Технические дисциплины - Микроэлектроника

лекц.5.

3.3.2. Подготовка пластин (подложек)

Основные этапы:

-         получение сверхчистых материалов;

-         выращивание монокристаллов;

-         изготовление пластин;

-         обработка рабочей поверхности пластин (подложек).

Сверхчистые материалы в микроэлектронике это такие материла, содержание основного вещества в которых составляет не менее 99.9999%. Принятое международное обозначение 7N, 8N, 9N, где цифра означает число девяток содержания основного материала (например, Ga-7N это галлий с содержанием основного материала 99.99999%). Для микроэлектроники необходимо получать очень большое число разных сверхчистых материалов, таких как: Si, Ga, As, Ge, In, P, Al, B, Cd, Zn, Bi, Pb и некоторые другие. Поскольку большинство ИМС изготавливается из кремния (около 90%) и только 10% микросхем изготавливается из полупроводниковых соединений типа (или), то логично более подробно рассмотреть процесс получения сверхчистого кремния (тем более что Si является самым чистым материалом, который научились получать люди).

Кремний в виду своих преимуществ наиболее широко используется в микроэлектронике. Кремний получают с содержанием основного материала (911)N. Начиная с 9N не существует методов прямого  измерения (контроля) содержания примеси. Далее идет косвенное измерение содержания примеси по удельному сопротивлению. Кремний очень чистый, если его удельное сопротивление   r= . Это соответствует (1011)N и концентрации примесей  > 1013см-3. Кремний получают из кварцевого песка.

Сначала обработкой в дуговой печи получают кремний  с содержанием примеси 1% (т.е. 2N).

Второй этап – химическая обработка. Кремний обрабатывают в атмосфере хлористого водорода

Si + 4HCl               SiHCl3 +  H2

При этом образуется химическое соединение трихлорсилан (SiHCl3). Это легко летучая жидкость с температурой кипения 32°C.  Ее подвергают дистилляции (перегонке), очищая от всех других хлорных соединений и примесей. Затем трихлорсилан пропускают через установку, в которой размещается кремниевая затравка при температуре   8001000°C.

SiCl4+H2               Si+4HCl+H2 На затравке выделяется кремний электронного качества, с удельным сопротивлением r@(35) . (Более совершенная, но опасная технология, когда  вместо SiHCl3 получают силан (SiH4) и его подвергают перегонке. При этом сразу получают кремний с удельным сопротивлением r=(35) ).

Следующая ступень очистки Si –зонная плавка. Позволяет в 35 раз повысить чистоту материала.

Завершающая стадия очистки совмещена с выращивание монокристалла (по методу Чохральского).

Выращивание производиться в тиглях из нейтрального тугоплавкого материала (нитрит бора, гексоборид лантана). Высота выращиваемого монокристалла кремния составляет несколько метров, диаметр чуть больше диаметра будущей подложки. Затем кристалл обтачивают до нужного диаметра на станках и выполняют на нем базовые срезы.

 

Далее:

-         Резка МК на пластины толщиной 0.3-0.8 мм;

-         шлифовка с двух сторон (по 20 мкм);

-         плазмохимическое травление (по 10 мкм), для удаления слоев с  нарушенной кристаллической решетке при шлифовке;

-         полировка рабочей поверхности до высшего класса чистоты (волнистость не более 5 мкм на всей поверхности пластины);

-         очистка поверхности (химическая, термическая и плазменная);

-         контроль чистоты и степени совершенства кристаллической структуры.

 

 

Основные технологические этапы обрабатывающей фазы.

3.3.3.Эпитаксия.

Эпитаксия – выращивание монокристаллической пленки на монокристаллической подложке.

Существуют три вида эпитаксии:

-   газо-фазовая эпитаксия (ГФЭ);

-   жидко фазовая эпитаксия (ЖФЭ);

-   молекулярно-лучевая (МЛЭ).

 

Газо-фазовая эпитаксия – это восстановление газообразных соединений кремния на нагретой подложке.

 

T=800-1000°C

SiCl4+H2 Si+HCl+H2

Поддержание температуры должно быть на уровне ±1°С. В качестве легирующих примесей могут добавляться: бор (В), фосфор (Р), мышьяк (As),  в виде соответствующих газообразных химических соединений (диборан - B2H6,фосфин - PH3,арсин - AsH3 и др.). Вещества весьма ядовитые, предельная допустимая концентрация (ПДК) этих примесей = (0,10,5) ррm (на уровне боевых отравляющих веществ).

 

Газо-фазовая эпитаксия бывает двух видов:

- при высоких давлениях (атмосферное);

- при низких давлениях (10-2-10-4 мм рт. ст.).

