Технология Сверхбольших интегральных схем (Технология СБИС)

Преимущества кремниевой технологии. Требования к кремнию как материалу для микроэлектронной промышленности. Полупроводниковая технология начала свое становление с 1946 года, когда Бардин и Шокли изобрели биполярный транзистор. На первом этапе развития микроэлектронного производства в качестве исходного материала использовался германий.В настоящее время 98 от общего числа интегральных схем изготавливаются на основе кремния. Кремниевые полупроводниковые приборы по сравнению с германиевыми имеют ряд преимуществ Si p-n переходы обладают низкими токами утечки, что определяет более высокие пробивные напряжения кремниевых выпрямителей у кремния более высокая, чем у Ge область рабочих температур до 150 и 70 градусов Цельсия соответственно кремний является технологически удобным материалом его легко обрабатывать, на нем легко получать диэлектрические пленки SiO2, которые затем успешно используются в технологических циклах кремниевая технология является менее затратной.

Получение химически чистого Si в 10 раз дешевле, чем Ge. Вышеперечисленные преимущества кремниевой технологии имеют место в связи со следующими его особенностями большое содержание кремния в виде минералов в земной коре 25 от ее массы простота его добычи содержится в обычном речном песке и переработки существование родного не растворимого в воде окисного слоя SiO2 хорошего качества большая, чем у германия ширина запрещенной зоны Eg 1.12 эВ и Eg 0.66 эВ соответственно.

Исходным сырьем для микроэлектронной промышленности является электронный поликристаллический кремний, из которого затем получают монокристаллические слитки, обладающие необходимыми электрофизическими свойствами.

После проведения подготовительных технологических циклов механической обработки слитков, подготовки основных и дополнительных базовых срезов, резки слитка кремния на пластины, травления поверхности и полировки он должен обладать следующими свойствами быть химически чистым полупроводником например, концентрация бора или углерода в кремнии не должна превышать 10-7 ат. и 210-4 ат. соответственно обладать свойствами монокристалла и иметь малое число дефектов иметь однородные свойства по объему, в частности, относительно контролируемой концентрации легирующей примеси иметь идеальную поверхность, необходимую для реализации планарной технологии. В окончательном виде кремний представляет из себя зеркально отполированную с одной стороны монокристаллическую пластину диаметром 15 - 40 см, толщиной 0.5 - 0.6 мм с различной ориентацией поверхности.

Дополнительный и основные срезы сделаны для более легкого распознавания пластин с разным типом проводимости и ориентацией поверхности.

Получение металлургического и электронного кремния. Исходным сырьем для большинства изделий микроэлектронной промышленности служит электронный кремний. Первым этапом его получения является изготовление сырья, называемого металлургическим кремнием.Этот технологический этап реализуется с помощью дуговой печи с погруженным в нее электродом.

Печь загружается кварцитом SiO2 и углеродом в виде угля, щепок и кокса. Температура реакции Т 1800 С, энергоемкость W 13 кВтчас. В печи происходит ряд промежуточных реакций. Результирующая реакция может быть представлена в виде SiCтв SiO2тв Siтв SiO2газ COгаз Металлургический кремний со степенью чистоты 98 измельчают и помещают в гидрометаллургическую установку для получения трихлорсилана.Температура реакции Т 300 C. Siтв 3HClгаз SiHCl3газ H2газ Q Трихлорсилан при температуре Т 32 С становится жидкостью. Поэтому его легко очистить фракционным методом и осадить из парогазовой смеси в реакторе, получив электронный кремний.

Зародышем будущего слитка служит резистивно нагреваемый кремниевый стержень.Этот процесс используют также для производства поликристаллических кремниевых труб, применяемых в качестве держателей и подставок, необходимых при осуществлении высокотемпературных обработок. 2SiHCl3газ H2газ 2Siтв 6HClгаз Производство монокристаллов кремния. Производство монокристаллов кремния в основном осуществляют методом Чохральского до 80 90 потребляемого электронной промышленностью и в меньшей степени методом бестигельной зонной плавки.

Рост кристаллов методом Чохральского.Идея метода получения кристаллов по Чохральскому заключается в росте монокристалла за счет перехода атомов из жидкой или газообразной фазы вещества в твердую фазу на их границе раздела.

Применительно к кремнию этот процесс может быть охарактеризован как однокомпонентная ростовая система жидкость - твердое тело. Скорость роста V определяется числом мест на поверхности растущего кристалла для присоединения атомов, поступающих из жидкой фазы, и особенностями переноса на границе раздела. Оборудование для выращивания монокристаллического кремния.Установка состоит из следующих блоков. печь, включающая в себя тигель 8, контейнер для поддержки тигля 14, нагреватель 15, источник питания 12, камеру высокотемпературной зоны 6 и изоляцию 3, 16 механизм вытягивания кристалла, включающий в себя стержень с затравкой 5, механизм вращения затравки 1 и устройство ее зажима, устройство вращения и подъема тигля 11 устройство для управления составом атмосферы 4 - газовый вход, 9 - выхлоп, 10 - вакуумный насос блок управления, состоящий из микропроцессора, датчиков температуры и диаметра растущего слитка 13, 19 и устройств ввода дополнительные устройства смотровое окно - 17, кожух - 2. Технология процесса. Затравочный монокристалл высокого качества опускается в расплав кремния и одновременно вращается.

Получение расплавленного поликремния происходит в тигле в инертной атмосфере аргона при разрежении 104 Па. при температуре, незначительно превосходящей точку плавления кремния Т 1415 С. Тигель вращается в направлении противоположном вращению монокристалла для осуществления перемешивания расплава и сведению к минимуму неоднородности распределения температуры.

Выращивание при разрежении позволяет частично очистить расплав кремния от летучих примесей за счет их испарения, а также снизить образование на внутренней облицовке печи налета порошка монооксида кремния, попадание которого в расплав приводит к образованию дефектов в кристалле и может нарушить монокристаллический рост. В начале процесса роста монокристалла часть затравочного монокристалла расплавляется для устранения в нем участков с повышенной плотностью механических напряжений и дефектами.

Затем происходит постепенное вытягивание монокристалла из расплава. Для получения монокристаллов кремния методом Чохральского разработано и широко используется высокопроизводительное автоматизированное оборудование, обеспечивающее воспроизводимое получение бездислокационных монокристаллов диаметром до 200 300 мм. С увеличением загрузки и диаметра кристаллов стоимость их получения уменьшается.

