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

слои я+-типа и я-типа в местах изоляции протравлива­ ются до слоя Si02 .

в) На полированную поверхность я+ -слоя и на по­ верхность канавок наносится слой Si02 . На этом слое выращивается второй слой поликристаллического крем­ ния.

г) Первый слой поликристаллического кремния уда­

а) Пластина кремния я+-типа окисляется, и в ней протравливаются углубления по рисунку изоляции.

б) Поверхность, подвергшаяся травлению, окисляет-

302

мощью фотографировки обнажаются те области, где дол­ жен будет создаваться высокоомный n-слой. Проводится химическое травление на глубину нескольких микрон.

д) Проводится селективное выращивание эпитакси­ альных высокоомных слоев n-типа в вытравленных углублениях.

Для того чтобы при этом не происходило зарождения поликристаллов на поверхности S1O2, в газовую смесь при выращивании слоем кремния добавляется некоторое количество НС1. Для того чтобы более уверенно провести выращивание /г-слоев точно до уровня БЮг, было уста­ новлено, что процесс целесообразнее проводить на пла­ стинах, ориентированных по плоскости (100). При этом удалось обеспечить разность уровней окисла и выра­

вание представляет собой последнюю операцию, то мож­ но обеспечить достаточно резкий скачок концентрации между подложкой и эпитаксиальным слоем.

Весь материал гл. 6 был посвящен эпитаксиальному выращиванию кремния на моиокристаллических крем­ ниевых подложках, т. е. гомоэпитакснальным процессам. В последнее время в кремниевой планарной технологии все большее значение приобретают гетероэпитаксиальные процессы, связанные с выращиванием монокристал­ лических кремниевых пленок на монокристаллических подложках из других материалов, являющихся изолято­ рами. Подобные процессы дают возможность создания ИС с практически идеальной изоляцией элементов. В качестве материала для подложек может быть исполь­ зован целый ряд веществ: искусственный сапфир AI2O3,

303

в промышленных условиях создать кремниевые ИС на подложках из ВеО, то и это ограничение будет преодоле­ но, так как теплопроводность ВеО существенно превос­ ходит теплопроводность не только кремния, но и многих металлов. Надо отметить, что если речь идет об инте­ гральных схемах на МОП структурах, то, по-видимому, в ближайшее время кремниевые МОП ИС на изолирую­ щих подложках по сложности, числу и плотности разме­ щения элементов и другим характеристикам превзойдут обычные кремниевые МОП ИС.

По гетероэпитаксии кремния и связанным с этим во­ просом проблемам появилась уже довольно обширная литература. По-видимому, в начале процесса гетероэпитаксиального роста атомы кремния упорядоченным об­ разом замещают некоторое количество атомов металла в верхнем моноатомном слое изолирующей подложки. Последняя представляет собой монокристаллический окисел или монокристаллическое соединение окислов

янной решетки. Условием роста монокристаллического кремниевого слоя будет хорошая сопрягаемость структур кремния и выбранной подложки. Под сопрягаемостью следует понимать то, что при наложении какой-либо кристаллографической плоскости кремния на какую-то кристаллографическую плоскость подложки положение части атомов кремния и атомов металла в окисле совпадает. При этом чем меньше останется несовпавших атомов, тем лучше будет сопрягаемость. Возможно, что хорошая сопрягаемость может быть достигнута при не­ которой не очень значительной деформации решетки кремния. Следует иметь в виду, что при этом растянутый или сжатый слой кремния, прилегающий к подложке, будет механически напряжен. В качестве примера на рис. 6-22,а—в покажем, как в случае кремния и шпинели они сопрягаются друг с другом по плоскостям (111), (100) и (110).

Если говорить о свойствах монокристаллических сло­ ев кремния на сапфире и шпинели, то во многом они определяются качеством подложек. С улучшением ка­ чества АЬОз и АЬОз • MgO улучшаются и слои: уменьшает-

304

ся плотность дислокаций, повышается их чистота (растут подвижность и время жизни неосновных носителей заря­ да в кремнии). В работе [Л. 6-27] отмечается, что зна­ чительное повышение подвижности в слоях, полученных напылением Si на подложки из сапфира, наблюдалось после окисления и отжига слоев. Вопросы автолегироваиия кремниевых слоев на сапфировых подложках иссле­ довались в работе [Л. 6-28]. Показано, что основной

акцепторной примесью в слоях был алюминий,, попав­ ший в них, очевидно, из подложки. Удавалось вырастить

держания А1 в Si, а обработка при температурах свыше 1250°С приводила к увеличению концентрации алюми­ ния в Si до 2-101 8 ат/см3.

Хотя имеются сообщения о том, что на изолирую­ щих подложках удалось вырастить эпитаксиальные слои кремния толщиной 4—15 мкм, в сообщениях о практи­ ческом использовании этих слоев речь идет о гораздо меньшей толщине, порядка 1—2 мкм. Возможно, что это связано с пока еще недостаточно хорошими электриче­ скими свойствами этих слоев. В основной массе сообще­ ний о приборах, созданных на подобных слоях, речь идет о диодах, МОП транзисторах и МОП ИС. В литерату­ ре, однако, появились сообщения о создании в столь тон­ ких слоях не только МОП, но и биполярных транзисто-

ров. При этом биполярные транзисторы имели горизон­ тальную структуру, т. е. р-п переходы располагались в них перпендикулярно к подложке, а ток протекал в на­ правлении, параллельном подложке.

