/
Автор: Курносов А.И. Юдин В.В.
Теги: электротехника полупроводниковые устройства микросхемы полупроводники полупроводниковые приборы
Год: 1986
Текст
А.И. Курносов В. В. Юдин ТЕХНОЛОГИЯ ПРОИЗВОДСТВА полупроводниковых приборов и интегральных микросхем ИЗДАНИЕ ТРЕТЬЕ, ПЕРЕРАБОТАННОЕ И ДОПОЛНЕННОЕ Допущено Министерством высшего и среднего специального образования СССР в качестве учебного пособия для студентов вузов, обучающихся по специальностям «Полупроводники и диэлектрики» и «Полупроводниковые приборы» МОСКВА «ВЫСШАЯ ШКОЛА 1986
УДК 621.33 022(075) Рецензент — кафедра микроэлектроники Московского инженерно-физи- ческого института (зав. кафедрой д-р техн, наук, проф. Шальнов А. В.) Курносов А. И., Юдин В. В. К 93 Технология производства полупроводниковых приборов и интегральных микросхем: Учеб, пособие для вузов по спец. «Полупроводники и диэлектрики» и «Полупроводниковые при- боры».— 3-е изд., перераб. и доп. — М.: Высш шк., 1986.— 368 с., йл. В книге рассмотрены основные технологические процессы производства полу- проводниковых приборов н интегральных микросхем. В 3-е издание (2-е — в 1979 г.) введены новые разделы, посвященные технологическим процессам радиационной об- работки материалов н приборов, новейшим конструкциям корпусов интегральных микросхем, а также полупроводниковым материалам. 2403000000—415 К --------------КБ №18—19— 86 001(01)—86 j ББК 32.852 6ФО.32 УЧЕБНОЕ ИЗДАНИЕ Анатолий Иванович А Владимир Васильевич ТЕХНОЛОГИЯ ПРОИЗВОДСТВА ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ И ИНТЕГРАЛЬНЫХ МИКРОСХЕМ Заведующий редакцией Л. А. Романова. Ф. И. Буданов.. Художественный редактор И. А. Исаева, И. А. Титова. Технический Г. И. Кострикова Редактор И. Г. Волкова. Художник Т. М. Скворцова. Младшие редакторы редактор Л. А. Григорчук. Корректор ИБ 5404 Изд. № Эр-394. Сдано в набор 27.03.86. Поди, в печать 21.07.86. Т-07590. Формат 60х901/1б- Бум. кн.-журн. № 2. Гарнитура литературная. Печать высокая. Объем 23 уел. печ. л. 23 усл. кр.-отт. 25,46 уч.-изд. л. Тираж 22 000 экз. Зак. № 210. Цена 1 р. 30 к. Издательство «Высшая школа». 101430, Москва, 1ГСП-4, Неглнниая ул., д. 29/14. Московская типография № 8 Союзполнграфпрома прн Государственном комитете СССР по делам издательств, полиграфии н книжной торговли. 101898, Москва, Центр, Хохловский пер., 7. © Издательство «Высшая школа», 1974 © Издательство «Высшая школа», 1986, с изменениями
Предисловие Одним из главных путей научно-технического прогресса, как ука- зано в Основных направлениях экономического и социального раз- вития на 1986—1990 годы и на период до 2000 года, утвержденных XXVII съездом КПСС, является развитие радиоэлектроники и осо- бенно микроэлектроники, позволяющей значительно повысить тех- нический, технологический и организационный уровни производства на базе микропроцессорной техники, оптоэлектроники и других ви- дов полупроводниковой электроники. Основная тенденция развития микроэлектроники состоит в пе- реходе от изготовления полупроводниковых дискретных приборов к созданию интегральных микросхем (ИМС) -со все более высоким уровнем интеграции элементов. Постоянное совершенствование полупроводниковой технологии и соответствующее обновление типовых программ по дисциплине «Технология производства полупроводниковых приборов и интег- ральных микросхем» для специальностей 0629, 0604, 0643 повлек- ло существенную переработку данной книги. В 3-м издании посо- бия переработаны и дополнены главы, посвященные механической, химической обработке, фотолитографии, эпитаксии, диффузии, ионной имплантации, термическому испарению и ионно-плазменно- му распылению, методам защиты, сборки и герметизации, изготов- лению биполярных и МДП ИМС, введены главы о методах получе- ния защитных пленок- в планарной технологии, о получении струк- тур методом сплавления, процессах радиационной обработки, конструкциях корпусов приборов и микросхем, полупроводниковых материалах. Исходя из современных требований к унификации и созданию универсальных базовых технологий, авторы стремились изложить материал в соответствии с основными общими этапами производ- ства полупроводниковых приборов и интегральных микросхем, в пределах каждого этапа дать систематизированный обзор техно- логических методов и их разновидностей и методы изготовления приборов не относить к производству каких-либо конкретных ти- пов диодов, транзисторов и т. д. Описание каждого технологического метода начинается с крат- ких сведений о физических основах данного процесса, при этом рассматриваются его особенности, используемые материалы и обо- рудование, режимы проведения; далее указываются дефекты, воз- 3
пикающие в структурах на различных операциях; в заключение приводятся методы контроля качества полученных структур и эле- ментов ИМС. В книгу введено много примеров расчетов, встреча- ющихся в практике технолога, таких, как определение ряда физи- ческих параметров полупроводниковых структур в зависимости от режимов проведения данного технологического процесса (прямые задачи), а также обратные задачи по выбору основных режимов проведения процессов в зависимости от физических свойств, кото- рыми должны обладать готовые полупроводниковые структуры. Предисловие, введение, гл. 1, 5, 6, 9—12 и 16 написаны канд. физ.-мат. наук, доц. В. В. Юдиным, гл. 2—4, 7, 8, 13—15 — канд. техн, наук, доц. А. И. Курносовым. Авторы выражают глубокую благодарность коллективу кафед- ры микроэлектроники МИФИ (зав. кафедрой — д-р техн, наук, проф. А. В. Шальнов): канд. техн, наук, доц. О. Р. Мочалкиной и канд. техн, наук Ю. А. Воронову за полезные замечания и пред- ложения, сделанные при рецензировании рукописи. Отзывы о книге просим направлять по адресу: 101430, Москва, ГСП-4, Неглинная ул., д. 29/14, издательство «Высшая школа». , Авторы
Введение Физические исследования полупроводников были начаты в XIX в., однако возникновение полупроводниковой технологии обязано по- явлению транзистора (от англ, transresistance — переходное сопро- тивление). Германиевый транзистор с точечными переходами был изобретен 23 декабря 1947 г. В 1950 г. методом выращивания слит- ка германия из расплава был изготовлен первый плоскостной транзистор с р-п-р-структурой. Тогда же начал развиваться метбд сплавления и в 1953 г. были изготовлены германиевые сплавные транзисторы с относительно тонкой (около 5 мкм) базой, получае- мой локальным струйным электролитическим травлением пластин германия. Преобладание германия на первом этапе развития полу- проводникового приборостроения было обусловлено тем, что его монокристаллы получить проще, чем монокристаллы кремния, по- скольку при этом не требовались высокотемпературное оборудова- ние и глубокая очистка. В 1954 г. появились первые кремниевые транзисторы с выращенным р-п-переходом. В последующие годы интенсивно разрабатывался метод диффузии, и в 1958 г. были изготовлены диффузионные транзисторы с мезаструктурой, назван- ной так потому, что поперечное сечение мезаструктуры напоминает плоскогорье (от исп. mesa—плато). Метод диффузии выгодно от- личался от методов сплавления и выращивания слитка тем, что позволял на порядок увеличить точность задания нужной толщины базовой области и перейти к групповому способу производства транзисторов. Следующим шагом стало появление планарного (от англ. planar — плоский) процесса в 1959 г. Выращивание изолирующего слоя диоксида кремния на поверхности кремниевой пластины и по- лучение в нем топологического рисунка заданной конфигурации с применением процесса фотолитографии позволили добиться пре- цизионного контроля за размерами элементов структуры приборов. Планарная технология на многие годы обусловила прогресс в про- изводстве полупроводниковых приборов (ПП) и интегральных микросхем (ИМС). Наряду с нею одним из важнейших в техноло- гии стал процесс эпитаксиального наращивания слоев полупровод- ника требуемых толщины и электрофизических свойств на моно- кристаллическую подложку, разработанный в 1960 г. Эпитаксиаль- ная технология позволила создавать транзисторы с тонкой базой 5
и низким сопротивлением коллектора, рассчитанные на высокие частоты и большие рассеиваемые мощности. Проблема сборки электронного оборудования, содержащего де- сятки и сотни тысяч компонентов — диодов, транзисторов, резисто- ров и др., — привела к созданию новой технологии, которая позво- лила избавиться от соединения множества дискретных компо- нентов. В 1959 г. была изготовлена первая полупроводниковая микро- схема триггера на кристалле германия по мезадиффузионной тех- нологии. В 1960 г. появились интегральные микросхемы на крем- нии, изготовленные по планарной технологии. Еще в 30-е годы был известен принцип работы полевого тран- зистора. Получение качественных монокристаллов позволило в 1958 г. изготовить полевой транзистор с управляющим р-п-перехо- дом. В 1962 г. благодаря улучшению технологии обработки крем- ния были изготовлены полевые транзисторы с изолированным затвором, а в 1963 г. первые ИМС на таких транзисторах. Недоста- точная отработанность технологии МОП-транзисторов (металл — оксид — полупроводник)' сдерживала их широкое применение вплоть до 70-х годов. В середине 60-х годов в промышленности появился метод ионной имплантации, позволивший существенно повысить точность управления концентрацией и глубиной леги- рования. В начале 70-х годов интенсивно использовался метод ионно- плазменного распыления, были разработаны процессы электронной литографии, появилась технология «сухой» обработки структур, т. е. без применения жидких травителей и растворителей. Начался период бурного развития микросхем как на базе биполярных при- боров, так и МОП-транзисторов. В это же время для контроля топологических чертежей и фотошаблонов стали применять вычис- лительные машины, что обеспечило высокое качество разработок и привело к созданию систем машинного проектирования микро- схем. В конце 70-х годов появились автоматизированные техноло- гические процессы и установки, управляемые микро-ЭВМ.
Глава 1 ТЕХНОЛОГИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО ПРОИЗВОДСТВА Технология полупроводникового производства базируется в на- стоящее время на таких сложных прецизионных процессах обра- ботки, как фото- и электронолитография, оксидирование, ионно- плазменное распыление, ионная имплантация, диффузия, термо- компрессия и др. К материалам, используемым в производстве приборов и микросхем, предъявляют высокие требования по чисто- те и совершенству структуры. Для осуществления большинства технологических операций используют уникальное по характерис- тикам оборудование: оптико-механическое, термическое, ионно-лу- чевое. Процессы осуществляются в -специальных обеспыленных, помещениях с заданными влажностью и температурой. § 1.1. Технологический маршрут Технологический маршрут — это последовательность технологичес- ких операций обработки полупроводниковых пластин, применяе- мых для изготовления данного типа ПП или ИМС. Документом, содержащим описание маршрута, -является маршрутная карта. Она позволяет судить о перемещении изготовляемого прибора по всем операциям, указывает оборудование, материалы, трудовые нормативы и средства контроля. Проведение каждой технологиче- ской операции'регламентируется операционной картой, содержа- щей описание операции с указанием технологических режимов изготовления структуры или прибора и технологической оснастки. Технологические процессы изготовления различных ПП и ИМС многообразны. Можно выделить ряд общих технологических опе- раций и примерно одинаковую их последовательность. Типовым маршрутом изготовления планарного ПП или ИМС определяется последовательность из ряда основных операций. 1. Подготовка пластин. Исходные полупроводниковые пласти- ны— эпитаксиальные структуры, например п-п+-типа, или моно- кристаллические подложки с электропроводностью п- или р-типа, полученные в качестве полуфабриката с завода-изготовителя, под- вергают очистке, промывке, травлению с целью удаления с поверх-1 ности пластин загрязнений и частиц пыли. Слой с электропровод- ностью fi-типа в эпитаксиальной п-п+-структуре составит в буду- щих транзисторах коллекторную область (рис. 1.1, а). 2. Создание топологического рисунка. Чтобы в эпитаксиальной структуре сформировать области с электропроводностью р-типа, необходимо обеспечить проведение локальной диффузии через окна — отверстия в защитной маске. Размеры этих окон задают с помощью процесса фотолитографии. Маской, препятствующей диф- фузии, служит пленка диоксида кремния. Выращивание ее являет- ся необходимой стадией планарного процесса. Пленка диоксида 7
кремния SiO2 толщиной 0,3—1,0 мкм надежно предохраняет струк- туру от воздействия многих внешних факторов и диффузии приме- сей. На пленку наносят слой фоторезиста — фотоэмульсии, экспо- нируют его ультрафиолетовым светом через фотошаблон, содержа- щий множество идентичных изображений баз транзисторов с заданной конфигурацией и размерами. Засвеченные участки фоторезиста проявляются и обнажившуюся пленку SiO2 удаляют. Окно, вскрытое для базовой диффузии, показано на рис. 1.1, б. Рис. 1.1. Основные технологические операции при из- готовлении планарно-эпитаксиального транзистора 3. Получение p-n-nepexoda база — коллектор. Для прецизион- ной дозировки количества вводимой в кристалл примеси — атомов бора при создании области р-базы— используют процесс ионной имплантации, заключающийся во внедрении ускоренных ионов в поверхность кристалла. Слой фоторезиста служит защитной мас- кой, так как ионы, внедренные в фоторезист, не достигают поверх- ности диоксида. Чтобы сформировать базовую область и р-п-пере- ход коллектор — база на требуемой глубине, используют последу- ющую диффузионную разгонку внедренных атомов бора. Ее прово- дят в окислительной среде при высоких температурах. В результа- те формируется область базы с глубиной 2—3 мкм и на поверхно- сти базовой области наращивается пленка SiO2 толщиной 0,3— 0,5 мкм (рис. 1.1, в). 4. Получение p-n-nepexoda эмиттер — база. Вначале формируют топологический рисунок эмиттерных областей, используя процесс фотолитографии по пленке SiO2 над базовой областью. Одновре- менно вскрывают окна, задающие конфигурацию коллекторных 8
контактов. Фоторезист удаляют и ведут диффузию фосфора с вы- сокой концентрацией на малую глубину (до I—1,5 мкм) (рис. 1.1, а). 5. Контактная металлизация. Для присоединения к областям эмиттера, базы и коллектора электрических выводов необходимо металлизировать поверхности контактов. Предварительно проводят фотолитографическую обработку структуры для удаления пленки диоксида с нужных участков. Затем с помощью термического испарения в вакууме на всю поверхность пластины напыляют слой металла (например, алюминия) толщиной около 1 мкм, по которо- му проводят еще один процесс фотолитографии для удаления лиш- него металла между областями контактов. Структура с контакт- ной металлизацией показана на рис. 1.1, <3. При изготовлении ИМС аналогичным образом создают тонкопленочные пассивные элемен- ты— резисторы, конденсаторы, а также осуществляют коммута- цию транзисторов. 6. Сборка и герметизация. Пластина содержит от нескольких сотен до десятков тысяч отдельных транзисторов. Ее разрезают на отдельные структуры, называемые на данном этапе кристаллами. На рис. 1.1, е показана топология такого кристалла с контактной металлизацией. Кристалл напаивают на кристаллодержатель, осу- ществляют разводку — подсоединение электрических выводов к контактам базы, эмиттера и коллектора — и герметизируют, поме- щая в металлический корпус или заливая пластмассой. 7. Испытания приборов. Для оценки параметров и надежности приборов до их поступления в отдел технического контроля произ- водят электрические, климатические и механические испытания. Они важны для правильной информации о качестве и надежности приборов. Помимо этого каждая технологическая операция сопро- вождается контролем качества обработки, например измерением глубины диффузии, толщины эпитаксиального слоя, удельного или поверхностного сопротивления. После того как в структуре созда- ны р-п-переходы, производят контроль электрических пара- метров— напряжения пробоя, тока утечки, емкости. В техно- логическом маршруте предусмотрены специальные контрольные карты. Рассмотренная последовательность операций характерна для изготовления планарно-эпитаксцального транзистора. В основе классификации приборов .лежит технологической метод создания активных областей структуры. По этому признаку различают сплавные, диффузионные, эпитаксиальные, имплантационные дис- кретные ПП, а также их модификации, например сплавно-диффу- зионные и др. Большинство современных приборов изготовляют на эпитаксиальных структурах. Активные области формируют с по- мощью ионной имплантации и диффузии. МОП-транзисторы изго- товляют на монокристаллических подложках без эпитаксиального слоя методами планарной, технологии. Непланарные диффузионные и эпитаксиальные переходы используют при изготовлении силовых Диодов и транзисторов. 9
§ 1.2. Особенности и перспективы технологии В полупроводниковом производстве очень высоки требования к ка- честву материалов, точности работы оборудования и условиям производства. Механическая обработка полупроводниковых плас- тин должна осуществляться по высшему классу чистоты обработки поверхности с отклонением от плоскости не более 1 мкм. Особые требования предъявляют к термическому оборудованию: точность установки и поддержания температуры на уровне 1000—1300°С должна быть не хуже 0,5 К. Газовая среда, в которой происходят наиболее важные технологические процессы, подвергается тща- тельной осушке и обеспыливанию. Содержание влаги в ней изме- ряют долями процента и оценивают по температуре газа, при кото- рой наступает конденсация влаги, — точке росы. В специальные боксы, в. которых осуществляется сборка изделий, подается воздух, азот или аргон, осушенные до точки росы —70°С. Для создания на поверхности пластины с диаметром 75, 100 или 150 мм сотен тысяч элементов различной формы и размеров применяют фото- шаблоны. При изготовлении фотошаблонов и совмещении очеред- ного шаблона с рисунком, ранее нанесенным на полупроводнико- вую пластину, точность работы оптико-механического оборудова- ния должна составлять десятые доли микрометра. Оптическая часть этого оборудования характеризуется сверхвысокой разреша- ющей способностью, достигающей более 1000 линий/мм, а экспо- нируемые материалы — до 2000 линий/мм. Серьезный враг полупроводникового производства — пыль. По- падая на пластины, она ведет к неисправимому браку при прове- дении фотолитографии. На рабочем месте количество пылинок с размерами не более 0,5 мкм не должно быть свыше 4 в 1 л возду- ха. Низкий уровень запыленности обеспечивается созданием внут- ри цеха чистых комнат, доступ в которые разрешен ограниченному кругу лиц. Так же остро стоит вопрос о вибрациях в производст- венных системах. Современный уровень вибрации составляет 1 мкм или доли микрометра. Для внедрения новых технологий необходи- мо снизить вибрацию. Она должна составлять не более 0,1 мкм. Характерной особенностью полупроводникового производства является быстрое повышение степени интеграции ИМС — плотно- сти размещения элементов на кристалле. Если кристалл размера- ми 4X4 мм содержал ранее 100—300 транзисторов, то сейчас он вмещает 20 000—100 000 и более. Сверхбольшие интегральные мик- росхемы (СБИС) содержат свыше 100 000 элементов на кристалле. Предполагается, что в конце 80-х годов количество элементов на кристалле достигнет 1 млн. Возрастают требования к минималь- ным размерам элементов ИМС. В середине 60-х годов на пластине диаметром 25 мм с помощью фотолитографии получали линии шириной не менее 25 мкм. Сейчас большинство производственных установок обеспечивают получение на пластине с диаметром 75 мм линий шириной 4 мкм. Ведутся работы по изготовлению субми- кронных линий на пластинах диаметром 150 мм. Уменьшение раз- 10
меров элементов ИМС позволяет повысить, их быстродействие и уменьшить потребляемую мощность. Новые приборы и ИМС нельзя изготовить с помощью тех же методов и на том же оборудовании, которое использовалось для изготовления простых интегральных микросхем. Чтобы наладить серийный выпуск СБИС, необходимо освоение новых материалов, методов технологической обработки, конструирования схем, изме- рения их параметров и испытаний. Большой сдвиг наметился в об- ласти технологии обработки структур — процессов литографии и травления. В традиционной фотолитографии используется оптиче- ское экспонирование, проявление и удаление фоторезиста в раст- ворителях и кислотах. Новейшие литографические процессы осно- вываются на рентгеновских и электронно-лучевых системах экспо- нирования и сухих методах обработки в газовой плазме. Все бо-. лее широко внедряются низкотемпературные методы обработки пластин. Процессы эпитаксии, оксидирования, диффузии — высоко- температурные, они вызывают появление пластической деформа- ции в пластинах, что ведет к изменению размеров элементов и сни- жению точности изготовления приборов. При размерах элементов менее 3 мкм падение точности становится недопустимым, так как резко падает выход годных приборов. Поэтому термическую обра- ботку структур стремятся заменить воздействием электрических полей, разрядов, ускоренных частиц, проникающей радиации, ло- кального и сверхкратковременного нагрева. Тенденция к уменьшению размеров элементов ограничена фи- зическими явлениями и законами, на которых основывается дей- ствие современных приборов. В табл. 1.1 приведено сопоставление ряда параметров, теоретически достижимых и реально достигнутых к настоящему времени в изготовлении ИМС. Таблица показывает, что современная технология на 2—4 порядка не достигает предель- ных значений характеристик. Т а б л и ц а 1.1 Параметры Достигнутый уровень Теоретиче- ский предел Площадь одного транзи- стора, мкм2 1000 1 Плотность размещения элементов, см-2 10* 2,5-107 Время переключения, пс Произведение быстродей- 200 1 ствия на мощность, Дж 10-13 io-17
Глава 2 ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ § 2.1. Требования к полупроводниковым материалам К полупроводниковым материалам, применяемым для изготовле- ния различных классов полупроводниковых приборов и интеграль- ных микросхем, предъявляются высокие требования. Пригодность того или другого полупроводникового материала определяется в первую очередь его параметрами и свойствами. Требования к опти- ческим, термическим, термоэлектрическим и электрическим свой- ствам полупроводниковых материалов диктуются эксплуатацион- ными параметрами готовых приборов и ИМС. Особые требования предъявляют к таким свойствам полупроводниковых материалов, как тип электропроводности, концентрация, подвижность, удельное сопротивление, время жизни, диффузионная длина носителей заряда. Рассмотрим основные требования, которые предъявляются к большинству полупроводниковых материалов. Монокристалличность структуры. Для изготовления большин- ства приборов требуются полупроводниковые материалы в виде пластин, вырезанных из монокристаллических слитков. Монокри- сталлические слитки в виде стержней круглого сечения получают методом направленной кристаллизации расплавов. В последнее время широкое применение находят монокристаллические эпитак- сиальные пленки (однослойные и многослойные). Однородность распределения легирующих примесей. Легирую- щие примеси в полупроводниковых материалах должны быть рас- пределены равномерно по всему объему монокристаллического слитка. Это требование обеспечивает одинаковые параметры всей партии пластин, изготовленных из одного слитка полупроводнико- вого материала. Кроме того, данное требование дает возможность обеспечить серийный массовый выпуск полупроводниковых прибо- ров и интегральных микросхем с малым разбросом электрических параметров. Стойкость к атмосферному воздействию. Большинство полупро- водниковых материалов удовлетворяет этому требованию. Такие материалы, как германий, кремний, карбид кремния и др., облада- ют высокой стойкостью к воздействию окружающей среды. Однако известны полупроводниковые соединения, которые не стойки во влажной атмосфере. К таким материалам относятся некоторые сое- динения типа AinBv, например антимонид, арсенид и фосфид алю- миния, гидролизующиеся во влажной атмосфере. Это обстоятель- ство, несмотря на ряд очень хороших для некоторых классов полу- проводниковых приборов свойств, является серьезным препятстви- ем для широкого применения этих соединений. Температуростойкость. Требования по температуростойкости диктуются максимальными рабочими температурами, при которых применяются полупроводниковые приборы и интегральные микро- 12
схемы. Верхний предел рабочих температур полупроводниковых материалов зависит от их ширины запрещенной зоны. Так, для гер- мания он равен 80—100°С, для кремния 180—200°С. Арсенид гал- лия способен выдерживать температуру до 350эС, фосфид галлия— до 500—600°С, а карбид кремния — до 700—800°С. Полупроводниковые приборы эксплуатируются и при низких температурах. Поэтому энергия ионизации легирующих примесей полупроводникового материала должна быть значительной при температурах до —60°С. Верхний предел рабочей частоты полупроводниковых диодов, транзисторов и интегральных микросхем определяется значениями подвижности электронов и дырок, а также диэлектрической прони- цаемостью материалов, из которых они выполнены. Для данного типа электропроводности полупроводникового материала подвиж- ность имеет максимальное значение в некомпенсированном матери- але. Поэтому полупроводниковый материал, применяемый для изготовления полупроводниковых приборов и ИМС, должен обла- дать донорными или акцепторными свойствами. Для большинства полупроводниковых приборов и ИМС, за исключением импульс- ных, необходим материал с достаточно большим временем жизни неосновных носителей заряда. Для изготовления импульсных полу- проводниковых приборов используется материал с малым време- нем жизни неосновных носителей зарядов. Для изготовления приборов, в которых используется эффект Холла, лучше всего подходят полупроводниковые материалы с вы- сокой подвижностью и малой концентрацией носителей заряда, обеспечивающие большое холловское напряжение. Для изготовления магнитоэлектрических приборов применяют арсенид индия и теллурид ртути. Для изготовления термоэлектрических приборов требуются по- лупроводниковые материалы, обеспечивающие максимальный ко- эффициент эффективности, т. е. обладающие высокой электропро- водностью и низкой теплопроводностью. Такие свойства имеют антимонид цинка, теллурид и селенид висмута и их твердые раст- воры. При выборе материалов для изготовления фотоприборов руко- водствуются в первую очередь спектральной чувствительностью полупроводникового материала и особенно значением края погло- щения. Для уменьшения инерционности фотоприборов обычно используют материалы с малым временем жизни неосновных носи- телей заряда. Для изготовления фотопреобразователей (солнечных батарей) особое значение имеет ширина запрещенной зоны, опре- деляющая эффективность работы этой группы приборов. Полупроводниковые материалы, применяемые для производст- ва лазеров, должны быть чистыми и обладать совершенной струк- турой. Посторонние примеси и дефекты приводят к появлению внутри запрещенной зоны промежуточных энергетических уровней. Материал для полупроводниковых лазеров должен иметь высокое значение подвижности при данной концентрации носителей заряда. 13
В качестве материала для светодиодов используются полупро- водники, обладающие способностью к излучательной рекомбина- ции: арсенид и фосфид индия и галлия, карбид кремния, сульфид цинка и др. Основной параметр светодиодов — длина волны излу- чения — зависит от свойств исходного полупроводникового мате- риала и, в частности, от ширины запрещенной зоны. Для полупро- водниковых материалов, дающих излучение в видимой области спектра, цвет излучения зависит от типа вводимой примеси и от по- ложения их энергетических уровней. Так, зеленое излучение фос- фида галлия может быть изменено на красное с помощью легиро- вания исходного полупроводникового материала кислородом. Следует отметить, что количество типов полупроводниковых приборов и интегральных микросхем очень велико. Каждый из этих приборов в зависимости от принципов своей работы и требований электрических параметров нуждается в полупроводниковом мате- риале с определенными свойствами. § 2.2. Классификация полупроводниковых материалов Полупроводниковые материалы по химическому составу можно разделить на две группы: простые и сложные. К простым полупроводниковым материалам относятся герма- ний и кремний. Практическое применение для изготовления интег- ральных схем нашел только кремний. В группу сложных полупроводниковых материалов входят хи- мические соединения, обладающие полупроводниковыми свойства- ми и включающие в себя два, три элемента или более. В качеству примера таких соединений можно привести GaAs, Bi2Te3, ZnSiP2 и др. Полупроводниковые материалы этой группы, состоящие из двух элементов, называют бинарными соединениями. Такие соеди- нения, как это принято в неорганической химии, имеют наименова- ния того компонента, у которого металлические свойства выраже- ны слабее. Так, бинарные соединения,, содержащие мышьяк, назы- вают арсенидами, серу — сульфидами, теллур — теллуридами, углерод — карбидами. Различные группы сложных полупроводниковых материалов объединяют по признаку номера группы Периодической системы элементов Д. И. Менделеева, к которым принадлежат компоненты соединения. Группы полупроводниковых соединений обозначают буквами латинского алфавита: А—-первый компонент соединения, В — второй, С — третий и т. д. Буквы, в свою очередь, имеют циф- ровые индексы. Римские цифры, проставляемые над буквами, обозначают группу элемента в таблице Менделеева. Арабские циф- ры, проставляемые под буквами, обозначают стехиометрический коэффициент. Например, бинарное соединение фосфид индия InP имеет обозначение AniBv, теллурид висмута Bi2Te3—BsVI соеди- нение типа ZnSiP2 —AHBIVC3V и т. д. 14
Твердые растворы полупроводниковых материалов обозначают символами входящих в них элементов и нижними индексами, кото- рые определяют их атомную долю в твердом растворе. Например, твердый раствор германий-кремний обозначают в общем виде Sii-xGex, а между соединениями InAs и InP — формулой InAsi_xPx, где х — атомная доля компонента твердого раствора: § 2.3. Общая характеристика кристаллических тел Все кристаллы можно разделить по степени совершенства решетки на идеальные и реальные, а по составу — на стехиометрические и нестехиометрические. Идеальные — это такие кристаллы, каждый атом которых нахо- дится в положении, характеризуемом минимумом потенциальной энергии, т. е. он расположен упорядоченно как по отношению к ближайшему соседнему атому, так и по отношению к атомам все- го объема кристалла. Стехиометричностью кристаллов принято называть пропорцио- нальность весового состава атомным весам в его химической фор- муле. Если весовой состав кристаллического вещества пропорцио- нален его химической формуле, то кристалл имеет стехиометриче- ский состав. Таким образом, идеальные кристаллы являются сте- хиометрическими по составу. В отличие от идеальных кристаллов в реальных или дефектных кристаллах имеются нарушения кристаллической решетки или хи- мические примеси. Здесь не все атомы решетки упорядоченно рас- положены по отношению к ближайшим и дальним соседям. Реаль- ные кристаллы по своему составу могут быть стехиометрическими и нестехиометрическими. В реальных кристаллах могут быть такие несовершенства кристаллической решетки, как структурные дефек- ты, примесные атомы, дислокации. Большинство полупроводниковых материалов представляют собой кристаллические твердые вещества с упорядоченной перио- дической структурой. При описании различных структур использу- ют следующие термины. Элементарная ячейка-—представляет собой наименьший объ- ем кристаллического вещества в виде параллелепипеда, перемещая который вдоль трех независимых направлений можно получить весь кристалл. Постоянная решетки — определяется как длина элементарной ячейки вдоль одной из осей. Кристаллографические оси — показывают направления кристал- ла и определяются ребрами элементарной ячейки. Рассмотрим наиболее важные типы кристаллических решеток. Простая кубическая решетка состоит из атомов, лежащих в уг- лах куба. Типичным материалом с такой структурой является хлористый цезий. В решетке этого материала последовательно Т5
чередуются положительные ионы цезия и отрицательные ионы хлора. Гранецентрированная кубическая решетка более сложная, чем простая кубическая, так как в ней атомы располагаются не только в вершинах куба, но и в середине каждой грани. Типичным пред- ставителем этой группы кристаллических веществ является алю- миний. Объемно центрированная кубическая решетка состоит из ато- мов, расположенных в углах и в центре куба (но не на его гранях). Типичным представителем этой группы веществ является железо. Кроме этих сравнительно простых структур существует ряд бо- лее сложных, но также с кубической элементарной ячейкой. Наи- более важной из них является решетка типа алмаза, в которой кристаллизуется большинство полупроводниковых материалов (германий, кремний и др.). Основную роль в этой решетке играет наличие тетраэдрических связей; каждый атом имеет четырех бли- жайших соседей, связанных с ним валентными силами. Решетка типа алмаза представляет собой модификацию гранецентрирован- ной кубической решетки и состоит из двух гранецентрированных решеток, сдвинутых одна относительно другой на 'Л постоянной решетки. В решетке типа алмаза ребра элементарной ячейки не совпадают с направлениями валентных связей. Все кристаллические вещества обладают анизотропностью, т. е. свойства кристаллов изменяются в зависимости от кристаллогра- фического направления. Поэтому при использовании кристалличе- ских материалов в различных технологических процессах часто бывает необходимо задать ориентацию той или иной кристалло- графической плоскости. Для задания нужных плоскостей исполь- зуют так называемые индексы Миллера. Смысл этих индексов за- ключается в следующем. За систему координат принимают оси, проходящие через один из узлов решетки и параллельные трем ребрам элементарной ячейки. Эти оси называют кристаллографи- ческими осями и обозначают X, Y, Z. Любую плоскость в такой системе координат обозначают AxByCz. Она отсекает на осях X, У, Z отрезки ОАх, OBY и OCZ. Можно выбрать любую единицу измерения при рассмотрении длин отрезков ОАх, OBY и OCZ, например одинаковую для всех трех осей X, У, Z (ОЛ] = ОВ1 = ОС1). В общем случае эти отрезки, при- нятые за единицу измерения, могут отличаться друг от друга, т. е. О А1 =/= OB I =Л= О С\. После выбора единицы измерения можно определить положение нужной плоскости AXBYCZ. Для этого вычисляют соотношение: ОАх ; ОВ, гОСг=тг)1 OAr OBi О(Д Если взять обратные отношения этих величин, то 1 . 1 . 1 1 . 1 . 1 OAx/OAi " OBylOBi ' ОСгЮС^ т ' п ’ р ' 16
После приведения дробей 1/иг, 1/п, 1/р к общему знаменателю получим индексы Миллера h, k, I, которые являются целыми чис- лами. Таким образом, произвольную плоскость AXBYCZ обозначают тремя целыми числами, представляющими собой отношения трех дробей, числители которых являются ребрами единичной грани (OAi, OBi, ОСТ), а знаменатели соответствуют ребрам заданной грани (OAjr, OBY, OCZ). Если плоскость не пересекает какую-либо из координатных осей, то индекс Миллера для этой координатной оси равен нулю. В качестве примера рассмотрим такой случай. Пусть значения т, п, р равны соответственно 1, 4, 2, тогда числа 1/т, 1/п, и 1/р равны соответственно 1, 1/4, 1/2 и индексы Миллера h, k, I данной плоскости равны 4, 1, 2. Обычно индексы Миллера для обозначения плоскости заключа- ют в круглые скобки без каких-либо знаков между ними, например (121), (111), (100). Из сказанного можно сделать вывод о том, что диагональные плоскости куба имеют индексацию (НО), (101), (011), а грани куба—(ЮО), (010), (001). Направления кристаллографических осей записывают с помощью индексов Миллера, заключенных в квадратные скобки. Например, ось X обозначают [100], ось Y — [010], а ось Z —[001]. § 2.4. Германий Существование и основные свойства германия предсказал еще в 1870 г. Д. И. Менделеев, назвав его эка-силицием. Этот элемент был открыт в 1886 г. Содержание германия в земной коре невели- ко (около 0,001%). Германий в ничтожных количествах (0,01— 0,5%) содержится в цинковых рудах, угольной пыли, золе, саже и морской воде. Германий почти не имеет своих руд. Единственная руда германия — германит — содержит гораздо больше меди, же- леза и цинка, чем германия. Поэтому добыча германия является сложным технологическим процессом. Германий является рассеянным веществом в силикатах, суль- фидных минералах, а также в минералах, представляющих собой сульфосоли. Так, в свинцовых рудах содержание германия состав- ляет около 10 г/т, а в иодно-колчеданных—от 1 до 10 г/т. Однако имеются редко встречающиеся минералы, в которых германий содержится в значительных количествах: аргиродит 4Ag2SGeS2 (5—7%), реньерит (до 7%) и др. Большое количество германия содержится в бурых углях (до 100 г/т). В результате химической переработки исходного сырья получа- ют тетрахлорид германия, который путем дальнейшего окисления переводят в диоксид германия ОеОг — порошок белого цвета. Диоксид германия затем восстанавливают в среде водорода до эле- ментарного германия, который представляет собой порошок серого цвета 17
Окончательным товарным продуктом сложной химической пере- работки руд или углей и последующей термической обработки является монокристаллический германий в виде стержневидных слитков. Германий кристаллизуется в кубической пространственной ре- шетке типа алмаза. Этот материал принадлежит к IV группе периодической системы элементов, атомный номер 32, обладает характерным блеском. Температура плавления германия 937°С. Плотность твердого германия при комнатной температуре 5,35 г/см3. При плавлении плотность скачкообразно увеличивается примерно на 4,7%, т. е. до 5,57 г/см3, что связано с изменением межатомного расстояния при переходе германия из твердого со- стояния в жидкое. Температура кипения германия при давлении 105 Па равна 2700°С. Давление насыщенных паров при температу- ре 1000°С составляет 0,13 Па, при 1200°С—1,3 Па, при 1400°С — 13 Па и при 1600°С — 133 Па. В твердом состоянии германий — типичный ковалентный кри- сталлический материал. Он очень тверд и хрупок, поэтому механи- ческая обработка его затруднена, а на токарных, сверлильных и фрезерных станках вообще невозможна. Кристаллический германий химически устойчив на воздухе при комнатной температуре. При температуре свыше 600°С он окисля- ется до диоксида германия GeO2. Вода на германий не действует. Он устойчив к кислотам: в соляной, азотной и в холодной серной кислоте не растворяется. Активно растворяют германий при комнатной температуре цар- ская водка, раствор перекиси водорода, различные травители (сме- си кислот). В растворах кипящих щелочей КОН и NaOH германий хорошо растворяется, а в холодных—мало растворим. Однако до- бавление в растворы щелочей перекиси водорода приводит к воз- растанию растворимости германия. В расплавленных щелочах гер- маний быстро растворяется с образованием растворимых в воде германитов. Расплавленные углекислый и азотнокислый натрий также быстро растворяют германий с выделением соответствующе- го газа. Расплавленный германий при температуре 1000—1100°С реаги- рует с водородом с образованием летучих веществ типа GeH4, GeH6 и др. С хлором порошок германия взаимодействует уже при комнат- ной температуре, а гранулированный германий — при 180°С. При слабом нагреве германий реагирует с бромом. Сероводород при температурах ниже 200°С не взаимодействует с германием. Только при более высоких температурах, когда начинается диссоциация сероводорода, германий активно реагирует с серой с образованием моносульфида. Сернистый газ при температуре 500°С взаимодейст- вует с германием с образованием диоксида и дисульфида германия. Германий даже при очень высоких температурах практически не растворяет углерод. При температуре плавления растворимость углерода в германии составляет около Ю8 ат/см3. При нагревании 18
до 1500°С германий не взаимодействует с кварцем. Поэтому в по- лупроводниковой технологии широкое использование нашли квар- цевые и графитовые тигли, кассеты, контейнеры и другие изделия. Основными соединениями германия являются диоксид, оксид и тетрахлорид германия. Рассмотрим основные марки германия, используемые для изго- товления различных классов полупроводниковых приборов. Германий монокристаллический марок ГДЗ, ГДГЗ, ГЭСЗ, ГДСЗ представляет собой слитки германия, легированного золотом, гал- лием, сурьмой. Германий выпускается с электропроводностью дырочного и электронного типа. Марки германия расшифровываются так: пер- вая буква означает германий (Г); вторая буква — тип проводимо- сти (Д — дырочный, Э — электронный), третья и четвертая буквы соответствуют легирующей примеси (3 — золото, Г — галлий, С — сурьма). Цифра, стоящая после букв, указывает удельное сопро- тивление. Слитки германия производят диаметром от 20 до 35 мм и длиной от 30 до 80 мм. Германий марки ГДЗ-0,7 имеет дырочную электропроводность, удельное сопротивление 0,7 Ом-см, плотность дислокаций 5-Ю3 см-2 и концентрацию золота 4-Ю15 см-3. Герма- ний марки ГДЗ-0,6 имеет удельное сопротивление 0,6 Ом-см, плот- ность дислокаций 103 см-2 и концентрацию золота 5-Ю15 см-3. Гер- маний марки ГДГЗ-3 легирован галлием и золотом и имеет удель- ное сопротивление 3 Ом-см, .а концентрацию золота 3,5-4О14 см-3. Германий с электронной электропроводностью выпускается двух марок: ГЭСЗ-0,16 и ГЭСЗ-0,2. Эти материалы имеют удельное со- противление 0,16 и 0,2 Ом-см соответственно, концентрацию золо- та 4-Ю15 см-3 и время жизни неосновных носителей заряда 4-10~3мкс. Высокоомный германий с дырочной электропроводностью вы- пускается четырех марок: ГДСЗ-1014, ГДСЗ-4-1014, ГДСЗ-1015, ГДСЗ-2-1015. Удельное сопротивление германия этих марок при температуре —196°С равно 5-104 Ом-см, плотность дислокаций Ю4 см-2, концентрация золота соответственно 1014, 4- Ю14, I • 1015, 2- 1015 см-3, сурьмы 5-1013, 2-1014, 5-Ю14, 1 • 1014 см-3. Для получения монокристаллического германия с низким удельным сопротивлением его легируют мышьяком. Марки герма- нии, легированного мышьяком, имеют обозначения ГЭМ (буква М означает мышьяк). Удельное сопротивление такого германия равно 0,0007—0,005 Ом-см. Германий монокристаллический ГЭКЗС-0,15-0,22/10-3 представ- ляет собой слитки германия, легированного кремнием, золотом и сурьмой. Он предназначен для производства импульсных полупро- водниковых диодов. Удельное сопротивление германия составляет 0,15—0,22 Ом-см. Концентрация кремния в германии 2—3 ат %. Время жизни неосновных носителей заряда равно 10~3 мкс. Слитки германия производят диаметром 20 мм и длиной 25. мм. Марка германия ГЭКЗС-0,15-0,22/10-3 расшифровывается так; германий (Г), электронный (Э), легированный кремнием (К), зо- 19
лотом (3) и сурьмой (С). Цифры в числителе дроби указывают на диапазон удельного сопротивления германия, а цифра в знамена- теле дроби соответствует времени жизни неосновных носителей заряда. Применение объемных монокристаллических слитков в техноло- гии изготовления полупроводниковых приборов сопряжено с боль- шими потерями ценного материала, возникающими при механиче- ской обработке (резке, шлифовке, полировке). В настоящее время широкое применение находят полупроводни- ковые монокристаллические слои, которые получили название эпи- таксиальных. Эти слои осаждаются на подложки из различных материалов (кварц, сапфир, германий, кремний и др.). Рассмотрим параметры двух марок германиевых эпитаксиаль- ных структур. Германиевые эпитаксиальные структуры общего назначения по- лучают методом обратной эпитаксии путем водородного восстанов- ления тетрахлорида германия с последующей сошлифовкой до за- данных размеров со стороны эпитаксиального слоя и подложки. Предназначаются для изготовления полупроводниковых приборов. Германиевые эпитаксиальные структуры имеют обозначение ГДБ-0,01 тт « » „ ГДГ 0~75 ’ Числитель дроби характеризует эпитаксиальный слои, а знаменатель — подложку. Буквы в числителе и знаменателе озна- чают; Г — германий, Д — тип электропроводности (дырочный), Б— легирующая примесь (бор), Г — легирующая примесь (галлий). Цифры указывают номинал удельного сопротивления слоя и под- ложки. Диаметр структур соответствует диаметру исходной пластины. Ориентация эпитаксиальных слоев совпадает с кристаллографиче- ской плоскостью (111), а отклонение от этой плоскости не превы- шает 2°. Отклонение толщины подложки от среднего значения рав- но ±3 мкм. Общая средняя толщина эпитаксиальной структуры 205—215 мкм. Средняя толщина подложки после сошлифования 42—48 мкм. Другой тип эпитаксиальных структур имеет следующую марки- ровку: (2035)-^^^^^-(190 н-210). Числа перед дробью означают пределы диаметра полупроводниковой пластины, а числа после дроби — предел толщины пластины после механической об- работки. Числитель дроби характеризует эпитаксиальный слой, а знаменатель — подложку. Первые числа в числителе и знаменателе указывают среднюю толщину эпитаксиального слоя и подложки. Вторые числа в числителе означают верхний предел удельного со- противления эпитаксиального слоя, а вторые числа в знаменате- ле — номинал удельного сопротивления подложки. Буквы в числи- теле и знаменателе означают: Г — германий, Д — тип электропро- водности (дырочный), Б — легирующая примесь (бор), Г — леги- рующая примесь (галлий). 20
§ 2.5. Кремний Кремний — элемент IV группы периодической системы с атомным номером 14. После кислорода кремний—самый распространенный элемент в природе. Он составляет примерно V4 веса земной коры. Многочисленные соединения кремния входят в большинство гор- ных пород и минералов. Песок и глина, образующие минеральную часть почвы, также представляют собой соединения кремния. Наи- более распространенным соединением кремния является диоксид кремния. Свободный диоксид кремния SiO2 встречается главным образом в виде минерала — кварца. В свободном состоянии кремний в при- роде не встречается. Кремний, как и германий, кристаллизуется в кубической пространственной решетке типа алмаза. Кристалличе- ский кремний — темно-серое вещество, твердое и хрупкое с метал- лическим блеском, химически довольно инертное. Плотность твер- дого кремния при комнатной температуре равна 2,32 г/см3, а жид- кого (при температуре плавления)—2,53 г/см3. Температура плавления кремния 1420°С. Кипит кремний при температуре 2477°С и давлении 105 Па. Давление насыщенных паров в зависимости от температуры составляет1: при 1225°С — 0,13 Па, при 1343°С—1,3, при 1485°С—13, при 1670°С — 133, при 1890°С — 1,3-103 и при 2083°С— 1,3-104 Па. При нагревании до температуры 200—700°С кремний реагирует с галогенами, образуя галогениды кремния SiF4, SiCl4, SiBn, SiJ4, а при температуре 2000°C — непосредственно с водородом, образуя силаны SiH4, SiH6. При очень высоких температурах (порядка 1100—1300°С) крем- ний способен непосредственно соединяться с азотом, образуя нитрид кремния, и с углеродом — карбид кремния. Кремний хоро- шо растворим во многих расплавленных металлах. При комнатной температуре кремний химически устойчив. В воде нерастворим. Не реагирует со многими кислотами в любой концентрации. Однако хорошо растворяется в смеси плавиковой и азотной кислот. Менее интенсивно кремний растворяется в азотной кислоте с небольшими добавками брома или перекиси водорода. Кремний хорошо раство- ряется в кипящих щелочах. Небольшие добавки перекиси водорода к кипящему водному раствору щелочи ускоряют растворение крем- ния. Еще более интенсивно растворяется кремний в расплавленных щелочах. Кремний устойчив на воздухе при нагревании его до 900°С. Выше 900°С он начинает интенсивно окисляться с образованием диоксида кремния. Расплавленный кремний обладает высокой хи- мической активностью. Поэтому подбор для него подходящего кон- тейнерного и тигельного материалов представляет до настоящего времени трудную задачу. Дело в том, что наиболее чистые матери- алы, из которых изготовляют тигли (кварц и графит), при высоких температурах взаимодействуют с кремнием. 21
Основными соединениями кремния, которые используются в полупроводниковом производстве, являются диоксид крем- ния, оксид кремния, тетрахлорид кремния, трихлорсилан и моно- силан. Монокристаллический кремний получают из поликристалличе- ского путем выращивания из расплава методом Чохральского или методом бестигельной зонной плавки. Первый метод применяют, как правило, для получения низкоомных слитков с удельным со- противлением, не превышающим 250 Ом-см. Такие слитки имеют большой диаметр (до 150 мм). Второй метод используют для полу- чения высокоомных монокристаллических слитков с удельным сопротивлением до 2000 Ом-см. Промышленностью выпускается большое количество различных марок монокристаллического кремния, который используется для изготовления полупроводниковых диодов, . транзисторов и инте- гральных микросхем. Монокристаллический кремний занимает в настоящее время ведущее место среди других полупроводнико- вых материалов, так как он обладает рядом преимуществ. Крем- ниевые приборы имеют малые обратные токи, работают при повы- шенных температурах, допускают более высокие удельные нагруз- ки, а также могут работать в области пробоя р-п-перехода. Рассмотрим основные марки монокристаллического кремния. Кремний моносилановый выпускается шести марок: КМД-1, КМД-2, КМД-3, КМД-4, КМД-5 и КМД-6. Применяется для изго- товления полупроводниковых приборов. Марка кремния расшиф- ровывается так: К — кремний, М — моносилановый, Д — электро- проводность дырочного типа. Цифра после букв означает группу кремния по удельному сопротивлению. Удельное сопротивление этих групп кремния равно 1000, 2000, 3000, 4000, 5000 и 6000 Ом-см соответственно. Время жизни неосновных носителей заряда состав- ляет 400—600 мкс. Плотность дислокаций равна 5-104 см-2. Со- держание кислорода в кремнии не превышает 2-1016 см-3. Кремний монокристаллический для силовых вентилей получают методами Чохральского и бестигельной зонной плавки. Такой кремний выпускается одиннадцати марок: КЭ2А, КЭ2Б, КЭ2В, КЭ2Г, КЭ2Д, БКЭ2А, БКЭ2Б, БКЭ2В, БКЭ2Г, БКЭ2Д и БКД2Е. Первые десять марок кремния выпускаются с электронной элек- тропроводностью, а кремний марки БКД2Е — с дырочной. Содер- жание кислорода в кремнии с электронной электропроводностью равно 5-1017 ат/см3, а с дырочной 2-1016 ат/см3. Удельное сопротив- ление кремния марок К.Э2А и ВКЭ2А составляет 26—45 Ом-см, марок КЭ2В и БКЭ2В — 40—75, марок КЭ2Г и БКЭ2Г — 50—140, марок КЭ2Д и БКЭ2Д—100, марки БКД2Е — 500—2000 Ом-см. Разброс удельного сопротивления не превышает 35% по объему слитка и 20% по торцу слитка. Диффузионная длина равна 0,1 — 0,3 мм. Плотность дислокаций не превышает 5-104 см-2. Кремний монокристаллический общего назначения представля- ет собой слитки, полученные методом Чохральского. Применяется для изготовления полупроводниковых приборов. Этот кремний вы- 22
пускается пятнадцати групп: 1А, 1Б, 2А, 2Б, 2В, 2Г, 2Д, 2Е, ЗА, ЗБ, ЗВ, 4А, 5А, 5Б, 5В. Каждая группа кремния характеризуется диапазоном удельного сопротивления и допустимым разбросом по длине слитка (табл. 2.1). Содержание кислорода в кремнии для всех марок не превышает 5-Ю17 см-3, со- держание зойота в кремнии пятой группы равно 2-Ю15 см-3. Кремний групп 1А, 1Б, ЗА легирован фосфором или бором, поэтому он обла- дает электропроводностью электронного или дырочного типа. Кремний групп 2А—2Д легирован фосфором, а груп- пы 2Е — бором. Кремний групп ЗБ, ЗВ легирован сурьмой и имеет электрон- ную электропроводность, а группы 4А — алюминием и имеет дырочную электропро- водность. Кремний групп 5А, 5В и 5Б легирован фосфором Таблица 2.1 Группа Диапазон удельного сопротивления, Ом • см Разброс удельного сопротивле- ния, % 1А 1—15 ±15 1Б 1—20 ±20 2А 15—25 ±20 2Б 25—45 ±25 2В 40—75 ±25 2Г 50—140 ±30 2Д 100—250 ±30 2Е 500—2000 ±35 ЗА 0,005—1,0 ±35 ЗБ 0,008—1,0 ±7 ЗВ 0,005—0,1 ±25 4А 0,02—0,2 ±25 5А 3—18 ±30 5Б 20—40 ±30 5В 40^-120 ±40 ЗОЛОТОМ. И Плотность дислокаций для всех групп кремния различна и лежит в пределах от 2-103 до 5-Ю4 см~2. Время жизни неосновных носителей заряда равно 0,2 мкс, а диффузионная длина 0,1 мм. Кремний монокристаллический электронный, применяемый для производства полупроводниковых приборов, выпускается марок КЭМ-0,003 и КЭМ-0,004. Марка этого кремния расшифровывается следующим образом: К — кремний, Э — с электронной электропро- . водностью, М — легирован мышьяком с удельным сопротивлением 0,003 (0,004) Ом-см. Плотность дислокаций не превышает 103 см-2. Кремний монокристаллический для осаждения эпитаксиальных слоев получают методом Чохральского. Кремний выпускается двух марок: ЭКДБ-Г0-1 и ЭКЭС-0,01-5. Первая буква марки этого крем- ния означает область его применения (Э — эпитаксиальное нара- щивание). Вторая буква (К)—полупроводниковый материал (кремний). Третья буква указывает на тип электропроводности (Д — дырочная, Э — электронная). Последняя буква соответствует виду легирующей примеси (Б — бор, С — сурьма). Первая цифра указывает удельное сопротивление, а вторая — марку кремния. Первая марка кремния имеет дырочную электропроводность и удельное сопротивление 1—20 Ом-см с допустимым разбросом, равным 20%. Плотность дислокаций кремния этой марки равна 10 см-2. Вторая марка кремния имеет электронную электропровод- ность с удельным сопротивлением 0,01 Ом- см и плотностью дисло- каций 100 см-2. 23
Широкое применение в производстве полупроводниковых при- боров и интегральных микросхем нашли кремниевые эпитаксиаль- ные структуры. Эти слои выращивают из газовой фазы на моно- кристаллических подложках из кремния, сапфира, кварца, ситалла, корунда и других материалов. Наиболее часто в качестве подложек используют монокристаллический кремний и сапфир. Эпитаксиаль- ные структуры кремния выпускают трех видов: простые, много- слойные и гетероэпитаксиальные. Простые эпитаксиальные структуры кремния представляют со- бой двухслойные композиции, состоящие из эпитаксиального слоя и кремниевой монокристаллической пластины (подложки). Струк- туры применяют для изготовления полупроводниковых приборов и интегральных схем. Кремниевые эпитаксиальные слои имеют дырочную электропро- водность с удельным сопротивлением 0,5—2,0 Ом- см. Толщина эпитаксиальных слоев 8—15 мкм, а толщина всей эпитаксиальной структуры 200—400 мкм. Плотность дислокаций в эпитаксиальном слое не превышает 1-104см~2, плотность дефектов упаковки 5-Юз см-2. Эпитаксиальные структуры этого типа имеют следующее обоз- начение: 2(Ю^эс~о’01 ' Первая цифра перед дробью соответст- вует диаметру структуры, первая цифра в числителе — толщине эпитаксиального слоя, а в знаменателе — толщине пластины (под- ложки) . Буквы в числителе обозначают марку кремния, из которо- го изготовлен эпитаксиальный слой (КДБ — кремний с дырочной электропроводностью, легированный бором), а число, стоящее пос- ле этих букв, указывает удельное сопротивление эпитаксиального слоя. Буквы в знаменателе обозначают марку кремния, из которого выполнена подложка (КЭС — кремний с электронной электропро- водностью, легированный сурьмой), а число, стоящее после букв, указывает удельное сопротивление подложки. Многослойные кремниевые эпитаксиальные структуры пред- ставляют собой трехслойные композиции, включающие в себя ис- ходную полупроводниковую пластину и выращенные на ее проти- воположных поверхностях два полупроводниковых эпитаксиальных слоя. Эпитаксиальные структуры этого типа имеют следующее обо- ол ЮКдб-0,001 значение: 20-----==-—2--- . 70КМД-2Б ЗОКЭФ-0,002 Цифра перед дробью указывает диаметр подложки и эпитакси- ального слоя. Первая цифра верхнего ряда дроби соответствует толщине верхнего эпитаксиального слоя, а последняя — его удель- ному сопротивлению. Буквы первого ряда дроби обозначают тип материала эпитаксиального слоя (кремний с дырочной электропро- водностью, легированный бором). Первая цифра второго ряда дро- би указывает толщину исходной пластины, буквы второго ряда — полупроводниковый материал подложки. Первая цифра третьего 24
ряда соответствует толщине нижнего эпитаксиального слоя, а пос- ледняя— его удельному сопротивлению. Буквы третьего ряда обозначают тип эпитаксиального слоя (кремний с электронной электропроводностью, легированный фосфором). Гетероэпитаксиальные структуры состоят из монокристалличе- ского эпитаксиального кремниевого слоя, наращенного на моно- кристаллическую сапфировую подложку. Структуры применяются для изготовления полупроводниковых интегральных микросхем. Гетероэпитаксиальные структуры выпускают со слоями кремния с электропроводностью п- и p-типа и удельным сопротивлением 0,1—10 Ом-см. Толщина слоя кремния составляет 2—20 мкм. Тол- щина всей гетероэпитаксиальной структуры равна 200—300 мкм. Гетероэпитаксиальные структуры имеют следующее обозна- чение: тгтт/, 0КДБ-0,5 1.2КЭФ-45 КНС----------— или КНС—:----------- 18С250 60С250 где КНС — кремний на сапфире; числитель указывает параметры эпитаксиального слоя, а знаменитель — параметры пластаны (под- ложки) . Первая цифра в числителе указывает толщину эпитаксиально- го слоя кремния. Буквы в числителе соответствуют названию и ти- пу электропроводности кремния (КДБ — кремний с дырочной элек- тропроводностью, легированный бором; КЭФ — кремний с элек- тронной электропроводностью, легированный фосфором). Вторая цифра в числителе указывает удельное сопротивление слоя крем- ния. Первая цифра в знаменателе соответствует диаметру пласти- ны (подложки), буква — материалу подложки (С — сапфир), а вторая цифра указывает толщину пластины сапфира. Кремниевые структуры с диэлектрической изоляцией (КСДИ) применяют для изготовления монолитных интегральных микро- схем. Структуры представляют собой пластины из поликристал- лического кремния, содержащие со стороны рабочей поверхности островки монокристаллического кремния с электропроводностью п- или p-типа, ориентированные в плоскостях (111) или (100), изолированных от поликристаллического кремния слоем диоксида кремния и размещенных по заданной топологии. Структуры производят двух видов: с высоколегированным скрытым слоем с электропроводностью п+- или р+-типа, выходя- щим на рабочую поверхность, и без .скрытого слоя. Скрытый слой п+-типа легируется мышьяком или фосфором, а р+-типа — бором. Скрытые слои п+- или р+-типа получают методом диффузии или. эпитаксии. Пример записи структуры: КСДИ 40 ЗАКЭф-0.5/0.1-(111)/п+-МЭ Д 15-12-55 КСДИ 40 закЭФ-0,5/0,1-(111)/- А 15-12-55 25
где в числителе буквы КС ДИ означают название структуры, 40 — диаметр структуры: ЗАДЭФ-0,5/0,1— марка монокристаллическо- го кремния; (111)—ориентация монокристаллических островков, /п+ — тип электропроводности; М — легирующий элемент (мышь- як); Э — способ получения островков (эпитаксия); прочерк после наклонной черты в числителе (/-) означает отсутствие скрытого слоя; в знаменателе 15 — ширина разделительной дорожки между элементами модуля; 12 — толщина монокристаллического слоя кремния в островках, мкм; 55 — ширина разделительной дорожки между островками монокристаллического кремния в модуле, мкм. Структуры имеют общую толщину 240 мкм с отклонением от номинала ±10 мкм. Толщина скрытого слоя 5 мкм, его поверхност- ное сопротивление 20 Ом/О. Толщина изолирующего слоя диоксида кремния 2,5 мкм. Эпитаксиальные структуры кремния со скрытыми слоями (ЭСС) представляют собой сложные композиции, в которых скры- тые слои кремния легированы сурьмой, а эпитаксиальный слой с электронной электропроводностью легирован фосфором. Пример 12КЭФ-0,8/3,5КЭС-30 записи: ЭСС----------------------=---, 312КДБ-10 (111)-8, [112J-45 где в числителе 12 — номинал толщины эпитаксиального слоя, мкм; К — материал эпитаксиального слоя (кремний); Э — электронный тип электропроводности эпитаксиального слоя; Ф — легирующий элемент эпитаксиального слоя (фосфор); 0,8 — номинал удельного сопротивления эпитаксиального слоя, Ом-см; 3,5 — номинал тол- щины скрытого слоя, мкм; К — материал скрытого слоя (кремний); Э — электронный тип электропроводности скрытого слоя; С — леги- рующий элемент скрытого слоя (сурьма); 30 —номинал поверхно- стного сопротивления скрытого слоя, Ом/О; в знаменателе 312 — номинал толщины эпитаксиальной структуры, мкм; К — материал подложки (кремний); Д — дырочный тип электропроводности; Б— легирующий элемент (бор); 10 —номинал удельного сопротивле- ния подложки, Ом* см; (111)—8 — ориентация подложки с откло- нением 8°; (112]—ориентация базового среза; 45 — номинал диа- метра структуры. Топология, размеры и расположение участков скрытого слоя устанавливаются конструкторской документацией на определенный вид и тип интегральной микросхемы. Номиналы толщины эпитак- сиального слоя могут изменяться от 6 до 15 мкм с допустимым от- клонением от номинала ±10%. Номиналы удельного сопротивле- ния эпитаксиального слоя могут составлять от 0,15 до 5 Ом-см с допустимым отклонением от номинала не более 25%. Номиналы поверхностного сопротивления скрытого п+-слоя имеют значения 15, 20, 25, 30, 40 и 50 Ом/П с допустимым отклонением 25%. Но- миналы толщины скрытого слоя 2,5; 3,5; 5,0; 7,0; 10 мкм с допусти- мым отклонением 30%. Плотность дислокаций в эпитаксиальном слое не превышает 104 см-2. Отношение эффективной толщины 26
n-слоя над д+-областью к толщине эпитаксиального слоя равно 85%. Кремниевые эпитаксиальные структуры с комбинированным ди- электриком (КСКД) применяют для изготовления МДП-структур Л < t/гч/п l,0SiO2 и приборов на их основе и обозначают: КСКД---------- ----’ 0,0351з-/¥4 0,05SiQ2 1,5КЭФ1,5-1015 200КЭС0.01 где первая, вторая и третья строки указывают толщину и материал диэлектрика, четвертая строка — параметры эпитаксиального слоя кремния (1,5 — толщина слоя, КЭФ — кремний с электронной электропроводностью, легированной фосфором, 1,5-1015 — концент- рация фосфора в эпитаксиальном слое кремния, см-3); пятая строка — параметры подложки (200 — толщина подложки, КЭС— кремний с электронной электропроводностью, легированный сурь- мой); 0,01 — удельное сопротивление подложки кремния. Кремниевые обращенные эпитаксиальные структуры (КОЭС) с электропроводностью п-п+-типа применяют для изготовления оп- тоэлектронных приборов. Они представляют собой монокристал- лическую кремниевую подложку п+-типа, на которой располагает- ся приборный высокоомный эпитаксиальный слой кремния п-типа. Структура имеет следующее обозначение: коэс КЭФ|-^Ц, КЭФ0,1-200 где в числителе буквы КЭФ — марка кремния; 1,0 — его удельное сопротивление; 70 — толщина приборного высокоомного слоя; в знаменателе буквы КЭФ — марка кремния; 0,1 — его удельное со- противление; 200 — толщина подложки. § 2.6. Арсенид галлия Арсенид галия GaAs — один из перспективных полупроводниковых материалов, который благодаря своим свойствам находит широкое- применение при разработке новых типов полупроводниковых при- боров. Он обладает большей шириной запрещенной зоны, чем гер- маний и кремний. Вторым большим преимуществом арсенида гал- лия является высокая подвижность электронов и дырок. Арсенид галлия получают сплавлением чистого мышьяка и чис- того галлия. Оба исходных материала загружают, в кварцевую ампулу и нагревают. Рост кристаллов происходит от зародыша, возникающего самопроизвольно. Температура плавления арсенида галлия стехиометрического состава около 1237°С при давлении па- ров мышьяка около 105 Па. Кристаллизуется арсенид галлия в структуре сфалерита и имеет плотность 5,4 г/см3. Плотность жидко- го арсенида галлия 5,9 г/см3. 27
Показатель преломления арсенида галлия 3,2, а диэлектриче- ская проницаемость 11,1. Ширина запрещенной зоны при темпера- туре 300 К равна 1,45 эВ. Рабочая температура р-п-переходов, из- готовленных на основе арсенида галлия, может достигать значений 300—400°С. При комнатной температуре арсенид галлия не взаимодейству- ет с водой. Он не окисляется кислородом воздуха при нагревании до температуры 300°С. Однако уже при комнатной температуре арсенид галлия взаимодействует с кислотами с выделением силь- нотоксичного вещества — арсина AsH3. Следует отметить, что растворимость арсенида галлия возрастает в смесях кислот. Так, при комнатной температуре растворимость арсенида галлия в раст- ворах соляной кислоты в широком диапазоне концентраций состав- ляет около 2 -10—5 мг/(см2-ч), в смеси азотной и соляной кислот с водой в отношении 1:1:1 она возрастает до 60 мг/(см2-ч), а в смеси азотной и плавиковой кислот она равна 1200 мг/(см2-ч). Наиболее распространенными методами получения монокри- сталлов арсенида галлия являются выращивание из расплава, на- правленная кристаллизация и бестигельная зонная плавка. При кристаллизации расплава арсенида галлия в него перехо- дят примеси: Примеси Концентрация, см~3 в арсениде галлия Кремний . . . 2-1017—5-Ю18 Натрий . . . .5-Ю13—1-Ю14 Медь . . . .2-1013—5-1014 Сурьма . . .2-1012—5-Ю12 Золото. . . .3-Ю11—3-Ю12 Обычно нелегированный арсенид галлия имеет электропровод- ность п-типа, концентрацию носителей заряда 5-Ю15 см-3 и под- вижность электронов 8000 см2/(В-с). Для получения арсенида галлия с высоким удельным сопротив- лением (от 104 до 109 Ом-см) расплав легируют железом или хро- мом с концентрациями около 1017 ат/см3. При легировании арсенида галлия теллуром концентрация но- сителей зарядов соответствует 1017±1019 см“3, а подвижность элек- тронов равна 1000—4000 см2/(В-с). При легировании цинком об- разуется арсенид галлия с электропроводностью р-типа с концент- рацией 1017—1020 см~3 и подвижностью дырок 200 см2/(В-с). Кремний переходит в арсенид галлия в результате взаимодейст- вия галлия с кварцем при термических процессах. Кремний заме- щает атомы галлия в решетке соединения GaAs, создавая донор- ный уровень. При высоких (2-Ю18—1-Ю20 ат/см3) концентрациях кремний в арсениде галлия является электрически нейтральной примесью. Медь резко снижает подвижность электронов. Она пере- ходит в арсенид галлия из кварца тиглей, ампул, трубок и лодочек,, используемых при получении монокристаллов GaAs. Несмотря на то, что медь является акцептором, поведение ее в арсениде галлия 28
