Московский государственный институт электронной техники (технический университет)

А.В.Заводян

х . ' .

Изучение планарно-эпитаксиальной технологии изготовления микросхем на биполярных транзисторах

Лабораторная работа № 4

Методические указания к лабораторному практикуму по курсу "ТИКИМС"

Под редакцией профессора Л.А.Коледова

Москва 1998

Министерство общего и профессионального образования Российской Федерации

Московский государственный институт электронной техники (Технический университет)

А.В.Заводян

Изучение планарно-эпитаксиальной технологии изготовления микросхем на биполярных транзисторах

Лабораторная работа № 4

Методические указания к лабораторному практикуму по курсу -ТИКИМС"

Под редакцией профессора Л.А,Коледова Утверждено редакционно-шцпсльским советом института

Мои г.;» \^{W

УДК 621.382.8

Рецензент канд. техн. наукВ.ПМривалов

Заводян А.В.

Изучение планарно-эпитаксиальной технологии изготовления микросхем на биполярных транзисторах. Лабораторная работа № 4. Методические указания к лабораторному практикуму по курсу "ТИКИМС" /Под ред. Л.А.Коледова. -М.: МИЭТ, 1998. - 88с.: ил.

Изложены сведения, касающиеся изготовления полупроводнико­вых микросхем, включая перспективные технологии. Рассмотрены методы контроля качества выполнения отдельных технологических операций.

Предназначены для студентов старших курсов, обучающихся по специальности "Конструирование и производство ЭВС", при освоении и закреплении лекционного курса "ТИКИМС". Могут быть полезны студентам других специальностей, изучающим дисциплины "Микроэлектроника", "Спецэлектроника", "Технологические основы микроэлектроники" и т.п.

© МИЭТ, 1998

Цель работы: 1)изучить технологические операции производства полупроводниковых микросхем, а также их последовательность при из­готовлении полупроводниковых микросхем на биполярных транзисто­рах, 2)ознакомиться с оборудованием и материалами, применяемыми при производстве полупроводниковых микросхем; 3)ознакомиться с методами измерения параметров слоев полупроводниковых микросхем;

4)научиться определять толщину пленок двуокиси кремния, эпитакси-альных и диффузионных слоев.

Продолжительность работы - 4 ч.

Теоретические сведения

Общая технологическая схема процессов производства полупро­водниковых микросхем (или интегральных схем (ИС)) включает подготовительные процессы, формирование структуры ИС, в том числе межсоединений ее элементов, и заключительные процессы.

К подготовительным процессам относятся изготовление требуемого комплекта фотошаблонов и ряд заготовительных операций: подготовка полупроводниковых подложек (пластин), корпусов ИС и др.

Формирование структуры полупроводниковой ИС происходит по планарно-эпитаксиальной технологии, заключающейся в создании эле­ментов ИС в приповерхностных слоях полупроводниковой пластины с одной (рабочей) стороны при использовании эпитаксиального наращи­вания тонкого слоя кремния и групповой обработки пластин. Причем отдельные процессы групповой обработки, например фотолитография, диффузия примесей, окисление, очистка поверхности пластины, носят циклический характер, т.е. обычно многократно повторяются при синте­зе структуры полупроводниковых ИС и каждая последовательность про­цессов формирует определенную часть структуры ИС. Изменение коли­чества таких последовательностей дает возможность получать полупроводниковые ИС различной сложности. При этом физико-химическая сущность повторяющихся процессов часто остается неиз­менной, а меняются только технологические режимы, фотошаблоны. используемые для фотолитографии, и некоторые материалы технологи­ческих сред*. Формирование структуры ИС заканчивается получением

* Под технологической средой следует понимать совокупность технологи­ческих материалов и воздействий, обеспечивающих требуемую реализацию синтеза объекта производства.

межсоединений элементов и защитой (кроме выводных контактных площадок) полупроводниковой ИС пассивирующим покрытием.

Заключительные процессы обычно представляют собой совокуп­ность индивидуальных обработок объекта производства, включая кон­троль функциональных параметров ИС и разбраковку кристаллов, раз­деление пластин на кристаллы, сборку и монтаж кристаллов в корпусах, герметизацию, выходной контроль, механические и климатические ис­пытания, покраску корпусов ИС (при необходимости), маркировку, ла­кировку (при необходимости) и упаковку готовых ИС

Изготовление полупроводниковых подложек

В настоящее время основная часть монокристаллических полупро­водников производится в виде слитков определенного диаметра, яв­ляющихся заготовками в производстве подложек (пластин). Для изго­товления полупроводниковых ИС на биполярных транзисторах с изоляцией элементов обратносмещенными р - ппереходами обычно ис­пользуют пластины, получаемые из кремниевых слитков марки КДБ К) (кремний дырочного типа проводимости, с номинальным удельным со­противлением 10Ом-см, легированный бором), ориентированных по кристаллографическим плоскостям [111)либо [100| Изготовление по­лупроводниковых пластин включает следующие основные технологиче­ские этапы, предварительную подготовку слитка, разделение его на пла­стины, формирование фасок, шлифование пластин, их химическое травление, полирование и очистку.