Однако в расплавах большой массы 60 120 кг характер конвективных потоков усложняется, что создает дополнительные трудности для обеспечения требуемых свойств материала. Кроме того, при больших массах расплава снижение стоимости становится незначительным за счет высокой стоимости кварцевого тигля и уменьшения скорости выращивания кристаллов из-за трудностей отвода скрытой теплоты кристаллизации.

В связи с этим с целью дальнейшего повышения производительности процесса и для уменьшения объема расплава, из которого производится выращивание кристаллов, интенсивное развитие получили установки полунепрерывного выращивания.

В таких установках производится дополнительная непрерывная или периодическая загрузка кремния в тигель б,ез охлаждения печи, например путем подпитки расплава жидкой фазой из другого тигля, который, в свою очередь, также может периодически или непрерывно подпитываться твердой фазой. Такое усовершенствование метода Чохральского позволяет снизить стоимость выращиваемых кристаллов на десятки процентов.Кроме того, при этом можно проводить выращивание из расплавов небольшого и постоянного объема.

Это облегчает регулирование и оптимизацию конвективных потоков в расплаве и устраняет сегрегационные неоднородности кристалла, обусловленные изменением объема расплава в процессе его роста. Легирование. Для получения монокристаллов п- или р-типа с требуемым удельным сопротивлением проводят соответствующее легирование исходного поликристаллического кремния или расплава.В загружаемый поликремний вводят соответствующие элементы Р, В, As, Sb и др. или их сплавы с кремнием, что повышает точность легирования. Окончательная обработка кремния.

Из установки извлекают кремниевый слиток диаметром 20 - 50 см и длиной до 3 метров.Для получения из него кремниевых пластин заданной ориентации и толщиной в несколько десятых миллиметра производят следующие технологические операции. 1. Механическая обработка слитка - отделение затравочной и хвостовой части слитка - обдирка боковой поверхности до нужной толщины - шлифовка одного или нескольких базовых срезов для облегчения дальнейшей ориентации в технологических установках и для определения кристаллографической ориентации - резка алмазными пилами слитка на пластины 100 - точно по плоскости 111 - с разориентацией на несколько градусов. 2. Травление.

На абразивном материале SiC или Al2O3 удаляются повреждения высотой более 10 мкм. Затем в смеси плавиковой, азотной и уксусной кислот, приготовленной в пропорции 143, или раствора щелочей натрия производится травление поверхности Si. 3. Полирование - получение зеркально гладкой поверхности. Используют смесь полирующей суспензии коллоидный раствор частиц SiO2 размером 10 нм с водой.

В окончательном виде кремний представляет из себя пластину диаметром 15 - 40 см, толщиной 0.5 - 0.65 мм с одной зеркальной поверхностью.Вид пластин с различной ориентацией поверхности и типом проводимости приведен на рисунке 6. Основная часть монокристаллов кремния, получаемых методом Чохральского, используется для производства интегральных микросхем незначительная часть около 2 идет на изготовление солнечных элементов.

Метод является оптимальным для изготовления приборов, не требующих высоких значений удельного сопротивления до 25 Омсм из-за загрязнения кислородом и другими примесями из материала тигля. Кристаллическая структура кремния. Кремний обладает алмазоподобной кристаллической решеткой, которая может быть представлена в виде двух взаимопроникающих гранецентрированных решеток.Параметр решетки - 0.54 нм, кратчайшее расстояние между атомами - 0.23 нм. Легирующие атомы замещают атомы кремния, занимая их место в кристаллической решетке.

Основными легирующими атомами являются фосфор 5ти валентный донор замещения и бор 3-х валентный акцептор замещения.Их концентрация обычно не превышает 10-8 атомных процента. Реальные кристаллы отличаются от идеальных следующим они не бесконечны и поверхностные атомы обладают свободными связями атомы в решетке смещены относительно идеального положения в следствие термических колебаний реальные кристаллы содержат дефекты С точки зрения размерности выделяют следующие типы дефектов реальных кристаллов точечные дефекты дислокации или линейные дефекты поверхностные или двумерные дефекты объемные дефекты Технология получения кремния методом зонной плавки. В технологии формирования полупроводниковых соединений применение метода зонной плавки позволяет совместить в одном технологическом цикле сразу три операции синтез, глубокую очистку синтезированного соединения и выращивание из него монокристалла.

Зонная плавка является одним из наиболее эффективных методов глубокой очистки полупроводников.

Идея метода связана с различной растворимостью примесей в твердой и жидкой фазах полупроводника. Монокристалл получают из расплава, однако, перед началом кристаллизации расплавляется не вся твердая фаза кристалла, а только узкая зона, которая при перемещении вдоль кристалла втягивает в себя примеси.Различают вертикальную ВЗП и горизонтальную ГЗП зонные плавки.

Осуществление ВЗП возможно и в бестигельном варианте БЗП. В методе ВЗП стержень из поликристаллического кремния удерживается в вертикальном положении и вращается, в то время как расплавленная зона высотой от 1 до 2 см медленно проходит от нижней части стержня до его верха, как показано на рисунке. 1 - Держатель 2 - Обмотка нагревателя 3 - Монокристаллический кремний 4 - Затравочный монокристалл 5 - Держатель 6 - Расплавленная зона 7 - Стержень из поликристаллического кремния Расплавленная область нагревается с помощью высокочастотного индукционного нагревателя и перемещается вдоль стержня от затравочного монокристалла. Поскольку большинство примесей обладает хорошей растворимостью в жидкой фазе по сравнению с твердой, то по мере продвижения зона плавления все больше насыщается примесями, которые скапливаются на конце слитка.

Процесс зонной плавки повторяют несколько раз, а по окончании очистки загрязненный конец слитка отрезают.

Для ускорения процесса очистки вдоль контейнера ставят несколько индукторов для образования ряда зон плавления. Теоретически многократная зонная плавка позволяет очень глубоко очистить исходный материал. Однако на практике такого результата достичь невозможно, так как одновременно с очисткой и увеличением числа проходов расплав загрязняется примесями контейнера и окружающей среды.Метод бестигельной зонной плавки БЗП. Применяется в основном для получения монокристаллов кремния с малым содержанием кислорода.