очень сложно. Так, при концентрации меди, превышающей кон> центрацию кремния, кристаллы арсенида галлия могут сохранять, электронную электропроводность. В настоящее время промышленностью выпускается большое ко- личество арсенида галлия различных марок. Рассмотрим основные марки арсенида галлия и их электрофи- зические свойства. Арсенид галлия общего применения представляет собой моно- кристаллический материал в виде слитков диаметром 12—25 мм, получаемых методом Чохральского или методом направленной кри- сталлизации. Применяется для изготовления полупроводниковых приборов. Выпускается четыре группы арсенида галлия: АГЭ — ар- сенид галлия с электронной электропроводностью, нелегированный; АГЭТ— арсенид галлия с электронной электропроводностью, леги- рованный теллуром; АГДЦ—арсенид галлия с дырочной электро- проводностью, легированный цинком; АГП — арсенид галлия полу- изолирующий. В буквенном обозначении группы добавляют две ци- фры: первая показывает номинальную концентрацию основных но- сителей заряда, вторая является показателем степени десятичного- порядка концентрации основных носителей заряда. Основные марки арсенида галлия: АГЭ 1-15, АГЭ 1-16, АГЭ 4-16, АГЭ 1-17, АГЭТ 3-17, АГЭТ 6-17, АГЭТ 8,5-17, АГЭТ 14,5-17, АГЭТ 4-18, АГЭТ 14-18, АГЭТ 23-18, АГДЦ 2-19, АГДЦ 3-19, АГДЦ 4-19, АГДЦ 6-19, АГДЦ. 9-19, АГДЦ 1,25-20, АГП 1-5.' Плотность дислокаций этих материа- лов составляет 2- 104—3 - 104 см~2. Подвижность для материалов- группы АГЭ равна 4000—6000 см2/(В-с); для материалов группьь АГЭТ — от 1500 до 3800 см2/(В-с); для материалов группы. АГДЦ — от 30 до 90 см2/(В-с). За последнее время широкое распространение в производстве- полупроводниковых приборов находят эпитаксиальные слои арсе- нцда галлия. Эпитаксиальные слои арсенида галлия получают методом жидкостной эпитаксии, основанным на кристаллизации расплавов галлий — мышьяк. Геометрические размеры эпитакси- альных слоев арсенида галлия зависят от ’площади исходной под- ложки и режима наращивания (время проведения процесса, темпе- ратура и т. д.). Для получения эпитаксиальных слоев арсенида галлия исполь- зуют специальные материалы, обладающие определенными элект- рофизическими свойствами. Арсенид галлия монокристаллический для эпитаксиальных структур получают методом Чохральского и выпускают двух ма- рок: ЭАГЭТ и ЭАГЭО. Первая буква Э указывает на применение- арсенида галлия, в данном случае для эпитаксиального наращива- ния; буквы АГ указывают материал — арсенид галлия; буква Э,. стоящая после буквы Г, означает электронный тип электропровод- ности арсенида галлия; буква Т показывает, чем легирован арсенид, галлия (теллур); буква О означает легирование арсенида галлия оловом. К буквенному обозначению материала добавляют две циф- 29:
зц-ш:;...ияпмытз-:-...юн».уаи«д»<>,мнецлж1м.мя^^ч1г«ц^<имми1МЦк..И!г^1гдг^.ииц.ми^«1иы»«ць»адт«1мш»»цы ры. Первая означает номинальную концентрацию основных носи- телей заряда, вторая является показателем десятичного порядка концентрации основных носителей заряда. Основные марки арсенида галлия приведены в табл. 2.2. Таблица 2.2 Марки арсенида галлия Допустимый предел концентрации, см-з Плотность дислокаций, СМ-2 Подвижность, см2/(В • с) Кристалло- графическая ориентация ЭАГЭТ 10-18 6-10ls 3-104 1400' (111) ЭАГЭТ 5-18 2-10ls 3-104 1600 (100), (111) ЭАГЭТ 14,5-17 7-1017—2- 1O1S 3-104 2800 (100), (111) ЭАГЭТ 5,5-17 4-Ю17—7-Ю17 3-104 3200 (100), (111) ЭАГЭС 5,5-17 4-Ю17—7-Ю17 3-104 2900 (ЮО), (111) ЭАГЭТ 3-17 1-Ю17—5-Ю17 3-104 3600 (100), (111) ЭАГЭО 3-17 1-Ю17—5-Ю17 3-104 3400 (100), (111) ЭАГЭО 1-17 8-1016—2-1017 3- го4 3600 (111) ЭАГЭО 4-16 3-Ю16—8-Ю16 3-104 3800 (111) ЭАГЭО 2-16 1-Ю16—3-1016 3-104 4300 (111) ЭАГЭО 1-16 1-Ю16 3-104 4500 (111) ЭАГЭО 14,5-17 7-1017—2-1O1S 3-104 1800 (100), (111) $ 2.7. Фосфид галлия Фосфид галлия GaP, как и арсенид галлия, принадлежит к важней- шим полупроводниковым' материалам типа AniBv. Он кристалли- зуется в структуре сфалерита и в твердом состоянии обладает плотностью, равной 4,1 г/см3. В жидком состоянии плотность его выше и составляет 4,6 г/см3. Температура плавления фосфида гал- лия стехиометрического состава 1500°С при давлении паров фос- фора около 3-106 Па. Вследствие большой ширины запрещенной зоны фосфид галлия отличается высокой химической стойкостью. С кислородом и водя- ным паром при обычных условиях не реагирует. Стоек на воздухе -при нагреве до температуры 700—800°С. Фосфид галлия устойчив ко многим кислотным и щелочным рас- творам. Скорость растворения его в концентрированной азотной кислоте при комнатной температуре равна 0,16 мг/(см2-ч). В смеси азотной и соляной кислот, взятых в соотношении 1 :3, скорость 7,8 мг/(см2-ч). Более высокая скорость растворения фосфида гал- лия наблюдается в плавиковой кислоте и смесях кислот с ее уча- стием, а также в царской водке. Необходимо отметить, что при взаимодействии с кислотами выделяется сильно токсичное вещест- во — фосфин РН3. Кристаллы фосфида галлия получают кристаллизацией распла- ва, а также кристаллизацией из газовой фазы. При кристаллизации в фосфид галлия из графитового тигля попадает-большое количест- во углерода (до 1-Ю'9 ат/см3), который ухудшает его электрофизи- ческие параметры. Внешне это проявляется в изменении цвета кри- 30
сталла от светло-желтого до темно-коричневого и понижении его прозрачности. Примесь углерода ведет себя в фосфиде галлия как акцептор. Фосфид галлия поликристаллический получают из расплава на- правленной кристаллизацией. Он используется в качестве исходно- го материала при получении монокристаллов (в частности, GaP)_ По внешему виду фосфид галлия представляет собой мелкозерни- стые поликристаллы серого цвета, прозрачные перед источником света на глубине 20 мм. Количество примесей (%) в фосфиде гал- лия не превышает: Медь..... 1-10-4 Серебро . ; . . . 5-10-s Алюминий .... 5-10“4 Висмут... 5-10“5 Хром...... 1-Ю-3 Железо........... 5-10—4 Олово.... 5-10-4 Марганец .... 5-10—5 Поликристаллические слитки фосфида галлия обладают элек- тронной электропроводностью, концентрация носителей зарядов в них 5-1017 CNP3 и подвижность до 60 см2/(В • с). При выращивании монокристаллов в расплав добавляют леги- рующие добавки — теллур или цинк. Фосфид галлия монокристаллический представляет собой ден- дритные пластины, предназначенные для производства полупровод- никовых источников света. Фосфид галлия выпускают с электронной и дырочной электропроводностью марок ФГЭТ-К/Ю, ФГЭТ-О/20, ФГЭТ-3/50, ФГЭТК-К/30, ФГДЦ-З, ФГДЦК-К. Первые две буквы ФГ означают фосфид галлия; третья буква означает тип электро- проводности (Д — дырочный, Э — электронный); четвертая и пятая буквы соответствуют легирующей примеси (Т — теллур, Ц — цинк, К —кислород). Буква в числителе дроби указывает цвет свечения материала (К — красный, О — оранжевый, 3 — зеленый), а цифра в знаменателе — минимальное значение яркости свечений в нитах, Фосфид галлия выпускают в виде пластин с размерами 5x5X Х1,5 мм. Фосфид галлия имеет концентрацию основных носителей заряда 5/1016—5-Ю17 см-3 для материалов с электронной электро- проводностью и 1 • 1017—8-Ю18 см-3 — для материалов с дырочной электропроводностью. Подвижность электронов у материала с элек- тропроводностью n-типа равна 80 см2/(В-с), а подвижность дырок для материала с электропроводностью p-типа составляет 50 см2/(В • с). § 2.8. Арсенид индия Арсенид индия InAs — новый полупроводниковый материал, обла- дающий свойствами, позволяющими использовать его в ряде при- боров с гальваномагнитными эффектами. Этот материал обладает высокой подвижностью электронов, что позволяет на его основе изготовлять приборы с повышенной чувствительностью. Арсенид 31
индия используется в оптоэлектронных устройствах, оптических фильтрах, лазерах, источниках инфракрасного излучения, фотопри- емниках и многих других полупроводниковых приборах. Кристаллизуется арсенид индия в кубической гранецентрирован- ной решетке с постоянной а = 0,605 нм. Температура плавления его 943°С. Диэлектрическая проницаемость 12. Показатель, преломле- ния 3,4. Ширина запрещенной зоны при температуре 300 К соответ- ствует 0,36 эВ. Монокристаллические слитки арсенида индия получают метода- ми выращивания из расплава и горизонтальной направленной кри- сталлизации. Выпускаемый промышленностью арсенид индия представляет собой слитки монокристаллического материала, полученного мето- дом Чохральского или методом горизонтальной направленной кри- сталлизации. Этот материал применяется для производства элек- тронных полупроводниковых приборов. Выпускаются следующие марки арсенида индия: ИМЭ-1, ИМЭ-2, ИМЭТ-1 — ИМЭТ-4; ИМЭО-1— ИМЭО-4; ИМДЦ-1 — ИМДЦ-4. Первые две буквы обо- значают название полупроводникового материала — арсенид индия (ИМ—индий, мышьяк); третья буква указывает тип электропро- водности материала (Э — электронный, Д —дырочный); четвертая буква указывает элемент легирующей примеси (Ц — цинк; Т — тел- лур; О — олово). Концентрация основных носителей заряда состав- ляет: ИМЭ-1 -3- 1016 см-3; ИМЭ-2 —5- 1016; ИМЭТ-1 — ИМЭТ-4 — Ю'7 _ 5- io'3; ИМЭО-1 — ИМЭО-4 — 1017—5-1018; ИМДЦ-1 — ИМДЦ-4—1016—1О20 см-3. Подвижность носителей заряда лежит в пределах от 2- 104 до 5- 104 см2/(В-с), а плотность дислокаций 103—104 см-2. § 2.9. Антимонид индия Антимонид индия InSb — новый полупроводниковый материал, ко- торый нашел широкое применение при изготовлении фотоэлементов высокой чувствительности, датчиков Холла, оптических фильтров, термоэлектрических генераторов и холодильников. Получают антимонид индия сплавлением в стехиометрическом соотношении высокочистых индия и сурьмы. Полученный таким об- разом материал очищают зонной плавкой. Монокристаллические слитки изготовляют методом выращивания из расплава. Кристал- лизуется антимонид индия в кубической гранецентрированной ре- ял етке с постоянной а = 0,647 нм. Плотность 5,77 г/см3. Температура плавления монокристаллов InSb 525°С. Показатель преломления Д.75. Ширина запрещенной зоны антимонида индия меньше, чем у термания, кремния, арсенида галлия, фосфида галлия, арсенида ин- ,дия и равна 0,17 эВ. Вследствие малой ширины запрещенной зоны при комнатной •температуре электропроводность антимонида индия становится не 32
примесной, а собственной. Фотопроводимость InSb охватывает ши- рокую область, лежащую в инфракрасной части спектра. Максимум фотопроводимости материала соответствует длине волны 6,7 мкм. Промышленностью выпускается монокристаллический антимо- нид индия в виде слитков и пластин различных геометрических раз- меров. Наибольшее практическое применение нашли следующие марки антимонида индия: ИСЭ-1, ИСЭ-2, ИСЭТ-3, ИСДГ-1, ИСДГ-2, ИСДГ-3, ИСДГ-4, ИСДЦ-5. Первые две буквы в этих марках материала обозначают полупроводниковый материал (ИС — индий, сурьма), третья буква указывает тип электропровод- ности материала (Э— электронный, Д — дырочный), четвертая бук- ва соответствует легирующей примеси (Т — теллур, Г — галлий, Ц —цинк). Основные электрофизические параметры антимонида индия этих марок приведены в табл. 2.3. Таблица 2.3 Марка Тип электро- провод- ности Концентрация носителей заряда, см-з Подвижность носителей заряда, см2/(В-с) Удельное сопротив- ление, Ом • см Плотность дислокаций, см-2 ИСЭ-1 п 2-Ю14 5-10s 50 1-Ю3 ИСЭ-2 п (3—9) 4 О14 2-Ю5 50 1 • 103 ИСЭТ-3 п 1-Ю16—1-1018 2-104 50 5-Ю3 ИСДГ-1 р 1 1012—5-'1О13 3-103 50—500 1-Ю3 ИСДГ-2 р 3-1012—5-1013 4-Ю3 50—300 1-Ю3 ИСДГ-3 р 5-Ю12—3-1013 5-Ю3 50—250 1 -103 ИСДГ-4 р 5-Ю13— 1 - 101Б — 50 5-Ю3 ИСДЦ-5 р 1 -1015— 1-Ю18 — 50 5-Ю3 § 2.10. Антимонид галлия Антимонид галлия GaSb — новый полупроводниковый материал, который нашел применение в туннельных диодах и микроволновых детекторах. Кристаллизуется антимонид галлия в кубической гра- нецентрированной решетке с постоянной а = 0,609 нм. Плотность 5,61 г/см3. Температура плавления антимонида галлия 712°С. Ди- электрическая прошЩаЦмость 14,8. Показатель преломления равен 3,9. Ширина запрещенной зоны антимонида галлия при 7' = 300 К составляет 0,67—0,725 эВ. Монокристаллические слитки антимонида галлия получают из поликристаллического материала стехиометрического состава ме- тодом выращивания из расплава. Промышленность выпускает семь марок антимонида галлия: ГСД-1, ГСД-2, ГСДГ(Ц)-1, ГСДГ(Ц)-2, ГСДГ(Ц)-3, ГСЭ(Т)-1 и ГСЭ(Т)-2. Основные параметры этих материалов приведены в табл. 2.4. 2—210 33
Таблица 2.4 Марка материала Тип элект- ропровод- ности Легирую- щий элемент Концентрация основных носителей заряда, см-з Подвижность основных носителей заряда, см2/(В • с> ГСД-1 р . . 8-1,016—5-Ю17 600 ГСД-2 р — 1,2-1017—2-1017 700 ГСДГ(Ц)-1 р Германий, 5-1017—5-1018 200—300 ДИНК ГСДГ(Ц)-2 р То же 5-1018—5-1019 150—200 ГСДГ(Ц)-3 р » 5-Ю19—8-Ю19 150—140 ГСЭ(Т)-1 п Теллур 2-1Ю17—Ы018 2500 ГСЭ(Т)-2 п » 1,4-Ю18 2000 § 2.11. Структуры на основе материалов интерметаллических соединений В настоящее время широкое применение находят эпитаксиальные структуры на основе соединений GaAsP и GaAlAs. Эти структуры предназначены главным образом для изготовления светоизлучаю- щих приборов (светодиодов, цифрознаковых индикаторов, световых табло). Структуры на GaAsP представляют собой двухслойные компози- ции, в которых на подложке из GaAs имеется эпитаксиальный слой твердого раствора GaAsP. Толщина эпитаксиальных пленок может быть 50—500 мкм, а концентрация носителей заряда 10‘7—1018 см~3. Структуры на GaAlAs отличаются от предыдущих тем, что на подложке из арсенида галлия имеется эпитаксиальный слой твер- дого раствора GaAlAs. Структуры имеют следующее обозначение 50ЭФАГ-100 15САГА-2000 ------------- и --------------- 300АГЭТ-12-18 300 АГЭТ-12-17 соответственно, где в числителе указаны параметры эпитаксиального слоя, а в знаменателе — па- раметры подложки. Глава 3 МЕХАНИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ МАТЕРИАЛОВ § 3.1. Физические основы механизма разрушения хрупких полупроводниковых материалов при механической обработке Для механической обработки полупроводниковых материалов не могут быть использованы обычные токарные, фрезерные, строгаль- ные и сверлильные станки, которые широко применяются для обра- ботки различных материалов. Это связано с высокой хрупкостью полупроводниковых материалов. Поэтому основным способом их механической обработки является обработка с использованием аб- разивов как в связанном состоянии (алмазные диски и шлифоваль- ники), так и в свободном (абразивные суспензии и алмазные па- сты) . 34
Физическая сущность механизма разрушения хрупкого полупро- водникового материала при обработке свободным абразивом за- ключается в следующем. Частицы абразивного материала, вдавли- ваясь в поверхность обрабатываемого полупроводникового материа- ла, вызывают образование в ней микротрещин. Эти микротрещины в процессе обработки увеличиваются и распространяются вглубь от поверхности. Дальнейшая обработка приводит к созданию сети тре- щин, которые, смыкаясь, вызывают сколы отдельных участков по- лупроводникового материала. Отколовшиеся части удаляют с по- верхности исходного образца. Таким образом происходит'послой- ное удаление материала и осуществляется механическая обработка исходного образца. Зарождение микротрещин при абразивной обработке происхо- дит в местах скопления дислокаций и других дефектов кристалли- ческой решетки. Особое значение имеют краевые дислокации. В ме- сте расположения краевой дислокации наиболее вероятно возник- новение микротрещин. Обработка полупроводниковых материалов свободным абрази- вом проводится с использованием различных абразивных сус- пензий, составной частью которых является жидкость. Наличие жидкости способствует процессу механической обработки по- лупроводниковых материалов, так как абразивный порошок нахо- дится в жидкости во взвешенном состоянии и равномерно распре- делен в ней. Наличие жидкости при обработке дает возможность более рав- номерного распределения абразивных зерен по всей обрабатывае- мой поверхности исходного образца. Жидкость переносит новую порцию абразивных зерен, поступающих из дозатора, и выносит из зоны обработки разрушенные частицы обрабатываемого материа- ла. Смоченные абразивной суспензией обрабатываемые поверхно- сти не подвергаются перегреву, который может привести к ухуд- шению качества механической обработки. Если жидкостью является не чистая вода, а щелочные или кислотные растворы, то такая жид- кость при абразивной обработке оказывает химическое воздействие на обрабатываемый полупроводниковый материал. Кроме того, жидкость способна проникать в имеющиеся на поверхности полу- проводникового материала микротрещины и способствовать отка- лыванию от его поверхности отдельных частиц за счет расклини- вающего действия сил поверхностного натяжения. Физическая сущность процесса механической обработки связан- ным абразивом несколько отличается от обработки свобод- ным абразивом. При обработке связанным абразивом к раз- рушению под действием нормальной силы, направленной пер- пендикулярно поверхности (случай обработки свободным абрази- вом), добавляется разрушение обрабатываемого материала за счет срезания микровыступов поверхности закрепленным зерном абра- зива под действием сдвигающей силы, направленной вдоль поверх- ности пластины. При обработке свободным абразивом ударное усилие направле- 2* 35
но внутрь обрабатываемого полупроводникового материала и абра- зивные зерна вызывают сильное разрушение поверхностного слоя. При обработке связанным абразивом основная часть усилий на- правлена не внутрь образца, а вдоль его поверхности, что вызывает меньшую глубину разрушения исходного материала при той же толщине удаленного слоя. Жидкость при обработке связанным аб- разивом используется лишь для охлаждения режущего инструмента и обрабатываемого полупроводникового материала. § 3.2. Абразивные материалы Абразивным может быть любой природный или искусственный ма- териал, зерна которого обладают определенными свойствами: твер- достью, абразивной способностью, механической и химической стой- костью. Слово «абразив» латинского происхождения, в переводе на рус- ский язык означает «скоблить». Это понятие и определяет харак- тер обработки, выполняемой абразивными материалами. Главной особенностью абразивных материалов является их высокая твер- дость по сравнению с другими материалами. На использовании раз- личия в твердости полупроводниковых и абразивных материалов по- строены все процессы механической обработки полупроводниковых материалов. Абразивные материалы характеризуются следующими основны- ми параметрами: твердостью, абразивной способностью, механиче- ской и химической стойкостью. Под твердостью понимают способность абразивного материала сопротивляться вдавливанию в него другого материала, не получа- ющего остаточных деформаций. Твердость обычно определяют на- несением риски (царапины) одним материалом на другой. Матери- ал более твердый оставляет на более мягком царапину определен- ной глубины. По этому принципу построена минералогическая шкала Мооса, по которой самому твердому материалу алмазу со- ответствует десятый класс, корунду — девятый, топазу — восьмой, кварцу — седьмой и т. д. Более точной характеристикой абразивного материала является микротвердость, определяемая глубиной вдавливания в исследуе- мый материал алмазной иглы. Под абразивной способностью понимают возможность с помощью одного материала обрабатывать другой или группу различных ма- териалов. Абразивная способность определяется количеством уда- ленного с поверхности обрабатываемого материала в единицу вре- мени. Если принять абразивную способность алмаза за единицу, то абразивная способность других материалов будет иметь следующие значения: карбид бора — 0,6; карбид кремния —0,5; монокорунд — 0,25; электрокорунд — 0,15. Под механической стойкостью понимают способность абразив- ного материала выдерживать механические нагрузки и не разру- шаться при механической обработке полупроводниковых матери- алов. 36
Под химической стойкостью понимают способность абразивных материалов не изменять своих механических свойств в растворах щелочей, кислот, а также в воде и органических растворителях. В производстве полупроводниковых приборов и интегральных микросхем применяют следующие виды абразивных материалов: алмаз, карбид кремния, карбид бора, электрокорунд, оксид хрома и аэросил. Рассмотрим основные свойства этих материалов. Алмаз — самый твердый из известных минералов. Его микро- твердость равна 9,8-1010 Н/м2. В промышленности используются в основном искусственные алмазы, которые получают из графита, обработанного под большим давлением и при высокой температуре. Карбид кремния — химическое соединение кремния с угле- родом, получаемое нагреванием смеси кварцевого песка с коксом в электрических печах при температуре выше 2000°С. Химически чи- стый карбид кремния бесцветный, а технический в зависимости от количества примесей приобретает оттенки от светло-зеленого до черного. Твердость по шкале Мооса 9,2. Микротвердость равна 3,4-1010 Н/м2. Выпускают карбид кремния двух разновидностей: зеленый и черный. Черный карбид кремния отличается от зеленого большей хрупкостью и меньшей твердостью. Карбид бора — химическое соединение бора с углеродом; Его твердость близка к твердости алмаза и по шкале Мооса/рав- на 9,7. Микротвердость его 4,8-1010 Н/м2. Э л е кт р о ко р у н д — кристаллический оксид алюминия, полу- чаемый в результате плавки химически чистого оксида алюминия (глинозема). При переходе из расплавленного состояния в твердое оксид алюминия кристаллизуется в а-корунд — вещество белого цвета. Микротвердость электрокорунда составляет 1,8 • 1010 — 2,4Х X 1010 Н/м2. Твердость по шкале Мооса равна 9. Выпускаемый про- мышленностью электрокорунд в зависимости от содержания А120з подразделяют на три группы: электрокорунд белый (98,5—99,5% А12О3), электрокорунд нормальный (91—96% А12О3) и электроко- рунд черный (65—75% А120з). Оксид хрома — порошок зеленого цвета, получаемый восста- новлением двухромовокислого аммония серой. Полученный сплав измельчают и отмывают водой от ионов SO4 и других водораствори- мых солей. Из отмытого оксида хрома берут фракцию с нужным размером зерен. Аэросил — рыхлый голубовато-белый порошок, представляю- щий собой чистый диоксид кремния. Выпускается марок А-175, А-300 и А-380, в которых средний размер частиц составляет соот- ветственно 10—40, 5—20 и 5—15 мкм. Все абразивные материалы отличаются размером зерен и под- разделяются на четыре группы: шлифзерно (от 200 до 16), шлиф- порошки (от 12 до 3), микропорошки (от М63 до М14) и тонкие микропорошки (от М10 до М5). Каждый номер зернистости абразивных материалов этих групп характеризуется пятью фракциями: предельной, крупной, основной, комплексной и мелкой. 37
В производственных условиях абразивные материалы перед за- пуском в работу подвергаются испытаниям на зерновой состав. Для этого отбирают пробу в объеме не менее 5% по массе от всей пар- тии абразивного материала по каждому номеру зернистости. Для набора пробы в абразивный материал опускают щуп до дна тары и захваченное им количество зерен высыпают на противень. Затем пробу тщательно перемешивают и делят на две части. Одну часть направляют в заводскую лабораторию, а вторую — в отдел техни- ческого контроля. В зависимости от зернистости применяют раз- личные методы контроля. Для абразивных материалов с зер- нистостью от 200 до 5 для контроля применяют набор сит с ячейка- ми заданного размера, а для абразивных микропорошков с зерни- стостью от М40 до М5 проводят микроскопический анализ. § 3.3. Резка полупроводниковых слитков на пластины Процесс включает в себя разрезание монокристаллического слитка на тонкие (250—600 мкм) плоскопараллельные пластины и являет- ся начальной операцией в общем цикле изготовления полупровод- никовых приборов и ИМС. В настоящее время для разрезания монокристаллических слит- ков на пластины используют два способа: резка диском с алмазной внутренней кромкой; резка металлическими полотнами с примене- нием абразива. Резка алмазным диском с внутренней режущей кромкой широко используется в производственных, а резка полотнами — в лабора- торных условиях. Сущность метода резки алмазным диском с внутренней режущей кромкой состоит в следующем. На шпиндель станка крепят алмаз- ный диск и с помощью специальных растягивающих болтов регу- лируют его радиальное натяжение. Внутрь полого шпинделя по- мещают держатель с приклеенным к нему полупроводниковым слит- ком. Перед началом весь слиток находится внутри шпинделя, а тор- цовая его часть немного выступает за кромку плоскости алмазного диска. При включении станка шпиндель с закрепленным на нем алмазным диском начинает вращаться. Если держатель со слитком перемещать в горизонтальном (или вертикальном) направлении, то в определенный момент слиток коснется своей боковой поверхно- стью кромки алмазного диска и начинается процесс резания. При полном отрезании пластины от слитка держатель отводится в ис- ходное первоначальное положение и выдвигается из шпинделя на длину, равную толщине отрезаемой пластины. После этого процесс резки повторяют (рис. 3.1). Каждое алмазное зерно, закрепленное на кромке металлическо- го диска, представляет собой микрорезец, который скалывает мик- рочастицы с обрабатываемой поверхности полупроводникового ма- териала. Процесс резания идет при большой частоте вращения шпинделя (3000—5000 об/мин), что способствует увеличению его производительности. При резке происходит выделение большого ко- 38
личества теплоты в месте соприкосновения алмазной кромки диска с поверхностью полупроводникового материала. Поэтому в течение всего процесса резки в область контакта диск — слиток непрерывно подают охлаждающую жидкость. Режим резки выбирают, исходя из конкретных условий: вида полупроводникового материала, диаметра, толщины отрезаемой пластины, требований по классу и чистоте обработки, точности гео- метрических размеров и требований по плоскостности и плоскопа- раллельности пластины. Рис. 3.1. Схема резки слитка иа пластины алмазным диском с внутренней режущей кромкой: / — шпиндель; 2 — диск с алмазной кромкой; 3— слиток; 4 — держатель слитка; 5 — отрезанная пластина; 6 — сборник Следует отметить, что при резке слитка частоту вращения шпин- деля нужно выбирать равной 3000—5000 об/мин. При частотах вращения менее 3000 об/мин производительность процесса резки резко снижается, а при частотах выше 5000 об/мин возрастают виб- рации станка, которые вызывают биение диска, что, в свою очередь, приводит к снижению чистоты обработки поверхности полупровод- никовых пластин и резкому увеличению расхода полупроводнико- вого материала. На процесс резания существенное влияние оказывает скорость подачи слитка (сила прижатия к алмазному диску). При малых скоростях подачи слитка производительность процесса резки слиш- ком мала. С увеличением скорости подачи производительность по- вышается, а точность обработки снижается за счет прогибания диска. Отрезаемая пластина будет иметь искривленную поверхность. При малой толщине пластины это может привести к ее разлому в процессе резки. Поэтому рекомендуется более низкая скорость по- дачи (20—30 мм/мин) для тонких (200 мкм) пластин и более вы- сокая скорость подачи (60—80 мм/мин) для более толстых пластин (400 мкм). На скорость подачи существенное влияние оказывает твердость обрабатываемого материала. Более твердый материал (например, кремний) разрезают при меньших скоростях подачи, чем более мягкий (германий). Качество процесса резки в сильной степени зависит от применя- емой охлаждающей жидкости и ее расхода. Для этого вида механи- ческой резки рекомендуется использовать воду, 3,5%-ный водный раствор кальцинированной соды или жидкость НИИАЛМАЗа. Наи- 39
ItMW’* uax амеилтим лучшим способом подачи охлаждающей жидкости в зону резания является подача ее сверху вниз непосредственно на режущую кром- ку алмазного диска, который должен рассекать струю жидкости пополам. В этом случае диск равномерно охлаждается с обеих сто- рон. Рекомендуется выбирать расход жидкости равным 2—4 л/мин. Стойкость алмазных дисков зависит от режимов резания, рода обрабатываемого материала и качества крепления диска на шпин- деле (натяжение, биение, вибрация и др.). Процесс изнашивания рабочей поверхности алмазного диска ха- рактеризуется тремя периодами: 1) выкрашивание из связки от- дельных непрочно закрепленных алмазных зерен; 2) округление вершин и расщепление алмазных зерен, а также частичное скалы- вание отдельных зерен по плоскости спайности; 3) увеличение ус- талостных явлений в основе диска, зерне, связке. Стойкость алмазных дисков связана с основными технологиче- скими факторами соотношением sb где Kg— коэффициент, характеризующий обрабатываемый матери- ал; v — частота вращения диска, об/мин; s — скорость подачи, мм/мин; а и b — постоянные коэффициенты. Тепловые явления, возникающие при резке слитка на пластины, оказывают существенное влияние на качество резки: увеличивается толщина нарушенного слоя, создаются остаточные напряжения и микронеровности, структурные изменения поверхности полупровод- никового материала и алмазного диска. Преимуществами метода резки алмазными дисками с внутрен- ней режущей кромкой являются: высокая производительность; 7— 8-й класс чистоты обработки; малый разброс по толщине пластин (±20 мкм); малые отходы полупроводникового материала при резке. Недостатком метода является сложность установки алмазного диска, его натяжение и центровка. Метод резки слитков на пластины стальными полотнами имеет ряд преимуществ, которые заключаются в следующем. Во-первых, для резки полупроводниковых материалов могут быть использова- ны металлические полотна достаточно малой толщины (менее 0,05 мм), которые позволяют получать очень тонкий рез. Во-вторых, качество резки значительно выше, чем при алмазной обработке. Это объясняется рядом особенностей процесса резки полотнами. Здесь режущим веществом является абразивный порошок, подавае- мый в виде суспензии в рабочую зону резки, а металлическое по- лотно или набор полотен служит только средством переноса абра- зивного порошка по плоскости реза полупроводникового материала. Абразивные частицы, двигаясь под действием металлических поло- тен, одной стороной своей грани вминаются в полотно, а другой сто- роной воздействуют на поверхность обрабатываемого полупровод- никового материала. Взаимодействие абразивных зерен с полупро- 40
водниковым материалом приводит к появлению микротрещин и вы- колок в последнем и послойному удалению обрабатываемого мате- риала. Таким образом, рассматриваемый процесс резки больше напо- минает шлифовку свободным абразивом, которая характеризуется меньшим числом механических нарушений поверхности полупро- водника. Резка полотнами состоит в следующем. Металлические полотна набирают в обойму от нескольких единиц до нескольких сотен штук. Прокладки, расположенные между полотнами, дают возможность устанавливать нужный размер отрезаемых от слитка пластин. На- бранную обойму устанавливают на рабочей скобе станка. Обойма может совершать возвратно-поступательные движения в горизон- тальном направлении со скоростью 200—600 дв. ход/мин. Разрезае- мый слиток, предварительно приклеенный к рабочему столику стан- ка, подводят к движущимся полотнам снизу до соприкосновения и устанавливают определенную скорость подачи слитка. В зону реза- ния подают абразивную суспензию. К недостаткам этого метода резки следует отнести в первую оче- редь невысокую по сравнению с резкой алмазным диском с внут- ренней режущей кромкой точность обработки. Это объясняется тем, что у диска большая жесткость конструкции, чем у полотен. Полот- на в пакете не удается равномерно и сильно натянуть. Кроме того, в процессе резки полотна неравномерно изнашиваются и натяжение их неравномерно ослабевает. § 3.4. Резка полупроводниковых пластин i на элементы (кристаллы) Эта операция заключается в разделении пластин на отдельные элементы (кристаллы) и проводится (в случае изготовления полу- проводниковых приборов и ИМС по планарной технологии) не в начале общего цикла, а в его конце, непосредственно перед процес- сом сборки. Для разделения полупроводниковых пластин на кристаллы ис- пользуют следующие способы: резку алмазным диском с внешней режущей кромкой; резку металлическими полотнами с применением абразива; резку металлическими полотнами с алмазной режущей кромкой (штрипсами); резку проволокой с применением абразива; резку с использованием ультразвуковых установок; алмазное скрай- бирование с последующим разламыванием; электронно-лучевое скрайбирование с последующим разламыванием; лазерное скрайби- рование с последующим разламыванием. Использование каждого из указанных способов резки пластин на кристаллы диктуется требованиями к конкретному типу полупро- водникового прибора и ИМС и технологии его изготовления. Рассмотрим основные особенности этих способов и принципы осуществления резки полупроводниковых пластин. 41
Резка алмазным диском с внешней режущей кромкой отличается от рассмотренной резки слитка на пластины. Отличие состоит в кон- струкции алмазного диска, у которого режущая алмазная кромка нанесена на его периферийную часть. Конструкция такого диска принципиально не может быть использована для разрезания слитка на пластины из-за малой жесткости конструкции, не позволяющей получать глубокие резы без нарушения качества обработки. Однако для разрезания пластин на кристаллы, когда глубина реза не превышает 0,5 мм, успешно используют алмазные диски с внешней режущей кромкой. Более того, для увеличения производи- тельности процесса часто используют не единичные диски (как при резке слитков), а наборы дисков, причем прокладки между дисками задают размер отрезаемого элемента (кристалл). При использо- вании набора дисков можно существенно уменьшить их толщину (до 0,1 мм) и, следовательно, ширину реза (до 0,2 мм). При хоро- шо настроенном оборудовании разброс кристаллов по геометриче- ским размерам не превышает ±0,03 мм, что дает возможность от- дельные разрезанные этим способом кристаллы с полупроводнико- выми приборами и ИМС собирать и комплектовать в обоймы. Резка металлическими полотнами с использованием абразива, используемая для разрезания пластин на кристаллы, не отличается от рассмотренного аналогичного способа резки слитка на пластины. Резка полотнами с алмазной режущей кромкой (штрипсами) включает в себя возвратно-поступательное движение металлических полотен и взаимодействие алмазных зерен с полупроводниковым ма- териалом. Поэтому резка полупроводниковых пластин на кристаллы осуществляется без применения абразива с использованием охлаж- дающей жидкости. Резка проволокой с применением абразива используется для получения кристаллов квадратной и прямоугольной форм из пла- стин исходного материала. Резка проволокой имеет две разновид- ности. В одном случае проволока наматывается на ролики, укреп- ленные на специальной вилке, которая приводится в возвратно-по- ступательное движение кривошипно-шатунным механизмом. Резка в этом случае производится аналогично резке полотнами с той лишь разницей, что вместо полотен натянута проволока. При этой раз- новидности резки проволока, совершая возвратно-поступательное движение с вилкой, медленно перематывается. Перемотка необхо- дима для равномерного износа проволоки по всей рабочей длине. В другом случае резка происходит по принципу перемотки про- волоки с одного ролика на другой с большой скоростью. В процессе перемотки происходит резка пластин на кристаллы. При резке в том и другом случаях на проволоку непрерывно подается абразивная суспензия. Метод резки проволокой обладает определенными преимущест- вами. Так, для малых скоростей подачи обрабатываемого материала происходит незначительное его разрушение, что позволяет резать полупроводниковые пластины с покрытиями из золота, алюминия, никеля, меди и других металлов без их отслаивания от подложки. 42
Кроме того, если замена изношенных полотен трудоемка, то на за- мену проволоки затрачивается значительно меньше времени. Метод резки проволокой обеспечивает получение кристаллов правильной геометрической формы с боковыми гранями, перпендикулярными ра- бочей поверхности. Минимальный размер кристалла, получаемого этим способом резки, равен 0,5X0,5 мм. Для резки полупроводниковых пластин обычно используют про- волоку из вольфрама, стали, никеля, нихрома и сплава МВ-50. Диа- метр проволоки выбирают равным 0,05—0,15 мм, при этом ширина реза соответственно изменяется от 0,08 до 0,2 мм. К основному преимуществу метода резки проволокой следует от- нести возможность получения узких прорезей в полупроводниковой пластине и высокое качество обработки поверхности (отсутствие сколов на углах кристаллов). Резка пластин на элементы с использованием ультразвуковых установок применяется в тех случаях, когда необходимо получить элемент круглой или более сложной геометрической формы. Сущ- ность процесса ультразвуковой резки состоит в следующем. Ток от генератора ультразвуковых колебаний с частотой 15—70 кГц по- дается на обмотку электрического преобразователя-вибратора, ко- торый преобразует их в упругие механические колебания. Эти коле- бания усиливаются концентратором и передаются на режущий ин- струмент, который приводится в соприкосновение с поверхностью разрезаемой полупроводниковой пластины. В область резания не- прерывно подается абразивная суспензия. Зерна абразива, приоб- ретая значительные ускорения под действием ультразвуковых ко- лебаний режущего инструмента, воздействуют на полупроводнико- вый материал, разрушая его точно под рабочей частью ре- жущего инструмента. При ультразвуковой резке происходит разру- шение режущего инструмента за счет истирания. Форму режущего инструмента выбирают в зависимости от требуемой формы кри- сталла. Алмазное скрайбирование наиболее широко применяется для раз- деления пластин на кристаллы квадратной и прямоугольной форм. Сущность способа заключается в том, что на поверхности полупро- водниковой пластины алмазным резцом наносят риски в двух вза- имно перпендикулярных направлениях. Глубина рисок не превы- шает 5—10 мкм, а ширина — 20—40 мкм. Вокруг нанесенной риски на поверхности полупроводниковой пластины возникают механиче- ские напряжения, ослабляющие материал в локальных областях. При приложении к пластине изгибающего усилия она разламывает- ся вдоль нанесенных рисок. Основным преимуществом способа алмазного скрайбирования является отсутствие пропила в полупроводниковой пластине и, как следствие этого, нет отходов полупроводникового материала при резке. Минимальный шаг (сторона кристалла) нанесения риски для германия составляет 0,4 мм, а для кремния — 0,5 мм. Минимальный размер кристалла h и толщина исходной полупроводниковой пласти- 43
ны I связаны соотношением h = kl, где k = 4 для кремния и k — 3,2 для . германия. Для алмазного скрайбирования применяют резцы с алмазным наконечником. В зависимости от геометрической формы режущей части алмазного наконечника все резцы подразделяют на три ос- новных типа: с рабочей частью в виде трехгранной пирамиды, че- тырехгранной пирамиды и четырехгранной усеченной пирамиды. Каждый тип алмазного резца используется для обработки опреде- ленного полупроводникового материала. Так, для резки пластин из германия толщиной 100—250 мкм применяют резцы с режущей ча- стью в виде трехгранной пирамиды, а для резки пластин из крем- ния толщиной 200—500 мкм — резцы с алмазным наконечником, имеющим форму четырехгранной пирамиды с острой вершиной. Электронно-лучевое скрайбирование. Нанесение рисок на поверх- ность полупроводниковой пластины, наряду с алмазным резцом, можно проводить, остросфокусированным электронным лучом. Суть способа состоит в сканировании электронного луча по поверхности полупроводниковой пластины с определенным шагом, равным сто- роне кристалла. Электронный луч, обладая достаточной энергией, производит микрорасплавление локального участка поверхности полупроводниковой пластины. Процесс нагрева и охлаждения ло- кальных областей (бороздок) полупроводниковой пластины проис- ходит в течение короткого времени, что вызывает возникновение термомеханических напряжений в области созданных электронным лучом бороздок. При последующем приложении к пластине изги- бающего усилия пластина раскалывается по бороздкам. При определенных условиях (толщина разрезаемой пластины, диаметр луча, мощность установки и др.) метод электронного луча позволяет проводить сквозную резку полупроводникового материа- ла за счет расплавления и последующего испарения локальной об- ласти полупроводниковой пластины. Лазерное скрайбирование находит все большее применение для разделения пластин на кристаллы. При лазерном скрайбировании риска на поверхности полупроводниковой пластины образуется не механическим, а электрофизическим способом (подобно электрон- ному лучу) путем нагрева и испарения узкой полосы полупровод- никового материала. Данный метод позволяет проводить скрайби- рование пластин с любым покрытием на любую глубину и сквозное разделение. Размеры риски (ширина и глубина), зона термического влияния лазерного луча, а также скорость скрайбирования и равномерность удаления полупроводникового материала по всей длине риски опре- деляются скоростью перемещения пластины относительно лазерно- го луча, мощностью, частотой и длительностью импульса лазерного излучения, а также размером сфокусированного пятна. 44
§ 3.5. Разламывание пластин после скрайбирования Процесс разламывания пластин после скрайбирования является весьма ответственной операцией в общем цикле разделения пластин на элементы. Неточное разламывание даже хорошо проскрайбиро- ванных пластин может привести к значительному браку получаемых кристаллов: сколам, неровным граням, искажению геометрической формы. Разламывание пластин с нанесенными на ее поверхность рис- ками основано на создании растягивающих усилий, которые вызы- вают появление трещин вдоль нанесенных рисок. В этом случае на- иболее критичным является значение угла раскалывания, от кото- рого зависят отклонения геометрических размеров разрезаемых элементов. Применяют различные способы разламывания пластин на от- дельные кристаллы. Рассмотрим три из них, наиболее широко ис- пользуемые. При первом способе (ручном) пластину помещают на мягкую подлюжку (резину, поролон и др.) рисками вниз и сверху прокаты- вают резиновым валиком в двух взаимно перпендикулярных направ- лениях, причем ось валика должна быть строго параллельна рис- кам, по которым идет разламывание, иначе ломка пластины может произойти не по рискам, а по произвольному направлению. Таким образом, при первой прокатке валика по поверхности пла- стины с рисками она разламывается на полосы, а при второй про- катке в перпендикулярном направлении полосы раскалываются на квадратные или прямоугольные кристаллы. Для устранения перемещения полос и кристаллов в процессе разламывания перед началом процесса пластину наклеивают на бумагу или полиэтиленовую пленку. Это позволяет сохранить ори- ентацию кристаллов относительно расположения их в исходной пла- стине и избежать их произвольного разламывания и царапания друг о друга. Второй способ предусматривает механизацию процесса разла- мывания пластин с рисками. Сущность способа состоит в том, что после наклейки пластины ее пропускают через пространства между двумя движущимися металлическими лентами, которые имеют оп- ределенный радиус закругления. Проходя участок закругления, пла- стина раскалывается по рискам на кристаллы. Третий способ основан на прижатии пластины с рисками к сфе- рической поверхности линзы, в результате чего происходит одновре- менное разламывание пластины в двух взаимно перпендикулярных направлениях. Устройство для разламывания состоит из линзы со сферической поверхностью и резиновой мембраны. Пластину рас- полагают на резиновой мембране рисками вниз, а сверху к пласти- не подводят сферическую поверхность линзы. При определенном давлении воздуха на резиновую мембрану происходит прижатие по- лупроводниковой пластины к сферической поверхности линзы и раз- ламывание. 45
Преимуществами этого способа являются простота, возможность автоматизации и высокая производительность. Разламывание пла- стин этим способом возможно только на кристаллы квадратной формы; кроме того, каждый размер квадратного кристалла требует определенной кривизны линзы. Качество разламывания полупроводниковых пластин для всех трех рассмотренных способов зависит от изгибающего напряжения. Изгибающее напряжение, необходимое для разламывания пластин,, может быть определено из следующего выражения: , , /лЛ2 т I h. \2 П =-----=---- — W2 ь У. I J ’ где т — изгибающий момент; h — толщина ребра кристалла, полу- чаемого при скрайбировании; b — длина кристалла;/ — ширина кристалла. Величину h/l в этом выражении называют показателем способ- ности к разламыванию. § 3.6. Шлифовка полупроводниковых пластин Полученные после разрезания слитка полупроводниковые пластины обладают рядом нарушений, к которым относятся наличие механи- чески нарушенного слоя, неплоскостность и неплоскопараллельность сторон, изгиб и большой разброс по толщине. Поэтому после про- ведения процесса резки обязательной технологической операцией является шлифовка. Для получения хороших результатов шлифовки необходимо вы- полнять следующие требования: шлифовку нужно проводить в чи- стых, свободных от пыли помещениях и под защитными кожухами с избыточным давлением воздуха; все установки для проведения процессов шлифовки должны быть разделены по виду обработки и типу используемого абразива; все материалы (шлифовальники, аб- разивные порошки) должны быть тщательно рассортированы и хра- ниться в отдельных герметичных скафандрах. Под процессом шлифовки понимают обработку полупроводнико- вых пластин на твердых доводочных дисках-шлифовальниках абра- зивными микропорошками. Шлифовальники обычно изготовляют из чугуна, стекла, стали, меди или латуни. Зернистость микропо- рошков для шлифования полупроводниковых пластин выбирают от М14 до М5. Процесс шлифовки позволяет получать 9—12-й класс чистоты обработки. Процесс шлифовки классифицируют по технологическим и кон- структивным признакам, а также по виду используемого абразив- ного материала. По технологическим признакам 'шлифовку подразделяют на предварительную и окончательную, по конструктивным призна- кам — на одностороннюю и двустороннюю, по виду используемого материала — на шлифовку свободным и связанным абразивом. 4в
Предварительная и окончательная обработка (шлифовка) пред- ставляет собой два процесса, отличающиеся друг от друга целями, режимами и применяемыми материалами. Цель предварительной шлифовки — быстро выровнять плоско- сти пластин и удалить припуск. Режимы проведения этого процесса отличаются более высокими частотой вращения шлифовальников и давлениями абразивного порошка на поверхность полупроводнико- вой пластины. Кроме того, для предварительной шлифовки выбира- ют абразивные порошки с более крупным зерном (М14, М10). Окончательная шлифовка (тонкая) характеризуется более мяг- кими режимами обработки и применением абразивных порошков с более мелким зерном (М7, М5). Целью окончательной шлифовки является дальнейшее улучшение геометрических параметров и ка- чества поверхности обрабатываемых пластин. Принцип снятия полупроводникового материала с поверхности пластин при односторонней и двусторонней шлифовках одинаков. Разница между этими процессами заключается лишь в конструктив- ных особенностях шлифовальных станков, которые дают возмож- ность проводить процесс шлифования либо с одной стороны пластины, либо сразу с двух сторон. Для шлифовки пластины с двух сторон с использованием оборудования для односторонней шлифовки про- цесс повторяют, а пластину переворачивают на другую сторону. При односторонней шлифовке полупроводниковые пластины на- клеивают на специальные приспособления — головки, которые рас- полагают на рабочей поверхности шлифовального круга так, чтобы полупроводниковые пластины соприкасались с поверхностью шли- фовальника. На шлифовальнике, как правило, располагают три го- ловки с наклеенными пластинами.. При вращении шлифовальника головки самоустанавливаются и поверхности шлифовальника и по- лупроводниковых пластин плотно прилегают друг к другу. В зону шлифования подают абразивную суспензию. Двустороннюю шлифовку проводят на станках, которые имеют два шлифовальника. Обрабатываемые полупроводниковые пласти- ны располагаются в специальных гнездах сепараторов, которые вме- сте с пластинами размещают между двумя шлифовальниками. Ниж- ний шлифовальник обычно неподвижен, а верхний свободно само- устанавливается при вращении. Пластины, загруженные в гнезда сепаратора, совершают сложное движение, которое складывается из вращения шлифовального круга, вращения сепаратора и враще- ния самой пластины внутри гнезда сепаратора. Такое движение дает возможность снимать слой материала равномерно со всей поверх- ности пластины с высокой точностью. Абразивйая суспензия пода- ется через верхний шлифовальник и равномерно обволакивает полу- проводниковую пластину со всех сторон. При работе станка абра- зивные зерна перекатываются по верхней и нижней поверхностям пластины, создавая определенное давление, которое приводит к вы- калыванию микрочастиц полупроводникового материала. Шлифо- ванная поверхность обрабатываемых пластин имеет матовую фак- туру и состоит из большого числа кратерообразных выколок. Раз- 47
меры выколок находятся в прямой зависимости от размера зерен абразива, давления иа них шлифовальника и скорости шлифовки. Шлифовку свободным абразивом выполняют на станках одно- сторонней и двусторонней обработки полупроводниковых пластин с использованием различных суспензий и паст. В процессе обработки зерна абразива находятся в свободном состоянии, т. е. не связаны жестко друг с другом. Абразивная суспензия создает тонкую про- слойку между шлифовальником и обрабатываемой полупроводнико- вой пластиной, в которой абразивные зерна свободно перекатыва- ются. Отсюда и появилось название «свободный абразив». Шлифовка связанным абразивом существенно отличается от шлифовки свободным абразивом как по физическому принципу удаления полупроводникового материала в процессе обработки, так и по кинематике процесса. Шлифовку связанным абразивом выпол- няют на станках с жесткими осями, особенностью которых являет- ся неизменность положения осей вращения шлифовальника и обра- батываемых пластин. Главной особенностью этого процесса явля- ется конструкция шлифовального круга, который представляет со- бой металлический диск с нанесенным на его поверхность алмаз- ным слоем. Алмазные зерна прочно соединены с поверхностью шли- фовального диска специальной крепящей связкой. Обрабатываемые полупроводниковые пластины наклеивают на головку станка, которая в процессе шлифовки вращается вокруг своей оси. Шпиндель шлифовального круга, вращаясь с частотой 15000— 18 000 об/мин, приходит в контакт с поверхностью пластин. Алмазные зерна шлифовальника, ударяясь с высокой скоростью о пластины, снимают с поверхности полупроводникового материала микростружку. Обработанная этим способом полупроводниковая пластина имеет специфический рисунок поверхности, который пред- ставляет собой сетку из множества пересекающихся рисок. Процесс шлифовки связанным абразивом характеризуется выделением боль- шого количества теплоты. Поэтому для предотвращения перегрева шлифовальника и обрабатываемых пластин в зону шлифования по- дают охлаждающую жидкость. Уменьшение частоты вращения шли- фовального круга приводит к снижению качества обработки по- верхности пластин. Точность обработки связанным абразивом зависит в первую очередь от настройки станка и жесткости крепления его элементов (предметной головки, шпинделя шлифовальника). Погрешности геометрических размеров и форм обрабатываемых пластин возни- кают вследствие непараллельности осей шпинделя шлифовального круга и предметной головки станка. § 3.7. Полировка полупроводниковых пластин Для улучшения качества обработки поверхности полупроводнико- вых пластин и уменьшения глубины механически нарушенного слоя проводят процесс полировки. 48
Процесс полировки отличается от процесса шлифовки техноло- гическим режимом, размером зерна и видом абразива, а также ма- териалом полировальника. Общим у этих процессов является вид обработки — односторонняя с использованием свободного аб- разива. Процесс полировки проводят, как правило, на мягких полиро- вальниках, которые представляют собой жесткие диски, обтянутые мягким материалом: фланелью, замшей, батистом, фетром, велю- ром, сукном, шелком и др. В качестве абразива используют микро- порошки (с зернистостью не выше 3 мкм) синтетического алмаза, оксида алюминия, оксида хрома, диоксида кремния или диоксида циркония. Выбор полировочной ткани зависит от совместимости ее с ис- пользуемой абразивной средой. Полировочная ткань должна удер- живать своим ворсом частицы абразивного материала в процессе обработки полупроводниковых пластин. Полировочная ткань дол- жна быть стойка к истиранию и иметь низкую стоимость. Обычно для предварительной полировки используют безворсовые тканевые материалы с более крупными алмазными зернами. Ворсистые мате- риалы применяются для окончательной обработки с использованием алмазных зерен менее 1 мкм. К качеству полировальников также предъявляют ряд требова- ний: они не должны иметь складок, порезов, утолщений, разорван- ных нитей, бугров и впадин, посторонних включений и других де- фектов поверхности. Стойкость мягких полировальников невелика. Так, батистовый полировальник пригоден для обработки 20— 30 пластин, сатиновый — для 50—70, замшевый — для 100—120, ве- люровый — для 500—600 пластин. Процесс полировки полупроводниковых пластин состоит из трех основных этапов. Первый этап (предварительная полировка) состоит в приготов- лении абразивной суспензии и подготовки полировального круга. На стеклянный диск натягивают мягкий материал (батист) с по- мощью металлических пялец. Поверхность батиста смачивают спир- том или приборным маслом для равномерного распределения абра- зивных зерен. На поверхность вспомогательного стеклянного диска наносят алмазный порошок АСМЗ, общий вес которого не превы- шает одного карата, и несколько капель приборного масла. Полу- ченную смесь растирают другим таким же стеклянным диском до равномерного распределения алмазного порошка по всей поверх- ности стеклянных дисков. После этого поочередно каждый диск пе- реносят на приготовленный батистовый полировальник и проводят втирание алмазного порошка в батист. Втирание ведут до тех пор, пока весь алмазный порошок не перейдет на поверхность батиста. На приготовленный таким образом полировальник помещают рабочие головки с наклеенными на них полупроводниковыми пла- стинами. Так как процесс алмазной обработки связан с тепловыде- лением, то не рекомендуется устанавливать интенсивный режим по- лировки. Повышение температуры процесса полировки может при- 49
вести к отклеиванию полупроводниковых пластин, отрыву их от ра- бочей головки и их механическому повреждению. Поэтому частота вращения полировальника не должна превышать 30—40 об/мин. Второй этап (промежуточная полировка) характеризуется сме- ной материала полировальника и использованием алмазного порош- ка АСМ.1. Для этого на стеклянный диск натягивают другой мягкий материал (велюр), смоченный горячей водой или спиртом. На по- верхность велюра рассмотренным способом наносят алмазный по- рошок с приборным маслом. После проведенных операций очищен- ные от следов предыдущей обработки головки с полупроводниковы- ми пластинами располагают на вновь приготовленном полироваль- нике и процесс полировки продолжается. На втором этапе нагрузка на полупроводниковые пластины несколько увеличивается, а частота вращения полировальника снижается до 25—30 об/мин. Третий этап (окончательная тонкая полировка) включает в себя смену полировальника и абразивного материала. В качестве мате- риала полировальника используют новую партию батиста, а абра- зивным материалом могут служить оксид хрома, диоксид кремния и диоксид циркония. Наиболее часто тонкую полировку полупроводниковых пластин проводят с использованием оксида хрома с величиной зерна менее 1 мйм. Обычно применяют оксид хрома двух сортов: грубый с размером зерна 0,6—0,8 мкм, получаемый путем восстановления бихромата калия серой, и тонкийс размером зерна 0,2—0,4 мкм, получаемый термическим разложением бихромата аммония. Следует отметить, что полировка оксидом хрома является мало- производительным процессом, продолжающимся несколько часов. Более производительным является процесс полировки с исполь- зованием на последнем этапе в качестве абразивного материала ди- оксидов кремния или циркония. Обычно используют диоксид кремния с размером зерна не более 0,1 мкм. Водную суспензию диоксида кремния составляют в соот- ношении: 1 ч. порошка диоксида кремния и 5 ч. воды. Суспензия в течение всего процесса полировки должна тщательно перемеши- ваться. Процесс полировки с использованием суспензии из диоксида кремния проводят на полировальнике из замши с частотой враще- ния до 100 об/мин. Диоксид циркония в виде водной суспензии с соотношением ком- понентов 1 : 10 и величиной зерна не более 0,1 мкм с успехом ис- пользуется на окончательном этапе процесса полировки. Последний этап полировки имеет большое значение. Он дает возможность удалить так называемый алмазный фон с поверхности полупроводниковых пластин, возникающий на первых двух этапах, и значительно уменьшить глубину механически нарушенного слоя. Последний этап полировки позволяет получить поверхности полу- проводниковых пластин с чистотой обработки, соответствующей 13—14-му классу. Дальнейшее совершенствование и улучшение методов полировки полупроводниковых материалов предусматривает изыскание путей 50
повышения производительности процесса, создание новых полиро- вочных материалов, обеспечивающих наряду с высоким качеством обработки поверхности хорошую геометрическую форму пластин. К новым перспективным методам полировки следует отнести хи- мико-механические способы, которые отличаются высокой химиче- ской активностью по отношению к обрабатываемому полупровод- никовому материалу. § 3.8. Контроль качества механической обработки Электрические параметры готовых полупроводниковых приборов и ИМС существенно зависят от степени совершенства поверхности, качества обработки и геометрической формы обработанных полу- проводниковых пластин, так как эти несовершенства механической резки, шлифовки и полировки неблагоприятно сказываются на по- следующих технологических процессах: эпитаксии, фотолитографии, диффузии и др. Поэтому после проведения процессов механической обработки полупроводниковые пластины подвергаются контролю. Оценку качества производят по следующим основным критериям годности: 1) геометрические размеры и форма полупроводниковых пластин; 2) чистота обработки поверхности пластин; 3) глубина ме- ханически нарушенного слоя. Контроль геометрических размеров и форм пластин предусматривает определение толщины, стрелы проги- ба, клиновидности и плоскостности пластин после каждого вида ме- ханической обработки. Толщину пластин определяют путем измерения ее в нескольких точках поверхности с помощью индикатора часового типа с ценой деления 1 мкм. Стрелу прогиба пластин определяют как разность значений тол- щины пластины в двух точках, расположенных в центре пластины на противоположных ее сторонах, т. е. измеряют толщину пластины в центральной точке, а затем пластину переворачивают на другую сторону и снова измеряют толщину в центральной точке. Разность полученных значений толщины даст стрелу прогиба. Клиновидность определяют как разность значений толщины пла- стины в двух точках, но расположенных не в центре пластины, а по ее краям на противоположных концах пластины, отнесенную к диа- метру пластины. Для более полной картины рекомендуется повто- рить измерения для двух точек, расположенных на концах диаметра, перпендикулярного диаметру, который был выбран для первого из- мерения. Плоскостность определяют измерением толщины пластины в не- скольких точках, расположенных по диаметру пластины. Контроль чистоты обработки поверхности пла- стин включает в себя определение шероховатости, наличия на по- верхности сколов, рисок, впадин и выступов. Шероховатость оценивают высотой микровыступов и микровпа- дин на поверхности полупроводниковой пластины. Оценку шерохо- 51
ватости проводят либо сравнением поверхности контролируемой •пластины с эталонной поверхностью, либо измерением высоты мик- •ронеровностей на микроинтерферометре МИИ-4 или на профило- графе-профилометре. Наличие на поверхности пластин сколов, рисок, впадин и высту- пов контролируется визуально с помощью микроскопа. Контроль глубины механически нарушенного слоя. Глубина механически нарушенного слоя является основной характеристикой качества обработки полупроводниковых пластин. Несовершенства кристаллической решетки приповерхностного слоя полупроводниковой пластины после резки, шлифовки и полировки принято называть механически нарушенным слоем. Этот слой рас- пространяется от обработанной поверхности в глубь объема полу- проводникового материала. Наибольшая глубина залегания нару- шенного слоя образуется при резке слитка на пластины. Процессы шлифовки и полировки приводят к уменьшению глубины залегания этого слоя. Структура механически нарушенного слоя имеет сложное строе- ние и может быть разделена по толщине на три зоны. Первая зона представляет собой нарушенный рельефный слой, состоящий из ха- отически расположенных выступов и впадин. Под этой зоной распо- ложена вторая (самая большая) зона, которая характеризуется оди- ночными выколками и идущими от поверхности зоны в ее глубь трещинами. Эти трещины начинаются от неровностей рельефной зоны и простираются по всей глубине второй зоны. В связи с этим слой полупроводникового материала, образованный второй зоной, получил название «трещиноватый». Третья зона представляет собой монокристаллический слой без механических повреждений, но имею- щий упругие деформации (напряженный слой). Толщина нарушенного слоя пропорциональна размеру зерна аб- разива и может быть определена по формуле F=k%, где k= 1,7 для кремния и k = 2,2 для германия; б — размер зерна аб- разива. Для определения глубины механически нарушенного слоя ис- пользуют три способа. Первый способ заключается в последовательном стравливании тонких слоев нарушенной области и контроле поверхности полупро- водниковой пластины на электронографе. Операцию стравливания проводят до того момента, когда вновь полученная поверхность по- лупроводниковой пластины обретет совершенную монокристалли- ческую структуру. Разрешающая способность данного метода ле- жит в пределах ± 1 мкм. Для увеличения разрешающей способности необходимо уменьшать толщину снимаемых каждый раз слоев. Про- цесс химического травления не может обеспечить снятие сверхтон- ких слоев. Поэтому тонкие слои снимают травлением не полупро- водникового материала, а предварительно окисленного слоя. Метод окисления поверхности с последующим стравливанием слоя оксида 52
дает возможность получить разрешающую способность менее 1 мкм. Второй способ основан на зависимости предельного тока анод- ного растворения полупроводниковой пластины от наличия дефек- тов на ее поверхности. Так как скорость растворения слоя с дефек- тами структуры значительно выше, чем монокристаллического мате- риала, то значение анодного тока при растворении пропорциональ- но этой скорости. Поэтому при переходе от растворения нарушен- ного слоя к растворению монокристаллического материала будет наблюдаться резкое изменение как скорости растворения, так и зна- чения анодного тока. По моменту резкого изменения анодного тока судят о глубине нарушенного слоя. Третий способ основан на том, что скорость химического травле- ния полупроводникового материала нарушенного слоя значительно выше скорости химического травления исходного ненарушенного монокристаллического материала. Поэтому толщину механически нарушенного слоя можно определить по моменту скачкообразного изменения скорости травления. Критериями годности полупроводниковой пластины после опре- деленного вида механической обработки являются следующие ос- новные параметры. После резки слитков на пластины диаметром 60 мм поверхность не должна иметь сколов, больших рисок, класс чистоты обработки должен быть не хуже 7—8; разброс по толщине пластины не дол- жен превышать ±0,03 мм; прогиб не более 0,015 мм; клиновидность не более 0,02 мм. После процесса шлифовки поверхность должна иметь матовый однородный оттенок, не иметь сколов и царапин; клиновидность не выше 0,005 мм; разброс по толщине не выше 0,015 мм; чистота об- работки должна соответствовать 11—12-му классу. После процесса полировки чистота поверхности должна соот- ветствовать 14-му классу, не иметь алмазного фона, сколов, рисок, царапин; прогиб должен быть не хуже 0,01 мм; отклонение от но- минала толщины не должно превышать ±0,010 мм. Необходимо отметить, что контроль качества полупроводнико- вых пластин (подложек) имеет огромное значение для всего после- дующего комплекса технологических операций изготовления полу- проводникового прибора или сложной интегральной микросхемы. Это объясняется тем, что механическая обработка подложек явля- ется, по существу, первой из цикла операций всего процесса произ- водства приборов и поэтому позволяет исправить отклонение пара- метров от нормы забракованных при контроле пластин (подложек). При некачественном проведении контроля пластины, имеющие ка- кие-либо дефекты или несоответствие требуемым критериям годно- сти, попадают на последующие технологические операции, что при- водит, как правило, к неисправимому браку и резкому снижению такого важного экономического параметра, как процент выхода год- ных изделий на этапе их изготовления. Таким образом, максимальная отбраковка негодных пластин после механической обработки гарантирует потенциальную надеж- 53
ность проведения всего комплекса технологических операций и в первую очередь технохимических и фотолитографических процессов, процессов, связанных с получением активных и пассивных структур (диффузия, эпитаксия, ионная имплантация, осаждение пленок и др.), а также процессов защиты и герметизации р-п-переходов. Глава 4 ТЕХНОХИМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ПОДГОТОВКИ ПОДЛОЖЕК имс § 4.1. Цели технохимических процессов подготовки подложек Основными целями технохимических процессов подготовки подло- жек ИМС являются: получение чистой поверхности полупроводни- ковой пластины; удаление с поверхности полупроводниковой пла- стины механически нарушенного слоя; снятие с полупроводниковой пластины слоя исходного материала определенной толщины; ло- кальное удаление исходного материала с определенных участков поверхности подложки; создание определенных электрофизических свойств обрабатываемой поверхности подложки; выявление струк- турных дефектов кристаллической решетки исходной подложки; по- лучение мезаструктур; осаждение гальванических покрытий. Получение чистой поверхности полупроводниковых подложек связано с требованием недопустимости каких-либо загрязнений при проведении процессов диффузии, эпитаксиального наращивания и др. Поэтому основной целью технохимических процессов являет- ся удаление с поверхности исходных подложек различного рода за- грязнений. Получение чистой поверхности подложек связано с большими трудностями и, как правило, достигается проведением комплекса различных технохимических процессов: промывка в во- де, ультразвуковая промывка в растворителях, химическое или га- зовое травление и т. д. Удаление с поверхноости подложки механически нарушенного слоя, образовавшегося в результате шлифовки и полировки с ис- пользованием абразивных или алмазных микропорошков, необхо- димо для получения атомарно совершенной структуры поверхност- ного слоя, который, в свою очередь, позволяет создать в подложке активные структуры ИМС с высокими электрофизическими пара- метрами. Удаление механически нарушенного слоя с поверхности подложек можно осуществлять химическим и газовым травлением, а также ионно-плазменной и плазмохимической обработкой. Снятие с подложек слоя определенной толщины проводят для получения нужных толщин подложек, поступающих на последую- щие технологические операции. Требуемая толщина подложек оп- ределяется конкретным типом ИМС. Наиболее часто для этой цели 54
