КРЕМНИЙ – БАЗОВЫЙ МАТЕРИАЛ МИКРОЭЛЕКТРОНИКИ. ВЫРАЩИВАНИЕ СЛИТКОВ, ПОДЛОЖКИ

Первые успехи в полупроводниковой электронике были достигнуты с использованием германия. В 1948 г. американцы У. Шокли, Дж. Бардин и У. Браттейн предложили и изготовили точечно-контактный германиевый транзистор. Однако впоследствии кремний быстро занял первое место в производстве дискретных приборов и микросхем и в настоящее время является основным материалом для изготовления микроэлектронных устройств.

Кремний – элемент четвертой группы Периодической системы Менделеева с номером 14 - относится к ковалентным кристаллам с кубической решеткой типа алмаза. По распространённости в земной коре кремний среди всех элементов занимает второе место (после кислорода). Масса земной коры на ≈ 30 % состоит из кремния. Кремний входит в состав нескольких сотен различных природных силикатов и алюмосиликатов. Больше всего распространен кремнезём — многочисленные формы диоксида кремния (IV) SiO₂ (речной песок, кварц, кремень и др.), составляющий около 12 % земной коры (по массе). В свободном виде кремний в природе не встречается, хотя одна четвертая земли состоит из кремния.

В промышленности кремний получают, восстанавливая расплав SiO₂ коксом при температуре около 1800 °C в дуговых печах. Чистота полученного таким образом кремния составляет около 99,9 %, что недостаточно для использования в микроэлектронике. Поэтому полученный кремний далее хлорируют. Образуются соединения состава SiCl₄ и SiCl₃H, которые очищают различными способами от примесей. На заключительном этапе хлориды восстанавливают чистым водородом и получают стержни очищенного поликристаллического кремния - исходного материала для выращивания монокристаллов кремния. Содержание примесей в получаемом этим методом кремнии снижается до 10^-8-10^-6 % по массе.

Выращивание объемных монокристаллов кремния осуществляют методами вытягивания из расплава (метод Чохральского) или бестигельной зонной плавки. На рисунке 5 приведена схема процесса выращивания монокристалла по методу Чохральского. В кварцевый тигель помещается измельченный поликристаллический кремний (шихта), затем тигель нагревается до получения расплава. Вакуумно-газовая система создает в рабочей камере пониженное остаточное давление проточного инертного газа. На штоке для вытягивания кристалла укрепляется ориентированная в определенном кристаллографическом направлении монокристаллическая затравка, затем шток с затравкой опускается в расплав, пока затравка не оплавится с поверхности. После этого затравку, вращая, начинают медленно подымать. За затравкой тянется жидкий столбик расплава, удерживаемый поверхностным натяжением. Попадая в область низких температур над поверхностью тигля, расплав затвердевает, образуя одно целое с затравкой. Кристаллографическая ориентация слитка (его поперечного сечения) определяется кристаллографической ориентацией затравки. Чаще других используются слитки с поперечным сечением, лежащим в плоскости (111) или (100). Скорость вытягивания поддерживается в пределах 10^-5 – 10^-4 м/с.

Достоинством метода Чохральского является возможность выращивания слитков большого диаметра. На современных промышленных установках выращивают слитки кремния диаметром 300 мм и более, слитки GaAs и InP диаметром в 150 и 100 мм соответственно.

Из кварцевых и графитовых деталей рабочей камеры в растущий кристалл могут попасть кислород, углерод, а также другие нежелательные и неконтролируемые примеси, ухудшающие его электрофизические и оптические свойства. Для выращивания особо чистых монокристаллов или для глубокой очистки уже выращенных монокристаллов применяют зонную плавку (перекристаллизацию). Достоинством метода является совмещение процесса глубокой очистки полупроводника с последующим выращиванием его монокристалла. Зонная плавка является одним из наиболее эффективных и производительных методов очистки кристаллов. Схема процесса показана на рисунке 6. Перед началом кристаллизации расплавляется не вся твердая фаза кристалла, а только узкая расплавленная зона, которую перемещают вдоль кристалла. В отличие от метода Чохральского затравка подводится снизу. Растущий кристалл «висит» на исходном поликристалле, откуда он вытягивается вниз от зоны расплава. Узкая расплавленная зона удерживается поверхностным натяжением расплавленного кремния. В современных системах зонной плавки поликристаллический стержень и растущий монокристалл перемещаются вдоль стационарных индукционных нагревательных катушек. Из-за различия растворимости примесей в жидкой и твердой фазах (как уже отмечалось, большинство примесей лучше растворяются в жидкой фазе) по мере продвижения зона плавления все больше насыщается примесями, которые скапливаются на конце слитка. Обычно процесс зонной плавки повторяют несколько раз, а по окончании очистки загрязненный конец слитка отрезают.

