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

3 мкм. У такого 'покрытия очень высокая адгезия к кера­ мике— до 10 кг/сл2", и к нему можно непосредственно прнплавлять кристаллы кремния. Металлокерамические корпуса с бериллневой керамикой используют в основ­ ном для сборки СВЧ транзисторов. В СВЧ транзисторах, •Помимо герметичности, к корпусам предъявляются тре­ бования минимальных емкости и индуктивности. Наибо­ лее существенное влияние на характеристики СВЧ тран­ зистора оказывает индуктивность базового п эмиттерного выводов, п их стремятся выполнять широкими п корот­ кими. В настоящее время используют два основных ти­ па керамических корпусов — полосковый и коаксиаль­ ный, в зависимости от того, в какой аппаратуре работа­ ет СВЧ транзистор. Сведения о корпусах мощных ВЧ и СВЧ транзисторов можно найти в обзоре [Л. 7-46].

В настоящее время большинство приборов для быто­ вой промышленной аппаратуры выпускают гегрметизованными пластмассами. Герметизация пластмассами намного проще, стоимость материалов низка, и, главное, этот способ позволяет осуществить сквозную автомати­ зацию сборочных операций с высокой производитель­ ностью [Л. 7-47]. Поскольку герметизация пластмассами применяется сравнительно недавно, рассмотрим ее под­ робнее.

344

Наиболее трудновыполнимо требование минимальной влагопроницаемости. Полной защиты от влаги полимер­ ные материалы не обеспечивают. Влага проникает сквозь

пластмассовую оболочку двумя путями: по границам

при температуре + 6 0 ° С и относительной влажности 95%. Нетрудно подсчитать, что при толщине пластмассовой оболочки 1 мм концентрация влаги на поверхности дву­ окиси кремния уже через 100 ч составит 70% от концент­ рации влаги в окружающей атмосфере '[Л. 7-48].

Поскольку от проникновения влаги через пластмассу избавиться нельзя, приходится увеличивать толщину

345

оболочки или применять пластмассы, замещающие гидроксильные группы на поверхности кремния. На рис. 7-21 показано, каким образом реагирует с поверхностью силиконовая смола (метилфенилполисплоксановая). За счет высокой реакционной способности не очень 'Влаго­ стойкие силиконы обеспечили хорошие эксплуатацион­ ные свойства герметизированных приборов.

Перспективным способом борьбы с влиянием влаги является применение дополнительной защиты поверх­ ности двуокиси кремния слоем нитрида кремния. Теоре­ тически достаточно нанести слой толщиной всего лишь 0,1 мкм, чтобы добиться полной герметизации: для при­ веденного примера концентрация влаги на поверхности двуокиси кремния составит через 10в ч всего 1% от ок­ ружающей. Однако на практике создание сплошных пленок нитрида кремния на готовых планарных струк­ турах осуществить .нелегко, и этот метод не нашел еще широкого применения.

В настоящее время для герметизации применяют три основных вида пластмасс: эпоксидные, фенольпые и си­ ликоновые.

Эпоксидные смолы — одни из первых полимерных материалов, использованных для герметизации, отличаются исключительно высокой адгезией из-за на­ личия полярных пгдрсксильных и эфирных групп, хоро­ шей механической прочностью и электроизолирующими свойствами. Эпоксидные компаунды весьма влагостойки, имеют низкую вязкость, благодаря чему с ними легко обращаться, и почти не дают усадки при отверждении. Отверждение эпоксидных смол происходит за счет до­ бавления аминов или ангидридов кислот [Л. 7-49] при температурах от комнатной до 150°С. Необходимость введения отвердителя усложняет процесс герметизации, так как приходится готовить небольшие порции компа­ унда, но, главное, отвердитель в большой степени влияет на важнейшие свойства эпоксидной оболочки, в основ­ ном ухудшая их. Фенольные смолы дешевы, процесс их применения весьма прост. Однако коррозионное дейст­ вие кислотных катализаторов, используемых для от­ верждения, ограничивает использование этих компаун­ дов.