Из-за отсутствия тигля при выращивании кристалла одновременно происходит и его очистка, так как примеси оттесняются в конец кристалла, благодаря чему кристаллы становятся значительно чище выращиваемых методом Чохральского. Для повышения степени очистки используют неоднократное перемещение зоны. Скорость выращивания кристалла методом БЗП вдвое больше, чем по методу Чохральского, и в отличие от него затравка подводится снизу.Растущий кристалл висит на исходном поликристалле, откуда он вытягивается вниз от зоны расплава.

Для обеспечения начального роста бездислокационного участка монокристалла сначала проводится вытягивание тонкой шейки диаметром 2-3 мм и длиной 10-20 мм, после чего кристалл доращивают до требуемого диаметра. Современная технология БЗП позволяет выращивать монокристаллы диаметром до 125 мм благодаря использованию индуктора, диаметр которого меньше диаметра проплавляемого стержня.Для получения кристаллов большого диаметра в современных установках применяют одновитковую катушку типа игольчатого ушка. Основное условие успешного проведения БЗП - создание и поддержание стабильной зоны. Для этой цели используют многовитковые индукторы с расположением витков в одной плоскости.

Во всех современных системах зонной плавки используется стационарное положение катушки, а поликристаллический стержень и растущий кристалл перемещают.Причины возникновения структурных дефектов и меры борьбы с ними при получении монокристаллов данным методом почти полностью совпадают с причинами в методе Чохральского.

Сравнение этих методов можно провести с помощью таблицы 1. Таблица 1 Типичные параметры бездислокационных монокристаллов кремния, выращиваемых методами Чохральского и бестигельной зонной плавки.ПараметрМетод ЧохральскогоМетод зонной плавкиМаксимальный диаметр пластины, мм150 - 400200Удельное сопротивление p- тип, Омсм0.005-500.1-3000Удельное сопротивление n- тип, Омсм0.005-500.1-800Ориентация111, 110, 100111, 100Время жизни неосновных носителей, мкс10-50100-3000Содержание кислорода, атомсм210-100 10Содержание углерода, атомсм210 10 Диффузия примеси.

Целью проведения диффузии является внедрение атомов легирующего элемента в кристаллическую решетку полупроводника для образования р-n-перехода на глубине Xпер. В этом случае концентрация введенной примеси оказывается равной концентрации исходной примеси Nисх в полупроводнике.Раз меры диффузионной области в плане определяются размерами окна в слое диэлектрика, так как скорость диффузии примеси в SiO2 и Si3N4 на несколько порядков ниже, чем в полупроводнике.

Различные способы диффузионного легирования различаются фазовым состоянием легирующей примеси газообразное, жидкое, твердое, подводом примеси к подложке и конструкцией установок.В большинстве случаев диффузию проводят в окислительной атмосфере. Температура диффузионного легирования кремния 1050- 1200С. Диффузия в полупроводник в большинстве случаев происходит за счет перемещения диффундирующих частиц, по вакантным узлам кристаллической решетки.

Кроме этого, возможны прямой обмен атомов местами в узлах кристаллической решетки и перемещение атомов по междоузлиям. В качестве легирующих примесей выбирают элементы, имеющие достаточно высокую скорость диффузии и хорошую растворимость в полупроводнике при температуре диффузии. Для кремния в каче стве диффузантов чаще всего используют элементы III и V групп таблицы Д. И. Менделеева.Основной донорной примесью является фосфор, который по сравнению с часто применяемыми сурьмой и мышьяком имеет более высокую скорость диффузии в кремний.

В качестве акцепторных примесей используют алюминий, галлий, индий и бор. Бор применяют наиболее часто, поскольку он обладает наиболее высокой предельной растворимостью. Одним из эффективных способов создания р-n-переводов является ионное легирование.Ионы легирующего вещества, обладающие высокой энергией, направляются на поверхность полупроводника и внедряются в его кристаллическую решетку.

При этом ионы вызывают каскад смещений атомов полупроводника, приводя к образованию аморфизированных областей, в которых кристаллическая структура решетки нарушена. Для получения высокой концентрации активных примесей помещения их в узлы кристаллической решетки и восстановления кристаллической структуры полупроводника после ионного легирования требуемся отжиг, который проводят при 400-700С. Внедренные и смещенные атомы при этих температурах приобретают подвижность, достаточную для перехода в вакантные узлы и упорядочения структуры.

Процесс ионного внедрения характеризуется энергией ионов, плотностью тока ионного пучка, дозой облучения. Изменяя пара метры ионного пучка, можно управлять профилем распределения концентрации внедренных ионов и с высокой точностью изменять концентрацию примесей в полупроводнике.Задачи технологического этапа диффузии управление концентрацией легирующей примеси в подложке, обеспечение однородности легирования, обеспечение воспроизводимости процесса, увеличение числа подложек, подвергаемых одновременному легированию, для снижения себестоимости продукции. Назначение диффузии формирование базовых и эммитерных областей и резисторов в биполярной технологии, создание областей истока и стока в МОП технологии, для легирования поликристаллического кремния.

Способы диффузии диффузия из химического истока в парообразной форме при высоких температурах, диффузия из легированных окислов, диффузия из ионно-имплантированных слоев с последующим отжигом проводится для активирования имплантации атомов и уменьшения числа дефектов. Изучение диффузии ведется в направлении создания на основе экспериментальных данных точных моделей, способных предсказывать протекание процесса диффузии путем теоретического анализа.

Конечная цель этого анализа - определение электрических характеристик полупроводниковых приборов на основе параметров технологического процесса расчетным путем . К основным механизмам диффузии относят вакансионный, прямое перемещение по междоузлиям, эстафетный непрямое перемещение по междоузлиям, краудионный, диссоциативный.

Бор, фосфор в кремнии диффундируют по вакансионному механизму, элементы 1 и 7 группы - по междоузельному. В общем случае диффузия анизотропна. Однако в кубической решетке из-за ее симметрии диффузия изотропна.Процессы изотропной диффузии описываются посредством коэффициента диффузии D, который является скалярной величиной и определяется из первого закона Фика. Эпитаксия.

