Полупроводниковые интегральные схемы. Технологические основы полупроводниковой микроэлектроники, Основные технологические операции по изготовлению ППИС - Основы микроэлектроники

Микросхема диэлектрический биполярный полупроводниковый

Полупроводниковая ИС - это микросхема, которая представляет собой кристалл полупроводника, в приповерхностном слое и объеме которого сформированы области, эквивалентные элементам электрической схемы и соединений между ними.

Основные технологические операции по изготовлению ППИС

1. Подготовительные.

Подготовительные монокристаллические слитки кремния обычно получают методом кристаллизации из расплава (метод Чохральского), при этом стержень с затравкой в виде монокристалла кремния после соприкосновения с расплавом медленно поднимают с одновременным вращением. Вслед за затравкой вытягивают нарастающий и застывающий слиток. Диаметр стержня 1,5-3 см, длина - до 3 метров (обычно 70-100 см). Затем слиток кремния разрезают на пластины толщиной от 0,5 до 4 см.

Перед началом основных технологических операций проводят шлифовку пластин для:

    1) удаления механических дефектов; 2) обеспечения параллельности плоскостей; 3) обеспечения необходимой толщины пластин (0,15 - 0,25 мм).

После шлифовки проводят полировку пластин для снижения шероховатости поверхности до сотых долей микрона.

Проводят травление.

2. Эпитаксия.

Эпитаксия - это процесс наращивания монокристаллических слоев на подложку, при котором кристаллографическая ориентация наращиваемого слоя повторяет кристаллографическую ориентацию подложки.

Эпитаксия может быть:

1) Из газовой фазы.

Используется типовой хлоридный процесс. Монокристалл кремниевой пластины помещают в тигель в кварцевую трубу через которую пропускают поток водорода с небольшим количеством примеси тетрохлорида кремния SiCl4. При высокой температуре на поверхности кремниевой пластины проходит реакция:

.

В результате на поверхности пластины создается слой чистого кремния, а пары соляной кислоты удаляются с потоком водорода. Если к парам SiCl4 добавить B2H6 (гексогидрид бора) то сождаемая пленка будет иметь дырочный тип проводимости, если же PH3 (тригидрид фосфора) - электронный тип.

2) Из жидкостной фазы - методом Чохральского.

Для улучшения контроля процесса применяют электроэпитаксию - через выращиваемый граничный слой пропускают электрический ток, при определенной полярности происходит охлаждение (рост пленки) или нагрев граници раздела двух фаз (растворение верхнего слоя подложки в расплаве).

    3) Молекулярно-лучевая эпитаксия - конденсация молекулярных пучков в сверхвысоком вакууме (аналог вакуумного напыления). 3. Термическое окисление.

Термическое окисление кремния - один из самых характерных процессов в полупроводниковой технологии изготовления ИМС. Пленка диоксида выполняет следующие функции:

    1) защитная (пассивация, изоляция поверхности); 2) маскирование; 3) функцию тонкого диэлектрика под затвором МОП транзистора (МДП).

Окисление кремния проводят при температуре от 1000? до 1200?С в атмосфере кислорода (сухое окисление) или смеси кислорода с парами воды (влажное).

4. Легирование (внедрение примеси).

Осуществляется либо в однозонных печах (если используется жидкий или газообразный источник диффузии) или в двузонных печах, если используется твердый источник диффузии. При этом в первой зоне диффузант примешивается к потоку нейтрального газа-носителя и переносится во вторую зону, где при более высокой температуре происходит диффузия.

Теоретические основы диффузии базируются на законах Фика:

1)

D - коэффициент диффузии, N - концентрация, I - плотность потока частиц.

    2) - характеризует скорость накопления частиц в кристалле или накопление атомов примеси на определенной глубине. Для того что бы рассчитать распределение примеси по глубине в любой момент времени необходимо задать граничные условия.

N(0,t) - концентрация примеси на поверхности.

N(?,t) - концентрация примеси на противоположной стороне подложки.

LN - глубина, на которую надо внедрить примесь.

NS - поверхностная концентрация.

N0 - собственная концентрация.

Ш Случай неограниченного источника диффузанта.

.

,

Где еrfc - дополнительная функция ошибок, близкая к экспоненциальной функции e-z.

.

Для создания p-n-перехода необходимо на глубине LN получить равенство концентраций внедряемой примеси и собственной концентрации кристалла:

.

Ш Cлучай ограниченного источника диффузанта.

Сначала в приповерхностный слой пластины вводят некоторое количество атомов диффузанта, затем источник диффузии отключают, повышают температуру и атомы примеси перераспределяются по глубине при неизменном их общем количестве.

Где Q - количество атомов примеси на единицу площади.

Ш Ионная имплантация.

Это метод легирования пластин путем бомбардировки атомами примеси, ускоренными до энергии достаточной для внедрения атомов вглубь твердого тела. Энергия атомов порядка 100-150 КэВ. Концентрация примеси в имплантированном слое зависит от плотности тока в пучке и времени процесса (он идет от нескольких минут до нескольких часов).

Преимущества:

    1) низкая температура процесса; 2) контролируемость.

Недостатки: сканирование пучка.

    5. Травление. 1) собственно травление - химическая реакция жидкого травителя с твердым телом с образованием растворимого соединения. В отличие от механического травления стравливание происходит плавно, один молекулярный слой следом за другим. Подбирая травитель, его концентрацию, температуру и время процесса регулируют толщину удаляемого слоя. 2) Электролитическое травление - процесс происходит в условиях протекания тока через жидкость. Твердое тело - анод. 3) Ионное травление - пластина помещается в вакуум, в нем создается тлеющий разряд, на кремний подается отрицательный потенциал и ионы плазмы бомбардируют пластину (травят). Энергия ионов - 2-3 кэВ. 6. Литография.

Литография - процесс создания или переноса геометрического рисунка (топологии) на поверхность подложки.

Бывает:

    1) Фотолитография. 2) Электронная литография. В этом виде литографии сфокусированный пучок электронов сканирует поверхность пластины, покрытой резистом или диоксидом кремния. В тех местах, которые должны быть засвечены ток пучка максимальный. В местах засветки диоксид кремния травится быстрее. 3) Лазерная литография. Она основана на воздействии сканирующего луча эксимерного лазера на кремниевую подложку, помещенную в среду хлора. В результате химической реакции ионов хлора с атомами кремния при тепловом воздействии лазерного луча образуется газообразное соединение SiCO4, которое улетучивается, а на подложке образуется вытравленный участок. 7. Отжиг.

В основном для металлизация кремния используется алюминий. Если пленку алюминия просто напылить на поверхность кремния, то образуется барьеры Шоттки. На границе с n-областями появлятся выпрямляющие переходы. Чтобы этого избежать алюминий вжигают в кремний при температуре 600?С. При этом на границе алюминий-кремний образуется слой в котором растворен практически весь алюминий. После застывания получается приповерхностный слой кремния легированный алюминием с концентрацией 5-1013 см-3. Поскольку алюминий является акцептором по отношению к кремнию, то возможно образование p-n переходов в n-слоях. Чтобы этого избежать n-область вблизи контакта сильно легируют создавая n+ слой с концентрацией 1020 см-3.

Похожие статьи




Полупроводниковые интегральные схемы. Технологические основы полупроводниковой микроэлектроники, Основные технологические операции по изготовлению ППИС - Основы микроэлектроники

Предыдущая | Следующая