Добавил:

Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.

Вуз:

Воронежский государственный технический университет

Предмет:

[НЕСОРТИРОВАННОЕ]

Файл:

2 Описание процессов диффузии

.doc

Скачиваний:

Добавлен:

31.05.2015

Размер:

131.07 Кб

Скачать

☆

1 / 21 2 > Следующая >>>

2 Применение метода диффузии при создании ИЭТ

Общий анализ технологических процессов диффузии

Процесс диффузии примесей – один из важнейших в технологии кремниевых приборов. Методом диффузии изготовляются переходы в кремниевых интегральных схемах. Разработка метода диффузии в потоке газа – носителя позволила создать сложные изделия электронной техники (ИЭТ) и осуществить их практический выпуск.

Высокая надежность ИЭТ обеспечивается, правильно организованным технологическим процессом (маршрутом).

Под технологическим маршрутом производства ИЭТ понимается последовательность технологических и контрольных операций над исходной структурой (кремниевой пластиной), приводящих к созданию выходной структуры ИЭТ.

Оборудование для проведения диффузионных процессов быстро совершенствуется, печи с прямоугольными камерами и силитовыми нагревателями уступили место трубчатым печам с проволочными нагревателями, обеспечивающими длинные и точно регулируемые зоны постоянной температуры. Наряду с улучшением конструкций печей и вспомогательного оборудования удалось увеличить диаметры кремниевых пластин до 100 мм.

К описываемому типу печей относится автоматизированная система АДС-3-100. Основой работы системы является автоматическая загрузка кварцевых кассет с уложенными на них пластинами в зону диффузионного реактора печи и соответственно – выгрузка, после завершения технологического процесса.

Оперативное управление системой осуществляется оператором с помощью пульта управления загрузкой, оснащенного программаторами «время-команда» ПВК15×20м и «время-параметр» 15ИПП-1, с помощью которых задаются параметры проведения, соответствующего заданию, параметра, а также блоком измерительным, для контроля над состоянием основных параметров системы. [15]

Технологический процесс изготовления кристаллов со структурой ИЭТ состоит из многих операций. К диффузионным операциям относятся следующие: окисление; формирующий отжиг сурьмы (Sb); диффузия фосфора в коллектор; диффузия бора (Br), проводимая в две стадии; разгонка и окисление области базы; диффузия фосфора в эмиттер, также состоящая из двух стадий; окисление конденсаторов (подгонка h_21Э).

Требования к операциям диффузии весьма жёсткие: толщина диффузионного слоя d_SiO₂должна выдерживаться в пределах долей микрона; необходимо также с высокой точностью задавать поверхностную концентрацию примесей.

Для того чтобы удовлетворить поставленным требованиям, приходится очень точно регулировать время и температуру в течение процесса диффузии. Только при этом условии можно получить необходимое распределение примесей в диффузионных слоях интегральных приборов.

Для того чтобы корректно сравнивать различные способы поведения диффузии, следует знать, как они обеспечивают воспроизводимость измеряемых характеристик диффузии – поверхностного сопротивления Rs и глубины расположения перехода Xj. Такая информация не только облегчит обоснованный выбор метода и оборудования для диффузии, но также позволит постоянно контролировать качество процессов, а именно учитывать вносимые в систему изменения и быстрее обнаруживать причины возникающих отклонений, брака и дефектов (вариаций). Наконец, зная разброс параметров, свойственный процессам диффузии, можно многое сказать об электрических характеристиках изготавливаемых приборов.

Для диффузии бора и фосфора хлорокись фосфора POCl₃ и трибромид бора BBr₃соответственно, обеспечивающие улучшенную воспроизводимость.

Фосфор и сурьма являются наиболее важными донорными примесями в кремнии. По сравнению с фосфором сурьма диффундирует относительно медленно. В технологии получения кремниевых интегральных схем, к которым относятся стабилизаторы положительного напряжения 78ХХ, используются все примеси.

Обычно все наиболее важные процессы диффузии для кремниевых интегральных схем проводятся в две стадии, на первой стадии на поверхности кремния создаётся относительно тонкий слой, а на второй стадии на кремнии, нагретом в атмосфере, не содержащей примеси, происходит перераспределение тех примесей, которые были введены в поверхностный слой в течение первой стадии. Разделение процесса на две стадии позволяет более тщательно управлять процессом диффузии и на второй стадии исправлять погрешности, имевшие место на первой стадии. также при двухступенчатом процессе удовлетворительными оказываются плёнки, которые были бы недостаточной защитой при диффузии, проводимой в одну стадию. Такая методика обладает рядом преимуществ перед методом одностадийной диффузии, к числу которых относятся:

- улучшенные контроль и воспроизводимость;

- облегчённые условия маскировки;

- более благоприятное распределение примеси;

Анализ процесса «Диффузия фосфора в эмиттер»

Одним из способов диффузии фосфора является применение жидкого источника - хлористой окиси фосфора POCl₃. Жидкость, служащая источником, поддерживается при температуре, близкой к комнатной так, что для диффузии требуется только одна зона печи. В трубе создаётся сильный поток (~ 1000 см³/мин) инертного газа – азота N₂, который пропускается слабым потоком (5 – 15 см³/мин) в ходе осаждения примеси POCl₃. Для защиты поверхности кремния и для облегчения превращения POCl₃ в пятиокись фосфора - P₂O₅, который становится локальным источником, в поток вводится небольшое количество кислорода - O₂ (~ 15 см³/мин). Ниже по течению газа от того места, где введен кислород, образуется белый осадок P₂O₅, который необходимо счищать до того, как снизится уровень жидкого источника. Преимуществами системы, в которой внешним источником служит POCl₃, являются лучший контроль его свойств и способность источника работать более длительное время. Первое обстоятельство связано с широкими пределами регулировки азота через POCl₃, а второе с относительно легким контролем температура источника.

Общепринятый метод регулирования величины удельного сопротивления слоя, образующегося при диффузии с использованием в качестве источника POCl₃, основан на измерении температуры кремния. Поддерживаются в постоянстве такие параметры процесса, как температура источника, содержание кислорода и время диффузии, можно построить зависимость удельного сопротивления слоя от температуры. Изменение прочих параметров (концентрация основной примеси, диаметр трубы и её линейные размеры) может вызвать отклонение от требуемых значений.

Преимуществом описанной системы является возможность загружать кремниевые пластины до подачи примеси. Благодаря этому при введении P₂O₅ пластины уже находятся в тепловом равновесии с печью. Используя POCl₃, удаётся при загрузке избежать конденсации P₂O₅ на холодной поверхности пластин, а при использовании в качестве внешнего источника P₂O₅- конденсация почти всегда наблюдается и это приводит к эрозии или появлению участков с концентрацией фосфора, отличной от концентрации в окружающих областях. [2]

Циклограммы выполнения процесса диффузии фосфора приведены на рисунках 2.1 и 2.2.

2.3 Анализ технологической документации, сложившейся в практике выполнения операции «диффузия фосфора в эмиттер»

В ходе выполнения ДП проводится анализ соответствия практики выполнения технологической операции «Диффузия фосфора в эмиттер» требованиям, заложенным в технологической документации. В соответствии с п. 8.1.2 а) ГОСТ Р ИСО 9004-2001 данные измерений следует преобразовать в информацию и знания, которые пойдут на пользу организации.[7]

Результаты проведенного анализа занесены в таблицу 2.1

Таблица 2.1 - Практические приемы выполнения операции «Диффузия фосфора в эмиттер»

Содержание выполняемых работ	Номер пункта ТК
1	2
Перед началом работы необходимо убедиться в готовности оборудования к работе. Подготовка оборудования осуществляется наладчиком соответственно с инструкцией по эксплуатации с отметкой в журнале о готовности оборудования к работе.	2.3 ТК1
Оператор участка диффузии проверяет работу вытяжной вентиляции в газораспределительном устройстве с помощью нити или тонкой полоски бумаги, так чтобы поднесённая к вытяжке нить или бумага отклонялась в сторону вытяжки. Затем оператор по карточкам учета обработки кварцевой и фторопластовой оснастки, контролирует дату и сроки отмывки.	4.9 ТК1

Продолжение таблицы 2.1

1	2
Далее оператор диффузии приступает к влажной уборки рабочего места, которая проводится перед началом каждой смены, помощью нетканой салфеткой смоченной водой. Влажную уборку необходимо проводить на внешней поверхности диффузионных печей и на поверхности камеры загрузки до полного отсутствия следов загрязнения.	4.2 ТК1
Затем оператор, проверяет чистоту воздушного потока с помощью отмытых контрольных пластин с известным количеством светящихся точек в фокусированном пучке света на держателе. Помещая контрольную пластину в зону загрузки на уровень среднего или нижнего реактора. Через 30 минут оператор контролирует прирост количества светящихся точек. Количество точек не должно превышать десяти частиц.	4.10 ТК1
В соответствии с ТИ 54687594.25000.00015 оператор решает, нужно ли проводить аттестацию диффузионных каналов перед проведением контрольного или рабочего процесса. Если описанные пункты в технологической инструкции не требуют проведение аттестации, то можно приступать к выполнению операции «Диффузии фосфора в эмиттер» на рабочей партии, предварительно отмытой на участке химии согласно ТД.	ТИ
Оператор, берущий в работу партию на данную операцию, должен проверить, соответствие типа изделий, номера партии и количество пластин в партии данным, указанным в сопроводительном листе, так же проверить наличие контрольных пластин, подписи исполнителя предыдущих операций и дату выполнения с соблюдением межоперационных сроков хранения.	5.1 ТК1