Это технологический процесс выращивания тонких монокристаллических слоев полупроводника на монокристалличеcкиx подложках. Материал подложки в процессе выращивания играет роль затравочного кристалла, а получаемая пленка является продолжением ее структуры. Характерной особенностью эпитаксии является возможность формирования слоев с заданными электро-физическими свойствами и геометрическими размерами.Так, если в процессе эпитаксиального выращивания наряду с атомами полупроводника в росте пленки участвуют и атомы легирующего элементa, то на границе раздела пленка - подложка можно получить p-n-переход или изотопные переходы n -n и р -р. Таким образом, в тонких слоях 2-10 мкм эпитаксиально-планарных структур создаются элементы ИМС, а подложка толщиной 500 мкм является несущей конструкцией.

При создании приборов диффузионным легированием число диффузионных процессов может быть ограниченно. Так, при проведении трех диффузионных процессов трудно получить нужную концентрацию примеси в нижнем слое, в особенности если он должен иметь высокое удельное сопротивление, т. е. низкую концентрацию носителей.

Гораздо легче получать слои с требуемым распределением примесей, если они вводятся в процессе выращивания эпитаксиальных пленок. Равномерное распределение примесей, которое неосуществимо в диффузионных слоях, легко достигается при эпитаксии.При совместном использовании эпитаксии и диффузии улучшаются эксплуатационные характеристики полупроводниковых приборов.

Процесс эпитаксиального наращивания слоев полупроводника заключается в осаждении его атомов на подложку, в результате чего на ней вырастает слой, кристаллическая структура которого подобна структуре подложки.Эпитаксиальный слой обладает теми же структурными дефектами, что и подложка, поэтому для получения надежных полупроводниковых приборов первостепенное значение имеют чистота и структурное совершенство материала подложек. Наибольшее распространение в производстве полупроводниковых приборов получили способы газофазной и жидкофазной эпитаксии.

Способ газофазной эпитаксии, являющийся наиболее простым в условиях серийного и массового производства, используется для формирования тонких слоев кремния и сложных полупроводникор типа АIIIВV, а жидкофазной -в основном для получения этатакси- альных слоев арсенида галлия и гетероструктур на его основе например, GaAs-GaAlAs. При формировании кремниевых эпитаксиальных пленок способом газофазной эпитаксии используют реакции восстановления тетрахлорида SiCl4 или трихлорсилана SiHCl3 над кремниевыми подложками.

Парогазовая смесь соответствующего состава проходит над нагретой до определенной температуры подложкой, осаждаясь на ней в виде монокристаллического слоя. Обычно такие процессы осуществляют в кварцевых реакторах. При восстановле нии тетрахлорида в качестве газа-носителя используют водород.При этом происходит следующая реакция SiCI42H2 4HCISi Для качественного проведения процесса осаждения температура подложек должна быть 1100-1300С. При получении эпитаксиальных слоев с заданными свойствами в состав парогазовоя смеси вводят легирующую добавку.

При формировании эпитаксиальных пленок арсенида галлия способом жидкофазной эпитаксии сначала получают расплав полу проводникового материала с соответствующими легирующими добавками, а затем подложку подводят к поверхности раствора-расплава.После установления теплового равновесия между ними их охлаждают по соответствующему закону для эпитаксиального осаждения пленки на подложку.

Причина появления технологии изготовления эпитаксиальных пленок и их преимущества. Причиной появления эпитаксиальной технологии послужила необходимость совершенствования процесса изготовления биполярных транзисторов.Эти приборы обычно формируются в объеме полупроводниковой подложки с большим удельным сопротивлением r, определяющим высокое напряжение пробоя база - коллектор Uбк. С другой стороны, высокие значения r приводят к увеличению рассеиваемой в полупроводниковой подложке мощности и уменьшению коэффициента усиления транзистора на высоких частотах.

С целью разрешения этого противоречия была разработана технология получения высокоомных полупроводниковых слоев на низкоомной подложке.В настоящее время при изготовлении интегральных схем используются низкоомные эпитаксиальные слои с противоположным относительно подложки типом проводимости см. рис. 1. Образующийся при этом p-n переход служит для электрической изоляции соседних транзисторов, а сильнолегированный n диффузионный слой используется в качестве коллекторного контакта.

Ступенька, показанная на рисунке, применяется в дальнейшем при операциях самосовмещения в процессах литографии.Слои, синтезированные по эпитаксиальной технологии, обладают следующими преимуществами широкая область изменения уровня и профиля легирования изменение типа проводимости выращиваемых эпитаксиальных пленок физические свойства эпитаксиального слоя отличаются от свойств материала подложки в лучшую сторону, например, в них меньше концентрация кислорода и углерода, меньше число дефектов процесс может происходить при температурах меньших, чем температура наращивания слитка монокристалла можно нанести эпитаксиальный слой на подложку большой площади эпитаксиальный слой может быть нанесен локально.

Термин эпитаксия применяют к процессам выращивания тонких монокристаллических слоев на монокристаллических подложках.Материал подложки в этом процессе выполняет роль затравочного кристалла.

Если материалы получаемого слоя и подложки идентичны, например, кремний выращивают на кремнии, то процесс называют автоэпитаксиальным или гомоэпитаксиальным. Если же материалы слоя и подложки различаются хотя их кристаллическая структура должна быть сходной для обеспечения роста монокристаллического слоя, то процесс называют гетероэпитаксиальным. Идея метода. Схема реактора для получения эпитаксиальных пленок.Эпитаксиальное выращивание кремния из парогазовой фазы обычно проводят в реакторе, изготовленном из стеклообразного кварца, на помещенном внутри него пьедестале подложкодержателе. Пьедестал служит для установки подложек и их нагрева во время процесса.

Выращивание кремния проводится в потоке парогазовой смеси при высоких температурах см. рис. 1. Для выращивания эпитаксиального кремния используется один из четырех кремнесодержащих реагентов тетрахлорид кремния - SiCl4, трихлорсилан - SiHCl3, дихлорсилан - SiH2Cl2 и силан - SiH4 и водород.При таких условиях возможно протекание химических реакций типа SiCl4 2H2 Siтв 4HCl. Рис. 1. Схема реактора для эпитаксии из парогазовой смеси. 1- держатель 2- кремниевая пластина 3- пленка Газ разлагается на поверхности пластины и на нее осаждаются атомы кремния.