Г Л А В А С Е Д Ь М А Я

&

ЗАКЛЮЧИТЕЛЬНЫЕ ОПЕРАЦИИ ПЛАНАРНОГО ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА

•

7-1. О Б З О Р С П О С О Б О В СБОРКИ ПЛАНАРНЫХ ПРИБОРОВ

После того как методами окисления, диффузии и фотолитогра­ фии на пластине кремния изготовлены пленарные структуры, насту­ пает заключительная стадия технологического цикла — сборка при­ боров. На этой стадии рождается готовый прибор, причем сборка — создание омических контактов, присоединение выводов, помещение структуры в оболочку, надежно изолирующую р-п переходы от влия­ ния внешней среды, — является далеко не простой задачей. В ряде случаев, например при производстве больших интегральных схем или СВЧ транзисторов, сборка превращается в серьезную проблему.

Интересно рассмотреть, как трансформировались способы сборки по мере совершенствования и усложнения полупроводниковых прибо­ ров. К. сплавным приборам, имевшим электроды большого размера, было нетрудно припаять металлические проволочки или полоски, слу­ жащие выводами. В мезаприборах размеры контактных площадок резко сократились. Вначале конструкторская мысль шла традицион­ ным путем, сохраняя способ припайки все меньших по диаметру про­ волочек. Но вот в развитии методов сборки возникает качественный сдвиг: панку заменяют мнкросваркоп, разрабатывается способ термо­ компрессии, позволивший присоединять проволочные выводы к кон­ тактным площадкам с размерами 30—50 мкм. Способы микросварки очень широко распространены в настоящее время: 90% планарных приборов и интегральных схем собираются методами проволочного монтажа. Разработаны многочисленные варианты: термокомпрессия «клином» и «шариком», ультразвуковая сварка, ультразвуковая свар­ ка с подогревом и т. д.

Дальнейшее уменьшение размеров активных областей в планар­ ных структурах привело к еще одному качественно важному усовер­ шенствованию, а именно к созданию распространенных контактов. Читатель должен достаточно четко представлять себе, что активные области планарных структур — эмиттер, база, коллектор — занимают площади, измеряемые микронами, а сам кристалл кремния имеет раз­ меры около миллиметра. Распространенные контакты, располагаю­ щиеся поверх слоя окисла над этой «ненужной» площадью кремние­ вого кристалла, позволяют присоединяться к исключительно малым по размеру областям. Кроме того, в приборах с распространенными контактами механическая и тепловая нагрузки, возникающие при

306

микросварке, .прикладываются довольно далеко от р-п переходов и не влияют на его характеристики.

Термокомпрессиоиные и прочие методы проволочного монтажа,

Разработка автоматов, последовательно приваривающих проволочки к многоэлектродным структурам, в какой-то мере решила вопрос, но

открывают методы одновременного присоединения всех выводов. Ти­ пичным примером этого направления является метод сварки с «паучковыми» выводами, когда несколько ленточных выводов, объединен­ ных внешней рамкой, привариваются сразу ко всем контактным пло­ щадкам структуры, после чего рамка удаляется.

Однако и эти методы, несмотря на свою прогрессивность и воз­ можности автоматизации, оставались по существу методами индиви­ дуальной сборки. На пластине групповым способом создавались толь­ ко омические контакты, а далее пластина разделялась на кристаллы, к которым по отдельности присоединялись выводы. Поэтому следую­ щим логическим шагом на пути совершенствования методов сборки явилась разработка групповых способов сборки, при которых не толь­ ко омические контакты, но и выводы сразу формировались на всех структурах, размещенных по кремниевой пластине. Применение груп­ повых способов резко повышает производительность сборки и сни­ жает разбросы по прочности выводов, неизбежно большие при инди­ видуальной сборке. Неудивительно поэтому, что за 10 лет, прошед­ ших со времени разработки первого из способов групповой сборки, появилось большое количество разнообразных вариантов и модифи­ каций. Почти все они сводятся к электролитическому выращиванию или напылению достаточно толстых металлических выводов в виде пьедесталов, шариков, выступов и т. д. При этом значительно услож­ няется операция разделения пластины с объемными выводами на кристаллы: метод скрайбирования, широко применяемый при прово­ лочном монтаже, здесь не пригоден, так как при ломке скрайбированной пластины объемные выводы повреждаются. Это обстоятельство вызвало необходимость в разработке иных методов разделения пла­ стин, например с помощью абразивной резки или химического трав­ ления. Одно из направлений сборки с объемными выводами вылилось в создание выступов не на полупроводниковой пластине, а на изоли­ рующей подложке. При таком подходе пластина со структурами не подвергается вредным воздействиям, например связанным с электро­ литическим наращиванием.