используют химическое травление полупроводниковых материалов в различных травителях. Локальное удаление полупроводникового материала с опреде- ленных участков поверхности исходной подложки проводят для создания рельефа, который дает возможность решать сложные тех- нологические вопросы конструирования и изготовления полупровод- никовых приборов и ИМС. Локальное удаление исходного материа- ла подложки обычно осуществляют электрохимической обработкой в электролите либо химическим травлением через защитную маску. Технохимические процессы дают возможность регулировать и изменять электрофизические свойства поверхности обрабатываемой полупроводниковой подложки. К этим свойствам в первую очередь следует отнести изменение поверхностной проводимости и скорости поверхностной рекомбинации. Наиболее эффективными в этом слу- чае являются процессы химического травления в различных трави- телях, ионно-плазменной и плазмохимической обработки. Большой практический интерес технохимические процессы име- ют при исследовании структурных дефектов кристаллической ре- шетки полупроводниковых подложек на различных этапах их обра- ботки. К таким дефектам следует отнести дислокации, дефекты упа- ковки, двойникование и др. Выявление дефектов наиболее часто проводят с использованием селективного химического травления. Получение мезаструктур является широко распространенным технологическим приемом при изготовлении большого класса полу- проводниковых приборов и ИМС. Форма и геометрические размеры мезаструктуры определяются рисунком защитного рельефа, а глу- бина травления — типом химического травильного состава и техно- логическим режимом травления. Осаждение гальванических покрытий из металлов позволяет со- здавать на поверхности полупроводниковой подложки токопрово- дящие дорожки, омические контакты и пассивные элементы ИМС. Таким образом, технохимические процессы дают возможность подготовить полупроводниковую подложку с определенной чистотой поверхности и определенным ее рельефом для дальнейших техно- логических операций: осаждения эпитаксиальных пленок и защит- ных диэлектрических пленок, диффузионных процессов, процессов ионного легирования и др. Выбор того или иного технохимического процесса обработки по- лупроводниковых подложек зависит от требований конкретного тех- нологического процесса изготовления определенного типа полупро- водниковых приборов или ИМС. § 4.2. Виды загрязнений полупроводниковых подложек Наличие на поверхности полупроводниковой подложки различного рода загрязнений приводит к резкому снижению процента выхода годных изделий на последующих технологических операциях. Загрязнение подложек обычно происходит при механической об- работке полупроводниковых слитков и пластин (резке, шлифовке и 55
полировке), а также за счет адсорбции различных веществ из тех- нологических сред. Все виды загрязнений можно классифицировать по двум призна- кам: их физико-химическим свойства и характеру их взаимодейст- вия с основными полупроводниковыми материалами, на которых они находятся. По физико-химическим свойствам загрязнения могут быть орга- нические, неорганические, солевые, ионные, механические и др. По характеру взаимодействия с материалом подложки загряз- нения делят на физически и химически адсорбированные. К физически адсорбированным загрязнениям относятся все виды механических частиц (пыль, волокна, абразив, металлические вклю- чения и пр.), а также все виды органических материалов, связанные с поверхностью подложки силами физической адсорбции. Механи- ческие частицы достаточно легко удаляются различными технологи- ческими промывками в водных проточных и ультразвуковых ваннах. Для удаления органических загрязнений требуется более сложный процесс отмывки подложек. Среди всех видов загрязнений особое внимание следует уделять органическим загрязнениям, так как они при нагревании разлага- ются и выделяют газообразные вещества (кислород, оксид и диок- сид углерода, пары воды и др.), которые в значительной степени ухудшают последующие технологические процессы (диффузии, эпи- таксии, осаждения защитных диэлектрических пленок и др.). Органические загрязнения, в свою очередь, могут быть поляр- ными и неполярными. К полярным органическим загрязнениям от- носятся главным образом олеиновая и стеариновая кислоты, кани- фоль, синтетические вещества и смолы. К неполярным органическим загрязнениям относятся минеральные масла, вазелин, нефтяные па- рафины и воск. К химически адсорбированным загрязнениям в первую очередь следует отнести различные виды оксидных и сульфидных пленок на поверхности полупроводниковых подложек, а также катионы и ани- оны химических веществ. Наиболее трудноудаляемыми химически- ми загрязнениями являются электроосажденные в порах подложки металлы и труднорастворимые оксиды. Такие виды загрязнений удалить с помощью даже самого сложного процесса промывки под- ложки не представляется возможным. Их удаляют проведением комплекса химических реакций с использованием определенных ти- пов и составов травильных растворов. Таким образом, для полной очистки подложки от загрязнений необходимо выбрать технологический процесс, который включал бы в себя ряд последовательных операций, каждая из которых позво- ляла бы удалять с поверхности один или несколько видов загряз- нений. При этом необходимо руководствоваться общими закономер- ностями: механические загрязнения удаляют промывкой в водных ваннах с использованием ультразвука или гидродинамической обра- боткой; органические загрязнения — обработкой в кипящих раство- рителях; химические загрязнения — путем химического травления в 56
щелочных или кислотных травителях; соляные и ионные загрязне- ния— ионным обменом или промывкой в особо чистой высокоомной деионизованной воде и т. д. При выборе окончательного технологического процесса очистки полупроводниковых подложек следует помнить об экономических аспектах этого процесса и строить его таким образом, чтобы при минимальных затратах получить наиболее чистую поверхность. В этом случае надо всегда исходить из требований по чистоте по- верхности подложки, диктуемых той технологической операцией, на которую поступают эти подложки. Так, требования по чистоте к подложкам, поступающим с механической на химическую обработ- ку, резко отличаются от требований по чистоте к подложкам, посту- пающим с химической обработки на эпитаксиальное наращивание, и т. д. Все многообразие процессов удаления загрязнений с поверхно- сти полупроводниковых подложек можно свести к двум основным процессам: удаление физических и химических загрязнений. § 4.3. Отмывка полупроводниковых подложек Одной из ответственных операций в общем цикле подготовки по- лупроводниковых подложек для изготовления полупроводниковых приборов и ИМС является операция отмывки. Эта операция состо- ит из двух этапов: обезжиривание подложек в органических рас- творителях и промывка в особо чистой воде. Обезжиривание подложек проводят для удаления органических физических загрязнений. Для удаления неполярных органических загрязнений используют такие растворители, как толуол, четырех- хлористый углерод, фреоны, а для удаления полярных органических загрязнений используют ацетон, спирты и трихлорэтилен. В про- мышленном производстве для процесса отмывки подложки часто используют различные смеси растворителей, которые позволяют проводить отмывку полярных и неполярных органических загряз- нений в одном технологическом цикле обезжиривания. К таким сме- сям относятся: фреон — хлористый метилен, фреон — изопропило- вый спирт, фреон — ацетон и др. Процесс обезжиривания в органических растворителях в силь- ной степени зависит от режима его проведения (температуры, дли- тельности и скорости смены отработанного растворителя). Так, с повышением температуры процесса скорость растворения органиче- ских загрязнений возрастает. На качество обезжиривания оказы- вает влияние время проведения процесса, которое необходимо для полного растворения определенного вида загрязнения в раствори- теле. По мере прохождения процесса обезжиривания подложек сам растворитель постепенно загрязняется за счет перехода в него про- дуктов растворяемого вещества, что приводит к снижению эффек- тивности процесса растворения и в конечном счете к некачествен- ному обезжириванию подложек. Поэтому своевременное и быстрое удаление загрязненного растворителя очень важно для качествен- ного обезжиривания. 57
Для интенсификации процесса обезжиривания и улучшения ка- чества отмывки широко используют ультразвуковые ванны. При проведении процессов обезжиривания необходимо соблю- дать правила техники безопасности, так как используемые раство- рители являются ядовитыми веществами и отрицательно действуют на организм и здоровье человека. Все работы по обезжириванию не- обходимо проводить в помещениях, оборудованных приточно-вы- тяжной вентиляцией с использованием специальных скафандров или герметичных установок. Технологический процесс обезжиривания включает в себя за- грузку полупроводниковых подложек во фторопластовые кассеты, которые последовательно опускаются в несколько ванн (от двух до четырех) с растворителем или смесью растворителей. В первой ван- не происходит удаление наиболее грубых жировых загрязнений, во второй ванне снимаются оставшиеся не растворенными при пер- вой обработке участки жировых покрытий, а в последующих ван- нах происходит окончательная более тщательная отмывка под- ложек. Наиболее перспективным способом обезжиривания является способ, в котором в качестве реагентов используются не жидкие рас- творители, а пары кипящих растворителей. Суть способа заключа- ется в том, что пары растворителя более активно взаимодействуют с загрязнениями на поверхности полупроводниковой подложки и более эффективно их растворяют. Кроме того, в процессе обезжи- ривания в больших пределах и с большой скоростью можно про- водить смену отработанного пара на новую свежую порцию пара. Важным преимуществом этого способа является то, что весь про- цесс проводится в герметичной камере и может быть полностью ав- томатизирован. В процессе обезжиривания происходит взаимодействие раствори- теля с различными видами загрязнений и в результате десорбции молекулы этих загрязнений переходят с поверхности полупровод- никовой подложки в приповерхностный слой растворителя (жид- кости или пара), а молекулы растворителя оседают на поверхности подложки. Происходит как бы замещение адсорбированных моле- кул загрязнений молекулами растворителя. Процесс замещения за- висит от многих физических факторов, например от энергии связи молекулы загрязняющего вещества с поверхностью полупроводни- ковой подложки или с растворителем. Таким образом, в процессе обезжиривания на поверхности по- лупроводниковой подложки создаются слои растворителя, которые необходимо удалить. Поэтому вторым этапом в процессе отмывки подложек после их обезжиривания является процесс промывки их в особо чистой воде. Процесс промывки в особо чистой воде служит для удаления с поверхности подложек остатков растворителя и частиц продуктов растворения. В зависимости от требований последующих технологи- ческих процессов промывку полупроводниковых подложек прово- дят в деионизованной воде, удельное сопротивление которой вы- 58
бирают равным 1—20 МОм-см. Промывку подложек проводят в ультразвуковых ваннах с подогревом и без подогрева воды. Для повышения эффективности процесса промывки подложек наряду с ультразвуковыми ваннами часто используют гидромехани- ческие приспособления в виде кистей и щеток, а также гидродина- мические устройства с интенсивной подачей струи проточной воды. О качестве промывки подложек судят по значению удельного со- противления воды на входе и выходе промывочной камеры. Сопро- тивление воды на выходе тем выше, чем меньше в ней загрязнений. Обычно промывку ведут до тех пор, пока сопротивление воды на вы- ходе не сравняется с сопротивлением воды на входе промывочной камеры. § 4.4. Химическая обработка полупроводниковых подложек Процесс химической обработки полупроводниковых подложек со- стоит в растворении их поверхностного слоя под действием кислот- ных или щелочных травителей. Данный процесс является гетеро- генным, так как взаимодействие полупроводникового материала с травителем осуществляется на границе раздела двух различных сред: твердой (подложка) и жидкой (травитель). Другая особен- ность химического взаимодействия подложки с травителем состоит в том, что процесс травления подложки не является равновесным — объем удаляемого полупроводникового материала меньше, чем тра- вителя. Избыток травителя и фиксация его температуры позволяют производить процесс химической обработки с постоянной скоростью и таким образом точно рассчитать толщину удаляемого слоя полу- проводникового материала. Однако следует учитывать тот факт, что скорость травления слоя, нарушенного при механической обработке, и исходного нена- рушенного материала не одинакова. Скорость травления механиче- ски нарушенного слоя значительно выше. Это объясняется наличием в механически нарушенном слое большого количества структур- ных нарушений, которые увеличивают эффективную площадь вза- имодействия полупроводникового материала с травителем, что при- водит к возрастанию скорости травления. Существует две теории саморастворения полупроводниковых ма- териалов: химическая и электрохимическая. Согласно химической теории, растворение полупроводникового материала происходит в две стадии: сначала он окисляется, а затем образовавшийся оксид переходит в раствор (растворяется). Согласно электрохимической теории, взаимодействие между полупроводниковым материалом и травителем не ограничивается чисто химическими процессами окис- ления и растворения оксида, а состоит из анодного и катодного процессов, сопровождающихся протеканием локальных токов между отдельными участками полупроводниковой пластины. При погруже- нии полупроводниковой подложки в травитель на поверхности раздела подложка — травитель образуется двойной электрический слой и между электролитом и подложкой возникает разность по- 59
тенциалов, которая и приводит к электрохимическому процессу рас- творения полупроводника. Травление германия. Для химической обработки германия ис- пользуют различные по составу травители. Основными составными частями травителей для германия является азотная и плавиковая кислоты, а также перекись водорода. Азотная кислота является сильным окислителем германия, а плавиковая хорошо растворяет диоксид германия. При использовании в качестве травителя пере- киси водорода химическая обработка германия проводится при тем- пературе 70—80°С. К основным частям травителя иногда вводят добавки, которые играют роль ускорителей химической реакции (бром) или замедлителей (уксусная кислота). Основным параметром химической обработки является скорость травления германия. Для различных составов травителей и раз- личных кристаллографических направлений скорости травления существенно различаются. Различия в скорости растворения герма- ния объясняются неодинаковой энергией, необходимой для высво- бождения атома из кристаллической решетки. Наиболее употребительный травитель для германия имеет такой состав: 5 об. ч. НМОз+З об. ч. HF + 3 об. ч. СН3СООН + 0,06 об. ч. Вг2. Вместо брома для ускорения реакции можно использовать NaJ, Na2Cr2O7 и другие добавки. Травление кремния. Химическая инертность кремния объясняется наличием на исходной пластине оксидной пленки, которая раство- рима только в водных растворах щелочей и плавиковой кислоты. Поэтому для химической обработки кремния используют два вида травителей: кислотный и щелочный. В качестве кислотных травите- лей применяют различные смеси азотной и плавиковой кислот. Мак- симальная скорость травления кремния достигается при соотноше- нии HNOg: HF= 1 : 4,5 в молярных долях. Растворение кремния в этом составе травителя происходит по следующей реакции: 3S1-F + 4HNO3+18HF = 3H2SiF6 + 4NO + 8H2O. За счет разницы в концентрации травителя у выступов и впа- дин, которые имеют место на поверхности кремния, происходит бо- лее быстрое растворение выступов. Это приводит к сглаживанию поверхности полупроводниковой подложки. В качестве щелочных травителей используют водные (10—20%) растворы КОН и NaOH. Травление кремния в щелочных составах проводят при температуре 90—400°С. Обработка в щелочных тра- вителях не дает желаемой зеркальной поверхности кремния, поэто- му данный вид травителя в качестве полирующего не нашел широ- кого практического применения в промышленности. Однако щелоч- ный травитель часто используют для так называемого анизотроп- ного травления, т. е. в тех случаях, когда требуется вытравить на поверхности подложки лунку определенной формы. Особый интерес представляют лунки V-образной формы, широко используемые для. изоляции отдельных областей ИМС. 60
Для анизотропного вытравливания V-образных лунок на поверх- ности кремния можно использовать травитель, состоящий из гидра- зина, пропилового спирта и воды. В качестве окислителя в этом травителе выступает гидразин, окисляющий кремний до гидрати- рованного диоксида кремния, пропиловый спирт является комплек- сообразующим агентом, способствующим образованию комплексного иона. Характерной особенностью данного травителя является то,, что он не реагирует с пленкой диоксида кремния и пленкой алюми- ния, которые могут быть использованы в качестве защитных масок, при вытравливании лунок. Селективным травителем для кремния является смесь N2H4 с водой. Этот травитель обеспечивает высокую скорость травления кремния (около 0,05 мкм/с при температуре 120°С) в направлении, перпендикулярном плоскости подложки и совпадающем с кристал- лографической плоскостью (100). В технологии изготовления ИМС в настоящее время использу- ют анизотропное травление кремниевых подложек, ориентирован- ных по плоскостям (100) и (110), так как другие ориентации не по- зволяют получать нужных углублений. Скорости травления основных кристаллографических плоскостей? в кремнии находятся в следующих соотношениях: (110) > (100) > >(111) — для кислотных травителей и (100) > (110) > (111) — для* щелочных травителей. Травление карбида кремния. Карбид кремния чрезвычайно ус- тойчив к химическому воздействию при температурах до несколь- ких сотен градусов Цельсия. Ни один из рассмотренных травителей’ не является достаточно действенным, чтобы обработать поверхность подложки из карбида кремния. Для травления такого материала, как карбид кремния, необходимо, чтобы в соединение с реагентом вступали оба компонента материала, в данном случае кремний и углерод. Наиболее подходящими травителями для карбида кремния яв- ляются составы на основе расплавленных солей и щелочей. В ка- честве примера приведем несколько травильных составов для кар- бида кремния: расплавленная NaOH(KOH) при температуре 900°С; расплавленная соль К2СО3 при температуре 1000°С; смесь рас- плавленных солей Na2CO3 и К2СО3, взятых в соотношении 3:1, при: температуре 1000°С. Травление арсенида галлия. Арсенид галлия травят как в ще- лочных, так и в кислотных травителях. Щелочной травитель, состоя- щий из 5%-ного водного раствора NaOH и 30%-ной перекиси во- дорода, взятых в соотношении 5:1, используют для химической об- работки подложек при температуре 40—60°С. Кислотный травитель,, состоящий из смеси азотной и соляной кислот и воды, взятых в со- отношении 1:2:2, используют главным образом для травления, подложек из арсенида галлия, ориентированных по плоскости (111) при температуре 25—30°С. 6й
Полирующим травителем для подложек из арсенида галлия яв- ляется состав на основе азотной и плавиковой кислот и воды, взя- тых в соотношении 3:1:2. Представляет интерес анизотропное травление арсенида галлия при подготовке подложек для локальной эпитаксии, а также для вытравливания углублений в исходных подложках для изоляции отдельных областей полупроводниковых структур. Для анизотроп- ного травления арсенида галлия используют смесь из воды, переки- си водорода и серной кислоты, взятых в соотношении 1:8:1 или 8:1:1. Условием получения хороших лунок травления является низкое содержание серной кислоты в составе травильной смеси. При оптимальных условиях химической обработки на поверхно- сти подложек из арсенида галлия могут быть получены углубления с достаточно плоским дном и определенным углом наклона боковой поверхности лунки. § 4.5. Химико-динамическая обработка полупроводниковых подложек Если проводить процесс химической обработки таким образом, что исходная полупроводниковая подложка будет находиться в стати- ческом (неподвижном) положении, то процесс растворения полу- проводникового материала будет проходить неравномерно по всей поверхности подложки. Неравномерность стравливания полупровод- никового материала объясняется следующими факторами. Во-пер- вых, в статическом положении подложки концентрация травильного раствора различна для различных участков поверхности. Во-вто- рых, за счет неровностей (выступы и впадины) поверхности под- ложки в разных ее частях выделяется неодинаковое количество теп- лоты, что приводит к локальному перегреву отдельных участков подложки и резкому увеличению скорости растворения полупровод- никового материала. В-третьих, периферийные области подложки (ее краевые части), к которым быстрее поступает свежий трави- тель, находятся не в одинаковых термодинамических условиях и в результате этого подвергаются более интенсивному травлению. Указанные факторы приводят к тому, что в результате химиче- ской обработки подложки, находящейся в статическом положении, резко ухудшается ее плоскопараллельность и возникают завалы на ее краевых участках. Для устранения этих нежелательных эффектов в полупроводни- ковой технологии применяют так называемую химико-динамиче- скую обработку полупроводниковых подложек. Принцип химико- динамической обработки заключается в активном перемешивании травителя непосредственно у поверхности подложки и постоянном вращении подложки в объеме травителя. Известно, что скорость стравливания полупроводникового мате- риала в первую очередь зависит от скорости удаления продуктов реакции от поверхности подложки и скорости доставки новых пор- ций травильного раствора к границе раздела подложка — трави- 62
тель. Перемешивание травителя безусловно способствует быстрей- шему выравниванию состава травителя по всему объему травиль- ной камеры и, как следствие, приводит к равномерности процесса химической обработки полупроводниковой подложки. Химико-динамический процесс обработки подложек позволяет получать поверхность с высокой однородностью по плоскопарал- лельности, требует меньших затрат времени и реактивов и, что са- мое важное, легко поддается автоматизации. В настоящее время в полупроводниковой технологии применяют установки химико-ди- намической обработки, позволяющие добиваться гладкой зеркаль- ной поверхности полупроводниковых подложек, соответствующей 14-му классу чистоты обработки. Установка химико-динамического травления полупроводниковых подложек включает в себя в качестве основного узла фторопласто- вый барабан-стакан, в который помещены кассеты с подложками. Барабан-стакан наклонен к плоскости нормали под углом 20—40° и соединен через редуктор с валом двигателя. При включении двига- теля барабан-стакан начинает вращаться с заданной скоростью, а помещенные внутрь барабана-стакана кассеты с подложками пере- катываются по его внутренней поверхности. Установка снабжена автоматическим устройством для загрузки и выгрузки кассет с подложками, а также для плавной регулировки скорости перемещения подложек в процессе травления. Ванны для травления, а также емкости с запасом кислот полностью изолирова- ны от оператора, что гарантирует безопасность проведения химико- динамического процесса обработки подложек. Способ химико-динамического травления полупроводниковых подложек широко используется при создании мезаструктур, которые находят применение при изготовлении диодов и транзисторов, а так- же в различных типах ИМС. § 4.6. Электрохимическая обработка полупроводниковых подложек Электрохимическая обработка полупроводниковых подложек вклю- чает в себя два процесса: электролитическое анодное растворение и анодно-механическое травление полупроводниковых материалов. Процесс электролитического анодного растворения осуществля- ют, подавая на обрабатываемый полупроводниковый материал (подложку) положительный потенциал. Если через подложку и ме- таллический электрод, погруженные в электролит, пропускать элек- трический ток, то начинается процесс электролиза, при котором хи- мические превращения происходят на электродах, т. е. там, где ион- ный механизм электропроводности в растворе изменяется на элек- тронный в полупроводнике и металле. Весь процесс является окислительно-восстановительной реакци- ей, причем анод служит окислителем, так как он принимает элек- троны, а катод — восстановителем, так как он отдает их. Следова- тельно, электрохимическое травление полупроводниковых материа- 63
лов состоит из двух электродных процессов: анодного растворения и катодного восстановления. Анионы и катионы, теряя свой заряд на электродах, вступают во вторичное взаимодействие с электро- дами, раствором и между собой. Электролитическое анодное растворение кремния производят главным образом в растворах, содержащих плавиковую кислоту. Практическое использование получил состав электролита на основе плавиковой кислоты, бифторида аммония и глицерина. Сам процесс анодного растворения кремния проходит в узком интервале плот- ностей тока. При малых плотностях анодного тока (20—50 мА/см2) растворе- шие кремния сопровождается образованием толстой аморфной плен- ки фтористых соединений двухвалентного кремния. В состав этой пленки входит фтористо-кремниевый комплекс SiF2, который мед- ленно растворяется в воде с выделением водорода. При больших плотностях тока (50—70 мА/см2) процесс анодного ' окисления ускоряется и ток, протекающий через электролит, умень- шается. Однако ускорение процесса окисления лимитируется недо- статком молекул плавиковой кислоты, которые диффундируют из объема электролита. Это, в свою очередь, затрудняет образование пленки фтористых соединений, и начинается новый электролитиче- ский процесс анодного растворения кремния в четырехвалентной «форме. Продуктом реакции при этом процессе является кремние- •фтористоводородная кислота. При еще более высоких плотностях тока (80—150 мА/см2) про- исходит образование пассивирующей пленки диоксида кремния, т. е. начинается процесс анодного окисления, а процесс анодного раство- рения кремния прекращается. Процесс электролитического анодного растворения кремния шмеет ряд преимуществ (отсутствие завалов по краям пластины, высокая плоскопараллельность пластин и высокий класс чистоты -обработки), которые позволяют использовать этот процесс для под- готовки подложек. Процесс анодно-механического травления полупроводниковых подложек основан на использовании одновременно двух способов: анодного растворения полупроводникового материала в электролите и механического воздействия полировки. Сущность анодно-механи- ческого процесса заключается в том, что на обрабатываемую полу- проводниковую подложку подают положительный потенциал, а на полировальный круг — отрицательный потенциал (полировальный круг служит вторым электродом), а между подложкой и полиро- вальным кругом помещают слой электролита. В полировальном круге имеются радиальные пазы, по которым электролит растека- ется по всей обрабатываемой поверхности. Для интенсификации -процесса сторона обрабатываемой полупроводниковой подложки, соприкасающаяся с полировальником, освещается для генерации необходимых при анодном растворении дырок. Производительность анодно-механического процесса зависит от •S4
частоты вращения полировального диска-катода, состава и свойств электролита, плотности анодного тока, скорости подачи электролита в рабочее пространство и температуры проведения процесса. § 4.7. Парогазовая обработка кремниевых подложек Парогазовая обработка кремниевых подложек находит все более широкое применение в технологических процессах изготовления полупроводниковых приборов и ИМС. Особое практическое зна- чение этот процесс имеет для подготовки подложек перед эпи- таксиальным наращиванием кремниевых слоев, так как исклю- чается возможность промежуточного загрязнения. Этот процесс может проводиться после механической поли- ровки, химического травления и других видов технохимиче- ской обработки. Воздействию парогазовых смесей подвергаются поверхностные слои кремниевых подложек, которые в процессе обработки удаляются вместе с имеющимися на них загрязнения- ми и нарушениями. Рассмотрим несколько способов парогазовой обработки, кото- рые находят применение в полупроводниковой технологии. Обработка в смеси (НС1+Н2). Процесс проводят в герметич- ной камере при температуре 1200° С. Кремниевые подложки рас- полагают в реакторе рабочей • камеры и прогревают в течение нескольких минут в потоке очищенного водорода. После этого в поток водорода добавляют небольшое количество (0,5—2% по объему) безводного хлористого водорода. Реакция взаимодейст- вия кремния с парогазовой смесью идет с образованием продук- тов реакции в виде легколетучих соединений SiCl2 или SiC14: Si (тв) -|- НО (газ) SiС12 (пар)-|- Н2 (газ). Наряду с рассмотренным процессом с использованием смеси (HCi+H2), аналогичные результаты по качеству обработки мож- но получить с использованием смесей (НВг+Н2) и (Ш-рН2). Если обработку в этих смесях проводить при температурах и кон- центрациях таких же, как и в смеси (НС1-|-Н2), то скорости уда- ления кремния будут одного порядка. Обработка в смесях (С12+Н2), (Вг2 + Н2) и (J2 + H2). Основ- ным преимуществом данного способа обработки перед предыду- щими является снижение температуры рабочего процесса с 1200°С для смеси (НС1 + Н2) до 1100°С. Процесс обработки кремниевых подложек проводят в рассмотренных установках. Реакция взаимодействия кремния с хлором имеет вид Si(TB)4-Cl2(ra3)^t SiCl2(nap). Обработка в смеси (Н2О+Н2). Обработку кремния парами воды проводят при высокой температуре (1250—1270°С). В ра- бочую камеру поступает поток водорода, в который добавляются пары воды в количестве, не превышающем 0,02—0,1%. Реакция 3—2Ю 65
взаимодействия кремния с парами воды имеет вид Si (тв)4-Н2О (nap)^t SiO(nap)4-H2(ra3), Обработка в смеси (H2S+H2). Взаимодействие кремния с се- роводородом происходит при-высоких рабочих температурах (по- рядка 1200°С). Реакция имеет вид Si (тв)Ц- H2S (газ) SIS (пар)-ф Н2 (газ). Для обработки кремния используют 0,5%-ный сероводород в потоке водорода. Качество обработки поверхности кремния в се- роводороде несколько лучше, чем при обрабтоке в (НС1-]-Н2) и (Н2О-)-Н2). Основным недостатком сероводорода является его токсичность. Эпитаксиальные слои, выращенные на кремниевых подлож- ках, обработанных в парогазовой смеси (H2S-|-H2), содержат меньшее количество дефектов упаковки и посторонних включений. Обработка в смеси (SF6+H2). В отличие от сероводорода гексафторид серы является веществом нетоксичным. Использова- ние гексафторида серы для парогазовой обработки кремния дает возможность снизить рабочую температуру процесса до 1000° С. Реакция взаимодействия кремния с гексафторидом серы имеет вид 5 S i (тв) -ф 2SF6 (пар) 2SiS (пар) -ф 3SiF4 (цар). Процесс обработки в смеси (SF6 + H2) используют для ло- кального травления кремния. Он позволяет получать углубления (лунки) с плоским дном и перпендикулярными боковыми гра- нями. Таблица 4.1 Парогазовая смесь Концентра- ция реаген- та, % Температура процесса, °C Скорость травления, мкм/с (Н2О + Н2) 0,1 1270 0,001 (НС1 + Н2) 0,85 1200 0,005 (ВГ2 + Н2) 0,7 1220 0,006 (С12 + Н2) 0,2 1000 0,012 (SF6 + H2) 0,2 1050 .0,003 (H2s + H2) 0,5 1200 0,02 Для всех рассмотренных процессов обработки кремния (кроме обработки в парах воды) наличие примесей в рабочих смесях приводит к образованию нежелательных посторонних включений на поверхности обрабатываемой подложки. При попадании в рабочую камеру кислорода на поверхности кремния могут образовываться включения SiO или SiO2, а при попадании в камеру азота наблюдаются отдельные включения из нитрида кремния (Si3N4) размером в несколько ангстрем. 66
Глубина стравленных слоев кремния при парогазовой обра- ботке обычно не превышает 10—15 мкм. В табл. 4.1 приведены режимы обработки для различных парогазовых смесей. Для снижения рабочей температуры процессов парогазовой обработки можно использовать газовые смеси хлора с гелием, а также более сложные составы газовых смесей, например водо- рода, гелия, йодистого водорода и фтористого водорода, взятых в соотношении 80:20: 0,5 : 0,001. § 4.8. Ионно-плазменная обработка подложек Ионно-плазменная обработка подложек является одним из спе- цифических процессов в полупроводниковой микроэлектронике, который не требует использования жидких травителей. Сущность процесса состоит во взаимодействии ускоренного потока ионов инертного газа с поверхностью обрабатываемой подложки. Для осуществления этого процесса исходную полупроводни- ковую подложку помещают в рабочую камеру, где создается оп- ределенное давление инертного газа. С помощью расположенных внутри камеры (невдалеке от подложки) электродов добиваются стабильного тлеющего разряда. Пространство тлеющего разряда заполнено квазинейтральной электронно-ионной плазмой. На об- рабатываемую -полупроводниковую подложку относительно плаз- мы подается достаточно большое отрицательное напряжение (2—3 кВ). В результате положительно заряженные ионы плаз- мы бомбардируют поверхность подложки и слой за слоем выби- вают атомы с поверхности, т. е. обрабатывают (травят) ее. Ионно-плазменная обработка, как и химическая, может быть общей и локальной. Преимуществом локальной ионно-плазмен- ной обработки является отсутствие «подтравливания» под маску: стенки вытравленного рельефа практически перпендикулярны по- верхности обрабатываемой подложки, а площади углублений (лу- нок) равны площади окон в защитной маске. Кроме того, про- цесс ионно-плазменной обработки является универсальным, т. е. с его помощью можно обрабатывать подложки из любого полу- проводникового материала. Рассмотрим теоретические представления о механизме ионно- плазменного удаления материала с поверхности полупроводни- ковой подложки. Наиболее приемлемой следует считать теорию, исходящую из возможности возникновения радиационных дефек- тов в обрабатываемой полупроводниковой подложке при бомбар- дировке ее поверхности заряженными ионами инертных газов. При соударении заряженного иона с атомом полупроводни- ковой подложки происходит передача момента количества дви- жения бомбардирующего иона атомам подложки. Другими сло- вами, ускоренный до определенной энергии положительно заря- женный ион инертного газа из ионной плазмы ударяется о поверхность подложки. При этом заряженный ион, сталкиваясь с атомами решетки, передает им свою энергию. Так как началь-
ная энергия иона велика, то первый атом, столкнувшийся с ионом (если энергия иона больше энергии связи атома в решет- ке), покидает свое место и в свою очередь соударяется с другим атомом кристаллической решетки, который после соударения тоже может покинуть свое место. Таким образом может создаться ситуация, когда серия последовательных столкновений ион — атом и атом — атом приведет к тому, что последний из соуда- рившихся атомов окажется расположенным на поверхности под- ложки. Если энергия, переданная приповерхностному атому,, больше его работы выхода, то он покидает поверхность подлож- ки и переходит в объем рабочей камеры. Техника проведения процессов ионно-плазменной обработки связана с методом образования ионной плазмы инертного газа. Существует три основных метода образования плазмы. По пер- вому методу источником плазмы служит самостоятельный тлею- щий разряд, возникающий при определенном давлении инертного1 газа в рабочей камере при приложении напряжения между ано- дом и катодом. По второму методу плазма возбуждается за счет дугового разряда, стимулированного током термоэлектронной эмиссии. Третий метод создания плазмы основан на использова- нии систем с высокочастотным (ВЧ) возбуждением. Для поддержания плазмы тлеющего разряда используют эф- фекты автоэлектронной и ионно-электронной эмиссии за счет вы- сокого межэлектродного поля и бомбардировки поверхности ка- тода положительными ионами плазмы. Основным преимущест- вом этого метода является его простота и возможность создания равномерной плотности плазмы в большом объеме прикатодного пространства. Для поддержания плазмы дугового разряда используют спе- циальный источник электронов в виде накаливаемого термоэмис- сионного катода. Эмиттируемые этим катодом электроны ускоря- ются по направлению к аноду и ионизируют по пути молекулы инертного газа. Плотность такой плазмы может быть намного большей, чем плотность плазмы тлеющего разряда. Для увели- чения плотности плазмы дугового разряда используют магнитные линзы, которые стягивают ее в шнур за счет фокусировки элект- ронов вдоль направления силовых линий магнитного поля. Поле пространственного заряда сфокусированных электронов притяги- вает положительно заряженные ионы плазмы, и ее плотность резко возрастает. Системы с высокочастотным (ВЧ) возбуждением плазмы при- меняются для ионно-плазменной обработки подложек из диэлект- рических материалов. При обработке диэлектрической подложки возникает затруднение, связанное с накоплением на ней положи- тельного заряда, препятствующего дальнейшему процессу уда- ления материала. Это затруднение преодолевается тем, что на обрабатываемую подложку наряду с постоянным отрицательным напряжением подается переменное напряжение высокой частоты (ок®ло 15 Мгц) с амплитудой, несколько превышающей постоян- ен
иое напряжение. Тогда при отрицательном полупериоде результи- рующее напряжение на обрабатываемой подложке отрицательно и происходит процесс удаления материала подложки. При этом- на поверхности подложки создается положительный заряд за счет положительно заряженных ионов плазмы. Кроме того, положительные ионы из плазмы ускоряются по направ- лению к подложке и бомбардируют ее. Некоторая часть ионов рекомбинирует с электронами и остается на поверхно- сти диэлектрической подложки, увели- чивая тем самым ее положительный по- тенциал. При положительном полуперио- де высокочастотного напряжения на подложке суммирующее напряжение будет положительным и подложка бу- Рис. 4.1. Схема установки для ионно-плазмеиной обработки полупроводниковых пластин дет притягивать электроны из плазмы. В этом случае процесс удаления мате- риала с подложки прекращается, но зато происходит компенсация накоп- ленного положительного заряда. На рис. 4.1 приведена схема установки ионно-плазменной об- работки подложек. В рабочей камере 1 размещены три основных электрода: термоэмиссионный катод 2, анод 3 и обрабатываемая подложка 4. Между катодом и анодом создается плазма 5 инерт- ного газа за счет дугового разряда. Процесс ионно-плазменной обработки состоит в следующем. Из рабочей камеры откачивают воздух и заполняют ее инертным газом. Наиболее часто для этих целей используют аргон. Пред- варительно обработанную подложку закрепляют внутри камеры на электроде 4. Давление инертного газа в камере устанавливают в диапазоне 1,3—0,13 Па. Между анодом и катодом приклады- вают напряжение, не превышающее нескольких десятков вольт. Процесс обработки подложки начинается с момента подачи на нее высокого отрицательного напряжения (порядка 1—3 кВ), достаточного для интенсивной бомбардировки ее положительны- ми ионами инертного газа плазмы. Выбиваемые атомы подлож- ки переходят в объем рабочей камеры и осаждаются на ее стен- ках или на специальных защитных экранах. § 4.9. Плазмохимическая обработка подложек Плазмохимическая обработка используется в процессах удаления поверхностного слоя материала подложки, находящейся в твер- дой фазе, при взаимодействии этой подложки с плазмой актив- ных газов или смесей газов. В этом случае протекает процесс реактивного травления материала подложки. 69
Процесс плазмохимической обработки подложек отличается от ионно-плазменного процесса тем, что удаление вещества с по- верхности подложки происходит не только в результате бомбар- дировки ее положительно заряженными ионами плазмы, но и вследствие химического взаимодействия подложки с активными реагентами плазмы.. Таким образом, при плазмохимичеокой об- работке подложек большое значение имеет высокая химическая реакционная способность плазмы. Способ плазмохимической обработки подложек обладает ря- дом преимуществ. Во-первых, он легко управляем и позволяет проводить регулировку режима на всех стадиях его проведения. Во-вторых, он имеет незначительную инерционность. В-третьих, это процесс «сухой», не требующий жидких травителей. В-чет- вертых, плазмохимичеокий способ обладает высокой разрешаю- щей способностью и точностью обработки поверхности под- ложки. При плазмохимической обработке можно совместить в одной камере несколько различных технологических операций: очистку поверхности, травление и осаждение новых слоев. Это позволяет резко снизить возможность загрязнения подложек, а также ис- ключить такие трудоемкие технологические операции, как про- мывка и сушка подложек. Для обработки кремниевых подложек в качестве реактивных плазмообразующих составов используются смеси кислорода с фторсодержащими и хлорсодержащими газами. Изотропное травление кремния проводят в газовой смеси CF4-|-O2+N2. В низкотемпературной плазме происходит разло- жение CF4 с выделением иона фтора. Молекулы кислорода, за- полняющие рабочую камеру, ионизируются и легко взаимодей- ствуют с поверхностью кремния до ее окисления. Ионы фтора взаимодействуют со слоем окисла с образованием легколетучего соединения SiF4, которое быстро удаляется с поверхности под- ложки. Так происходит плазмохимическое травление кремния. Наличие азота в данной смеси способствует ионизации кислорода в условиях низкотемпературной плазмы. Анизотропное травление кремния проводят в различных газо- вых смесях, которые позволяют выбрать нужный коэффициент анизотропии. Если в качестве коэффициента анизотропии К взять отношение скорости травления кремния по плоскости (100) к ско- рости травления кремния по плоскости (Ш), то использование газовой смеси с реактивным составом СС14+О2 дает А=30, с составом (C2F6+O2)—/(=1,1, с составом (C2C12F4-|-O2)— К=0,8. Для плазмохимической обработки подложек из алюминия ис- пользуют составы СС14-|-Аг, СС14-|-Не, СВг4-|-Аг, НС1 + Аг, НВг + Аг, С12 + Аг и др. Концентрацию хлор- и бромсодержащих составляющих реактивных смесей выбирают равной 15—20%. Подложки с хромовыми покрытиями обрабатывают в смесях С2НС1з+О2, CCI4-I-O2, Ог-фОг, BCI3 + O2, PClg + O2, CI2+О2 +Аг, 70
CCh+Ar ц др. Для обработки покрытий из золота в качестве реактивного газа используют CF3C1. Наиболее широкое распространение метод плазмохимической обработки находит в технологическом процессе фотолитографии для удаления фоторезиста с поверхности подложек. В качестве активного газа для удаления фоторезистов исполь- зуют смесь кислорода, азота и водорода. Активными частицами, вступающими в химическую реакцию с фоторезистом, являются атомарный кислород и озон, возникающие благодаря диссоциации молекул кислорода в плазме газового разряда. Добавление не- большого количества азота и водорода (около 1%) приводит к увеличению скорости удаления фоторезистивной пленки с поверх- ности .подложки. Для осуществления плазмохимического метода обработки под- ложек обычно используют высокочастотную (ВЧ) газоразрядную плазму низкого давления. Газовый разряд в реакционной камере возбуждается либо индуктором, либо электродами, которые на- ходятся вне реакционной камеры. Это обеспечивает чистоту хи- мических процессов плазменной обработки материалов подложки, так как в этом случае не происходит взаимодействие плазмы, с материалами электродов. § 4.10. Осаждение гальванических покрытий На различных этапах технологического процесса изготовления многих типов полупроводниковых приборов и интегральных мик- росхем на исходные полупроводниковые пластины (подложки) осаждают различные по толщине и форме металлические слои. Эти слои образуются в результате протекания электрического тока через два электрода (одним из электродов обычно является исходная подложка) и электролит определенного состава. В ос- нове процесса осаждения металлов электролитическим способом лежит реакция катодного восстановления. В полупроводниковой технологии осаждение гальванических покрытий применяют для получения омических контактов к ис- ходной полупроводниковой подложке, создания электродных вы- водов, контактных площадок и токоведущих дорожек, нанесения многослойных металлических композиций, изготовления шарико- вых и консольных элементов. На электролитический процесс осаждения металла на полу- проводниковую подложку оказывают влияние многие факторы: состав электролита, химический состав материалов электродов, электродный потенциал в данном электролите, значение и на- правление электрического тока, проходящего через электролит, температура электролита и др. Особое внимание при проведении процессов гальванического осаждения металлов следует обращать на чистоту используемых электролитов. В готовом электролите не должно быть примесей,, изменяющих состав осаждаемых пленок и их электрофизические 71-
свойства. Так, присутствие в электролите донорных примесей при- водит к тому, что на полупроводниковом материале с дырочной электропроводностью нельзя получить хорошие омические контак- ты. Присутствие в электролите побочных примесей может при- вести к отслаиванию, шелушению или вздутию металлической пленки, а также к неравномерности толщины осаждаемого слоя. Примеси могут попадать в электролит из стальной, медной, брон- зовой, никелевой, алюминиевой и другой посуды, в которой он временно находится. Поэтому в производстве полупроводниковых приборов и ИМС электролиты необходимо готовить и содержать только в керамической, стеклянной, винипластовой, кварцевой или фторопластовой посуде. Примеси в электролит могут попадать из воды, которая яв- ляется их составной частью. Обычная водопроводная и даже ди- стиллированная вода содержит большое количество различных Ионов металлов; Поэтому в полупроводниковом производстве для приготовления электролитов используют только деионизован- ную воду. Кроме того, нежелательные примеси могут попадать в элект- ролит из материала анода, который необходимо контролировать по чистоте и составу входящих компонентов. Для устранения примесей, попадающих на материал анода в процессе его меха- нической обработки (прокатки, штамповки, ковки, токарной об- работки и др.), готовые аноды подвергают специальному травле- нию и тщательной промывке в деионизованной воде. К исходным материалам, используемым для приготовления электролитов, предъявляются специфические требования, связан- ные с технологическим процессом осаждения: нагревостойкость, растворимость в кислотах, щелочах и воде, стойкость к дневному свету, стойкость к длительному хранению, неизменяемость соста- ва во времени и безвредность. Материалы, из которых приготав- ливают электролит, не должны выпадать в осадок при взаимо- действии с другими составными частями электролита. При изме- нении режима электролитического осаждения (температуры, плот- ности тока, скорости перемешивания и др.) электролит не дол- жен образовывать пузырей, твердых осадков и газовых выде- лений. Электрический ток, проходящий через электролит в процессе осаждения, может быть постоянным (не меняющимся во време- ни) и переменным (сложным образом изменяющимся во време- ни). Вид электрического тока выбирают в зависимости от требо- ваний, которые предъявляют к свойствам осажденных пленок. Процесс осаждения гальванических покрытий можно разде- лить на четыре стадии. Первая стадия включает в себя образо- вание заряженных ионов металла в объеме электролита под дей- ствием электрического тока. Вторая стадия состоит в переносе заряженных ионов металла из объема электролита к поверхности полупроводниковой подложки (катода). Третья стадия представ- ляет собой собственно электрохимическую реакцию, в ходе кото- 72
рой заряженные ионы превращаются в адсорбированные ионы и атомы на поверхности полупроводниковой подложки. На четвер- той стадии идет процесс диффузии адсорбированных на поверх- ности подложки ионов к местам роста металлической пленки. В промышленном производстве полупроводниковых приборов и ИМС используются гальванические покрытия из меди,, никеля, серебра, золота, олова, цинка, кадмия, хрома и индия. Меднение используют как подслой при покрытии никелем, хро- мом, серебром и золотом и проводят из цианистых и кислых электролитов. По сравнению с цианистыми кислые электролиты просты по составу и позволяют проводить процесс осаждения меди при более высоких плотностях тока. В качестве цианистого электролита можно использовать состав, содержащий 15 г/л цианистой меди, 10 г/л циани- стого натрия, 15 г/л углекислого натрия и 30 г/л сернокис- лого натрия. Процесс осаждения меди проводят при 18—20°С и плотности тока 0,3—0,5 А/дм2. В состав кислого электро- лита входит 200 г/л медного купороса, 5 г/л серной кислоты и 2 г/л этилового спирта. Процесс проводят при 20—25°С и плотно- сти тока 2—3 А/дм2. Для процесса никелирования используют два вида электроли- тов: кислые и слабокислые. Приготавливают эти электролиты из солей, содержащих никель: сернокислого, хлористого, борфтори- стого никеля, двойной сернокислой соли никеля и др. Наиболее часто используют сернокислый никель. Сернокислые соли натрия и магния увеличивают электропроводность никелевого электро- лита. При составлении электролитов для никелирования необ- ходимо учитывать два обстоятельства: при содержании ионов во- дорода в электролите с pH выше 6,3 образуется гидрооксид никеля и осаждаемый никель имеет темный цвет, что ухудшает электрофизические свойства пленки никеля. При pH ниже 4 ко- личество водорода, выделившегося на катоде, значительно уве- личивается, так как потенциал никеля электроотрицательнее потенциала водорода, что вызывает резкое снижение выхода ме- талла по току и ухудшает сцепление осажденного слоя никеля с поверхностью полупроводниковой подложки. В качестве приме- ра приведем состав электролита для осаждения никеля: 150—200 г/л сернокислого никеля, 70 г/л сернокислого натрия, 10 г/л сернокислого магния, 30 г/л борной кислоты и 5 г/л хло- ристого натрия. Процесс осаждения проводят при 18—20° С и плотности тока 0,5—1,0 А/дм2. Для получения омических контактов на кремнии и равных по толщине слоев никеля на деталях сложной геометрической формы часто используют процесс химического никелирования, который заключается в осаждении никелевых покрытий в результате хи- мического восстановления без применения электрического тока. Восстановителями служат гипофосфиты натрия, калия, аммония или кальция. Состав для химического никелирования: 30 г/л хло- ристого никеля, 10 г/л гипофосфита натрия, 50 г/л хлористого 73
аммония и 65 г/л цитрата натрия. Процесс осаждения никеля проводят при 70° С. Серебряные покрытия используют в конструкциях полупро- водниковых приборов и ИМС для повышения электропроводности токопроводящих элементов и уменьшения переходного сопротив- ления в контактах. Для серебрения широко используют циани- стые электролиты, главным образом растворы цианистых солей серебра, так как они образуют мелкозернистые, плотные и пла- стичные пленки серебра. Из нецианистых электролитов исполь- зуют железисто-синеродистые, иодистые и роданистые, однако они дают худшее качество осажденного металла. Состав электро- лита для осаждения серебра включает 2—5 г/л хлористого се- ребра и 80—100 г/л цианистого калия. Процесс проводят при 18—20°С и плотности тока 1,5—2 А/дм2. Железисто-синероди- стый электролит состоит из 5 г/л хлористого серебра, 6—30 г/л' железисто-синеродистого калия и 6—30 г/л кальцинированной со- ды. Процесс проводят при 15—25° С и плотности тока 0,1 А/дм2. Одним из наиболее распространенных в полупроводниковой технологии является процесс осаждения золотых пленок на по- верхности полупроводниковых подложек. Этот процесс позволяет получать покрытия, способные выдерживать любую химико-тех- ническую обработку в самых агрессивных средах, содержащих плавиковую, азотную и уксусную кислоты. Для осаждения золотых покрытий используется четыре типа электролитов: щелочные, слабощелочные, нейтральные и кислот- ные. Наиболее часто применяют щелочные электролиты. Кроме основных компонентов (комплексной золотой соли и свободного цианида) в электролиты могут входить различные добавки, улуч- шающие качество золотого покрытия и его электрофизические свойства. Для примера можно привести состав электролита: 1 г/л дицианоурата калия; 1,5 г/л хлористого калия; 1,3 г/л бифталата калия; 2,5 г/л лимонной кислоты, 3 г/л вольфрамово- кислого натрия и 0,2 г/л трилона. Процесс осаждения ведут при 90°С и плотности тока 0,5 А/дм2. Для получения золотых покрытий, служащих омическими кон- тактами к полупроводниковым материалам с электронной элект- ропроводностью, используют электролиты, дающие возможность осаждения золотых пленок с примесью сурьмы. Для этой цели в состав электролита вводят 0,5—1 г/л сурьмяновиннокислого калия. § 4.11. Получение особо чистой воды Вода широко используется при изготовлении полупроводниковых приборов и ИМС. Основное ее назначение — промывка (полупро- водниковых пластин, кристаллов, элементов конбтрукций корпу- сов) и приготовление травильных растворов и электролитов. "Вода — бесцветная жидкость, представляющая собой химиче- ское соединение 11,2% водорода и 88,8% кислорода. В воде рас- 74
творимы многие соли, оксиды, кислоты и щелочи. При повышен- ных температурах реагирует со многими металлами. В процессе непрерывного кругооборота в природе вода по- стоянно загрязняется различного рода примесями: пылью, газа- ми, химическими элементами, микроорганизмами. Природная во- да никогда не бывает совершенно чистой и поэтому не может быть использована в технологических процессах изготовления по- лупроводниковых приборов и ИМС. Очищают воду от механических примесей фильтрацией через слой песка и гравия, а от микроорганизмов — хлорированием. Для дальнейшей очистки воду многократно перегоняют (процесс дистилляции). Такая вода получила название дистиллированной. Дистиллированная вода содержит достаточно большое количе- ство примесей. Так, концентрация водородных ионов составляет 5,4—6,6. Сухой остаток не превышает 5 мг/л, а остаток после прокаливания — 0,05 мг/л. Количество примесей в виде сульфа- тов, хлоридов, нитратов кальция и тяжелых металлов сероводо- родной группы и группы сернистого аммония не превышает 1 мг/л. Таким образом, дистиллированную воду нельзя исполь- зовать для промывки полупроводниковых подложек и пластин с р-п-переходами. Ее обычно используют для предварительной про- мывки деталей и узлов конструкций корпусов, а также для от- мывки различных изделий перед химическим травлением. Для получения особо чистой воды дистиллированную воду подвергают дополнительной очистже с целью удаления из нее неорганических примесей, которые находятся в ней в виде ионов: катионов Fe2+, Cu2+, Na2+ и др. и анионов NO3-, CI-, SO42- и др. Таким образом, особо чистую воду, называемую деионизованной, получают методом ионного обмена, сущность которого состоит в том, что в гетерогенной системе вода — ионит происходит обмен ионами между водой и ионитом. В качестве ионита обыч- но используют различные ионообменные смолы. Существует два вида ионообменных смол: катионитовые, свя- зывающие катионы (КУ-1, КУ-2; КУ-8-4с, КВ-4, КБ4П2), и анио- нитовые (АВ-16, АВ-17-8, ЭДЭ-10П, АН-2Ф, АН-1, АВ-17-8-4с), связывающие анионы. Их условные обозначения имеют вид R — Н и R—ОН соответственно, где R—-органический радикал. Смолы гранулированы в шарики размером 1—5 мм. Если дистиллированная вода сначала проходит через колон- ку, наполненную катионитовой смолой, то происходит улавлива- ние этой смолой положительно заряженных катионов металлов М+ путем замещения ими протонов, входящих в состав смолы: (R—Н) +М+-> (R—М) +Н+ Если после этого процесса вода пройдет через вторую колонку, наполненную анионитовой смолой, то произойдет связывание от- рицательно заряженных анионов (И-) хлоридов, сульфидов, би- карбонатов и т. д. путем замещения ими гидроксильной группы, входящей в состав анионитовой смолы: (R—OH)+H-->-(R—И)+ +ОН-. 75
Протоны и гидроксильные группы соединяются в молекуле воды: Н+ + ОН- —Н2О Рис. 4.2. Номограмма для определения удельного сопро- тивления воды при различных температурах В производстве полупроводниковых приборов и ИМС приме- няют деионизованную воду двух марок: марки А (предназна- ченную для промывки пластин и кристаллов с р-п-переходами) и марки Б (предназначенную для об- работки всех других элементов кон- струкций приборов и ИМС). Вода марки А при температуре 20°С. име- ет удельное сопротивление 7— 20 МОм-см, а вода марки Б — не менее 1 МОм • см. Окисляемость в пересчете на кислород, определяю- щая содержание органических при- месей, в воде марки А равна 1,3 мг/л, а в воде марки Б — 2,5 мг/л. Содер- жание кремнекислоты в пересчете на S1O2 в воде марки А не более 2- 10_6%, а в воде марки Б — не бо- лее 2 • 10-5%. О чистоте деионизованной воды судят по ее удельному сопротивле- нию, которое в значительной степе- ни зависит от температуры. Собст- венное сопротивление воды при тем- пературе 20°С составляет 24 МОм-см. На рис. 4.2 показана номо- грамма для определения зависимости удельного сопротивления во- ды от температуры. На правой оси указано сопротивление воды при 20° С. Зная сопротивление воды при 20°С (например, 10 МОм-см), можно определить, как изменится сопротивление воды при 40 или 0°С. Для этого из точки, соответствующей сопротивлению 10 МОм-см (правая шкала), проводят прямые линии через точки 40 и 0°С (средняя шкала) до пересечения с левой шкалой и находят зна- чения сопротивлений 4,8 и 18 МОм-см. Глава 5 ПОЛУЧЕНИЕ СТРУКТУР МЕТОДОМ СПЛАВЛЕНИЯ Метод сплавления позволил создать в 50-х годах первые пло- скостные диоды и транзисторы с электрическими параметрами, близкими к предсказанным теорией. В настоящее время он имеет важное значение для присоединения контактов и электродных выводов к полупроводниковому кристаллу, а в ряде случаев — для изготовления электрических переходов. Метод состоит в на- 76
несении на поверхность полупроводниковой пластины легирую- щего металла или сплава, нагреве его до температуры плавления и охлаждении, при котором происходит захват атомов легирую- щей примеси в кристаллизующийся полупроводник. Для понима- ния процесса сплавления необходимо знать диаграммы состояния бинарных систем примесь — полупроводник. Основные физико- металлургические процессы при сплавлении —это смачивание ме- таллом поверхности полупроводника, растворение полупроводни- ка в расплаве и его рекристаллизация, Технологические режимы, способы нанесения электродных металлов и способы проведения процесса сплавления определяют качество получаемых сплавных структур. Несоблюдение режимов приводит к плохому смачива- нию, неровному фронту сплавления, развитию трещин в кристал- ле. Разработаны методы, предупреждающие развитие подобных дефектов в сплавных структурах. § 5.1. Диаграмма состояния Ликвидус и солидус. Диаграммой состояния или диаграммой фа- зового равновесия называют графическое изображение соотноше- ний между параметрами состояния. Каждая точка на диаграмме состояния, называемая фигура- тивной точкой, определяет число- вые значения параметров, харак- теризующие данное состояние си- стемы. Диаграмма состояния по- казывает, сколько и какие кон- кретные фазы образуют систему при данных значениях парамет- ров состояния. Для бинарных си- стем принято строить диаграмму состояния в координатах темпе- ратура— состав (рис. 5.1). Ли- ния ликвидуса на диаграмме со- стояния определяет области на- чала кристаллизации сплавов дан- ных составов при охлаждении. Л Рис. 5.1. Диаграмма состояния систе- мы, обладающей простой эвтектикой солидуса определяет обла сти начала плавления сплавов данных составов при нагреве. Уравнение линии ликвидуса для определения растворимости малорастворимых веществ — разбавленных растворов, близких к идеальным, было предложено в 1890 г. И. Ф. Шредером: In Хд= - In Хв= ™А / 1__Ц R \ т taJ’ 7 1 1\ R т ТВГ (5.1а) (5.16) где ха, хв — мольные доли или молярные растворимости компо- нентов А и В в растворе; АЯд°, ЬИв*— энтальпия плавления рас-
творителя В и растворяемого вещества A; R — газовая постоян- ная; ТА, Тв — термодинамические температуры плавления компо- нентов. В формуле (5.1а) молярная растворимость хА выражена в атомных долях. На практике нередко требуется определить рас- творимость в массовых соотношениях. В этом случае под раство- римостью Sa какого-либо вещества А в сплаве (Л-j-B) понимают отношение массы этого вещества РА в данном сплаве к общей массе сплава (Рд4-Рв)’. s Ра А Ра+Рв' Переход от атомной растворимости к массовой производят с по- мощью преобразования: л . Мв мв Хх+Х“-^ где МА, Мв— атомные массы компонентов. Как известно, ха+хв=1- Оба уравнения описывают только начальные участки линий ликвидуса левой и правой частей диа- граммы состояния с простой эвтектикой. Эвтектикой называют структуру сплава, состоящего из однородной механической смеси кристаллитов двух или нескольких веществ, которая обладает минимальной температурой плавления. Структура эвтектического сплава такова, что атомные и молекулярные связи в нем менее прочные, чем в порознь взятых веществах, и разрываются под действием меньшей тепловой энергии. Для бинарной системы А — В, обладающей неограниченной растворимостью компонентов в твердом и жидком состояниях, кривые ликвидуса и солидуса определяются соответственно урав- нениями л!==(ехр(—ад)_ 1]/[ехр(—Хв) —ехр(Хл)|, (5.2а) лд=[ехр(—Хв)— 1 j/[exp(—Хд —Хл)_ 1], (5.26) где . _ ^В I 1 1 \ ( 1 1 \ Р\ТВТ} R \тА Т / xas — мольная доля компонента А в твердом состоянии. Пример 1. Рассчитать линии ликвидуса и солидуса диаграммы состояния системы германий — кремний, обладающей неограни- ченной растворимостью в твердом и жидком состояниях. Ликвидус и солидус рассчитывают по формулам (5.2а), (5.26). Растворителем является более легкоплавкий материал — герма- 78
ний, поэтому Д/Л = Д^8е=3,4-107 Дж/кмоль, Гв=Гое = 960°С, AHa=A//si = 5,05-107 Дж/кмоль, Га = Г51= 1420°С, 7^=8,314-103 Дж/(кмоль-К), X — АЯ°е ( 1________1 3,4-107 / 1_____1_\ В~ Я ( TQ Т) 8,314-103 \1233 Т) = 4,09- 103f8,1 -10~4— —'j , \ т I х — A//SI /1_______1 5,05-107 / 1 ___1_\_ А~ R \ TSi Т ] 8.3103 \1693~ Т / = —6,07-103 f 5,9-10~4 — — ’ к т Диапазон существования жид- ких и твердых растворов 960— 1420°С. Разобьем его на пять ин- тервалов и рассчитаем значения xla и Xsа при Т=1050, 1150, 1250 и 1350°С. Данные расчетов свёде- ны в табл. 5.1. Там же даны зна- чения ликвидуса и солидуса, най- денные экспериментально. Они хорошо согласуются с расчетом. Закон рычага. Для определе- ния количественного соотношения Таблица 5.1 т. к х А Л ХА {эксп.) Xs ХА Xs ХА (эксп.) 1233 0 0 0 0 1323 0,105 0,10 0,286 0,36 1423 0,268 0,25 0,528 0,59 1523 0,488 0,46 0,727 0,76 1623 0,763 0,77 0,892 0,92 1693 1 1 1 1 между жидкой и твердой фазами при любых данных условиях используют закон рычага (правило отрезков). Проведем на диаграмме состояния (рис. 5.1) для произ- вольной температуры линию Inm, называемую конодой. Точки I и ш определяют составы твердой и жидкой фаз, а отношение отрез- ков In и тп определяет соотношение масс жидкой и твердой фаз. Если Ml — масса жидкой части сплава, а ЛД — твердой, то, соглас- но закону рычага, Ms/ML = nin]ln. (5.3 По отношению к массе всего содержащегося в тигле сплава ЛД/(ЛД-]-ЛД)=тп/яг/, (5.4а) ML)=nllml. (5.46) При температуре эвтектики соотношение между массами твердых растворов Sa и Sb, присутствующих в твердой фазе, MSA!MSB=bf/af. 79
Равновесный коэффициент распределения. Для определения растворимости примеси в твердой фазе большое значение имеет равновесный коэффициент распределения (коэффициент оттесне- ния, сегрегации) примеси, характеризующий относительное рас- пределение примеси между твердой и жидкой фазами вещества, находящимися в равновесии. Численно коэффициент распределе- ния равен отношению концентрации примеси в твердой фазе Ся к концентрации этой же примеси в жидкой фазе CL при установ- лении равновесия (рис. 5.1): k=Cs/CL. (5.5) Переход примесного атома из жидкой фазы в твердую связан с преодолением некоторого потенциального барьера, поэтому тем- пературную зависимость коэффициента распределения можно представить в виде k0= exp ьно — д$от\ RT / ' (5.6) где АН0 — энтальпия или теплота плавления; AS0 — энтропия плавления растворителя. При температуре плавления равновесный коэффициент распределения ko~knjI, а Апл=ехр ЬНо - Д50Гпд \ ЯТал / (5.7) Объединяя выражения (5.6) и (5.7), получим k0=(J^f™/T exp Г—1)1 . (5.8) L А \ •< /J При температурах, мало отличающихся от Тпл, экспонента близка к единице и k0=(kaf^r. (5.9) Эта формула является хорошим приближением для темпера- турной зависимости равновесного коэффициента распределения. Ретроградный солидус разбавленных растворов Ge и Si. По- давляющее большинство бинарных систем на основе Ge и Si и ряд других полупроводников отличаются ретроградным солиду- сом, или так называемой «отрицательной» растворимостью. Ли- ния солидуса у них на диаграмме состояния с понижением тем- пературы от точки плавления растворителя вначале показывает увеличение концентрации примеси, а затем уменьшение (см. со- лидус левой части; рис. 5.1). На рис. 5.2 и 5.3 приведены кривые растворимости различных примесей в Ge и Si. Все они имеют ретроградный характер. Явление ретроградной растворимости наглядно иллюстрирует- ся аналитическим путем рассмотрения уравнения ликвидуса со- вместно с температурной зависимостью коэффициента распреде-
ления. Согласно (5.16), линия ликвидуса для разбавленных рас- творов in(i—xla)=——q. Я \т тв) Потенцируя, получим Рис. 5.2. Зависимость предельной растворимости примесных элементов в кремнии от температуры Рис. 5.3. Зависимость предельной растворимости примесных элементов в германии от температуры Молярная растворимость xa~Ca/Cl, Cla = xlaCl, где Cl = Cal-\-Cbl — полная концентрация атомов Л и В в рас- творе. Коэффициент распределения в условиях равновесия фаз — Са!Са или Са — ^оа^а — k0AXACL. Полагая концентрацию расплава постоянной (Cb = const), нахо- дим изменение концентрации примеси в твердом растворе в зависимости от температуры: = const й0Лхл=const (МГпл/Г 1 ~~ ехР 81