Разложение кремнесодержащих компонент происходит пиролитически, т.е. только за счет тепла. Скорость роста пленки пропорциональна парциальному давлению силана.Все вещества, поступающие в реактор являются газами, отсюда и название химическое осаждение из газовой фазы. Формирование эпитаксиальных пленок осуществляется при ламинарном течении газа по трубе, т. е. когда число Рейнольдса Re Dvrh 100 меньше критического значения Reкрит 2000, где D - диаметр трубы реактора, v - скорость течения газа, r - плотность газа, h - коэффициент вязкости газа. Рис. 2. Образование приграничного слоя в горизонтальном реакторе.

При конструировании реактора необходимо учитывать, что по мере продвижения вглубь трубы скорость движения газа в пристеночной области шириной y падает, а температура соответственно растет см. рис. 2. Это и определяет скорость реакции на поверхности, поскольку именно через пограничный слой исходные реагенты переносятся из газового потока к поверхности, а продукты реакции диффундируют в обратном направлении, удаляясь затем основным потоком газа. Поток реагентов J от поверхности подложки или обратно задается уравнением J Ddndy или J nгаз-nповy , где nгаз и nпов- концентрация реагентов в газовом потоке и вблизи поверхности соответственно, D - коэффициент диффузии реагента в газовой фазе, являющийся функцией давления и температуры, J - поток реагентов, характеризующий количество молекул, проходящее через единицу площади за единицу времени, dndy - градиент концентрации реагентов.

Рис. 3. Зависимость скорости роста пленки от расстояния вдоль подложкодержателя. При конструировании реактора в первую очередь должно быть учтено влияние величины у на процессы массопереноса.

Поскольку величина y, определяющая поток реагентов к поверхности, обратно пропорциональна скорости потока газа, то для достижения однородности скорости роста эпитаксиальной пленки по длине реактора при заданной температуре необходимо подбирать оптимальное значение толщины пограничного слоя, согласованное с изменением температуры и концентрации реагентов. Этого можно достичь, например, путем изменения потока газа в реакторе т.е. числа Re. Таким образом, изменяя число Рейнольдса, можно варьировать скорости потока газов и скорость роста пленки одновременно и добиться условий равномерности см. рис. 3. Например, для трубы диаметром D 20 см обычная скорость течения газа составляет v 50 смс, а значение y DxRe12 меньше, чем половина диаметра трубы x - расстояние вдоль оси реактора. Для получения монокристаллической пленки необходимо достаточно сильно нагреть пластину так, чтобы осаждающиеся атомы кремния могли перемещаться в положения, в которых бы они образовывали с подложкой ковалентные связи.

При этом атомы должны успеть продолжить монокристаллическую решетку до того, как они будут накрыты следующими слоями осаждающихся атомов.

Это происходит при температурах процесса от 900 С до 1250 С. Обычно скорость роста эпитаксиальной пленки составляет величину порядка нескольких микрометров в минуту.

Механизмы наращивания эпитаксиальных пленок Выделяют прямые и непрямые механизмы.Непрямое наращивание происходит, когда атомы кремния образуются за счет разложения кремниевых соединений на поверхности нагретой подложки.

Прямое наращивание происходит, когда атомы кремния непосредственно попадают на поверхность подложки и осаждаются на ней, как это имеет место при молекулярно-лучевой эпитаксии см. рис. 4. Рис. 4. Схема реактора для МЛЭ кремния прямое наращивание кремния на подложке. 1 - экран 2 - основа с водяным охлаждением 3 - нить накала источника 4 - электронный пучок 5 - электростатический экран -V 6 - твердый кремний 7 - расплавленный кремний 8 - пары кремния 9 - держатель подложки 10 - кремниевая подложка 11 - нить подогрева подложки 12 - электронный пучок При соответствующих условиях осаждения атомы кремния, двигаясь по нагретой поверхности, занимают положения, соответствующие кристаллической структуре подложки.

Иными словами эпитаксиальное наращивание состоит в образовании центров кристаллизации и последовательном формировании двумерной решетки из островков, растущих вдоль поверхности.Процесс эпитаксиального наращивания на поверхности пластины см. рис. 5 происходит в следующей последовательности массопередача вступающих в реакцию молекул посредством диффузии из турбулентного потока через граничный слой к поверхности кремния адсорбция молекул поверхностью процесс реакции на поверхности десорбция продуктов реакции массопередача молекул продуктов реакции посредством диффузии через граничный слой к основному потоку газа упорядочение адсорбированных атомов кремния в решетке.

Рис. 5. Формирование слоя кремния на подложке.Результирующая скорость роста пленки определяется самым медленным процессом в приведенной выше последовательности. В равновесных условиях все процессы протекают с одинаковыми скоростями и эпитаксиальный слой растет равномерно.

Энергия активации процесса равна приблизительно 5 эВ и соответствует энергии активации самодиффузии кремния.Попытка увеличения скорости роста пленки выше оптимального значения, зависящего от температуры, приводит к росту поликристаллической пленки уменьшается время поверхностной миграции и происходит встраивание кремния в произвольные, а не только кристаллографически благоприятные места. Легирование при эпитаксии Для легирования используются гидриды примесных элементов арсин AsH3, диборан B2H6, фосфин PH3. Процессы, происходящие на поверхности кремния при осаждении адсорбция мышьяка на поверхности диссоциация молекулы встраивание мышьяка в растущий слой. 2AsH3 2Asгаз3H2газ 2Asтв 2Asтв2e- Скорость роста пленки влияет на количество встраиваемой в электронный слой примеси, т. к. с увеличением скорости не достигается равновесие между твердой и газообразной фазами реагирующих веществ.

Если поток легирующей примеси в реактор резко прервать, это не приведет к быстрому изменению уровня легирования, что указывает на большую инертность процесса легирования.

Процесс внедрения в эпитаксиальный слой примесных атомов из пластины называется автолегированием.Различают макроавтолегирование, когда нежелательные легирующие атомы перемещаются внутри реактора от одной пластины к другой, и микроавтолегирование, когда посторонние примесные атомы внедряются в локальные области эпитаксиального слоя той же самой пластины.

Технологическое оборудование При организации технологического процесса особое внимание уделяется технике безопасности.Возможны взрыв или возгорание водорода, наблюдается сильная коррозия, обусловленная наличием в технологическом цикле HCl, имеет место высокая токсичность легирующих газов концентрация аксина AsH3 величиной 0,025 приводит к смертельному исходу. Общий вид и схема технологической установки приведены на рис. 6, 7. В качестве реактора используется кварцевая труба с холодными стенками принудительное охлаждение.

