Разработка конструкции и технологического процесса изготовления диффузионного резистора

1. Исходные данные для проектирования

2. Описание и анализ конструкции диффузионного резистора

3. Предварительный расчет полупроводникового диффузионного резистора

4. Оптимизация конструкции диффузионного резистора

5. Разработка основных этапов технологического процесса изготовления диффузионного резистора в составе ИМС

Заключение

1. Исходные данные для проектирования Разработать конструкцию и выбрать технологический процесс изготовления диффузионного резистора в составе ИМС. Программа выпуска — 50 000 шт. в год. Выпуск ежемесячный.

Параметры резистора:

ѕ номинал: 500 Ом;

ѕ погрешность: ± 10%;

ѕ граничная частота не менее: 450 МГц;

ѕ паразитная емкость не более: 0.1 пФ;

ѕ выполнить оптимизацию конструкции резистора по критерию «минимальная площадь»;

ѕ резистор должен иметь элементы связи с другими ИМС;

ѕ материал: КДБ 10;

ѕ минимальная ширина окна в окисле под резистор 14 мкм.

2. Описание и анализ конструкции диффузионного резистора Интегральные резисторы — группа резисторов с различными номиналами, изготовленных на общем основании (пассивной подложке, полупроводниковом кристалле) одновременно, в общем технологическом процессе, что осуществляется благодаря общему для всех резисторов резистивному слою, который может быть создан избирательно с помощью масок и трафаретов или нанесен в виде сплошной пленки с последующим избирательным травлением (фотолитографией). Среди интегральных резисторов выделяют следующие разновидности:

§ диффузионные резисторы;

§ эпитаксиальные резисторы;

§ пинч-резисторы;

§ эпитаксиальные пинч-резисторы;

§ другие.

Остановимся подробнее на диффузионных резисторах.

Рис. 1. Структура (а) и топология (б) диффузионного резистора Рис. 2. Поперечный разрез диффузионного резистора на основе базовой области.

Диффузионные полупроводниковые резисторы формируются в результате диффузии примеси через предварительно вытравленные в оксиде кремния окна (оксидная маска), расположенные по поверхности кремниевой групповой пластины. Диффузионные резисторы изготовляют одновременно с базовой или, что реже, с эмиттерной областью. Это связано с требованиями интегральной технологии, в частности с необходимостью минимизировать число операций. Сопротивление диффузионного резистора представляет собой объемное сопротивление участка диффузионного слоя, ограниченного p-n-переходом. Оно определяется геометрическими размерами резистивной области и распределением примеси по глубине диффузионного слоя, которое, в свою очередь, характеризуется поверхностным сопротивлением R_сл. Значение R_сл является конструктивным параметром резистора, зависящим от технологических факторов (режима диффузии) и, к тому же, жестко предопределенным параметрами слоя транзистора, поэтому параметры резисторов улучшают не варьированием технологических режимов, а выбором конфигурации и геометрических размеров резистора.

3. Предварительный расчет полупроводникового диффузионного резистора На начальном этапе конструирования определяется поверхностное сопротивление R_сл базовой области. Сначала определяем условную дозу легирования Q_п, т. е. количество примеси, приходящееся на 1 см² в пределах от 0 до Х_б, где Х_б — толщина базовой области, которая для диффузионных резисторов обычно лежит в пределах от 2.5 до 3.5 мкм. Мы же для начала возьмем толщину базы 3 мкм. Формула для вычисления Q_п имеет вид:

Здесь N (x) — функция распределения примеси по глубине;

Q — полная доза легирования, установим ее значение 5.32*10¹⁴ см^-2;

D_p и t_p — соответственно коэф-т диффузии и время в процессе разгонки примеси (в нашем случае они соответственно равны 10^-12 см²/с и 4000 с).

После замены переменных и dх/(2D_p t_p) = d приходим к выражению:

где erf v — функция ошибок, которая выбирается из таблицы:

В нашем случае, по таблице выбираем функцию ошибок: efr (2.4)=1−0.69=0.999;

Подставляя в выражение для Q_п значения параметров, указанных выше, получим:

Q_п = 5.318*10¹⁴ см^-2

Среднее значение концентрации примеси в пределах 0… x_б равно

N_ср = 5.318*10¹⁴ см^-2/ 3*10^-4 см = 1.7726*10¹⁸ см^-3

Эффективная концентрация примеси, определяющая электропроводность области:

N_ср.эф. = N_ср — N_к = 1.7726*10¹⁸ см^-3 — 10¹⁶ см^-3 = 1.7626 см^-3,

где N_к — концентрация примеси в коллекторе (10¹⁶ см^-3).