а б л и ц а 5.2 Выражение (5.11), является произведением двух функций: воз- растающей и убывающей с темпе- ратурой. Такое произведение име- ет максимум и дает кривую рет- т, к k 1—ехр Кв С*/С£ роградного типа. Ретроградная 1693 3-Ю'-3 0 0 растворимость обычно имеет ме- 1673 2,82-10-3 0,048 1,35-Ю4 сто при /гПл^0,1. 1623 1523 2,35-10-3 1,59-10-3 0,146 0,330 3,43-10-* 5,2-Ю-4 Пример 2. Рассчитать ретро- 1323 5,9-10-4 0,632 3,7-НО-4 градный солидус алюминия в 1123 1,67-Ю-4 0,838 1,4-10-4 кремнии. 923 2,4-10-5 0,950 2,28-10-5 Для расчета используем фор- / 1 1 R г» тJ J ’ мулу (5.11). Будем вести расчет концентрации алюминия в твердой фазе относительно полной кон- центраций атомов алюминия и кремния в расплаве: Сд/С£==(Апл)Гпл/г{1 —ехр где &пл = 3-10~3; Д//в° = 5,05-107 Дж/кмоль; Тв= 1420°С. Обозначим I 1 1 \ / I \ Хв=—М—-----------1 = 6,07-1045,9-IO-4----Ц . Я \ т) ( т) Расчетная формула C^/CL=(3. 10-3)1693/7 f_ еХр (хв)]. Данные расчета приведены в табл. 5.2. Если учесть, что Сь»5• 1022 см-3, то максимальная раствори- мость алюминия в кристалле кремния составляет Сд = 5,2Х ХЮ-4 0 = 5,2-10-4-5-Ю22 = 2,6-1019 см-3 при 7=1250°С, что хо- рошо согласуется с экспериментально наблюдаемым значением, приблизительно равным 2-Ю19 см-3 при 1100—1250°С. § 5.2. Физико-металлургические основы образования сплавного р-п-перехода Метод сплавления используется в технологии производства полу- проводниковых приборов для создания р-п-переходов, омических переходов и присоединения электродных выводов к структурам. Для образования сплавного р-н-перехода на поверхность по- лупроводникового кристалла помещают электродный материал (металл или сплав). Систему нагревают до температуры, при которой осуществляется сплавление, и после небольшой выдерж- ки охлаждают. Характер протекания процесса сплавления и ка- чество получаемых переходов определяются поверхностными свойствами металла и полупроводника, чистотой окружающей среды, взаимной растворимостью компонентов, диффузней ато- мов металла и полупроводника в жидкой фазе, растеканием рас- плава. Физические процессы, происходящие при сплавлении, мож- 82
но разделить на три последовательных этапа: смачивание элект- родным материалом поверхности полупроводника; растворение некоторого объема полупроводника в электродном сплаве, опре- деляемое диаграммой состояния; образование р-п- или омическо- го перехода вследствие кристаллизации растворенного полупро- водникового материала при охлаждении расплава. Свойства некоторых элементов, применяемых для электродных сплавов, приведены в табл. 5.3. Таблица 5.3 Элемент Температура плавления T, °C Температура испарения Т, °C Плотность d, г/см3 ТК^ 106, 1/К А1 659,7 996 2,7 23,8 Ag 961,0 1047 10,5 18,7 As 817,0 280 5,7 3,8 Au 1063,0 1465 19,3 14,2 В 2300,0 1365 2,5 8,0 Bi 271,3 698 9,8 14,0 Ga 29,7 1093 5,9 18,0 Ge 936,0 1251 5,4 5,3 In 156,4 952 7,3 33,0 Mo 2620 2533 10,2 5,1 Ni 1455,0 1510 8,9 13,0 Pt 1773,5 2090 21,4 9,0 Pb 327,4 718 11,3 29,5 Si 1420,0 1343 2,32 4,2 Sb 630,5 678 6,6 10,9 Sn 231,9 1189 7,3 26,7 W 3370,0 3310 19,3 4,5 Zn 419,4 343 7,1 26,3 Если чистый элемент удовлетворяет всем требованиям, предъ- являемым к электродному материалу, то он сплавляется с полу- проводником без каких-либо добавок. Растворимость данного компонента в сплаве определяется ли- нией ликвидуса диаграммы состояния. Процесс растворения тес- но связан с диффузией. Перешедшие в расплав атомы полупро- водника за счет диффузии стремятся распределиться в нем рав- номерно. Уходящие от поверхности сплавления атомы дают воз- можность раствориться новому слою полупроводника. Равновесие между расплавом и твердым полупроводником будет достигнуто, когда химический потенциал полупроводника в растворе станет равен его химическому потенциалу в твердом- состоянии. Если концентрация раствора меньше равноверной, то будет происхо- дить дальнейшее растворение полупроводника, так как это спо- собствует уменьшению свободной энергии. Если же, концентра- ция больше равновесной, то из раствора будет выкристаллизо- вываться твердое вещество до тех пор, пока химические потен- циалы обеих фаз не станут одинаковыми. 83/
При вплавлении в полупроводник металлического электрода, который после плавления не собирается в «каплю» и имеет по всей площади толщину h., глубина вплавления h, 1 — Su rfn где Sn — растворимость Рис. 5.4. Образование р-л-пере- хода при сплавлении полупроводника в металле в массовых долях; dM и dn— плотности металла и полупроводника. Образование р-л-перехода. После того как равновесное состояние достиг- нуто и электродный сплав растворил полупроводник на заданную глубину, осуществляется охлаждение расплава. В результате пересыщения раствора полупроводником последний кристал- лизуется в твердую фазу. Процесс кристаллизации полупроводника из расплава называют рекристаллизаци- ей, потому что его осаждение происхо- дит как доращивание растворенной части твердой подложки. На границе раздела твердой и жидкой фаз, существовавшей до начала охлаждения, образуется контакт различно легированных областей полупроводника (рис. 5.4). Ес- Рис. 5.5. Зависимость напряжения пробоя резких р-л-переходов в Ge, Si, GaAs и GaP от концент- рации примеси в базовой области ли вплавляемый металл представляет собой акцепторную при- месь, а исходная пластина полупроводника обладает электропро- водностью n-типа, или если металл является донорной примесью, а полупроводник обладает электропроводностью p-типа, то обра- зуется сплавной р-п-переход. Сплавной переход является резким. 84
Он имеет распределение примеси, близкое к ступенчатому. Обыч- но концентрация примеси в исходной пластине полупроводника сравнительно мала (1014—1016 см-3), а концентрация легирующей примеси в рекристаллизованном слое на несколько порядков вы- ше и составляет 1018—1020 см-3. Напряжение пробоя ЕпрОб сплавных р-га-переходов определяется концентрацией примеси в слаболеги- рованной области Св — исходной пластине полупроводника. На рис. 5.5 представлены зависимости Unp06 (Св) для резких р-га-пе- реходов в Ge, Si, GaAs и GaP. Штриховая линия указывает об- ласть концентраций примесей, при которых лавинный характер пробоя, преобладающий при низком содержании примеси, сме- няется туннельным. Напряжение лавинного пробоя (В) резкого р+-п- или и+-р-перехода определяется приближенным равенством (5.12) где ДЕ — ширина запрещенной зоны, эВ; Св—концентрация при- меси в слаболегированной области, см-3. § 5.3. Контроль качества сплавных структур Изготовление поперечных шлифов. Кроме электрических и электрофизических измерений наиболее ценные сведения о струк- туре сплавных полупроводниковых кристаллов и причинах отклоне- ний характеристик приборов от ожидаемых получают путем из- готовления шлифов. Основными этапами изготовления попереч- ных шлифов являются запрессовка исследуемого кристалла с р-п-переходом в пластмассу (полистирол), сошлифовка части ма- териала перпендикулярно плоскости р-га-перехода, полировка и селективное травление полученного сечения. Для выявления внешних дефектов производят тщательный осмотр кристалла под микроскопом типа МБС-2, а' также при большом увеличении на металлографическом микроскопе типа МИМ.-7, МИМ-8М.. Осмотр шлифов может дать некоторые све- дения о структуре прибора. Для более детального обследования шлифы подвергают слабому травлению в растворе из 30 см3 HNO3, 10 см3 HF и 120 см3 СН3СООН. После химической обработки на шлифе выявляется граница р-п-перехода, что поз- воляет определить глубину вплавления и ширину рекристалли- зованной области, а также проследить ровность фронта сплав- ления. ИК-интроскопия. Германий и кремний прозрачны в инфра- красном диапазоне спектра, поэтому просвечивание ИК-лучами в сочетании с методом декорирования позволяет произвести под- счет плотности дислокаций и установить характер распределения дислокаций в объеме. Исследуемую структуру кремния травят и на нее из раствора медного купороса с добавкой нескольких 85
капель плавиковой кислоты осаждают медь. Затем структуру отжигают в вакууме или водороде при 900° С в течение 10 мин. Медь диффундирует по дислокациям и после медленного охлаж- дения образует осаждения атомов меди вдоль линий дислокаций. Из. пластины вырезают узкие образцы, которые просматривают в ИК-свете с торца. Атомы меди поглощают излучение и на эк- ране электронно-оптического преобразователя (ЭОП) видны тем- ные линии — линии дислокаций. Для наблюдения механических напряжений необходимы две призмы Николя: поляризатор и анализатор. Если на николь-по- ляризатор направить ИК-луч, то прошедшие через него световые волны оказываются плоскополяризованными. Плоскость поляри- зации света называют главным сечением николя. Поставив за поляризатором анализатор, в зависимости от взаимного располо- жения главных сечений николя можно либо полностью погасить свет, либо частично или полностью пропустить его. При скрещен- ных николях, когда главные сечения поляризатора и анализато- ра взаимно перпендикулярны, и в отсутствие механических на- пряжений в образце ИД-свет полностью гасится анализатором и экран ЭОПа остается темным;. При наличии напряжений в об- разце он оказывается оптически анизотропным, что приводит к повороту плоскости поляризации света, прошедшего через первый николь, в местах искажения кристаллической решетки. Главное сечение анализатора уже не будёт перпендикулярно плоскости поляризации падающего на него ИК-света, и анализатор будет частично его пропускать. Таким образом, просветления, появля- ющиеся на экране ЭОП, будут соответствовать напряженным участкам образца. Чем больше напряжение, тем на больший угол повернется плоскость поляризации и тем интенсивнее просвет- лится экран преобразователя. Для количественной оценки напря- жений необходимо знать угол поворота плоскости поляризации и коэффициенты фотоупругости для данного кристаллографиче- ского направления. Глава 6 ПОЛУЧЕНИЕ СТРУКТУР МЕТОДОМ ЭПИТАКСИАЛЬНОГО НАРАЩИВАНИЯ Метод эпитаксии разрабатывался с начала 60-х годов и позволил преодолеть многие затруднения, возникавшие при создании все более совершенных приборов. Процесс эпитаксии осуществляется в вакууме, в газовой и. в жидкой фазах. Прогресс полупроводни- кового производства во многом обязан развитию технологии эпи- таксии кремния из газовой фазы. Наибольшее распространение получил хлоридный метод эпи- таксии кремния, основанный на восстановлении хлоридов крем- ния водородом. Перспективным методом является гидридный ме- 86
тод, позволяющий избавиться от загрязнения слоя хлором и по- низить температуру процесса. При создании МДП СБИС наибо- лее важным процессом является получение эпитаксиальных слоев кремния на диэлектрических подложках. В связи с развитием оптоэлектроники широкое распростране- ние получили методы эпитаксии полупроводниковых соединений ти- па Ani5v, существенной особенностью которых является высокая летучесть элементов V группы. Для соединения типа AniBv наряду с газофазной нашла применение эпитаксия из жидкой фазы. Наращивание монокристаллического эпитаксиального слоя со- провождается образованием дефектов структуры — дислокаций, дефектов упаковки и др., появление которых во многом связано с конкретными условиями проведения технологического процес- са. Контроль дефектов, а также электрофизических и геометри- ческих параметров эпитаксиальных слоев осуществляют метал- лографическими методами, по интерференции ИК-лучей, с по- мощью рентгеновского, микроанализа и т. п. § 6.1. Основные методы эпитаксиального осаждения К полупроводниковому материалу, используемому для изго- товления полупроводниковых приборов и ИМС, часто предъяв- ляют противоречивые требования. Например, для повышения про- бивного напряжения импульсных диодов требуется увеличивать удельное сопротивление пластин полупроводника, что вызывает рост сопротивления растекания и ухудшает импульсные свойства и быстродействие приборов. Эмиттерная и базовая области, по- лучаемые методом диффузии акцепторных и донорных примесей, располагаются вблизи поверхности пластины. Коллекторная об- ласть с высоким удельным сопротивлением обеспечивает высокое напряжение пробоя, т. е. большое обратное напряжение коллек- торного р-га-перехода, но снижает быстродействие транзистора вследствие большого накопленного заряда в объеме коллектора и ограничивает мощность транзистора из-за большого последо- вательного сопротивления коллектора. Аналогичные проблемы встречаются при изготовлении других полупроводниковых при- боров и особенно ИМС. Эти ограничения в значительной мере были сняты с появлением методов эпитаксии, позволяющих на- ращивать на сильно легированной пластине полупроводника — подложке — тонкие слои того же полупроводника с небольшим содержанием легирующей примеси, служащие базами диодов, коллекторными областями транзисторов и пр. Разновидности и методы эпитаксии. Термин «эпитаксия» был введен для обозначения процесса ориентированного наращивания кристаллов на кристаллах. Он составлен из двух греческих слов: приставки «эпи» — на и корня «таксис» — расположение в по- рядке. Эпитаксиальный слой — это монокристаллический мате- риал, осажденный на кристаллическую подложку, сохраняющий 87
морфологию (структуру) этой подложки. В процессе эпитаксиаль- ного нарастания образующаяся фаза закономерно продолжает кристаллическую решетку имеющейся фазы с помощью образо- вания переходного эпитаксиального слоя. Переходный слой спо- собствует когерентному срастанию двух решеток по плоскостям и направлениям со сходной плотностью упаковки атомов, через него передается основная информация о кристаллической струк- туре подложки в нарастающий слой. Известны три группы процессов эпитаксии: авто-, гетеро- и хемоэпитаксия. Автоэпитаксия (от греч. авто — само)—это процесс ориенти- рованного нарастания кристаллического вещества, однотипного по структуре с подложкой, отличающегося от нее только содержа- нием легирующих примесей. Гетероэпитаксия (от греч. «гетеро» — другой) — это процесс ориентированного нарастания вещества, отличающегося по соста- ву от вещества подложки, происходящий при их кристаллохими- ческом взаимодействии. Хемоэпитаксия — это процесс ориентированного нарастания вещества, в результате которого образование новой фазы проис- ходит при химическом взаимодействии вещества подложки с ве- ществом, поступающим из внешней среды. Полученный хемо- эпитаксиальный слой отличается по составу как от вещества под- ложки, так и от вещества, поступающего на ее поверхность. Существует три основных технологических метода эпитаксии, отличающихся природой физико-химических явлений образова- ния растущего слоя: 1) молекулярно-лучевая эпитаксия из молекулярных пучков в вакууме; 2) газофазная эпитаксия с помощью химического взаимодействия вещества в газовой или парогазовой смеси, на- зываемая газовой или химической эпитаксией; 3) жидкофазная эпитаксия в жидкой фазе путем рекристаллизации из расплава или раствора-расплава. Рассмотрим кратко основные особенности этих трех методов. Молекулярно-лучевая эпитаксия. Эпитаксия из молекулярных пучков в вакууме является процессом прямого переноса вещест- ва. Вещество-источник (монокристаллический кремний или гер- маний) с помощью сфокусированного электронного пучка в вы- соком вакууме интенсивно испаряется, образуя поток молекуляр- ных частиц, достигающих подложки без промежуточных взаимо- действий. Осевшие на поверхность подложки частицы полупро- водника под влиянием сил молекулярного взаимодействия обра- зуют правильную структуру, определяемую кристаллической ориентацией полупроводника. Рост эпитаксиального слоя проис- ходит вдоль поверхности, и растущий слой повторяет структуру подложки. Разновидностью эпитаксии из молекулярных пучков в вакуу- ме является метод сублимации, при котором испарение полупро- водника, в частности кремния, производят путем прямого разо- 88
грева электрическим током прямоугольной пластины, отстоящей от подложки на расстоянии в несколько сотен микрометров. .В данном случае образец-источник не плавится, происходит воз- гонка (сублимация) кремния и перенос его на подложку. Полу- чаемый слой обладает высоким удельным сопротивлением, так как вероятность попадания посторонних примесей из' вакуумной камеры мала, но производительность процесса недостаточна для промышленного производства. Эпитаксия в газовой фазе с помощью химического взаимо- действия. При кристаллизации из газовой фазы с помощью хи- мического взаимодействия атомы полупроводника переносятся в! составе химического соединения, которое диссоциирует на под- ложке, освобождая атомы полупроводника (если в процессе уча- ствуют элементарные полупроводники —германий и кремний) или его молекулы. Химические методы наиболее широко применяются при получении эпитаксиальных слоев в производственных усло- виях. Эти методы относятся к непрямым процессам переноса, сущность которых заключается в том, что в результате опреде- ленных химических реакций образуется полупроводниковый ма- териал. Среди гипотез эпитаксиального роста из газовой фазы следует отметить две. Согласно первой, полупроводник образуется на под- ложке в результате реакции диссоциации, каталйзируемой поверх- ностью подложки. Согласно второй, разложение соединений полу- проводника происходит на некотором удалении от подложки. Час- тицы полупроводника достигают подложки путем диффузии в газовой фазе. Химические реакции, приводящие к освобождению атомов полу- проводника, можно объединить в четыре группы. 1. Реакции диспропорционирования галоидных соединений: 2ПГ2^±ПГ4 + П, где П—атом полупроводника (германий, кремний); Г — атом га- лоида (хлор, фтор, бром, иод). 2. Реакции восстановления галоидных соединений водородом: ПГ4+2Н2^П + 4НГ, пнг3+н2^п+знг. 3. Пиролиз (термораспад) — разложение соединений при на- греве: пн4^±п-Ь2н2. 4. Транспортные химические реакции (реакции переноса), иду- щие в две стадии: ПЦ-2НГ П Г2-(- Н2 (перенос), ПГ2+Н2ч± П 4-2НГ (осаждение). 8»
Все эти реакции — обратимые. Направление протекания реакции и скорость осаждения зависят от концентрации исходных веществ и режима процесса. Эпитаксия в жидкой фазе. Метод жидкофазной эпитаксии за- ключается в наращивании монокристаллического слоя полупровод- ника из расплава или раствора-расплава, насыщенного полупровоД' никовым материалом. Полупроводник эпитаксиально кристаллизу- ется на поверхности подложки, погружаемой в расплав, при его охлаждении. В большинстве случаев при кристаллизации из жид- кой фазы в качестве растворителя используют какой-либо металл, обладающий неограниченной растворимостью с полупроводником в жидком состоянии и образующий эвтектику, например А1 — Si или Au — Si. В случае жидкофазной эпитаксии полупроводниковых соединений в качестве растворителя применяют легкоплавкий ком- понент соединения, например Ga для GaAs и GaP. Это позволяет снизить температуру кристаллизации и уменьшить перепад темпе- ратуры на границе подложка — расплав, что повышает чистоту на- ращиваемого слоя. Перспективным является процесс пар — жидкость — твердое те- ло, сочетающий методы газовой и жидкостной эпитаксии. На по- верхность полупроводниковой подложки наносят тонкий слой ме- талла, образующего жидкую фазу эвтектического состава, что по- зволяет использовать низкие температуры эпитаксии. Атомы полупроводника осаждаются из газовой фазы и диффундируют че- рез слой жидкости к границе с подложкой, где происходит их кри- сталлизация. Так как толщина слоя расплава не превышает 1 мкм, то скорость роста эпитаксиального слоя практически не зависит от времени диффузии атомов в расплаве. Электрические характеристики легированных слоев и электри- ческих переходов, получаемых методами эпитаксии, в основном по- добны характеристикам структур, изготовляемых методом сплав- ления. Структура р-га-переходов в большинстве случаев резкая, по- этому зависимость напряжения пробоя от концентрации примесей в базовой области соответствует изображенной на рис. 5.5. § 6.2. Технологические особенности эпитаксии Si и Ge Среди наиболее распространенных методов наращивания эпитакси- альных слоев германия и кремния основными являются восстанов- ление их тетрахлоридов водородом и термическое разложение моно- силана SiH4 и моногермана GeH4. Монокристаллические слои крем- ния или германия осаждаются на нагретых подложках при про- пускании над ними водорода с парами хлоридов или гидридов и легирующих примесей. Типичный процесс эпитаксиального наращи- вания состоит из следующих рпераций: 1) загрузка пластин в ре- актор; 2) продувка реактора инертным газом и водородом; 2) на- грев пластин и подача реагентов для газового травления с целью очистки пластин; 4) прекращение травления и установление темпе- ратуры, необходимой для наращивания; 5) подача реагентов для 90
осаждения и легирования эпитаксиальных слоев; 6) прекращение подачи реагентов и кратковременная продувка водородом; 7) вы- ключение нагрева, продувка водородом и инертным газом; 8) раз- грузка реактора. В производстве полупроводниковых приборов и интегральных микросхем наибольший объем эпитаксиальных про- цессов приходится на эпитаксию кремния. Наиболее широкое прак- тическое применение получило восстановление хлоридов кремния водородом — хлоридный метод эпитаксии. Хлоридный метод эпитаксии кремния. Его широкое распростра- нение обусловлено сравнительной простотой и доступностью исход- ных материалов. Пары тетрахлорида кремния и водород подаются в реактор, где протекает основная реакция восстановления кремния SiCl4+2H2= Si +4НС1 (6.1) Вместо тетрахлорида иногда используют трихлорсилан SiHCl3, вос- становление которого протекает согласно реакции SiHCl3 + H2z? Si +ЗНС1 (6.2) При избытке хлористого водорода HCI обе реакции идут справа налево, что используют для газового травления подложек с целью удаления поверхностных слоев кремния, содержащих нарушения структуры, а также остатков диоксида кремния и загрязнений. Процесс восстановления SiCl4 является более сложным, чем описы- ваемый реакцией (6.1). Протекание реакций промежуточных вза- имодействий учитывают двумя Способами. Согласно первой схеме, восстановление сопровождается протеканием реакций с участием дихлорида кремния SiCl2, HCI и Н2. Реакции осаждения (6.1) со- путствует реакция травления кремния: SiCl4 + Si^±2SiCl2 (6.3) Вклад этой реакции увеличивается при возрастании концентра- ции тетрахлорида в водороде, что приводит к падению скорости роста эпитаксиального слоя. Помимо этого идут побочные реакции: SiCl2 + HCl^SiHCl3, (6.4) SiCl2+2H2z£ SiH3Cl + HCl (6.5) Образующиеся хлористоводородные соединения кремния восстанав- ливаются водородом до чистого кремния. Согласно второй схеме, восстановление SiCl4, происходит в га- зовой фазе по одной из реакций: SiCl4 + H2^SiHCl3+HCI (6.6) или SiCl44-H23tSiCl2 + 2HCl. (6.7) После частичного восстановления SiCl4 идет восстановление хло- ридов или диспропорционирование их на подложке с образованием атомарного кремния. Относительно более легкий распад молекулы SiHCl3 по сравнению с молекулой SiCl4 определяется меньшей энергией связи Si — Н по сравнению с энергией связи Si — Cl. 91
При малых концентрациях тетрахлорида кремния в водороде наблюдают линейную зависимость скорости роста от концентрации SiCI4 в соответствии с реакцией (6.1). При увеличении содержания SiCl4 скорость роста снижается и в дальнейшем наблюдается пере- ход к травлению подложки — преобладает реакция (6.3). Экспериментально показано, что при температурах 1050— 1300° С максимальное значение энергии активации (145 кДж/моль) соответствует концентрации 5% SiCl4 в водороде. При более низких или более высоких концентрациях SiCl4 энергия активации процес- са осаждения кремния снижается. Таким образом, при концентра- циях SiCl4 менее 1% происходит реакция роста (6.1). При больших концентрациях одновременно с реакцией (6.1) идет реакция трав- ления (6.3), а также парофазные реакции (6.4) — (6.7). Осаждение кремния совершается в интервале температур 1150— 1250°С, концентрация тетрахлорида в водороде поддерживается на уровне 0,5—1%, а скорость потока газа составляет 0,1—1 м/с. При этих условиях скорость роста слоев близка к 1 мкм/мин. При невы- соких температурах и большом содержании тетрахлорида в парах образуются рыхлые и аморфные или поликристаллические соли кремния. Увеличение температуры подложек и уменьшение мольной доли тетрахлорида в газовой смеси ведет к уплотнению и кристал- лизации слоев. л Гидридный метод эпитаксии кремния. При проведении проце са эпитаксии хлоридным методом температура подложек составляет около 1200° С. В результате происходит заметная диффузия приме- сей из сильно легированной пластины — подложки — в слаболеги- рованный растущий эпитаксиальный слой. Это явление называют автолегированием. Помимо диффузии автолегирование может осу- ществляться вследствие переноса примеси с обратной стороны под- ложки в растущий слой. Автолегирование изменяет концентрацию примесей в эпитаксиальном слое, распределение примесей на гра- нице слой — подложка и тем самым толщину области с заданной концентрацией примеси в эпитаксиальном слое. Для ограничения диффузии примесей из подложки стремятся выбрать легирующую примесь в ней с низким коэффициентом диф- фузии, например Sb и As в кремниевых «+-подложках вместо фос- фора. Другой возможностью ограничения диффузии примесей являет- ся снижение температуры процесса. Снизить температуру до 1000° С при эпитаксии кремния можно путем использования УФ-об- лучения подложек во время наращивания. Облучение УФ-светом уменьшает влияние примесей, адсорбированных из газовой фазы, на подвижность мигрирующих по поверхности подложки атомов кремния. Более кардинально проблема ограничения автолегирова- ния решается путем использования гидридного метода эпитаксии, позволяющего снизить температуру процесса. Гидридный метод со- стоит в пиролизе моносилана, поэтому его иногда называют сила- новым методом. Уравнение реакции термораспада моносилана име- 92
ет вид SiH4^Si+2H2 (6.8> I Освобождающийся кремний осаждается на подложках, температу- ра которых может быть снижена до 1000° С. Это практически предотвращает диффузию примесей из подложки и способствует росту слоя с равномерным распределением легирующей примеси па- толщине. Оптимальные температуры осаждения при пиролизе моно- силана 1050—1100° С. В качестве источника обычно применяют смесь, состоящую из 4—5% моносилана и 95—96% Не, Аг или Н2 высокой чистоты. Концентрация моносилана в водороде во время осаждения 0,05—0,1%, а скорость потока газа 30—50 см/с. При этих условиях скорость роста может изменяться от 0,2 до 2 мкм/мин. Определенной сложностью при работе с моносиланом являете» возможность его самопроизвольного газофазного разложения в ре- акторе с образованием твердых частиц. Это вызывает уменьшение- концентрации моносилана в газовой фазе и снижение скорости роста. Твердые частицы, попадая в растущий слой, могут привести- к появлению несовершенств кристаллической структуры. Вероят- ность газофазного пиролиза моносилана увеличивается при темпе- ратурах выше 1100° С, концентрации моносилана в водо- роде более 0,12% и скорости потока газа менее 20 см/с, а также- при наличии в газовой фазе следов Н2О и О2. Кроме сравнительно низкой температуры процесса преимущест- i вом метода пиролиза моносилана является отсутствие во время i роста слоев соединений, содержащих хлор. При этом по сравнению с хлоридным методом удается уменьшить автолегирование и полу- i чить более резкие профили распределения концентрации примесей на границе слой — подложка. Скорость осаждения кремния при термораспаде моносил-ана линейно зависит от концентрации SiH4 в смеси. При возрастании температуры от 800 до 1100° С скорость роста увеличивается, причем энергия активации процесса составля- ( ет (140+17) кДж/моль. При температурах выше 1100° С скорость роста перестает зависеть от температуры и определяется массопе- реносом реагентов в газовой фазе. Горизонтальные и вертикальные реакторы. Температурные и га- зодинамические условия проведения процесса во многом определя- ют качество растущих эпитаксиальных слоев, поэтому к оборудова- нию для эпитаксии предъявляют высокие требования. Установи» эпитаксиального наращивания отличаются прежде всего конструк- цией реакторов, которые бывают двух основных типов: горизон- тальные и вертикальные. » Горизонтальный реактор обладает наиболее простой конструк- . цией (рис. 6.1, а). Поток парогазовой смеси идет в нем параллель- но подложкодержателю и, обедняясь по мере протекания над пла- стинами, вызывает изменение толщины и удельного сопротивления эпитаксиальных слоев. Для более равномерного осаждения исполь- зуют два способа: подложкодержатель устанавливают под некото- 93
рым углом к направлению газового потока (рис. 6.1, б) либо ис- пользуют распределенный ввод газа по всей длине подложкодер- жателя (рис. 6.1, в.). Вертикальные реакторы обеспечивают наилучшие условия для нагрева и потока газовой смеси благодаря осевой симметрии кон- струкции реактора. Вращение подложкодержателя способствует выравниванию тепловых и газодинамических полей. На рис. 6.2, а доказан реактор с четырехгранным подложкодержателем и верти- Рис. 6.2. Типы вертикальных реакто- ров Рис. 6.1. Типы горизонтальных реакторов кальным вводом парогазовой смеси, применявшийся в первоначаль- ных конструкциях установок с вертикальным реактором. На рис. 6.2, б показан высокопроизводительный вертикальный реактор ба- рабанного типа с горизонтальным вводом рабочей смеси. Нагрев четырехгранного графитового подложкодержателя производится с помощью индуктора токами ВЧ, а реактор представляет собой квар- цевую трубу. Нагрев барабанного подложкодержателя осуществля- ется изнутри с помощью резистивных элементов, а реактор выпол- нен из нержавеющей стали, его иногда называют колпаковым. Принципиальная схема установки для эпитаксии представлена на рис. 6.3. Сосуд с тетрахлоридом кремния или смесью SiCl4+BBr3 либо SiCh+PCU, содержащей легирующие добавки —трехброми- стый бор ВВгз, или треххлористый фосфор РС13 для легирования слоя акцепторной или донорной примесью, находится в термостате, поддерживающем с высокой точностью температуру тетрахлорида, что обеспечивает необходимое давление паров. Обычно это темпе- ратура около или ниже 0° С, так как SiCl4— очень летучая жид- кость. В систему подается водород, прошедший палладиевую очи- стку для удаления следов влайи и кислорода. В палладиевой или платиновой системе очистки стоит диафрагма из Pd или Pt соответ- ственно, нагретая до 400—450° С. Атомарный водород диффунди- рует с высокой скоростью через эту диафрагму, его расход состав- ляет около 1 м3/ч, тогда как другие вещества почти не проникают через диафрагму вслествие малости-их коэффициентов диффузии. 94 1
Точка росы после очистки составляет —70 С. Водород проходит через кран 1 и ротаметр, измеряющий расход водорода. Краны 3, 4 закрыты. Кремниевые подложки нагреваются до 1000—1200° С, и в протоке водорода их поверхность подвергается очистке. Кран 1 закрывают, а краны 2 и 3 открывают. Водород проходит через со- суд с SiCl4 и насыщается парами тетрахлорида, которые в реакторе- восстанавливаются до элементарного кремния. Продукты реак- ции— непрореагировавший SiCl4, Н2, НС1 и др,—через открытый кран 5 выходят в скруббер, пред- назначенный для улавливания ядовитых отходов, где они сгора- ют в водородном пламени. Для газового травления в установках эпитаксиального наращивания предусмотрена подача хлористого водорода через кран 1 в камеру перед процессом эпитаксии. Ши- рокое применение получила уста- новка наращивания эпитаксиаль- ных слоев УНЭС-2П-В (двухка- мерная, с реактором вертикально- го типа). Оба реактора могут ра- ботать последовательно: один за- Рис. 6.3. Схема установки для эпи- таксии кремния гружают, в другом идет процесс наращивания слоя. Технология эпитаксиального наращивания решает прежде всего» задачу достижения требуемых значений толщин эпитаксиальных слоев и уровней легирования с точностью не хуже ±(5—10)% от пластины к пластине. Чтобы добиться хорошей воспроизводимости- толщины эпитаксиальных слоев, прежде всего необходимо сохра- нять постоянной скорость наращивания. Для этого следует поддер- живать на постоянном уровне концентрацию основного вещества; (SiCl4, SiH4) и температуру в течение всего процесса. Для воспро- изводимого получения эпитаксиальных слоев с заданным удельным сопротивлением нагрев должен быть равномерным, так как тем- пературные зависимости давлений паров и степени диссоциации основного вещества и легирующих примесей различны. Гетероэпитаксия кремния на сапфире и шпинели. Гетероэпитак- сиальные структуры кремния на сапфире (КНС) получили широ- кое распространение для изготовления МДП СБИС. С помощью КНС-структур достигается очень высокая плотность упаковки и обеспечивается простота изоляции элементов схемы. Это обуслов- лено тем, что вначале на сапфировой подложке наращивают эпи- таксиальный слой кремния, в котором создают элементы ИМС,. а затем участки между элементами стравливают вплоть до изолиру- ющей подложки. Наибольшее распространение получили гетеро- эпитаксиальные слои кремния на сапфире Si — А12О3 и на шпинели Si—MgO-Al2O3. В табл. 6.1 дано сопоставление основных свойств» кремния, сапфира и шпинели. 95
Таблица 6.1 Свойство Кремний Сапфир Шпинель Кристаллическая структура Постоянная решет- ки, нм Плотность, г/см3 Твердость по Моосу Модуль упругости, fi/см2 ' Тил, °C Теплопроводность, Цж/(см-с-К) ТКР, 1/К е tg6 Гранецентриро- ванная кубическая 0,54301 2,33 7 10е 1412 1,25 (25’С) 3,59-10-6 11,7 Ромбоэдрическая Я = 0,4758 с= 1,2991 3,98 9 (1,525—2,0)10® 2030 0,253(60’ С), ось с 8,4-10-®, ось с 9,4, ось с Ю-4— Ю-3 Гранецентриро- ванная кубическая 0,8083 3,58 8 1,32-10® < 2105 0,146 7,45-10-® 8,4 Ю-4— ю-3 Успешное выращивание эпитаксиальных слоев кремния на сап- фире и шпинели в значительной степени зависит от кристаллогра- фических соотношений на границе раздела слой — подложка и от состояния поверхности подложки. Кремний обладает кубической решеткой типа алмаза с постоянной 0,543 нм. Структура сапфира 45олее сложная, он принадлежит к ромбоэдрическому классу, но ему можно приписать гексагональные символы. Параметры решет- ки сапфира: « = 0,476 нм, с= 1,299 нм. Гетероэпитаксиальное сра- стание в системе полупроводник — изолятор (оксид) осуществля- ется по направлениям катионных или анионных связей, и ретику- лярные плотности (т. е. плотности атомов решетки) в плоскости срастания должны быть высокими. При этом степень соизмеримости параметров решеток не является основной причиной, регламенти- рующей эпитаксию. Эпитаксиальное соответствие в случае крем- ний— сапфир объясняют тем, что атомы кремния в плоскости сра- стания занимают места, которые соответствовали бы атомам алю- -миния при продолжении решетки А12О3. Аналогично, при эпитаксии кремния на шпинели считают, что атомы кремния продолжают под- фешетку магния. Ретикулярная плотность нарастающего кристалла .должна быть высокой, но не должна превышать плотность атомов А1 или Mg в сапфире или шпинели в плоскостях срастания. При гетероэпитаксиальном наращивании кремния на сапфире наиболее часто используют следующие ориентационные соотноше- ние Si(100)//А120з(1012), Si(111)//А12О3(0001) или Si (111)//А12О3 .(1010). Выращивание эпитаксиальных слоев производят хлоридным или тидридным методом. При восстановлении тетрахлорида кремния температура подложек составляет 1100—1200° С. Реакционные газы -могут химически взаимодействовать с материалом подложки, вы- зывая значительное ухудшение структуры и электрических свойств •слоев. Менее реакционноспособные смеси моносилана с водородом «6
или геЛием имеют преимущество перед смесью SiCU-|-H2, поэтому гетероэпитаксию часто осуществляют гидридным методом. Поверхность сапфировых подложек подвергают шлифовке, поли- ровке и УЗ-очистке. В реакторе сапфировую пластину помещают на алундовый держатель, расположенный на кремниевом держате- ле, нагреваемом высокочастотным индуктором. При Т— 1200-=- -=-1500°С производят газовое травление и полировку сапфировых подложек хлористым водородом, в процессе которых удаляют по- верхностные загрязнения и дефекты. Затем подложки очищают, прогревая их в потоке водорода при 1200—1300° С в течение 10— 20 мин. В последнее время в связи с возросшим качеством меха- нической обработки и химической отмывки используют только отжиг в водороде при 1100—1200° С или в сильно разбавленной смеси моносилана с водородом в течение 10—20 мин. Газовое трав- ление сапфира в этих случаях описывается реакциями 2Н2 + А12О3 — А12О|+2Н2О 2Si 4-А12О3 — А12О|+2S1O Скорость травления сапфира в водороде составляет около 0,003 мкм/мин при 1200° С и 0,3 мкм/мин при 1650° С. Для удаления нарушенного слоя стравливают около 3 мкм. Режимы гетероэпи- таксиального осаждения обычно отличаются от режимов автоэпи- таксии кремния. Для снижения уровня автолегирования слоев ато- мами подложки применяют более низкие температуры осаждения и более высокие скорости роста. Оптимальные температуры гетеро- эпитаксиального наращивания гидридным методом составляют 1000—1100° С. Скорости роста колеблются в пределах 0,3— 10 мкм/мин, толщины эпитаксиальных слоев составляют обычно 0,5—2 мкм. Применение твердого раствора MgO—А12О3 в качестве матери- ала подложек для наращивания гетероэпитаксиальных слоев крем- ния имеет некоторые преимущества перед применением сапфира. Кристаллические решетки и коэффициенты термического расшире- ния у шпинели и кремния согласуются лучше, чем у сапфира и кремния. Используют шпинели с соотношением компонентов MgO : А12О3 от 1 : 1 до 1 :3,5. При кристаллизации кремния на плос- костях шпинели (100), (НО), (111) слои кремния имеют параллель- ную ориентацию (100), (НО), (111) соответственно. Перед наращи- ванием подложки отжигают в водороде при 1200° С. Осаждение кремния производят из смеси моносилана с водородом при 1100° С. Уровень автолегирования кремния при использовании подложек из шпинели на порядок ниже, чем в случае сапфировых подложек. Основными структурными несовершенствами в слоях являются де- фекты, обусловленные смещением атома из узла при росте. Монокристаллические оксидные подложки обладают более низ- кой симметрией, чем кремний. На таких подложках могут возни- кать несколько эквивалентных эпитаксиальных ориентаций и раз- личные типы структурных дефектов. Ухудшение структуры гетеро- 4—210 97
эпитаксиальных слоев по сравнению с автоэпитаксиальными про- исходит под действием следующих факторов: несоответствие типов кристаллических решеток слоя и подложки, взаимодействие между подложкой и газовыми смесями, автолегирование слоя атомами подложки, различие в ТК.Р подложки и слоя. Гетероэпитаксиаль- ные слои кремния на сапфире содержат дислокации, плотность ко- торых доходит до 2-Ю8 см~2. В результате попадания атомов А1 из подложки в эпитаксиальный слой образуется область с электропро- водностью p-типа. Уровень легирования растущего слоя атомами А1 зависит от температуры наращивания слоя (табл. 6.2). Таблица 6.2 Тнп подложки Концентрация акцепторов, см-3, при температуре, °C 1030 110Q 1150 1200 А12О3 MgO-3,5Al2O3 3 • Ю14 10” 7-НО15 10” 9-10” 7-10” 5-Ю17 10” Концентрация акцепторов в слое минимальна при 1050° С. В сла- болегированных слоях концентрация примесей и подвижность но- сителей заряда зависят от толщины слоя: для концентрации ак- цепторов 1016 см-3 подвижность дырок возрастает от 70 до 120 см2/(В-с) с ростом толщины слоя от 0,2 до 2 мкм, а при толщи- не 6 мкм она достигает 330 см2/(В-с), как и в слитках. Подвиж- ность носителей заряда в слоях на шпинели выше, чем в КНС- структурах, вследствие более совершенной структуры. Значитель- ное снижение подвижности носителей заряда в тонких слоях по сравнению с подвижностью в слитках связано с рассеянием не только на структурных дефектах, но и на комплексах А1—О—Si и SiO4. Плотность этих дефектов в гетероэпитаксиальных слоях значительно возрастает вблизи границы раздела. Несмотря на на- личие данных несовершенств, в ряде случаев удается получить в тонких слоях подвижность дырок 225 см2/(В-с), что указывает на высокое кристаллическое совершенство слоя. В структурах КНС получают слои с электропроводностью п- и p-типа и с удельным со- противлением 0,1—20 Ом-см. Для изготовления МОП КНС ИМС используют гетероэпитаксиальные слои кремния с ориентацией (100) и толщиной 0,5—1 мкм. Эпитаксия германия. Интерес к эпитаксии германия вызван воз- можностью создания германиевых малошумящих СВЧ-транзисто- ров и ИМС, работающих эффективнее кремниевых микросхем при низких температурах. Наиболее освоен и изучен хлоридный метод наращивания эпитаксиальных слоев германия. Осаждение произво- дят при 7'=800°С и концентрации тетрахлорида германия око- ло 0,2%. Оптимальное значение скорости потока смеси зависит от способа ее подачи, конструкции реактора и составляет обычно не более 20 см/с. При температурах менее 600° С и высоких концентра- циях тетрахлорида эпитаксиальные слои приобретают шероховатую 98
поверхность с характерными фигурами роста. Скорость роста при 800° С составляет 0,5 мкм/мин. При наращивании германиевых эпитаксиальных слоев гидрид- ным методом с помощью пиролиза моногермана GeH4 в атмосфере водорода оптимальная температура близка к 700° С, концентрация моногермана 0,1—0,2%. Скорость роста увеличивается с ростом температуры вплоть до 800° С, а затем немного уменьшается вслед- ствие разложения моногермана в газовой фазе. Для предотвраще- ния газофазного разложения GeH4 применяют высокие скорости потока газа. Хлоридный метод наращивания эпитаксиальных слоев используется чаще, чем гидридный. Наилучшие по качеству слои получены хлоридным методом. Промышленностью выпускается до- статочно чистый тетрахлорид германия, позволяющий получать эпитаксиальные слои с удельным сопротивлением свыше 15 Ом-см. Рассмотрим также менее употребительный метод, основанный на реакции диспропорционирования в ампуле или закрытой трубе. В трубе находится тетраиодид германия Gel4. В зоне источника температура составляет 550—700° С. Здесь тетраиодид реагирует с пластиной германия—'источником вещества — и превращается в дииодид: GeI4-j-Ge->2GeI2. Дииодид диффундирует во вторую зо- ну, где помещены германиевые подложки. Температура здесь со- ставляет 300—400° С. При таких температурах дииодид не может существовать и происходит реакция диспропорционирования (не- соответствия): 2Qel2— Qel44-Ge Германий осаждается на подложках, а пары тетраиодида диффун- дируют в зону источника, и цикл повторяется вновь. Легирование эпитаксиальных структур. Чтобы получить эпитак- сиальные слои с заданным удельным сопротивлением, необходимо ввести в твердую фазу строго определенное количество примеси. Для введения примеси в процессе эпитаксии используют летучие соединения элементов III и V групп. Наиболее пригодными из них являются галогениды, чаще всего хлориды, и гидриды соответству- ющих элементов, в составе молекул которых помимо атомов основ- ного легирующего элемента содержится только хлор или водород. Такими веществами являются галогениды (РС13, AsCl3, SbCl3, SbCU, ВС13, ВВг3) и гидриды (РН3 — фосфин, AsH3—арсин, В2Н6— ди- боран, SbH3 — стибин). Реакции легирования с участием галогени- дов и гидридов можно записать в общем виде: ХС13+(3/2) Н2 X (г) +ЗНС1 XH35t Х(г)+(3/2) Н2 X(r)5t Х(тв) При легировании кремния донорными примесями равновесие этих реакций сильно сдвинуто вправо — происходит практически полное превращение примесного соединения. 4 99
Различают следующие основные методы легирования эпитакси- альных слоев: газовых смесей, жидких лигатур и газового разряда. В методе газовых смесей источником примеси является разбавлен- ная смесь инертного газа с летучим гидридом легирующего эле- мента при содержании гидрида 10~2—10~4% по объему. Метод по- зволяет осуществлять слабое легирование растущих слоев. Газовые смеси из 0,01% AsH3 с аргоном или 0,01% В2Н6 с аргоном впуска- ют в поток водорода, идущего в камеру, что обеспечивает дополни- тельное разбавление концентрации смеси и хорошую управляемость уровнем концентрации в слое. В методе жидких лигатур в качестве источника легирующей при- меси используют разбавленный раствор жидкого соединения этой примеси в жидком соединении — источнике осаждаемого полупро- водникового материала, чаще всего SiCl4 или GeCl4. Основной объ- ем выпуска эпитаксиальных структур составляют слои кремния с удельным сопротивлением 0,1—10 Ом-см, что соответствует атом- ной доле фосфора в кремнии 10~6—10-8, которая легко обеспечива- ется жидкостным легированием. Этот метод удобен тем, что фикси- рует заданное соотношение концентраций примеси и основного ве- щества как в жидкой, так и в газовой фазах независимо от расхода газа-носителя через испаритель. Обычно требуемая концентрация примеси невелика, поэтому в методе жидких лигатур используют многократное разбавление, в результате которого получают раство- ры с относительным содержанием примеси 10-9—10-2, что обеспе- чивает уровень легирования 1014—1019 см-3. На рис. 6.4 приведены зависимости удельного сопротивления монокристаллов кремния, германия и арсенида галлия с электро- проводностью п- и p-типа от концентрации легирующей примеси. Эти кривые справедливы также для эпитаксиальных слоев. Точный расчет концентрации примеси в жидкой фазе, необходимой для получения слоя с заданным удельным сопротивлением, затруднен, поэтому на практике используют эмпирические соотношения. На- пример, при легировании из раствора РС13 в тетрахлориде крем- ния Сд = 2,6-1020ppci3/psici4 см-3, где ppci3/psici4—отношение парциальных давлений паров хлоридов фосфора и кремния. Следует учитывать, однако, изменение концен- трации примеси в тетрахлориде по мере его расходования вслед- ствие различия в парциальных давлениях паров. Перспективным методом управления концентрацией примеси в эпитаксиальном слое при выращивании является электроискровое легирование, или метод газового разряда. В этом случае из твердых веществ приготавливают электроды, которые помещают в реактор. Между электродами создают искровой разряд, в процессе которого происходит распыление электродов. Образовавшиеся частицы ле- гирующего вещества переносятся потоком газовой смеси или водо- рода к подложке. В качестве материала электродов для получения слоев кремния с электропроводностью n-типа используют сурьму, 100
сплав Sb+O,l%P или Sb+l%As, а также GaP, GaAs или InSb. При распылении в газовом искровом разряде эти вещества разла- гаются, причем Р, As и Sb образуют гидриды, соединяясь с водоро- Рис. 6.4. Зависимость удельного сопротивления Si, Ge и GaAs от концентра- ции примесн дом, протекающим между электродами. В зоне подложек гидриды распадаются и примеси входят в растущий слой кремния. Галлий не образует гидридов и уносится с потоком водорода из камеры. Для получения эпитаксиальных слоев с электропроводностью р-ти- па используют электроды из борида лантана LaB6, борида алюми- ния A!Bi2, карбида бора В4С. При этом бор образует с водородом диборан. Концентрацию вводимых в газовую фазу примесей изме- няют, регулируя частоту искрового разряда. § 6.3. Технологические особенности эпитаксии полупроводниковых соединений типа AinBv Области применения химических соединений типа AUIBV непрерыв- но расширяются. В настоящее время их используют в оптоэлектро- нике для создания систем отображения информации, источников и приемников излучения, полупроводниковых лазеров и др. Во всех 101
Н2+НС1 Н2 PH3+AsH3+H2+Zn(H2S) 2 Рис. 6.5. Схема вертикального реактора для получения твердых растворов GaAs^xPx: 1 — зона источника паров; 2 — зона смешивания паров; 3 — зона осаждения о типах перечисленных изделий активная полупроводниковая струк- тура содержит, как правило, минимум два авто- или гетероэпитак- сиальных слоя. Синтез полупроводниковых соединений типа AHIBV и их твер- дых растворов непосредственно из элементов осложняется сочета- нием высоких температур их плавления и давлений па- ров. При нагреве на воздухе свыше 300°С арсенид галлия окисляется, а начиная с 600°С — разлагается с выде- лением мышьяка, давление паров которого при темпера- туре плавления составляет Ю5 Па. Давление паров фосфо- ра в точке плавления GaP составляет 3,5-106 Па. Рас- плавленные GaAs и GaP очень активны и взаимодей- ствуют со всеми известными контейнерными материала- ми. Синтетический кварц, используемый в технологии получения монокристаллов AniBv, загрязняет расплав GaAs кремнием. Многие отмеченные трудности устраняются при выращивании соединений типа AHIBV в виде эпитаксиальных слоев из паровой фазы при температурах ниже температуры плавления соединения. Среди вариантов осаждения соединений типа AHIBV из газовой фа- зы или парогазовых смесей наиболее широкое применение нашел метод химических транспортных реакций в проточной системе. Он обладает большой гибкостью и управляемостью, пригоден для син- теза слоев из материалов со значительно отличающимися свойст- вами компонентов. Использование газообразных исходных реаген- тов позволяет уменьшить флуктуации состава соединений, полу- чать кристаллы с высокой гомогенностью. Отличительной чертой метода является возможность постепенного изменения состава растущего слоя по мере удаления от подложки. Это уменьшает напряжения, возникающие из-за различия параметров решеток под- ложки и растущего слоя. Имеется также возможность создания многослойных структур. Для соединений типа AniBv, как и при эпитаксии кремния и германия, используют гидридные и хлоридные методы. В гидридных методах элементы полупроводникового соединения транспортиру- ются к подложке в виде газообразных соединений водорода: арси- на AsH3, фосфина РНз и др. На рис. 6.5 показан вертикальный ре- актор, используемый для получения твердых растворов арсенида- фосфида галлия различных составов от х=0 до х=1. 102
Вертикальный реактор обеспечивает высокую однородность газо- и термодинамических условий при росте эпитаксиальных слоев. Для получения твердых растворов арсенида-фосфида галлия с со- ставами используют фосфин и арсин, которые поступают в реактор сверху в потоке водорода. В эти же смеси добавляют пар или газ, включающий легирующие вещества, например цинк для выращивания слоев с электропроводностью p-типа или серни- стый водород для получения слоев n-типа. Также сверху через от- дельный ввод пропускают смесь хлористого водорода с водородом, который, проходя через резервуар с расплавленным галлием, обра- зует хлорид галлия: Ga+HCl — GaCl +(1/2) Н2 Для получения воспроизводимых результатов необходимо, чтобы ‘ объем и протяженность каждой зоны, а также температурные ус- ловия и скорости газовых потоков в них обеспечивали образование смесей необходимого состава и постоянной концентрации. Хлорид галлия, арсин и фосфин взаимодействуют в реакторе, в результате чего на подложках осаждается эпитаксиальный слой твердого рас- твора. Реакция осаждения имеет вид GaCl (г) + (1/3)МН3 (г) + (1/6) Мг (г) {-(1/12) М4 (г) GaM (г) + НС1 (г), где М—атом As или Р, так как при наличии смеси гидридов AsH3+PH3 оба соединения вступают в реакцию с хлористым гал- лием. Состав твердого раствора GaAsxPi-x изменяется в зависимо- сти от температуры осаждения. Эпитаксиальные слои, осажденные при более низкой температуре, содержат фосфор в меньшем коли- честве, чем слои, осажденные при температуре 700—800° С. Заме- тим, что в данном методе вследствие отсутствия гидридов галлия используют хлорид галлия и более точно этот метод называют гидридно-хлоридным. Скорость роста твердых растворов GaAsP изменяется с темпера- турой немонотонно. С уменьшением температуры возрастает пере- сыщение паровой фазы и скорость роста стремится возрасти. Одна- ко протекание конкурирующих процессов поглощения GaCl и М на поверхностях реактора ведет к снижению скорости роста. Слои, по- лученные при температурах ниже 700°С, имеют несовершенную структуру. Скорость роста твердых растворов GaAsP может ме- няться в пределах 0,1 —10 мкм/мин, толщина достигает 500 мкм в случае осаждения на подложках из GaAs. Перспективным методом получения соединений и твердых рас- творов типа AHIBV является пиролиз с использованием металло- органических соединений: Ga (СН3)3+(1 - х) AsH3+хРН3= GaAs^^P^+ЗСН4 Соотношение между мольными долями арсина и фосфина в га- зовой фазе и составом твердой фазы близко к единице во всем 103
диапазоне составов. Температурный диапазон осаждения 600— 900° С, оптимальной является температура 750° С. Скорость роста при изменении состава от х=0 до х=0,2 резко падает, а при даль- нейшем возрастании х меняется медленно. Соотношение между скоростями роста чистых GaAs и GaP равно 3. Рассмотрим гидридно-хлоридный метод эпитаксии в горизон- тальном реакторе для получения твердых растворов GaxAh-xAs, Рис. 6.6. Схема горизонтального реактора для получения твердых рас- - ; творов GaxAp-xAs, GaxIni-xP и др. GaJrii-xP и др. (рис. 6.6). Сосуд с расплавленным галлием поме- ! щают в зону источника 1, где поддерживают температуру от 700 до 1000° С. В другую температурную зону помещают сосуд с расплав- ленным алюминием. Через жидкие металлы пропускают смесь из водорода с 0,1 —10% хлористого водорода. Хлористый водород об- : разует летучие хлориды галлия и алюминия, которые переносятся потоком газов в зону смешивания паров 2, где поддерживается бо- лее высокая температура. Сюда же подают арсин. Смесь паров и газов перемещается в зону осаждения 3, в которой температуру подбирают такой, чтобы гидриды и хлориды вступали в реакцию, приводящую к осаждению на подложке из GaAs или GaP твердого раствора GaxAli_xAs. Легирование осуществляют с помощью паров цинка или сернистого водорода. Для получения соединения GaxIni_xP вместо алюминия берут индий, а вместо арсина подают фосфин. Арсенид-фосфид галлия GaAsPj-x получают, как и в вертикальном реакторе, вводя смесь арсина и фосфииа. Для повышения эффективности люминесценции добавляют пары гидрида азота, из которого атомы азота попадают 1 в твердый раствор. Для наращивания эпитаксиальных структур арсенида-фосфида галлия любого состава, а также других полупроводниковых соеди- j нений и твердых растворов гидридным и гидридно-хлоридным ме- * тодами применяют установку «Эпитрон-С1». Вертикальный реактор позволяет производить наращивание одновременно на 32 подложки 104
диаметром до 40 мм при двухъярусной загрузке. В объеме реактора имеется несколько температурных зон, нагрев осуществляется то- ками высокой частоты, процесс наращивания автоматизирован. Система газоснабжения реактора имеет семь каналов, обеспечива- ющих дозирование газов: Н2, N2, AsH3, РН3, NH3, НС1, диэтилтел- лура. В процессе роста эпитаксиального слоя используется преци- зионное программируемое расходование газовых реагентов. Закономерности эпитаксии из жидкой фазы. Метод жидкофаз- ной эпитаксии для осаждения слоев полупроводниковых соедине- а— исходное положение; б — переливка раствора; в — рабочее положе- ние ний типа AHIBV является в ряде случаев наиболее эффективным. Он преобладает, например, при получении структур светоизлуча- ющих приборов на фосфиде галлия, легированных азотом, так как позволяет получать более высокую эффективность люминесценции по сравнению с газофазными методами. Жидкофазная эпитаксия — это ориентированная кристаллизация монокристаллического слоя полупроводникового материала из растворов этого материала в расплавленных металлах. Пусть мы имеем раствор-расплав, насы- щенный полупроводниковым материалом. В расплав погружают подложку из того же полупроводникового материала. При последу- ющем охлаждении вследствие пересыщения раствора-расплава по- лупроводниковым материалом на подложке происходит кристалли- зация эпитаксиального слоя. По аппаратурному оформлению все технологические варианты жидкофазной эпитаксии делят на открытые и закрытые. Закрытые проводят в отпаянной ампуле, открытые — в токе инертного газа или восстановительной среде. Наиболее широкое распространение получили открытые процессы. Основным способом создания пере- сыщения является принудительное охлаждение раствора-расплава. В основе большинства приспособлений для проведения процес- са эпитаксии в жидкой фазе лежит устройство, в котором заливка и удаление раствора с подложек осуществляются наклоном кассе- ты (рис. 6.7). В исходном положении в одной половине кассеты на- ходится раствор-расплав, в другой — подложки (рис. 6.7, а). По достижении требуемой температуры выращивания кассета дважды поворачивается (рис. 6.7, б, в) и расплав покрывает подложки. Мощность нагрева печи уменьшают, регулируя ее так, чтобы полу- 105
чить соответствующую скорость охлаждения. Рост соединения про- исходит при медленном охлаждении. Состав расплава подбирают таким образом, чтобы до контакта с подложкой он был равновес- ным или близким к равновесию. В последнем случае при контакти- ровании с подложками происходит частичное их растворение, бла- годаря чему удаляются поверхностные нарушения и при последу- ющем охлаждении печи эпитаксиальная рекристаллизация проис- ходит на более совершенной поверхности подложки. Толщину эпи- таксиального слоя задают изменением температурного диапазона, в котором происходит охлаждение расплава, и скоростью охлаж- дения. Раствор находится в контакте с подложками до тех пор, пока не произойдет изменение температуры в заданном диапазоне, после чего кассета возвращается в исходное положение (рис. 6.7, а) и расплав стекает с пластин. Остатки расплава (галлия), прилипшие к поверхности эпитаксиального слоя, удаляют обтиркой и травле- нием. Этим методом можно выращивать два слоя — сначала слой с электропроводностью n-типа, легированный серой или теллуром, а затем слой с электропроводностью p-типа из расплава, содержащего цинк. Используют две разновидности этого метода: перекомпенса- ция в расплаве и легирование из паровой фазы. В первом случае вслед за наращиванием n-слоя толщиной 15—20 мкм, когда рас- плав еще покрывает подложки и процесс роста продолжается, в расплав добавляют акцепторную примесь, чтобы перекомпенсиро- вать содержание донорной примеси. Такой способ позволяет вести непрерывный рост на п-слое p-слоя. Во втором случае слой распла- ва, покрывающий подложки, подбирают достаточно тонким. Леги- рование производят также при непрерывном выращивании слоя путем введения в реактор паров цинка или сернистого водорода. Сера и цинк диффундируют в расплаве, захватываются растущим соединением. Эти два способа называют выращиванием р-п-пере- хода «на месте», т. е. без перемещения подложки. Преимущества их состоят в том, что граница р-п-перехода не соприкасается с ат- мосферой, не требуется какой-либо промежуточной очистки поверх- ности и р-п-переход растет совершенным. В ряде случаев применяют неподвижную кассету с расплавом, а подложки закрепляют на держателях и погружают в расплав, вынимая их через требуемое время. Используют также кассеты в виде пенала с несколькими ячейками для расплава, под которыми перемещается вкладыш с подложками. Для повышения воспроиз- водимости результатов и лучшего управления процессом разрабо- тан метод жидкофазной эпитаксии, контролируемой электрическим током. Между подложкой, например из GaP, и такой же пластиной- источником располагается раствор-расплав. Источник, как правило, служит катодом. При включении электрического тока параметры жидкой фазы и скорость роста принимают стационарное значение. Основной причиной кристаллизации является электроперенос ионов галлия и фосфора через расплав к подложке. Преимуществом жидкофазной эпитаксии, контролируемой электрическим током, яв- 106
ляется то, что средняя скорость роста слоя зависит от плотности тока. Это позволяет просто и точно управлять толщиной слоя, а изотермические условия роста дают возможность получить одно- родные по физическим свойствам эпитаксиальные слои. § 6.4. Дефекты в эпитаксиальных структурах Образование дислокаций в эпитаксиальных слоях. При эпитакси- альном росте воспроизводится морфология подложки, поэтому дис- локации, имевшиеся в пластине исходного полупроводника, пере- растают в эпитаксиальный слой. Плотность дислокаций в слое обычно превышает плотность дислокаций в подложке. Это обуслов- лено тем, что область вблизи раздела подложка — эпитаксиальный слой характеризуется наличием примесей, загрязнений и поверхно- стных дефектов, влияющих на совершенство растущего слоя и слу- жащих источником образования дислокаций. Плотность дислока- ций возрастает в направлении от поверхности эпитаксиального слоя к границе раздела слоя с подложкой. Граница раздела обладает повышенной плотностью дислокаций и в ней наблюдаются инород- ные включения, например хлоридов. Образование несовершенной промежуточной области с большой плотностью дислокаций зави- сит от состояния поверхности подложки. Для получения слоев с ма- лой плотностью дислокаций требуется тщательная механическая обработка, очистка поверхности пластин, химическое жидкостное или газовое травление. Если для наращивания используют бездислокационные подлож- ки и поверхность их тщательно обработана и очищена, то генера- ция дислокаций может происходить в результате действия термиче- ских и механических напряжений, возникающих на различных ста- диях тепловой обработки структур. Механические напряжения воз- никают при значительном различии в содержании легирующей примеси в подложке и растущем слое. При введении в кремний ато- мов бора или фосфора, которые имеют ковалентные радиусы, мень- шие, чем атомы кремния, параметр решетки уменьшается. При вве- дении атомов сурьмы — с большим ковалентным радиусом — на- блюдается обратный эффект. В процессе наращивания эпитакси- ального слоя из-за различия в параметрах решетки подложки и слоя возникают напряжения и структура изгибается. С увеличени- ем толщины эпитаксиального слоя изгиб возрастает до некоторого критического значения, после чего генерируются дислокации по- верхности раздела. Образование дислокаций поверхности раздела исключают, применяя легирование эпитаксиального слоя двумя примесями. Ковалентный радиус одной из них больше, чем у крем- ния, а у другой — меньше, чем у кремния. В этом случае постоян- ную решетки эпитаксиального слоя можно приблизить к постоян- ной решетки подложки. Компенсацию напряжений в решетке осу- ществляют, используя в качестве легирующих примесей бор или фосфор, а в качестве компенсирующей — германий или олово. В случае легирования сурьмой можно использовать фосфор или уг- J07
лерод и концентрация легирующих примесей может достигать без ущерба для структуры 1019—1020 см~3. Под действием напряжений, приложенных к кристаллу, проис- ходит скольжение дислокаций, если возникающая сила перпенди- кулярна линии дислокации. Взаимодействие между дислокациями снижает влияние напряжений, приложенных к кристаллу извне, и упрочняет кристалл. Примесные атомы, находящиеся в кристалле, притягиваются дислокациями и стремятся скопиться вокруг них, образуя так называемую атмосферу Коттреля, что приводит к мик- ронеоднородности в распределении легирующих примесей. Если атомный радиус примесей больше, чем у атомов кристалла, то, по- падая в область растяжения вблизи краевой дислокации, они уменьшают свободную энергию кристалла за счет уменьшения уп- ругой деформации. То же дают и атомы меньшего размеры в обла- сти сжатия. При высоких температурах атмосфера Коттреля рас- сасывается, а при более низких образуется вновь. Упругое поведение вакансий и междоузельных атомов вызывает их притяжение к краевым дислокациям. В результате точечный де- фект перемещается к дислокации и аннигилирует на ней, а ось дислокации переходит с одной плоскости скольжения на другую. Когда вакансия подходит к ступеньке, образованной лишней полу- плоскостью, ступенька смещается на одно межплоскостное расстоя- ние и вакансия исчезает. При поглощении междоузельных атомов ступенька смещается в противоположном направлении. Линия дислокации является поэтому местом стока для точечных дефектов. Она же служит основным источником генерации равновесных атом- ных дефектов. Атомы, расположенные вблизи линии дислокации, обладают по- вышенным по сравнению с ненарушенной частью кристалла химиче- ским потенциалом, поэтому растворение и испарение кристалла начинаются с линий дислокаций. Присутствие примесей вблизи дислокаций повышает или понижает среднее значение химического потенциала и соответственно увеличивает или уменьшает скорость травления. Дефекты упаковки. Рост монокристаллического эпитаксиально- го слоя состоит из зарождения центров кристаллизации, присоеди- нения атомов к этим центрам, бокового роста и соединения отдель- ных плоских образований в единое целое. Если какой-либо атом выдвигается из своего слоя, то он служит исходной точкой разви- тия дефекта упаковки, ибо окружающие его атомы в процессе по- следующего роста также будут сдвинуты относительно моноатом- ных слоев всего объема. Дефекты упаковки на поверхности эпитак- сиального слоя образуют плоские фигуры в виде равносторонних или равнобедренных треугольников, квадратов, прямых линий, не- замкнутых треугольников и квадратов. Иногда образуются слож- ные формы: комбинации треугольников и линий, квадратов и ли- ний. В конце каждой линии присутствует дислокация. Форма де- фектов упаковки зависит от кристаллографической ориентации эпитаксиального слоя. В слоях, выращенных на подложках, ко- 108
торые ориентированы по плоскости (111), дефекты упаковки про- являются в виде равносторонних треугольников и отдельных углов. На слоях с ориентацией (110) возникают равнобедренные треуголь- ники, на плоскости (100)—квадраты и их комбинации. Линии скольжения. Причина появления линий скольжения — термические упругие напряжения, возникающие вследствие неодно- родного распределения температуры по толщине и площади пласти- ны. При температурах наращивания упругие напряжения оказыва- ются достаточными для генерации дислокаций и их миграции, ко- торая сопровождается пластическим течением кристалла и обра- зованием линий скольжения. Если при пластической деформации на поверхности подложки возникают ступеньки, то при наращива- нии эпитаксиального слоя на них могут образовываться дефекты упаковки. При достаточно высоких термических напряжениях ге- нерация и движение дислокаций, образование линий скольжения и дефектов упаковки происходят в течение всего процесса наращи- вания. Используемые для эпитаксии подложки иногда имеют кривизну в несколько десятков микрометров. Изгиб подложек возрастает при снижении их толщины до 200 мкм и менее, а также при различ- ной механической обработке рабочей и обратной сторон пластины. Более вероятно появление изгиба у подложек, диаметр которых превышает 50 мм. Характерным является сферический изгиб пла- стин, причем эпитаксиальный слой оказывается на вогнутой сто- роне. Отсутствие хорошего теплового контакта с поверхностью на- гревателя вызывает неоднородное распределение температуры в подложке. Даже плоская, абсолютно ровная подложка, лежащая на нагревателе, будет искривляться при нагреве, так как ее наруж- ная (верхняя) сторона оказывается менее нагретой, чем нижняя. Перепад температур по толщине подложки составляет 20—50 К. Напряжения, возникающие в изогнутой и неоднородно нагретой подложке, достаточны для образования и перемещения дислокаций и сдвига плоскостей {111} в направлениях < 110> при скольжении. Линии скольжения, расположенные в центральной части пластины, видны без химической обработки. Эта область выглядит матовой. Отдельные линии представляют собой ступеньки, возникшие в ре- зультате действия сжимающих напряжений на центральную об- ласть пластины. Предотвращению появления линий скольжения способствует уменьшение температуры процесса ниже того уровня, при котором происходит пластическое течение (для кремния это 1000°С), а также использование бездислокационных подложек и тщательная химическая полировка. § 6.5. Методы контроля эпитаксиальных слоев Основными параметрами, определяющими пригодность эпитакси- ального слоя для использования при изготовлении полупроводнико- вых приборов и интегральных микросхем, являются концентрация носителей заряда, плотность дефектов и толщина слоя. Толщину 109