Пластины располагаются на подложкодержателе, являющимся одновременно нагревателем индукционного типа. Он изготавливается из графита, хорошо нагреваемом в ВЧ поле, и покрывается слоем SiC для уменьшения взаимодействия с парами HCl. Скруббер, имеющий большую площадь соприкосновения с водой, используется для удаления непрореагировавших продуктов реакции.

Температура в реакторе измеряется оптическим пирометром, а расход газа - ротаметром.Дефекты эпитаксиальных пленок Выделяют следующие типы дефектов см. рис. 8 линейная дислокация, проросшая в эпитаксиальный слой 1 дефекты, зарождающиеся на примесных преципитатах, расположенных на поверхности подложки 2 примесные преципитаты, возникшие во время роста эпитаксиального слоя 3 бугорки на поверхности, возникающие из-за неудовлетворительных условий процесса или плохого исходного состояния поверхности 4 дефекты упаковки, проросшие в эпитаксиальный слой 5. КНИ технология.

С целью дальнейшего совершенствования методов производства СБИС для получения быстродействующих приборов была предложена новая технология - кремний на изоляторе КНИ. Ее идея состояла в том, что в случае синтезирования монокристаллического кремния на диэлектрической подложке исчезает необходимость в создании изолирующих p-n переходов между элементами ИС, замедляющих работу приборов.

Как разновидность метода КНИ используется технология кремний на сапфире КНС. В КНС технологии в качестве подложки используется сапфир - Al2O3. На него эпитаксиальным способом наносят слои полупроводников, например, кремния или арсенида галия. Поскольку материалы подложки и полупроводника не являются родственными и имеет место автолегирование Al из подложки, то полупроводник обладает высокой плотностью дефектов.Эти дефекты обуславливают значительные токи утечки p-n переходов, малое время жизни и низкую подвижность носителей.

Поэтому КНС технологии можно использовать только при производстве приборов, работающих на основных носителях, например, КМОП схем. Для уменьшения автолегирования Al из подложки полупроводники наносят молекулярно-лучевым способом, имеющим низкие температуры процесса.В КНИ технологии в качестве диэлектрической подложки используется слой SiO2. Он может быть сформирован во внутренних частях монокристалла кремния путем его ионного легирования кислородом на определенную глубину с последующим отжигом в инертной атмосфере.

Возможен другой вариант. В технологическом цикле осуществляют процесс рекристаллизации аморфного кремния, осажденного на двуокись кремния см. рис. 1. Рекристаллизация производится за счет локального нагрева участка поверхности лазером или электронным лучом.Слой монокристаллического кремния, граничащий поликристаллом или аморфным слоем Si, играет роль затравки, а SiO2 используется для уменьшения загрязнений в кремнии.

Существует и третий способ, который можно использовать для изготовления МОП транзистора см. рис. 2. На окисленную подложку монокремния наносят островки поликремния, которые впоследствии рекристаллизуют. Отметим, что кремний, полученный по КНИ технологии, имеет меньшую плотность дефектов, чем КНС кремний.Развитие КНИ технологии может послужить толчком в создании ИС нового поколения - трехмерных интегральных схем. Использование SiO2 в производстве СБИС. Благодаря своим уникальным электрофизическим свойствам двуокись кремния находит широкое применение на различных стадиях изготовления СБИС. Слои SiO2 используются как маска для диффузии легирующих примесей для пассивации поверхности полупроводников для изоляции отдельных элементов СБИС друг от друга в качестве подзатворного диэлектрика в качестве одного из многослойных диэлектриков в производстве МНОП элементов памяти в качестве изоляции в схемах с многослойной металлизацией как составная часть шаблона для рентгеновской литографии.

Среди преимуществ, обуславливающих использование этого диэлектрика, следует выделить то, что SiO2 является родным материалом для кремния, легко из него получается и удаляется, не растворяется в воде, легко контролируется.

Пленки SiO2 в микроэлектронной промышленности получают путем окисления кремния различными способами термическое окисление сухое, влажное, хлорное, пирогенное анодное окисление пиролитическое окисление плазмохимическое окисление.Под окислением полупроводников понимают процесс их взаимодействия с окисляющими агентами кислородом, водой, озоном и т.д. При определенных условиях скорость процесса окисления по мере роста концентрации окислителя уменьшается.

Это явление часто называют пассивностью и связывают с образованием тонкой диэлектрической пленки, препятствующей переносу окислителя к реакционной поверхности раздела. В 1958 г. Вагнер ввел понятие об активном и пассивном окислении, имея в виду в первом случае процессы, не связанные с образованием оксидных пленок на поверхности исходного материала.

Пассивное окисление отсутствует, когда выделяющиеся продукты реакции удаляются со скоростями, большими скорости их образования. В настоящее время процессы активного и пассивного окисления полупроводников широко используются в технологии производства современных полупроводниковых приборов при проведении операций химического или газового травления, эпитаксии, термического окисления и диффузии.При этом основное внимание технологов и разработчиков сосредоточено на процессах пассивного окисления, что объясняется первостепенной ролью пленок термически выращенной двуокиси кремния в планарной технологии.

Оборудование для термического окисления.Слой двуокиси кремния формируется обычно на кремниевой пластине за счет химического взаимодействия в приповерхностной области полупроводника атомов кремния и кислорода. Кислород содержится в окислительной среде, с которой контактирует поверхность кремниевой подложки, нагретой в печи до температуры T 900 - 1200 С. Окислительной средой может быть сухой или влажный кислород.

Схематично вид установки показан на рис. 1 в современных установках пластины в подложкодержателе располагаются вертикально.Требования к оборудованию контролируемая с точностью до 1 градуса температура подложкодержателя, обеспечение плавного повышения и понижения температуры в реакторе двухстадийный нагрев, отсутствие посторонних частиц в реакторе подложкодержатель сначала вводится в трубу реактора, а затем опускается на дно, отсутствие посторонних примесей, в частности, ионов натрия на внутренней поверхности реактора с целью их удаления проводится предварительная продувка трубы реактора хлором, обеспечение введения кремниевых пластин в реактор сразу после их химической очистки.

