1-5,. образуются карманы, изолированные электрически р-п переходами. Компоненты интегральной схемы — диоды,

транзисторы и т. д.—создаются в карманах по описан­ ной технологической схеме планарного процесса. Изоли­ рующая диффузия используется также для создания планарных транзисторов с равномерным распределением примеси в базе {Л. 1-6].

20

Рис. 1-6. Технологическая схема изго­ товления МОП транзистора.

соединений между компонентами: приходится выполнять соединительные дорожки на двух и более уровнях, раз­ деленных изолирующими слоями окисла или стекла (рис. 1-5).

Следует упомянуть об изготовлении МОП транзисто­ ров. Здесь основное внимание должно обращаться на создание высококачественного изолятора затвора. Тех­ нологическая схема производства МОП транзистора представлена на рис. 1-6. Для получения тонкого слоя окисла (0,15—0,2 мкм) с минимальными величинами за­ ряда и плотности дефектов применяют специальные сложные циклы химической обработки пластин, окисле­ ние в особо чистых условиях, дополнительную защиту слоем нитрида кремния и т. д. Иногда слой окисла по­ крывают сразу же слоем металла, не взаимодействую­ щего с окислом, например молибдена, и дальнейшую фотолитографию проводят с этим подслоем; эта мера позволяет снизить плотность проколов.

21

1-3. О С О Б Е Н Н О С Т И ПЛАНАРНОЙ ТЕХНОЛОГИИ И ПЕРСПЕКТИВЫ ЕЕ РАЗВИТИЯ

Планарная технология — технология больших возможностей, еще не выявленных полностью. Однако для реализации этих возможно­

одной из особенностей пленарной технологии. Организация разра­ ботки и производства пленарных приборов—весьма сложный ком­ плекс, в который входят следующие основные компоненты.

1.Создание производственных условии, удовлетворяющих столь высоким требованиям технологической гигиены, какие не встречаются ни в одной из других отраслей науки и техники, включая производст­ во космических и атомных аппаратов, изготовление гироскопов, ме­ дицину и др.

2.Отработка технологических операции до уровня чрезвычайно высокой устойчивости и воспроизводимости.

3. Обеспечение материалами и полуфабрикатами, отвечаю­ щими исключительно высоким требованиям к чистоте и выделяемы­ ми в специальный класс реактивов «для полупроводникового произ­ водства».

4.Оснащение высокоточным и производительным оборудованием.

5.Подготовка высококвалифицированного рабочего персонала.

6.Организация надежного контроля технологического процесса. Проблема контроля особенно важна, поскольку от успешного ее раз­ решения зависят характеристики и надежность приборов, выход год­ ных изделий, устойчивость технологических операций.

Еще одна особенность пленарной технологии связана с высокими электрическими параметрами создаваемых приборов. В таких прибо­ рах резко возрастает роль поверхностных свойств кремния. Это отно­ сится в первую очередь к приповерхностному слою: например, для создания эмиттерных слоев глубиной около 0,2 мкм в СВЧ транзи­ сторах требуется полное устранение приповерхностных нарушений кристаллической структуры кремния. От неровностей поверхности зависит качество фотолитографии; для того, чтобы получить размеры элементов около 1 . I I K . I I , поверхность должна быть идеально плоской.

Качество выращиваемых эпитаксиальных слоев, а также слоев дву­ окиси или нитрида кремния зависит от нарушений и загрязнений поверхности. Па электрические параметры приборов в большей мере влияет изгиб энергетических зон у поверхности; например, снижение пробивног.о напряжения у планарных приборов часто связано с влия­ нием поверхности. Наличие дефектов в защитной пленке окисла опре­ деляет в конечном счете процент выхода годных структур, а также надежность и стабильность работы приборов.

В итоге формирование и контроль свойств поверхности кремния и защитных слоев на поверхности приобретают первостепенное зна­ чение. Это не означает, что объемные свойства кремния в пленарном приборе перестают влиять на характеристики. Дислокации, участки высаждения примесной фазы, дефекты эпитаксиального выращивания и другие нарушения приводят к ухудшению электрических парамет­ ров приборов, и контроль объемных свойств кре.лния так же обяза­ телен, как и в других технологических процессах изготовления полу­ проводниковых приборов. В планарной технологии к нему добавляет­ ся сложный контроль поверхностных свойств; в особенности это относится к производству МОП структур

22

В связи с этим одним из важнейших условий освоения плаиар' кой технологии становятся очистка поверхности кремния и создание чистых производственных сред, поскольку воздействие на поверхность кремния осуществляется через них. Чистота реактивов, газов, атмо­ сферы рабочих помещений при изготовлении пленарных приборов должна быть в общем на один-два порядка выше, чем при любом ином технологическом процессе.

Источники загрязнений, попадающих на поверхность кремния, обычно делят на внутренние и внешние. Внутренние источники связа-

пыль.

