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

Наиболее медленной стадией, по предположению авто­ ров работы [Л. 2-27], является окисление при условии, что содержание пирокатехина превышает определенную ве­ личину (4% молярных); в противном случае недостаток комплексообразователя снижает скорость травления. Высокие энергии активации подобных травителей приво­ дят к резкому различию в скоростях травления кремния по разным кристаллографическим плоскостям, т. е. ани­ зотропному травлению.

2-5. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРИЕМЫ ХИМИЧЕСКОЙ И ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ПЛАСТИН КРЕМНИЯ

чимся описанием технологических приемов, применяемых в пленар­ ной технологии.

Для получения пластин кремния без нарушенного слоя, но с неко­ торым «завалом» поверхности по краям пригодна химико-динами­ ческая полировка. Травление осуществляется в наклонном фторо­ пластовом стакане, вращающемся с определенной скоростью. Угол наклона и скорость вращения подбираются таким образом, чтобы пластина кремния не увлекалась поверхностью дна стакана, а, со­ скальзывая, вращалась вокруг своей осн. При этом обеспечиваются оптимальные условия перемещения потока травителя вдоль поверх­ ности пластины. Вместо наклонного стакана можно применять вра­

кронеровностей не превышают 0,2—0,3 мкм после травления пластин, шлифованных абразивами М-5 или М-3. Микронеровности определя­ ются в основном предварительной обработкой и толщиной стравлен­ ного слоя. Например, чтобы после шлифовки порошком М-5 плучить неровности размером 0,1—0,2 мкм, надо удалить минимум 50 мкм кремния, а в случае шлифовки порошком М-14 толщина стравленного слоя достигнет 150 мкм. При этом неизбежен завал краев, заметный на расстоянии от 4 до 8 мм от края, в зависимости от толщины снятого слоя [Л. 2-31]. Отметим, что заканчивать процесс травления следует, доливая воду в стакан, но ни в коем случае не извлекая пластину из травителя. Это связано с тем, что при травлении выде­ ляется тепло, электролит нагревается и скорость травления растет. Поскольку обычно применяют большие объемы травителя и травят одну пластину, этот эффект заметно не проявляется. Когда же на поверхности извлеченной из стакана пластины остаются капли травителя, то в этих местах начинается бурная реакция, пластина покрывается пятнами и углублениями.

Химико-динамическая полировка постепенно вытесняется элек­ трополировкой, которая обеспечивает более качественную обработку

50

поверхности. Установка для электрополировки и технология процесса подробно описаны в [Л. 2-24]. Основные узлы установки: I) анодный диск из прозрачного изолятора, иа который наклеиваются воском пластины; контакт к пластинам—прижимный, причем пластины крем­

рости вращения диска. Скорость травления, однако, зависит от угла наклона диска, который должен составлять 7—10° для получения тонкой пленки электрополировки. Размеры микронеровностей состав­

стоящее время схема обработки пластин кремния выглядит таким образом: шлифовка порошком М-10, затем полировка порошком АСМ-1 и, наконец, электрополировка в течение 5—10 мин.

Процессы анизотропного травления кремния в настоящее время используются все шире, особенно в технологии изготовления инте­ гральных схем. Из-за высокой энергии активации анизотропные травители требуют нагрева до температур, близких к температурам их кипения. Травление проводится в закрытых сосудах с обратным холодильником (травление в открытом сосуде дает невоспроизводи: мые результаты (Л. 2-27]). При использовании этилендиаминового травителя рекомендуется барботирсвать через него инертный газ, например азот, для предохранения амина от окисления и лучшего перемешивания раствора. Оптимальный состав травителя в моляр­ ных процентах: этилендиамин — 35,1 %, пирокатехин — 3,7%, вода — 61,2%, температура травления 110±1 "С.

к

водимости в основном пассивируется, а выше—травится; отношение скоростей травления в «пассивном» и «активном» состояниях состав­ ляет 200 ::1. В этом травителе можно вести анодное травление крем­ ния как р-типа, так и и-типа; в последнем случае величина СУПасс несколько ниже, так как переход, контролирующий процесс травле­ ния, включен в прямом направлении. Используя травление в едком кали, удаляли до 250 мкм кремния без предварительной механиче­ ской обработки [Л. 2-33].

