Laboratornaya_rabota_1

Лабораторная работа №1

Полупроводниковые приборы и их производство.

Общая схема технологического процесса

Возникновение современной технологии полупроводниковых приборов относится к 1957-1958 гг., когда были открыты локальная диффузия по оксидной маске и фотолитография. Сочетание этих методов заложило основу планарной (plane - плоскоcть ) технологии полупроводниковых приборов и интегральных микросхем (ИМС).

Планарную технологию применяют для создания твердотельной структуры, содержащей полупроводниковый кристалл с определенным распределением легирующих элементов ( p-n - переходов ), систему внутренних соединений с диэлектрической изоляцией, а также для формирования внешних выводов этой структуры и ее защиты.

Общая технологическая схема включает комплексы подготовительных процессов, процессов групповой и индивидуальной обработки.

Технологическая карта процесса производства полупроводниковых приборов.

В комплекс подготовительных процессов входят: инженерное проектирование схемы, разработка ее топологии и соответствующего комплекта фотошаблонов, а также ряд заготовительных операций - подготовка полупроводниковых подложек, корпусов приборов и др.

Формирование самой структуры прибора происходит при групповой обработке, которая состоит из процессов окисления, диффузии примесей, эпитаксии, вакуумного напыления, фотолитографии и технохимической обработки.

Технологическая карта групповой обработки полупроводниковых приборов.

Показанная на схеме часть технологического процесса изготовления приборов связана с одновременным получением множества идентичных структур (кристаллов) на одной полупроводниковой пластине. Цикл групповой обработки заканчивается получением межсоединений на поверхности кристаллов пластины.

В индивидуальную обработку входят сборочно-контрольные процессы (разделение групповой пластины на отдельные кристаллы, монтаж кристаллов в корпусах, приварка выводов, герметизация, контроль, механические и климатические испытания,окраска, маркировка и упаковка). Отдельные этапы технологического процесса групповой обработки - фотолитография, диффузия, контроль и др. - включают до десяти операции, выполняемых по типовым операционным картам и технологическим инструкциям.

Особенностью конструкции полупроводниковых приборов является сверхминиатюрность их элементов. Толщина диэлектрических и металлических покрытий этих приборов обычно не превышает 1 мкм, а толщина активных областей структур составляет десятые доли микрометра. Так, толщина базы СВЧ-транзистора может составлять 0,1 , а эмиттера - О,15 мкм .

Подготовка полупроводниковых подложек.

Эта операция относится к заготовительным процессам изготовления приборов, Слитки полупроводниковых материалов диаметром 100 мм и более режут перпендикулярно их продольной оси на пластины толщиной до 1 мм. После этого пластины шлифуют до устранения неровностей и нарушенного слоя. Для этого применяют различные способы полирования: механический, химический, химико-механический, электрохимический и плазмохимический. Для окончательной подготовки рабочей поверхности пластины служит химическая обработка, назначение которой заключается в удалении загрязнений, остатков оксидов и в обезжиривании. Каждая последовательность формирует определенную часть структуры: базовую или эмиттерную область, контакты и т. д. Исходная эпитаксиальная структура представляет собой кремниевую пластину 2, на поверхности которой выращен эпитаксиальный слой кремния 1 толщиной несколько микрометров.

Последовательность изменения структуры полупроводникового кристалла при формировании энитаксиально-планарного n-р-n - кремниевого транзистора

Поверхность эпитаксиальной структуры покрывают защитной пленкой оксида кремния 3 и с помощью фотолитографии в ней вытравляют окно. Диффузией акцепторной примеси в эпитаксиальном слое формируют базовую р-область 4. Затем окно снова покрывают пленкой оксида и в ней вновь вытравляют окно для создания эмиттерной n -области 5 диффузией донорной примеси. Заключительным этапом является формирование металлических контактов 6 ко всем областям транзисторной структуры. Получение диэлектрических пленок. Диэлектрические пленки используют в качестве маскирующих покрытий при диффузии, а в готовых приборах и схемах - в качестве защиты и изоля- ции элементов и линий металлизации. Диэлектрические пленки являются одним из наиболее ответственных элементов структуры приборов и во многих случаях определяют механизм отказов и, следовательно, надежность приборов. Любые неоднородности диэлектрических пленок как при маскировании, так и при защите почти неизбежно приводят к дефектам и отказам приборов. Эксплуатационным требованиям достаточно полно отвечает диоксидил кремния (Si02), получаемый при нагревании поверхности ремния в присутствии кислорода (термическое окисление). Пленка SiO2 обладает наилучшими маскирующими свойствами и высокими электрическими параметрами. Хорошо растворяясь в плавиковой кислоте. SiO2 в то же время практически стабилен по отношению к смесям HF+HNO3, что позволяет эффективно использовать его в качестве маски при селективном травлении кремния. Термическое окисление применимо только к кремнию. Окисление кремния проводят в однозонных диффузионных печах со специальными газораспределительными устройствами при 50-1200° С. Рост оксида происходит на границе раздела оксид-кремний, следовательно, окислитель (кислород или молекулы воды) диффундирует сквозь растущую оксидную пленку к его границе, где вступает в реакцию с кремнием. В связи с этим скорость роста оксидной пленки со временем падает.

Диффузия примеси.