Предварительная подготовка слитка заключается в калибровке его наружного диаметра до заданного размера способом наружного кругло­го шлифования в несколько проходов алмазными кругами на металли­ческой связке (сначала используют алмазные круги зернистостью 160 -250мкм. затем 40 - 63мкм). После калибровки на слитке выполняют также шлифованием (со связанным или свободным абразивом) базовый срез (для базирования пластин на операциях фотолитографии) и допол­нительные срезы (один или два для обозначения кристаллографической ориентации пластин и типа проводимости полупроводниковых материа­лов, причем для слитков марки КДБ 10с кристаллографической ориен­тацией [111]дополнительные срезы не делают). Ширина базового и до­полнительных срезов и их взаиморасположение регламентированы и зависят от диаметра слитка. После шлифования слиток травят в поли-

рующей смеси азотной, плавиковой и уксусной кислот, удаляя нарушен­ный слой (обычно его толщина составляет 0,2 - 1,0мм).

Разделение слитков на пластины осуществляется чаще всего резкой алмазными кругами (плоскими, кольцеобразными) с внутренней режу­щей кромкой (для слитков диаметром до 100мм) либо алмазной беско­нечной ленточной пилой (для слитков диаметром более 100мм). При резке кремния размер алмазных зерен основной фракции порошка для режущей кромки составляет 40 - 60мкм. Резку слитка почти всегда ве­дут вдоль определенной кристаллографической плоскости, поэтому пе­ред наклеиванием слитка на оправку на специальном оборудовании оп­тическими или рентгеновскими методами определяют отклонение кристаллографической плоскости от торца слитка.

Снятие фасок с кромок пластин производят: для удаления сколов на острых кромках, возникающих при резке и шлифовании; для предот­вращения возможного образования сколов в процессе проведения опе­раций по формированию структуры ИС. поскольку сколы и острые кромки являются концентраторами напряжений и потенциальными ис­точниками структурных дефектов в пластинах; для предотвращения об­разования на кромках пластин утолщений слоев технологических мате­риалов (например, фоторезистов), которые после затвердевания нарушают плоскостность поверхностей пластин. В производстве чаще всего используют способ формирования фасок профильным алмазным кругом.

Основным назначением шлифования полупроводниковых пластин является исправление погрешностей их геометрической формы после резки. В зависимости от зернистости используемого абразива, режимов обработки и качества получаемой поверхности пластины различают предварительное (черновое) и окончательное (чистовое) шлифование На практике используют шлифование свободным (шлифовальник и аб­разив автономны) и связанным (с применением алмазного круга) абра­зивом

Химическим травлением (обычно двух- или трехкратным для всего технологического цикла изготовления подложек) удаляют нарушенные приповерхностные слои. после чего полируют одну или обе стороны пластин.

Полирование исправляет дефекты геометрической формы пластин, возникающие из-за неравномерности травления. Обычно применяют

механическое полирование с использованием абразивов (порошков ал­мазов, оксидов хрома, церия и др.). Некоторые сведения об основных операциях получения кремниевых пластин представлены в табл 1

Очистка поверхности полупроводниковых пластин после их изго­товления необходима для удаления твердых включений абразивов, ор­ганических пленок (масел от машинной обработки, жиров, восков и смол. следы которых остаются после креплений слитков, пластин и при различных их обработках), ионных и атомных загрязнений, остающихся на пластинах от инструментов и материалов технологических сред.

Для получения качественных ИС необходимы однородные пласти­ны с поверхностью, свободной от дефектов и загрязнений. Приповерх-ностные слои пластин не должны иметь нарушений кристаллической структуры. Очень жесткие требования предъявляются к геометрическим характеристикам пластин, особенно к их плоскостности, которая имеет определяющее значение при фотолитографии. Основные параметры пластин кремния, выпускаемых отечественной промышленностью, пред­ставлены в табл. 2

Основные ')тапы планарно-эпитаксиальной технологии

Создание структуры кремниевой ИС на биполярных транзисторах с изоляцией элементов обратносмещенными р - ппереходами представля­ет собой простейший вариант реализации планарно-эпитаксиальной технологии, используемой для производства полупроводниковых ИС малой и средней степени интеграции и реже БИС.

Основные этапы планарно-эпитаксиальной технологии включают следующие технологические процессы: подготовку поверхности пластин кремния к выполнению конкретной операции, окисление пластин, фото­литографию, диффузию примесей в кремний (а для БИС может приме­няться сочетание диффузии (диффузионного легирования) и ионного ле­гирования кремния), эпитаксиальное наращивание кремния. формирование одного или нескольких слоев металлизации, нанесение диэлектрических покрытий (рис. 1и 2)

Таблица 1