Широкое применение силиконовых смол объясняется их исключительной тепло-и морозостойкостью, большей, чем у всех углеводородных полимеров. Силиконовые

№

оболочки рассчитаны На работу в диапазоне температур от —65 до +200° С и сохраняют защитные свойства даже при температурах 4-350°С Из табл. 7-4, в которой при­ ведены некоторые сравнительные данные пластмасс, до­ стоинства силиконов не столь очевидны: например, по поглощению влаги и по электроизоляционным качествам они ненамного отличаются от эпоксидных смол. Однако результаты эксплуатации покрытий в реальных условиях свидетельствуют в пользу силиконов. При воздействии, например, теплового удара (пятикратный перенос из ледяной воды в кипящую) и обработки паром (4 я при 150°С, давлении 3,8 кгс/см2 и 80%-ном насыщении) на силиконовую оболочку н оболочку из полиамидной смо­

с гпдроксильными группами, а полиамидная смола толь­ ко адсорбирует влагу, хотя и лучше остальных смол за счет присутствия азотсодержащих групп. Силиконы пол­ ностью отверждаются при комнатной температуре, не токсичны; процесс герметизации силиконами прост и легко автоматизируется.

Помимо принципиальной негерметнчности у пласт­ масс есть еще два недостатка: низкая теплопроводность— на два порядка ниже, чем у металлов; отличие от крем­

лостеклянных или керамических корпусов пластмассо­

водов и деградации параметров. В ограниченных преде­ лах теплопроводность и объемное расширение можно регулировать введением в компаунд наполнителей, таких, как кварц, минеральные вещества; наиболее удобны для этого силиконовые смолы. Хорошим способом явля­ ется применение двуслойной оболочки, когда внутрен­ ний слой остается вязким и не создает натяжений у по­ верхности кремния и тонких проволочных выводов. Д л я создания внутреннего слоя разработаны кремнийорганические гели и эластомеры с содержанием таких приме­

347

Г Л А В А В О С Ь М А Я

•

ВИ ДЫ БРАКА И М Е Т О Д Ы КОНТРОЛЯ

ВП Л А Н А Р Н О Й ТЕХНОЛОГИИ

8-1. ОСНОВНЫЕ ИСТОЧНИКИ И ВИДЫ БРАКА

Подробное изложение вопросов, связанных с причи­ нами появления брака, методами его выявления и путя­ ми устранения (т. е. с методами контроля в планарной технологии), представило бы собой по объему большую монографию. Всем этим проблемам посвящена книга Ю. А. Концевого и Ъ. Д. Кудпиа |[Л. 8-1].

Не имея возможности достаточно полно изложить проблемы, связанные с браком п методами контроля в планарной технологии, мы все же сочли целесообраз­

К основным источникам или причинам технологиче­ ского брака следует отнести:

1. Нарушения режимов технологических операций.

2.Недостатки применяемого оборудования.

3.Недостаточно высокое качество исходных матери­ алов .и полуфабрикатов.

вания, заключается в том, что, как правило, они приво­ дят к отклонению характеристик целой партии полупро­ водниковых пластин от заданных номиналов и забраковэнию всей партии пластин. Приведем несколько приме­ ров.

Допустим, что нарушены условия выращивания окисной пленки перед созданием эмиттерных областей структур планарных транзисторов и она оказалась слишком тонкой. При последующей диффузии пленка может не оказать маскирующего действия, примеси про­ никнут в кремний на всей поверхности пластин и во всех структурах эмиттерная и коллекторная области окажут-

350

ся замкнутыми друг с другом. Такой вид брака обычно называют катастрофическим.