Целью проведения диффузии является внедрение атомов легирующего элемента в кристаллическую решетку полупроводника для образования р-n-перехода на глубине Xпер. В этом случае концентрация введенной примеси оказывается рав ной концентрации исходной примеси Nисх в полупроводнике. Размеры диффузионной области в плане определяются размерами окна в слое диэлектрика, так как скорость диффузии примеси в SiO2 и Si3N4 на несколько порядков ниже, чем в полупроводнике.

Различные способы диффузионного легирования различаются фазовым состоянием легирующей примеси (газообразное, жидкое, твердое), подводом примеси к подложке и конструкцией установок. В большинстве случаев диффузию проводят в окислительной атмосфере. Температура диффузионного легирования кремния 1050- 1200°С.

Диффузия в полупроводник в большинстве случаев происходит за счет перемещения диффундирующих частиц, по вакантным узлам кристаллической решетки. Кроме этого, возможны прямой обмен атомов местами в узлах кристаллической решетки и перемещение атомов по междоузлиям.

В качестве легирующих примесей выбирают элементы, имеющие достаточно высокую скорость диффузии и хорошую растворимость в полупроводнике при температуре диффузии. Основной донорной примесью является фосфор, который по сравнению с часто применяемыми сурьмой и мышьяком имеет более высокую скорость диффузии в кремний.

В качестве акцепторных примесей используют алюминий, галлий, индий и бор. Бор применяют наиболее часто, поскольку он обладает наиболее высокой предельной растворимостью.

Одним из эффективных способов создания р-n-переводов является ионное легирование. Ионы легирующего вещества, обладающие высокой энергией, направляются на поверхность полупроводника и внедряются в его кристаллическую решетку. При этом ионы вызывают каскад смещений атомов полупроводника, приводя к образованию аморфизированных областей, в которых кристаллическая структура решетки нарушена.

Для получения высокой концентрации активных примесей (помещения их в узлы кристаллической решетки) и восстановления кристаллической структуры полупроводника после ионного легирования требуемся отжиг, который проводят при 400-700°С. Внедренные и смещенные атомы при этих температурах приобретают подвижность, достаточную для перехода в вакантные узлы и упорядочения структуры.

Эпитаксия.

Это технологический процесс выращивания тонких монокристаллических слоев полупроводника на монокристалличеcкиx подложках. Материал подложки в процессе выращивания играет роль затравочного кристалла, а получаемая пленка является продолжением ее структуры. Характерной особенностью эпитаксии является возможность формирования слоев с заданными электро-физическими свойствами и геометрическими размерами. Так, если в процессе эпитаксиального выращивания наряду с атомами полупроводника в росте пленки участвуют и атомы легирующего элементa, то на границе раздела пленка - подложка можно получить p-n-переход или изотопные переходы n + -n и р + -р. Таким образом, в тонких слоях (2-10 мкм) эпитаксиально-планарных структур создаются элементы ИМС, а подложка толщиной 500 мкм яв ляется несущей конструкцией.

Процесс эпитаксиального наращивания слоев полупроводника заключается в осаждении его атомов на подложку, в результате чего на ней вырастает слой, кристаллическая структура которого подобна структуре подложки.

Наибольшее распространение в производстве полупроводниковых приборов получили способы газофазной и жидкофазной эпитаксии. Способ газофазной эпитаксии, являющийся наиболее простым в условиях серийного и массового производства, используется для формирования тонких слоев кремния и сложных полупроводникор типа АIIIВV, а жидкофазной -в основном для получения этатакси- альных слоев арсенида галлия и гетероструктур на его основе (нап ример, GaAs-GaAlAs).

Металлизация полупроводниковых структур.

Этот способ используется для формирования межсоединений в ИМС, создания контактных площадок и состоит из двух этапов - металлизации и фотолитографии по металлической пленке. Нанесение металлизации в планарной технологии осуществляется либо термическим испарением, либо катодным распылением.

При вакуумном термическом испареении металл нагревают электрическим током или бомбардируют его электроннонным лучом. Перенос потока испаряемых частиц в пространстве источник - подложка зависит от степени вакуума и определяется длиной свободного пробега молекул. При соударении атомов испаряемого вещества с поверхностью подложки происходит конденсация - процесс перехода вещества из газообразной в твердую или жидкую.

Качество напыленных пленок зависит от степени очистки, температуры подложки, а также от скорости испарения, вакуума, геометрии системы и др.

После окончания групповой обработки пластины со сформированными структурами поступают на сборку приборов (индивидуальная обработка).

Сборка.

В процессе сборки разделяют пластины на отдельные кристаллы, монтируют кристалл в корпус, присоединяют электрические выводы к контактным площадкам кристалла и выводам корпуса и герметизируют корпус.

Корпуса изготовляют из высококачественных коррозионно-стойких хромоникелевых сталей с упрочняющими легирующими добавками. В отечественной промышленности для корпусов используют сталь марки 12Х18Н10Т.

Чтобы гарантировать надежную работу изготовленных приборов, их подвергают испытаниям, которые проводят согласно техническим условиям на каждый тип прибора. Испытания включают комплекс операций: измерение электрических параметров и классификацию приборов, определение механической и климатической стойкости приборов, проверку их герметичности и определение гарантийного срока службы.