Удельное объемное сопротивление базовой области

_Б = 1/(q_pN_ср.эф)

где q = 1,610^-19 Кл — заряд электрона;

_p = f (N) — подвижность основных носителей (дырок), см²/(Вс);

Суммарная концентрация примеси в базовой области:

N_? = N_ср + N_к = 1.7726*10¹⁸ см^-3 + 10¹⁶ см^-3 = 1.7826*10¹⁸ см^-3,

Для кремния при Т = 300 К подвижность дырок определяем по формуле:

_p = 47.7+447.3/[1+(N/6.310¹⁶)^0.76]

_p =80 см²/Вс Удельное объемное сопротивление базовой области:

?_б = 1/(q*?_p*N_ср.эф.) = 1 /(1.6*10^-19Кл * 80 см²/В*с * 1.7626*10¹⁸см^-3) = 0.0443 Ом*см Удельное поверхностное сопротивление:

R_СЛ = _Б/х_Б

R_СЛ = 148 Ом Перейдем к проектированию геометрической конструкции резистора. Т.к. номинал резистора по условию задан с погрешностью 10%, то выбираем ширину линейной части резистора:

a = 10x_б = 30 мкм.

Минимальная ширина окна в окисле также задана в условии:

L₁ = 14 мкм (14×14 мкм).

Взяв значения абсолютной предельной погрешности размеров элементов топологического рисунка на кремниевой пластине ?_пл = 1 мкм и абсолютной предельной погрешности совмещения двух смежных топологических слоев ?_с = 2 мкм производим дальнейшие расчеты.

Ширина металлического проводника:

L_п = L₁ +2 ?_пл + 2 ?_с

L_п = 14 мкм + 2 мкм + 4 мкм = 20 мкм Размер контактной области:

L₂ = L_п +2 ?_пл + 6 ?_с

L₂ = 20 мкм + 2 мкм + 12 мкм = 34 мкм Сопоставив размер контактной области и ширину резистора, выберем конфигурацию резистора, представленную на рис 3.

Из соотношений L₂ / a и L₁ / a с помощью специальной номограммы:

Рис. 4. Нонограмма для определения коэффициента контактной области.

определяем К — коэффициент контактной области, он равен 0.3, и следующим шагом рассчитываем длину линейной части резистора:

L = (R — 2K*R_сл)* a / R_сл

L = (500 — 2*0.3*148)*30/148 мкм = 83.4 мкм

S = (L + 2*L₂)*L₂

S = 5147.6 мкм²

Это были лишь предварительные расчеты, являющиеся скорее примером расчета, нежели определением реальных параметров резистора, т.к. теперь нам предстоит провести оптимизацию конструкции диффузионного резистора с учетом критерия оптимизации — необходимости получения минимальной площади.

4. Оптимизация конструкции диффузионного резистора Из-за тесной связи диффузионных резисторов с диффузионными транзисторами на этапе проектирования резисторы модернизируют изменением не технологических режимов, а геометрических параметров, поэтому оптимизацию конструкции будем вести с учетом влияния следующих параметров:

· толщина слоя, Х_б

· ширина линейной части резистора, a

· размеры и форма контактной области, L₁, L_П, L₂

Также следует учесть, что разброс этих параметров ограничен, например, толщина слоя х_б диффузионных резисторов обычно лежит в пределах 2.5 … 3.5 мкм, ширина линейной части резистора должна быть больше 10х_б (при погрешности 10%, заданной в условии), и даже на длину резистора накладывается ограничение снизу: она не может превышать размеров активной области кристалла (1−5 мм). То есть, исходя из этого нам предстоит установить влияние различных параметров на площадь резистора и принять ту конструкцию, при которой габаритные размеры резистора минимальны.

Существует несколько методов проведения оптимизации, среди которых «метод Мотне-Карло», «метод наискорейшего спуска» и т. д. Мы же выберем один из самых несложных с точки зрения математики методов — «метод последовательных приближений», суть которого заключается в последовательном изменении параметров, т. е. в проведении множества итераций.

Чтобы не вести расчеты «с чистого листа» при проведении таких итераций будем отталкиваться от произведенного выше предварительного расчета.