Химическая реакция, идущая на поверхности кремниевой пластины, соответствует одному из следующих уравнений окисление в атмосфере сухого кислорода сухое окисление Siтверд.O2 SiO2 окисление в парах воды влажное окисление Siтверд.2H2O SiO2 2H2 термическое окисление в присутствии хлора хлорное окисление термическое окисление при взаимодействии молекул воды, синтезированных из атомарно чистых кислорода и водорода непосредственно у поверхности кремния, с атомами кремния пирогенное окисление. Время окисления в стандартных технологических процессах составляет 4 - 5 часов.

Значительным достижением в совершенствовании технологии окисления кремния явилось добавление в окислительную среду в процессе окисления хлорсодержащих компонентов.

Это привело к улучшению стабильности порогового напряжения полевых МДП транзисторов, увеличению напряжения пробоя диэлектриков и повышению скорости окисления кремния. Главная роль хлора в пленках двуокиси кремния обычно с концентрацией хлора 1016- 1020 см-3 заключается в превращении случайно проникших в SiO2 примесных ионов натрия или калия в электрически неактивные. Модель Дила-Гроува.Методом радиоактивного маркера показано, что рост SiO2 происходит за счет диффузии кислорода к поверхности кремния.

Выход SiO2 за границы начального объема, занимаемого кремнием, обусловлен их разными плотностями. Для теоретического обоснования было предложено множество моделей, основанных на объемной диффузии заряженных частиц или нейтральных пар, а также эффектах туннелирования электронов, кинетике адсорбции, образования пространственного заряда, изменении граничных концентраций диффундирующих частиц в зависимости от толщины пленки и многих других.

К сожалению, ни один из указанных механизмов не способен полностью объяснить обширный класс имеющихся к настоящему времени экспериментальных данных. Что касается получения пленок двуокиси кремния, то кинетику ее роста в широком диапазоне толщин SiO2 можно объяснить, исходя из достаточно простой модели Дила-Гроува см.рис. 2. Процесс окисления происходит на границе Si - SiO2, поэтому молекулы окислителя диффундируют через все предварительно сформированные слои окисла и лишь затем вступают в реакцию с кремнием на его границе. Согласно закону Генри, равновесная концентрация твердой фазы прямо пропорциональна парциальному давлению газа P C HP, где C- максимальная концентрация окислителя в газе для данного значения давления P, H - постоянный коэффициент Генри. В неравновесном случае концентрация окислителя на поверхности твердого тела меньше, чем C. Поток F1 определяется разностью между максимальной и реальной поверхностной концентраций окислителя F1 hC - C0, где C0 - поверхностная концентрация окислителя, h - коэффициент переноса. Значение концентрации окислителя C0 зависит от температуры, скорости газового потока и растворимости окислителя в SiO2. Для того чтобы определить скорость роста окисла, рассмотрим потоки окислителя в объеме окисла F2 и на его границе с кремнием F3. Согласно закону Фика, поток через объем окисла определяется градиентом концентрации окислителя F2 - DdCdz DC0 - Ciz0, 1 где Ci - концентрация окислителя в молекулах на кубический сантиметр при z z0, D - коэффициент диффузии при данной температуре, z0 - толщина окисла.

Величина потока F3 на границе окисла с полупроводником зависит от постоянной K скорости поверхностной реакции и определяется как F3 kCi 2 При стационарных условиях эти потоки равны, так что F3 F2 F1 F. Следовательно, приравняв соотношения 1 и 2, можно выразить величины Ci и C0 через C 3 Для того чтобы определить скорость роста окисла, представим поток F3 как изменение числа молекул в слое dz0 за время dt. Тогда уравнение потока на границе SiO2 - Si будет иметь следующий вид 4 Скорость роста окисла определяется потоком F3 и количеством молекул окислителя Ni , входящих в единичный объем окисла.

Поскольку концентрация молекул SiO2 в окисле равна 2.21022 см-3, то для получения двуокиси кремния требуется такая же концентрация молекул кислорода или в два раза большая концентрация молекул воды. Соотношение между величинами z0 и t определяется интегралом вида Зависимость толщины окисла от времени окисления.

Следовательно, для малых времен окисления толщина окисла определяется постоянной скорости поверхностной реакции K и прямо пропорциональна времени окисления 8. Для больших времен окисления скорость роста зависит от постоянной диффузии D 9, а толщина окисла пропорциональна корню квадратному из времени процесса.

На скорость окисления влияют также ориентация подложки, присутствие паров воды, наличие натрия, хлора и концентрация легирующей примеси в кремнии.

На рис. 3 приведена зависимость толщины пленки SiO2 от времени окисления во влажном кислороде при парциальном давлении паров воды 85103 Па. Для широкого класса полупроводников и металлов кинетика процесса активного окисления характеризуется в равновесии линейным законом, то в случае пассивного окисления физическая картина процесса усложняется процессом переноса реагента к реакционной поверхности раздела сквозь растущую пленку.

При этом кинетика окисления может быть аппроксимирована следующими законами линейным Хт К1т 1 параболическим Х2т К2т 2 кубическим Х3т К3т 3 логарифмическим Хт К4lgВт 1 5 обратно логарифмическим K5Xт А - lgт 6 Существование каждого из этих законов определяется условиями проведения процесса окисления и свойствами исходного материала.

Константы К1- К5 зависят от температуры, давления реагента и природы окисляемого материала.Зависимость экспериментально наблюдаемых кинетических закономерностей от температуры процесса приведена в Таблице 1. Особенности роста тонких и толстых пленок двуокиси кремния. Отметим, что в микроэлектронике наиболее часто используются окислы кремния толщиной в несколько десятых долей микрона а верхний предел по толщине для обычного термического окисления составляет 1 - 2 мкм. В технологии СБИС используются также как более тонкие, так и более толстые пленки SiO2. Одним из приборов, в которых используются сверхтонкие слои двуокиси кремния толщиной 2 - 5 нм являются энергонезависимые элементы памяти.

Обычно для этих целей в применяется многослойная структура металл - нитрид кремния - двуокись кремния - кремний МНОП транзистор.