Продолжение таблицы 2.1

1	2
Перед проведением контрольного процесса необходимо убедиться, что количество диффузанта PoCl₃ составляет не менее ½ объема барботера. В случае, если количество диффузанта меньше ½ объема барботера необходимо дозаправить до необходимого объема. И согласно ТИ 54687594.25000.00015 после заправки диффузанта необходимо провести аттестацию канала. Аттестация процесса проводиться на трех пластинках КДБ-10 или КДБ-12, предварительно прошедшие ГМО. Эти пластины ставятся: базовым срезом вверх, одна в зону загрузки после шести пазов от начала кассеты, вторая в зону центра над средней перемычкой, и третья в зону подачи газа над второй перемычкой от края лодочки. Между ними ставятся балластные пластины. После проведения аттестации, контрольные пластины замеряют в пяти точках, с записью в рабочий журнал о проведении аттестации. Канал считается аттестованным на операции «Диффузии фосфора в эмиттер», если суммарный разброс поверхностного сопротивления составляет δ≤0,3Ом /□ по всей зоны, а δ≤ 0,2 Ом /□ по пластине. При этом выбирается минимальный разброс, например, между центром и зоной подачи газа (или между центром и зоной загрузки).	ТИ
Для проведения контрольного процесса оператор набирает программу на программаторе «Время - команда» (ПВК) в соответствии с требованиями циклограммы № 10,1*	ТК2
Проверить набранную программу можно с помощью кнопки ускоренного прогона, расположенную на панели ПВК. При	12 ТИ1

Продолжение таблицы 2.1

1	2
прогоне программы вхолостую следует производить контроль смены газов при переключении интервалов, а также включение и выключении клапана подачи диффузионной смеси.	12 ТИ1
После того как рабочая программа набрана и проверена, оператор проводит контрольный процесс на партию. Для этого в кварцевую лодочку, оператор ставит поштучно по всей длине лодочки балластные пластины с отметкой «Р», а в середину лодочки между балластными пластинами, одну рабочую пластину из партии. Рабочая пластина выбирается из данной партии по предыдущей операции ВАХ с известными средними значениями R_S_Б и U_КБ. которые занесены в отдельную таблицу в конце сопроводительного листа. Номер этой пластины обычно выбирается кратным пяти (пример, №20, 25, 15…),	ТИ Прим. №6
Балластные пластины подвергаются ежедневной химической отмывке, снятию ФСС, обработка КАРО – ПАР и окислению на участке диффузия.	2,3 ТК1
Контрольный процесс проводится в режиме предыдущей рабочей партии того же типа изделия с учетом выходных параметров.	ТИ прим. №6
По окончанию контрольного процесса, проводится локальное травление тестового элемента в середине пластины, используемой в качестве контрольной, с записью в рабочем журнале. Потом на этой контрольной пластине проводят	ТИ прим. №8

Продолжение таблицы 2.1

1	2
контроль электрических параметров h_21Э, U_КЭ,U_ЭБ на измерителе характеристик ППП Л2 – 56А, и контроль поверхностного сопротивления на установке Ван-дер-Пау с записью параметров в журнал.	ТИ Прим. №8
Если полученные параметры контрольного процесса соответствуют значениям, заданным в ТД, то рабочая партия ставится в том же режиме, что и контрольный процесс.	ТИ прим. №2
В случае отличия полученных результатов измерений параметров контрольного процесса более, чем на 10% то требуемых в ТК 54687594. 60200. 00006 необходимо скорректировать режим для проведения повторного контрольного процесса.	ТИ примеч. №1
Если отличия полученных результатов менее, чем на 10% от верхней или нижней границы технологического интервала контролируемого параметра разрешается провести соответствующую корректировку режима на партию, если квалификация оператора позволяет это сделать, противном случае, нужно обратиться за помощью к технологу.	ТИ примеч. №2
Технологический процесс «Диффузия фосфора в эмиттер» I стадии состоит из трех основных подпроцессов: загонка, 1 разгонка, 2 разгонка. Загонка – процесс поступления ограниченного количества источника диффузии PoCl₃ на поверхность кремния.	ТК1