Отклонения технологических режимов от заданных могут приводить к появлению и не катастрофического брака. Так, например, если при изготовлении транзисто­ ров после диффузии базовой примеси глубина коллек­ торного р-п перехода оказалась слишком большой, структуры будут иметь слишком малую граничную часто­ ту или слишком низкий коэффициент усиления. В ре­ зультате они будут забракованы на операции проверки электрических параметров. Если же глубина коллектор­ ного перехода оказалась слишком малой (или повер­ хностная концентрация слишком низкой), то при нор­ мальных режимах создания эмиттера возможны три случая: или у всех структур окажутся замкнутыми об­ ласти эмиттера и коллектора, или они будут иметь слиш­ ком низкое пробивное напряжение коллектор—эмиттер, или же запас по этому параметру окажется слишком малым.

О роли требований к точности технологического обо­ рудования можно судить из рассмотрения следующего примера: в транзисторной структуре, глубина эмиттернаго перехода которой составляет 2 мкм, а глубина кол­ лектора 2,4 мкм, достаточно изменить во время диффу­

фузионных печах можно задавать температуру гораздо точнее. Но даже если температура поддерживается с точностью ±0,5°С, это может привести к разбросу тол­

. Еще один пример — незначительное нарушение режи­ мов элит аксиального выращивания может привести к от­ клонению от заданных номиналов и толщины и удель­ ного сопротивления пленки. В результате у изготовлен­ ных на этих пленках транзисторных структур также из­ меняются параметры: пробивное напряжение может ока­ заться слишком малым, или будет слишком высоким время рассасывания носителей при выключении.

Причины, связанные с нарушением технологических режимов и приводящие к забракованию всей партии пластин, по сравнению с другими .причинами устраняют-

351

ся сравнительно легко за счет 'правильной организации технологического контроля.

Брак, возникающий из-за недостаточно высокого ка­ чества технологического оборудования, может быть ана­ логичен рассмотренному, т. е. недостаточно высокая точ­ ность оборудования в ряде случаев эквивалентна несо­ блюдению технологических режимов. Но, «роме того, могут возникать и несколько иные виды брака, связан­ ные с недостатками технологического оборудования. Так, например, если реактор для эпитаксиального выращива­ ния, установка для окисления или печь для диффузии имеют слишком малую зону равномерного нагрева или если нарушена требуемая равномерность потока газаносителя, то в партии обрабатываемых пластин появит­ ся большой разброс характеристик. При этом часть структур уйдет в брак, а часть может оказаться годной. Для устранения этих причин брака необходимо улучшать качество оборудования. Плохая работа оборудования может приводить, помимо появления явного брака, к воз­ никновению потенциальной ненадежности. Так, например, неправильная наладка установки для ультразвуковой приварки алюминиевых выводов может привести к не­ достаточной прочности соединений н отказам в процессе эксплуатации.

Невыполнение требований к исходным материалам и полуфабрикатам — к исходному кремнию, эпитаксиальным пленкам (если они поставляются готовыми), кор­ пусам приборов, реактивам, химикатам, газам и т. д . — также может быть причиной появления брака. Выявле­ ние и устранение этого брака — задача более сложная, чем в 'рассмотренных случаях. Если считать, что предъ­ являемые требования проверяются достаточно тщатель­ но (а они, как травило, проверяются и у поставщика и при входном контроле у потребителя), то появление массового брака означает недостаточность или непра­ вильность этих требований. Уточнение требований к ис­ ходным материалам — сложная задача, решение которой требует проведения исследований и технологических экс­ периментов, длящихся месяцами, а иногда годами.

Плохое качество исходных материалов и полуфабри­ катов может приводить не только к массовому 'браку, но и к тому, что появляется определенное количество не­ годных структур, беспорядочным образом распределен­ ных по полупроводниковой пластине, или к тому, что

352

среди выпускаемой продукции отдельные приборы ока­ зываются '.негодными. Причинами 'появления такого бра­ ка могут быть, например, плохое качество корпусов, дефекты проволоки, используемой для выводов, и в осо­ бенности локальные дефекты и неоднородности в исход­ ном кремнии или эпитаксиальных слоях. Эти дефекты (сами по себе или являющиеся причиной возникновения дефектов в наносимых на поверхность кремния пленках окисла) могут приводить к таким видам 'брака, 'как ко­ роткие замыкания, снижение пробивного напряжения, увеличение обратного тока, уменьшение устойчивости к вторичному пробою.

