Технологический процесс изготовления эпитаксиально — планарного транзистора

Типы структур ИМС.

Среди планарных структур, в которых использованы биполярные транзисторы, исторически более ранней является диффузионно-планарная структура. Функции изоляции в ней выполняют р-n-переходы, ограничивающие области отдельных элементов и смещенные в обратном направлении. Для получения обратного смещения в области подложки, разделяющей элементы формируется омический контакт, связанный с наиболее низким потенциалом источника питания, а к изолирующим областям резисторов с помощью контактов подводится высокий потенциал.

В качестве исходной заготовки используют пластину монокристаллического кремния, равномерно легированного акцепторной примесью (дырочная электропроводность). После того как на заготовку нанесен слой окиси кремния Si02, методом фотолитографии в этом слое избирательно вытравливают участки прямоугольной формы и через образовавшиеся окна путем термической диффузии вводят атомы примеси-донора. Процесс диффузии совмещают с термическим окислением кремния, в результате которого на поверхности вновь образуется сплошной слой окисла. Таким образом, одновременно создаются коллекторные области всех транзисторов, а также изолирующие области всех диодов и резисторов для всех кристаллов групповой пластины. Вторичным вскрытием окон меньших размеров в окисле и последующей диффузией примеси-акцептора формируют р-области, выполняющие роль базовых областей транзисторов, анодов диодов и резисторов. В результате очередного (третьего) цикла фотолитографии, диффузии и окисления получают области эмиттеров, катоды диодов, а также высоколегированные области для последующего создания омических контактов к высокоомным коллекторным и изолирующим областям.

Для создания межэлементных связей в слое окисла вновь вскрывают окна и плоскость пластины покрывают сплошной металлической пленкой (обычно алюминиевой). При этом в местах, свободных от окисла, образуется контакт с соответствующими областями кремния. Заключительный цикл фотолитографии (по пленке алюминия) позволяет создать систему межсоединений, а также контакты по периферии кристаллов. Эти контакты будут использованы для коммутации кристаллов с внешними выводами корпуса.

Планарный транзистор (независимо от типа структуры) имеет коллекторный контакт в одной плоскости с базовым и эмиттерным контактами. Вследствие этого коллекторный ток преодолевает протяженный горизонтальный участок дна коллекторной области (под дном базы), имеющий малые поперечные размеры.

В диффузионном коллекторе концентрация активной примеси распределена по глубине неравномерно: она максимальна на поверхности и равна нулю на дне коллектора, — поэтому слой коллектора под базой имеет высокое сопротивление, что увеличивает напряжение насыщения и время переключения транзистора.

Равномерное распределение примеси по толщине коллектора может быть получено с помощью процесса эпитаксиального наращивания кремния с дозированным количеством донорной примеси. Такой процесс применяют для создания эпитаксиально-планарной структуры.

Чтобы получить простейшую эпитаксиально-планарную структуру, в качестве исходной заготовки надо использовать монокристаллическую пластину кремния, равномерно легированную акцепторной примесью. Для нанесения эпитаксиального слоя на одну из сторон пластины ее освобождают от окисла и тщательно очищают (рис. 2.1), после чего проводят осаждение монокристаллического слоя кремния n-типа. Далее поверхность пластины окисляют и методом фотолитографии вскрывают окна в виде узких замкнутых дорожек, соответствующих контуру коллекторных и изолирующих областей ИМС. Проводя через окна диффузию акцепторной примеси до смыкания ее с р-областью, получают таким образом изолированные друг от друга островки равномерно легированного эпитаксиального n-кремния.

Таблица 2.2.

Таблица 2.3. Транзистор на основе МДП-структуры

Схема структуры.	Оборудование, метод.
	Пластина монокристаллического кремния с нанесенной окисью кремния.
	Нанесение диэл. маски, используя высокую температуру окисления и фотолитографию.
	Внедрение n+ путём эпитаксиальной планарной технологии и очистка от диэлектрика.
	С помощью газовой эпитаксии делаем наращивание слоя n.
	Используя процесс фотолитографии и плазмохимического наращивания, наносим диэлектрическую маску.
	С помощью плазмохимического осаждения и фотолитографии положим диэлектрич. Маску.
	С помощью ВТД внедряем атомы ионирующего элемента и удаляем диэлектрик.
	Используя высокую температуру окисления положим диэлектрическую маску.
	С помощью магнетронного распыления и фотолитографии наносим тонкое металлическое покрытие.

Эпитаксия.

Эпитаксия — это процесс осаждения атомарного кремния на монокристалическую кремниевую пластину, при котором получают пленку, являющуюся продолжением структуры пластины. Практическое значение имеет случай, когда легированная эпитаксиальная пленка выращивается на легированной пластине, т. е. когда одновременно с атомами кремния в росте кристалла принимают участие и атомы легирующего элемента. При различных видах примеси в пластине и в выращиваемой пленке на границе их раздела образуется p-n переход. Таким образом, в эпитаксиально-планарных структурах тонкий эпитаксиальный слой (2−10 мкм) содержит элементы ИМС, а подложка толщиной -500мкм играет конструкционную роль.