слоя на кремнии измеряют, используя технику поперечных шлифов (см. § 5.3), с помощью поперечного скола, по интерференции ИК-лучей и путем наблюдения дефектов упаковки. Изготовление поперечного скола. Этот способ получил распро- странение для хрупких материалов, таких, как соединения типа A1UBV и их твердые растворы. Пластину с выращенным эпитакси- альным слоем помещают на ровную поверхность и легким нажати- ем пинцета или скальпеля на ее край откалывают кусочек. Скалы- вание происходит по плоскости спайности, поэтому, отступив от грани скола по краю пластины на 1—2 мм, делают еще одно ска- лывание— параллельно предыдущему. Полученный образец — по- перечный скол — представляет собой длинную полоску шириной 1—2 мм и толщиной, равной толщине пластины. Для выявления границы слой — подложка, а также р-н-перехо- да, если он присутствует в слое, поперечный скол травят в щелоч- ном растворе красной кровяной соли: 20 (г) K3Fe (СН6)3+30 (г) КОН +250 (г) Н2О в течение 1—2 мин. Этот состав пригоден для соединения GaAsi-xPx- Граница эпитаксиальный слой — подложка выявляется в виде тем- ной полосы. Измерение толщины эпитаксиального слоя производят с помощью микроскопа МИМ.-7 с микрометрической насадкой. Интерференция ИК-лучей. Отражение инфракрасных лучей в диапазоне длин волн 10—35 мкм происходит не только от поверх- ности пластины, но и от границы раздела эпитаксиальный слой — подложка вследствие различия показателей преломления, подлож- ки и слоя, содержащих различную концентрацию примесей. По кар- тине интерференции отраженных лучей можно судить о толщине слоя. Надежные данные получают, если сопротивление слоя выше 0,1 Ом-см, а сопротивление подложки ниже 0,02 Ом-см. С увеличе- нием концентрации примеси в слое возрастает поглощение ИК-лу- чей, тогда как с уменьшением концентрации примеси в подложке растет пропускание ею лучей и уменьшается их отражение на гра- нице. Разность хода лучей 6, отраженных на поверхности слоя и на границе подложка — слой, определяется толщиной слоя h, показа- телем его преломления а и углом преломления ср: 8 = 2а/г cos ?. Наблюдая интерференционную картину и измеряя разность хода, вычисляют толщину эпитаксиального слоя. Неоднородность слоя по толщине или размытие распределения примеси на границе подложка — слой приводит к ухудшению контраста интерференци- онной картины. Наблюдение дефектов упаковки. Так как дефекты упаковки за- рождаются преимущественно на границе раздела слоя и подложки и образуют правильные тетраэдры, то высота этих тетраэдров рав- на толщине слоя. При ориентации подложки по плоскости (111) НО
основанием тетраэдров является равносторонний треугольник, а высота тетраэдра A = Z/2/3=0,8I6Z, где L — длина стороны равностороннего треугольника. Для других типов ориентации можно найти аналогичные выра- жения. Выявление дефектов упаковки в кремнии производят путем травления в смесях: 40 см3 HF, 20cmAHNO3, 40 см3 Н2О, 20 г AgNO3 или 30 см3 HNO3, 120 см3 СН3СООН, 10 см3 HF. Рис. 6.8. Схема рентге- новского микроанализа- тора Травление ведется 5—20 с. Этим же методом исследуют плот- ность дефектов упаковки на единице площади поверхности слоя. Рентгеновский микроанализ. В последние годы все шире ис- пользуют метод локального рентгеноспектрального анализа эле- ментного состава полупроводников с помощью микроанализаторов, в которых возбуждение характеристического рентгеновского излу- чения осуществляют острофокусированным электронным пучком. При торможении электронов в веществе возникают тормозное и характеристическое излучения. Тормозное излучение электронов имеет сплошной спектр, тогда как характеристическое состоит из отдельных линейчатых спектров, испускаемых атомами вещества. Частота характеристического излучения зависит от атомного номе- ра элемента мишени, поэтому на основании линейчатых спектров характеристического излучения можно определить, какие элементы присутствуют в мишени. На рис. 6.8 представлена схема установ- ки для рентгеновского микроанализа. Электроны эмиттируются ка- тодом 1 и ускоряются в электронной пуш- ке 2 до энергии 10—30 кэВ. Конденсорная магнитная линза 3, диафрагма 4 и объект- ная линза 6 служат для формирования уз- кого пучка электронов 5, попадающего на исследуемый образец 8. Для идентификации рентгеновского излучения 9 по длине волны используют два типа спектрометров: с кри- сталлами слюды для мягкого излучения — 7 и кварца для жесткого —10. Большие меж- плоскостные расстояния кристалла слюды позволяют пропускать длины волн 0,4— 20 нм (энергия излучаемых квантов 4— 0,8 кэВ соответственно), тогда как малые межплоскостные расстояния кварца пропу- - скают длины волн 0,08—0,5 нм (энергия квантов 15—3 кэВ). Анализатор может работать в статиче- ском режиме и в режиме сканирования, что ' 111
позволяет получать топограмму распределения примесей вдоль по- верхности образца. Для оценки концентрации исследуемого примес- ного элемента в полупроводниковой структуре сравнивают интен- сивность соответствующей линии характеристического излучения в данном кристалле с интенсивностью той же линии в эталоне, на- пример в чистом элементе с учетом поправок на поглощение рент- геновского излучения, на различие в поглощении компонентами со- единения, на флуоресцентное возбуждение и возбуждение атомов тормозным излучением. Чувствительность метода для большинства элементов составляет 1018—1019 см-3. Ток в электронном пучке составляет 0,01—1 мкА. С увеличени- ем тока растет диаметр электронного зонда. При 0,01 мкА он со- ставляет 0,4 мкм, при 0,1 мкА—1 мкм, при 1 мкА —2 мкм, при 20 мкА— 10 мкм. Вследствие рассеяния электронов область воз- буждения- рентгеновского излучения будет превышать диаметр зонда. Микроанализ на все элементы периодической системы начи- ная с Be (Z = 4, Л4=9) требует работы в диапазоне длин волн 0,1—10 нм. Глава 7 ЗАЩИТНЫЕ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПЛЕНКИ В ПЛАНАРНОЙ ТЕХНОЛОГИИ § 7.1. Требования, предъявляемые к защитным диэлектрическим пленкам Защитные диэлектрические пленки играют важную роль в изготов- лении полупроводниковых приборов и интегральных микросхем по планарной технологии. Они дают возможность проводить локаль- ную диффузию донорной и акцепторной примеси, формировать изо- лированные друг от друга активные и пассивные элементы микро- схем, а также защищать р-п-переходы от внешних воздействий. Поэтому к защитным диэлектрическим пленкам в планарной технологии предъявляют следующие основные требования: полная защита поверхности исходной подложки от проникновения в нее диффундирующих элементов (бора, фосфора, сурьмы, мышьяка и др.); химическая стойкость и стабильность во времени; однород- ность и бездефектность; высокие удельное сопротивление и элек- трическая прочность; высокая механическая прочность. Выбор вещества для получения защитных диэлектрических пле- нок лимитируется полным выполнением этих требований. Таким образом, изыскать универсальное вещество для создания защитной диэлектрической пленки, удовлетворяющей требованиям планар- ной технологии, очень трудно. В качестве исходных материалов для изготовления защитных диэлектрических пленок могут быть использованы кварц, моноок- сид и диоксид кремния, нитрид кремния, оксид и нитрид алюминия, 112
нитрид бора и др. Однако в настоящее время широкое промышлен- ное применение нашли только два вида материалов: диоксид и нит- рид кремния. § 7.2. Кинетика термического окисления кремния Наиболее распространенным в планарной технологии изготовления полупроводниковых приборов и интегральных микросхем является метод термического окисления кремния, при котором защитные ди- электрические пленки S1O2 получают при нагревании исходных кремниевых подложек в окислительной среде. Этот метод позволяет получать высококачественные маскиру- ющие пленки, равномерные по толщине и структуре и обладающие высокими защитными и диэлектрическими свой- ствами. Рассмотрим кинетику процесса об- разования защитной диэлектрической пленки SiC>2 при термическом окисле- нии кремния в атмосфере кислорода. Для описания процесса термического окисления введем понятие «поток окис- лителя», под которым будем понимать количество молекул окислителя, пере- Рис. 7.1. Модель процесса тер- мического окисления кремния секающих единицу поверхности подложки в единицу времени. На рис. 7.1 показана модель процесса термического окисления кремния, представляющая собой систему окислитель (газ)—слой окисла (тв)—подложка кремния. Через эту систему проходит «поток окислителя», состоящий из четырех потоков, каждый из ко- торых соответствует одной из областей системы окружающая окис- лительная среда — подложка кремния. Как видно из рисунка, поток Fi соответствует газофазовому мас- сопереносу окислителя к поверхности подложки кремния. Так как на поверхности кремния всегда имеется тонкий слой оксида, то по- ток Fi в этом случае соответствует переносу окислителя к поверх- ности оксида. Этот перенос может осуществляться как за счет про- цесса диффузии, так и за счет принудительного перемещения с по- током газа-носителя или самого окислителя. Скорость переноса бу- дет зависеть от технологического режима процесса окисления. В промышленных условиях для процесса термического окисления кремния используют принудительный поток окислителя Fb прохо- дящий через рабочую камеру с определенной скоростью: /*' 1 — h\C^ — С2), где h—константа скорости процесса газообразного массопереноса окислителя; С\ — равновесная концентрация окислителя в объеме газовой фазы; С2— концентрация окислителя у поверхности оксида. Окислитель, дошедший до поверхности оксида, адсорбируется на этой поверхности и растворяется в ней. При этом между кон- 113
центрацией окислителя в газовой фазе и концентрацией окислителя, растворившегося в твердой фазе, устанавливается соотношение, определяемое коэффициентом распределения. Движущей силой процесса растворения окислителя в оксиде является градиент кон- центрации окислителя в системе газ — поверхность оксида. Поэтому поток окислителя F 2==8(С2— Сз)> где 6 — константа скорости процесса растворения окислителя в слое оксида; С3 — концентрация окислителя в слое оксида на границе с газовой фазой. Растворившийся в слое оксида окислитель будет диффундиро- вать от поверхности раздела газовая фаза — оксид к границе раз- дела оксид — подложка кремния. Поток окислителя F3 в этом слу- чае будет пропорционален разности концентраций на границах ок- сида и обратно пропорционален толщине слоя оксида. Таким обра- зом, поток окислителя FZ = D —, где D — коэффициент диффузии окислителя в оксиде; С4—концен- трация окислителя на границе оксид — подложка кремния; хо— толщина слоя оксида. Продиффундировавший через слой оксида окислитель подходит к границе оксид — кремний и вступает в реакцию с кремнием. В ре- зультате окисления кремния образуется новый слой оксида. Поток Fi характеризует скорость химической реакции окисле- ния, которая происходит на поверхности раздела оксид — кремний. Скорость окисления кремния пропорциональна концентрации окис- лителя, следовательно, F4=£C4, где k — константа скорости реакции окисления. Так как в установившемся режиме (при равновесии) все пото- ки равны, т. е. Fi=F2=F3—F4=F, то, решая уравнения для пото- ков совместно, можно получить выражение для суммарного потока окислителя с учетом всех входящих в отдельные потоки величин. При ламинарном потоке газа-носителя и окислителя распреде- ление концентрации окислителя у границы раздела газ — твердое тело можно условно заменить на линейное: Сг = аС2, где 0<а<1. При условии F2=Fi находим 8 (С2 - С8) = йС4 или Л = °2 . Из условия F3=F4 находим д ..Сз~с4 kC или kxo= Сз-С^ ' •Xq D С4 114
Складывая почленно эти выражения, получим зависимость С« от Ci (Ci = aC2): kx о । k । ।___ С3 С4 । С2 Cs । । ~ Ci С4 С ___ С2 ____________________С\/а______ 4 , k kx0 , k kx0 в £> в &D Подставляя значение С4 в выражение для потока F4, получим выражение для суммарного потока окислителя: Vе- ^т^с" 1+т+~ где &Эф — эффективная константа скорости процесса окисления. Если предположить, что на образование единичного объема ок- сида V в результате реакции окисления пошло N частиц окислите- ля, то скорость роста слоя оксида будет выражаться следующим уравнением: -^2- = Х —С ]/ dt Н ф — C,V —C-yD dx0 _______а________а dt / 1 fl \ ха [ 1 1 > ”7" + VI + "ТТ" I . + » L-C + хо \ к о ) D \ к о/ Введем обозначения: Л=2(1+-!-и B=2£Lc1VD, \ k 8 / а тогда dxp________________________ В dt А. 2xq Интегрируя обе части уравнения методом разделения перемен- ных, получим J (А -ф2хе) dx= § Bdf, или xo-]-Axo — Bt = O. Решая это квадратное уравнение, получим выражение для тол- щины оксида в функции времени: — A j А т /1 । z ~ Х° 2 2 |/ ' Л2/(4В) ’ 115
или 1 -^-=1/' 1-1—*---------------- А12 V 1 Л2/(4В) Рассмотрим два предельных случая процесса термического окис- Рис. 7.2. Зависимость толщины пленки SiOa от времени про- ведения процесса окисления кремния ления кремния. При большом времени окислительного процесса, когда ^>А2/(4В), получим / *0 \2_ t \ Д/2 / Л2/(4В) ’ 2 или xn—Bt. Таким образом, в этом предельном случае имеет место параболический за- кон процесса термического окисления. Коэффициент В рассматривается как константа скорости окисления. В другом предельном случае при относительно малом времени окисле- ния, т. е. при условии t<^A2/ (4В), по- лучим хо ~ I ( * 1. Л = А/ Л/2 2 Л2/(4В) )’ 0 Л На рис. 7.2 показаны общая зависимость толщины оксида от времени проведения процесса термического окисления и два ее предельных случая. § 7.3. Термическое окисление кремния в парах воды Для получения защитных диэлектрических пленок на кремнии ис- пользуют термическое окисление в парах воды высокой чистоты (порядка 10—20 МОм-см). Высокотемпературную реакцию крем- ния с водяным паром используют в том случае, когда количество пара не ограничивает скорость реакции. Для поддержания необхо- димого парциального давления водяных паров у поверхности крем- ниевых пластин воду подогревают. Структурное формирование пленки оксида происходит за счет диффузионного переноса воды через слой оксида к поверхности кремния. На структурное формирование пленки оксида оказывает влияние водород, образующийся в процессе реакции окисления й диффундирующий в глубь пластины. Так как коэффициент диффу- зии водорода (2-10~6 см2/с при 1050°С) значительно больше, чем коэффициент диффузии воды (9-10-10 см2/с при 1050°С), то образо- вание гидроксильных групп у границы раздела кремний — оксид объясняется наличием не только молекул воды, но и водорода. При температурах процесса окисления выше 1100° С образова- ние слоя оксида идет согласно параболическому закону и описыва- ется выражением x2=Bt. При температурах процесса ниже 1100° С 116
закон образования оксидного слоя отличается от параболического и имеет вид х^ -J- Ь^х=Ь4 • Чем ниже температура процесса окисления, тем ближе к линей- ному закон образования слоя оксида. Линейный характер роста оксидной пленки наблюдается в парах воды высокого давления (2,5-105—4,0-107 Па) при температуре 500—800° С. Рис. 7.3. Зависимость тол- щины пленки SiO2, выра- щенной в атмосфере водяно- го пара, от времени для температур, °C: 1 — 800; 2 — 700; 3 — 800; 4 — 900; 5 — 1000; 6— 1100; 7— 1200; 8 — 1300; 9 — 1400 Рост пленки оксида по линейному закону имеет место в том слу- чае, когда скорость окисления ограничена скоростью химической реакции на границе кремний — Оксид. На участке линейного роста скорость реакции зависит от количества свободных связей атомов кремния, которые могут реагировать с молекулами воды на грани- це раздела кремний— оксид. На рис. 7.3 приведена зависимость изменения толщины пленки оксида в атмосфере водяного пара от времени проведения процес- са для различных температур. Большое влияние на скорость роста оксидной пленки оказыва- ют ориентация подложки, тип электропроводности и концентрация примеси исходной подложки. Высокая концентрация примеси в подложке влияет либо на ско- рость реакции окисления на границе раздела кремний — оксид, либо на коэффициенты диффузии окислителей. Так, наличие в исходной подложке фосфора в первую очередь оказывает влияние на скорость реакции окисления. Поверхность кристалла с высокой концентра- цией фосфора окисляется значительно быстрее, чем слаболегиро- ванная поверхность. Это справедливо для низкотемпературного диапазона (600—1100°С). При термическом окислении растущий оксид оттесняет фосфор в глубь кристалла кремния и, таким образом, в оксидном слое кон- центрация фосфора весьма мала. Для бора картина обратная: рас- тущий оксид включает в себя большое количество бора, что приво- дит к ускорению диффузии окисляющих веществ. Поэтому кремний 117
с высокой концентрацией бора окисляется быстрее как в высоко- температурной, так и в низкотемпературной области. Скорость окисления в парах воды зависит от ориентации ис- ходной пластины кремния только в низкотемпературной области, где рост оксидной пленки не подчиняется параболическому закону. § 7.4. Термическое окисление кремния в сухом кислороде Отличием метода окисления в сухом кислороде от окисления в па- рах воды является то, что в первом случае веществом, диффунди- рующим сквозь растущую пленку оксида, является не вода, а ионы кислорода. Необходимо отметить, что коэффициент диффузии кис- Рис. 7.4. Зависимость толщины пленки SiO2, выращенной в атмосфере сухого кислорода, от времени для температур, °C: / — 700 ; 2 — 800; 3 — 900; 4—1000; 5—1100; 6 — 1200; 7 — 1300; в — 1400 лорода в пленке оксида (2,8-10~н см2/с при 1050°С) значительно меньше, чем у водорода и воды при тех же условиях. Поэтому скорость роста оксидной пленки в су- хом кислороде меньше, чем в парах воды. Так как в процессе обра- зования оксидных пленок от- сутствуют водород и > пары воды, то в структуре выра- щенного оксида нет гидро- ксильных групп (ОН). Высо- кая энергия активации про- цесса окисления кремния в сухом кислороде и отсутст- вие гидроксильных групп приводят к образованию прочных связей кислорода с кремнием в структуре полу- чаемого оксидного слоя кремния. Как и при окислении в парах воды, кинетика окисления в области низких температур оп- ределяется в большей мере скоростью реакции на границе раздела кремний — оксид, чем диффузией кислорода. Отклонение закона роста пленки оксида в сторону линейности обычно имеет место при температурах ниже 1000°С. На рис. 7.4 приведены графики зависимости изменения толщи- ны оксида в атмосфере сухого кислорода от времени проведения процесса окисления для различных температур. Процесс окисления кремния в сухом кислороде проводят на ус- тановке, показанной на рис. 7.5. В качестве осушителя используют вымораживающую ловушку, химический поглотитель или комбини- рованное устройство, позволяющее снизить содержание влаги в П8
кислороде до точки росы. Фильтр служит для удаления частиц пыли и механических загрязнений. Фильтр; 4— рабочая камера; печь; — пластины кремния; 7 —вытяжная вентиляция; S — увлажнитель; 9 — подогреватель § 7.5. Термическое окисление кремния во влажном кислороде Процесс окисления кремния во влажном кислороде представляет собой комбинацию двух ранее рассмотренных процессов окисле- ния: в парах воды и в сухом кислороде. Сухой и очищенный от при- месей кислород пропускают через водяную баню, где он насыщает- ся горячими водяными парами, и затем подают его в рабочую ка- меру. Содержание влаги в потоке кислорода определяется темпе- ратурой водяной бани и скоростью потока кислорода. Так как скорость образования оксидного слоя в парах воды значительно выше, чем в сухом кислороде, то скорость процесса окисления кремния зависит от содержания влаги в потоке кислоро- да. Процесс окисления кремния во влажном кислороде проводят на установке, показанной на рис. 7.5. Основным достоинством данного метода является то, что он по- зволяет легко изменять концентрацию паров воды в потоке кисло- рода и варьировать скорость окисления от значения, соответству- ющего 100%-ному содержанию кислорода, до значения, соответст- вующего 100%-ному содержанию паров воды. В данном методе в качестве окислителя служит смесь кислоро- да и паров воды, причем соотношение этих компонентов можно из- менять в широких пределах. Если необходимо иметь низкие скорости процесса окисления, то вместо кислорода можно использовать поток аргона или азота ^температура водяной бани должна быть комнатной). Энергия активации реакции окисления во влажном кислороде уменьшается с увеличением концентрации паров воды. Энергия ак- тивации лежит в диапазоне от 1,3 эВ, что соответствует процессу окисления в сухом кислороде, до 0,8 эВ, что соответствует процес- су окисления в атмосфере водяного пара. 119
На рис. 7.6 приведены графики зависимости толщины оксидной пленки, выращенной в атмосфере влажного кислорода при темпера- туре 1200° С, от времени проведения процесса окисления для раз- Рис. 7.6. Зависимость толщины пленки SiO2> выращенной в ат- мосфере влажного кислорода при температуре 1200°С, от времени для различных темпе- ратур водяного пара, °C: / — 15; 2 — 20; 3 — 30; 4 — 50; 5 — 80; 5 — 85; 7 — 95 личных температур водяного пара. В производстве полупроводниковых приборов и интегральных микросхем широкое применение нашли двух- и трехступенчатый способы термическо- го окисления кремния. Эти способы основаны на последовательном исполь- зовании в качестве окислителей сухого кислорода, влажного кислорода или во- дяного пара и снова сухого кислорода. Такой технологический процесс образо- вания защитной диэлектрической плен- ки оксида кремния вызван тем, что оксид, выращенный в атмосфере сухого кислорода, имеет более совершенную структуру пленки, но малую скорость ее роста, а выращенный в атмосфере влажного кислорода и паров воды име- ет менее совершенную структуру, но более высокую скорость роста. Поэтому первая стадия в сухом кис- роде многоступенчатого способа окис- ления направлена на получение тонкой пленки оксида кремния с совершенной структурой, вторая стадия (во влажном кислороде) применяется для убыстрения процесса окисления и наращивания достаточной по толщине пленки оксида, а третья стадия (в сухом кислороде) — вновь для получения совершенной структуры оксида на поверхности кремния. Предельная толщина термически выращенной пленки не превы- шает 1—1,5 мкм. Для практических целей планарной технологии толщина оксидных защитных пленок должна составлять 0,2— 0,8 мкм. Это продиктовано тем, что при использовании пленок тол- щиной более 0,8 мкм клин травления при проведении процесса фо- толитографии возрастает и ограничивает возможность получения микроизображения требуемого размера. При использовании пле- нок толщиной менее 0,2 мкм увеличивается вероятность появления в ней сквозных отверстий и пор, которые при диффузии приводят к локальному проникновению диффузанта в подложку. § 7.6. Пиролитическое осаждение оксидных пленок кремния Наиболее простым и технологичным способом образования оксидов кремния без участия материалов подложки является пиролитиче- ское разложение различных кремнийорганических соединений. Сле- довательно, этот способ дает возможность осаждать оксидные 120
пленки кремния на подложку практически из любого материала. Другим важным преимуществом данного способа является то, что он позволяет свести к минимуму перераспределение примесей, ко- торое имело место в исходной подложке, т. е. сохранить геометри- ческие размеры и электрические параметры активных и пассивных областей подложки. Третьим достоинством способа является более низкая температура процесса. Рассмотрим два варианта данного способа, которые нашли ши- рокое применение при изготовлении полупроводниковых приборов и интегральных микросхем. Термическое разложение тетраэто- ксисилана Si(OC2H5)4. Этот процесс может проводиться непосредственно над поверхностью подложки либо в от- дельной камере, из которой продукты реакции транспортируются к подложке. Реакция разложения тетраэтоксисила- яа происходит при температуре 700— 750°С. В результате реакции выделя- ются диоксид кремния, оксид кремния, •оксид углерода и органические радика- лы в газообразной форме. Источником кислорода в этой реакции служит сам тетраэтоксисилан, а не внешний источ- ник. На рис. 7.7 приведены графики за- висимости толщины пленки от времени Рис. 7.7. Зависимость толщины пленки SiO2, полученной при пиролизе, от времени для тем- ператур, °C: / — 700; 2 — 725: 3 — 750 проведения процесса. Если реакция разложения тетраэтоксисилана проводится в од- ной камере с подложкой, то температура подложки соответствует температуре пиролиза. Если реакция разложения проходит в одной камере, а подложки находятся в другой камере, то температура подложек может быть значительно снижена по сравнению с темпе- ратурой пиролиза. Окисление силана кислородом. Преимущество этой реакции пе- ред предыдущей заключается в том, что в этом случае не происхо- дит образования газообразных органических радикалов и углерода, а сама реакция идет при более низкой температуре. Окисление моносилана кислородом является перспективным методом в полупроводниковой технологии, так как он дает возмож- ность осаждать оксидные пленки кремния на интерметаллические соединения типа A!!IBV и A!1BV1 без нарушения их стехиометриче- ского состава. Для протекания реакции образования диоксида кремния внешний нагрев не требуется, однако для получения ок- сидных пленок кремния более высокого качества процесс проводят при температуре 150—300° С: 81Н4(газ)-4-2О2(газ) —> 8Ю2(тв)4-2Н2О(газ) Исходными веществами для проведения этого процесса являются газовые смеси, которые включают в себя высокочистый моносилан 121
SiH4, аргон или азот (газы-носители) и кислород. Контролируемое окисление сильно разбавленного инертным газом силана (3—10%) позволяет реализовать осаждение диоксида кремния в широком диапазоне температур со скоростью 10—50 нм/мин. Температурный интервал осаждения оксидных пленок кремния определяется концентрациями моносилана и окислителя. При из- менении концентрации моносилана от 0,8 до 0,015 об.%, для посто- янного отношения силан : окислитель = 1 : 3 температура процесса осаждения должна быть увеличена с 140 до 450° С. Особое внимание следует обращать на минимальную температу- ру процесса осаждения. Нижний температурный предел лимитиру- ется двумя факторами: монотонным увеличением пористости плен- ки диоксида кремния и гомогенным окислением моносилана в га- зовой фазе. Монотонное увеличение пористости пленки связано с тем, что по мере снижения температуры процесса уменьшается энергия поверхностной миграции адсорбированных подложкой мо- лекул. Кристаллизация осаждаемых частиц при этом происходит в положениях, все более далеких от минимума свободной энергии си- стемы. Это вызывает образование рыхлых, пористых пленок с низ- кой электрической прочностью и невысокой адгезией к подложке. При температурах проведения процесса осаждения ниже 150° С происходит отложение частиц диоксида кремния в виде мелкодис- персного белого порошка. Гомогенное окисление моносилана в газовой фазе связано с тем, что чем ниже температура осаждения оксидной пленки, тем большие концентрации моносилана необходимы для реализации механизма окисления и, следовательно, все большая часть моноси- лана окисляется в газовой фазе, засоряя реакционную камеру и ухудшая качество образующейся пленки. В качестве окислителя кроме кислорода могут быть использова- ны кислородсодержащие соединения, такие, как N2O, СО2, Н2О. Использование в качестве окислителей закиси азота и углекис- лого газа позволяет практически исключить гомогенное окисление,, однако при этом невозможно реализовать осаждение пленок диок- сида кремния в диапазоне температур 200—350° С. Контролируемое окисление моносилана (кислородом), доста- точно сильно разбавленного инертными газами, позволяет получать пленки SiO2 в широком диапазоне температур (200—500°С), прк этом скорости осаждения пленок достигают значений порядка 50— 100 нм/мин. Следует отметить, что пленки SiO2, полученные данным мето- дом, равномерны по толщине по всей поверхности пластины, обла- дают достаточной сплошностью, стабильностью химического соста- ва и хорошей маскирующей способностью при проведении процес- сов диффузии. Отличительным признаком пленок SiO2, полученных этим методом, является более высокая скорость их травления. 122
§ 7.7. Анодное окисление кремния Анодное окисление кремния является одной из основных электрод- ных реакций, происходящих на поверхности исходной пластины при воздействии на нее электролита и электрического тока. Метод анодного окисления включает две модификации: окисление поверх- ности кремния в жидком электролите и окисление в газовой плаз- ме. В первом случае процесс называют электролитическим аноди- рованием, во втором — газовым анодированием. Электролитическое анодирование. При обычных условиях по- верхность кремниевых пластин покрыта тонкой пленкой оксида тол- щиной около ЗОА. Эта оксидная пленка разделяет вещества, кото- рые участвуют в реакции анодного окисления. Поэтому дальней- ший рост оксидной пленки возможен только при переносе за счет диффузии или миграции ионов реагирующих веществ через эту пленку. Скорость роста пленок SiO2 на кремнии в жидком электро- лите, не растворяющем эти пленки, зависит от электростатического поля в слое оксида, стимулирующего миграцию ионов. Считают, что подвижным компонентом в рассматриваемом случае является ион кремния. Поэтому процесс выращивания анодных оксидных пленок может быть описан как процесс переноса ионов кремния через гра- ницу раздела оксид — кремний и через оксид к границе раздела оксид — электролит, где происходит реакция окисления. Присутствие ионов в электролите у границы с оксидом заметно влияет на скорость окисления, а также на предельную толщину оксидной пленки. Толщина пленки при анодном окислении опреде- ляется значениями напряжения пробоя и ионного тока .Регулиро- вание значения общего тока в процессе анодного окисления может осуществляться при постоянном токе, при постоянном напряжении и при комбинации этих величин. Рассмотрим окисление при постоянном токе. Для поддержания постоянного ионного тока через оксид необходимо, чтобы с увели- чением толщины оксидной пленки возрастало падение напряжения в этой пленке. Поэтому анодирование при постоянном токе можно характеризовать как скорость роста напряжения в оксиде. Скорость изменения напряжения приблизительно пропорциональна току. Сле- довательно, чем выше плотность ионного тока, тем быстрее повы- шается напряжение и быстрее растет оксид. При этом типичное значение коэффициента полезного выхода ионного тока составляет около 1 % от выхода электролитических реакций. Анодное окисле- ние при постоянном токе может продолжаться до тех пор, пока на- пряжение не достигнет определенного значений, зависящего от типа электролита и конструкции установки, после чего происходит про- бой оксидной пленки. В случае окисления при постоянном напряжении между анодом и катодом первоначальный ток, возникающий вследствие ионной проводимости оксида, определяется сопротивлением электролита, толщиной первоначального слоя оксида на кремниевой пластине и поляризацией, связанной с образованием «двойного слоя» в элек- 123
тролите. По мере роста оксида электрическое поле в нем уменьша- ется, что приводит к к уменьшению тока, проходящего через оксид. В результате рост оксида замедляется. Большую роль в получении воспроизводимых результатов анод- ного окисления играет выбор электролита и процент содержания в нем влаги. Могут быть использованы самые различные электролиты на основе азотной, борной или фосфорной кислот с добавками нит- рата натрия, нитрата калия, бихромата аммония и др. Газовое анодирование кремния аналогично электролитическому с той лишь разницей, что вместо электролита используется газ. Этот метод применяется при выращивании толстых оксидных пле- нок. Кислородная плазма, возбуждаемая полем высокой частоты, служит источником отрицательно заряженных кислородных ионов. Ионы кислорода из плазмы взаимодействуют с поверхностью крем- ниевой пластины. Рост оксида зависит от режима проведения анод- ного окисления: от давления внутри рабочей камеры, температуры и плотности плазмы. § 7.8. Осаждение пленок оксида кремния • термическим испарением Для нанесения защитных пленок оксида кремния используют два метода, основанные на испарении монооксида кремния. В первом методе используется технический порошкообразный монооксид кремния. Второй метод заключается в том, что кремниевый элек- трод нагревается в атмосфере кислорода. При этом его поверхность покрывается монооксидом, который легко испаряется, так как обла- дает более высоким, чем у кремния, давлением паров. Оксиды, получаемые путем напыления на полупроводниковую, подложку, представляют собой комплексы вида Si—SiO—SiO2. При использовании в качестве источника испарения порошка моно- оксида кремния одним из наиболее важных моментов для получе- ния однородной защитной оксидной пленки является конструкция лодочки для порошка монооксида кремния. Скорость испарения зависит от геометрии лодочки, температуры, давления, а также от однородности порошка монооксида. При использовании какого-либо определенного источника скорость испарения регулируют измене- нием электрической мощности, служащей для нагрева лодочки. Кремниевые пластины при этом методе осаждения защитной плен- ки нагревают до 300° С и выше, чтобы получить хорошую адгезию защитной пленки к исходной пластине. Если осаждение произво- дится с малой скоростью, но при высоком парциальном давлении кислорода, то пленка обладает такими же характеристиками, как и пленка SiO^. При больших скоростях осаждения или при более низком парциальном давлении кислорода оптические характеристи- ки осажденной пленки сходны с характеристиками, присущими пленкам SiO. 124
Защитные пленки, обладающие свойствами пленок S1O2, полу- чают обычно при температуре источника 1300—1400° С и суммар- ном давлении менее 6,5-10~4 Па. Для получения оксидных пленок методом напыления в вакууме в качестве источника можно использовать кремний. При этом оп- ределяющую роль играет реакция у поверхности кремния. Темпе- ратура и парциальное давление кислорода у этой поверхности оп- ределяют скорость адсорбции кислорода на поверхности кремния и испарения S1O2. Кремний нагревается до температуры 700— 1000° С. Парциальное давление кислорода должно быть таким, что- бы на поверхности кремниевого источника обеспечивалась реакция Si+O-*SiO. Указанным методом на исходной полупроводниковой пластине можно получить оксидную пленку толщиной 0,1 мкм при температуре 900° С и давлении 1,3-10—4 Па в течение 30 мин. При подогреве подложки, на которой располагаются пластины, улуч- шаются адсорбция паров оксида и адгезия их к полупроводнико- вым пластинам. Во избежание испарения осажденной пленки окси- да температура пластин должна быть на 100—200° С ниже темпе- ратуры источника. § 7.9. Реактивное катодное распыление оксида кремния Метод реактивно-катодного распыления оксида кремния основак на использовании электрического разряда между электродами при низком давлении окисляющего газа. Под действием бомбардиров- ки ионизированными молекулами газа материал катода испаряет- ся в виде свободных атомов или в виде соединений, образующихся при реакции катода с остаточными молекулами газа. Перенос рас- пыленных частиц происходит либо за счет их кинетической энер- гии, либо за счет диффузии, если столкновения с остаточными мо- лекулами газа заметно снижают их кинетическую энергию. Методом реактивно-катодного распыления можно получать, пленки оксида кремния, подвергая распылению в присутствии кислорода кремниевую мишень. Обычно этот процесс проходит при давлении 0,4 Па и напряжении 1500—2000 В. Скорость роста: пленки оксида кремния увеличивается при введении в кислород- ную атмосферу небольших количеств аргона. Разновидностью реактивно-катодного распыления является ме- тод, при котором плазма получается с помощью высокочастотного разряда. По данному методу защитные оксидные пленки получа- ют при давлении 26,5—133 Па и напряжении 3—5 кВ. Хорошая контролируемость процесса реактивно-катодного рас- пыления позволяет автоматизировать процесс осаждения защит- ных пленок оксида кремния на подложки из полупроводникового* материала. 125
§ 7.10. Химическое осаждение пленок нитрида кремния Наряду с защитными диэлектрическими пленками диоксида крем- ния в производстве полупроводниковых приборов и интегральных микросхем все более широкое применение находят пленки нитрида .кремния. Пленки нитрида кремния обладают меньшей проницаемостью для диффузантов, используемых в обычной планарной технологии, чем пленки диоксида кремния. Поэтому пленки нитрида кремния получают более тонкими. Это является важным фактором для фотолитографии, способствующим увеличению ее разрешающей способности. Пленки нитрида кремния можно выращивать во много раз бы- стрее, чем пленки диоксида кремния, и при более низких темпе- ратурах. Рассмотрим несколько способов химического осаждения пле- нок нитрида кремния. Реакция взаимодействия кремния с азотом. Для осуществле- ния химической реакции нитрирования необходима температура 1100—1300°С: 3Si-)-2N2^Si3N4 Обычно этим способом пользуются для получения нитрида кремния как тугоплавкого материала. В данной реакции чистый азот может быть заменен аммиаком, который диссоциирует при высокой температуре и взаимодействует с кремнием легче, чем молекулярный азот. Пленки нитрида кремния могут быть получены методом от- крытой трубы. В рабочей камере располагают пластины кремния и пропускают через нее поток азота. При температуре 1200°С и скорости потока азота 300 см3/мин на поверхности пластин крем- ния образуется пленка нитрида кремния. Реакция взаимодействия силана с аммиаком. Для протекания химической реакции азотирования силана аммиаком необходима температура 700—1100°С. Таким образом, по сравнению с преды- дущей реакцией рабочие температуры процесса осаждения пле- нок нитрида кремния значительно ниже. В рабочую камеру с крем- ниевыми пластинами в потоке водорода со скоростью (3-4-5) X Х103 см3/мин подаются силан и аммиак в соотношении 1 :20. Из- быток водорода препятствует преждевременному разложению си- лана. В рабочей камере при температуре выше 500°С происходит разложение силана и взаимодействие его с аммиаком: 3SiH4 -f-4NH3 — Si3N4 + 12Н2 Образовавшийся в результате реакции нитрид кремния осаж- дается на поверхности кремниевых пластин. Скорость роста пленки нитрида кремния зависит от концентра- ции силана в рабочей камере и температуры проведения процес- са (рис. 7.8). Из графика видно, что при температуре 1250°С ско- рость осаждения замедляется, а при температуре выше 1250°С 126
значительно уменьшается. Это объясняется недостатком силана в рабочей камере вследствие его интенсивного разложения при по- вышенных температурах. Обычно пленки нитрида кремния осаждают на подложки при температуре 800—900°С с использованием рабочей смеси, состоя- щей из водорода или аргона, используемых в качестве газов-носи- телей и реагентов: силана (до 1%) и аммиака (до 3%). Расход ра- бочей смеси устанавливают равным 1000 см3/мин. Время процесса Рис. 7.8. Зависимость скорости осаждения пленок S13N4: а — от концентрации силана при Т’=850°С; б — от температуры для соотношения силана (0,05%) и аммиака (1%) выбирают из условия требуемой толщины пленки. В качестве га- за-носителя наряду с водородом и аргоном могут быть использова- ны азот или оксид азота. Реакция взаимодействия тетрахлорида кремния с аммиаком. Образование пленки нитрида кремния при взаимодействии тетра- хлорида кремния с аммиаком протекает в несколько стадий. На начальной стадии образуется диимид кремния: SiCl4 4- 6NH3 — Si (NH)2 -J-4NH4C1 При комнатной температуре эта реакция дальше не идет. Про- исходит полимеризация диимида кремния. Если температуру повысить до 400°С, то пойдет реакция 6 [ Si (NH)2CnCh3 — 2 J Si3 (NH3) N2.J Если температуру повысить до 650°С, реакция идет дальше: 21 Si3 (NHs) N2&Ch, - 3 [ Si2 (NH) N2J Завершающая стадия образования нитрида кремния проходит при температуре 1100—1250°С: 3 [Si2 (NH)N2jSX 2aSi3N4 127
В результате образуются кристаллиты нитрида кремния а-мо- дификации. Если завершающую стадию реакции проводить при температуре 1100°С, то образуется полностью аморфная пленка нитрида кремния на поверхности подложки. Следует отметить, что с увеличением толщины пленки нитри- да кремния (свыше 1 мкм) в них возникают трещины. Наличие трещин — результат высокого значения модуля упругости нитрида кремния, различия в коэффициентах термическо- го расширения кремния и нитрида кремния, а также следствие неоднород- ности структуры подложки и нитрид- ной пленки. Процесс осаждения пленок нитрида кремния проводят в кварцевой трубе, в которую подают смесь тетрахлорида с аммиаком. В качестве газа-носителя используют водород, аргон или азот. Скорость подачи смеси газа-носителя с реагентами выбирают равной (54- 4-10) 103 см3/мин. Скорость осаждения пленки нитри- да кремния зависит от температуры проведения процесса и соотношения и аммиаком. Рис. 7.9. Зависимость скорости осаждения пленок Si3N4 температуры: I - SiCl<=0,02.%; NH3=4%; SiCl4 = 0,002%. NH3 = 0,2% от 2 — между тетрахлоридом На рис. 7.9 приведена зависимость скорости осаждения пленки нитрида кремния от температуры для двух соотношений между тетрахлоридом и аммиаком. Кроме тетрахлорида кремния для осаждения пленок нитрида кремния можно использовать галогенированные силаны типа H4-nSiXn, где X — галоген; п=1, 2, 3, 4. Реакция образования пленки нитрида кремния имеет вид 3H4_„SiX„ +4NH3--> Si3N4 + 3«HX +3 (4- п) Н2 В качестве газов-носителей используют, как и в предыдущем случае, водород, аргон или азот. Температура проведения процес- са осаждения для этих реагентов может быть снижена до 750— Э80°С. Скорость роста пленок нитрида кремния для этого процес- са в большой степени зависит от технологических режимов. Реакция взаимодействия силана с гидразином. Для осаждения пленок нитрида кремния вместо аммиака используют гидразин N2H4. Реакция в этом случае идет по следующей схеме: SiH4 + N2H4 - Si (NH)2 4-ЗНг 2Si (NH)2 — (SiN)2 NH + NH3 3 (SiN)2 NH2Si3N4 + NH3 При использовании реакции взаимодействия аммиака с сила- аюм температура осаждения пленок нитрида кремния не может 428
быть ниже 750°С. Применение гидра- зина вместо аммиака позволяет сни- зить рабочую температуру процесса до 550°С,. так как гидразин разлагается при более низких температурах. Осаж- дение пленок проводят в кварцевой трубе, через которую пропускают газ- носитель и смесь силана с гидразином. На рис. 7.10 показана зависимость скорости осаждения пленок нитрида кремния от температуры для двух раз- личных соотношений концентраций си- лана и гидразина. Реакция взаимодействия тетрабро- мида кремния с азотом. Реакция осаж- дения нитрида кремния идет при темпе- ратуре 950°С и имеет вид Рис. 7.10. Зависимость ско- рости осаждения пленок SisN-j от температуры: 1 - SiH4=0,05%. ЫгН,=0.5%: 2 — SlH4-0,l%, №=0,2% 3SiBr4 4-2N2 — Si3N4 + 6Br2 На рис. 7.11 показана схема установки для проведения процес- са нанесения пленок нитрида кремния на подложки с использова- нием рассмотренных реакций: S1H4 + NH3; SiCh + NHs; SiH4-b + N2H4; SiBr4 + N2. Рис. 7.11. Схема установки для осаждения пленок SiaNi.' / — блок очистки водорода; 2—источник SiCh или SiBn; 3 —* ротаметры; —краны: 5 — выпуск избыточных газов; 6 — смесительная камера; 7 — пластины; 8 — нагреватель: 9 — рабочая камера 5—210 129
§ 7.11. Реактивное катодное осаждениечйленок нитрида кремния Достоинство этого метода состоит в том, что реакция между крем- нием и азотом происходит при комнатной температуре окружаю- щей среды за счет энергии газового разряда, между анодом и ка- тодом в рабочей камере. Нанесение пленок нитрида кремния проводят в специальных установках катодного распыления при постоянном токе с холодным или горячим катодом. Для проведения процесса катодного осаждения используют катод из высокочистого кремния в виде плоской пластины боль- шого (80—120 мм) диаметра. Анодом служит подложка. При по- даче на катод высокого напряжения (1-—3 кВ) в пространстве между анодом и катодом возникает аномальный тлеющий разряд, который ионизирует газ внутри рабочей камеры. Специфика ано- мального тлеющего разряда состоит в том, что в непосредствен- ной близости около катода образуется настолько сильное электри- ческое поле, что образовавшиеся при разряде положительно заря- женные ионы, газа, ускоряемые этим полем и бомбардирующие катод, выбивают из него не только дополнительные электроны (необходимые для поддержания разряда), но и атомы материала катода. В течение этого процесса кремниевый катод постепенно разру- шается. Поэтому в производственных условиях, когда процесс ка- тодного распыления используется длительное время, катод подле- жит замене после определенного срока службы. Технологический процесс катодного осаждения пленок нитрида кремния включает в себя предварительную откачку воздуха из рабочей камеры с целью удаления имеющихся в воздухе загряз- нений. Откачку обычно проводят до давления 1,3-10-3—1,3-10-4 Па, а затем в рабочую камеру вводят смесь газов аргона и азота, пред- варительно очищенных от влаги и кислорода. Давление в рабочей камере при этом устанавливают равным 1,3—13 Па. Азот, участвующий в процессе, является реактивным газом, а аргон используется для повышения эффективности процесса рас- пыления. Требование по отсутствию кислорода в рабочей камере продиктовано тем, что кремний взаимодействует с кислородом значительно лучше, чем с азотом. Поэтому даже незначительное количество кислорода в рабочей камере приводит к образованию пленки диоксида кремния на поверхности подложки. На процесс катодного осаждения оказывают влияние катодный ток и расстояние между анодом и катодом. При плотности катод- ного тока 0,2—0,8 мА/см2 и расстояния между анодом (подлож- кой) и катодом (пластина кремния) 2—5 см можно получить ско- рость осаждения нитрида кремния 0,01—0,05 мкм/мин. Применение катода с поверхностью, большей или равной по- верхности подложки, позволяет получать осажденные пленки нит- 130
ряда кремния одинаковой толщины с разбросом, не превышаю- щим 5%. Реактивное ионно-плазменное осаждение пленок нитрида крем- ния является разновидностью катодного способа. Отличительной особенностью реактивного ионно-плазменного способа является то, что высокое отрицательное напряжение прикладывается не к катоду, а к дополнительному электроду, называемому мишенью. Отсюда следует, что и распыляемый материал (кремний) будет служить не катодом, а мишенью. Второй отличительной особенностью является введение в рабо- чую камеру устройства для расположения подложек, на которые будет происходить осаждение нитрида кремния. Третья особенность ионно-плазменного способа состоит в том, что в промежутке между подложкой и мишенью располагают анод и катод, между которыми создают несамостоятельный дуговой разряд. Для этого между анодом и катодом прикладывают напря- жение порядка 100—300 В, а в рабочем объеме создают давление 0,13—0,013 Па. В этом случае катод эмиттирует электроны, кото- рые, взаимодействуя с рабочим газом, создают электронно-ион- ную плазму. Положительные ионы плазмы бомбардируют кремниевую ми- шень и выбивают из нее атомы кремния. Выбитые из мишени, они реагируют с азотом, находящимся внутри рабочей камеры, и об- разуют нитрид кремния, который осаждается на подложке. Таким образом, принципиальных различий между процессами катодного и ионно-плазменного осаждения нитрида кремния нет. Обычно различают лишь конструкции установок, которые характе- ризуют по числу рабочих электродов как двух- и трехэлектродные. Начало и конец процесса осаждения пленок нитрида кремния определяются подачей и отключением высокого напряжения на мишени. § 7.12. Контроль качества защитных диэлектрических пленок диоксида и нитрида кремния При использовании защитных диэлектрических пленок SiO2 и Si3N4 в процессах планарной технологии подвергают контролю три основные характеристики: толщину пленки, наличие в ней сквозных отверстий (пористость) и количество дефектов на грани- це раздела кремний — защитная пленка. Толщина защитной диэлектрической пленки является главным критерием, определяющим максимальную глубину проникновения легирующей примеси в полупроводниковые кристаллы при прове- дении процесса диффузии в планарной технологии. Наличие сквозных отверстий (пор) в защитной пленке приво- дит к паразитному легированию исходной подложки и замыканию отдельных активных областей транзисторных структур интеграль- ной микросхемы при проведении процессов локальной диффузии. 5* 131
Количество дефектов на границе кремний — защитная пленка связано с плотностью зарядов на этой границе. Увеличение плот- ности зарядов приводит к ухудшению электрических параметров готовых полупроводниковых приборов и интегральных микросхем. Таким образом, контроль рассмотренных характеристик за- щитных диэлектрических пленок позволяет оценить возможность их применения в последующих технологических процессах. Контроль толщины защитных диэлектрических пленок. Толщи- на защитных диэлектрических пленок определяется с помощью следующих способов: микровзвешивания, интерферометрии и эл- липсометрии. Способ микровзвешивания основан на точном взвешивании подложки до и после осаждения пленки. Толщина пленки sd где Pi — масса подложки без пленки; Р% — масса подложки с плен- кой; $ — площадь пленки; d — плотность пленки. Точность определения толщины пленки этим способом зависит в первую очередь от чувствительности весов и точности взвешива- ния, а также от точности определения площади пленки и ее плот- ности. Наиболее простым из существующих интерференционных ме- тодов определения толщины пленок S1O2 и S13N4 является цвето- вой. Он основан на гасящей интерференции белого света, падаю- щего на поверхность подложки с защитной пленкой. Цвет поверх- ности пленки S1O2 или S13N4 создается равномерным белым све- том за вычетом той его части, которая участвует в гасящей интер- ференции. Отсутствие некоторых компонентов спектра белого све- та в отраженной волне воспринимается глазом как определенный цвет защитной пленки. Падающая и отраженная волны являются дополнительными: вместе они дают белый свет. При нормальном падении белого света на поверхность пласти- ны с защитной пленкой условие гасящей интерференции имеет вид 2dn—---------X, 2 где d — толщина пленки SiO2 или SisN4; п — коэффициент прелом- ления пленки S1O2 или SisN4; k=l, 2, 3 — порядок интерферен- ции; Л — длина волны падающего света. Таким образом, определенный цвет поверхности защитной пленки соответствует ее толщине, причем с увеличением толщины пленки один и тот же цвет повторяется с изменением порядка ин- терференции. Следовательно, для определения действительной толщины не- обходимо не только зафиксировать цвет поверхности пленки, но и определить порядок интерференции. 132
Цвет поверхности пленки необходимо наблюдать и фиксиро- вать при нормальном падении света, так как при косом падении света цвет пленки изменяется в зависимости от ее толщины и ко- эффициента преломления. Порядок интерференции на практике определяют следующим образом. Пластину, например с пленкой S1O2, одним концом опу- скают в плавиковую кислоту на 1—2 мин для получения слоя кли- новидной формы. После этого наблюдают цвета как на однород- ной по толщине пленке SiCh, так и на клиновидном участке. Hat однородном участке 'пленки будет какой-либо один цвет, а на- клиновидном имеет место чередование определенных цветов в за- висимости от толщины пленки. По какому-либо одному повторяю- щемуся определенное число раз цвету полосы (например, красно- му или зеленому) судят о порядке интерференции. Для определения толщин защитных пленок SiC>2 и SisN4 мож- но пользоваться набором цветовых оттенков, указанных в табл. 7.1. Таблица 7.1 Цвет Толщи-на пленок, мкм 1-й порядок 2-й порядок 3-й порядок 4-й порядок' SiO, Si3N, SiO2 S13N4 SiO, S13N4 SiO2 Si3N, н Серый 0,01 Коричневый 0,05 — — — — — — —— Синий 0,08 —- __ —- Фиолетовый 0,1 0,9 0,28 0,21 0,46 0,34 0,65 0,52 Г олубой 0,15 0,12 0,30 0,23 0,49 0,36 0,68 0,53 Зеленый 0,18 0,13 0,33 0,25 0,52 0,38 0,72 0,57 Желтый 0,21 0,15 0,37 0,28 0,57 0,42 0,75 0,61 Оранжевый 0,22 0,18 0,40 0,3 0,60 0,47 0,78 0,65 Красный 0,25 0,19 0,44 0,33 0,62 0,51 0,81 0,68 Недостатком цветового метода является то, что определение цвета пленки зависит от индивидуальных возможностей и особен- ностей каждого человека. Относительная ошибка цветового метода определения толщи- ны пленки не превышает 10%. Эллипсометрический метод измерения толщины пленок SiO» и S13N4 основан на отражении линейно поляризованного луча от поверхности защитной пленки. При отражении учитывается тот факт, что компонента, перпендикулярная плоскости падения, от- ражается иначе, чем компонента, лежащая в плоскости падения. В результате образуется эллиптически поляризованная отражен- ная волна. Измерив эллиптичность отраженной волны, можно оп- ределить толщину пленки, вызвавшей соответствующие изменения поляризации падающей волны. Обычно для оценки толщины плен- ки, т. е. для оценки отраженной волны в эллипсометрическом методе, используются соотношения между фазой и амплитудой па- 133
дающей волны и фазой и амплитудой волны, отраженной от по- верхности пленки. В качестве источника света могут быть исполь- зованы лазеры. Эллипсометрический метод позволяет наиболее точно изме- рить толщину пленки. Этот метод обычно применяется для измере- ния пленок, толщина которых на порядок меньше, чем допускают другие методы. Контроль пористости защитных диэлектрических пленок. На- личие сквозных отверстий (пор) в пленках SiO2 и SisN4 является наиболее распространенным видом дефекта, который приводит к значительному браку при последующих операциях в планарной технологии. Поэтому требуется тщательный контроль пластин после операции осаждения защитных диэлектрических пленок. Для определения пористости пленок используют методы элек- тролитического осаждения меди, диффузионного легирования и электрографический. Метод электролитического осаждения меди состоит в следую- щем. Пластину кремния с нанесенной пленкой SiO2 помещают в электролит, содержащий ионы меди. На эту пластину подают от- рицательный потенциал. Положительный потенциал подают на медную пластину, которая находится также в электролите и слу- жит вторым электродом. В процессе электролиза ионы меди осаж- даются на кремний в тех местах, где имеются сквозные отверстия (поры). По количеству осажденных островков меди судят о каче- стве пленки. Под микроскопом определяют количество пор и их геометрические размеры. Метод диффузионного легирования заключается в проведении диффузионного процесса примеси, создающего в исходном полу- проводниковом материале противоположный тип электропроводно- сти. После проведения процесса диффузии в тех местах пленки, где имели место сквозные отверстия, образуются локальные р-н-переходы (участки с противоположным типом электропровод- ности). Далее защитную пленку удаляют с поверхности подложки и по количеству локальных р-н-переходов судят о количестве пор в пленке. Рассмотренные методы имеют существенный недостаток — они исключают возможность использования исследуемого образ- ца в дальнейших технологических процессах. Наиболее простым и достаточно эффективным неразрушающим методом контроля пористости, позволяющим точно и быстро опре- делять местонахождение, геометрические размеры и плотность сквозных отверстий в пленках, является электрографический ме- тод. Этот метод позволяет обнаружить сквозные отверстия диамет- ром до 0,1 мкм. Методика проведения контроля пористости пленок состоит в наложении на поверхность пластины с пленкой фотобумаги, пред- варительно, смоченной в 3—4%-ном водном растворе гидрохинона. К пластине с фотобумагой прижимают два металлических ди- ска-электрода, через которые пропускают электрический ток. Так 134
как фотобумага, смоченная в растворе гидрохинона, является проводящей, то ток через нее будет проходить лишь в тех локаль- ных местах, где имеются сквозные отверстия в пленке. Электриче- ский ток, протекающий через поры в пленке, действует на эмуль- сию фотобумаги подобно световому потоку, образуя изображение в виде черных точек и островков. Количество и размеры дефектов пленки определяют визуально под микроскопом. Контроль качества дефектов на границе раздела кремний — защитная пленка. Для осуществления этого вида контроля изго- товляют так называемые МДП-структуры (металл — диэлект- рик-— полупроводник). На поверхность защитной диэлектрической пленки осаждают слой металла^ На таких МДП-структурах измеряют вольт-фарадные харак- теристики. По сдвигу между теоретической и экспериментальной вольт-фарадной характеристиками можно непосредственно опре- делить эффективную плотность поверхностных состояний, в кото- рую входят плотность поверхностных состояний на границе полу- проводник— защитная пленка и заряд в пленке. Глава 8 ФОТОЛИТОГРАФИЯ § 8.1. Фотолитография — основа планарной технологии Под фотолитографией понимают процесс образования на поверх- ности подложки с помощью светочувствительных материалов ло- кальных защитных участков пленки (микроизображение), рельеф которых повторяет рисунок топологии прибора или схемы, и по- следующего переноса этого микроизображения на подложку. Фотолитография является основным технологическим процес- сом при производстве полупроводниковых приборов и интеграль- ных микросхем. Сущность процесса фотолитографии заключается в следующем. На поверхность специально обработанной пластины (подложки) наносят тонкий слой светочувствительного материала — фоторези- ста. После высыхания фоторезиста на исходной подложке обра- зуется прочная пленка. Облучение этой пленки фоторезиста через прижатый к ней фотошаблон (контактная печать) актиничным светом приводит к изменению ее свойств. Проявление и полимери- зация пленки фоторезиста позволяют получить в ней рельеф нуж- ного рисунка, т. е. открытые (свободные от пленки фоторезиста) и закрытые (наличие пленки фоторезиста) участки пленки. Обра- зовавшийся в пленке фоторезиста рельеф определенного рисунка переносят на подложку. Образующиеся в пленке фоторезиста «окна» позволяют прово- дить ряд важнейших технологических операций: локальное трав- ление подложки с целью удаления слоя полупроводникового ма- 13S
териала и создания мезаструктур, удаление защитных диэлектри- ческих слоев SiOa и Si3N4 с целью вскрытия «окон» под диффу- зию, а также вытравливание металлических слоев с целью созда- ния омических контактов и токоведущих дорожек сложной гео- метрической формы. Фотолитография является одним из основных процессов в об- щем цикле изготовления широкого класса полупроводниковых приборов и интегральных микросхем. Этот процесс стоит в одном ряду с такими процессами, как диффузия и ионное легирование, эпитаксия и окисление, вакуумно-термическое испарение и хими- ческая обработка. Преимуществами процесса фотолитографии являются универ- сальность, массовость, технологичность, возможность автоматиза- щии. С помощью фотолитографии на одной подложке можно по- лучить большое число элементов будущих приборов и микросхем, 'что позволяет проводить групповую обработку подложек по зара- нее выбранному технологическому маршруту. Процесс фотолитографии известен давно. Он широко использу- ется в полиграфическом производстве. Однако в технологии из- готовления полупроводниковых приборов и интегральных микро- схем он получил свое особое, более глубокое развитие. С помощью фотолитографии в полупроводниковой технологии произошел ка- чественный переход от производства печатных плат с размером элементов в несколько миллиметров до сверхбольших интеграль- ных микросхем с размерами отдельных элементов менее 1 мкм. Фотолитография развивается в двух направлениях: постоянное совершенствование высокоточного оборудования и технологических процессов с целью стабильного воспроизводства формы и размеров рисунка и разработка новых приемов, позволяющих расширить предельные возможности процесса создания рисунка на подложке. Фотолитография является сложным комплексным технологиче- ским процессом, включающим в себя механические, оптические, физические, физико-химические и химические процессы. К ним от- носятся: выбор исходного светочувствительного материала (фото- резиста), его очистка и обработка; подготовка подложек (химико- динамическая очистка); формирование светочувствительных пле- нок на поверхности подложки; операция термообработки, экспони- рования, проявления, химического травления и т. д. § 8.2. Фоторезисты Фоторезистами называют светочувствительные вещества, изменяю- щие свои свойства, прежде всего растворимость, под действием актиничного* света и устойчивые к кислотным и щелочным тра- вителям. * Под актиничным светом понимают световое излучение, воздействующее на фоторезист, вызывающее протекание фотохимических реакций и изменение рас- творимости облученных участков фоторезиста. 136
Основным назначением фоторезистов является создание на по- верхности полупроводниковой пластины или какой-либо другой подложки тонкой защитной пленки с требуемой конфигурацией рисунка. Рельеф рисунка в защитной пленке фоторезиста получа- ется в результате светового воздействия на отдельные участки пленки и дифференцированной растворимости освещенных и неос- вещенных участков. После проявления облученной пленки фоторе- зиста часть ее (нужный рисунок) остается на подложке и служит защитной маской при последующих технологических операциях, а другая часть удаляется. Фоторезисты являются сложными мономерными или полимер- ными композициями органических веществ. Защитные свойства фоторезистивных пленок, образуемых мономерными светочувстви- тельными соединениями, как правило, невысоки, и для фотолито- графии мономеры используются в качестве добавок к полимерной основе. Процессы, происходящие в фоторезистах под действием света, подчиняются основным фотохимическим законам: 1) фотохимиче- ски активными являются только те световые лучи, которые погло- щаются при реакции взаимодействия света с фоторезистом; 2) хи- мическое действие света прямо пропорционально произведению интенсивности света на время его воздействия; 3) каждому погло- щенному кванту света соответствует одна прореагировавшая мо- лекула. Поэтому для характеристики фотохимического процесса, про- исходящего в фоторезисте, пользуются понятием квантового выхо- да, т. е. отношения числа прореагировавших молекул к числу по- глощенных квантов света. Чтобы в фоторезисте протекала фотохимическая реакция, не- обходимо иметь энергию фотонов, достаточную для разрыва или перестройки между атомами. Квантовый выход, скорость фотохимических реакций и их уп- равляемость во многом определяются спектральным составом и интенсивностью падающего света и зависят от химического строе- ния облучаемых веществ. Для управления спектральной чувстви- тельностью в состав фоторезистов вводят специальные вещест- ва — сенсибилизаторы, которые сдвигают максимум поглощения в нужную область спектра. Фотохимические реакции, происходящие в фоторезистах при поглощении световой энергии, отличаются сложностью и много- образием. Различие фотохимических превращений молекул веще- ства определяется химическим строением вещества и условиями облучения. Существуют следующие типы фотохимических реакций: фото- распад, фотоперегруппировка, фотоприсоединение, фотоперенос» фотовосстановление и фотосенсибилизация. Фотораспад представляет собой разложение возбужденной све- том молекулы на активные части. В зависимости от природы Тио- лекулы вещества различают фотодиссоциацию, т. е. распад 137
молекулы на нейтральные частицы — свободные радикалы, и фо- тоионизацию, т. е. распад исходной молекулы на ионы. Фотоперегруппировка представляет собой новое расположение (перегруппировку) атомов в скелете молекулы под действием све- та. Возможны два вида перегруппировки атомов: фотоизоме- ризация, т. е. поворот одной группы атомов по отношению к другой, и фототаумеризация, т. е. перемещение отдельных атомов из одной части скелета молекулы в другую. Фотоприсоединение представляет собой присоединение к воз- бужденной молекуле другой молекулы. Имеют место четыре вида фотоприсоединения: фотодимеризация, т. е. образование из двух молекул исходного вещества нового состояния — димера; фотоконденсация, т. е. образование новых связей в структу- ре молекулы; фотогидролиз, т. е. процесс взаимодействия мо- лекулы с водой; фотоокисление, т. е. процесс присоединения к возбужденной молекуле молекулы кислорода. Фотоперенос представляет собой отрыв электрона у молекулы, поглотившей квант света. Фотовосстановление может происходить с некоторыми вещест- вами в присутствии соединений, легко отдающих атомы водорода. Фотосенсибилизация представляет собой передачу энергии воз- буждения от одной молекулы к другой или от одной части молеку- лы к другой. Во многих случаях фотохимические реакции протекают одно- временно. Энергия, необходимая для возбуждения молекулы, и, следовательно, характер спектра поглощения вещества зависят от его строения. Многие полимерные вещества, из которых изготов- ляют фоторезисты, содержат функциональные группы, поглощаю- щие свет в ультрафиолетовой (УФ) области спектра. Так, карбо- нильная группа углерод — кислород имеет наибольшее поглощение в области 270—360 нм, а группа углерод — углерод — в диапазо- не длин волн 220—240 нм. Собственная светочувствительность полимера может быть из- менена в широких пределах при введении в него специальных до- бавок— стабилизаторов или сенсибилизаторов. Световое излучение, падающее на пленку фоторезиста, созда- ет в ней активные центры, активизировавшиеся в результате по- глощения энергии света молекулой фоторезиста. Активизация мо- лекул может быть прямой и сенсибилизированной. В первом случае поглотившие световое излучение молекулы не- посредственно вступают в реакцию, например диссоциируют на ато- мы (фотораспад) или объединяются с другими молекулами (фото- присоединение), а во втором случае эти молекулы в реакции не уча- ствуют, но передают свою энергию другим молекулам, в обычном состоянии к реакции не способным (фотосенсибилизация). Когда молекула поглощает свет, она выходит из состояния термодинами- ческого равновесия с окружающей средой и теряет энергию при столкновении с другими молекулами, вызывая химические ре- акции. 138