Для операций механической обработки (резка на подложки, шлифовка, полировка, разделение подложек на кристаллы) важны механические свойства обрабатываемого материала. Высокая твердость и износостойкость монокристаллического кремния позволяют получать подложки с зеркально-гладкой поверхностью (четырнадцатый класс чистоты) и незначительными отклонениями от плоскопараллельности. Вместе с тем кремний, как и другие кристаллы с решеткой типа алмаза, включая сам алмаз, способен при ударе или других механических воздействиях легко раскалываться по ровным, гладким плоскостям. Эта способность называется спайностью. Спайность - проявление анизотропии прочности кристаллов. Силы связи между некоторыми симметрично расположенными плоскостями малы и кристаллы легко раскалываются по этим плоскостям. Поскольку силы связи быстро убывают с расстоянием, раскалывание происходит по наиболее удаленным друг от друга кристаллографическим плоскостям. В решетке типа алмаза максимально удалены друг от друга наиболее плотноупакованные плоскости {111}, поэтому кристаллы алмаза, кремния, германия раскалываются по плоскостям спайности {111}. Спайность кристалла при механической обработке облегчает получение плоских гладких поверхностей вдоль плоскостей спайности, но затрудняет шлифовку или полировку в других плоскостях. Твердость кристаллов – сопротивление их резанию, царапанию или вдавливанию - также анизотропна. У алмаза, кремния и германия твердость граней убывает в ряду {111} > {110} > {100}. Последовательность граней по твердости соответствует последовательности кристаллографических плоскостей по плотности упаковки. Анизотропия твердости и спайность на практике позволяют определять кристаллографическую ориентировку грани по форме кусочков, которые образуются при резком ударе острием по поверхности кристалла. Для каждой грани кусочки имеют характерную форму, по которой определяются кристаллографические плоскости. Подложки кремния, параллельные плоскости (111), раскалываются на правильные треугольники, подложки (100) - на прямоугольники и квадраты.

3. ВАЖНЕЙШИЕ ЭТАПЫ ПЛАНАРНОЙ ТЕХНОЛОГИИ

Планарная технология — совокупность технологических операций, используемая при изготовлении планарных (плоских) полупроводниковых приборов и интегральных микросхем (ИМС). Термины «Планарная технология» и «планарный прибор» появились в 1959 году, когда американской фирмой «Fairchild» были созданы первые планарные кремниевые транзисторы. В настоящее время планарная технология — наиболее универсальная современная технология, позволяющая производить любые полупроводниковые приборы от простейшего диода до сложнейших интегральных систем. Планарная технология обеспечивает возможность одновременного изготовления в едином технологическом процессе огромного числа дискретных полупроводниковых приборов или интегральных микросхем на одной подложке. Это позволяет существенно снизить стоимость изготавливаемых приборов, повышает производительность труда и процент выхода годных приборов, уменьшает разброс их параметров. Применение таких прецизионных процессов, как фотолитография, диффузия, ионное внедрение, даёт возможность очень точно задавать размеры и свойства легируемых областей и в результате получать параметры и их сочетания, недостижимые при других методах изготовления приборов. Защитные диэлектрические плёнки, закрывающие выход электронно-дырочных переходов на поверхность полупроводникового материала, позволяют создавать приборы со стабильными характеристиками, мало меняющимися во времени.

Технологический цикл начинается с подложек. Состав материала подложек, кристаллическая структура и совершенство (вплоть до межатомных расстояний в подложках для современных процессоров) и кристаллографическая ориентация строго контролируются. В ходе технологического процесса в приповерхностном слое полупроводникового материала создают области с различным типом или величиной проводимости. Поверх слоя полупроводникового материала, с использованием в нужных местах прослоек диэлектрического материала, наносятся слои проводящего материала, образующего контактные площадки и необходимые соединения между отдельными изолированными областями. Области и слои проводника, полупроводника и диэлектрика в совокупности образуют структуру полупроводникового прибора или интегральной микросхемы. Локальные технологические обработки участков монокристалла кремния обеспечиваются благодаря использованию маскирующих слоев (фоторезистов или диэлектриков). Для создания различных по структуре микросхем в планарной технологии многократно повторяются однотипные операции.