Важное значение в планарной технологии приобретают методы выявления р-п переходов. Эти процессы сравнительно мало освещены

цвет. Действие окрашивающего раствора основано на анодной реакции окисления и последующего растворения кремния. Первона­ чально считали, что за счет малого содержания азотлой кислоты окисление кремния идет не полностью: образуется темная пленка моиоокиси кремния, плохо растворяющаяся в плавиковой кислоте. Од­ нако детальные исследования [Л. 2-37] выявили более сложную кар­ тину окрашивания. Было установлено, что толщина пленок лежит

типа—черные, образуются только на дырочном кремнии в узкой области удельных сопротивлений от 0,25 до 0,1 дм-см. Наконец, пленки третьего типа, образуемые на дырочном кремнии, почти не­

третьего типов — монокристаллические и по составу близки к чистому кремнию.

Пленки первого типа, судя по количеству водорода, выделяюще­ гося при их высокотемпературном разложении, имеют состав S1H2.

Подобное соединение двухвалентного кремния может образоваться в результате недостатка дырок. Соединение само по себе нестабиль-

53'

щения. В частности, более воспроизводимые результаты получаются при добавлении нитрида натрия или при использовании бурой ды­ мящейся азотной кислоты (1—2 капли на 10 мл концентрированной плавиковой кислоты). Добавление окислителей может понизить се­ лективность процесса. В работе [Л. 2-38] показано, что дополнитель­ ным окислителем может являться кислород, растворяющийся в пла­ виковой кислоте, долго стоявшей на воздухе. Освещение существенно улучшает четкость окрашивания. Это вполне понятно: под действием света возникает фото-э. д. с, р-область заряжается положительно, и

2—3 мин на сколотых, шлифованных и полированных поверхностях кремния. Авторами с успехом применялся этот метод, причем под­ свечивание ультрафиолетовым излучением уменьшало время окраши­ вания до 30 сек. Реакция, протекающая при окрашивании:

7 S i + 2 H I 0 4 + 4 2 H F — v 7 H 2 ( S i F 0 ) + 8 Н 2 0 + 7 Ш + Ь .

При выявлении переходов путем осаждения металлов, таких, как золото, медь, серебро, палладий и др., используется катодная реак­ ция. Примером может служить выявление, переходов медью; полное уравнение этого процесса выглядит таким образом:

Si + 4HF+2Cu(NO:,)2 = SiF4 + 2Cu + 4HN03 t.

Конечно, катодное осаждение нельзя рассматривать в отрыве от анодной реакции. В том, что анодный контроль играет важную роль, убеждает зависимость процесса выявления переходов от содержания плавиковой кислоты в электролите. Изменение се содержания влияет на реакцию '

Si02+6HF^H : SiF f ,+2II 2 0

ив результате на осаждение металла.

Вработе [Л. 2-40] было найдено, что существует некоторая кон­ центрация плавиковой кислоты, выше которой селективное выявле­ ние переходов не наблюдается. Например, максимальное содержание

48%-ной H F при осаждении меди составляет 10 мл/л 20%-ного раст­ вора CuSOi • 5НгО. Более подробные данные приводятся в работе [Л. 2-41] для ряда металлов.

Важную роль в выявлении переходов осаждением металлов игра­ ет: освещение. Если освещение не применяется, металл высаживается преимущественно на р-области или на более низкоомных областях независимо от типа проводимости. При освещении р-п перехода окра­ шивается га-область, так как (возникающая фото-э. д. с. вызывает протекание тока извне р-п перехода от р-области к /i-области, в ре­ зультате чего ионы металла переносятся к л-области, там разряжа­ ются и осаждаются.

54

Интересно отметить, что действие света зависит от количества электролита; так, если проводить выявление в большом объеме элек­ тролита, а не в капле, как обычно, то при освещении окрашивается не га-область, а по-прежнему р-область.