Необходимо отметить, что эффект действия добавок при вве- дении их в полимерную основу фоторезиста определяется не толь- ко химическим строением вещества добавки, но и энергетическим взаимодействием добавки с исходным полимером. Одна и та же добавка для различных полимеров может слу- жить и стабилизатором и сенсибилизатором фотохимических про- цессов. Так, добавление органических соединений к полимерам, которые, поглощая свет, возбуждаются и передают энергию воз- буждения на реакционноспособные молекулы полимера, вызывает фотосенсибилизированную химическую реакцию, причем сам сен- сибилизатор (добавка) в ходе фотохимических превращений по- лимера остается без изменения. В зависимости от характера протекающих в фоторезистах фо- тохимических реакций их подразделяют на две основные группы: негативные и позитивные. Негативные фоторезисты под действием света образуют нера- створимые участки пленки на поверхности подложки за счет фото- полимеризации или фотоконденсации и после проявления остают- ся на ее поверхности. Рисунок (рельеф) фоторезиста, оставшегося на поверхности подложки, представляет собой негативное изображение оригинала (фотошаблона), через которое проводилось экспонирование фото- резиста. Позитивный фоторезист, наоборот, под действием света образу- ет растворимые участки за счет фотораспада, которые обычно после проявления удаляются с поверхности подложки. Оставшийся на поверхности слой фоторезиста в точности повторяет рисунок ори- гинала, через который проводилось экспонирование фоторезиста. В качестве негативного фоторезиста в полупроводниковой тех- нологии применяют состав на основе сложного эфира поливинило- вого спирта и коричной кислоты — поливинилциннамат. Эти веще- ства имеют общую формулу R,—{О—7?2]л, где Ri— макромолеку- ла поливинилового спирта, содержащая большое количество ато- мов, от углеводородной основы которой отходят светочувствитель- ные циннамоильные группы R2. При поглощении фотонов в негативных фоторезистах двойная связь углерод — углерод циннамоильной группы разрывается, а возникающие при ее разрыве свободные связи приводят к образо- ванию мостиков, сшивающих отдельные молекулы полимера в химически стойкую трехмерную структуру. Наряду с поливинилциннаматом в качестве негативного фото- резиста используют циклокаучук с различными добавками. Сам циклокаучук не является светочувствительным материалом, по- этому для повышения его чувствительности к свету в него вводят различные органические азиды (алкилазиды, алкеназиды, арила- зиды, бисазиды и др.). Под действием света азиды разлагаются с потерей молекулы азота, образуя новые вещества — нитрены, которые вступают в 139
реакцию с макромолекулами каучука, в результате образуется стойкая трехмерная структура. В качестве позитивных фоторезистов наибольшее применение нашли составы на основе новолака и светочувствительного нафто- хинондиазида. Их особенность заключается в том, что под дейст- вием света происходит отщепление азота от нафтохинондиазидной группы и в результате химической реакции происходит образова- ние инденкарбоновой кислоты. Гидрофобные производные нафто- хинондиазида после фотохимических превращений становятся гид- рофильными, т. е. приобретают способность растворяться в сла- бых водных растворах щелочей. Таким образом, при проявлении проэкспонированной пленки фоторезиста карбоксильная группа, по- лучающаяся при разложении кислоты, реагирует с проявителем с образованием легко растворимых в воде солей. Это приводит к тому, что проэкспонированные участки пленки фоторезиста вымы- ваются (удаляются с поверхности подложки), а Неэкспонирован- ные остаются на поверхности подложки. В полупроводниковой технологии широкое применение нашел состав позитивного фоторезиста на основе 1,2-нафтохинондиазид- (2)-5-сульфоэфира новолака, в который вводят различные до- бавки. Растворителями' позитивного фоторезиста служат спирты, ке- тоны, ароматические углеводороды, диоксан, ксилол и др. Реко- мендуется использовать смеси из нескольких растворителей с различными значениями упругости паров, что значительно улуч- Та блица 8.1 Марка «фоторезиста Тип фоторезиста я Цвет фоторезиста Вязкость, мПа-с Разреша- ющая способ- ность, линий/мм Кислото- проиицае- мость по плот- ности де- фектов, мм2 Стойкость в прояви- теле, с ФП-307 Позитивный Оранжевый 60 500 0,35 90 ФП-309 » Красно-корич- невый 60 400 0,5 — ФП-330 > Оранжевый 59 400 0,75 60 ФП-333 > То же 28 500 0,2 180 ФП-334 > Коричневый 45 400 0,2 600 ФП-383 > Оранжевый 59 400 0,5 60 ФП^617 > Темно-корич- невый 230 600 0,2 — ФП-626 > Оранжевый 240 500 — — ФП-626а > То же 240 500 •— — ФП-РН-7 > Коричневый 25 400 0,5 ——’ ФП-РН-7-2 То же 25 400 0,5 2400 ФН-11 Негативный » 90 100 — Устой- чив ФН-103 » Темно-красный 150 50 — > ФН-106 > Желтый 70 200 0,4 > ФН-108 > Оранжевый 35 400 0,25 » ! 140
шает процесс сушки и пленкообразование, снижает количество пор и механическое напряжение в пленке фоторезиста. Для приготовления позитивных фоторезистов используют три вида светочувствительных хинондиазидов: продукт конденсации 1,2-нафтохинондиазид-(2)-5-сульфохлорида с 4,4-диоксидифенил- пропаном (№ И), продукт взаимодействия 1,2-нафтохинондиа- зид-(2)-5-сульфохлорида со смолой, полученной поликонденса- цией бисфенола с формальдегидом (№ 27), и продукт конденсации 1,2-нафтохинондиазид-(2)'-5-сульфохлорида с новолачной смолой (№ 30). В состав готового фоторезиста рекомендуется вводить 3—5 г светочувствительного хинондиазида, 5—10 г новолачной смолы; 70—80 мл ксилола, 20—30 мл монометилового эфира ацетатглико- ля. Кроме этих компонентов в состав фоторезиста для увеличения кислотостойкости вводят лак на основе эпоксидных смол в количе- стве 2—8 мл на 100 мл фоторезиста. Основные типы фоторезистов приведены в табл. 8.1. § 8.3. Критерии применимости фоторезистов Основными критериями, которые необходимо принимать во внима- ние при использовании фоторезистов в технологии полупроводни- ковых приборов и интегральных микросхем, являются светочув- ствительность, разрешающая способность, кислотостойкость, адге- зия к подложке и технологичность. Светочувствительность фоторезистов. Светочувствительность любого фоторезиста является функцией процессов экспонирования и проявления. Главным требованием процесса экспонирования яв- ляется спектральная чувствительность фоторезиста, которая из- меряется величиной, обратной поглощенной световой энергии, не- обходимой для определенного измерения свойств светочувстви- тельного материала. Спектральная чувствительность фоторезиста S=l/(Et)=l/H, где Е — световая облученность фоторезиста, Вт/м2; t — время об- лучения, с; H—Et— значение экспозиции, Вт-с/м2. Таким образом, можно сделать вывод о том, что светочувстви- тельность фоторезистов связана с полнотой засветки светочувстви- тельного слоя материала. Однако конечной целью фотолитографического процесса явля- ется не только полнота засветки фоторезиста, но и высокое каче- ство получаемого в слое фоторезиста рельефа рисунка. Поэтому более правильную характеристику светочувствитель- ности фоторезистов можно дать только при совместном рассмот- рении двух процессов: экспонирования и проявления. Процесс проявления оказывает прямое влияние на светочувст- вительность фоторезистов, так как при проявлении происходит химическое взаимодействие проявителя с экспонированными и не- 141
экспонированными областями пленки фоторезиста. Процесс про- явления формирует в пленке фоторезиста определенный рельеф рисунка, который в итоге и определяет качество полученной за- щитной пленки. Под критерием светочувствительности негативных фоторезистоа понимают образование после экспонирования и проявления на по- верхности подложки локальных полимеризованных участков (рельефа рисунка) пленки фоторезиста. Под критерием светочувствительности позитивных фоторези- стов понимают полноту разрушения и удаления с поверхности подложки после экспонирования и проявления локальных участ- ков (рельефа рисунка) пленки фоторезиста. Таким образом, критерием светочувствительности фоторезистов служит четкость изображения рельефа рисунка в пленке фоторе- зиста после проведения процессов экспонирования и проявления, т. е. рельеф рисунка должен иметь резко очерченную границу меж- ду областями удаленного и оставшегося на поверхности подложки фоторезиста. Разрешающая способность фоторезистов. Критерием примени- мости в производстве полупроводниковых приборов и интеграль- ных микросхем того или иного фоторезиста является его способ- ность создавать микрорельеф рисунка с минимальным размером элементов. Разрешающая способность фоторезиста определяется числом линий равной толщины, которые могут быть получены без слияния на 1 мм поверхности пластины в результате проведения процесса фотолитографии. Пусть необходимо получить на поверхности подложки линию фоторезиста шириной I. Учитывая, что минимальный зазор между линиями равен ширине самой линии, получим выражение для оп- ределения разрешающей способности: /?=1/(2Z). Если для изготовления полупроводникового прибора или ин- тегральной микросхемы необходим рельеф рисунка с минималь- ным размером 1=\ мкм, то разрешающая способность фоторези- ста должна быть не ниже чем R—1/(2-0,001) =500 линий/мм. Для определения разрешающей способности фоторезистов ис- пользуют штриховые миры, которые представляют собой стеклян- ные пластины с нанесенными на их поверхности штрихами шири- ной от одного до нескольких десятков микрометров. Определяют разрешающую способность фоторезиста экспонированием его через миру, проявлением и подсчетом числа линий фоторезиста, остав- шихся на поверхности и приходящихся на 1 мм подложки, или проведением процесса фотолитографии и контролем минимально- го размера рельефа рисунка пленки фоторезиста. На разрешающую способность оказывают существенное влия- ние как процессы экспонирования и связанные с ними оптические 142
явления в системе фотошаблон — фоторезист — подложка, так и процессы проявления и сушки. К оптическим явлениям, оказывающим влияние на разрешаю- щую способность фоторезистов, следует отнести дифракцию света на границе фотошаблон — фоторезист, отражение света от поверх- ности подложки и рассеяние света в пленке фоторезиста. Стабильность геометрических размеров элементов рельефа ри- сунка в пленке фоторезиста в сильной степени зависит от прове- дения процессов проявления и сушки. Процесс перепроявления приводит к увеличению размеров элементов (особенно для пози- тивных фоторезистов), а процесс сушки может приводить к короб- лению пленки фоторезиста. Поэтому максимальную разрешающую способность можно по- лучить при оптимизации всех рассмотренных процессов. Кислотостойкость фоторезистов. Под кислотостойкостью фото- резистов принято понимать способность пленок фоторезистов пос- ле экспонирования, проявления и сушки селективно защищать поверхность подложки от воздействий кислотных и щелочных тра- вителей. Критерием кислотостойкости является время, в течение кото- рого травитель воздействует на пленку фоторезиста до начала ее разрушения или отслаивания, а также качество полученных струк- тур в подложке после травления. Кислотостойкость фоторезистов является важным критерием их применимости в конкретных технологических процессах, так как многие из них связаны с использованием сильных травителей, в состав которых входят азотная, плавиковая, соляная, серная н другие кислоты, соли, щелочи. Нестойкость фоторезистов определяется по следующим призна- кам: частичное разрушение пленки, отслаивание пленки от под- ложки, локальное растравливание пленки и подтравливание плен- ки на границе пленка — подложка. Адгезия фоторезиста к подложке. В процессе фотолитографии адгезия фоторезиста к исходной подложке играет важную роль, так как она определяет стойкость пленки к внешним воздейст- виям. Адгезия пленки фоторезиста зависит от химического состава и строения самого фоторезиста, а также от состояния поверхности исходной подложки и режимов формирования пленки фоторезиста на подложке. Определяющей предпосылкой для получения высокой адгезион- ной способности является хорошая смачиваемость подложки фото- резистом. Адгезионные силы пленки фоторезиста возрастают с уве- личением степени смачивания. Адгезия может быть значительно снижена за счет плохо обра- ботанной поверхности подложки. Так, жировые пятна, адсорбиро- ванные газы, ионы чужеродных примесей могут создавать отдель- ные участки на подложке с малой адгезией фоторезиста. Поэтому чистота поверхности подложки является предпосылкой к хорошей адгезии фоторезиста. Наличие на поверхности подложки микро- 143
рисок и микроуглублений приводит к снижению адгезии за счет трудноудалимого воздуха из этих структурных дефектов поверх- ности подложки. Методы и режимы нанесения фоторезиста оказывают влияние на адгезию его к подложке. При нанесении слоя фоторезиста на поверхность подложки необходимо время, чтобы обеспечить уда- ление воздуха из-под пленки фоторезиста. Под технологичностью фоторезистов в промышленных усло- виях понимают простоту приготовления фоторезиста нужного со- става и требуемых физико-химических свойств; доступность нане- сения его на поверхность подложки в виде тонкого равномерного слоя; удобство обработки фоторезистивных пленок при сушке, проявлении и травлении. Технологичность фоторезистов преду- сматривает также длительное их хранение без изменения свето- чувствительных и механических свойств. Важным моментом тех- нологичности является токсичность самих фоторезистов и исполь- зуемых для их проявления растворов. К технологичности следует отнести возможность механизации и автоматизации процессов, связанных с использованием фоторези- стов: приготовление, контроль, нанесение на подложку, сушка, экспонирование, проявление, травление подложки и удаление фо- торезиста. Чем меньше затрат связано с использованием фоторези- стов в общем процессе изготовления прибора, тем они технологич- нее. § 8.4. Фотошаблоны и способы их получения Для проведения процессов фотолитографии в планарной техноло- гии используют фотошаблоны. Фотошаблоном в производстве полупроводниковых приборов и интегральных микросхем принято называть плоскопараллельную пластину из прозрачного материала, на которой имеется рисунок, состоящий из сочетания прозрачных и непрозрачных для света определенной длины волны участков, образующих топологию при- бора или группы приборов, многократно повторенных в пределах рабочего поля пластины. Фотошаблоны являются основным инструментом, с помощью которого формируют микроизображения сколь угодно сложного рисунка в слое фоторезиста, нанесенного на исходную подложку. Основу фотошаблона изготовляют из оптического стекла, а рисунок на поверхность стекла наносят фотографическим спосо- бом. В зависимости от материала, из которого создан рисунок на стеклянной пластине, различают эмульсионные, металлизирован- ные и цветные (транспарентные) фотошаблоны. В эмульсионных фотошаблонах участки рисунка с максималь- ной и минимальной оптической плотностью создаются в слое эмульсии обычным фотографическим методом. Для этого типа фо- тошаблонов плотность прозрачного элемента (участка рисунка) 144
равна сумме оптических плотностей стеклянной подложки и эмуль- сионного слоя, не содержащего частиц серебра. В металлизированных фотошаблонах участки рисунка созда- ются за счет тонкого слоя хрома. В этих фотошаблонах мини- мальная оптическая плотность прозрачных участков равна оптиче- ской плотности стекла, а максимальная плотность соответствует практически непрозрачным металлическим слоям хрома. К достоинствам металлизированных фотошаблонов относится их высокая стойкость к истиранию, позволяющая проводить до нескольких сотен контактных экспозиций. Недостатками металли- зированных фотошаблонов являются высокая отражающая спо- собность пленки хрома (до 50—60%) и полная ее непрозрачность для видимого света. Хромированные фотошаблоны обладатот также более высокой разрешающей способностью за счет меньшей неровности края, по- лучаемой при вытравливании микрорельефа в пленке хрома. Высокая отражающая способность пленки хрома приводит ж засветке периферийных участков фоторезиста, расположенных под непрозрачным элементом фотошаблона, что вызывает-изменение формы и размеров оригинала рисунка. Непрозрачность пленки хрома для видимого света приводит к значительным трудностям при совмещении рисунка фотошаблона с рисунком на исходной подложке, так как через непрозрачные участки фотошаблона невозможно увидеть элемент совмещения. В цветных фотошаблонах рисунок выполняется с помощью пленки из оксида железа. Минимальная оптическая плотность, так же как и у металлизированных фотошаблонов, равна опти- ческой плотности стекла, а максимальная плотность соответствует практически непрозрачным в ультрафиолетовом диапазоне плен- кам оксида железа. Основными достоинствами цветных фотошаблонов являются незначительная по сравнению с металлизированными фотошабло- нами отражающая способность (до 10—15%) и прозрачность для видимого света. Использование цветных фотошаблонов позволяет снизить эффект отражения света при контактной печати и тем самым зна- чительно улучшить качество получаемого микроизображения., Прозрачность пленок оксида железа для видимого света дает воз- можность простого и качественного совмещения рисунка цветного фотошаблона с рисунком на исходной пластине. Фотошаблоны могут быть негативными (темнопольными), когда изображение элементов рисунка представлено в виде светлых уча- стков на темном поле, и позитивными (светлопольными), когда изображение элементов рисунка представлено в виде непрозрач- ных участков на светлом фоне. К фотошаблонам предъявляют следующие основные требова- ния: высокая точность геометрических размеров элементов рисун- ка, точность размеров шага между фрагментами, стабильность рисунка и его размеров во времени, стойкость к истиранию, пло- 145
скостность рабочей поверхности, совмещаемость комплекта фото- шаблонов. Высокая точность геометрических размеров элементов рисунка фотошаблона диктуется необходимостью получения активных эле- ментов полупроводниковых приборов и интегральных микросхем, имеющих размеры от единиц до десятых долей микрометра. Точ- ность шага между отдельными фрагментами рисунка фотошаблона обусловлена в первую очередь совмещаемостью комплекта фото- шаблонов, а также необходимостью на заключительной стадии планарной технологии разделять исходную подложку на отдель- ные параллелепипеды, включающие в себя фрагменты прибора или интегральной схемы. Стабильность рисунка фотошаблона и его размеров во време- ни является важным требованием, предъявляемым к эмульсион- ным фотошаблонам, так как при длительном хранении и влиянии внешних факторов (температура, влажность) эмульсионная плен- ка может деформироваться. Стойкость к истиранию является основным требованием, кото- рое предъявляется ко всем видам фотошаблонов. Это обусловле- но тем, что перенос рисунка изображения с фотошаблона на ис- ходную подложку осуществляется контактным способом, т. е. каж- дый процесс экспозиции сопровождается контактным прижатием поверхности фотошаблона, на которой нанесен защитный рисунок, к поверхности исходной пластины, на которую нанесена пленка фоторезиста. Многократное контактное прижатие фотошаблона к подложке приводит к его истиранию и непригодности к процессу фотолитографии. Требование высокой плоскостности поверхности фотошаблона вытекает из того, что при контактной печати между фотошабло- ном и исходной пластиной не должно быть зазоров, которые вы- зывают рассеяние проходящего через фотошаблон света. Совмещаемость комплекта фотошаблонов является основным критерием применимости комплекта в производстве полупроводни- ковых приборов и интегральных микросхем. От правильного сов- мещения отдельных элементов каждого последующего фотошабло- на зависит воспроизводимость структуры изготовляемого прибора, а также стабильность электрических параметров. Изготовление фотошаблонов в настоящее время производится оптико-механическим способом, который реализуется в трех раз- личных вариантах исполнения, отличающихся друг от друга пос- ледовательностью операций и используемым оборудованием (рис. 8.1). Первая операция первого варианта состоит в вычерчива- нии увеличенного в 100—1000 раз единичного фрагмента или мо- дуля фотошаблона на бумаге или стекле, на поверхность которых нанесен слой черной краски, или на двухслойной полимерной пленке. Вычерчивание проводят с помощью координатографа с подвижным резцом. Задавая определенные координаты в двух взаимно перпендикулярных направлениях, определяют фигуру на 146
плоскости и резцом обводят контур этой фигуры, подрезая слой краски или один из слоев двухслойной полимерной пленки. Не- нужные участки краски или пленки, прорезанные резцом по кон- туру, удаляют с поверхности стекла или с основы полимерной пленки. Полученные таким образом окна заданной сколь угодно сложной конфигурации являются изображениями фрагментов или Рис. 8.1. Варианты изготовления фотошаблонов элементов модуля. Координатографы позволяют обеспечить точ- ность размеров вырезаемых фигур в пределах ±50 мкм. Если полученную с такой точностью фигуру при последующих процессах уменьшить в 100—1000 раз, то ошибка геометрического размера элемента на рабочем фотошаблоне не превысит сотых долей микрометра. Вычерчивание фигур на координатографе осуществляется ав- томатически по заранее составленной программе с использова- нием ЭВМ. Вторая операция этого варианта предусматривает изго- товление промежуточного оригинала (эмульсионного) с помощью редукционной камеры. Полученный в первой операции увеличен- ный оригинал помещают в редукционную камеру и фотографируют с уменьшением в 50—100 раз на фотопластину с высокой разре- шающей способностью. Таким образом, промежуточный оригинал является уменьшен- ной копией увеличенного оригинала. Качество получаемых проме- жуточных оригиналов в сильной степени зависит от разрешающей способности используемых объективов и фотопластин. 147
Для улучшения качества и срока службы промежуточного ори- гинала с изготовленного эмульсионного образца делают металли- зированные копии. Третья операция варианта представляет собой процесс мультипликации рисунка промежуточного оригинала по всему ра- бочему полю, т. е. изготовление эталонного фотошаблона. Процесс мультипликации проводят в специальных установках: одномест- ных или многоместных фотоштампах. Промежуточный оригинал помещают в проекционную, камеру фотоштампа. Фотоштамп экспонирует рисунок промежуточного оригинала на поверхность пластины с фоточувствительным слоем будущего эталонного фотошаблона с уменьшением до рабочих размеров и мультиплицирует этот рисунок по всей поверхности пластины. Мультипликация рисунка осуществляется за счет пере- движения стола фотоштампа, на котором расположена стеклян- ная пластина с фоточувствительным слоем, в двух взаимно пер- пендикулярных направлениях с заданным шагом. Наряду с механической в некоторых случаях используют и оптическую мультипликацию. Оптическая мультипликация осно- вана на применении линзовых растров, которые способны создать одновременно большое количество уменьшенных изображений ри- сунка промежуточного оригинала на поверхности стеклянной пла- стины с фоточувствительным слоем. Линзовый растр представляет собой множительную оптическую систему, состоящую из большого количества маленьких линз — объективов, размещенных по опре- деленному закону на одной основе, имеющей вид плоскопарал- лельной прозрачной пластины. Светофокусирующая поверхность линзовых элементов растра может быть сферической, эллиптиче- ской, цилиндрической и др. Наиболее часто используют линзовые элементы со сферической поверхностью. Если перед линзовым растром поставить промежуточный ори- гинал, а в фокальной плоскости растра — пластину с фоточувстви- тельным слоем, то при экспонировании каждая линза растра спроецирует рисунок промежуточного оригинала на фотослой в заданном месте и в заданном размере. Шаг мультипликации в этом методе постоянен и равен расстоянию между соседними линзами растра. Размеры изображения, получаемые на фотопластине, мо- гут изменяться регулированием расстояния между объектом и плоскостью линзового растра, а также изменением размеров ри- сунка промежуточного оригинала. Разрешающая способность процесса с использованием линзо- вых растров невысока и значительно уступает разрешающей спо- собности процесса мультипликации с использованием фотоштам- пов. Четвертая, завершающая, операция этого вариан- та заключается в изготовлении рабочих копий с полученного эта- лонного фотошаблона. Эта операция состоит в контактной пере- печатке рисунка с эталонного фотошаблона на металлизирован- ную пластину с фоточувствительным слоем. Сначала на стеклян- 148
ную пластину с помощью вакуумно-термического испарения нано- сят слой хрома толщиной 0,1—0,2 мкм. Затем на слой хрома методом центрифугирования наносят слой фоторезиста толщиной 0,2—0,4 мкм. Перед процессом экспонирования создают хороший прижим эталонного фотошаблона эмульсионной стороной к поверх- ности металлизированной пластины с фоторезистом, чтобы между ними отсутствовал зазор по всей соприкасающейся поверхности. После этого проводят экспонирование фоточувствительного слоя фоторезиста через эталонный фотошаблон. Следует отметить, что контактная перепечатка имеет один су- щественный недостаток — возможность механического поврежде- ния как поверхности эталонного фотошаблона, так и пленки фото- резиста исходной металлизированной пластины. Для устранения этого недостатка необходимо тщательно промывать стеклянные заготовки и соблюдать требуемую чистоту в рабочих помещениях. Первая операция второго варианта (рис. 8.1) состоит в изготовлении оригинала, представляющего собой увеличенный в 10 раз единичный фрагмент или модуль фотошаблона. Такой ори- гинал по своим размерам рисунка и габаритам подложки анало- гичен промежуточному оригиналу, полученному на редукционной камере. Оригиналы изготавливают на специальных установках, которые позволяют генерировать изображения определенной формы на по- верхность фотопластины. Основными элементами таких установок являются рабочая камера с оптической системой, подвижная диафрагма, двухкоординатный подвижный стол и электронная си- стема управления с ЭВМ. Генерация изображения осуществляется с помощью пучка све- та высокой интенсивности, который проходит через оптическую систему и экспонирует определенные участки поверхности фото- пластины, расположенной на координатном столе. С помощью подвижной диафрагмы можно автоматически задавать форму и размеры окна, через которое проходит пучок света. Смещением координатного стола в двух взаимно перпендикулярных направле- ниях выбирают необходимые координаты на фотопластине для проведения экспонирования. Связь между передвижением коор- динатного стола, выбором формы диафрагмы и временем экспо- зиции осуществляется с помощью ЭВМ по определенной програм- ме. Генераторы изображения можно рассматривать как выходные устройства машинного проектирования топологии фотошаблонов. Применяют три разновидности генерирования изображения: микрофотонабор, фотомонтаж и сканирование светового луча с поэлементной разверткой. При микрофотонаборе топологический рисунок оригинала на- бирается из отдельных элементов. В соответствии с вводимой в ЭВМ информацией (программой) эти элементы последовательно экспонируются в соответствующих местах фотопластины. В про- стейшем и наиболее распространенном случае наборным элемен- том служит прямоугольник, размеры которого и угол поворота в 149
процессе генерирования изображения изменяются за счет подвиж- ной диафрагмы. Диафрагма размещается в предметной плоскости объектива и формирует наборные элементы путем перемещения взаимно перпендикулярных шторок. При фотомонтаже топологический рисунок набирается из стан- дартных элементов или фрагментов, также последовательно экс- понируемых в определенных местах фотопластины по заданной программе. Сканирование светового луча с поэлементной разверткой пре- дусматривает последовательное избирательное экспонирование участков фотопластины в соответствии с выбранной и введенной в ЭВМ программой. Вторая операция этого варианта аналогична третьей операции первого варианта и состоит в изготовлении эталонного фотошаблона путем мультипликации оригинала, полученного на генераторе изображений, по всему рабочему полю фотопластины. Процесс мультипликации, как правило, проводят на одноместных или многоместных фотоштампах. Третья операция второго варианта заключается в изготов- лении рабочих копий фотошаблонов методом контактной перепе- чатки рисунка с эталонного фотошаблона на рабочую фотопласти- ну (см. четвертую операцию первого варианта). Первая операция третьего варианта (рис. 8.1) состоит в создании эталонного фотошаблона, основанном на применении установок с генераторами изображений. Отличие этого варианта от предыдущего заключается в том, что полностью исключается изго- товление оригинала, а рисунок элемента, фрагмента или модуля сразу генерируется на эталонную фотопластину. Такой вариант изготовления эталонных фотошаблонов позволяет получать мини- мальные размеры модулей и в значительной степени снижать об- щие затраты трудоемкости процесса. Вторая операция этого варианта аналогична четвертой операции первого варианта. Выбор того или иного варианта изготовления фотошаблонов диктуется в первую очередь теми требованиями, которые предъяв- ляются к топологии рисунка изготовляемого прибора или вновь разрабатываемой интегральной схемы. Полупроводниковые при- боры и интегральные микросхемы, имеющие сложные элементы топологии и большую плотность их расположения, требуют более сложного варианта изготовления фотошаблонов с использованием ЭВМ. § 8.5. Промышленное изготовление фотошаблонов Для обеспечения выпуска полупроводниковых приборов и инте- гральных микросхем в настоящее время налажен промышленный цикл изготовления металлизированных фотошаблонов. Он вклю- чает в себя комплекс разнообразных технологических процессов: изготовление пластин из оптического стекла, механическую и хи- 150
мическую обработку стеклянных пластин, промывку, нанесение металлических или цветных пленок на поверхность стеклянных пластин, создание на этих пленках слоя фоторезиста, проведение контактной печати, фотохимическую обработку слоя фоторезиста, контроль качества фотошаблонов и их упаковку. Рис. 8.2. Схема серийного изготовления фотошаблонов Изготовление эталонного фотошаблона, который используется при контактной печати, проводят по одному из трех рассмотрен- ных в предыдущем разделе вариантов. На рис. 8.2 приведена схема серийного промышленного произ- водства фотошаблонов, на которой показана последовательность проведения технологических операций. Рассмотрим особенности этих технологических операций. Изготовление стеклянных пластин. В качестве исходного мате- риала для изготовления стеклянных пластин используют оптиче- ское боросиликатное стекло марки К-8, обладающее достаточной механической прочностью, не имеющее инородных включений, свилей и пузырей. Это стекло имеет широкий спектр пропускания 151
как видимого света, так и ближнего ультрафиолетового. Оно име- ет показатель преломления, равный 1,5163, и среднюю дисперсию 0,008. После варки стекло формируют для придания ему определен- ной формы и размеров. В качестве подложек для фотошаблонов используют обычно пластины квадратной формы следующих раз- меров, мм: 70X70X3, 76X76x3, 102X102X3, 127X127X3. К стек- лянным пластинам для фотошаблонов предъявляют повышенные требования по чистоте обработки поверхности и геометрическим размерам. Механическая обработка стеклянных пластин. Стеклянные за- готовки после варки и формовки подвергают механической обра- ботке: шлифовке и полировке. Процесс шлифовки проводят на шлифовальных станках с использованием микропорошков в каче- стве абразивов. Затем стеклянные пластины полируют на мягких полировальниках с использованием алмазных паст и суспензий на основе оксида хрома. Окончательную доводку производят при по- лучении 14-го класса чистоты обработки и при допустимом откло- нении от плоскостности, не превышающем 3 мкм в рабочей части пластины. Полированная поверхность стеклянных пластин не должна иметь рисок, царапин и точек микросколов. Химическую обработку стеклянных пластин проводят для уда- ления с их поверхности различного рода загрязнений. После ме- ханической обработки пластины подвергают химическому воздей- ствию щелочей, кислот и растворов солей. Такая обработка по- зволяет растворить имеющиеся на поверхности стекла посторон- ние частицы. Промывка стеклянных пластин является одним из наиболее важных технологических процессов при изготовлении фотошабло- нов. Этот процесс является логическим продолжением предыдуще- го процесса химической обработки. От качества промывки зави- сит окончательная чистота поверхности стеклянной пластины. Оставленная на поверхности инородная частица размером в 1 мкм может вызвать брак на последующей технологической опе- рации. Поэтому особое значение процесс промывки стекла имеет при изготовлении фотошаблонов с размерами элементов менее 1 мкм. Существуют различные способы очистки стекла после химиче- ской обработки: обезжиривание в ацетоне, в горячем 10 %-ном растворе соды или водном растворе бихромата калия, в горячей дистиллированной воде и метиловом спирте, в горячей проточной воде и хромовой смеси, в растворе едкого кали, в серном эфире, в смеси серного эфира и этилового спирта. Наиболее эффективной является такая последовательность технологических операций. Первая операция: обезжиривание в горячем перекисно- аммиачном растворе (являющемся хорошим окислителем и не образующем вредных соединений) с последующей промывкой про- точной деионизованной водой. 152
Вторая операция: обработка в концентрированной сер- ной кислоте с последующей промывкой в деионизованной воде. Этот процесс проводится для дополнительного окисления возмож- ных остатков жировых загрязнений и растворения некоторых не- органических веществ. Третья операция: протирка специальными кистями в про- точной деионизованной воде, которая значительно улучшает каче- ство отмывки, механически удаляя остатки реакции двух преды- дущих процессов. Четвертая операция: сушка стеклянных пластин с по- мощью центрифуги. Промышленная линия очистки стеклянных пластин обычно со- стоит из ультразвуковой очистки, обработки в горячем раствори- теле, вибрационно-химической обработки, финишной отмывки, сушки и нанесения консервирующего лакового покрытия. Нанесение металлических пленок. На чисто обработанную по- верхность стеклянной пластины в вакуумных камерах с помощью термического испарения или катодного распыления наносят слой хрома толщиной 0,1—0,2 мкм. Пленка хрома не должна иметь сквозных отверстий (проколов). Получение высококачественной пленки хрома возможно лишь при соблюдении оптимальных ус- ловий по чистоте рабочего места, незапыленности рабочих камер установок и идеальной чистоте поверхности стеклянных пластин. Большое влияние на качество-хромовых покрытий оказывают про- цесс загрузки пластин в вакуумную камеру, глубина вакуума в рабочей камере и технологический режим осаждения хрома. Прежде всего необходимо добиваться чистоты процесса загруз- ки пластин в камеру, исключая попадание пылинок на поверхность пластин и стенки камеры. Защитный консервирующий лаковый слой необходимо снимать с пластины непосредственно перед за- грузкой пластины в рабочую камеру установки. Следует обращать внимание и на чистоту исходной навески хрома. Для удаления загрязнений навеску хрома перед загрузкой в камеру подвергают отжигу при температуре, близкой к темпера- туре испарения. Нанесение цветных пленок. В качестве цветных пленок при из- готовлении фотошаблонов наиболее часто используют пленки ок- сида железа. Они могут быть нанесены на поверхность стеклянных пластин различными способами: вакуумным термическим испаре- нием оксида железа с использованием в качестве нагревателя ис- парителя электронного луча или безвакуумным термическим раз- ложением пентакарбонила железа Fe(CO)s в атмосфере кислоро- да. Толщина пленок оксида железа составляет 0,2—0,25 мкм. Для получения высококачественных пленок оксида железа необходимо выполнять требования по чистоте рабочего места и чистоте про- ведения процесса осаждения. В отличие от пленок хрома пленки оксида железа прозрачны для видимого света, что дает возможность использовать их для изготовления цветных фотошаблонов. 153
Нанесение фоторезиста. От качества пленки фоторезиста (адгезия к подложке, толщина, равномерность толщины по всей поверхности пластины, однородность, отсутствие дефектов и посто- ронних включений и т. д.) во многом зависят рабочие характери- стики фотошаблонов: форма и размер элементов микроизображе- ния, ровность края элемента, наличие или отсутствие проколов (отверстий), минимальный размер элемента и клин травления рельефа микроизображения. Поэтому к процессу нанесения фото- резиста на стеклянную пластину предъявляют высокие требова- ния как по чистоте и исходным свойствам самого фоторезиста, так и по созданию условий хорошей адгезии пленки фоторезиста к стеклу и равномерности ее по толщине. Наиболее распространенным в промышленности способом на- несения фоторезиста является центрифугирование. По этому спо- собу стеклянная подложка помещается на диск центрифуги. С помощью дозатора на поверхность подложки наносится опреде- ленное количество фоторезиста. При вращении центрифуги фото- резист равномерно распределяется по всей поверхности исходной подложки. Режим нанесения фоторезиста и его количество подби- рают экспериментально в зависимости от конкретных требований технологического процесса. После нанесения фоторезиста проводят сушку для образования механически прочной пленки. Процесс сушки ведут при темпера- туре, не превышающей 100°С, в течение 30—40 мин. Изготовление эталонного фотошаблона. Эта операция непосред- ственно не входит в общую последовательность изготовления ра- бочих копий фотошаблонов. Правильнее будет сказать, что изго- товление рабочих копий является завершающей операцией после изготовления эталонного фотошаблона. Рассмотрение данной операции именно в этом месте объясняется тем, что после нанесения фоторезиста следует операция контактной проекционной печати, а для ее осуществления необходим эталонный фотошаблон. Методы изготовления эталонных фотошаблонов описаны в предыдущем разделе данной главы. Контактная проекционная печать. Этот процесс дает возмож- ность с одного эталонного фотошаблона изготовить несколько де: сятков копий, которые являются рабочими фотошаблонами. Изго- товление копий проводят простым и надежным контактным спо- собом, который состоит в плотном прижатии эталонного фотошаб- лона к подложке с фоторезистом и экспонировании фоторезиста через эталонный фотошаблон. Недостатком контактной печати является возможность меха- нического повреждения как поверхности эталонного фотошаблона, так и слоя фоторезиста. К достоинствам следует отнести неограни- ченность площади переносимого с фотошаблона на подложку с фоторезистом рисунка микроизображения. К процессу контактной печати предъявляют два основных тре- бования: получение плотного прижима фотошаблона к пленке фо- 154
торезиста по всей контактирующей поверхности и создание равно- мерной освещенности по всему полю фотошаблона. Тиражирование рабочих фотошаблонов контактным способом проводят на специальных установках, которые обеспечивают не- равномерность освещенности рабочего поля фотошаблона ±10% и производительность 100 копий в час. Фотохимическая обработка. После проведения контактного экспонирования пластины с фоторезистом подвергают специаль- ной обработке для создания рельефа рисунка. Эта обработка включает в себя следующие технологические операции: проявле- ние изображения, промывку после проявления, сушку пленки фо- торезиста для ее полимеризации, локальное травление металличе- ских и цветных пленок, удаление фоторезиста и промывку готовых копий рабочих фотошаблонов. Для проявления позитивных фоторезистов широко используют глицериновый (1%-ный раствор тринатрийфосфата в водно-гли- цериновом составе) и щелочный (0,3%-ный раствор КОН) про- явители. Негативные фоторезисты проявляют в различных раст- ворителях: толуоле, хлорбензоле или трихлорэтилене. Промывку пластин с фоторезистом проводят в деионизованной воде. Для удаления влаги и полимеризации пленки фоторезиста про- водят термическую сушку при температуре 140—160°С в течение 30—40 мин. Травление пленки хрома при изготовлении металлизированных копий проводят в водных растворах соляной кислоты (НС1: НгО = = 1:3), а травление пленок оксида железа при изготовлении цвет- ных копий проводят в фосфорной кислоте. Удаление фоторезиста после локального травления пленок хро- ма и оксида железа проводят в установках фреоновой очистки, которые состоят из трех рабочих отсеков. Пластину с фоторези- стом помещают последовательно в каждый отсек, наполненный парами фреона. В первом отсеке установки проводят ультразвуковую обработ- ку пластины в жидком фреоне, во втором отсеке — обработку в смеси фреона с растворителями, а в третьем — обработку в парах фреона. В результате такой трехступенчатой обработки фоторе- зист полностью удаляется с поверхности пластин. Контроль фотошаблонов является сложной и трудоемкой опе- рацией. Наиболее трудоемкая часть контроля фотошаблонов от- носится к проверке качества рабочего поля. Рабочее поле фото- шаблона не должно иметь каких-либо дефектов поверхности: ско- лов, царапин, рисок, сквозных отверстий на темном поле и точек на светлом поле, дефектов края микроизображения (выступы и впадины). Контролируются следующие параметры фотошаблонов: форма и размеры элементов микроизображения, точность совме- щения элементов в комплекте фотошаблонов, чистота рабочего поля фотошаблона. Контроль фотошаблонов проводят на прецизионном измери- тельном оборудовании с использованием микроскопов. 155
Процесс аттестации готовых рабочих фотошаблонов осуще- ствляется либо переносом функций контрольного оборудования на j производственное оборудование, т. е. фиксацией процента выхода годных изделий (приборов и интегральных микросхем), либо соз- данием специализированного оборудования для контроля пара-' метров фотошаблонов. Контроль фотошаблонов первым способом проводят в том слу- чае, когда технологический процесс изготовления прибора или микросхемы хорошо отработан или сам прибор или схема доста- точно просты. Контроль фотошаблонов вторым способом проводят непосред- 1 выборочного ственно после их изготовления посредством 100%-ного контроля основных параметров. ИЛИ i Количество контролируемых фотошаблонов находится в пря- мой зависимости от сложности и минимальных размеров отдель- ных элементов микроизображения. Как правило, 100%-ной провер- ке подлежат эталонные фотошаблоны, а также рабочие копии фо- тошаблонов на этапе освоения производства новых типов прибо- < ров и микросхем. При налаженном производстве используют вы- борочную проверку фотошаблонов с оптимальным количеством наиболее важных параметров. Проверку линейных размеров отдельных элементов, фрагмен- тов и модулей проводят с помощью микроскопа по всему полю фотошаблона с увеличением в 500 раз. Ошибки при измерениях могут возникать из-за недостаточной резкости изображения, при этом размер одного и того же элемента может колебаться от 0,2 до 0,8 мкм. Кроме того, на ошибку измерения большое влияние оказывает температура окружающей среды. Так, при измерении в течение 30 мин и более пластина фотошаблона нагревается от лампы освещения, что приводит к искажению точности измерения линейных размеров на 0,5 мкм. Поэтому проводить контроль линейных размеров рекомендуется при стабильной темпера- туре окружающей среды с точностью ее поддержания не хуже ±1°С. Проверку совмещаемости комплекта фотошаблонов проводят на специальных компараторах, которые позволяют контролировать несовмещаемость элементов с точностью 0,1 мкм. Измеряют коор- динаты шаговых меток или расстояния между отдельными элемен- тами, фрагментами или модулями. Вначале измеряют координаты по оси X, при этом записывают значения кЬординаты на одном конце фотошаблона, а затем на другом. После вычитания коорди- нат получают так называемую «растяжку» первой строки из мат- рицы элементов фотошаблона на координате X. Затем повторяют аналогичные измерения по оси У и определяют «растяжку» цо этой оси. После проведения этой операции проводят аналогичную операцию на втором фотошаблоне из одного комплекта. По ре- зультатам этих измерений определяют рассовмещение элементов этих двух фотошаблонов. Повторяя эту операцию для всех фото- шаблонов одного комплекта, определяют его совмещаемость. 156
Совмещаемость комплекта фотошаблонов можно оценить с помощью процесса фотолитографии с последовательным использо- ванием фотошаблонов всего комплекта. После каждого фотолито- графического процесса визуально под микроскопом определяют со- вмещаемость двух рисунков. Этот метод широко используется в производственных условиях. § 8.6. Контактная фотолитография Контактная фотолитография предусматривает процесс образо- вания рисунка на исходной подложке с фоторезистом. Этот про- цесс включает создание контакта между фотошаблоном и под- ложкой, поэтому и получил название контактной фотолитографии. Использование фотолитографии в планарной технологии поз- воляет получать на одной подложке большое количество (десятки- и сотни тысяч) дискретных элементов и сложных схем. Технологический процесс контактной фотолитографии представ- лен на рис. 8.3 и включает в себя следующие операции: 1 — подготовка поверхности исходной подложки; 2 —нанесение на подложку слоя фоторезиста; 3 — первая сушка фоторезиста — пленкообразование; 4 — совмещение рисунка фотошаблона с рисунком на исходной подложке (если процесс фотолитографии повторяется с изменением фотошаблона); 5 — экспонирование фоторезиста контактным способом; 6 — проявление фоторезиста; 7 — вторая сушка фоторезиста — полимеризация; 8 — контроль рельефа рисунка в пленке фоторезиста; 9 — травление подложки; 10 — снятие пленки фоторезиста с поверхности подложки; 11 — контроль рельефа рисунка в подложке. Рассмотрим подробно каждую из этих операций и дадим ха- рактеристику технологическим режимам их проведения. Подготовка поверхности исходной подложки. Подготовка по- верхности исходных подложек оказывает существенное влияние- на адгезию фоторезиста к материалу подложки. Чем чище по- верхность исходной подложки, тем лучше адгезионная способность фоторезиста. Процесс смачивания поверхности исходной пластины фоторезистом является основным критерием и определяющей пред- посылкой для хорошей адгезии. Смачивание в сильной степени зависит от состояния смачиваемой поверхности подложки, т. е. or наличия на ней грязи, пыли, жировых пятен, адсорбированных газов, посторонних примесей и т. д. Удаление перечисленных видов загрязнений и особенно отпечатков пальцев обеспечивает чистоту поверхности, улучшение процесса смачивания и, как следствие» приводит к повышению адгезионных сил между фоторезистом и подложкой. Кроме указанных загрязнений, оказывающих влияние на адге- зию, существуют и другие факторы, приводящие к ее снижению» 157
К этим факторам в первую очередь следует отнести всякого рода механические повреждения поверхности исходной подложки: риски, царапины, сколы, микротрещины, углубления и пр. В этих меха- нических повреждениях находится воздух, который трудно уда- ляется при нанесении на подложку фоторезиста. Поэтому в ме- Рнс. 8.3. Схема процесса контактной фотолитографии стах механических повреждений создаются области слабой адгезии фоторезиста к подложке. Подготовка поверхности исходной подложки перед нанесением фоторезиста — это ряд последовательных обработок в химических растворах и растворителях с целью удаления различных загряз- нений и адсорбированных газов, а также увеличения гидрофоб- ности поверхности. Наиболее эффективным способом обработки является промыв- ка исходных подложек в различных растворителях: трихлорэти- лене, толуоле, амилацетате, ацетоне и этиловом спирте. Некоторые 158
виды загрязнений труднее поддаются удалению, и их можно удалить только кипячением подложек в серной или азотной кис- лотах. Нанесение на подложку слоя фоторезиста. От этой операции зависят основные параметры пленки фоторезиста: бездефектность^ толщина, равномерность толщины по всей поверхности подложки,, адгезия и воспроизводимость результатов. Для нанесения слоя фоторезиста на подложку применяют различные способы: центрифугирование, распыление (пульвериза- ция), окунание в растьор фоторезиста, полив и накатка валиком. Эти способы находят применение в различных областях произ- водства микроэлектронного приборостроения. Так, способы центри- фугирования и распыления в настоящее время используют при производстве полупроводниковых приборов и интегральных микро- схем с большой плотностью элементов и малыми размерами. Окунание в раствор фоторезиста применяют в тех случаях,, когда необходимо сразу нанести фоторезист на обе поверхности исходной подложки. Заливку и накатку валиком применяют глав- ным образом для изготовления печатных плат. Способ центрифугирования является одним из наиболее распро- страненных в полупроводниковой технологии способов нанесения фоторезиста на поверхность подложки. При сравнительно неслож- ном оборудовании этот способ позволяет получать достаточна равномерные пленки фоторезиста (разброс по толщине не превы- шает ±Ю°/о). Способ распыления (пульверизации) не нашел широкого распространения в промышленном производстве. Перед нанесением фоторезиста на подложку он подвергается фильтрации с целью удаления из него механических примесей. До фильтрации проводят контроль вязкости фоторезиста и при необходимости разбавляют его до требуемого значения вяз- кости. Для нанесения слоя фоторезиста подложку располагают на диске центрифуги и прочно закрепляют. С помощью дозатора на поверхность подложки нанбсят определенное количество фоторе- зиста, дают возможность ему растечься по поверхности подложки и после этого включают вращение диска центрифуги. При вра- щении под действием центробежной силы фоторезист равномерна распределяется по поверхности подложки. Толщина пленки фоторезиста зависит от частоты вращения центрифуги, вязкости фоторезиста, характера подложки (химиче- ская природа материала, качество обработки поверхности и ее чистота) и центровки подложки относительно оси центрифуги. Частоту вращения диска центрифуги выбирают в диапазоне 2000—15000 об/мин. При частоте вращения подложки менее- 2000 об/мин возможно образование валика фоторезиста по пери- метру подложки, возникающего за счет поверхностного натяже- ния. При частоте вращения более 15000 об/мин возможно полное удаление фоторезиста с поверхности подложки за счет увеличения центробежных сил, действующих на фоторезист. 15»
Конкретный технологический режим нанесения фоторезиста на подложку выбирают в зависимости от типа используемого фото- резиста, вида центрифуги и материала исходной подложки. Критерием выбора толщины пленки фоторезиста, с одной сто- роны, является бездефектность (отсутствие проколов), с другой стороны, высокая разрешающая способность. При толщинах пленок фоторезиста менее 0,2 мкм вероятность Рис. 8.4. Зависимость раз- решающей способности фо- торезистов от толщины пленки появления проколов резко увеличивается, что не дает возможно- сти практического их использования. При толщинах пленок более 1 мкм разрешаю- щая способность их снижается настолько, что не позволяет получать элементы с малыми размерми. Поэтому рекомендует- ся наносить пленки фоторезиста толщиной от 0,3 до 0,8 мкм. При выборе толщины пленки фоторезиста необходимо учиты- вать тот факт, что при проявлении они набухают. Чем толще пленка фоторези- ста, тем больше деформация пленки при набухании. При малых размерах элементов ри- сунка такая деформации пленки фоторе- зиста при набухании может привести к смыканию соседних элементов рисунка. При больших толщинах пленки фото- резиста силы, вызванные процессом набухания, могут быть столь значительными, что разрушат связи между подложкой и пленкой фоторезиста. Это приводит к смещению пленки фоторезиста отно- сительно подложки и, как следствие, к изменению формы и разме- ров элементов рисунка. Следует отметить, что с увеличением толщины пленки фото- резиста возрастает влияние рассеяния света в самой пленке, что также приводит к изменению размеров элементов рисунка. На качество рисунка большое влияние оказывает неоднород- ность пленки фоторезиста по толщине. С увеличением неоднород- ности пленки уменьшается разрешающая способность ее отдель- ных участков. На рис. 8.4 показан график зависимости разрешающей способ- ности фоторезиста от толщины пленки фоторезиста. На графике обозначены две области, ограничивающие выбор толщины пленки при ее нанесении на подложку. Вертикальная область (на рисунке заштрихована), ограничивающая толщину пленки снизу, характе- ризуется низкой совершенностью пленки и наличием в ней боль- шого числа проколов. Горизонтальная область (на рисунке за- штрихована), ограничивающая толщину пленки фоторезиста сверху, характеризуется минимально возможной разрешающей спо- собностью фоторезиста, необходимой для проведения процесса фотолитографии. 160
Первая сушка фоторезиста — пленкообразование. Эту опера- цию проводят для удаления растворителя из слоя фоторезиста и образования прочной и однородной пленки. Сушка полимерных пленок является одной из важнейших операций, так как от нее зависят адгезия и наличие внутренних механических напряжений в пленке. Деформация пленки фоторезиста при ее сушке вызывается не- равномерностью удаления растворителя с поверхности пленки и с ее более глубоко залегающих слоев. Это приводит к короблению пленки и изменению ее равномерности по толщине. В связи с этим необходимо выбирать такие режимы сушки, которые давали бы возможность равномерного испарения растворителя из пленки фо- торезиста и снижения внутренних механических напряжений. Для этого используют двухступенчатый температурный цикл сушки, который обеспечивает плавный процесс удаления растворителя из пленки фоторезиста. Критерием для выбора температуры сушки является темпера- тура, при которой происходит полимеризация пленки фоторезиста. Для различных типов фоторезистов температура полимеризации соответствует 140—200°С. Поэтому первый процесс сушки обычно проводят при температуре значительно ниже температуры поли- меризации. Для получения высококачественных пленок фоторези- стов их сушат в два этапа, сначала при температуре 18—20°С в течение 15—30 мин, а затем при температуре 90—100°С в тече- ние 30—60 мин. Процесс сушки рекомендуется проводить в инертной атмосфере, так как при сушке на воздухе возможно окисление фоторезиста. В качестве источников излучения в оборудовании сушки фоторе- зистов в настоящее время используют инфракрасный нагрев. Совмещение рисунка фотошаблона с рисунком на исходной пластине. Эта операция в первичном процессе фотолитографии от- сутствует, так как на исходной подложке еще нет рисунка мидро- изображения. Операция совмещения появляется лишь в том слу- чае, если процесс фотолитографии повторяется, а рисунок фото- шаблона при второй фотолитографии изменяется. Сущность про- цесса совмещения состоит в том, чтобы рисунок на исходной под- ложке, полученный в процессе первой фотолитографии, совместить с рисунком на фотошаблоне, который используется в процессе второй фотолитографии. Точность совмещения этих двух рисунков зависит от трех фак- торов: точности совмещения фотошаблонов в комплекте, точности воспроизведения форм и размеров элементов рисунка в процессе фотолитографии и точности самой операции совмещения. Для облегчения процесса совмещения на фотошаблонах изготовляют специальные знаки, которые представляют собой фигуры совме- щения в виде крестов, уголков, квадратов и др. Форму фигур сов- мещения выбирают в зависимости от типа используемого в про- цессе фотолитографии фоторезиста (негативного или позитивного). Если фигура совмещения на фотошаблоне представляет собой 6-210 161
прозрачное окно, то по своим размерам она должна охватывать аналогичную фигуру совмещения на подложке. Если же фигура совмещения на фотошаблоне — непрозрачный элемент, то она должна охватываться аналогичной фигурой совмещения на под- ложке. Операцию совмещения проводят на специальной установке для совмещения микроизображений, основными элементами которой являются предметный стол со сферическим основанием, рамка для закрепления фотошаблона и устройётво для точного перемещения рамки и поворота предметного стола. Перед процессом совмеще- ния подложку помещают на предметном столе так, чтобы слой фоторезиста был сверху. Над поверхностью подложки располагают фотошаблон, закрепляя его в подвижной рамке. Между подложкой и фотошаблоном оставляют воздушный зазор для свободного пе- ремещения фотошаблона относительно подложки. Совмещения рисунка на фотошаблоне и подложке достигают с помощью перед- вижения рамки с фотошаблонов в двух взаимно перпендикуляр- ных направлениях и поворота рабочего стола с подложкой вокруг вертикальной оси. После достижения совмещения двух рисунков плоскость под- ложки плотно прижимают к поверхности фотошаблона. Экспонирование фоторезиста контактным способом. Операцию экспонирования проводят для того, чтобы в фоторезисте произош- ли фотохимические реакции, которые изменяют исходные свойства фоторезиста. От этой операции зависит качество переноса микроизображе- ния с фотошаблона на пленку фоторезиста. Поэтому основной целью операции экспонирования является высокоточное воспроиз- ведение пленкой фоторезиста всех элементов, фрагментов и моду- лей топологии полупроводникового прибора или интегральной микросхемы. На процесс экспонирования оказывают влияние следующие факторы: качество фотошаблона, свойства фоторезиста, качество пленки фоторезиста, свойства подложки, оптические явления в системе подложка — фотошаблон, качество процесса совмещения. При контактном экспонировании свет проходит через фотошаб- лон и попадает на слой фоторезиста. Следовательно, зарождение элементов рисунка в пленке фоторезиста будет зависеть от опти- ческой плотности темных и светлых участков рисунка фотошабло- на, от коэффициентов преломления стеклянной основы фотошабло- на и коэффициента отражения металлизированного слоя, резкости и ровности края элемента рисунка на фотошаблоне. Выбор источника света для операции экспонирования зависит от светочувствительности, контрастности, области спектрального поглощения, коэффициента преломления и разрешающей способ- ности исходного фоторезиста. Основными требованиями, которые предъявляют к источникам света при проведении процесса экспо- нирования, являются спектр и интенсивность излучения. Для экспонирования используют различные источники света, спектры 162
излучения которых соответствуют максимумам спектральной чув- ствительности фоторезистов. Наиболее широко применяют ртутно- кварцевые и ксеноновые лампы. Для качественного проведения процесса экспонирования необ- ходимо использовать устройства, позволяющие получать парал- лельность лучей в пучке света. Создание такого пучка света дает возможность уменьшить размеры области полутеней, возникающих в зазоре между подложкой и фотошаблоном, и тем самым значи- тельно улучшить воспроизводимость рисунка. Большую роль при экспонировании фоторезиста играет равно- мерность освещенности по всему полю фотошаблона. Основными оптическими эффектами при проведении операции экспонирования являются дифракция света на границе фотошаб- лон— пленка фоторезиста, рассеяние света в пленке фоторезиста и отражение света от подложки и металлизированной пленки фо- тошаблона. Эти эффекты определяют предельную возможность контактного процесса экспонирования. Дифракционные эффекты при прохождении света через фото- шаблон к пленке фоторезиста при экспонировании вызываются наличием зазора между фотошаблоном и подложкой. Чем больше зазор, тем сильнее влияние дифракции на процесс экспозиции и качество передаваемого рисунка. Дифракционные явления оказы- вают влияние на распределение световой энергии на поверхности фоторезиста и тем самым на- изменение размеров элементов при контактной фотолитографии. Дифракционные явления вызывают нерезкость и неровность края элемента рисунка при экспонирова- нии и проявлении. Это происходит за счет облучения участков пленки фоторезиста, находящейся под непрозрачным участком фотошаблона. Таким образом, для уменьшения влияния эффекта дифракции при проведении экспонирования необходимо плотно прижимать фотошаблон к подложке с целью исключения зазора между ними или сведения этого зазора к минимуму. Другим важным оптическим эффектом при проведении экспо- нирования является прохождение света через пленку фоторезиста. Световой поток, проходя через пленку фоторезиста, рассеивается в ней, доходя до подложки, отражается от нее и возвращается обратно в пленку. Дойдя до поверхности фотошаблона, световой поток отражается от металлизированного слоя фотошаблона . и снова попадает в пленку фоторезиста. Эти отражения светового потока приводят к нежелательному дополнительному экспониро- ванию участков пленки фоторезиста, находящегося под непроз- рачным участком фотошаблона. Отраженный поток света зависит от коэффициентов отражения подложки и металлизированных участков рисунка фотошаблона. Поэтому снижение коэффициента отражения фотошаблона уменьшает влияние эффекта отражения и рассеяния света в пленке фоторезиста, находящейся под непроз- рачным участком рисунка фотошаблона. С целью снижения эффек- та отражения используют для контактной экспозиции вместо ме- 6* , 163
таллизированных фотошаблонов цветные, коэффициент отражения которых значительно ниже. Проявление фоторезиста. Операция проявления пленки фото- резиста после ее экспонирования заключается в обработке под- ложки с пленкой в специальных растворах с целью удаления с поверхности подложки определенных участков пленки фоторези- ста: облученных — для позитивных и необлученных — для негатив- ных фоторезистов. Процесс проявления негативных и позитивных фоторезистов неодинаков. Различие состоит в химических реакциях, которые протекают в этих фоторезистах при воздействии на них опреде- ленных растворов. Так, процесс проявления негативных фоторе- зистов является типичным физико-химическим процессом раство- рения полимерных материалов. Поэтому в качестве проявителей для негативных фоторезистов используют органические раствори- тели: толуол, хлорбензол, трихлорэтилен и др. При воздействии растворителей на негативные фоторезисты происходит значитель- ное набухание облученных и растворение необлученных участков пленки. На процесс проявления негативных фоторезистов оказывает влияние экспозиция. При недостаточной экспозиции облученные участки фоторезиста могут полностью раствориться при проявле- нии или набухнуть до соединения соседних элементов между собой. По набухаемости пленки негативного фоторезиста после проявле- ния судят о правильности выбора режима экспозиции. Существен- ным моментом в операции проявления негативных фоторезистов является то, что для них не опасно перепроявление, если экспо- зиция выбрана правильно. Поэтому процессы проявления негатив- ных фоторезистов легко поддаются автоматизации. Процесс проявления позитивных фоторезистов более сложен. Он основан на протекании химического процесса взаимодействия продуктов фотолиза нафтохинондиазидов и фенольных смол с щелочными растворами с последующим физико-химическим уда- лением продуктов реакции. Поэтому в качестве проявителей для позитивных фоторезистов обычно используют сильно разбавлен- ные водные растворы едкого кали и натра или тринатрийфосфата. Характерной особенностью процесса проявления позитивных фото- резистов является их чувствительность к перепроявлению, т. е. К чрезмерно длительному пребыванию проэкспонированной пленки фоторезиста в проявителе. Это объясняется тем, что при длитель- ном взаимодействии пленки фоторезиста с проявителем необлу- ченные ее участки начинают химически взаимодействовать с проя- вителем и постепенно растворяться в нем. Обычно время прояв- ления позитивных фоторезистов не превышает нескольких десятков секунд. В процессе проявления негативных и позитивных фоторезистов выявляются паразитные эффекты, связанные с дифракцией света на краю непрозрачной части фотошаблона, рассеянием света в пленке фоторезиста и отражением света от нидложки и фотошаб- 164
лона. Все эти факторы приводят к появлению клина проявления в пленке фоторезиста у края элемента микроизображения. Вторая сушка фоторезиста — полимеризация. Эта операция проводится для удаления из набухшей пленки остатков проявителе и термической полимеризации пленки фоторезиста. Этот процесс' иногда называют задубливанием фоторезиста. Вторую сушку про- водят при более высокой температуре, чем первую сушку после* нанесения фоторезиста на поверхность подложки. Для получения- более качественной пленки фоторезиста вторую сушку проводят в два этапа: сначала пленку сушат при температуре 18—20°С в те- чение 15—30 мин, а затем при температуре 140—200°С (в зависи- мости от типа фоторезиста) в течение 30—60 мин. В качестве источника теплоты широко используют инфракрас- ное излучение. Контроль рельефа рисунка в пленке фоторезиста. Контроль проводят визуально под микроскопом. Проверяют всю рабочую поверхность подложки с имеющимися на ней элементами рисунка из пленки фоторезиста. Контролируются следующие основные критерии качества пленки: чистота рабочего поля пленки фото- резиста, наличие проколов и их количество, геометрические раз- меры элементов рельефа, неполное удаление фоторезиста в окнах (при позитивном фоторезисте) или за окнами, (при негативном фоторезисте), искажение формы элементов рисунка, наличие орео- ла и клина в рельефе рисунка. При обнаружении того или иного дефекта в пленке фоторези- ста проводят анализ возможных причин его появления. После этого составляют план мероприятий по проверке отдельных технологических операций фотолитографического процесса. Травление подложки. Операцию травления подложки проводят с целью переноса изображения рисунка с пленки фоторезиста на подложку. Перенос изображения осуществляется методом хи- мического травления локальных участков подложки через откры- тые места в маске, роль которой выполняет пленка фоторезиста заданного рельефа. Процесс избирательного травления материала подложки является завершающей стадией формирования тополо- гии рисунка в фотолитографическом цикле. Основными требова- ниями, предъявляемыми к этому процессу, являются минимальное искажение формы и размеров переносимого рисунка и его отдель- ных элементов, достижение нужной глубины вытравливания про- филя рисунка, полное стравливание металлических и диэлектри- ческих пленок с поверхности подложки, не защищенных слоем фоторезиста, минимальное воздействие травителя на пленку фото- резиста. На процесс травления оказывают влияние температура и тип выбранного травителя и кинетика химической реакции взаимодей- ствия травителя с материалом подложки. Важной особенностью локального травления через пленку фо- торезиста является то, что в процессе химической обработки происходит не только травление материала по глубине, но и под- 165.
