13 Лекция №12. Материалы полупроводниковых интегральных микросхем. Изготовление подложек. Окисление

Продолжительность: 2 часа (90 мин.)

13.1 Основные вопросы

- материалы подложек полупроводниковых ИМС;

- легирующие примеси;

- методы выращивания монокристаллов;

- обработка пластин;

- окисление.

13.2 Текст лекции

13.2.1 Материалы подложек полупроводниковых ИМС – до 10 мин

Подложкой и основой будущей ИМС служит монокристалл полупроводникового материала.

Монокристалл — отдельный однородный кристалл, имеющий во всем объеме единую кристаллическую решетку и зависимость физических свойств от направления (анизотропия). Электрические, магнитные, оптические, акустические, механические и другие свойства монокристалла связаны между собой и обусловлены кристаллической структурой, силами связи между атомами и энергетическим спектром электронов.

В микроэлектронике используют монокристаллы кремния (чаще всего), германия, рубина, граната, фосфида и арсенида галлия, ниобата лития и др.

Для получения n–проводимости кремния в качестве легирующих примесей используют элементы-доноры электронов: фосфор, сурьму, мышьяк, висмут, литий. Для полученияp–проводимости в качестве легирующих примесей используют элементы-акцепторы электронов: бор, алюминий, индий, галлий, цинк.

13.2.2 Выращивание монокристаллов – до 30 мин

Для очистки полупроводникового материала используют зонную плавку, основанную на явлении сегрегации – при медленной кристаллизации кристаллы в процессе роста выделяют в расплав инородные элементы. Поликристаллический слиток полупроводникового материала укрепляют вертикально. Часть слитка нагревают до температуры плавления при помощи высокочастотного индуктора. От растекания расплавленную часть слитка удерживают силы поверхностного натяжения. При продвижении зоны нагрева, перемещается зона плавления вдоль слитка, при этом атомы примеси переходят в расплав (рис. 13.1).

Рисунок 13.1 – Очистка кристалла методом зонной плавки.

В процессе зонной плавки можно сразу получать не поликристаллический, а монокристаллический слиток полупроводникового материала, для этого надо использовать затравку очищенного монокристаллического полупроводника определенной ориентации. Но этот метод применим только для выращивания слитков диаметром до 25 мм, т.к. при более больших диаметрах сил поверхностного натяжения расплава недостаточно для того, чтобы помешать растеканию слитков.

Для создания современных ИМС необходимы подложки больших размеров (до 300 мм). Для получения слитка монокристалла кремния широко используется метод направленной кристаллизации расплава. Кристаллизация расплава, при которой тепло отводится от фронта кристаллизации преимущественно в одном направлении, называется направленной.

При выращивании кристалла кремния используются различные методы направленной кристаллизации. Монокристаллы для полупроводниковой промышленности изготавливаются, как правило, методом Чохральского путем вытягивания из расплава с помощью затравки. На рис. 13.2 приведена схема установки для выращивания монокристаллов по методу Чохральского. Тигель с расплавом размещается в печи. Затравка, охлаждаемая холодильником, медленно поднимается под действием механизма вытягивания, увлекая за собой монокристалл полупроводникового материала. Монокристалл растет на затравке со скоростью до 80 мм/ч. Расплав смачивает затравку и удерживается на ней силами поверхностного натяжения. Температуру расплава и скорость кристаллизации можно изменять независимо. Перед отрывом выращенного монокристалла от расплава во избежание теплового удара, и как следствие - появления множества дислокаций, диаметр кристалла уменьшают, и только затем происходит отрыв. Этот процесс называется создание обратного конуса. Отсутствие прямого контакта растущего монокристалла с тиглем и возможность изменения его геометрической формы позволяют получать бездислокационные монокристаллы. Получаемые методом Чохральского монокристаллы имеют форму цилиндра длиной до 1 м и более и диаметром 20...300 мм.

Рисунок 13.2 – Схема установки для выращивания монокристаллов по методу Чохральского.

В процессе выращивания монокристалл легируется примесью для получения определенного типа проводимости и удельного электрического сопротивления.