ны с самими технологическими процессами, работой оборудования и персонала. Внешними источниками являются негерметичность поме­ щений и плохая фильтрация поступающего воздуха. От внешних источников загрязнений избавиться в принципе легче, чем от внутрен­ них, так что основное внимание следует обращать на борьбу с вну­ тренними источниками загрязнений.

В результате технологических процессов и работы оборудования в воздухе появляются испарения кислот, щелочей, органических раст­ ворителей, пыль.

23

Среды, является деятельность персонала. С поверхности кожи чело­ веческого тела выделяется в I мин до 1 млн. частиц: капельки пота, ороговевшие частицы, бактерии [Л. 1-13]. На рис. 1-8 показано, как растет количество частиц в 1 л воздуха по мере увеличения числа работающих в комнате операторов.

превышала 0,04 мм~2, что соответствует четырем частицам в 1 л воздуха. В воздухе же обычного городского района содержится около 70 тыс. частиц в 1 л (Л. 1-14].

Для того чтобы снизить расходы на фильтрацию воздуха, полу­ проводниковые предприятия располагают в зеленых зонах вне города, иногда под землей; планировка помещений базируется на принципе «куб в кубе», когда наиболее ответственные участки находятся во внутреннем объеме здания.

Дальнейшее понижение загрязненности достигается использова­ нием так называемых «чистых» комнат. Чистые комнаты представ­ ляют собой (рис. 1-9) кондиционированные помещения с мощным ламинарным потоком профильтрованного воздуха. В них удается

тин и нанесения слоя фоторезиста, первой сушки слоя, экспониро­ вания и проявления.

24

2. При химической обработке — последние стадии обработки пла­ стин, сушки и загрузки пластин в тару.

3. При окислении и диффузии — сами процессы, а также опера­

Рис. 1-9. Схематическое изображение чистой ком­ наты.

технологических операций. Так, при создании в СВЧ транзисторе

с которой придется выдерживать глубины диффузии, составит 400 А. Близкими величинами характеризуется и точность поддержания раз­ меров элементов при фотолитографии сложных СВЧ и мощных ВЧ приборов. Обеспечить такую высокую точность удаётся за счет стаби­ лизации факторов, влияющих на технологический процесс: темпера­ туры, времени, параметров исходных материалов и т. д. В последнее время все шире намечается тенденция к разработке управляемых процессов планарной технологии. Используя ЭВМ для сбора инфор­ мации о технологических режимах и получаемых результатах, можно управлять параметрами процесса, добиваясь его оптимизации в нуж­ ном направлении. Применение ЭВМ не исключает использование сложной аппаратуры стабилизации технологических режимов, но, на­ против, значительно расширяет ее возможности.

Перспективы развития планарной технологии лежат в первую очередь в совершенствовании технологических методов. Например,

" 8 5

замена оптической фотолитографии электронно-лучевой литографией позволит получать субмикроппые размеры элементов. Использование ионного внедрения примесей открывает возможность создания леги­ рованных слоев толщиной 0,1—0,15 мкм.

Наряду с процессом совершенствования отдельных методов бу­

лучистой энергией, непрерывно вытягивается кремниевая лента. Лен­ та попадает в кварцевую трубу, сквозь которую проходит кислород.

5 6

;

Здесь происходит окисление, причем нагрев осуществляется также лучистыми источниками. После этого лента разрезается на полоски, которые поступают в камеру групповой обработки. На поверхность полоски наносят из газовой фазы фоторезистивное покрытие, проеци­ руют нужное изображение, проявляют и травят в парах соответ­ ствующих веществ, после чего остатки фоторезиста сжигают. Очи­ стку, диффузию и эгтатаксию произодят з той же камере, меняя потоки газов. Наконец, металлизация для контактов создается раз­ ложением паров металлсодержащих соединений. На протяжении все­ го процесса бесконтактным способом контролируют технологические

спективах развития пленарной технологии читатель сможет само­

26

50 от; большие интегральные схемы, содержащие до 20 000 активных элементов.

2. Обеспечение высокой стабильности параметров и надежности работы пленарных приборов. Наработка на отказ у планарных тран­ зисторов достигает 107 ч.

3. Универсальность технологии, позволяющая по единому прин­ ципу получать самые разнообразные приборы, от простого диода до сложнейшего мощного СВЧ транзистора пли большой интегральной схемы.

4. Гибкость технологии, заключающаяся в том, что переход к вы­ пуску иного типа прибора часто связан только с изменением тех­ нологических режимов и комплекта фотошаблонов.