травливание его под защитной пленкой фоторезиста. В результате образуется клин травления в рельефе подложки. Клин травления зависит как от качества химической обработки указанных факто- ров, так и от качества предыдущих технологических операций (нанесения, сушки, экспонирования, проявления). Перенос изображения с пленки фоторезиста может проводиться: на подложку из полупроводниковых материалов (германий, крем- ний, соединения типа A™BV и др.), на диэлектрические слои (SiO2 и Si3N4), осажденные на подложке, на металлические пленки (Ni, Au, Al, Си, Ag, Cr, Zn и др.), нанесенные на подложки и на различного рода резистивные пленки. В каждом конкретном слу- чае выбирают определенный травитель и экспериментальным пу- тем подбирают оптимальный режим химической обработки. Для вытравливания рельефа в полупроводниковых подложках (Ge, Si, соединения типа AniBv и др.) разработаны и широко используются различные кислотные и щелочные травители (см. гл. 4). Для получения рельефа в пленках SiO2 широко используют травитель следующего состава: HF : NH4F : Н2О = 2 : 7 : 1. Травление пленок нитрида кремния проводят в кипящей фос- форной или в концентрированной плавиковой кислоте. Медь хорошо травится в 65%-ном растворе хлорного железа FeCl3; алюминий — в 10—20%-ных водных растворах щелочей NaOH и КОН; серебро — в концентрированных азотной и серной кислотах; хром — в смеси концентрированной серной кислоты и воды в соотношении 1:1; цинк хорошо растворяется в соляной, азотной, серной кислотах и в растворах щелочей) никель — в азот- ной кислоте и в смеси азотной и серной кислот; золото травится в царской водке (смесь азотной и соляной кислот в соотношении 1:3.) Снятие пленки фоторезиста с поверхности подложки. Эта опе- рация является завершающей в общем цикле процесса фотолито- графии. Для удаления пленки фоторезиста с поверхности подлож- ки в настоящее время используют физико-химические методы, основанные на предварительном набухании пленки фоторезиста в растворителях и кислотах и механическом удалении набухшего фоторезиста с поверхности подложки. Наиболее качественное уда- ление фоторезиста с поверхности пластины получают при ионно- плазменной и плазмохимическсй обработке. В качестве рабочих реактивов используют смеси газов: азота, кислорода и аргона. § 8.7. Проекционная оптическая фотолитография Кроме описанной контактной перепечатки переносить изображение с фотошаблона на исходную подложку с фоторезистом можно методом проекционной печати. При использовании проекционной фотолитографии исключаются операции контактирования фотошаб- 166
лона с подложкой. Долговечность фотошаблонов в этом случае становится теоретически бесконечной. Проекционный метод фотолитографии позволяет избежать не- достатков, присущих контактной фотолитографии. Так, при проек- ционном методе переноса изображения рисунок фотошаблона проецируется через специальный объектив с высокой разрешаю- щей способностью на поверхность подложки, а совмещение ри1 Рис. 8.5. Схема оптической проекционной фотолитографии: а — прямого проецирования; б — совмещения; в — обратного отображения сунков осуществляется с использованием того же объектива. Устраняется также проблема глубины резкости объективов и связанная с ней проблема точности установки малых зазоров между фотошаблоном и подложкой, так как оператор может про- водить совмещение рисунков в одной плоскости фотошаблона либо в плоскости подложки. Таким образом, проекционный метод фотолитографии повышает точность совмещения, упрощает сам процесс совмещения, снижает время процесса совмещения. Проекционную фотолитографию можно осуществить тремя спо- собами. Первый способ предусматривает одновременную передачу всех элементов рисунка фотошаблона путем проецирования его на по-, верхность подложки, покрытой слоем фоторезиста. Второй способ включает последовательное поэлементное (шаго- вое) проецирование отдельных фрагментов или модулей на по- верхность подложки с фоторезистом. Третий способ основан на последовательном вычерчивании рисунка изображения в. слое фоторезиста подложки сфокусиро- ванным до определенных размеров световым луцем, управляемым, по определенной программе от ЭВМ. 167
Наиболее широкое применение в проекционной фотолитографии нашел первый способ. Второй способ используется в фотоштам- пах для мультипликации отдельных модулей рисунков фотошабло- на по рабочему полю подложки. Третий способ находит примене- ние при изготовлении фотошаблонов. Первый способ проекционной фотолитографии может ' быть реализован с использованием трех различных вариантов оптиче- ских схем (рис. 8.5). Первый вариант оптической схемы представлен на рис. 8.5, а. Он предусматривает прямое проецирование изображения фото- шаблона на подложку с совмещением и экспонированием от од- ного источника света. По этой схеме пучок света от источника 1 проходит через конденсор 2, фильтр 3, фотошаблон 4 и попа- дает на полупрозрачное зеркало 7, с которого через проекцион- ный объектив 8— на подложку 9 с фоторезистом. При обратном ходе лучей через объектив 8 и зеркало 7 с помощью микроскопа 5 на экране 6 наблюдают рисунок, имевшийся на подложке, и новый рисунок, спроецированный на ее поверхность с фотошабло- на. Преимущества данной оптической схемы состоят в том, что при переходе от операции совмещения к операции экспонирования не требуется дополнительной настройки и второго источника света. Однако эта схема обладает и недостатками: а) лучи света при проецировании изображения и совмещении рисунков проходят через наклонно расположенное зеркало, что приводит к искаже- ниям рисунка изображения; б) при проведении совмещения прое- цируемое изображение дважды проходит через объектив и, сле- довательно, ошибки изображения, обусловленные погрешностями объектива, удваиваются; в) рассеяние пучка света на линзах объектива вызывает некоторую потерю контрастности изображения рисунка. Второй вариант оптической схемы (рис. 8.5, б) не имеет недо- статков первого варианта. Здесь свет от источника 1 проходит через конденсор 2, фильтр 3, фотошаблон 4, объектив 8 и по- падает сразу на подложку 9 с фоторезистом. Совмещение рисунка подложки с рисунком фотошаблона производят с помощью зер- кала 7 и микроскопа 5. Недостатком этого варианта оптической схемы является то, что угловая апертура лучей света, исполь- зуемых для экспонирования и совмещения, в наблюдаемой обла- сти под зеркалом 7 уменьшается, а это в свою очередь приводит к искажению изображения и увеличению ошибки совмещения. Третий вариант оптической схемы (рис. 8.5, в) дает возмож- ность обратного отображения рисунка подложки на поверхность фотошаблона. С оптической точки зрения данный вариант является наиболее оптимальным. В этой схеме свет от источника 1 прохо- дит через конденсор 2, фильтр 3, фотошаблон 4, объектив 8 и попадает на полупрозрачное зеркало 7, с которого проецируется на подложку 9 с фоторезистом. При обратном ходе светового луча рисунрк подложки отображается на поверхности фотошаблона 4, ход лучей от фотошаблона к подложке полностью совпадает с 168
обратным ходом лучей от подложки к фотошаблону. Данный ва- риант схемы позволяет выбирать оптимальные условия освещения как при экспонировании, так и при совмещении. Для экспониро- вания используется источник света 1, а для совмещения — источ- ник света 10. Достоинством схемы является то, что между фото- шаблоном и подложкой нет никаких дополнительных оптических элементов, кроме объектива и зеркала. Недостатком схемы яв- ляется необходимость при проведении процесса экспонирования менять местами источник света и микроскоп, а при проведении процесса совмещения — использовать второй источник света. При проведении процессов проекционной фотолитографии учи- тывают совместимость отдельных компонентов оптической системы источник — объектив — фоторезист. Это необходимо для выбора источника света и согласования его со спектральной чувствитель- ностью используемого фоторезиста. § 8.8. Рентгенолитография Под рентгенолйтографией принято понимать процесс образования рисунка микроизображения на подложке со специальным чувстви- тельным слоект с помощью рентгеновских лучей. Интерес к этому процессу вызван тем, что он позволяет получать элементы инте- гральных микросхем с размерами менее 0,1 мкм. При обычной фотолитографии таких размеров элементов рисунка получить нельзя из-за физических ограничений оптических средств, связан- ных с длиной волны применяемого ультрафиолетового света. Основным физическим явлением, ограничивающим возможность фотолитографии, является дифракция. Известно из оптики, что дифракционное рассеяние света уменьшается с уменьшением дли- ны волны, поэтому переход к использованию для целей литографии излучений с более короткой длиной волны позволит получать мень- шие абсолютные размеры элементов изображений. Для рентгенолитографического процесса обычно используются мягкие рентгеновские лучи с длиной волны 1 нм. Это дает воз- можность получать высокую разрешающую способность изображе- ния даже при существующих минимальных зазорах между фотошаб- лоном и подложкой. К недостаткам рентгенолитографии следует в первую очередь отнести сложность и специфичность применяемого фотошаблона, а также необходимость защиты персонала от рентге- новского излучения. Процесс рентгенолитографии состоит в следующем. На под- ложку наносят чувствительный к рентгеновскому излучению мате- риал (рентгенорезист). Обычно для этих целей используют состав на основе полиметилметакрилата. Фотошаблоном служит пластина из кремния, на поверхность которой нанесена тонкая пленка зо- лота, в которой создается рельеф определенного рисунка. Так как слой золота сильно поглощает рентгеновские лучи, то пленка золота на кремнии играет роль маски при рентгенолито- графии (см. § 12.2). 169
§ 8.9. Дефекты фотолитографического процесса Все дефекты, возникающие в процессе проведения различных стадий фотолитографии, можно разбить на четыре основные группы. Первая группа — дефекты, связанные с применением фото- шаблонов— основных инструментов, с помощью которых форми- руется рельеф изображения в пленке фоторезиста. Вторая группа — дефекты, связанные с качеством самой пленки фоторезиста и способами ее получения. Третья группа — дефекты, возникающие при экспонировании пленки фоторезиста. Четвертая группа — дефекты, связанные с процессом переноса изображения с пленки фоторезиста на подложку, т. е. с процес- сами локального травления подложки. Дефекты фотошаблонов оказывают существенное влияние на качество всего процесса фотолитографии. К дефектам фотошаб- лонов относят наличие на поверхности механических поврежде- ний (рисок, царапин, сколов), сквозные отверстия на темном поле рисунка и непрозрачные точки на светлом поле, неровность края, формы и размеров элементов рисунка на фотошаблоне относи- тельно исходных данных, несовмещаемость элементов в комплекте фотошаблонов. Тщательный контроль указанных дефектов и отбраковка не- качественных фотошаблонов перед запуском их в работу позво- ляют снизить общий процент брака на операции фотолитогра- фии. z Дефекты пленки фоторезиста возникают в процессе ее нанесе- ния на поверхность подложки и связаны с неправильно выбран- ным технологическим режимом. К дефектам пленки фоторезиста относятся завышенная или заниженная толщина пленки, разно- толщинность пленки по рабочему полю, низкая адгезия пленки к подложке. Толщина пленки и ее разнотолщинность определяются как спо- собом нанесения пленки, так и предварительной обработкой по- верхности подложки. Основными факторами, которые обусловли- вают неровность пленки фоторезиста, могут быть чрезмерная густота фоторезиста, низкая частота вращения диска центрифуги, отклонение диска центрифуги от горизонтальной плоскости и его несоосность. На адгезию пленки фоторезиста к подложке оказы- вают влияние чистота исходной подложки, чистота фоторезиста и способ нанесения. Необходимо отметить, что появление указанных дефектов плен- ки фоторезиста служит критерием при отбраковке на данной операции. Подложки с забракованной пленкой фоторезиста на- правляют на операцию «снятие фоторезиста». После соответствую- щей подготовки поверхности они снова поступают на операцию «нанесение фоторезиста». 170
Таким' образом, процесс фотолитографии повторяется, что вле- чет за собой определенные экономические затраты, зато исходные параметры подложки не изменяются. Это очень важный момент в общем цикле производства полупроводниковых приборов. Если качество пленки фоторезиста удовлетворяет требованиям процесса фотолитографии, то она поступает на операции, которые могут создавать свою группу дефектов. К этим операциям отно- сятся экспонирование и проявление фоторезиста. Операции экспонирования и -проявления могут вызвать такие дефекты, как проколы в пленке фоторезиста, изменение размеров облученных и необлученных участков пленки фоторезиста за счет эффектов дифракции, рассеяния и отражения, неровность края элемента рисунка и клин проявления. Проколы в пленке фоторе- зиста возникают по двум причинам: наличие в пленке фоторезиста инородных включений и использование некачественных или силь- но изношенных фотошаблонов. Изменение геометрических размеров элементов изображения связано с наличием зазора между фото- шаблоном и подложкой с фоторезистом. Плохой контакт между эле- ментами при экспонировании приводит к изменению переносимого с фотошаблона на подложку рисунка за счет эффекта дифракции света. Неровность края элемента в виде выступов и впадин может образовываться из-за наличия в пленке фоторезиста субполимер- ных частиц размером 0,3—0,5 мкм. Появление таких частиц свя- зано с неполной растворимостью сухого фоторезиста в рабочих составах. Для предупреждения этого дефекта необходимо более тщательно фильтровать фоторезист. Клин проявления в пленке фоторезиста может быть уменьшен оптимальным подбором экс- позиции и использованием определенного типа проявителя. Кроме указанных дефектов при недостаточно отработанных процессах экспонирования и проявления могут иметь место дефек- ты, связанные с остатками пленки фоторезиста в тех местах, где она должна быть полностью удалена, и, наоборот, удаление части пленки фоторезиста из мест, где она должна полностью сохра- няться. Этот вид дефекта может быть исключен точным подбо- ром экспозиции и времени проявления. Дефекты, возникающие при переносе рисунка изображения с пленки фоторезиста на подложку, т. е. при проведении процесса локального травления, являются окончательными и исправлению не поддаются. К этим дефектам относится полное или частичное отслаивание пленки фоторезиста от подложки в процессе травле- ния.
Глава 9 ПОЛУЧЕНИЕ СТРУКТУР МЕТОДОМ ДИФФУЗИИ Диффузия легирующих примесей в полупроводниковые кристаллы вошла в промышленное производство в 60-е годы и до сих пор является основным технологическим методом создания электриче- ски гетерогенных структур при изготовлении различных типов полупроводниковых приборов и ИМС. Для осуществления диффу- зии полупроводниковую пластину помещают в нагретую до высо- кой температуры кварцевую трубу диффузионной печи. Через трубу пропускают пары легирующей примеси, которые адсорби- руются на поверхности пластины и диффундируют в кристалличе- скую решетку полупроводника. Отличительные особенности диффузии в планарной технологии состоят в том, что примесь вводят в полупроводниковую пластину локально в ограниченные защитной маской окна, а сам процесс осуществляют в две стадии: предварительная загонка нужного количества примеси и последующая разгонка на требуемую глу- бину и до необходимого уровня концентрации. Важными техно- логическими факторами являются способы проведения диффузии и виды диффузантов. В практике технологических расчетов диффузионных структур большое распространение получили задачи по определению профи- лей распределения примесей по заданным режимам диффузии и об- ратные задачи — определение длительности и температуры диффузии по известному типу примеси, ее концентрации и глубине залегания р-п-перехода. Создание ИМС потребовало разработки диффузион- ных методов изоляции отдельных элементов, размещаемых на одной подложке, а также изготовления не только активных, но и пассивных элементов (резисторов, конденсаторов). Введение примесей диффузионным способом сопровождается их воздейст- вием на кристаллическую решетку полупроводника, что приводит к возникновению дефектов в диффузионных структурах. Знание особенностей образования и возможных способов предотвращения таких дефектов необходимо для овладения процессом диффузии. В немалой степени этому способствуют методы контроля диффу- зионных структур: измерение глубины залегания р-п-перехода, поверхностного сопротивления и концентрации, плотности дисло- каций. § 9.1. Распределение примеси при диффузии Диффузия примесных атомов в твердом теле происходит вследст- вие хаотического теплового движения в направлении убывания их концентрации. Микроскопическое перемещение атомов происхо- дит либо по вакансиям, либо по междоузлиям. Диффузия основ- ных легирующих примесей в полупроводниках совершается, как правило, по вакансиям, тогда как прочих примесей — по междо- 172
узлиям. В полупроводниковой технологии наибольший интерес представляют два случая распределения примесных атомов. 1. Если диффузия идет из источника с ограниченным содержа- нием примеси, находящейся в начальный момент в бесконечно тонком поверхностном слое, то профиль распределения концентра- ции имеет вид С (х, t) - —7==- exp ( —), (9.1) ’ Y^Dt 4Dt ) где N — плотность атомов примеси под единицей площади поверх- ности, неизменная в любой момент диффузии, ат/см2; х— глуби- на, соответствующая данной концентрации, см; D — коэффициент диффузии примеси, см2/с; t — длительность диффузии, с. Глубина залегания диффузионного р-п-перехода х}=2 VDt V 1п(С0/Св), (9.2) где Св — концентрация примеси в исходной пластине полупровод- ника. При х = 0 поверхностная концентрация примеси Для многих практических случаев глубина р-п-перехода Xj^. 6 VDt. (9.4) 2. Если диффузия идет из источника с постоянной поверхност- ной концентрацией примесных атомов Со, то распределение имеет вид C{x,t^CoeTiz-^=r. (9.5) Для допустимого упрощения вместо erfc-функции можно использо- вать аппроксимацию erfc —^=- ~ exp [—( ~L—--ф 0,3?]. (9.6) 2 VDt r L \ 2 VDt / ] Для этого случая глубина залегания р-п-перехода Xj=2 VDt (/ln(C0/(Cs)- 0,3) . (9.7) При последовательной диффузии ряда примесей пластина полу- проводника подвергается многократным циклам диффузии. Для расчета С(х, t) в этом случае следует использовать сумму: Dt=Dlt1-\-D2tz-\-D3t3-\-... . (9.8) Электронно-дырочные переходы, образованные методом диффу- зии, обладают плавным распределением примеси, крутизна кото- рого характеризуется градиентом концентрации а. Зависимость напряжения лавинного пробоя от градиента кон- центрации примеси для линейного р-п-перехода в Ge, Si, GaAs и 173
GaP при комнатной температуре показана на рис. 9.1. Штриховая линия обозначает максимальный градиент концентрации, выше которого преобладающую роль в электрическом пробое играет туннельный эффект. Для приближенных расчетов напряжения пробоя плоскостного р-п-перехода с постоянным градиентом кон- центрации примеси а (см-4) используют выражение £7„роб=60 (Af/l,l)1’2(3- 1020/а)0’4, где \Е — ширина запрещенной зоны, эВ. Рис. 9.1. Зависимость напряжения лавинного пробоя от градиента концентрации примеси для р-п-переходов на Ge, Si, GaAs и GaP Понятие плавного, как и резкого, р-п-перехода идеализирова- но. С ростом глубины диффузии и более высоким содержанием примеси в исходной пластине переход является более плавным и лучше соответствует модели перехода с линейным распределе- нием примеси в области пространственного заряда (ОПЗ). Чем меньше глубина диффузии и концентрация примеси в исходной пластине, тем лучше приближение к резкому переходу. Диффузия в планарной технологии. В планарной технологии диффузию проводят в две стадии, что особенно важно, если тре- буется получить хороню контролируемую низкую поверхностную концентрацию. Вначале осуществляют короткую диффузию из источника с постоянной поверхностной концентрацией — загонку. Поверхностная концентрация при этом определяется либо предель- ной растворимостью примеси, либо содержанием примеси в источ- нике диффузанта. Затем пластины вынимают из печи и удаляют стеклообразный слой, большей частью образующийся на поверх- ности кремния при загонке в окисляющей атмосфере и имеющий состав, близкий к составу боросиликатных или фосфорно-силикат- ных стекол. Чистые пластины помещают в чистую печь для прове- дения второй стадии диффузии — разгонки, осуществляемой при более высокой температуре, так что D2t2~^>Diti. Тонкий диффу- 174
зионный слой, сформированный на первой стадии диффузии, является источником с ограниченным количеством примеси. В на- стоящее время в планарной технологии загонка примеси осу- ществляется чаще всего не путем диффузии, а с помощью метода ионной имплантации (см. гл. 10). Атомы тонкий поверхностный слой с плотностью имплантация обеспечивает точное регу- лирование поверхностной концентрации при последующей разгонке, так как, со- гласно формуле (9.3), Со= NlVaDt. Планарные р-п-переходы имеют су- щественное отличие от простых плоскост- ных переходов, связанное с их геометри- ческой конфигурацией. В планарной тех- нологии р-п-переход создают диффузией примеси в объем полупроводника через окна в защитном слое диоксида кремния. Примесь при этом диффундирует не толь- примеси внедряются в N (ат/см2). Ионная Рис. 9.2. Геометрия диффу- зионного планарного р-п-пе- рехода: а —сечение; б — вид в плане ко в глубину, но и вдоль поверхности под защитную маску, чем достигается пас- сивация границы р-л-перехода, выходя- щей на поверхность пластины. Образую- щийся р-п-переход состоит из плоской части и краевых областей, имеющих приблизительно цилиндриче- скую форму, как показано на рис. 9.2 (цифрой 1 отмечены цилинд- рические участки перехода). Так как в защитной маске имеются углы, то форма перехода вблизи углов близка к сферической. Эти участки отмечены на рис. 9.2 цифрой 2. Если р-/г-переход получен диффузией через окно, имеющее конфигурацию узкой щели, шири- на которой близка к глубине диффузии, то переход имеет форму полуцилиндра. Переход, созданный диффузией через круглое окно, имеет форму полусферы, если радиус окна равен глубине перехода или меньше ее. Вследствие малой глубины залегания планарных р-п-перехо- дов, обычно не превышающей 10 мкм, они обладают большой кривизной под краем защитной маски, что вызывает стягивание лйний тока, локальное возрастание электрического поля и умень- шение напряжения лавинного пробоя. Структура мелких планар- ных переходов в плоской части подобна резким переходам. На рис. 9.3 приведена зависимость напряжения лавинного пробоя от концентрации примеси для резкого р-п-перехода с цилиндрической (сплошные линии) и сферической (штриховые линии) геометрией боковой границы. Как следует из рис. 9.2, а, радиус кривизны боковой границы р-п-перехода г, приблизительно равен глубине залегания перехода х,. Для плоской части перехода радиус кри- визны стремится к бесконечности и напряжение пробоя макси- мально. При данном значении г, и одинаковых концентрациях 175
примеси напряжение пробоя сферического перехода меньше, чем цилиндрического. Например, при концентрации Св= 1015 см-3 на- пряжение пробоя плоского кремниевого перехода составляет 330 В, цилиндрического перехода с радиусом кривизны 1 мкм — 80 В, а сферического перехода такой же «кривизны — 40 В. Рис. 9.3. Зависимость напряжения лавинного пробоя от концентрации примеси для резких р-п-переходов с различ- ной геометрией Для расчета напряжения пробоя планарных р-п-переходов на Si, Ge, GaAs и GaP используют формулу * ( -L- I ^проб=^прсб , (9.9) где (7Проб — напряжение пробоя плоской части перехода, опреде- ляемое формулой (5.12); п=1 для цилиндрического и п = 2 для сферического перехода; у=г;/Ъ (w — ширина области простран- ственного заряда резкого р-л-перехода). Когда радиус кривизны перехода мал и у ->- 0, то множитель в скобках также стремится к нулю и напряжение пробоя умень- шается. Если глубина р-л-перехода велика, радиус кривизны большой и у —>-оо, то множитель возрастает до единицы и выра- жение (9.9) сводится к формуле (5.12). Еще одна особенность получения диффузионных р-п-переходов в планарной технологии связана с наличием нескольких операций оксидирования, проводимых после операций диффузии. Вследствие различной растворимости диффундирующей примеси в кремнии и в образующемся диоксиде кремния происходит заметное пере- распределение концентрации примеси на границе раздела крем- нии— диоксид. Растворимость бора и алюминия в диоксиде больше, чем в кремнии, поэтому поверхность кремния обедняется бором 176
и алюминием, тогда как растворимость фосфора, сурьмы и мышьяка выше в кремнии, чем в S1O2, и поверхность кремния обогащается атомами этих элементов. Наличие обедненных или обогащенных примесями слоев кремния приводит к изменению электрических свойств диффузионных структур и прежде всего напряжения пробоя. § 9.2. Технологические приемы получения диффузионных структур Способы проведения диффузии. Диффузию проводят в сравни- тельно ограниченном диапазоне температур. Для кремния, напри- мер, этот диапазон 1100—1300°С или с учетом процесса загонки при двухстадийной диффузии 1000—1300°С. Ниже 1000°С значения коэф- фициентов диффузии очень малы , и глубина диффузии незначитель- на. Выше 1300°С качество диффу- зионных слоев неудовлетвори- тельно вследствие нарушения по- верхности пластин под действием температуры. Если в изолирован- ный объем поместить пластину полупроводника и примесный эле- мент и нагреть их до некоторой температуры, то вследствие суб- лимации или испарения примес- ного элемента в объеме вскоре ус- Рис. 9.4. Способы проведения диффу- зии тановится определенное парци- альное давление его паров. Моле- кулы пара адсорбируются всеми поверхностями, в том числе и по- верхностью пластины, и при достаточно большой температуре диф- фундируют вглубь. В общем случае равновесная концентрация про- порциональна давлению пара, поэтому управление поверхностной концентрацией примеси осуществляют путем контроля давления пара. Если равновесие на поверхности достигается за время, мень- шее, чем длительность диффузии, то поверхностная концентрация остается постоянной. Поэтому в большинстве случаев распределе- ние примеси при диффузии из газовой фазы описывается функци- ей дополнения к интегралу ошибок. Диффузионные процессы проводят в закрытой или открытой трубе. Термин «открытая труба» обусловлен тем, что выходной конец диффузионной трубы сообщается с атмосферой (рис. 9.4, а — в, д). Через него в зону диффузии загружают кремниевые пластины 1. Чтобы свести к минимуму загрязнения из атмосферы, над выходом трубы 2 устанавливают вытяжную систему. Входной конец диффузионной трубы <3 служит для введения газа-носителя (азота, аргона или кислорода). Термин «закрытая труба» отно- сится к диффузии в герметизированной ампуле (рис. 9.4, г). Пла- 177
стины полупроводника 1 и источник диффузанта 4 загружают в кварцевую ампулу 6, которую вакуумируют, герметизируют и по- мещают в диффузионную печь 5. Диффузант 4 либо наносят на поверхность пластины (рис. 5.4, д), либо вводят в виде пара или газа в газ-носитель (рис. 5.4, а). На рис. 9.4, б показана схема двухзонной печи, приме- няемой в основном для диффузии из твердых источников диффу- занта методом открытой трубы, а на рис. 9.4, в — схема бокс-метода. В последнем методе пластины и источник примеси находятся в лолугерметичном контейнере 5 однозонной печи. Наиболее широкое распространение получила диффузия в от- крытой трубе, проводимая из твердых, жидких и газообразных источников. Основными диффузантами при диффузии в кремний являются фосфор и бор. При изготовлении планарных приборов, как отмечалось, процесс диффузии обычно проводят в две стадии. На первой стадии (загонке) на поверхности кремния создают тонкий диффузионный слой с erfc-распределением примеси. За- гонку осуществляют в печах с одной или двумя температурными зонами при невысоких по сравнению с собственно диффузией тем- пературах. На второй стадии (разгонке) пластины полупровод- ника нагревают в однозонной печи в атмосфере, не содержащей атомов диффузанта, так что единственным процессом является диффузионное перераспределение примеси. Вторая стадия соответ- ствует диффузии из источника с ограниченным содержанием примеси. Двухстадийная диффузия имеет два основных преиму- щества перед одностадийной: 1) разделение процесса на две стадии делает его более управляемым, что повышает воспроиз- водимость и упрощает его контроль; 2) облегчается маскирование, так как первая стадия кратковременная и относительно низкотем- пературная, а на второй стадии нет паров диффузанта. Все это повышает стойкость и защитные свойства диоксида кремния. Диффузанты. Широкое распространение получили газообразные диффузанты — гидриды бора и фосфора, жидкие (галогениды бора и фосфора) и твердые (оксиды бора и фосфора). Наиболее распространенным источником фосфора при диффу- зии из твердого источника диффузанта является обезвоженный пентаоксид фосфора (фосфорный ангидрид Р2О5). Пентаоксид помещают в зону источника и нагревают до 230—300°С (рис. 9.4, б). Газ-носитель захватывает молекулы пентаоксида и пере- носит их в зону диффузии. Между кремнием и Р2О5 происходит химическая реакция, в результате которой выделяются элемен- тарный фосфор и оксид кремния, образующие стеклообразное соединение на поверхности пластины, из которого и происходит диффузия. Ряд желательных характеристик имеет жидкий источ- ник фосфора (оксихлорид фосфора РОС13). Он не гигроскопичен, имеет малый расход, стабилен по концентрации фосфора при длительном использовании. Механизм диффузии из жидкого источ- ника аналогичен диффузии из ,Р2О51 так как жидкие источники реагируют с избыточным кислородом, образуя Р2О5. На поверх- 178
ностную концентрацию влияют расход РОС13, температура источ- ника, диаметр диффузионной трубы, конструкция отражателя па- ров и состав газа-носителя. Как правило, по воспроизводимости и возможности регулирования параметров системы с источником в жидкой фазе пуЧще, чем системы с источником в твердой фазе.. С тем же успехом используют трихлорид РС13 и пентафторид, фосфора PF5. В системах диффузии фосфора в открытой трубе из газообраз- ного источника обычно используют фосфин РН3. Механизм диф- фузии из РНз такой же, как и из Р2О5, поскольку он превра- щается в фосфорный ангидрид в результате окисления, когда по- ступает в нагретую диффузионную камеру. Для регулирования поверхностной концентрации применяют разбавление *РН3 инерт- ным газом. Фосфин не поглощает воду. С помощью этой системы можно получить низкую поверхностную концентрацию, однако управление концентрацией затрудняется вследствие неконтроли- руемого поглощения кварцевыми трубами ангидрида фосфора. Самым распространенным источником в твердой фазе, исполь- зуемым для диффузии бора в открытой трубе, является борный ангидрид В2О3. Применяют также борную кислоту Н3ВО3, которая легко дегидратирует при высокой температуре, образуя В2О3. В трубе поддерживается температура источника бора Г~900°С. При соприкосновении борного ангидрида с кварцем происходит расстекловывание и кварц становится непригодным к употребле- нию. Для устранения недостатков В2О3 или Н3ВО3 их смешивают с SiO2, используя метод совместного осаждения из тетраэтилорто- силиката SiO (СН3СН2)4. Это позволяет регулировать поверхност- ную концентрацию в широких пределах. Наиболее распространенный источник в жидкой фазе, исполь- зуемый в системах диффузии бора в открытой трубе,— это трех- бромистый бор ВВгз. Поверхностной концентрацией управляют, изменяя температуру диффузии, температуру источника и расход потока газа-носителя. Хлорид бора ВС13 при комнатных температурах является газом. В нейтральной или восстановительной среде при повышенной тем- пературе он взаимодействует с кремнием, образуя летучие соеди- нения— тетрахлорид кремния и хлористый водород. При добавле- нии кислорода в поток ВС13 образуется борный ангидрид и диф- фузия сходна с диффузией из В2О3. Добавление кислорода поз- воляет регулировать поверхностную концентрацию. При высокой концентрации ВС13 в потоке на поверхности кремниевых пластин образуются темные пятна, которые являются субоксидом бора примерного состава В6О и не удаляются никакими известными растворителями. Они обусловливают невоспроизводимость пара- метров. В последнее время большое внимание уделяют отработке процессов диффузии из газообразного фторида бора BF3, кото- рому не свойственны недостатки ВС13. Удобным источником для управления диффузией является диборан В2Не. Его используют в восстановительной или нейтраль- 179
ной среде в разбавленном виде — в протоке аргона, азота или водорода, содержащих до 0,05% диборана. При Т>300оС проис- ходит пиролиз ВгНб с образованием элементарного бора. Лучшей воспроизводимостью обладают системы с окислительной средой, содержащей да 0,01% В2Ов и до 2,5% О2 в аргоне или азоте. Диборан взаимодействует с кислородом, образуя борный ангидрид Рис. 9.5. Зависимость коэффициентов диффузии примесей в крем- нии (а) и арсениде галлия (б) от температуры и воду. Присутствие воды значительно увеличивает скорость испа- рения борного ангидрида, что обусловливает равномерное распре- деление диффузанта вдоль рабочей зоны вследствие образования летучих борных кислот, особенно метаборной НВО2. Недостатками В2Нб являются токсичность и легкая воспламеняемость на воздухе при концентрации более 0,8 %, взрыв при соприкосновении с хлором. На рис. 9.5, а представлены температурные зависимости коэффи- циентов диффузии В, Al, Р и As в кремнии. Диффузия в соединениях типа A1UBV. Для соединений типа AinBv диффузия в подрешетке, составленной из атомов группы III, характеризуется меньшей энергией активации, чем соответ- ствующая диффузия в подрешетке, составленной из атомов груп- пы V. Если диффундирующие атомы нейтральны или однократно ионизованы, то на их движение, например в арсениде галлия, по вакантным узлам мышьяка затрачивается большая энергия, чем на движение по вакантным узлам галлия. Это происходит потому, что для образования вакансий галлия необходимо удалить только три электрона, тогда как для образования вакансии мышьяка 180
требуется удалить пять электронов. Способствует такому соотно- шению скоростей диффузии и геометрический фактор. Так как ковалентный радиус мышьяка (0,118 нм) меньше ковалентного радиуса галлия (0,126 нм), то примеси в таллиевой подрешетке могут диффундировать быстрее, чем в мышьяковой. На рис. 9.5, б представлены температурные зависимости коэффициентов диффу- зии S, Se, Sn, Mg и Zn в GaAs. Вследствие испарения поверхностных атомов из арсенида гал- лия при температурах диффузии в поверхностном слое образуется большое число избыточных вакансий. Так как при температурах свыше 637°С давление паров As2 и As4 больше давления паров Ga, то поверхность становится нестехиометричной. В GaAs п-типа возрастает концентрация акцепторов, которыми являются вакансии Ga. Вакансии As являются донорами и сосредоточены в более уз- кой поверхностной области, так как имеют меньший коэффициент диффузии. Особенность проведения процесса диффузии в соединениях типа AinBv состоит в необходимости создания избыточного дав- ления паров летучего компонента группы V для предотвращения разложения поверхности образцов при нагреве. Поэтому диффу- зию обычно проводят в отпаянной кварцевой ампуле, в которую кроме легирующей примеси помещают навеску фосфора или мышьяка. § 9.3. Методы расчетов диффузионных структур При проведении расчетов диффузионных структур решают два основных типа задач: определение профиля распределения кон- центрации примеси на основании заданного технологического ре- жима (прямая задача) и определение режима процесса диффузии на основании параметров конечного распределения примеси в структуре (обратная задача). Рассмотрим примеры решения пря- мых задач. Расчет распределения примеси в случае двухстадийной диф- фузии. Как отмечалось, особенностью диффузии в планарной тех- нологии является разбиение ее на две стадии. Стадия загонки примеси осуществляется в течение короткого времени t\ при по- стоянной поверхностной- концентрации СОь Введенное при загонке количество примесных атомов N (ат/см2) служит источником диф- фузанта при последующей разгонке в течение времени 4 с изме- няющейся во времени поверхностной концентрацией: Со2==А^/]/ лО<^2- Для построения профиля распределения примеси в случае двух- стадийной диффузии необходимо знать температуры и длительно- сти загонки и разгонки. Температура Т\ задает коэффициент диф- фузии примеси D\ и поверхностную концентрацию Соь определяе- мую предельной растворимостью примеси. 181
Поверхностная плотность атомов примеси, введенной на ста- дии загонки, определяется интегрированием распределения при- меси: | С (х) dx= 1 С01 erfc — о о . (9.10) Распределение примеси после стадии разгонки определяется выра- жением С {х, t) 1 / х2 \ N ( х? \ I/ ехр--------------------- ,— -ехр---------------. V D2t2 r \ 4Z>2Z,2 / V ^D2t2 1 4D2t2 ) (9.11) Пример 1. Построить профиль распределения примеси и определить глуби- ну залегания р-я-перехода в случае двухстадийной диффузии фосфора в кремний с электропроводностью р-тнпа с удельным сопротивлением 10 Ом-см, проводи- мой в режиме: Т,= 1050° С, = 10 мин, Т2 = 1150° С, t2 = 2 ч. 1. Определим Со,- Пользуясь рис. 5.2, найдем, что для Т= 1050° С предель- ная растворимость фосфора в кремнии составляет 1,2- ГО21 см-3. Принимаем Со, = 1,2-1021 см-3. 2. Определим D,. С помощью рис. 9.5, а для Т=1050°С найдем, что £>,= = 2,5-10-14 см2/с. 3. Вычислим N: К = 2С01 2,5-10-14.10.60 = 5,2-1015 см-2. = 2-1,2.1021 3,14 4. Определяем D2. С помощью рис. 9.5, а для 7= 1150° С найдем, что £>2 = = 4- Ю-13 см2/с. 5. Построим кривую распределения: С(х’/)=тАй ехр ( х2 \ 4£>2^2 / х2 __________5,2-1015________ ~ /3,14-4-10-13-2-60-60 еХР 4-4-10-13-2-60-60 = 5,5-1019 ех 1,15.10-8 /’ Профиль распределения концентрации фосфора после разгонки показан на рис. 9.6. Для сравнения там же приведена кривая распределения фосфора после стадии загонки: С (х, t) = С01 erfc --г--- =1,2-1021 erfc --------- . V 2 1/Dd! 7,75-10-е 6. Определяем глубину залегания р-я-перехода. Согласно формуле (9.2) xj = 2VDj2 /1п (Сс2/Св). Значение концентрации примеси в исходной пластине найдем с помощью кри- вой p=f(с) на рис. 6.4: для рр = 1О Ом-см Св= 1,2- 1О15 см-3. Тогда Ху = 2/4-10~13-2-60-60 5,5-1019 _ , л о . ---------= 3,5-10—4 см = 3,о мкм. 1,2-1015 182
Расчет по упрощенной формуле (9.4) дает Xj = 6 /£>2^2 = 6 /2,88-10-9 ==3,2 мкм, что достаточно близко к точному значению. Расчет распределения примеси при диффузии из слоя конечной толщины. Рассмотренный пример 1 наглядно показывает, что при выполнении условия Dxtx<D2t2 (1,5-10-1!<2,88-10-9) форма про- филя распределения примеси на стадии загонки не влияет на профиль распреде- ления после разгонки, ибо глубины зале- гания этих распределений несопостави- мы. Если условие D1ti<D2t2 не выполня- ется, то глубина диффузии на стадии раз- гонки сравнима с глубиной диффузии на стадии загонки, поэтому нельзя считать, что разгонка осуществляется из беско- нечно тонкого слоя с ограниченным со- держанием примеси. В этом случае полу- чается комбинированное распределение, определяемое решением уравнения Фика для диффузии из слоя конечной тол- Рис. 9.6. Расчетные профили распределения фосфора пос- ле загонки (/) и разгонки (2) щины: С(х, tx, /2) ехр(— y2)ert(ay)dy, VI (9.12) где у —переменная интегрирования; z=-------, a = /ZVi/W2. 4 (D^-p D2t2) Поверхностная концентрация после стадии разгонки Сог= = С (х=0, ti, t2) 2 С02= —С01 arctga. Интеграл (9.12) вычислен и табулирован для различных а и z (табл. 9.1). Таблица 9.1 0,1 0,3 0,5 1,0 - 2,0 3,0 5,0 . 0,1 0,3 0,5 0,7 0,9 1,5 3,0 0,09015 0,07376 0,06035 0,03655 0,01340 0,00491 1 0,00066 0,26295 0,21403 0,17422 0,10416 0,03725 0,01333 0,00174 0,41626 0,33557 0,27058 0,15812 0,05419 0,01866 0,00224 0,54464 0,43340 0,34515 0,19596 0,06398 0,02120 0,00242 0,64829 0,50812 0,39903 0,21979 0,06867 0,02213 0,00245 0,84509 0,63065 0,47586 0,24431 0,07141 0,02247 0,00246 0,99920 0,68698 0,49825 0,24708 0,07147 0,02247 0,00246 1,02843 0,68892 0,49843 0,24709 | 0,07147 0,02247 0,00246 183
Пример 2. Рассчитать распределение примеси для двухстадийной диффузии J фосфора в кремний, проводимой в режиме: Г1 = 1250°С, = 10 мин, Т2 = 1150° С, /г=2 ч. Определить глубину залегания р-я-перехода. 1. С помощью рис. 9.5, а определим коэффициенты диффузии фосфора в- кремнии: й1=4-10-12 см2/с, D2=4-10-13 см2/с. 2. Так как D,tl = 4- Ю”12-10-60=2,4- 10-!,^П„/2 = 4 10-,3-2-60-60 = 2,88Х Х10~9 см2, то следует использовать формулу (9.12). 3. Определим а и г: а = У= У2,4-10-9/(2,88-10-9) ~;о,9, ________х2____________________£2_________________ z ~ ~ 4_(2,4-10 ~° + 2,88 -10-9) ~ L2,11-10-8 ' ’ 4. Определим поверхностную концентрацию после разгонки. Согласно кри- вой С=ДГ) на рис. 5.2, при 7, = 1250° С Co^l.S-lO21 см-3. 5. Поверхностная концентрация после разгонки „ 2С01 2-1,2-1021 С02 =---— arctg а =------—----arctg 0,9 = 5,6 • 1020 См-з. Л 3,14 6. Построим распределение. Пользуясь табл. 9.1, зададим значения 2=0,1, 0,3, 0,5 и т. д. и определим для а = 0,9 значения интеграла. При построении графика найдем глубину (см): х = 2 У(Dj^ + D2t2) z =1,45-10-4 Уг- 7. На стадии загонки распределение примеси имеет вид С (х) = 1,2.1021 erf с —- - - = 1,2 -1021 erf с —--------. - 2^2,4-10-9 0,98-10—4 Оба профиля — после загонки 1 и после разгонки 2 — показаны на рис. 9.7. Уже на стадии загонки глубина диффузии составляет около 3/4 полной глубины после разгонки. 8. Глубину залегания р-я-перехода определим по приближенной формуле (9.4), в которой учтем наличие двух сравнимых по глубинам диффузии стадий: Xj = 6УО^г + £>2f2 = 6У5,28-10-9 = 4,35-10-4 см = 4,35 мкм. 9. Для сравнения построим профиль распределения без учета реального со- отношения между D}tt и D2t-2, используя кривую Гаусса при (Г>0эф = -О1Л + -Ог/2: г, . * г *2 С (х) =----г ехр —------- /л(О0эф [ 4(ООэф где , /2,4.10-9 ------=2-1,2-1021 1/ ---——=6,6-1016 см-2; л У 3,14 ч 6,6-1016 / х2 С (х) = —— = exp I------------------------- УЗ, 14-5,28-10-9 2,11-10-8 = 5,1-1021ехр (—-----—------. 2,11-10-8 J Это распределение показано на рис. 9.7 кривой 3, которая хорошо аппроксими- рует кривую 2 на малых глубинах, но при х^>4 мкм завышает концентрацию почти на порядок. Расчет распределения примеси в случае двойной последова- тельной диффузии. При изготовлени диффузионных транзисторов, 184
тиристоров, варикапов и многих других приборов и интегральных микросхем активную структуру получают путем последовательной диффузии примесей, создающих слои с различным типом электро- проводности. Если ведется двойная последовательная диффузия акцепторной примеси с параметрами СОа, Da, ta, а затем донорной примеси с параметрами Сод, DR, tR в полупроводник с электро- проводностью п-типа, равномерно легированный примесью с кон- центрацией Св, то суммарное распределение концентрации имеет вид С(х,/)=СОаехр (--^-)-СОд eric ~СВ. (9.13) \ 4£>aia / 2 у Так как атомы акцепторной компенсируют друг друга, то при расчете профиля распределения значениям концентраций придают положительный (для акцепторов) и отрицательный (для доноров) знаки или наоборот. Первая диф- фузия является более глубокой, последующая — более мелкой, но с более высокой концентрацией, поэтому при двойной последова- тельной диффузии будут получе- ны структуры п-р-п согласно фор- муле (9.13) или р-п-р, если поме- нять местами типы примесей. По- и донорной примесей взаимно Рис. 9.7. Расчетные профили распре- деления фосфора при двухстадийной диффузии добное распределение является типичным при получении структу- ры диффузионного транзистора. Первую диффузию с низкой по- верхностной концентрацией и большой глубиной называют базо- вой. Она служит для создания базовой p-области. Вторую диффу- зию с высокой поверхностной концентрацией и малой глубиной на- зывают эмиттерной. Она предназначена для получения эмиттерной области с электропроводностью п-типа. Базовую диффузию осуществляют в две стадии, поэтому ее вклад в суммарное распределение (9.13) отражен в виде кривой Гаусса, тогда как эмиттерную диффузию обычно ведут в одну стадию и распределение примеси описывается erfc-функцией. Вы- ражение (9.13) справедливо только в том случае, если во время эмиттерной диффузии не происходит заметного перемещения ак- цепторной примеси. В более общем случае С (л, /)— СОа ехр [--———; 1 — Со erfc —— Св, ’ ’ Оа *1 4(Z>a4+Z>^) J в где г _________________. Оа / ---------*— ’ V л(£>Л+£>^я) (9.14) (9.15) 185
Da* — коэффициент диффузии акцепторов при температуре диф- фузии доноров. Для определения глубины залегания эмиттерного р-п-перехода приравняем суммарную концентрацию нулю и учтем, что Св во много раз меньше концентраций диффундирующих доноров цепторов. Тогда для распределения (9.13) Со erfc —=СОа exp (-------—) . 2УОдгд Оа Ч 4Dala ' Воспользуемся аппроксимацией erfc-функции: СЬдехр[ —(—^4=г-|-0,з'|2] = С0аехр , , Ч U J 4Daia / Преобразуя (9.16), получим - г/ 1 ' Xj3 ) .2 и ак- (9.16) xj3 = —-== 1 (9.17) Это уравнение решим методом итерации, принимая за начальное значение тогда ^•эо=6 (9.18) (9.19) Уточненное значение глубины залегания эмиттерного р-п-перехода х!э = f + - -М-1/2 V ЙЙСЛ). (9.20) У xjai I J При определении глубины залегания коллекторного перехода следует учесть его смещение при эмиттерной диффузии, поэтому хзк.~^ -(-2)а/д У In(СОа/Св), где СОа определяется формулой (9.15). Пример 3. Рассчитать профиль распределения концентрации примеси в я-р-я-структуре, полученной последовательной диффузией бора и фосфора в кремний с электропроводностью n-типа и удельным сопротивлением 0,15 Ом-см н проводимой в режимах: 7^=1200° С, /а = 1 ч, 7^=1100° С, ^ = 2 ч. Поверх- ностная плотность атомов бора 7Va=5-1014 см-2, диффузия фосфора ведется из неограниченного источника примеси с поверхностной концентрацией, равной пре- дельной растворимости. 1. С помощью рис. 6.4 найдем концентрацию донорной примеси в исходной пластине кремния Св = 5-1016 см-3. 2. Определим коэффициенты диффузии. Согласно рис. 9.5, a, Da— = 2-10~12 см2/с, Да* = 2,5 • 10-13 см2/с, Дд=1 -10~13 см2/с. Согласно рис. 5.2, Сод = 1,2-1021 см-3. Сопоставим произведения £>а/д и Da*tn: = 2-10-12.1.60-60 = 7,2-10-9 См2, = 2,5-10-13.2-60-60 = 1,8-10-9 см2. 186
Таким образом, Да/а^Да*/ и для построения распределений можно использо- вать формулу (9.13): С(х, О = С0аехр (_^-)_С0дег1с где СОа = = = 3,3-10.8 см-з. ° /л£>а/ /3,14-7,2-10-9 4. Для рационального выбора шага по оси х при построении распределения определим глубину залегания коллекторного и эмиттерного переходов: xjK = 2//2,3 1g(Соа/Св) = = 2/7,2-10-9 /2,31g (3,3-1018/5,1Q16) = 3,5-10-4 См = 3,5 мкм. Для определения глубины залегания эмиттерного перехода используем формулы (9.18)—(9.20):. х/эд = 6/D/i = 6/1-10-13.2-60-60= 1,6-10-4 см = 1,6 мкм; -Г/Э1 = [ . — . j /2,3 1g (Сод/Сда) = \4/>д/ 4Z?a/a / / 1 1 \—1/2 ________________________ =----------------------------- /2 31g [1,2-1021/(3,3-10I8)] = \4-7,2-10-Ю 4-7,2-10-9 ) г 5 Л = 1,35-10—4 см = 1,35 мкм; Г/ 1 0,3 \2 1 3-1/2 ------------- --- -*7э = „ ,/777" + ~ лГ) t /2,3 1g (Сод/^оа) — L\ 2 У Од/ х j Э1 / 4Оага J К1 0,3 \2 1 1 -1/2 2/7,2-10-Ю + 1,35-10-4 ) ~ 4-7,2-10-9 J Х / 1,2-1021 X I/ 2,31g------------= 1,2-10—4 см = 1,2 мкм. |/ s 3,3-1018 5. Построим распределение: С(х. 0-3,з.да.екр )- 1,2-10=.eric 5/,--- — 5-101» см-з. До глубины х=1,2 мкм используем шаг 0,3 мкм, на глубинах х=1,5—3,5 мкм используем шаг 0,5 мкм. Обычно такое распределение принято представлять в виде отдельных кривых (рис. 9.8). С помощью этих кривых можно найти глу- бину залегания эмиттерного и коллекторного переходов по точкам пересечения. На рис. 9.8 показано также распределение концентрации примеси в исходной эпитаксиальной структуре с толщиной эпитаксиального слоя 5,5 мкм и концент- рацией примеси в подложке 5- 10,s см-3. Толщина области базы р-типа w = XjK — х/э=3,5 — 1,2 = 2,3 мкм. 187
Рис. 9.8. Расчетные профили распределе- j ния примеси в п-р-п-транзисторе, полу- ' ценном двойной последовательной диф- фузией § 9.4. Определение режимов диффузии Обратимся к решению обратных задач. Обратные задачи имеют большое практическое значение. В их связи с реальной практикой состоит специфика их решений — они не однозначны в отношении выбора температуры и длительности процесса диффузии. Вы- бор этих параметров определяют конкретные особенности техноло- гического процесса и возможности технологического оборудования. Строгое решение обратных задач приводит к определению произ- ведения Dt. Далее чаще всего задаются температурой Т и по най- денному значению коэффициента диффузии определяют длитель- ность диффузии t. Иногда в выборе режимов следует учитывать не только температурную зависимость коэффициента диффузии, но и предельную растворимость примеси. Определение режимов диффузии на основании заданных пара- метров распределения примеси. Для расчета стадии разгонки или одностадийной диффузии обратная задача достаточно проста. Пусть диффузия ведется из предварительно созданного с помощью ионной имплантации слоя с ограниченным содержанием примеси, тогда на основании формулы JCy— 2Dt In (Со/Сg) запишем 4 1п(С0/Св) Теперь нужно выбрать либо температуру, либо время процесса. Если нас лимитирует производительность или иные соображения, требующие задать некоторое минимальное время t, то темпера- туру процесса определим на основании вычисленного коэффи- циента диффузии: М in (Со/Св)' Пример 4. Определить.температуру разгонки мышьяка, предварительно внед- ренного с помощью ионной имплантации в кремний с электропроводностью р-тц- па и удельным сопротивлением 1 Ом-см, если распределение должно обладать глубиной залегаиня р-я-перехода Лд = 0,5 мкм, поверхностной концентрацией Со=1,5-1О20 см-3, а длительность процесса составляет 1 ч. Вычислить количест- во атомов мышьяка N, которое должно быть внедрено в кремний. 188
1. С помощью рие. 6.4 найдем, что CB=l,5-10ie см-3. 2. Определим коэффициент диффузии: О D = xi = Ч 0,2510-8_______________________________________ 4/ 1п(Со/Св) 4-1 -60-60-2,3 1g [1,5-1020/(1,5.1010)] = 1,9- 10—14 см2/с. 3. Найденному коэффициенту диффузии мышьяка в кремнии соответствует температура 1070’С (см. рис. 9.5, а). 4. Количество атомов As, внедренных на единице площади, определим на основании выражения для поверхностной концентрации: АГ Со = —==_ ; N = C 0 VUDt = 2,2-1015 см-2. Пример 5. Определить режим диффузии, проводимой в одну стадию при постоянной поверхностной концентрации для условий примера 4. 1. Распределение примеси описывается erfc-фуикцией, поэтому воспользуемся ее аппроксимацией (9.6) и формулой (9.7): 0/лГ>/ = 1,5-1020/ 3,14-1,9-10-14.1-60-60 = На основании (9.7) определим коэффициент диффузии; 4Z (/1п(Со/Св)-О,3)2 0,25-10-8 = -----------. , =--------тт,- =2,3-10—14 см-2/с. 4-1 -60-60(/2,3 lg [1,5-1020/(1,5-1016)] - 0,3)2 1 2. Найденному коэффициенту диффузии соответствует температура 1080’ С (см. рис. 9.5, а). При такой температуре предельная растворимость As в крем- нии составляет 1,7-1021 см-3 (см. рис. 5.2), поэтому для диффузии следует ис- пользовать обедненный источник, чтобы получить Со=1,5-1020 см-3. Решение обратной задачи для двухстадийной диффузии производят в два этапа. Вначале определим режим разгонки, затем на основании полученных дан- ных— режим загоики. Режим разгонки найдем, используя выражение (9.10): АГ = 2С01 /О//л. Отсюда после преобразования рассчитаем произведение: л /л Сгп \2 Dfr = — (ЛГ/С01)2 = D2t2 — -Л . 4 \ 4 GOi / Это выражение показывает, что для двухстадийиой диффузии необходимо ре- гулировать поверхностную концентрацию при загоике COi, либо задавать темпе- ратуру загоики 71, определяющую два параметра D\ и СОь а время загоики рас- считывать по известным данным: D-1 ( Я Ср2 \2 1 “ Z?! I 2 С01 J Пример 6. Определить температуры и длительности процессов загоики и раз- гонки в случае двухстадийиой диффузии бора в кремний с электропроводностью- л-типа, с удельным сопротивлением 10 Ом-см, если искомое распределение при- меси должно иметь следующие параметры: Со2=5-1О18 см-3, х^=2,5 мкм. 18»