•Кристаллы с объемными выводами собирают, используя метод «перевернутого кристалла» |[Л. 7-1]. Согласно этому методу кристалл располагают выводами вниз на изолирующей подложке гибридной схемы или основании корпуса. С помощью довольно сложных опти­ ческих устройств совмещают объемные выводы с контактными пло­ щадками подложки и вслед за тем осуществляют присоединение.

Наконец, качественным скачком в развитии сборочных операций явилось создание приборов с «балочными» или «консольными» выво­ дами, представляющих собой те же объемные выводы, но протяжен­ ные, выходящие за пределы кристалла. Идея объемного группового монтажа, таким образом, была доведена до совершенства, поскольку одновременно создаются и омические контакты, и выводы структур, и соединения выводов с внешними электродами. Однако разделение

307

пластин на кристаллы при этом еще более усложняется, п технология создания самих балочных выводов не нашла еще оптимального ре­ шения.

Вообще следует признать, что методы объемного монтажа в на­ стоящее время находят ограниченное применение, главным образом в гибридных интегральных схемах. Очевидно, в ближайшие годы разнообразие методов сменится двумя-тремя хорошо отработанными технологическими процессами, обеспечивающими производительную и надежную сборку. Пока же доля индивидуальных операций в сборке

Рис. 7-1. Распределение отказов приборов по видам (данные приведены для инте­ гральных схем [Л. 7-2]).

планарных приборов остается высокой, и с этим связаны серьезные недостатки заключительного этапа:

малая производительность и трудности автоматизации, например для обычной термокомпрессионной установки производительность со­ ставляет 40—60 транзисторов в 1 ч;

высокая удельная стоимость сборочных операций в общей стои­ мости пленарного процесса, когда на индивидуальную сборку может приходиться до 60% стоимости производства приборов;

сильное влияние субъективных факторов, прямым следствием чего является снижение воспроизводимости процесса и надежности приборов. Примечательно, что именно заключительные операции ответственны за львиную долю отказов приборов. Это показано на диаграмме (рис. 7-1), относящейся к надежности интегральных схем СЛ. 7-2]. У транзисторов количество отказов, вызванных некачествен­ ной сборкой, меньше, но в общем распределение по видам носит та­ кой же характер.

В этой главе мы рассмотрим в основном методы сборки транзисто­ ров. Значительное внимание будет уделено общему для любых прибо­ ров вопросу создания омических контактов и механизму образования надежных термокомпрессионных соединений, мало освещенному в л*

308

I

тературе. Способы группового объемного монтажа описываются крат­ ко; более подробные сведения читатель найдет в работах [Л. 7-1, 7-24]. Вслед за описанием операций разделения пластины на кристал­ лы будут рассмотрены способы сборки кристаллов в корпус и методы герметизации планарных приборов.

(рис. 7-2,6), выходящие на поверхность диэлектрическо­

отделить место присоединения вывода от активной обла­

Контакты в любом случае должны обеспечивать опре­ деленные электрические параметры и быть механически прочными. Оба эти качества они должны сохранять ста­ бильно в течение требуемого срока службы прибора в широком диапазоне изменений эксплуатационных усло­ вий.

Рассмотрим подробнее те требования, которым долж­ ны отвечать контакты:

1. Контакт должен быть невыпрямляющим, т. е. со­ противление его не должно зависеть от направления про­ текающего тока.

309

преодоления этого затруднения заключается в дополни­ тельном легировании полупроводника под контактом; например, в кремнии /i-типа под контактом путем диф­ фузии создается тонкая область я+-типа. Между п- и /г+-областями возникает контактная разность потенциа­ лов, пропорциональная различию в концентрациях иони­ зированных доноров. Изменить эту разность прилагае­ мым извне напряжением очень трудно; при любой поляр­ ности будет изменяться только поток основных носите­ лей. За счет этого и обеспечивается линейность харак­ теристики контакта. Линейный и неинжектирующий кон­ такт принято характеризовать контактным или переход­ ным сопротивлением рк - Величина р к в основном зависит от типа металла, типа и сопротивления полупроводника. Например, для /г-кремния выведено эмпирическое соот­ ношение [Л. 7-3]

с поверхностным .сопротивлением рш общее сопротивле­ ние контакта R можно подсчитать по формуле [Л. 7-4]

где а —ширина, Ь — длина контакта; k = f pa/pR. Сле­ дует сказать, что сопротивление контакта в большой сте­ пени зависит от чисто технологических факторов, подго­ товки поверхности, наличия остатков окисла и т. д.

Требования к металлургическим и другим физико-хи­ мическим свойствам контактов (например, к адгезии) удовлетворить намного сложнее. В то же время именно от этих свойств зависит надежность контактной системы. Причина затруднений кроется в очевидной противоречи­ вости требований. Контакт с кремнием должен быть прочным, но металл не должен проникать глубоко в кремний. Требование хорошей адгезии к окислу проти­ воречит условию слабого влияния контакта на свойства окисла. Металл контакта должен быть достаточно инер­ тен и одновременно восстанавливать окисные пленки на

311