Итерация 1

Установим влияние толщины базового слоя на площадь резистора. Для этого, не изменяя прочих параметров, примем х_б = 2.5 мкм.

х_б = 2.5 мкм

Q_п = 5.295*10¹⁴ см^-2

N_ср = 2.118*10¹⁸ см^-3

N_{ср. эф.} = 2.108*10¹⁸ см^-3

N_? = 2.128*10¹⁸ см^-3

? _р = 76.5 см²/ В*с

?_б = 0.0388 Ом*м

R_сл = 155 Ом

a = 30 мкм

L₁ = 14 мкм

L₂ = 34 мкм

L = 78.8 мкм

S = (L + 2*L₂)*L₂ = 4999.1 мкм²

Площадь резистора при уменьшении размера х_б уменьшилась.

Теперь попробуем рассчитать резистор при х_б = 3.5 мкм Итерация 2

Примем х_б = 3.5 мкм х_б = 3.5 мкм

Q_п = 5.319*10¹⁴ см^-2

N_ср = 1.520*10¹⁸ см^-3

N_{ср. эф.} = 1.510*10¹⁸ см^-3

N_? = 1.530*10¹⁸ см^-3

? _р = 84.1 см²/ В*с

?_б = 0.049 Ом*м

R_сл = 141 Ом

a = 30 мкм

L₁ = 14 мкм

L₂ = 34 мкм

L = 88.4 мкм

S = (L + 2*L₂)*L₂ = 5317.6 мкм²

С помощью двух итераций и предварительного расчета мы установили, что площадь резистора пропорциональна толщине базового слоя. С учетом этого принимаем окончательное решение по этому параметру:

х_б = 2.5 мкм Итерация 3

Затем при уже определенной толщине базового слоя оценим влияние ширины линейной части резистора на его геометрию. Для начала возьмем минимально возможные 25 мкм.

х_б = 2.5 мкм

R_сл = 155 Ом

a = 25 мкм

L₁ = 14 мкм

L₂ = 34 мкм

L₂/a = 1.36

L₁/a = 0.56

K = 0.4

L = 60.6 мкм

S = (L + 2*L₂)*L₂ = 4372.4 мкм²

Уменьшение ширины линейной части резистора привело и к уменьшению ее длины и к уменьшению площади всего резистора. Проверим, случайно ли это. Пусть a = 34 мкм

Итерация 4

х_б = 2.5 мкм

R_сл = 155 Ом

a = 34 мкм

L₁ = 14 мкм

L₂ = 34 мкм

L₁/a = 0.41

K = 0.35

L = 85.8 мкм

S = (L + 2*L₂)*L₂ = 5229.2 мкм²

Наше предположение верно: при увеличении ширины длина резистора, его габариты и площадь, им занимаемая, действительно увеличиваются, поэтому принимаем окончательное решение:

a = 25 мкм

Дальнейшие итерации должны помочь нам установить зависимость площади, занимаемой резистором, от формы и размеров контактных областей. Сначала увеличим размеры окна в окисле L₁, оставив L₂ неизменным:

Итерация 5

х_б = 2.5 мкм

R_сл = 155 Ом

a = 25 мкм

L₁ = 20 мкм

L₂ = 34 мкм

L₂/a = 1.36

L₁/a = 0.8

K = 0.25

L = 68.1 мкм

S = (L + 2*L₂)*L₂ = 4627.4 мкм²

По сравнению с итерацией 3 площадь резистора увеличилась, следовательно увеличивать размеры окна в окисле бессмысленно.

Итерация 6

Остался последний путь возможного уменьшения площади — изменение размера L₂. Исходя из анализа всевозможных конструкций контактных областей, приходим к следующему выводу — L₂ не может быть меньше a (конструкция, приведенная на рис.4):

х_б = 2.5 мкм

R_сл = 155 Ом

a = 25 мкм

L₁ = 14 мкм

L₂ = 25 мкм

L₁ / a = 0.56

K = 0.3

L = 65.6 мкм

S = (L + 2*L₂)*L₂ = 2890 мкм²

Следовательно, вопрос уменьшения площади диффузионного резистора упирается в технологию. Чем она совершеннее, тем меньше допуск на номинал резистора: например, если в нашем случае допуск был бы равен 5%, то ширину линейной части резистора можно было бы принять равной 12.5 мкм. Улучшением технологии можно добиться уменьшения размера L₁, ведь нормативный минимум, равный 5 мкм, почти в 3 раза меньше заданных в условии, т. е. имеющимися в распоряжении разработчика технологиями, 14 мкм. Не стоит забывать также и о погрешностях ?_пл и ?_с, которые также находятся в непосредственной зависимости от того, в каких условиях, на каком оборудовании и каким методом ведется изготовление ИМС.

