- •Введение
- •1.Поверхностная обработка полупроводниковых материалов
- •1.1. Кремний - основной материал для полупроводниковых интегральных микросхем
- •Физические и механические свойства германия, кремния и арсенида галлия
- •1 Рис.1.2. Схематическое представление плоскостей с различными индексами Миллера в кубической решетке.2. Механическая обработка кремниевых пластин
- •Очистка поверхности пластин после механической обработки
- •Методы контроля чистоты поверхности пластин
- •1.3. Химическое травление кремния Кинетика травления кремния
- •Две теории саморастворения кремния
- •Зависимость скорости травления от свойств используемых материалов
- •Влияние примесей
- •Дефекты структуры полупроводника
- •Ориентация поверхности полупроводника
- •Концентрация компонентов травителя
- •Температура раствора
- •Химико-динамическая полировка
- •Анизотропное травление
- •Травление окисла и нитрида кремния
- •Промывка пластин в воде
- •Очистка пластин в растворах на основе перекиси водорода
- •1.4. Плазмохимическое травление кремния
- •Классификация процессов плазмохимического травления
- •Кинетика изотропного травления кремния
- •Образование радикалов в газоразрядной плазме
- •Взаимодействие радикалов с атомами материалов
- •Травление двуокиси и нитрида кремния
- •Факторы, влияющие на скорость пхт материалов
- •Анизотропия и селективность травления
Введение
Настоящее учебное пособие составлено в соответствии с программой курса "Процессы микро- и нанотехнологии" в Московском институте электронной техники (Техническом университете).
Курс состоит из пяти разделов:
1. Поверхностная обработка полупроводниковых материалов.
2. Термическое окисление кремния.
3. Введение примесей в кремний (диффузия, эпитаксия, ионная имплантация).
4. Процессы литографии.
5. Создание контактов к активным слоям структур и металлизация.
Краткое содержание разделов.
1. Поверхностная обработка полупроводниковых материалов.
Кристаллическая структура кремния. Химическая обработка подложек кремния: очистка в растворителях, травление. Химическое анизотропное травление. Плазмохимическая обработка подложек. Контроль чистоты поверхности подложек.
2. Термическое окисление кремния.
Окисление кремния при комнатной и высокой (порядка 1000 °С) температуре. Структура окисла кремния. Кинетика роста окисла кремния при высокой температуре (модель Дила - Гроува). Факторы, влияющие на скорость окисления кремния (температура, давление окислителя и другие). Оборудование для окисления кремния. Методы контроля параметров диэлектрических слоев.
3. Введение примесей в кремний.
Диффузия примесей в кремний. Механизмы диффузии. Коэффициент диффузии. Распределения примесей при диффузии. Источники примесей. Оборудование для процесса диффузии. Методы измерения глубины легированного слоя, его проводимости и распределения примеси. Эпитаксия и перераспределение примеси. Ионная имплантация (внедрение). Основные параметры процесса. Взаимодействие внедряемых ионов с материалом подложки. Распределение примеси. Образование дефектов и методы их устранения. Оборудование для ионной имплантации.
4. Процессы литографии.
Оптическая литография: контактная, проекционная. Свойства фоторезис-тов, критерии их оценки. Основные операции процесса фотолитографии. Производство фотошаблонов. Дефекты при фотолитографии, методы их устранения. Электронная и рентгеновская литографии. Перспективы развития процесса.
5. Создание контактов к активным слоям структур и металлизация.
Напыление и осаждение металлических пленок. Требования к материалам контактов и металлизации. Использование поликристаллического кремния и силицидов металлов. Методы контроля качества контактных материалов. Оборудование.
1.Поверхностная обработка полупроводниковых материалов
1.1. Кремний - основной материал для полупроводниковых интегральных микросхем
В производстве полупроводниковых приборов и интегральных схем используются германий, кремний и арсенид галлия.
Германий (Ge) и кремний (Si) относятся к простым или элементарным полупроводникам IV группы таблицы Менделеева, арсенид галлия (GaAs) - к интерметаллическим соединениям, обозначаемым символом AIIIBV.
Основные физические и механические свойства этих материалов приведены в табл.1.1.
Таблица 1.1
Физические и механические свойства германия, кремния и арсенида галлия
Свойства |
Ge |
Si |
GaAs |
Атомный (молекулярный) вес Плотность, г/см3 Модуль Юнга, 109 Н/м2 Коэффициент Пуассона Температура плавления, С Теплопроводность, кал/град мс Удельная теплоемкость, кал/гград Критерий хрупкости Коэффициент термического расширения , 10–8 град–1 Ширина запрещенной зоны, эВ Тип кристаллической структуры Подвижность электронов, см2/Вс Подвижность дырок, см2/Вс Концентрация собственных носителей при 300 К, см–2 Диэлектрическая постоянная |
72,59 5,327 13,7 0,256 936 0,14 0,074 4,4
5,75 0,76 Алмаз 3900 1900
21013 16 |
28,09 2,33 16,9 0,262 1420 0,2 0,210 2,0
2,23 1,11 Алмаз 1400 480
1,51010 11,8 |
144,6 5,316 1,13 0,336 1238 0,125 0,086 3,0
5,74 1,36 Цинковая обманка 8800 400
1,4106 11,1 |
В производстве приборов и схем используют полупроводниковые материалы, легированные различными примесями, что дает возможность существенно изменять свойства этих материалов. Однако основным материалом для изготовления интегральных микросхем (ИМС) и микросистем до настоящего времени остается кремний. Он обладает рядом свойств, позволяющих легко создавать на нем диэлектрические слои для маскирования от проникновения примесей и защиты поверхности от влияния внешней среды, обеспечивающих высокие рабочие температуры (до 150 С). Поэтому именно технология кремниевых интегральных элементов будет рассматриваться в настоящем пособии.
К
Рис.1.1.
Схематическое представление
кристаллической
решетки кремния
В кубической решетке кремния удобно выделить наиболее характерные плоскости и направления, называемые индексами Миллера (рис.1.2). Если в начало координат поместить куб с ребра-ми, отсекающими единичные отрезки по осям координат, то плоскости, образую-щие грани куба, будут иметь координату по одной из осей, например х, равную 1, а другим плоскостям будут параллельны. Обратные величины отрезков, отсекаемых плоскостями по осям координат, для этой кристаллографической плоскости будут 1,0,0 (рис.1.2,а).Это и есть индексы Мил-лера для граней куба. Соответственно для диагональной плоскости куба (рис.1.2,б) эти индексы будут 1,1,0, а для плоскостей, отсекающих единичные отрезки по всем трем координатам (рис.1.2,в) - 1,1,1. Для обозначенияединичной плоскости ее индексы помещают в круглые скобки: (100), (110), (111). Если же речь идет о системе кристаллографически эквивалентных плоскостей, то используются фигурные скобки: {100}, {110}, {111}. Направления, перпендикулярные этим плоскостям, имеют те же индексы, но заключаются в квадратные скобки: [100], [110], [111], а семейство направлений с одинаковыми индексами - в треугольные скобки: <100>, <110>, <111>. Три указанных плоскости и направления являются наиболее важными в кристалле кремния и в основном используются в производстве кремниевых интегральных микросхем. Многие технологические процессы протекают различно при разных кристаллографических ориентациях поверхности кремниевой пластины. Для биполярных ИМС обычно используется ориентация поверхности параллельно (111), для МДП схем предпочтительной является ориентация поверхности по плоскости (100).