В зависимости от агрегатного состояния источника атомов полупроводника и примеси для растущей пленки различают эпитаксию из газовой, жидкой и твердой фаз. Промышленное применение нашли газофазная (ГФЭ) и жидкофазная (ЖФЭ) эпитаксии.

При ГФЭ атомы кремния и примеси выделяются на пластине в результате химических реакций из соединений кремния и легирующего элемента. Для совершенства структуры важно прежде всего, чтобы в достройке участвовали одиночные атомы, а не их группы.

Основные условия, обеспечивающие совершенство структуры эпитаксиального слоя, следующие:

Химические реакции выделения атомов кремния и примеси должны быть гетерогенными (выделение атомов происходит непосредственно на пластине), исключающими образование агломератов (групп атомов);

Необходимы высокая температура пластины и ограниченная скорость осаждения атомов, обеспечивающие высокую подвижность адсорбированных атомов на пластине.

С поверхности пластины должны быть устранены механические повреждения и различного рода загрязнения.

Гетерогенную реакцию, протекающую на границе газообразной и твердой фаз, можно условно представить в виде следующих стадий:

• · Перенос веществ, участвующих в реакции, к поверхности пластины;
• · Адсорбция поверхностью реагирующих веществ;
• · Реакции на поверхности пластины;
• · Десорбция молекул побочных продуктов;
• · Перенос побочных продуктов в основной поток газа;
• · Занятие атомами узлов кристаллической решетки.

Такая схема реализуется в установках с непрерывной подачей рабочей смеси через реактор (метод открытой трубы).

Фотолитография.

Как следует из схемы, перенос рисунка фотошаблона в поверхностный слой пластины происходит в три стадии: экспонирование фотослоя через фотошаблон и образование скрытого изображения; проявление и задублирование рисунка, т. е. формирование защитной фотомаски; травление поверхностного слоя пластины на незащищенных участках.

На каждой стадии процесса действуют факторы, искажающие исходный рисунок фотошаблона. Так при экспонировании имеют место явления дифракции, преломления и отражения света, приводящие к изменению размеров элементов рисунка и размытости их краев. На этапе проявления и задублирования искажения размеров обусловлены набуханием фотослоя и усадкой фотомаски при последующей тепловой обработке. При травлении главным фактором является боковое подтравливание под маску. Условия, в которых проходит обработка на различных стадиях, изменяются как от пластины к пластине, так и в пределах одной групповой пластины, что приводит к разбросу размеров элементов рисунка.

Если наименьшие по размерам элементы рисунка соизмеримы с этими погрешностями, то их нельзя воспроизвести на пластине достаточно четко. Таким образом, для воспроизводимости переноса элементов рисунка малых размеров с фотошаблона на пластину фотолитографический процесс должен обладать соответствующей разрешающей способностью. Ее оценивают максимальным числом линий, раздельно воспроизводимых в пределах 1 мм:

где amin — ширина линии (мкм). На практике разрешающую способность часто характеризуют просто значением amin.

Диффузия.

Целью проведения диффузии (за исключением особых случаев) является внедрение атомов легирующего элемента в кристаллическую решетку полупроводника для образования области с противоположным по отношению к исходной области типом электропроводности. При этом вновь образованная область оказывается ограниченной p-n переходом. Количество введенной примеси должно быть достаточным для компенсации влияния примеси в исходном материале и для создания избытка примеси, обеспечивающего электропроводность противоположного типа. Значение проводимости диффузионной области определяется концентрацией избыточной (нескомпенсированной) примеси.

Так как скорость процесса диффузии очень мала, концентрация введенной примеси монотонно убывает в направлении от поверхности, через которую проходит диффузия, в глубь кристалла. Переход образуется на глубине Xпер, где.

концентрация введенной примеси оказывается равной концентрации исходной примеси Nисх.

В качестве легирующих примесей выбирают элементы, имеющие достаточно высокую скорость диффузии и хорошую растворимость в полупроводнике при температуре диффузии. Для получения диффузионных областей с дырочной электропроводимостью в кремнии используют элементы-акцепторы B, ln, Ga, во внешних электронных оболочках которых не достает одного валентного электрона для создания ковалентной связи с атомом четырехвалентного кремния. Для обеспечения электронной электропроводимости можно использовать P, As, Sb, т. е. элементы, имеющие избыточный валентный электрон по сравнению с кремнием.

Атом примеси, проникший в глубь кристалла, способен генерировать свободный носитель заряда (электрон или дырку) только в том случае, если он займет место в узле кристаллической решетки. Высокая плотность вакансий в кремнии является поэтому обязательным условием получения высоколегированных диффузионных областей.

В качестве источников диффузии применяют различные соединения (ангидриды, галогениды, гидриды) легирующего элемента, обладающие достаточной летучестью и позволяющие обеспечить нужную концентрацию примеси. Такие соединения называют диффузантами.

В зависимости от состояния при температуре 20єС различают твердые, жидкие и газообразные диффузанты.