кой ее себестоимости (несколько копеек на один транзистор среднего класса). '

Г Л А В А В Т О Р А Я

«1

О Б Р А Б О Т К А ПОВЕРХНОСТИ КРЕМНИЯ

®

2-1. ТРЕБОВАНИЯ, ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫЕ В ПЛАНАРНОЙ ТЕХНОЛОГИИ К ОБРАБОТКЕ ПЛАСТИН КРЕМНИЯ

Для изготовления планарных приборов среднего класса исполь­ зуют пластины из монокрнсталлического кремния. Разработка и про­ изводство более сложных приборов с высокими параметрами требу­ ют применения пластин с эпитаксиальными слоями; для современной планарной технологии характерна тенденция ко все более широкому освоению эпитаксиальных структур. В любом случае и пластины кремния, и эпитаксиальные слои должны иметь возможно более со­ вершенное кристаллическое строение. Это требование является общим при изготовлении приборов любым технологическим методом, но приобретает особое значение в планарной технологии, позволяющей создавать приборы с исключительно высокими характеристиками. Всякие нарушения кристаллической решетки: дислокации, дефекты упаковки в эпитаксиальных слоях, различного рода поверхностные

1 мкм приводят к повышенному износу фотошаблонов при фотоли­ тографии. Подобные выступы обычно удаляют механически (срезают) перед запуском пластин в производство.

Общим является также требование к постоянству удельного со­ противления, особенно важное при изготовлении высоковольтных и мощных приборов. Допускаются для определенного типа кремния

27

или эпптаксиальпых структур колебания удельного сопротивления в пределах ±10% поминала.

Толщина применяемых в пленарной технологии пластин, как пра­ вило, регламентируется не очень точно. Тем не менее колебания тол­ щины влияют на операции фотолитографии и скрайбирования, тре­ буя, в частности, переналадки оборудования, поэтому их следует ограничивать, например, ± 3 мкм при толщине пластины 200 мкм. Плосконараллельность пластин из тех же соображений следует под­ держивать на уровне ± 1 мкм по диаметру пластины.

Наиболее высоки требования, предъявляемые в плаиариоп тех­ нологии к поверхности пластин. Это является, как уже отмечалось в гл. 1, специфической особенностью данного технологического ме-

тода. Ориентацию поверхности пластин следует выдерживать с точ­ ностью до 1—2°, поскольку от этого зависит воспроизводимость окис­ лительных и диффузионных процессов, что особенно важно при из­ готовлении СВЧ транзисторов и МОП приборов. Отметим, что для пленарной технологии характерно использование пластин с различ­ ной ориентацией. Чаще других применяют пластины, ориентирован­ ные по плоскостям (111) и (100). В последнем случае снижается заряд в окисле; на таких пластинах обычно изготавливают МОП транзисторы.

класса чистоты обработки поверхности. Столь жесткие требования диктуются необходимостью получения при фотолитографии изобра­ жений микронных размеров, например, в СВЧ диодах и транзисто­ рах, сложных МОП приборах и т. д.

Одним из важнейших требований, предъявляемых к пластинам в пленарной технологии, является отсутствие нарушенного припо­ верхностного слоя. Это требование связано с тем, что в современных лланарных приборах глубина диффузионных слоев может составлять всего 0,1 мкм, а характеристики р-п перехода, попавшего в область нарушенного слоя, естественно, не могут быть хорошими. От наличия нарушенного слоя зависят также свойства маскирующего слоя окисла.

Остается добавить, что столь высокие требования обеспечиваются на больших площадях: в настоящее время применяют пластины диа­ метром до 60 мм, и появились сообщения о том, что для повышения производительности процесса стали использовать пластины диамет-

28

Для выполнения перечисленных требовании в пленарной тех­ нологии 'применяется обработка кремния самыми различными среда­

химическое травление, отмывка поверхности; обработка в газовых средах — газовое травление и очистка; наконец, плазменная обработ­ ка — ионное травление.

Рассмотрим кратко основные методы обработки поверхности , кремния. Механическая обработка выполняется посредством воз­ действия на кремний твердого агента — абразиза. Слитки кремния \ режут на заготовки, которые затем шлифуют и полируют, последо­ вательно применяя абразивы различного типа с уменьшающимся размером зерен. Такая схема обработки, к сожалению, характеризует­ ся малой производительностью п низкой эффективностью. Норма

при механической обработке в 2 раза превышают с трудом добытый результат, что показано на диаграмме рис. 2-2. И тем не менее меха­

тодов обработки не обеспечивает сочетания такой точности геомет­ рических форм пластины с высоким качеством обработки поверхно­ сти. В различное время был предложен ряд методов, позволяющих отказаться от громоздкой механической обработки и получить пла­

с-яитка

дендритный метод [Л. 2-2]; метод выращивания кристаллов по Сте­ панову [Л. 2-3]; метод междендритной кристаллизации [Л. 2-4]. Од­ нако ни один из этих методов еще не вышел из стадии лабораторных исследований.

Механическая обработка в пленарной технологии широко соче­ тается с химической и электрохимической. Такое сочетание позволяет получить пластины без нарушенного приповерхностного слоя. Следует отметить, что по сравнению с технологией сплавных или меза при­ боров в пленарной технологии травление стало играть меньшую роль, и область применения химических обработок почти целиком сместилась на стадию подготовки пластин. В самом процессе Труп-

29

\