SiO2 в данной системе позволяет произвести контролируемую инжекцию заряда в нитрид кремния при подаче высокого потенциала на затвор транзистора цикл записи или стирания информации и препятствует растеканию этого заряда в отсутствии потенциала на затворе хранение информации.По мере повышения степени интеграции ИС становится необходимым получение пленок подзатворного диэлектрика с хорошо контролируемыми параметрами толщиной 20-50 нм. В ряде случаев необходимо иметь качественные пленки SiO2 толщиной 5 - 100 нм под маскирующими слоями нитрида кремния для предотвращения появления дефектов в кремниевой подложке, обусловленных наличием механических напряжений.

Обычно для получения воспроизводимых по свойствам пленок в реакторах атмосферного давления подбирают соответствующие температурно-временные условия см. рис. 4. Однако необходимо учитывать, что для пассивирования ионов натрия хлором, вводимым в пленку в процессе окисления, требуются достаточно высокие температуры окисления.

Плотность окисла и концентрация дефектов в кремнии также определяются температурой.Часто применяется двухстадийный процесс сухого окисления кремния, состоящий из окисления с добавлением HCl при средних температурах около 1000 С, с последующей термообработкой в атмосфере O2, N2 и HCl при температуре 1150 С. Для получения высокооднородных пленок SiO2 с воспроизводимыми свойствами используют также реакторы пониженного давления РПД реакторы.

Окисление, проводимое в РПД, позволяет синтезировать тонкие слои SiO2 с точностью до нескольких ангстрем.Температура окисления T 900 - 1000 С, давление P 30 - 300 Па. Окислы гомогенны, аналогичны окислам, полученным в реакторах атмосферного давления, напряженность электрического пробоя пленок E 10 - 13 МВсм. Толщина синтезируемых в РПД пленок составляет 2 - 14 нм. Еще одним способом, используемым для производства тонких пленок SiO2, является их получение во влажной атмосфере, но при пониженной температуре T 750 С и атмосферном давлении P 1 МПа. Толстые окисные пленки получают, как правило, во влажной атмосфере при повышенном давлении.

По своим свойствам они более пористые, имеют меньшие значения напряженности пробоя. Такие пленки используются в биполярной технологии для создания окисной изоляции и в МОП технологии - для выращивания толстых изолирующих слоев.Верхний предел по толщине для термического окисления составляет 1-2 мкм. Пленку такой толщины получают при давлении 2106 Па при окислении в парах воды и температуре 900 С в течение 1 - 2 часов.

Свойства пленок . Основными контролируемыми параметрами пленок являются коэффициент преломления, химический состав пленки, пористость, плотность, скорость травления, напряженность поля пробоя.Значения некоторых типичных характеристик термических пленок SiO2 приведены в таблице 2. ПараметрЗначение параметраПлотность, гсм32.2Показатель преломления1.46Диэлектрическая постоянная3.82Ширина запрещенной зоны, эВ8.9Удельное сопротивление постоянному току при T 25 С, Омсм1014-1016Скорость травления в буферном растворе HF, нммин100Линия ИК поглощения, мкм9.3Коэффициент теплового расширения, С-1510-7Механические напряжения в окисле, динсм23109 Назначение и требования к металлизации.

Процесс металлизации заключается в реализации межкомпонентных соединений с низким сопротивлением и создании контактов с низким сопротивлением к высоколегированным областям p- и n- типа и слоям поликристаллического кремния.

Пример реализации металлических соединений приведен на схеме поперечного сечения полевого МОП транзистора см. рис. 1. Требования к металлизации хорошая адгезия металла на осаждаемой поверхности, отсутствие электромиграции, высокая коррозионная стойкость, стабильность на последующих стадиях процесса, простота изготовления. Используемые материалы.В кремниевых МОП и биполярных СБИС в настоящее время для металлизации часто используют алюминий и его сплавы.

Это обусловлено его низким удельным сопротивлением при комнатной температуре 2.7 мкОмсм, хорошей адгезией и низкой стоимостью.Проблемы коррозии и электромиграции решаются подбором характеристик осаждаемых материалов и разработкой методов изготовления и герметизации СБИС. Для металлизации используются также золото и многокомпонентные соединения, такие как Ti-Pt, Ti-Pd-Au, Ti-Pt-Au. Для контакта с электродом затвора или подзатворным диэлектриком обычно используют тугоплавкие металлы и их силициды.

Контактные сопротивления .Контакт металла и полупроводника в изготавливаемых схемах, как правило, являются омическими. Сопротивление такого рода контактов Rc при слабом уровне легирования полупроводника не зависит от уровня его легирования Nd и задается выражением Rc kqATexpqfkT, где A - постоянная Ричардсона, k - постоянная Больцмана, f - высота потенциального барьера на границе металл-полупроводник.При высоком уровне легирования полупроводника Nd 1019 см-3 Rc быстро уменьшается с ростом концентрации примеси по закону Rc expCfNd12, где C 4pem12h - константа.

Литература. 1. Технология полупроводниковых и диэлектрических материалов Ю.М. Таиров В.Ф.Цветков Москва Высшая школа 1990г 2. Оборудование полупроводникового производства Блинов, Кожитов, МАШИНОСТРОЕНИЕ 1986г 3. Методы определения основных параметров полупроводниковых материалов. Л.П.Павлов. Москва.Высшая школа. 1975г Содержание 1 Преимущества кремниевой технологии.

Требования к кремнию как материалу для микроэлектронной промышленности стр.1. 2 Получение металлургического и электрического кремния стр.2 3 Производство монокристаллов кремния стр.3 - рост кристаллов методом Чохральского - оборудование для выращивания монокристаллического кремния - технология процесса - легирование 4 Кристаллическая структура кремния стр.6 5 Технология получения кремния методом зонной плавки стр.7 6 Диффузия стр.9 7 Эпитаксия стр.10 - причина появления технологии изготовления эпитаксиальных пленок и их преимущества 8 КНИ технология стр.16 9 Использование в производстве СБИС стр.18 10 Оборудование для термического окисления стр.19 11 Назначение и требования к металлизации стр.24 12 Литература стр.25. Министерство образования РФ ГОУ СПО Волгоградский Государственный Экономико-Технический колледж Технология СБИС Выполнил студенты 2-го курса Гр.211-Тс МОТОРИН Святослав ВАШУРИН Денис СЕНАТОРОВ Артем Проверил УТИШЕВА Н.В. ВОЛГОГРАД 2006.