Общим недостатком твердых диффузантов (B2O3, P2O5) является трудность регулирования паров и, как следствие, пониженная воспроизводимость результатов диффузии. Кроме того, для их испарения требуется высокая и стабильная температура, что усложняет и удоражает оборудование. Обычно используют двухзонные диффузионные печи с камерой источника и камерой диффузии, каждая из которых имеет автономную систему нагрева и регулирования температуры.

При работе с жидкими диффузантами (BBr3, PBr3,), обладающими высокой упругостью пара при невысоких температурах, применяют более простые, однозонные, печи.

Наиболее технологичны газообразные диффузанты (B2H6, PH3), регулирование концентрации которых достигается наиболее простыми средствами.

Металлизация.

Металлизация — это нанесение на кремниевую пластину, на которой сформированы структуры, сплошной металлической пленки для получения качественных омических контактов с элементами ИМС, а также электропроводящего покрытия, надежно сцепляющегося с пленкой SiO2. Предварительно в окисной пленке методом фотолитографии создают окна под будущие электрические контакты металла с кремнием.

Фотолитография по металлической пленке обеспечивает требуемую конфигурацию проводников межсоединений, а также формирует по периферии кристалла контактные площадки, необходимые для присоединения ИМС к внешним выводам корпуса.

Металл, используемый для получения межсоединений, должен отвечать следующим требованиям:

• · Иметь высокую проводимость с удельным поверхностным сопротивлением
• · Обеспечивать нормальное функционирование межсоединений при плотностях тока

• · Обеспечивать омические контакты с nи pобластями кремния;
• · Быть технологичным при нанесении, избирательном травлении и термообработке, а также при создании электрических соединений с внешними выводами корпуса;
• · Не подвергаться коррозии, а также окислению, способному заметно повысить сопротивление контакта;
• · Не образовывать химических соединений с кремнием, снижающих механическую прочность контактов и проводимость;
• · Иметь высокую адгезию к пленке SiO2;
• · Быть прочным, не подверженным механическим повреждениям (вмятинам, царапинам) и разрушению при циклических изменениях температуры.

Металл, который отвечал бы всем перечисленным требованиям подобрать нельзя. Наиболее полно им отвечает высоко чистый алюминий марки А99.

Алюминий имеет удельное сопротивление равное Благодаря способности окисляться он имеет высокую адгезию к SiO2. В результате операции вжигания обеспечивают прочное сцепление Al с кремнием в контактных окнах. При этом алюминий способен восстанавливать кремний из окисла, следы которого могут быть на поверхности пластины, что обеспечивает в конечном счете хороший омический контакт с кремнием.

Периферийные контакты являются состовной частью рисунка межсоединений и служат для присоединения проводящих перемычек, соединяющих интегральную микросхему, заключенную в кристалле, с внешними выводами корпуса или контактными площадками. В полупроводниковых ИМС периферийные контакты не имеют дополнительных покрытий, их получают одновременно с проводниками межсоединений. Размеры и расположение периферийных контактов обусловлены технологическими требованиями, а также расположением выводов корпуса. Обычно их выполняют квадратными с размерами, обеспечивающими, во-первых, достаточную площадь контакта с перемычкой и, следовательно, прочность и надежность сварного соединения, а во-вторых, отсутствие влияния погрешности совмещения перемычки и контакта на площадь контактирования.

Окисление.

Общим для диэлектрических пленок различного назначения является требование технологичности, под которым понимают прежде всего совместимость процессов получения покрытия с изготовлением структуры ИМС в целом. Технологичными следует также считать процессы, осуществляймые при невысоких температурах нагрева пластины и обеспечивающие приемлемую для производства скорость роста пленки. Загрязнения пленки, ухудшающие электрические свойства, должны отсутствовать. Поэтому химическое и электрохимическое выращивание пленок в растворах и электролитах при производстве полупроводниковых ИМС находит ограниченное применение.

Эксплуатационным требованиям достаточно полно отвечает окись кремния, получаемая при нагревании его поверхности в присутствии кислорода (термическое окисление). Термически выращенный окисел кремния обладает наилучшими маскирующими свойствами и высокими электрическими параметрами. Склонность окиси кремния к стеклообразованию способствует получению безпористой пленки. Хорошая растворимость окиси в плавиковой кислоте позволяет эффективно использовать ее в качестве маски при селективном травлении кремния.

Процесс окисления выполняют в эпитаксиальных установках или в однозонных диффузионных печах со специальными газорапределительными устройствами. На практике разгонку примеси при диффузии совмещают с окислением поверхности подложек. Окисление поверхности после эпитаксии также выполняется на одной установке в едином цикле.

Различают несколько типов термического окисления:

Термическое окисление в сухом кислороде — обладает наименьшей скоростью окисления. Преимущество — высокое качество пленки и ее высокая плотность Термическое окисление в атмосфере водяного пара — окисление кремния существенно ускоряется. Более высокая скорость роста пленки объясняется меньшим диаметром молекулы окислителя. Недостатком является необходимость использования герметичных и высокопрочных реакторов вместо технологичных проточных систем.

Термическое окисление в атмосфере влажного кислорода — компромисное решение, обеспечивающее комбинированный процесс.