Получение полупроводниковых материалов для подложек ИС. Оценка качества 3
Базовые техпроцессы изготовления полупроводниковых ИС.. 3
Структуры кристаллов полупроводниковых ИС. Основные конструктивные элементы. Принципы интегральной технологии. 3
Технологические основы производства полупроводниковых интегральных схем (ИС) 3
Общие сравнительные характеристики методов изоляции. 11
4. Технологические основы производства полупроводниковых интегральных схем (ИС)
4.1. Структуры кристаллов полупроводниковых ИС. Основные конструктивные элементы. Принципы интегральной технологии
Кристалл ИС – часть полупроводниковой пластины, в объеме и на поверхности которой сформированы элементы полупроводниковой схемы, межэлементные соединения и контактные площадки.
Структура ИС – определенное расположение по глубине кристалла локальных областей, отличающихся толщиной, электропроводимостью и характером распределения примесей.
Топология ИС – определяет геометрические размеры отдельных областей и элементов и их взаимное расположение, а также рисунок межэлементных соединений.
Схемная реализация большинства электронных устройств основана на применении активных (биполярных и МОП-транзисторов) и пассивных (резисторы, конденсаторы) элементов. В задачу изготовления полупроводниковых кристаллов входит формирование вышеуказанных элементов, создание соединений между ними и контактных площадок.
Особенностью изготовления полупроводниковых ИС является интегральное групповой метод производства. Суть метода заключается в интеграции различных и однотипных элементов на едином технологическом носителе (полупроводниковой пластине) и в интеграции технологических процессов при групповых методах их проведения.
Основные принципы:
Технологическая совместимость элементов и ИС, диодов, резисторов, конденсаторов с наиболее сложным элементом – транзистором. Технологический процесс изготовления ИС строится с учетом получения структуры транзистора.
Принцип групповой обработки пластин-заготовок, который должен охватывать как можно большее число операций. За счет этого увеличивается воспроизводимость характеристик ИС и значительно уменьшает трудоемкость изготовления отдельной ИС.
Принцип универсальности процесса обработки: к различным по функции ИС применяется, идентичные по сути процессы с одинаковыми технологическими режимами.
Принцип унификации пластин заготовок, содержащих максимальное число признаков микросхем. Процесс производства ИС состоит из заготовительного этапа, на котором получают универсальную пластину-заготовку, и этапа избирательной обработки. Экономически целесообразно первый этап расширять, соответственно сужая второй.
Принцип высокой чистоты всех процессов, используемых при производстве (использование сверхчистых материалов, применение операций очистки, повышенная чистота процесса сборки).
4.2. Базовые техпроцессы изготовления полупроводниковых ИС
4.2.1. Получение полупроводниковых материалов для подложек ИС. Оценка качества
Все полупроводниковые материалы по составу можно разделить на простые (B, C, Ge, Si, Se) и сложные (GaAs, Bi2Te3, ZnSiP2).
Интегральные схемы на кремнии имеют малые обработанные токи и работают при повышенной tтемпературе и могут работать в области пробоя p-n перехода. Кремний имеет кубическую гранецентрированную решетку типа алмаза. Технический кремний содержит менее одного процента примесей, поэтому не может быть использован для производства ИС.
Рис. 1. Структура кремния
Существуют поли- и монокристаллы кремния. Поликристалл состоит из множества монокристаллических зерен с разной ориентацией, тесно примыкающих друг к другу. В поликристалле отсутствует регулярность структуры (анизотропия свойств). Монокристалл кремния представляет собой сплошную упорядоченную структуру с анизотропными свойствами (анизотропные свойства - это зависимость электрических и механических свойств от направления кристаллической решетки).
Чистый поликристаллический кремний получают двумя основными способами: водородное восстановление из галогенных соединений типа SiCl4 и термическим разложением SiCl4. Поликристаллический кремний выпускается в виде стержней, диаметр которых зависит от применения. Стержни с диаметром до 100 мм используется для загрузки тиля установок при выращивании монокремния, стержни с диаметром до 40 мм применяются для бестигельной плавки в вакууме.
Монокремний получают из поликремния методом Чохральского (для низкоомных слитков кремния с Rуд £ 250 Ом/см и диаметром до 152 мм) и методом бестигельной зонной плавки (для высокоомных слитков монокремния с Rуд £ 2000 Ом/см и диаметром до 30 мм).
Рис. 2. Метод Чохральского
Метод Чохральского: сначала кремний сложной кристаллографической ориентации опускают до соприкосновения с расплавом поликремния и начинают медленно вращая поднимать затравку. Начинается кристаллизация кремния из расплава, причем кристаллографическая ориентация слитка монокремния определяется кристаллографической ориентацией затравки. Типовой диаметр слитка составляет 80, 102, 127 и 152 мм, при длине 1 или 1,5 метра.
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.
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.
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.
Рис. 3. Метод бестигельной зонной плавки
Основные способы определения качества кремния
Визуальный осмотр. Отбраковывают части слитка, имеющие неправильную форму, меньший диаметр, плоскости двойникования.
Селективное травление проводят в хвостовой части кристаллического слитка для выявления дислокаций. Используют травитель Сиртла, состоящий из 49% HF и 5 М хромовой кислоты, смешанной в пропорции 1:1.
Ультразвуковой метод применяется для выявления микротрещин.
Четырехзондовый метод применяется для определения удельного сопротивления кремния (концентрации примесей). При этом контролируются постоянство прижима электродов-зондов и температура монокристалла.
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:
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.
Травление. На абразивном материале SiC или Al2O3 удаляются повреждения высотой более 10 мкм. Затем в смеси плавиковой, азотной и уксусной кислот, приготовленной в пропорции 1:4:3, или раствора щелочей натрия производится травление поверхности Si.
Полирование - получение зеркально гладкой поверхности. Используют смесь полирующей суспензии (коллоидный раствор частиц SiO2 размером 10 нм) с водой.
В окончательном виде кремний представляет собой пластину диаметром 15 - 40 см, толщиной 0.5 - 0.65 мм с одной зеркальной поверхностью.