Освещение является обязательным условием при осаждении зо­ лота из щелочного электролита. Этот способ [Л. 2-42] основан на реакции разрушения пленки двуокиси кремния горячей (30—70 °С) щелочью. Анодных ограничений здесь нет, и золото беспрепятственно

Выявление р-п переходов может осуществляться электрохимиче­ скими методами [Л. 2-43]. Пластинка с р-п переходом является ано­

ласти ограничена диффузией дырок. В результате возникает ступень­ ка в районе р-п перехода. Разрешающая способность метода ограни­ чивается эффектом инжекции дырок в n-область (так как р-п пере­ ход включен в прямом направлении), и растворение д-области про­ исходит на расстоянии диффузионной длины от перехода.

2-6. Г А З О В О Е И ИОННОЕ ТРАВЛЕНИЕ КРЕМНИЯ

После механической обработки или химического трав­ ления на поверхности пластин кремния остаются разного рода нарушения, пленки окислов, ионы металлов, орга­ нические вещества. Применение вслед за этими обработ­ ками обычных отмывок в жидких средах не позволяет полностью очистить поверхность. Газовое травление за­ мечательно тем, что обеспечивает максимально дости­ жимую чистоту поверхности и при этом совместимо с та­ кими термическими операциями, как эпитаксиальное на­ ращивание кремния или окисление. Высокая чистота обработки достигается за счет того, что кремний и пра­ ктически любые загрязнения на поверхности переводят­ ся в газовую фазу и легко удаляются, а вероятность до­ полнительного загрязнения при использовании чистых газов сведена к минимуму. Недостатки газового травле­ ния— высокие температуры обработки, необходимость в достаточно сложном оборудовании и особо чистых ма­ териалах.

В основе процесса газовой обработки лежит образо­ вание летучих продуктов реакции кремния с газообраз­ ными веществами — галогенами F2, С1г, Вг^, галогеноводородами HF, НВг, НС], H I , парами воды, соединениями серы H2S, SF6 . Эти вещества добавляют в небольших количествах к водороду или гелию и вводят в кварцевый реактор. Обработка проводится в диапазоне температур от 850 до 1 250 "С.

55

Процесс газового травления обычно трактуется как' обратный эпитаксиалыюму выращиванию и описывается теми же реакциями и законами, что и эпитаксия. Меха­ низм эпитаксиального выращивания подробно рассмо­ трен в гл. 6, так что здесь лишь упоминается о некоторых особенностях, присущих процессу газового травления.

В частности, отметим, что, рассматривая процесс эпи­ таксиального выращивания, обычно пренебрегают влия­ нием стадии удаления продуктов реакции от поверхно­ сти кремния в газовый поток. При газовом травлении, напротив, эта стадия иногда оказывается определяющей, поскольку может протекать медленнее других.

Например, при травлении кремния в НС1 идет реак­

ция

Si + 2HCI = SiCl2 + H 2 .

Коэффициент диффузии молекул SiCl2 в 3 раза мень­ ше, чем у НС1, и определяющей стадией будет являться диффузия продукта реакции S1CI2 от поверхности крем­ ния. Парциальное давление паров S1CI2. может быть найдено по известному значению давления паров HCI:

да НВг протекает аналогичная реакция, причем продукт реакции SiBr2 имеет еще меньший коэффициент диффу­ зии, чем SiCl2 . В результате процесс полнее подчиняется диффузионному контролю, и зависимость скорости трав­

в гелий, определяется, очевидно, одной из элементарных стадий поверхностной реакции (Л. 2-45]:

Si + Cl2-^-SiCl2 .

При температурах выше 1 000°С и содержании хлора менее 0,2% достигается хорошее качество обрабатывае­ мой поверхности. С уменьшением температуры или уве-

56

58

Реакция травления кремния в SFfl может быть за­ писана в виде

4Si (тв) +2SF6 (газ) =SiS 2 (тв. или жидк.) +

+ 3SiF4 (газ).

Интересно отметить, что при заданной температуре на скорость травления существенно влияет стадия пере­ носа SF6 к поверхности кремния в отличие от процесса

пользуется слой окисла, в ко­ тором с помощью фотолитографии созданы окна требуе­ мой конфигурации [Л. 2-50]. Наилучших результатов при этом достигают, применяя в качестве травителя SF6, ко­ торые в отличие от НС1 обеспечивают получение углуб-

С0