ГФЭ при низких давлениях – старый, хорошо отработанный, относительно дешевый способ. Однако производительность процесса не очень высокая, так как нельзя загрузить в установку большое количество подложек. Зона рабочих температур, обеспечивающих равномерный (по толщине) рост пленки ограничена. При даже небольшом перепаде температур  толщина пленки на разных подложках будет не одинаковой, а в результате разброс параметров ИМС. Располагать подложки очень близко друг от друга тоже нельзя из-за низкого коэффициента диффузии осаждаемого вещества при атмосферном давлении. При слишком близком расположении подложек толщина пленки становится не одинаковой на краях и в центре подложки. Результат тот же - разброс параметров ИМС.

При низких давлениях производительность Можно повысить почти на порядок, так как подложки можно располагать значительно ближе друг к другу. Такая возможность появляется, потому что при давлениях 10-2-10-4 мм рт. ст. коэффициент диффузии значительно выше, чем при атмосферном давлении. Кроме того, при низких давлениях резко снижается загрязнение поверхности сорбированными газами, что является вторым недостатком ГФЭ при высоких давлениях.

Общими недостатками ГФЭ  являются:

- очень высокая температура процесса, поэтому происходит размытие ранее сформированных слоев за счет термодиффузии ране внедренных примесей - это главный недостаток.

- происходит загрязнение подложек механическими частицами кремния. Так как часть SiHCl3 разлагается вблизи подложки в газовом потоке, и частицы Si попадают на подложку, закрывая кусок микросхемы. Следовательно, на подложке образуется брак.

Жидко фазовая эпитаксия (ЖФЭ) – это кристаллизация вещества из пересыщенного расплава.

ЖФЭ используется для получения соединений типа. Этот метод требует, чтобы материал-растворитель не обладал высокой температурой плавления.

Температура плавления галлия(Ga)составляет: Tпл= 29.5°C.

Температура плавления индия(In):Tпл=155°С.

В качестве растворителя берется Ga, в него помещается арсенид галлия(GaAs) и все это нагревается до температуры порядка 800°C.В результате GaAs полностью растворяется. При уменьшении температуры раствор становится пересыщенным и на подложке из GaAs кристаллизуется слой GaAs

 

Преимущества ЖФЭ. Данный метод по сравнению с ГФЭ существенно  уменьшает загрязнение пленки газами.

Также ЖФЭ проводится при  более низкой температуре, следовательно, нет размытия ранее сформированных слоев.

Недостаток ЖФЭ.

Ограничен круг материалов, которые можно получить с помощью данного метода. Это только соединения.

 

Молекулярно-лучевая эпитаксия (МЛЭ) - это формирование пленок из паровой фазы в сверхвысоком вакууме при давлении 10-10- 10-12 мм.рт.ст.

Преимущества МЛЭ:

- высокая чистота получаемых пленок;

- возможность в процессе роста легировать пленку по любому закону распределения примеси в пленке (без закона убывания концентрации);

- процесс происходит при низкой температуре порядка 400°С, поэтому размытия слоев за счет термодиффузии не происходит;

- возможность контроля растущих слоев в процессе МЛЭ (можно контролировать кристаллографические направления, концентрацию примеси и т. д.)

Недостатки МЛЭ.

Низкая производительность, высокая стоимость оборудования.

МЛЭ применяется для изготовления уникальных микросхем. Не используется для массового производства.

3.3.4.Окисление.

Окисление- это получение на поверхности кремния сплошной бездефектной пленки двуокиси кремния толщиной 0.1-1 мкм. Возможность получения качественной окиси на Si является одной из главных причин широкого использования Si в микроэлектронике.

Цели создания (SiO2):

-         создание защитных масок для проведения различных процессов;

-         создание изолирующих слоев (например, между металлизацией);

-         создание слоев защищающих  выходы p-n-переходов на поверхность кристалла;

-          создание пассивирующих слоев, которые предохраняют чипы от контакта с газами атмосферы.

Существуют два варианта окисления:

-в сухом чистом кислороде, при этом  скорость роста пленки составляет 0,8 0,5 мкм/мин;

-в увлажненном кислороде (O2+H2O), при этом  скорость роста пленки составляет 1 3 мкм/мин.

В первом случае пленка получается бездефектной, а во втором случае более рыхлой.

Для выполнения изоляции между слоями требуется сухой кислород. Для других случаев сначала используется сухой, а затем увлажненный кислород. Это делается для увеличения скорости роста пленки.

 

 

Лекции полностью!

 

Добавить комментарий


Защитный код
Обновить