МИНОБРНАУКИ РОССИИ

___________________

Санкт-Петербургский государственный электротехнический

Университет «ЛЭТИ»

Технология интегральных микросхем

Методические указания

к лабораторным работам по дисциплине

"СПЕЦИАЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ ТЕХНОЛОГИИ

ИНТЕГРАЛЬНЫХ МИКРОСХЕМ"

Санкт-Петербург

Издательство СПбГЭТУ «ЛЭТИ»

2013

УДК 621.382.8

Технология интегральных микросхем: методические указания к лабораторным работам по дисциплине "Специальные вопросы технологии интегральных микросхем"/ сост.: О. В. Александров, С. М. Быстров, А. В. Веселов, Л. А. Воробьёва, Т. М. Харькова. СПб.: Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2013. 36 с.

Представлены описания лабораторных работ по основным технологическим процессам изготовления интегральных микросхем: термическому окислению кремния, диффузи­онному легированию, ионной импланта­ции, плазмохимическому осаждению и фотолитографии.

Предназначены для студентов специальности 200300 «Электронные приборы и устройства» и направления 210100 «Электроника и нано-электроника», обучающихся по дневной, очно-заочной (вечерней) и заочной формам обучения.

Утверждено

редакционно-издательским советом университета

в качестве методических указаний

© СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2013

Введение

Целью настоящих методических указаний является практическое изучение основных технологических процессов изготовления интегральных микросхем, включая физико-химические основы процессов, используемые установки и оборудование, методы контроля режимов, методики определения и расчета параметров структур. Лабораторные работы проводятся на промышленном оборудовании в условиях, максимально приближенных к производственному процессу.

Методические указания содержат описания пяти лабораторных работ, которые выполняются бригадами, состоящими из 3-5 студентов. Перед началом выполнения каждой лабораторной работы они должны изучить ее описание по настоящим методическим указаниям и рекомендуемой литературе; ознакомиться с установкой, ее техническим описанием и характеристиками; пройти инструктаж по технике безопасности. После проверки готовности бригада приступает к выполнению лабораторной работы в соответствии с методическими указаниями и под руководством преподавателя. По окончании работы преподавателю представляется отчет бригады с результатами индивидуальных измерений и расчетов в соответствии с требованиями настоящих методических указаний. Результаты выполнения лабораторных работ оцениваются преподавателем на основании представленных отчетов и ответов сту­дентов на контрольные вопросы.

Лабораторная работа 1 термическое окисление кремния

Цель работы: изучение технологии получения слоев диоксида кремния методом термического окисления кремния в сухом кислороде и в парах воды; исследование параметров полученных оксидных слоев.

1.1. Общие сведения

В планарной технологии интегральных микросхем (ИМС) термическое окисление кремния применяется для получения высококачественных диэлектрических пленок диоксида кремния. Последние используются как маскирующие покрытия в диффузионных и литографических процессах, для изоляции элементов ИМС, пассивации и стабилизации поверхности, в качестве активного диэлектрика в МОП-транзисторах и конденсаторах. Основными параметрами пленки термического оксида являются толщина, пористость и встроенный заряд.

К процессу термического окисления и параметрам термического диоксида кремния предъявляются следующие требования:

• процесс термического окисления должен обеспечивать воспроизво­димое получение слоев диоксида кремния с заданными параметра­ми (толщина, заряд, пористость);

• оксидный слой должен быть однородным по толщине; относитель­ный разброс толщины оксида по пластине и в партии пластин не должен превышать 5 %;

• оксидные слои не должны содержать нарушения сплошности, включения, дефекты. Плотность пор не должна превышать 10³ см^2;

• встроенный заряд в оксиде не должен превышать 5·10¹¹ см^2. Толщина оксидной пленки определяется методом цветовых оттенков Ньютона, с помощью интерферометра или методом эллипсометрии в зависимости от диапазона толщин и требуемой точности. Пористость определяется электрохимическим (пузырьковым) методом, а величина встроенного заряда  по вольт-фарадным характеристикам МОП-конден­сатора.

Процесс термического окисления проводят в установках для термического окисления в атмосферах сухого и влажного кислорода или водяного пара при нормальном или повышенном давлении в диапазоне температур 850...1200 ºС. Основные химические реакции при этом следующие:

Si + O₂  SiO₂ ; Si + 2H₂O  SiO₂ + 2H₂.

В обоих случаях реакция проходит на внутренней границе SiO₂, так что молекулы окислителя O₂ или H₂O должны диффундиро­вать через слой оксида. При малых временах кинетика окисления оп­ределяется стадией поверхностной реакции; скорость окисления пос­тоянна; зависимость толщины оксида x от времени τ линейна:

,

где  константа скорости линейного окисления.

При больших временах кинетика окисления определяется диффузией окислителя через пленку оксида и имеет параболический характер:

,

где k_p  константа скорости параболического окисления. В общем случае толщина оксида связана со временем окисления квадратным уравнением

, (1.1)

где x₀  начальная толщина оксида. Решение (1.1) при x₀ = 0 имеет вид

. (1.2)

Константы линейного и параболического окисления имеют аррениу­совский характер температурной зависимости:

k_l = k_l0 exp(E_l/kT); k_p = k_p0 exp(E_p/kT), (1.3)

где k  постоянная Больцмана (k = 8.62·10^5 эВ/К). Значения параметров температурных зависимостей констант окисления в сухом кислороде и в водяном паре представлены в табл. 1.1 при давлении p = 10⁵ Па (1 атм).

Таблица 1.1