Итак, оптимизация конструкции диффузионного резистора по критерию минимальной площади проведена. В итоге были установлены следующие значения геометрических параметров:

х_б = 2.5 мкм

a = 25 мкм

L₁ = 14 мкм

L_П = 18 мкм

L₂ = 25 мкм

L = 65.6 мкм

S = 2890 мкм²

Проверим, удовлетворяет ли резистор условию по паразитной емкости и граничной частоте:

C_R ~ (2 … 4)*10^-4 пФ / мкм² * S_R = 0.57 пФ Паразитная емкость равна по порядку заданной в условию, что удовлетворительно.

Граничная частота равна:

f_ГР = 1/(2?R C_R)

f_ГР = 558.4 МГц (> 450 МГц по условию)

5. Разработка основных этапов технологического процесса изготовления диффузионного резистора в составе ИМС Опишем базовый процесс формирования диффузионного резистора:

Исходным материалом служит пластина кремния р-типа.

К пластинам предъявляют следующие требования:

1. Совершенная кристаллическая решетка, плотность дислокаций не более 10 см^-2

2. Шероховатость поверхности пластины не ниже 14б — 14 В классов (R_z = 0.05 — 0.032 мкм)

3. Прогиб пластин не более 8 — 10 мкм

4. Неплоскостность и неплоскопараллельность в пределах ± 10 мкм

5. Разориентация поверхности относительно заданной кристаллографической плоскости не хуже ± 1?

6. Разнотолщинность пластин в пределах партии не больше ± 8 мкм, отклонение по диаметру ± 0.5 мм

7. Наличие базового среза и фаски

Последовательность операций планарно-эпитаксиальной технологии производства биполярных полупроводниковых ИМС:

1. Механическая обработка поверхности рабочей стороны кремниевой пластины р-типа до 14-го класса частоты и травление в парах плавиковой кислоты для удаления нарушенного слоя.

2. Стравливание окисла и подготовка поверхности перед процессом эпитаксиального наращивания.

3. Формирование эпитаксиальной структуры п-типа.

Эпитаксия — это процесс осаждения атомарного кремния на монокристаллическую кремниевую пластину, при котором получают пленку, являющуюся продолжением структуры пластины. При различных типах примеси в пластине и в выращиваемой пленке на границе их раздела образуется p-n-переход. В зависимости от агрегатного состояния источника атомов полупроводника и примеси для растущей пленки различают эпитаксию из газовой, жидкой и твердой фаз.

Мы будем использовать газофазную эпитаксию, как более простой в условиях серийного и массового производства метод, обеспечивающий высокое качество эпитаксиального слоя в кремниевой структуре.

Условия, обеспечивающие совершенство структуры эпитаксиального слоя:

1. химические реакции выделения атомов кремния и примеси должны быть гетерогенными;

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

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

При газофазной эпитаксии атомы кремния и примеси выделяются на пластине в результате химических реакций из соединений кремния и легирующего элемента.

Для выделения кремния из его соединений будем использовать реакцию восстановления:

SiCl₄ + H₂ > Siv + HCl

При осаждении примеси, т. е. атомов фосфора, используем PCl₃:

PCl₃ + H₂ > Pv + HCl

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

1. Перенос веществ, участвующих в реакции, к поверхности пластины

2. Адсорбция поверхностью реагирующих веществ

3. Реакции на поверхности пластины

4. Десорбция молекул побочных продуктов

5. Перенос побочных продуктов в основной поток газа

6. Занятие атомами узлов кристаллической решетки Реализуем эту схему в установке с непрерывной подачей рабочей смеси через реактор — методом открытой трубы.

1 — Реактор; 2 — Держатель; 3 — Индуктор Источники кремния SiCl₄ и фосфора PCl₃ — жидкие. Устройство газораспределения обеспечивает подачу газов, необходимых для выполнения полного цикла обработки. Водород играет роль реагента, а также газа-носителя для транспортировки паров SiCl₄ и PCl₃. Азот применяется для продувки системы. Хлористый водород применяется для травления пластин. Углекислый газ применяется для получения пленки SiO₂ на поверхности эпитаксиальной пленки. Каждый из газов подается из баллона по отдельной магистрали, содержащей фильтр, регулятор давления, запорный вентиль, манометр, ротаметр (для измерения расхода газа) и клапан с электромагнитным управлением.

Реализуем процесс на установке наращивания эпитаксиальных слоев УНЭС-2П-КА, полный цикл работы которой состоит из следующих этапов:

1. Загрузка пластин и герметизация реактора

2. Продувка реактора азотом, затем водородом для вытеснения атмосферного воздуха

3. Нагрев и выдержка в атмосфере водорода (восстановление окислов)

4. Газовое травление с помощью HCl на глубину 1 — 2 мкм для удаления нарушенного и загрязненного слоя. По окончании — продувка водородом

5. Снижение температуры до рабочего значения (1200 ?С), подача смеси H₂, SiCl₄ и PCl₃ для наращивания слоя: скорость осаждения ~ 0.5 мкм / мин, время 10 — 15 мин. По окончании — продувка водородом

6. Подача смеси CO₂, SiCl₄, H₂ и осаждение окисной пленки SiO₂. По окончании — продувка водородом

7. Охлаждение в потоке водорода (плавное снижение мощности ВЧ-генератора)

8. Продувка азотом, разгерметизация, выгрузка

4. Окисление поверхности эпитаксиального слоя для создания защитной маски при разделительной диффузии.

Процесс окисления заключается в образовании окиси кремния, который получается при нагревании его поверхности в присутствии кислорода. Термически выращенный окисел SiO₂ обладает наилучшими маскирующими свойствами и высокими электрическими параметрами. Склонность окиси кремния к стеклообразованию способствует получению беспористой плёнки. Хорошо растворяясь в плавиковой кислоте, SiO₂ в то же время практически стабильна по отношению к смесям HF+HNO₃, что позволяет эффективно использовать её в качестве маски при селективном травлении кремния.

Процесс окисления выполняют в эпитаксиальных установках или в однозонных диффузионных печах со специальными газораспределительными устройствами. При окислении образуются химические связи между атомами и ионами поверхностного слоя кремния и атомами кислорода, в результате чего плотность поверхностных состояний уменьшается на несколько порядков по сравнению с атомарно-чистой поверхностью.

5. Фотолитография для вскрытия окон под разделительную диффузию.

Разработка конструкции фотошаблонов. Фотошаблон представляет собой плоскопараллельную стеклянную пластину с нанесенным на поверхность непрозрачным рисунком элементов топологического слоя ИМС. Стеклянная основа фотошаблона при толщине до 10 мм не должна заметно поглощать ультрафиолетовое излучение и вызывать изменений размеров элементов рисунка и их относительного расположения в результате нагрева. В качестве материала основы используют оптические марки К-8 или кварцевые оптические марки КУ-1 и КУ-2 стекла, имеющие высокую прозрачность в ультрафиолетовой области спектра. Покрытие должно быть износостойким, чтобы выдерживать большое число циклов контактной печати без возникновения дефектов рисунка. Толщину покрытия выбирают в пределах 0.08−0.12 мкм При разделительной диффузии нам необходимо ограничить область резистора от соседних элементов ИМС. Как следует из геометрического расчета, габаритные размеры резистора:

(L + 2L₂) х (a) = (65.6 мкм + 2*25 мкм) х 25 мкм = 115.6×25 мкм Внутренний размер же фотошаблона (при использовании негативного фоторезиста это будет та область, в которую проводится диффузия) должен быть несколько больше (см. рис.). Внешний размер фотошаблона возьмем на 10 мкм больше внутреннего. В результате получится конструкция следующего вида:

Рис. 8. Часть шаблона под разделительную диффузию.

Причем это не весь фотошаблон, а только тот его участок, который предназначен для изолирования именно этого диффузионного резистора, т.к. процесс изолирования областей под отдельные элементы ИМС должен проходить в один этап.

При диффузии примеси р-типа и вскрытии контактных окон размеры фотошаблона должны строго совпадать с размерами резистора, так как именно диффузия акцепторной примеси определяет реальные размеры резистора:

Рис. 9. Часть шаблона под диффузию р-примеси.

Фотошаблон для вскрытия контактных окон:

Рис. 10. Часть фотошаблона для вскрытия контактных окон.

Технология процесса Перенос рисунка фотошаблона в поверхностный слой пластины происходит в три стадии: экспонирование фотослоя через фотошаблон и образование скрытого изображения; проявление и задубливание рисунка, т. е. формирование защитной фотомаски; травление поверхностного слоя пластины на незащищенных участках.

Процесс формирования рельефа в поверхностном слое пластины будем проводить с помощью негативного фоторезиста ФН-106. Схема этого процесса представлена на рис. 11.

Рис. 11. Процесс формирования: 1 — УФ излучение; 2 — Фотошаблон; 3 — Слой фоторезиста; 4 — Поверхностный слой на пластине; 5 — Пластина

Этапы подготовки пластины перед нанесением фотослоя:

1) удалить молекулы воды (прогревом пластин при 700 — 800? С в сухом инертном газе)

2) повысить гидрофобность (путем погружения пластин в 10%-й раствор диметилдихлорсилана в обезвоженном трихлорэтилене на 1 мин и последующей промывки пластин в трихлорэтилене в течение 1 мин и термообработки при 400? С в течение 30 мин)

3) провести эффективную и безопасную очистку в эмульсии «фреон — вода — ПАВ» на первом этапе и в чистом фреоне на втором

Нанесение и сушка фотослоя. Для осуществления этого процесса в помещении необходимо обеспечить обеспыленную атмосферу 1-го класса. Для нанесения фотослоя применяем метод распыления, осуществляемый на полуавтомате для нанесения фоторезиста распылением ПНФ-1Р, схема которого представлена на рис. 12.

Рис. 12. Схема компоновки полуавтомата ПНФ-1Р: 1 — Основание; 2 — Подвижный стол с пластинами; 3 — Подвижная форсунка; 4 — Внутренний защитный кожух; 5 — Общий защитный кожух В качестве инжектирующего газа используем пары фреона-113, которые из-за своей большой молекулярной массы позволяют существенно снизить давление.

Просушивать нанесенный фотослой в нашем случае целесообразно инфракрасной сушкой, источником теплоты при которой является полупроводниковая пластина, поглощающая ИК-излучение, тогда как окружающая среда сохраняет примерно комнатную температуру благодаря непрерывной продувке. При данном методе качество сушки существенно выше, чем при конвективной сушке, но в то же время она значительно дешевле и технологичнее, чем СВЧ-сушка.

Время сушки — 10 мин, допустимая температура — не более 120? С, высушенный слой экспонировать не позднее чем через 10 ч.

После сушки необходимо провести совмещение с фотошаблоном и экспонирование.

Совмещение рисунков фотошаблонов и пластины выполняют в два этапа:

1. Грубое совмещение осуществляют в пределах всего поля пластины с помощью контрольных модулей — пустых кристаллов, что позволяет практически исключить разворот пластины относительно фотошаблона.

2. Точное совмещение производят в пределах модуля с помощью специальных знаков совмещения.

Рис. 13. Совмещение фотошаблона с пластиной: 1 — Групповой фотошаблон; 2 — Контрольный модуль; 3 — Групповая пластина; 4 — Базовый срез пластины; 5 — Знак совмещения в модуле пластины; 6 — Знак совмещения в модуле шаблона

Предельная погрешность совмещения:

?_с = ± (?_п + ?_ш + ?_и + ?_t) = ± 1.5 мкм где ?_п — погрешность знака совмещения на пластине, ± 0.4 мкм

?_ш — погрешность знака совмещения на шаблоне, ± 0.35 мкм

?_и — инструментальная погрешность совмещения, ± 0.5 мкм,

?_t — погрешность шага, возникающая в процессе изготовления групповых фотошаблонов, ± 0.25 мкм Для выполнения этих операций необходимо использовать установку полуавтоматического совмещения и экспонирования УПСЭ-4.

Проявление и термообработка фотомаски. В процессе проявления избирательно растворяются участки фотослоя — в нашем случае при использовании негативного фоторезиста — неэкспонированные. Будем использовать особенно эффективный способ проявления — пульверизационный (струйный) (рис.14), который облегчает автоматизацию процесса и позволяет объединить его с последующими операциями отмывки и сушки в едином агрегате. Для проявления: температура 20? С, рН 12.4, для сушки: время 1ч, максимальная температура 150? С, повышение температуры проводить ступенчато в три этапа.

Рис. 14.Схема центрифуги для струйного проявления: 1 — Полый ротор; 2 — Днище камеры с отверстием для сброса реактивов; 3 — Струйная форсунка сушки; 4 — Пневматические форсунки проявления и промывки; 5 — Платформа с пластинами; 6 — Съемная крышка

Травление слоя окиси кремния — в буферном травителе, содержащем плавиковую кислоту (40%) для реакции:

SiO₂ + 4HF > SiF₄ + 2H₂O

Выделяющийся при этом газообразный четырехфтористый кремний связывается в SiF₆ и не приводит к растрескиванию и отслаиванию фотомаски по контуру рисунка благодаря наличию в составе травителя фтористого аммония NH₄F (48%). Оставшаяся доля в травителе — вода. Использовать автомат химической обработки полупроводниковых пластин АФОП, позволяющий проводить травление, отмывку и сушку.

Удаление фотомаски проводим воздействием концентрированной серной кислотой при 160? С. При этом имеет место химическая деструкция фоторезиста. Для удаления фоторезистивных масок использовать полуавтомат «Плазма-600» или подобные.

6. Вскрытие окон в окисле под разделительную диффузию примеси.

Изолирующая диффузионная область состоит из кольцевых участков р⁺-типа, простирающихся от поверхности кремния через эпитаксиальный слой п-типа к подложке исходного материала р-типа. По завершении изолирующей диффузии эпитаксиальные слои п-типа будут отделены друг от друга областями р-типа: подложкой р-типа снизу и изоляционной р⁺— областью по сторонам. Изолирующая диффузия обычно протекает в два этапа: на первом осуществляется ввод примеси (бора) и формирование области ее высокой концентрации. На втором — продолжительный цикл перераспределения примеси, в результате которого бор, образующий р-п переход, должен проникнуть на достаточную глубину.

7. Окисление поверхности для базовой диффузии.

8. Фотолитография для вскрытия окон под базовую диффузию.

9. Формирование базового слоя диффузией примеси р-типа.

Цель проведения диффузии — внедрение атомов легирующего элемента в кристаллическую решетку полупроводника для образования области с противоположным по отношению к исходному материалу типом проводимости.

В качестве легирующего элемента выберем бор, т.к. этот элемент имеет достаточно высокую скорость диффузии и хорошую растворимость в полупроводнике при температуре диффузии.

Температура диффузии: 1150? С, коэффициент диффузии — количество примесных атомов, проходящих через площадку 1 см² за 1 с при градиенте концентрации атомов примеси, равном 1 см^-4, иначе говоря, плотность потока при единичном градиенте концентрации: 10^-12 см² / с.

Так как бор является тугоплавким элементом и при температуре диффузии имеет ничтожно малую упругость пара, то в качестве источника примеси применяют различные соединения (ангидриды, галогениды, гидриды и т. д.), называемые диффузантами.

В нашем случае целесообразно использовать жидкий диффузант BBr₃. Это связано с тем, что при использовании твердых диффузантов трудно регулировать давление паров, кроме того, для их испарения требуется высокая и стабильная температура, а газовые диффузанты высокотоксичны, поэтому их использование требует дополнительных затрат на герметизацию элементов установки, контроль производственной атмосферы и т. д. Жидкие же диффузанты подобных недостатков лишены. Они обладают высокой упругостью пара при невысоких температурах, для них применяют простые однозонные печи (например диффузионную однозонную печь СДО-125/ 3−12):

Рис. 15. Схема однозонной диффузионной печи: 1 — Источник жидкого диффузанта; 2 — Кран; 3 — Ротаметр; 4 — Кварцевая труба; 5 — Газосмеситель; 6 — Нагреватель; 7 — Кварцевая кассета с пластинами Для транспортировки паров диффузанта в зону диффузии будем использовать аргон: он не взаимодействует с кремнием и практически не диффундирует в него.

Операционный цикл диффузии включает в себя следущие переходы:

1. Промывка реактора аргоном с расходом до 150 дм³ / ч

2. Вывод реактора на заданный температурный режим (2 -3 ч)

3. Загрузка (через бокс) кассеты с пластинами и прогрев ее в течение 10 мин с подачей аргона для удаления десорбирующихся газов

4. Подача аргона с парогазовой смесью (диффузант, кислород)

5. Выдержка при постоянной температуре в течение контролируемого времени (собственно процесс диффузии)

6. Прекращение подачи смеси и извлечение кассеты с пластинами Сам процесс диффузии состоит из следующих стадий:

1. Взаимодействие диффузанта с кислородом в газовой фазе с выделением ангидрида легирующего элемента:

BBr₃ + O₂ > B₂O₃ + Br₂

2. Диффузия ангидрида через растущий окисел к границе раздела SiO₂

3. Взаимодействие молекул ангидрида с кремнием и выделение атомарной примеси:

B₂O₃ + Si > SiO₂ + B

4. Диффузия атомов легирующего элемента в кристаллической решетке кремния

10. Окисление поверхности.

11. Фотолитография для вскрытия контактных окон.

В структуре кремния необходимо сформировать омические контакты алюминия с кремнием. С этой целью вскрываются окна под контакты, и проводится диффузия в соответствующие области. Фотолитография контактных окон — наиболее ответственная фотолитографическая операция при изготовлении структур ИМС. В этой операции одинаково важную роль играют и точная передача размеров окон, и качество совмещения, и наличие дефектов — проколов в слое оксида. При этом размеры контактных окон и зазоры при их совмещении всегда меньше, чем размеры и зазоры на других операциях фотолитографии. Размеры проколов, опасных при фотолитографии контактных окон, также очень малы — доли микрометра. Дефекты, возникшие на стадии фотолитографии контактных окон, проявляются после формирования контактов. Алюминий, например, проникает сквозь проколы в оксидной пленке толщиной около 0.3 мкм. Поэтому отсутствие дефектов — важнейшее требование, предъявляемое к фотолитографии контактных окон.

12. Процесс формирования межсоединений.

Процесс формирования межсоединений в ИМС складывается из двух этапов — металлизации и фотолитографии по металлической пленке.

Металлизация — это нанесение на кремниевую пластину, на которой уже сформированы структуры, сплошной металлической пленки для получения качественных омических контактов с элементами ИМС, а также электропроводящего покрытия, надежно сцепляющегося с пленкой SiO₂.

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.

К металлу, используемому для этих целей, предъявляется ряд требований по проводимости, по технологичности при нанесении, коррозионной стойкости, адгезии к пленке SiO₂ и другие требования.

Наиболее полно им отвечает высокочистый алюминий марки А99 (ГОСТ 11 069 — 64), который мы и будем использовать для металлизации поверхности нашего резистора. Для этого необходимо применить метод термического вакуумного испарения из резистивных испарителей при температуре на пластине 200 — 400? С и невысоких скоростях осаждения (0 — 15 нм / с).

При фотолитографии по алюминиевой пленке будем также использовать негативный фоторезист.

Рис. 16. Фотошаблон для фотолитографии по металлической пленке.

После фотолитографического процесса, с помощью которого формируют рисунок межсоединений, проводят вжигание контактов. Цель этой операции — повышение адгезии пленки за счет взаимодействия алюминия с изолирующим окислом:

SiO₂ + Al > Al₂O₃ + Si

и внедрения алюминия в кремний через контактные окна.

Рекомендуемый режим вжигания — нагрев до температуры 550? С с выдержкой 5 — 10 мин.

13. Местная фотолитография и травление участков металлической пленки.

диффузионный резистор полупроводниковый интегральный

Выводы Цель данного курсового проекта — научиться проектировать отдельные элементы твердотельных интегральных микросхем, реализуемых в условиях серийного производства по планарной технологии. При выполнении курсового проекта я ознакомился со способом проектирования диффузионного резистора, который входит в состав интегральной микросхемы, реализуемой в условиях серийного производства по планарной технологии, приобрёл опыт самостоятельного решения инженерных задач в области проектирования элементов интегральных устройств РЭС, а также опыт работы со стандартами и справочниками, методиками проектирования. В ходе выполнения курсовой проект, я применял на практике теоретические знания по общеинженерным и специальным дисциплинам, различные методы расчета. В итоге выполнения данной работы я выбрал технологию, спроектировал процесс и технологическую оснастку для изготовления диффузионного резистора.

1. Данилов И. И. Методические указания к курсовому проектированию по курсу «Интегральные устройства РЭС». М.: Издательство МГТУ. 2003. 7 с.

2. Парфенов О. Д. Технология микросхем: учебное пособие для вузов по специальности «Конструирование и производство ЭВА». — М.: Высшая школа, 1986. — 320 с., ил.

3. Парфенов О. Д. Расчет и конструирование интегральных резисторов: Методические указания по курсовому проектированию по курсу «Микроминиатюризация электронно-вычислительных средств». М.: Издательство МГТУ. 1994. 28 с., ил.