Продолжение таблицы 2.1

1	2
Разгонка - это проникновение примеси в глубь кремния, за определенное количество времени при высокой температуре. В данном технологическом процессе существуют два этапа разгонки: при большом расходе азота (1 разгонка); при большом расходе кислорода (2 разгонка).	ТК1
Загрузка пластин рабочей партии проводится пинцетом с ограниченным захватом, поштучно в кварцевую лодочку, так чтобы обратная сторона пластины к обратной стороне пластины стояли в каждый паз, а лицевая сторона пластины к лицевой стороне пластины через паз по порядку номеров, чтобы первые номера были расположены к крюку контрольную пластину, обозначенную как С7 и идущую с рабочей партией, ставят в месте, между первой и второй пластинами рабочей партии со стороны загрузки.	7.2 ТК3
За ходом процесса следит оператор, осуществляющий контроль за расходами газов по ВПЦ, подъемом и сбросом температуры при форсаже по ИПП.	ТК2
После окончания рабочего процесса из рабочей партии берутся две пластины (одна из первых и одна из последних номеров). На них проводят локальное травление и замер электрических параметров с записью в рабочем журнале и сопроводительном листе в строке «Диффузия фосфора в эмиттер» I стадия, рабочий процесс. По контрольной пластине проводят экспресс оценку разброса поверхностного сопротивления.	ТИ прим. №8

Продолжение таблицы 2.1

1	2
Если партия соответствует ТД, то на рабочей партии операцию «Диффузию фосфора в эмиттер» II стадия проводят в стандартном режиме 2^’ - 20 ^’- 2 ^’. Партия находится в потоке газа с большим расходом азота, и двадцать минут партия находится в процессе окисления в реагенте (HСl + Н₂О).	ТК2
После проведения операции «Диффузия фосфора в эмиттер» II стадии, производится замер h₂₁, U_КЭ,U_ЭБ, R_S и если параметры находятся в заданных пределах, то партию перегружают в транспортный пенал, заполняют журнал и сопроводительный лист, а партию сдают на диспетчерский пункт.	ТИ прим. №9
	ТИ прим. №9
Если же партия вышла с отклонениями от ТД, ее оставляют на участке диффузия для анализа технологом. На пенал приклеивают бирку «Несоответствующая продукция» и записывают в журнал учета НСП. Если несоответствие произошло по вине оборудования, составляется аварийный акт.	5.7 ТК1

Примечание: ТК1 – 5468794.25000.00008 – Порядок подготовки рабочих мест, обеспечение материалами и полуфабрикатами, методы производственного обслуживания оборудования и инструмента, требования производственной гигиены на участке диффузии; ТК2 – 5468794.60200.00006 – Окисление, диффузия, термообработка; ТИ – 5468794.25000.00015 – Порядок проведения контрольных процессов; ТИ1 - 5468794.25000.00115 – Порядок проведения аттестации газовой системы диффузионных каналов перед проведением контрольных или рабочих процессов на участке диффузии; ТК3 - 5468794.25000.00074 – Правила обращения с кремниевыми пластинами; * - Циклограмма № 10,1 в данной ВКР обозначена как циклограмма № 2.

2.4 Анализ причин, оказывающих влияние на выходные параметры ИЭТ серии 78ХХ с помощью диаграммы причин и результатов

В ходе анализа выявлено, что на качественные показатели ИЭТ на выходе влияют многие факторы.

Свойства материалов и полуфабрикатов:

-параметры качества кремниевых пластин (геометрические размеры и форма, физическое состояние – глубина деформируемого слоя и количество дислокаций в единице объема и на поверхности, химический состав, т.е. наличие и процентное содержание примесей);

- параметры качества воды, применяемой при очистке (степень очистки, состав минеральных и органических примесей, температура);

- параметры качества фоторизиста, применяемого при очистке ( чувствительность, разрешающая способность, адгезия, время экспонирования).

Влияние исполнителя:

-условия производства продукции; отношения с мастером; разряд оператора, исполняющего операцию (уровень образования, стаж работы);

- смена (час смены, периодичность перерыва, оснащенность производства).

Оборудование:

-установка контроля удельного сопротивления (производительность, точность производимых измерений, стабильность процесса измерения во времени);

-кассета (качества кварцевого стекла, из которого изготовлена кассета, количество пластин укладывающихся в кассету, допуск на гнездо);

-диффузионная печь АДС-3-100 (однородность температуры по длине и диаметру кварцевого реактора, стабильность температуры во время проведения процесса ).

На основе проведенного анализа строим, теперь диаграмму причин и результатов(рисунок 2.3).