13.2.2 Получение подложек полупроводниковых ИМС – до 30 мин

После получения монокристалла кремния и перед резкой его на пластины необходимо выполнить ряд операций.

Первая из них - это калибровка монокристалла. Эта операция служит для придания кристаллу строго цилиндрической формы заданного диаметра.

Следующая операция - это кристаллографическая ориентация монокристаллических слитков. В процессе роста монокристаллов наблюдается несоответствие оси слитка кристаллографической оси. Для получения пластин ориентированных в заданной плоскости, до резки производят ориентацию слитков. Ориентация полупроводников предусматривает определение кристаллографической плоскости, в которой материал имеет заданные электрические свойства. Для ориентации полупроводников пользуются рентгеновскими методами. Рентгеновский метод основан на отражении рентгеновских лучей от поверхности полупроводникового материала. Интенсивность отражения зависит от плотности упаковки атомами данной плоскости. Таким образом, определяют ориентацию слитка относительно кристаллографических осей. Затем на монокристалле делают базовый и дополнительный срезы для определения кристаллографических осей. Базовый срез необходим для ориентации подложек на операциях литографии. Дополнительные срезы делают для идентификации пластин полупроводников различных марок и имеющих различную кристаллографическую ориентацию. При ориентировании торцевых срезов определяется угол между торцевой плоскостью и заданной кристаллографической плоскостью. Эти данные указываются в сопроводительной документации и используются при установке слитка в станке для резки на пластины (рис. 13.3).

Правильная ориентация пластин обеспечивает высокую воспроизводимость электрофизических параметров создаваемых на пластине элементов.

Рисунок 13.3 – Кристаллографическая ориентация слитков монокристалла.

Резку монокристаллов на пластины осуществляют чаще всего абразивными дисками с режущей кромкой, покрытой алмазной крошкой.

Так как на поверхности пластин остаются царапины, сколы, трещины и другие дефекты, нарушающие однородность структуры поверхностного слоя, пластины подвергаются шлифовке, полировке и химическому травлению. Последние три перечисленные операции необходимы для уменьшения неровности поверхности пластины и удаления приповерхностного нарушенного резкой слоя. В результате получают полупроводниковую пластину диаметром 20…300 мм толщиной от десятков до нескольких сотен микрометров с шероховатостью обработанной поверхности не более 0,04 мкм.

13.2.4 Окисление поверхности пластин – до 20 мин

В результате предыдущих операций получена кремниевая пластина, определенного типа проводимости (например, р-типа). Дальнейшая задача состоит в получении на пластине объемных областей другого типа проводимости (для получения p-n переходов, т.е. для создания различных элементов – диодов, транзисторов и т.д.). Первой операцией по созданию областей другого типа проводимости является окисление кремния. Целью данной операции является получение пленки оксида кремния, которая используется при других операциях. Окисные пленки кремния применяют в качестве маскирующих покрытий при локальной эпитаксии и локальном травлении, для защиты и пассивации поверхности полупроводника, в качестве рабочего элемента в приборах на основе структур МОП, для диэлектрической изоляции активных и пассивных элементов ИС и т.п.

Для получения окисной пленки широко используется термическое окисление, при котором SiO₂получают при нагревании пластин кремния в среде окисляющего газа (кислород, водяной пар, увлажненный кислород). При этом пластины нагревают до температуры 1200С в кварцевой трубчатой печи и создают поток сухого или влажного кислорода. Скорость роста сухой окисной пленки 0.2мкм/ч для сухого кислорода и 1мкм/ч для влажного. Оптимальная толщина пленки ограничена сверху необходимой адгезионной прочностью (трещины недопустимы), снизу – скоростью проникновения атомов примеси в пленку кварца при диффузии. Недостаток данного метода - высокая температура, которая приводит к дополнительным дефектам. Поэтому проводят окисление при высоком давлении 2*10⁵Па. При этом температура составляет t = 400…700^оС. Иногда требуется создать плёнку оксида кремния не на кремнии (нечего окислять). Тогда используется соединения кремния с водородом или хлором, которые при соответствующих условиях разлагаются с выделением оксида кремния.

Следующие операции – фотолитография и травление.