Для контроля качества выполнения промежуточных операций на подложке, как правило, выделяют несколько малых областей (обычно в центре и на периферии), на которых в ходе штатного технологического процесса формируются тестовые элементарные приборы (конденсаторы, диоды, транзисторы и т.п.). В этих же областях формируют контактные площадки относительно большой площади для тестирования годности пластин перед скрайбированием (разделением на отдельные приборы). Для совмещения изображений при фотолитографии в специально выделенной области формируются знаки совмещения, подобные тем, какие можно встретить на многоцветной печатной продукции.

Все технологические процессы планарной технологии можно разделить на две группы.

1. Процессы формирования на поверхности подложек слоев, отличающихся от материала подложки по электрическим свойствам или химическому составу.

Для получения слоев с другим по сравнению с подложкой типом проводимости или уровнем легирования используют методы эпитаксии (выращивания тонких монокристаллических полупроводниковых плёнок на монокристаллической подложке), диффузии или имплантации.

Для создания на поверхности кремниевой подложки защитной маски при проведении операций локальной диффузии или имплантации методом термооксидирования выращивается плотная пленка двуокиси кремния (SiO₂), которая имеет близкий к кремнию коэффициент теплового расширения. Данное обстоятельство позволяет использовать ее как надежное защитное покрытие, а также изолятор отдельных компонентов ИМС, маску при проведении локальной диффузии и как активную часть прибора в МДП- структурах. В случае других подложек при операциях диффузии или имплантации могут быть использованы слои двуокиси кремния, оксинитрида или нитрида кремния либо другого материала с низким коэффициентом диффузии легирующих примесей. В этом случае защитный слой наносится методами газофазного химического осаждения, лазерного или магнетронного осаждения.

Нанесение тонких металлических пленок для формирования омических контактов к слоям, образующим структуру элементов ИС, и соединительных металлических полосок между элементами (металлизация). Металлизация осуществляется обычно методом вакуумного испарения.

2. Процессы создания локальных микроучастков исходных материалов по заданному рисунку методами фотолитографии и химического травления.

В технологии полупроводниковых приборов важное место занимают маски: Они обеспечивают локальный характер напыления, легирования, травления, а в некоторых случаях и эпитаксии. Всякая маска содержит совокупность заранее спроектированных отверстий - окон. Изготовление таких окон есть задача фотолитографии, в основе которой лежит использование материалов, которые называют фоторезистами. Это разновидность фотоэмульсий, известных в обычной фотографии. Фоторезисты чувствительны к ультрафиолетовому свету, поэтому их можно обрабатывать в не очень затемненном помещении.

Фоторезисты бывают негативные и позитивные. Негативные фоторезисты под действием света полимеризуются и становятся устойчивыми к травителям. Значит, после локальной засветки будут вытравливаться незасвеченные участки (как в обычном фотонегативе). В позитивных фоторезистах свет, наоборот, разрушает полимерные цепочки и, значит, будут вытравливаться засвеченные участки.

Рисунок будущей маски изготавливается в виде так называемого фотошаблона - толстой стеклянной пластины, на одну из сторон которой нанесена тонкая непрозрачная пленка с нужным рисунком в виде прозрачных отверстий. Размеры этих отверстий (элементов рисунка) в масштабе 1:1 соответствуют размерам будущих элементов ИС. На окисленную поверхность кремниевой подложки с толщиной оксида 300 – 600 нм наносят слой фоторезиста с помощью центрифуги, сушат сначала при комнатной температуре, затем при 100 -150 °С. Подложку совмещают с фотошаблоном и облучают ультрафиолетовым излучением (экспонируют). Засвеченный фоторезист проявляют в специальных растворах (тринатрий фосфат с глицерином, растворы щелочи и др.) для удаления ненужных участков фоторезиста, после чего окисленная поверхность кремния открывается в местах, соответствующих рисунку фотошаблона. Открытые участки оксида кремния травят в специальных буферных травителях (например, 10 мл НF и 100 мл водного раствора NH₄F). На участки оксида, покрытые фоторезистом, травитель не действует. После травления фоторезист растворяют органическим растворителем и горячей серной кислотой. Поверхность пластины тщательно промывают. На поверхности кремния остается маска из SiO₂, соответствующая рисунку схемы. Через окна в этой маске можно осуществлять диффузию, ионную имплантацию, травление и т.п.

Поиск по сайту: