Базовые технологические операции

Производство интегральных микросхем состоит из определенного ряда операций, выполняя которые, постепенно из исходных материалов получают готовые изде­лия. В зависимости от структуры ИМС общее количество операций технологи­ческого процесса может достигать 200.

Эпитаксия

Эпитаксией называют ориентированное наращивание слоев, кристаллическая решетка которых повторяет структуру подложки. Как правило, материалы наращи­ваемой пленки и подложки одинаковы, но могут применяться и разные материалы с близкой кристаллической структурой, например пленка кремния на сапфировой подложке. Эпитаксиальный слой создается на всей поверхности подложки, в него могут вводиться примеси. На границе раздела эпитаксиального слоя с под­ложкой можно сформировать электронно-дырочный переход.

Для получения эпитаксиальных слоев наиболее широко применяется хлоридный метод (рис, 6.35). Отшлифованные и тщательно очищенные пластины кремния 1 закрепляют на графитовом держателе 2 и помещают в кварцевую.трубу 3 с высо­кочастотным нагревом 4. В трубе поддерживается температура около 1200+3 °С. Затем камеру продувают водородом и заполняют смесью НС1 и Н₂, в результате чего происходит дополнительная очистка поверхности кремниевых пластин.

После очистки пластин в трубу подается смесь газов тетрахлорида кремния (S1CI4) и водорода (Н₂). При этом на поверхности пластин происходит реакция восста­новления SiCl₄ с Н₂:

SiCl₄ + 2H₂ → Si↓ + 4HCl↑

Атомы кремния, перемещаясь по поверхности, занимают места в узлах кристал­лической решетки, из-за чего растущая пленка продолжает кристаллическую структуру подложки. При необходимости вырастить эпитаксиальный слой n-типа в смесь газов добавляют фосфин РН₃, а для создания пленок р-типа — диборан В₂Н₆. Скорость роста пленки составляет О,1—1,0 мкм/мин; она зависит от темпе­ратуры, скорости потока газов и кристаллической ориентации поверхности кри­сталла. Из-за высокой температуры процесса атомы диффундируют из пленки в подложку и обратно, что затрудняет получение очень тонких эпитаксиальных пленок. Толщина пленок лежит в пределах от 1 до 15 мкм. Более тонкие пленки (0,1-0,2 мкм) можно получить на основе реакции пиролитического разложения силана SiH₄ при температуре 1000 °С:

SiH₄ → Si↓ + 2H₂↑

Легирование

Легированием называют операцию введения примесей в подложку. Существуют два основных метода легирования — диффузия примесей и ионное внедрение.

Диффузия представляет собой обусловленное тепловым движением перемеще­ние частиц в направлении убывания их концентрации. Основной механизм проникновения примесного атома в кристаллическую решетку состоит в последовательном перемещении по вакансиям (пустым узлам) решетки. Число ато­мов вещества I(х), переносимых в единицу времени через единичную площадь в направлении х, перпендикулярном поверхности подложки, характеризуется пер­вым законом Фика:

где D — коэффициент диффузии примеси;

dN / dx — градиент концентрации примеси.

Скорость накопления примеси в любой плоскости, Перпендикулярной направле­нию диффузии, характеризуется вторым законом Фика:

Закон распределения примеси как функция координаты х и времени t может быть получен путем решения второго уравнения Фика при определенных условиях проведения процесса.

Если диффузия осуществляется из неограниченного источника примесей, когда концентрация примеси на поверхности полупроводника сохраняется постоянной, решение второго уравнения Фика имеет вид

(6.5)

Здесь erfc — символ, обозначающи дополнение функции ошибок до единицы.

Формула (6.5) описывает распределение концентрации примесей в зависимости от глубины х и времени t (рис. 6.36, а).

Если диффузия осуществляется из ограниченного источника примеси, когда об­щее количество диффундирующих атомов сохраняется постоянным, решение вто­рого уравнения Фика имеет вид

(6.6)

Здесь Q — общее количество примеси, не изменяющееся с течением времени. Уравнение (6.6) представляет собой функцию распределения Гаусса, оно позво­ляет определить распределение N (x)в различные моменты времени (рис. 6.36, б), В этом случае с течением времени концентрация примеси на поверхности уменьшается, а площади под графиками N(x) остаются неизменными. Диффузия при­меси осуществляется в кварцевых печах при температуре 1100-1200 °С, поддер­живаемой с точностью 0,5 °С. Через печь пропускают нейтральный газ-носитель (N₂ или Аг), который переносит частицы диффузанта (В₂О₃ или Р₂О₅) к поверх­ности кремниевых подложек, где в результате химических реакций выделяются атомы примеси (В или Р). Диффундируя вглубь кристалла, они создают соответ­ствующее распределение примесей (рис. 6.36, а).

Для получения распределения, соответствующего рис. 6.36, б, предварительно на поверхности кремния создают слой источника примесей. Эта операция называ­ется загонкой примеси. После этого пластины кремния загружают в кварцевую печь, где происходит диффузия примеси в подложку. Эта операция называется разгонкой примеси.

Ионное внедрение примеси (ионная имплантация) происходит в результате бом­бардировки поверхности подложки сфокусированным потоком ионов, обладаю­щим энергией от 10 до 300 кэВ. Плотность тока ионного пучка обычно составляет от 0,1 до 100 мкА/см². Система сканирования обеспечивает перемещение элек­тронного луча по поверхности кремниевой подложки. Внедряясь в кристалли­ческую решетку и сталкиваясь с атомами, ионы передают свою энергию атомам подложки, которые смещаются и покидают узлы решетки, в результате чего нару­шается структура решетки (образуются вакансии и атомы между узлами решет­ки). Поскольку пороговая энергия смещения составляет около 14 эВ, каждый ион с энергией в несколько десятков килоэлектронвольт может создать на своем пути несколько тысяч подобных дефектов. Израсходовав всю свою энергию, внедрен­ный атом может оказаться либо в узле кристаллической решетки, либо между уз­лами. Длина пробега ионов является случайной величиной, распределенной по нормальному закону

(6.7)

Здесь Q — доза легирования, выраженная в единицах поверхностной плотности внедряемых ионов.

Средняя длина пробега ионов и среднеквадратичное отклонение длин пробегов σ увеличиваются с ростом энергии ионов Е_н. Профили распределения примеси, получаемые при различной энергии и одинаковой дозе легирования, показаны на рис. 6.36, в. В отличие от диффузии, максимум распределения примеси расположен не на поверхности подложки, а на расстоянии, равном среднему нормально­му пробегу ионов, что позволяет получать скрытые заглубленные слои с необхо­димым типом проводимости. Обычно значение не превышает 0,5-0,7 мкм.

В результате ионного внедрения нарушается кристаллическая структура решетки; для ее восстановления необходим отжиг подложек при температуре 600-900 °С. При отжиге смещенные атомы кремния возвращаются на свои нормальные места в узлах кристаллической решетки, а примесные атомы занимают вакансии в ее узлах.