Однако основные причины того, что в общей массе годных приборов имеется определенный процент брака, связаны с несоблюдением условий производственной чи­ стоты и электронно-вакуумной гигиены. Наличие пыли­ нок, посторонних частичек и других локальных загряз­ нений может стать источником брака на любых техно­ логических операциях.

Борьба с источниками локальных дефектов — это одна из основных и труднейших задач пленарной технологии. Реальные плотности этих дефектов во многих случаях определяют уровень полупроводникового производства и качество выпускаемых приборов. Так, например, совре­ менная большая интегральная схема или мощный СВЧ транзистор на площади в несколько квадратных милли­ метров могут содержать сотни активных элементов. На­ личие локального дефекта в одном из них означает вы­ ход в брак всей схемы или всего транзистора. Поэтому при выпуске этих приборов даже сравнительно невысо­ кая плотность локальных дефектов может обусловить очень высокий процент брака.

Невозможность избавиться полностью от локальных дефектов привела, например, к тому, что при разработке больших интегральных схем (БИС) появилось направ­ ление создания индивидуального рисунка металлизации для каждой схемы. Суть этого направления заключает­ ся в следующем. На пластине кремния создается боль­ шое число ячеек, из которых должна быть изготовлена БИС. Их количество существенно превышает необходи­ мое. Затем контрольное устройство проверяет ячейки, выбирает годные и, если их окажется достаточно, раз­ рабатывает систему соединений между ними и програм­ му изготовления соответствующего фотошаблона для

травления рисунка металлизированных соединений. Использование этой сложной -процедуры может оказать­ ся не только дешевле, чем непосредственное изготовле­ ние сразу всей БИС, — без описанного способа изготов­ ление БИС на определенном уровне сложности из-за локальных дефектов просто неосуществимо.

Наиболее существенная причина возникновения ло­ кальных дефектов в процессе изготовления планарных приборов—загрязнения. Рассмотрим вкратце, какие виды локальных дефектов могут возникать в результате загрязнений на различных технологических операциях а к какому браку они могут приводить.

Попадание крупных зерен абразива и осколков крем­ ния в мелкодисперсные фракции при механической обра­ ботке может быть источником царапин и сколов. В ре­ зультате химическое травление будет идти вблизи этих дефектов с повышенной скоростью, окисел в этих местах будет поврежден. При фотолитографической обработке поврежденный окисел будет растравливаться, в резуль­ тате в процессе диффузии примеси будут проникать в те области, где диффузия не должна была бы происходить, что может стать источником коротких замыканий, ло­ кального снижения пробивных напряжений и неравно­ мерного распределения тока в готовых структурах.

Загрязнения при механической.обработке и отмывке поверхности кремния органическими веществами также могут приводить к неоднородности свойств окисной пленки и к появлению тех же видов брака. Кроме того, загрязнения органическими веществами и ионами ме­ таллов могут стать впоследствии причиной дрейфа па­ раметров и снижения коэффициента усиления транзи­ сторных структур. Ионные примеси в газах и воде, используемых при окислении кремния, приводят к изме­ нению заряда в окисле и попаданию в кремний быстро диффундирующих ионов. Наличие в кремнии этих ионов— причина появления мягких вольт-амперных характери­ стик (т. е. характеристик без резкого пробоя, с посте­ пенным нарастанием обратного тока).

Серьезным источником брака являются пылинки и нерастворимые частицы, попадающие в газы, воду, фо­ торезист. При окислении и фотолитографической обра­ ботке они могут привести к образованию проколов — от­ верстий в окисных пленках диаметром от долей микрона' до нескольких микрон или к сохранению островков

354