1. По графику рис. 6.4 находим, что Св = 4,5-1014 см-3. 2. Рассчитаем произведение £>2/2: 6,25-10-8 D2t2 =----------------=------------------------------= 1,7-10-9 см2 2 4 1П (С^СВ) 4-2,3 1g [5-1018/(4,5-1014)] 3. Зададим температуру Т2= 1150= С. Согласно рис. 9.5, £>2 = 7,2-10~13 см2/с, •тогда /2 = 1,7-10—9/Z>2 = 1,7-10-9/(7,2-10-13) = 2,36-Юз с « 40 мин. 4. Зададим температуру загонки бора Tt= 1050= С, тогда Coi = 3-lO20 см-3 (см. рис. 5.2), а == 6,9-10—14 см2/с (см. рис. 9.5, а). 5. Длительность загонки 2 I h — , D2 ( л 4 1 = ' 1 ' £>i \ 2 С)2 Q)i 7,2-10-13 /3,14 5-1018\2 6,9-10—14 \ 2 3-1020/ 2,4-103= 10,6 с. Дакая длительность загонки не может быть выдержана практически, поэтому необходимо использовать обедненный источник бора или вводить примесь мето- дом ионной имплантации. 6. Количество атомов бора, которое необходимо ввести на стадии загонки, Я = Со2 /itDj2 = 5-1018 /3,14-1,7-10-9 = 3,6-1014 см-2. При использовании обедненного источника диффузанта задают длительность за- гонки и определяют произведение: о 9 ( Л \2 /9 Di С01 = D2CQ2 I I — . \ Z / 4| 7. Зададим Д= 10 мин, тогда 9 /3,14\2 2,4-103 1 =7,2-10-13-25. Юзе-1— —!--------= 1,78-1026------. 01 \ 2 / 6-102 см4-с 8. Зададим 7i=1050°C, тогда £>=6,9-10~14 см2/с (см. рис. 9.5, а) и С01 = /1,78-1026/7)! = /1,78-1026/(6,9-10-14) «5-1019 см~з. Определение режимов последовательной диффузии. В рассмо- тренных примерах примесь диффундирует в однородно легиро- ванный полупроводник. При двойной последовательной диффузии эмиттерная диффузия идет в неоднородно легированную базовую область, поэтому расчет технологических режимов усложняется. Исходными данными для расчета являются глубины залегания коллекторного и эмиттерного переходов х)К, Х]Э, концентрация примеси в эпитаксиальном слое Св, поверхностные концентрации диффундирующих акцепторной и донорной примесей СОа, Сод. •Определяемые параметры: режимы загонки (7/, ^ai, Л7а) и раз- гонки (Таг, ta2) акцепторной примеси при базовой диффузии и режим разгонки (Тл, 1д) донорной примеси при эмиттерной диф- фузии. Расчет режима базовой диффузии выполняют аналогично рас- чету режима двухстадийной диффузии в однородно легированный лолупроводник. Для упрощения расчетов принимают, что в про- цессе эмиттерной диффузии не происходит заметного смещения распределения концентрации акцепторной примеси, т. е. (О/)Эф D&2ta2-1- £>а3/ ~ Dtftafr 190 1
где Раз — коэффициент диффузии акцепторной примеси при эмит- терной диффузии. Для расчета режима эмиттерной диффузии используют равен- ство (9.17), полученное при определении глубины залегания эмиттерного перехода. Решив его относительно произведения Dat^ определяют температуру или длительность диффузии: £)л/д =----- - — -— ---------------------------. 4 [У In (СОд/СОа) + 4э/(4ад - о,з]2 Пример 7. Определить режим загонки (Та!, iM, Л'а) и разгонки (7а2, 4г) при базовой днффузии бора и режим загонки Тд, при эмиттерной диффузии фос- фора в кремний, если задано: Св = 5-1016 см-3, х>э=1,2 мкм, х^к = 3,5 мкмг Coa=3,3-lO,s см-3, С0д=1,2-Ю21 см-3. Вначале определим режимы базовой диффузии. 1. Найдем произведение: .2 i к Д,2/а2 =-------—---- = -----------------------------= 7,3-10-9 см2. а2а2 4 1п(С0а/Св) 4-2,3 1g [3,3-1018/(5-10!4)] 2. Зададим температуру разгонки Та2=1150’С, тогда -Оа2=7,2-Ю-13 см2/с (см. рис. 9.5, а). Получаем /а2 = 7,3-10-9/Оа2 = 7,3-10-9/(7,2-10-13)= 1,01-104 с = 2 ч 50 мин. 3. Найдем поверхностную плотность атомов ’ бора, необходимую для базо- вой диффузии: ЛГа = СОа У'лОа2/а2 = 3,3-1018 /3,14-7,3-10-9 = 5-10’<4 см~2 4. Режим загонки выберем на основании произведения n f л / Л/’а \2 / Л Соа 2 £>alJal = ""Г .-> 1 — TJa2‘a2 о г- 4 \ Ьпа1 / \ z Спа, ! 30 с. Зададим температуру загонки бора 7ai=1050°C, тогда Coai = 3-1OM см-3 (см- рис. 5.2), а £>аi = 6,9- I0-14 см2 (см. рис. 9.5, а). 5. Длительность загонки бора _ Да2 /_л_ СОа \2 _ 7,2-10-13 /3,14 3,3-1018 V /al “ Dal \2 СОа1/ /а2~6,9-10-1Д 2 3-1020 / Такую длительность практически трудно реализовать в связи с большим перио- дом установления стационарного потока диффузанта в диффузионной печи, по- этому, как и в примере 6, следует задать время /а1 = 10 мин и вычислить про- изведение: , 9 / л \2 /3,14\2 1,01-104 ОаА2а1 = Оа2С02а — Wai = 7,2-10-13(3,3-1018)2 — - - - = \ Z / \ Z ) О*IV4 = 3,24-1026—— СМ4-С 6. Зададим Соа1 = 5-1019 см-3, тогда £>а1 = 3,24- 1026zC2aI = 3,24-1026/(5-1019)2 = 1,3-10—13 см2/с, что соответствует температуре Та!« 1065° С (см. рис. 9.5, а). Сопоставляя полученные режимы загонки и разгонки бора с режимами пря- мой задачи, рассмотренной в примере 3, видим, что они несколько отличаются, 191
что обусловлено возможностью произвольного выбора температуры, длительности и поверхностной концентрации. 7. Для определения режима эмиттерной диффузии найдем произведение: 4 [ V 2,3 1g (СОд/СОа) + х2э/(4Да2^а2) - 0,з]2 ______________________________1,44-10-8____________________________ ~ 4 J/2T3“lg [1,2-1021/(3,3-1018)] + 1,44-10—8/(4-7,2-10-9) _ 0,3]2 = = 7,2-10-10 см2. 8. Зададим длительность эмиттерной диффузии /д = 1 ч, тогда значение ко- эффициента диффузии фосфора Дд = 7,2-10—1о/^я = 7,2-10-10/(60-60) = 2-10-13 СМ2/с, что соответствует температуре 7\=1125°C (см. рис. 9.5, а). 9. Оценим справедливость допущения о неизменности распределения кон- центрации бора во время эмиттерной диффузии. Для Т= 1125° С Даз = 4Х ХЮ“13 см2/с; следовательно, Даз^д = 4-10~|3-60-60= 1,44-10~9 * * см2 * *, Даг^а2 = = 7,3-10-9 см2. Таким образом, соотношение Даг^аг^ Даз^д выполняется достаточно хорошо. Теперь рассмотрим расчет режимов диффузии в том случае, когда смещени- ем коллекторного перехода в процессе эмиттерной диффузии пренебречь нельзя. Пример 8. Определить количество атомов бора, которое необходимо ввести в структуру методом ионной имплантации для создания области базы, и режим разгонки Таг, 7, а также количество атомов фосфора Nn, которое необходимо ввести с помощью ионной имплантации для создания эмиттерной области, и ре- жим разгонки Тд, (д, если концентрация донорной примеси в исходном эпитак- сиальном слое кремния с электропроводностью я-типа составляет Св = 5- 1О15.см~3 * * * * *, Xja=l мкм, XjK = 2 МКМ, COa = 3-10ls СМ"3, Сод = 5-1О20 СМ“3. 1. Рассмотрим базовую диффузию. Чтобы учесть воздействие высокой темпе- ратуры при эмиттерной диффузии, введем величину Да^а = Да2^а2 + ДаЗ^Л, где Даз — коэффициент диффузии бора при температуре Тд. Найдем произведе- ние: 2 х,.. 4-10-8 Да/а -= --------------=---------------------------- = 1,565- 10-9 см2. аа 41п(С0а/Св) 4-2,31g [3-1018/(5-1015)] 2. Количество атомов бора, которое необходимо ввести на единице поверх- ности, Va = СОа V^Dj'a = 3-1018 /3,14 -1,565-10-9 = 2,1-1014 см-2. 3. Рассмотрим эмиттерную диффузию. Так как атомы фосфора вводят мето- дом ионной имплантации, то эмиттерная диффузия аналогична стадии разгонки яз слоя с ограниченным содержанием примеси, поэтому глубина залегания эмит- териого перехода определяется из условия равенства двух распределений, опи- сываемых кривыми Гаусса: (2 \ / 2 \ Х] Э ) „ ( Х]Э~ \ — г, / = Соаехр -7/77- • 4Д/д / \ 4Д,/а / Отсюда найдем произведение: , ± [ 4 1п (Срд/Соа) 'Л - 2 L л j э 1 Да^а 192
= Г 4.2.3 lg[5.102.;(3Jg)1 _____1-----1-. 3.10_,0 L 1-10-8 1,565-10-9 J 4. Определим количество атомов фосфора, которое необходимо ввести иа единице поверхности: ЛГД = С0л /л^Л = 5'1020 /3,14-3,73-10-Ю =1,71-1016 см-2 5. Зададим температуру эмиттерной диффузии Гд=1100’С, при которой коэффициент диффузии фосфора £>а = 1,1-1013 см2/с (см. рис. 9.5, а), поэтому длительность эмиттерной диффузии /д = 3,73-10-10/£>д = 3,73-10-10/(1,1-Ю-13) = 3,39-103 с ,= 56,5 мин. 6. Определим режим базовой диффузии. При Та — 1100= С коэффициент диф- фузии бора £>аз=2,5-10-'3 см2/с (см. рис. 9.6, а). Найдем £>a2ia2 = А/ — D^a. = 1,565-10-9 _ 2,5-10-13-3,39-103 = 7,2-10-10 см2. 7. Выберем температуру базовой диффузии Га2=П5О’С, что соответствует коэффициенту диффузии бора Д12 = 7,2-10~]3 см2/с (см. рис. 9.5, а). Длительность базовой диффузии /а2 = 7,2-10—Ю//)а2 = 7,2-10—10/(7,2-10—13) = 103 с = 16 мин 45 с. 8. Оценим параметры диффузионного базового слоя после базовой диффу- зии. Поверхностная концентрация бора = г 2’1^^^4,4-1018 см—з.' Оа /лОа2<а2 /3,14-7,2-10-Ю Глубина залегания коллекторного перехода х'} к = 2 /О^2 / 2,3 lg = 2 /7,2-10-Ю /2,3 lg [4,4-1018,(5-1015)[« m 1,4- IO-4 см = 1,4 мкм. Таким образом, значения поверхностной концентрации бора и глубины кол- лекторного перехода после базовой диффузии значительно отличаются от требу- емых значений, которые достигаются только после эмиттерной диффузии. Примеры 7 и 8 показывают, что в зависимости от соотношения произведе- ний Даг/аг и следует учитывать или пренебрегать влиянием эмиттерной диф- фузии на распределение примеси, полученное при базовой диффузии. § 9.5. Диффузионные процессы при изготовлении ИМС Вследствие того что все активные и пассивные элементы по- лупроводниковых ИМС расположены в одном кристалле, между ними существуют не предусмотренные электрической схемой ре- зистивные и емкостные связи. Поэтому одной из главных проблем при создании полупроводниковых микросхем является проблема изоляции элементов с целью устранения паразитных связей. Су- ществует две группы методов изоляции: с помощью обратносме- щенных р-п-переходов и с помощью диэлектрика. Изолирующие р-п-переходы создают преимущественно методом диффузии. Дос- тоинства методов изоляции с помощью обратносмещенных р-п- переходов состоят в высокой технологичности, малой длительности производственного цикла и сравнительно высоком проценте выхода годных микросхем. Существует ряд разновидностей изоляции 7—210 193
элементов ИМС обратносмещепными р-я-переходами: метод раз-- делительной диффузии, коллекторная изолирующая диффузия, базовая изолирующая диффузия, метод трех фотошаблонов, метод самосовмещения. Метод разделительной диффузии. Вследствие простоты и низ- кой стоимости данный метод является наиболее распространен- ным для изготовления ИМС широкого применения. Основные этапы технологии состоят в следующем. Исходная пластина крем- ния с электропроводностью p-типа после механической и химиче- Рис. 9.9. Метод разделительной диффузии ской обработки подвергается оксидированию. В диоксиде кремния с помощью фотолитографии создают окна, размеры которых не- сколько больше площади, которую будут иметь коллекторные переходы. В окна проводят диффузию мышьяка или сурьмы, т. е. примесей, создающих высокую концентрацию носителей заряда и обладающих низким коэффициентом диффузии в кремнии. В ре- зультате образуются я+-области будущих скрытых слоев под коллекторами транзисторов, уменьшающие сопротивление насы- щения транзисторов (рис. 9.9, а). Диоксид удаляют со всей по- верхности пластины и наращивают эпитаксиальный слой с элек- тропроводностью я-типа толщиной 3—10 мкм (рис. 9.9, б). В этом слое будут созданы все активные и пассивные элементы микро- схемы. На эпитаксиальном слое выращивают пленку ЗЮг, в кото- рой вскрывают окна, ограничивающие области ИМС, требующие изоляции друг от друга. В окна проводят диффузию бора на глубину 5—12 мкм, чтобы образовавшийся р+-слой надежно сомк- нулся с р-подложкой и изолировал структуру транзистора и другие участки схемы (рис. 9.9, в). Изолирующий р-я-переход состоит из трех участков (р+-п, р-п и р-п+) с различными напря- жениями пробоя. Минимальное напряжение пробоя должно пре- вышать максимальное смещение используемого при работе ИМС. В процессе дальнейших технологических операций формируются p-база, р-резистор, п-эмиттер и п+-контакт к коллектору (рис. 9.9, г). Диффузионные резисторы. Для создания резисторов в полу- проводниковых ИМС используют диффузионные слои, получен- ные при формировании базовой или эмиттерной областей тран- 294
зисторов. Как правило, диффузионный резистор создается одновре- менно с базой транзистора путем диффузии акцепторной примеси в подложку с электропроводностью п-типа (рис. 9.10, а). Сопротивле- ние диффузионного слоя зависит от распределения примеси, глу- бины диффузии и отношения длины диффузионного резистора к его ширине. Номинал резистора 7? задается схемой, а длину рассчитывают по известному значению поверхностного сопротив- ления диффузионного слоя Rs (см. § 9.6), ширине резистора w и сопротивлению контактов RK'. L = w(R-Rj/Rs. Рис. 9.10 Диффузионные резисторы: а — в базовом; б — в эмиттерном слое (выводы 1—1') и в «сжатом» базовом слое (выводы 2—2') Базовая диффузия позволяет получать высокоомные резисторы. Резисторы с небольшими сопротивлениями получают в процессе эмиттерной диффузии (рис. 9.10, б, выводы 1—1'). Наиболее упо- требительные диффузионные резисторы обладают параметрами, приведенными в табл. 9.2. Для получения резисторов с номина- лами свыше 50 кОм используют так называемые «сжатые» базо- вые слои, получаемые после проведения эмиттерной диффузии (рис. 9.10, б, выводы 2—2'). Сильнолегированная поверхностная часть базового слоя компенсируется эмиттерным диффузионным слоем, и поверхностное сопротивление глубокой части базового слоя возрастает во много раз (табл. 9.2). Разброс номиналов у таких резисторов и ТК.Р больше, чем у обычных резисторов в ба- зовом слое. Т а б л и ц а 9.2 Параметр Тип резистора базовый эмиттериый сжатый Поверхностное сопротив- ление, Ом/П Номиналы сопротивлений, кОм Разброс номинала, % 100—400 2—3 500— 1-Ю4 0,1—50 0,003—0,05 50—500 ± (3—20) ±20 ± (30—50) ТКД Ю-’/К 0,05—5 0,1—0,5 3—5 Обязательной составной частью структуры резистора является р-п-переход, изолирующий резистор от подложки и обладающий 7* 195
распределенной емкостью. Напряжение пробоя перехода ограни- чивает максимальное напряжение, которое можно подать на резистор. Полная распределенная емкость составляет 2—20 пФ для типичных структур и должна учитываться при работе на частотах свыше 10 МГц. Размеры областей, определяющих общую емкость резистора, зависят от рисунка фотошаблона.' Необходи- мая площадь резисторной области ограничена значением рассеи- ваемой мощности. Для получения резисторов с большим сопро- тивлением без увеличения их площади иногда уменьшают ширину диффузионного резистора. В этом случае также применяют «сжа- тые» резисторы. Диффузионные резисторы имеют относительно большой разброс по номиналу и большие температурные коэффициенты сопротив- лений. Для заданной концентрации примесей в диффузионной об- ласти сопротивление ее связано с изменением подвижности дырок или электронов с температурой. Влияние температуры на подвиж- ность обусловливает положительный ТКД диффузионных резисто- ров. ТКД тем больше зависит от изменения концентрации примеси, чем выше поверхностное сопротивление. Резисторы, получаемые во время базовой диффузии при соз- дании р-п-р-транзисторов, являются резисторами п-типа. Им при- сущи два основных недостатка, которых нет у резисторов р-типа. Во-первых, при данном значении поверхностного сопротивления из-за более высокой подвижности электронов слой с электропро- водностью п-типа обладает меньшей концентрацией примеси. Слабое легирование вызывает несколько большую неоднородность поверхностного сопротивления и больший разброс номинала. Во-вторых, слой p-типа, окружающий резистор, сильнее подвер- жен возникновению поверхностных каналов, вызывающих нели- нейные эффекты. Метод устранения каналов в р-и-р-транзисторах приводит к уменьшению этих эффектов, но при этом требуются дополнительные процессы диффузии и большая площадь подлож- ки. Один из способов решения этой проблемы состоит в приме- нении совмещенной технологии, когда на поверхности оксида в схемах с р-п-р-транзисторами создают тонкопленочные резисторы. Топология схемы остается той же самой, но требует применения дополнительных фотошаблонов. Оптимальным вариантом примене- ния полупроводниковых диффузионных резисторов являются схе- мы, в которых важно выдержать соотношение между номиналами сопротивлений, тогда как абсолютные значения номиналов не очень существенны. Диффузионные конденсаторы. Конденсаторы в полупроводни- ковых микросхемах образуются обратносмещенными р-и-пере- ходами. Основное достоинство диффузионных конденсаторов со- стоит в том, что их формируют одновременно с получением диф- фузионных областей транзисторных структур, поэтому при рацио- нально изготовленном комплекте фотошаблонов не требуется никаких дополнительных операций создания пассивных элементов. Значение емкости зависит от типа электропроводности полупро- 196
водникового материала, площади перехода, характера распределе- ния и концентрации примеси, а также полярности и смещения» Зависимость емкости диффузионных конденсаторов от приложен- ного напряжения позволяет конструировать специальные микрОг схемы, например схему генератора, управляемого напряжением. Но в ряде случаев такая зависимость емкости от напряжения нежелательна. Параметры типичных диффузионных конденсаторов Удельная емкость, пФ/см2 Максимальная емкость, пФ Разброс номинала, % • • • ТКС, 1/К................ Напряжение пробоя, В . . 1-104—2-105 200 ±(10—30) 2-Ю-4 30—100 § 9.6. Дефекты и методы контроля диффузионных структур Реально получаемые диффузионные слои могут иметь электрофи- зические свойства, значительно отличающиеся от ожидаемых. Это несоответствие в значительной степени обусловлено возник- новением дефектов в диффузионных слоях в процессе диффузии. Образование дислокаций. Примесные атомы, входящие в кристаллическую решетку полупроводника, вследствие различия в атомных радиусах вызывают сжатие или растяжение решетки. Под действием возникающих напряжений генерируются дислокации. Максимальная плотность примесных атомов бора на поверхности пластины кремния, которая не вызывает напряжений, равных критическому значению возникновения дислокаций, равна 5- 1O1S см-2. Если диффузия бора проводится при Тк 1000°С, то в поверхностный слой могут внедриться 3-1015 см-2, если же тем- пература диффузии ТдаНОО'С, то это количество возрастает до 5-1016 см-2. Плотность дислокаций, образующихся во время диф- фузии фосфора в кремний, меньше, так как меньше значения соз- даваемых фосфором напряжений в силу большего соответствия их атомных радиусов. Вследствие того что концентрация примес» изменяется по глубине диффузионного слоя, изменяется и плот- ность дислокаций. Обычно область дислокаций не достигает р-п-переходов. Диффузанты, у которых различие в атомных ра- диусах меньше, чем у бора и кремния или у фосфора и кремния, будут образовывать более совершенные р-н-переходы. К таким диффузантам относятся мышьяк, галлий и алюминий. Сильноле- гированный бездислокационный слой можно получить, если прове- сти одновременно диффузию двух примесей, имеющих противо- положное различие в атомных радиусах. Осаждение примесей. Такие металлы, как Си, Аи и Fe, харак- теризуются резкой температурной зависимостью их растворимо- сти в твердом кремнии (см. рис. 5.2). Если не соблюдать спе- циальных мер предосторожности, то из окружающей атмосферы 197
и диффузионной печи они внедряются в пластины кремния. Их ко- эффициенты диффузии при процессах загонки и разгонки примеси составляют 10-7—Ю~6 см2/с, поэтому за время выдержки они прони- зывают весь объем полупроводника. При охлаждении в результате пересыщения твердых растворов этих атомов в кремнии данные примеси образуют осаждения в виде микроскоплений. Преимуще- ственное выпадение их происходит на дефектах структуры и в первую очередь на дислокациях. Так как дислокации пронизы- вают пластину насквозь, то поперек р-и-перехода возникают про- водящие металлические микромостики. Обратный ток возрастает с ростом обратного напряжения по степенному закону I~Un, где чаще всего и=5±2. Геттерирование. Удаление нежелательных примесей из объема полупроводника с помощью жидкой фазы, образованной на его поверхности, называют геттерированием. Извлечение возможно потому, что коэффициент распределения нежелательных примесей Си, Fe, Аи в тройных системах, образованных полупроводником, этими примесями и расплавом, значительно меньше единицы. Бла- годаря этому создается значительный градиент концентрации при- месных атомов, которые активно начинают переходить в жидкую фазу. Для геттерирования меди из германия используют покрытия пленками сурьмы, олона, свинца, индия. Такие металлы, как медь, золото и железо, удаляют из кремния с помощью стеклообразных оксидных слоев, образующихся на поверхности кремния при осаж- дении паров борного или фосфорного ангидрида. В результате взаимодействия кремния или всегда присутствующей на его по- верхности пленки диоксида кремния с ангидридом возникают жидкие стеклообразные расплавы. Осажденные в кремнии атомы Au, Си, Fe диффундируют к поверхности, переходят в слой стекла, образуя с ним химические соединения типа фосфатов или бора- тов. Температура обработки составляет обычно 1050°С. Контроль параметров диффузионных слоев составляет основу получения диффузионных структур высокого качества. Основны- ми контролируемыми параметрами являются глубина залегания диффузионного р-и-перехода х,, поверхностное сопротивление слоя ₽» и поверхностная концентрация примеси Со. Измерение глубины залегания р-и-перехода. Вследствие того что диффузионные слои могут быть очень тонкими (порядка еди- ниц микрометров и менее), для их контроля изготовляют сфери- ческий шлиф. Металлический шар диаметром 30—100 мм вра- щается, касаясь поверхности пластины. В место соприкосновения подается алмазная паста или оксид хрома. Образовавшаяся лунка сферической кривизны должна быть глубже р-и-перехода, тогда после окрашивания, если диффузионный слой имеет электропро- водность p-типа, в лунке образуется темное кольцо. Окрашива- ние p-области производят в растворе, состоящем из 0,05—0,1% азотной (70%-ной) кислоты в 48 %-ной плавиковой кислоте. Воз- никающее потемнение обусловлено образованием оксида кремния вследствие окисления р-области. 198
Измеряя с помощью инструментального микроскопа с микро- метрической насадкой больший di и меньший dz диаметры окра- шенной области, находят глубину залегания р-и-перехода: x^dl-d^WD), где D — диаметр шара. Глубину залегания р-и-перехода в полупроводниковых соеди- нениях типа AinBv и их твердых растворах определяют с помощью изготовления поперечных сколов, о чем говорилось в § 6.5. Измерение поверхностного сопротивления. Удельное сопротив- ление легированного слоя обратно пропорционально содержанию примеси, поэтому, зная р, можно однозначно определить концен- трацию примеси в полупроводнике. Понятие удельного сопротив- ления для неоднородно легированного диффузионного слоя теряет практический смысл и не может служить точной характеристикой содержания примеси. Уровень легирования диффузионных слоев оценивают, измеряя их поверхностное сопротивление, т. е. про- дольное сопротивление диффузионного слоя. Сопротивление вдоль поверхности диффузионного слоя зависит только от количества примесных атомов в слое, а не от их кон- центрации. Поверхностное сопротивление определяется как сопро- тивление диффузионного резистора, толщина которого равна глубине залегания р-н-перехода хд а длина и ширина равны друг другу и образуют квадрат.со стороной I. Сопротивление такого параллелепипеда (Ом/П) # = Р~7— =P/Xj=Rs, lx. J где р — среднее значение удельного сопротивления диффузионного слоя, которое нам нет необходимости знать при измерении Rs. Поверхностное сопротивление не зависит от стороны квадрата I, так как возрастание Rs за счет увеличения длины компенси- руется равным уменьшением Rs за счет увеличения ширины, поэ- тому сопротивление квадрата относят не к единице площади, а к произвольному квадрату. Понятно, что для измерения 7?s следует пропустить ток через любые два противоположные сечения txj слоя и измерить падение напряжения на них. Это требует изго- товления резисторов специальной конфигурации. Чтобы не делать этого, измерение Rs проводят на любых диффузионных слоях че- тырехзондовым методом. Теория поля позволяет записать выражение для потенциала, создаваемого на расстоянии г на бесконечно проводящей плоско- сти точечным источником тока /: IRS 1 ?-?о= —х— Ьг, где фо —потенциал в точке г=0. Если на поверхности бесконечно тонкого проводящего слоя неограниченных размеров расположены два точечных зонда, через 199
которые проходит ток 1, то потенциал, создаваемый таким дипо- лем в произвольной точке, ?—?0 2л /*2 где Г1 и г% — расстояния до данной точки от каждого из зондов. При использовании четырехзондового метода зонды распола- Рис. 9.11. Зависимость поверхност- ной концентрации от средней элек- тропроводности диффузионных слоев: гают на одной прямой на равных расстояниях $ друг от друга. Ток пропускают через два внешних зон- да, а разность потенциалов измеря- ют между двумя внутренними, поэ- тому ri = 2s, r2=s и разность потен- циалов, создаваемая диполем меж- ду двумя внутренними точечными зондами, А Т Т S 1 '"l In 2. л X In — сопротивление Поверхностное (Ом/П) R s = — —=4,53 — . s п I I 1, 3 - Св = 10н; 2, 4 - Св=10‘“ см-з Данная расчетная формула спра- ведлива, если выполняется условие s^Xj и диаметр пластины с диффу- зионным слоем много больше рас- стояния между зондами. Типичные значения поверхностного сопротивления для базо- вых диффузионных слоев транзисторов составляют 150— 200 Ом/Й, для эмиттерных слоев 7?s=34-5 Ом/П. Определение поверхностной концентрации. По данным измере- ний Xj и Rs определяют поверхностную концентрацию примеси в легированном слое. Зная поверхностную концентрацию, можно рассчитать профиль распределения концентрации примеси (см. § 9.3) и проконтролировать его соответствие заданным требова- ниям. Средняя электропроводность диффузионного слоя о=-^— (" р (С) [С (х)— CB]dx = —--. X . | £\ X . > 'о s > Это уравнение указывает на связь произведения RsXj с распреде- лением примеси С(х) и зависимостью подвижности носителей за- ряда от концентрации ц (С). Используя экспериментально полу- 200
ченную зависимость подвижности от концентрации и задавая форму профилей распределения концентрации, с помощью машин- ных расчетов получим зависимость поверхностной концентрации Со от средней электропроводности диффузионного слоя о= = l/(7?sXj). Примеры эти кривых приведены на рис. 9.11 для распределения Гаусса и слоев с электропроводностью п- и р-типа. Для определения Со необходимо измерить Rs и Xj. Пусть Ra= = 100 Ом, х,= 2мкм. Средняя электропроводность 1 1 -П а=------- ----------= о0 См. Rx. 100-2-10—4 •S I Для слоя, образованного диффузией акцепторной примеси в пла- стину кремния с электропроводностью n-типа и удельным сопро- тивлением р„ = 0,55 Ом-м, т. е. Св=15,-1016 см-3, с помощью рис. 9.11 найдем, что Cq=1,5-1019 см-3. Глава 10 ПОЛУЧЕНИЕ СТРУКТУР МЕТОДОМ ИОННОЙ ИМПЛАНТАЦИИ Создание биполярных и МДП СБИС с хорошими технико-эконо- мическими характеристиками невозможно без использования ме- тода ионной имплантации, освоенного промышленностью в 70-е годы. Пучок положительно заряженных примесных ионов в ионно- лучевом ускорителе бомбардирует кристалл полупроводника. Проникая в кристалл, примесь легирует его и одновременно вызы- вает образование радиационных нарушений. Распределение кон- центрации внедренных ионов описывается кривой Гаусса, основ- ным параметром которой является пробег ускоренных ионов. При малых дозах облучения радиационные нарушения не изменяют кристаллической структуры полупроводника, тогда как большие дозы облучения примесными атомами ведут к аморфизации кри- сталла. Для устранения нарушений и электрической активации внедренной примеси необходим отжиг кристалла. Наиболее широкое распространение ионная имплантация по- лучила в технологии загонки строго дозированного количества примесных атомов, которое используется в качестве источника при последующей диффузионной разгонке для формирования при- месного профиля. Помимо того, имплантация используется для создания тонких базовых областей биполярных транзисторов, уп- равления пороговыми напряжениями МДП-транзисторов и других целей. Для контроля ионно-имплантированных структур исследуют профили распределения внедренных атомов, измеряют эффектив- ную поверхностную концентрацию носителей заряда. 201
§ 10.1. Физические представления об имплантации Метод ионной имплантации состоит в бомбардировке пучками ускоренных ионов с энергиями от 10 кэВ до 1 МэВ твердых тел с целью изменения их свойств и структуры. Основные явления при имплантации. Ускоренные ионы прони- кают в кристаллическую решетку, преодолевая отталкивающее противодействие положительных зарядов ядер атомов. Глубина проникновения ионов возрастает с увеличением их энергии. Легкие ионы проникают более глубоко, чем тяжелые,х однако траектории движения тяжелых ионов более прямолинейны. При точной ориен- тации направления падения пучка ионов вдоль одной из кристал- лографических осей пластины полупроводника— (НО) или (111) — часть ионов движется вдоль атомных рядов, между которыми имеются достаточно широкие каналы, свободные от атомов. Это явление называют каналированием. Попав в канал, ионы испы- тывают менее сильное торможение и проникают в несколько раз глубже, чем в случае неориентированного внедрения. Если энер- гия, переданная атому решетки, превышает энергию связи атомов в твердом теле, то атом покидает узел. В результате образуется пара Френкеля — дефект, состоящий из вакансии и междоузель- ного атома. Атомы, находящиеся в поверхностном слое, получив энергию от иона, могут отрываться от кристалла — происходит процесс распыления и образуется дефект по Шотки — вакансия в приповерхностной области кристалла. Энергия первично сме- щенного атома, называемого атомом отдачи, сравнительно велика, поэтому на пути своего движения атом отдачи образует целый каскад смещений, вследствие чего в кристалле возникают отдель- ные разупорядоченные зоны размером 3—10 нм. По мере имплан- тации ионов идет накопление радиационных дефектов. Когда плотность ионов, внедренных на единице поверхности, превосходит критическую, называемую дозой амортизации, образуется сплош- ной аморфный слой. Внедренный ион может попасть в вакантный узел, став донором или акцептором, но вероятность замещения узлов мала. Большинство внедренных ионов находится в междо- узлиях, где они не являются электрически активными. Для пере- вода их в узлы и восстановления кристаллической структуры полупроводника производят отжиг. В процессе отжига происходят распад и аннигиляция радиационных дефектов, а внедренные примеси занимают вакантные узлы, в результате чего образуется слой с электропроводностью р- или п-типа. Средний полный пробег иона. Глубина проникновения иона в вещество характеризуется пробегом. Траектории отдельных ионов в кристалле подобны ломаным линиям, каждый прямолинейный участок и полная длина которых отличаются друг от друга. Вся совокупность пробегов отдельных ионов группируется по закону нормального распределения случайной величины со значением среднего полного пробега R и среднеквадратичным отклонением пробега \R. Практическую важность имеет средний нормальный 202
пробег RP — проекция траектории среднего полного пробега на направление первоначальной скорости, иона и его среднеквадратич- ное отклонение Д/?Р. Для расчета среднего полного пробега Л (см) иона с энергией Е (эВ) используют формулы, в которых энергия и пробег выражены в безразмерных единицах е и р соответст- венно: R=?IL, (10.1) 9 . / р^^И/2 k [ ' 2C/k arct£7 |/ ® (Ю.2) 33 / k Ycik + d g ' c'k + cl ’ е=г£', (10.3) L = F = 6,9-106дЛ42 +M2) ' (10.4) Здесь L — нормирующий множитель пробега, см-1; F— нормирую- щий множитель энергии, l/эВ. ~~ Радиус экранирования заряда ядра атомными электрона- ми (см) 4,7-10—9 a~(z^+zyyi‘1' ( °’5) Коэффициент передачи ионом с массой Mj атому с массой М2 максимально возможной энергии при лобовом столкновении Y=+ М2)2. (10.6) Коэффициенты, учитывающие торможение, обусловленное элек- тронным взаимодействием, k — 2,47-\а (1 + /И2/уИ1)]3''2, (10.7) 3=6,16- 103Z2M1F. (10.8) Параметры, учитывающие торможение, обусловленное ядерным взаимодействием, с=0.45, t/=0,3. Собственная концентрация атомов в кристалле Мг, см-3, заряды ядер иона атомов мишени Z2. Рассмотрим пример расчета среднего полного пробега. Пример 1. Рассчитать средний полный пробег ионов бора с энергией £=100 кэВ в кремнии. 1. Для расчета необходимо определить радиус экранирования а, коэффици- ент передачи максимальной энергии у, параметры электронного торможения k и (3, нормирующие множители L и F. С помощью справочника находим атомные номера и массы бора и кремния и собственную концентрацию атомов в кремнии: Z, = 5, Z2=14, Л11= 11, М2=28,09,М> = 4,98-1022 см-2. 2. Радиус экранирования 4,7-10-9 4,7-10-9 а ~ (Z2/3 + Z2'3 )’/2 ~ (52/3 + 142''3)1/2 = 1,59’10 9 СМ' 3. Коэффициент передачи максимальной энергии 4A4i.M2 4-11.28,09 у =------— =------------------= 0,81. Y (Mi+M2)2 (11 + 28,09)2 203
4. Коэффициент электронного торможения ^ = 2,47-10UZ1/3(Z2M42)1/2[a(l + M2lMi)]3/2 = 2,47- 10И52/3 (14/28,09)1/2Х X [1,59-10-9(1 +28,09/11)]3/2 = 0,22. 5. Нормирующие множители для энергии и пробега = 6,9-10бдМ2 = 6,9-106-1,59-10-9-28,09 = { JQ_4 ZX'L2 (Aft + Af2) 5-14(11+28,09) L = natyN2 = 3,14 (1,59-10-9)2 o, 81 -4,98-1022 = 3,19-105 1/cm. 6. Безразмерные энергии & = EF= 105-1,125-10-4== 11,25; ₽ = 6,16-lO^M^F = 6,16-103-14.11. i, 125-10-4 = Ю7. 7. Рассчитаем полный пробег в безразмерных единицах: 2 ,/9/. ke\ 2c/k , т/ ё р = — е1/2 1 + — — —r arctg I/ ---------. r k \ 3? / k /с/й + d s ' cjk-\- d Вначале вычислим отдельные множители: elk = 0,45/0,22 = 2,05, c/k + d = 2,05 + 0,3 = 2,35, г_______ ,____ 2с/k 2-2,05 Vdkt+d = /2^5 = 1,53, . = = 12,2. ‘ kyc/k +d 0,22-1,03 Подставим числовые значения: 2 г_____/ 0,22-11,25 \ /11,25 ? = „ „ /11,2511 + —-——-1—12,7 arctg ———— =16,2. 0,22 \' 3-107 / 6 1,53 8. Выразим пробег в размерных единицах: Я = р/£ = 16,2/(3,19-105) = 5,0-10-5 см = 0,50 мкм. Средний нормальный пробег и стандартное отклонение пробе- га. Средний нормальный пробег связан со средним полным пробе- гом: Rp=fR. (Ю.9) Корректирующая поправка, обусловленная упругим рассеянием Иона, ^-1/—(10.10) J \ Г 3 Ml ’ » / где полная энергия, затраченная на упругое рассеяние иона, s„=-^infi-F k \ (10.11) Взаимодействие иона с атомами мишени носит случайный харак- тер. Моноэнергетический пучок ионов после прохождения некото- рого слоя вещества приобретает дисперсию по энергиям. В резуль- тате часть ионов проходит половину своего пути без заметных по- терь энергии и проникает на глубину, превышающую Rp, а часть ионов испытывает более сильное торможение и останавливается, 204
не дойдя до Rp. Стандартное среднеквадратичное отклонение нор- мального пробега Д/?р=/?р]/Г^-(У+Ю5я(е)>- (10.12) Н=Л12/^1- (10131 Ядерная тормозная способность Sn(e): при е < 10 Sn(B)=cs^2/(d-(~£)> (10.14) при г > 10 5л(г)=(2е)-11п(1,29г), (10.15) где с=0,45, d=0,3. Пример 2. Рассчитать Rp и ионов "В+ с энергией 100 кэВ в кремнии. 1. Используя данные примера 1, найдем потери энергии на ядерное тор- можение: с I е \ I 11.25Х ~ la I 1 + 77~ ~I — 2,05-2,3 1g I 1 + ' I = 3,63. k \ c/k + d ) j \ ,2,3а / 2. Рассчитаем поправку: / = Mi Y s / v з 3. Для e>10 определим тормозную способность: Sn (е) = (2е)-1 In 1,29» = (2-11,25)—1 2,31g 1,29-11,25 = 0,119. 4. Отношение масс сталкивающихся частиц [х = MtfMi = 28,09/11 = 2,55. 5. Средний нормальный пробег /?р =/7? =0,674-0,50 = 0,337 мкм. 6. Среднеквадратичное отклонение пробега Д/?р = Rp У-j- (Y + ^ sn (») = 0,337 у - 1,6|’2О, (0,81 + 2,55) 0,119 = = 0,089 мкм. Пробег в многокомпонентных веществах. Для оценки пробегов, не требующей очень высокой точности, многокомпонентное вещест- во представляют в виде гипотетического однокомпонентного, со- стоящего из атомов с эффективными зарядом ядра и массой: ^2эф ^2эф ' где Zi и Mi — атомные номера и массы элементов, входящих в со- став соединения; хг — количество атомов элемента в молекуле сое- динения. Например, для GaAs xGa = l, xAs=l; для Gd3Ga50i2 205
Xcd — 3, xGa = 5, Xo = 12, >7=20. Собственная концентрация ато- мов такого соединения определяется с помощью эффективной мас- 'сы при известной плотности реального вещества: TV2=-^-=6,023-1023 —— ат/см3, ,и2эф Р-2эф где Ц2эФ — молекулярная масса, г/моль. Отметим, что N2 точно равно истинной концентрации всех ато- мов данного многокомпонентного соединения. По этой же формуле рассчитывают значения N2 для элементарных веществ, заменяй эффективную массу реальной молекулярной массой. В табл: 10.1 даны значения средних нормальных пробегов и стандартных отклонений пробегов, выраженные в нанометрах, для ряда ионов с энергиями 20—200 кэВ в кремнии, рассчитанные на ЭВМ. Таблица 10.1 Е, кэВ 11 + в 27 + Al 31 + P 75 + As 121 + Sb 20 R р 78 29 26 16 14 ARP 32 11 9,4 3,7 2,4 40 Rp 161 56 49 27 23 SRP 54 19 16,4 6,2 3,8 60 Rp 244 85 73 38 31 SRP 71 27 23 8,4 5,1 80 Rp 324 114 98 48 38 AR p 84 35 30 10,5 6,3 100 Rp 398 144 123 58 46 AR p 94 42 35 12,5 7,4 120 Rp 469 175 149 68 53 AR p 102 48 41 14,5 8,4 140 R p 537 205 175 79 60 ARp 110 54 47 16 9,5 160 Rp 603 236 201 89 67 AR p 116 60 52 18 10,5 180 Rp 665 266 228 99 74 AR p 121 60 57 20 11,5 200 Rp 725 297 254 110 81 AR p 126 70 61 22 12,5 Распределение пробегов ионов. Профили распределения кон- центрации внедренных ионов определяются характером распреде- ления средних нормальных пробегов по глубине облученного слоя. Расчеты пробегов ионов были выполнены для случая, когда атомы в кристалле распределены нерегулярно, что присуще аморфным и поликристаллическим веществам. Пучок ионов, попадая в такие вещества, испытывает случайные столкновения с атомами, и рас- пределение пробегов описывается законом распределения случай- ной величины. Аналогичная ситуация наблюдается в монокристал- 206
лах, если ионный пучок падает на произвольно ориентированную поверхность пластины относительно кристаллографических на- правлений с малыми индексами, например вдоль оси {763}. Такое внедрение называют неориентированным. В этом случае профиль распределения внедренных атомов описывается, как и для аморф- ных веществ, кривой Гаусса: С (х) = -f=-Nexp Г —(-Х. 1 • (10.16) ' V^iXRp L 2 \ Д/?р ) J Максимум концентрации примеси в отличиё от случая введения ее методом диффузии залегает не на поверхности, а на глубине х = =RP: Сгаэх=0,4ДГ/Д/?р. Отношение концентраций на глубинах RP±ARP к максимальной C(RP ± Д/?р)/Стах= 1//ё=0,607, что используют для определения дисперсии пробегов (стандартно- го отклонения) по экспериментально полученным профилям рас- пределения. Некоторые характерные точки кривой Гаусса пред- ставлены в табл. 10.2. Таблица 10.2 x—Rp ± /2"\RP 0 0,833 1,52 2,14 2,63 3,04 3,39 3,71 4,0 С(х) £*тах 1 0,5 0,1 0,01 Ю-3 10~4 10~5 ю-® ю-7 § 10.2. Технологические особенности процессов ионной имплантации Принцип действия и конструкция ионно-лучевого ускорителя. Ион- но-лучевой ускоритель состоит из следующих основных блоков: ис- точника ионов, источника высокого напряжения, ускорительной трубки, магнитного сепаратора, системы фокусировки и сканирова- ния пучка ионов, приемной камеры и вакуумной системы откачки. Источник ионов предназначен для ионизации паров рабочего вещества и первичной фокусировки ионного пучка. Он представля- ет собой газоразрядную камеру, при поступлении газа или паров рабочего вещества в которую происходит ионизация молекул и атомов путем бомбардировки электронами, эмиттируемыми термо- катодом. Поперечное магнитное поле в разрядной камере, созда- ваемое системой магнитного сепаратора, вызывает вращение дви- жущихся в нем электронов по спиралям, что увеличивает эффек- тивность ионизации. В ионно-лучевых ускорителях типа «Везувий» 207
Хрис. 10.1) предусмотрены два источника ионов: для фосфора Яф и для бора Ий. Они различаются способом подачи вещества. В ис- точник ионов бора поступает газ — трехфтористый бор BF3 — из баллона с микронатекателем М.Н. Расход газа контролируется ав- томатически. В источник ионов фосфора подают пары фосфора, об- разующиеся в испарителе с нагревателем Н, в который загружают порошок красного фосфора. В процессе имплантации функциони- рует только один из ионных источников. Положительные ионы вы- Рис. 10.1. Схема ионно-лучевого ускорителя тягиваются из разрядной камеры небольшим ускоряющим напря- жением первой ступени — до 20 кВ, подаваемым на вытягивающий электрод ВЭ. Формирование ионного пучка производят с помощью магнитного сепаратора МС и системы фокусировки и сканирова- ния ФС. Магнитный сепаратор предназначен для разделения пуч- ка ионов в соответствии с их зарядом и массой, так как под дей- ствием силы Лоренца в области магнитного поля сепаратора ионы движутся по круговым траекториям, радиусы которых зависят от их массы Mi, ускоряющего напряжения U и магнитной индукции В: i/W/ Г qBi ’ где q— заряд иона. После прохождения магнитного сепаратора ионы больших масс имеют более плавные траектории, ионы меньших масс — меньший радиус поворота и более резкое искривление траектории. Магнит- ная система сепаратора выполнена в виде постоянного магнита, для которого B=const, поэтому, чтобы вывести пучки ионов В+ н Р+ в систему фокусировкй и сканирования, источники ионов бора и фосфора разделяют, как показано на рис. 10.1. Система фокусировки и сканирования формирует ионный пучок и осуществляет его сканирование в вертикальной плоскости. В си- стему входит электростатическая фокусирующая линза и два эле- ктрода электростатического сканирования. Смещение S пучка в 208
вертикальной плоскости прямо пропорционально напряжению Uc на электродах сканирования: о 2dU ’ где I — длина сканирующего электрода; L — расстояние от центра сканирующего электрода до мишени; d — расстояние между элект- родами сканирования по вертикали; U— ускоряющее напряжение. Между системой ФС и ускоряющей трубкой УТ находится за- слонка 3 для автоматического перекрытия ионного пучка при на- боре заданной дозы. Ускорительная трубка состоит из последовательности изолиро- ванных электродов, между каждым из которых от источника вы- соковольтного питания ИН прикладывается напряжение до 20 кВ так, что крайние электроды имеют разность потенциалов около 200 кВ. Положительный пучок ионов ускоряется в направлении от- рицательно смещенного электрода. Приемная камера ПК служит для загрузки обрабатываемых полупроводниковых пластин, которые размещаются на кассете ба- рабанного типа Б в несколько рядов. Вакуумная система ВС обе- спечивает разрежение 2-10—3 Па. При облучении ионный пучок сканирует вдоль оси вращающейся кассеты Б, что обеспечивает высокую однородность легирования. Перед кассетой стоит прямо- угольная диафрагма Д’, которая задает высоту и ширину облучае- мой области. Время облучения Цс) для набора дозы <2(Кл/м2) при плотности ионного тока / (А/м2) определяется соотношением __ 2л Q « i где а — выраженный в радианах угол, определяемый сектором ок- ружности барабана, на который попадает ионный пучок, проходя- щий через диафрагму заданной ширины. Сектор тем больше, чем шире диафрагма. Для набора малых доз ширину диафрагмы уменьшают, что ведет к уменьшению а и увеличению длительности облучения до нескольких минут, что, в свою очередь, улучшает точность контроля дозы. Вещества—источники ионов. Рабочие вещества для получения ионов могут находиться в газообразном, твердом и жидком состоя- ниях. Для получения ионов О+, N+, Ne+, Ar+, F+, С1+ и т. п. исполь- зуют соответствующий газ, поступающий в вакуумную камеру ис- точника ионов через микронатекатель. Из других газообразных ма- териалов следует отметить применение BF3 для ионов В+, СО2 для ионов С+, H2S для ионов S+. Широко применяют жидкие вещест- ва, особенно хлориды ВС13, ВВг3, РС13, СС14, SiCl4, хорошо испа- ряющиеся при комнатной температуре. Наибольшие ионные токи обычно достигаются при употреблении твердых материалов в эле- ментарном виде. Эти вещества требуют нагрева, чтобы получить достаточное давление паров: S и Р (красный)— 175°С, As — 260°С, Zn, Se и Те — 550°С, Mg и Sb — 580°С. Могут быть использованы и 209
другие вещества. Основное требование к ним — большое парциаль- ное содержание легирующего элемента в парах. Вследствие выде- ления изотопной линии легирующего элемента в анализаторе масс в отличие от других методов легирования полупроводников к рабочим веществам не предъявляют жестких требований по чис- тоте. Режимы ионной имплантации. При определении режимов ион- ной имплантации основными параметрами являются энергия уско- ренных ионов и доза облучения. Ион с зарядом q (Кл) под дейст- вием разности потенциалов U (В) приобретает энергию Е (Дж): E—qU. (10.17) В практике принято, говоря об энергии ускоренных ионов, вы- ражать ее в электрон-вольтах (эВ) или килоэлектрон-вольтах (кэВ). Так как кратность ионизации обычно составляет и=1,2 или 3 электрона, то заряд иона может изменяться от 1 до 3 е. В общем «случае q=tie. (10.18) Для обозначения кратности ионизации применяют символ «+», например 31Р+, 31Р++, 3ip+++. Числом 31 обозначена атомная масса иона фосфора. Иногда для имплантации используют не моноатом- яые ионы, а молекулярные, например 14N2+ — однократно ионизи- рованная двухатомная молекула азота с атомной массой 14, мо- лекулярной массой 2-14 = 28 или BF2+ — однократно ионизирован- ная трехатомная молекула фторида бора. Молекулярные ионы, внедряясь в кристалл, обычно сразу распадаются на отдельные атомы. Для подсчета энергии, которой будет обладать каждый атом с массой Мх, входящий в ускоренный ион с молекулярной массой Ми, используют соотношение EX=EMJMK. (10.19) Доза облучения — это количество частиц, бомбардирующих единицу поверхности за данное время. Доза может не быть равной тому количеству ионов, которое осталось в кристалле после завер- шения процесса облучения, вследствие наличия явлений распыле- ния и отражения. В большинстве случаев эти явления не оказыва- ют заметного влияния на количество внедренных ионов. Доза об- лучения Q (Кл/м2) определяется плотностью ионного тока / (А/м2) и длительностью облучения /(с): Q=jt. (10.20) Практически плотность ионного тока выражают обычно в мкА/см2, поэтому дозу облучения выражают в мкКл/см2. Величина Q не от- ражает в явном виде числа примесных ионов, внедренных в крис- талл. Чтобы выразить дозу в количестве частиц, внедренных на единице поверхности (ион/м2), величину Q делят на заряд одного иона: N=Qlq= (10.21) 210
Имея в виду, что е= 1,6-10-19 Кл, a Q имеет размерность мкКд/см2г доза облучения (ион/см2) 7V=6,25-10I2Q/ft. (10.22> Метод ионной имплантации является основным в планарной технологии, сочетающей загонку примеси в виде дозированного ко- личества ионов и диффузионную разгонку. Совмещение ионной им- плантации с планарной технологией облегчается применением тех. же легирующих примесей и веществ для их получения, что и при диффузии; использованием тех же материалов для маскирования при таких же толщинах, что никак не-влияет на процесс фотоли- тографии; возможностью управления дозами облучения в очень широких пределах (от 1010 до 1017 см-2) при высокой производи- тельности. Основные преимущества метода ионной имплантации, на кото- рых базируется его использование в серийном производстве, со- стоят в точном контроле полного количества внедренной примеси, и высокой однородности легирования по поверхности пластины. Неоднородность в распределении плотности внедренной примеси по пластине с диаметрами 50—80 мм составляет 1 % или менее при воспроизводимости результатов от процесса к процессу в пределах 3%. Точность контроля на большинстве технологических операций полупроводникового производства не достигает 1—3% и колеблет- ся в пределах 10—20%. Даже в исходных кремниевых пластинах разброс по концентрации легирующей примеси доходит до 30%. По этой причине типичная концентрация внедренной с помощью ионной имплантации примеси должна на порядок превышать ис- ходный уровень легирования кремниевой пластины. Резко выра- женная перекомпенсация или перелегирование (для однотипных по электропроводности примесей) является необходимым услови- ем получения точности, присущей методу ионной имплантации. § 10.3. Отжиг и диффузия Отжиг ионно-имплантированных слоев. В технологической практи- ке получили применение две группы процессов ионной импланта- ции: имплантация как стадия загонки примеси для последующей диффузионной разгонки с целью реализации необходимой структу- ры и имплантация для непосредственного создания структуры без диффузионного перемещения внедренного примесного распределе- ния. Во втором случае после имплантации производят отжиг, зада- ча которого — устранить радиационные нарушения и обеспечить электрическую активацию внедренных атомов. Большая часть ра- диационных дефектов кристаллической решетки, возникающих в кремнии при имплантации, отжигается при 7’<600°С. Можно вы- делить два режима отжига, при каждом из которых исчезает по- ловина имеющихся нарушений. Если дозы облучения были малы и отдельные кластеры нарушений не перекрываются, то восстанов- ление кристаллической структуры кремния происходит при ЕеС 211
пературах свыше 300°С. При Т=400-?500°С кластеров и неполное восстановление решетки низкое значение подвижности носителей заряда <:260°С. В случае больших доз облучения образуется сплошной 1 аморфный слой, для рекристаллизации которого необходимы тем- | пературы Т^570°С. Отжиг при первом режиме сопровождается 1 освобождением вакансий из кластеров с образованием новых де- 1 фектов (ассоциаций вакансий, комплексов вакансия — примесь) и I их распадом. Отжиг при втором режиме — эпитаксиальная рекрис- I таллизация аморфизированного слоя, причем роль затравки игра- 1 ет лежащая под ним монокристаллическая пластина. | Граница между понятиями «отжиг» и «диффузия» для ионно- 1 имплантированных слоев кремния лежит вблизи 1000°С. При ! Т<1000°С диффузионными процессами можно пренебречь. 1 Переход внедренных атомов в узлы кристаллической решет- | ки, где они проявляют донорные или акцепторные свойства, для большинства легирующих примесей начинается при тем- _ _ -- присутствие определяют и сильную температурную зависимость концентрации доноров и акцепторов в слое. При внедрении В, Al, Р подвижность носителей заряда меньше, чем в некомпенсированных материалах с такими же кон- центрациями примесей. После отжига при 500°С, несмотря на рас- пад большей части кластеров нарушений, в слое еще остаются ком- пенсирующие дефекты и центры с глубокими уровнями, что слабо сказывается на подвижности, но заметно уменьшает концентра- цию носителей заряда. Если внедрение проведено большими до- зами при таких условиях, что облученная область стала аморф- ной, то в диапазоне температур отжига 500—650°С происходит рез- кое возрастание количества носителей заряда. Эта стадия электри- ческой активации примесей совпадает с отжигом аморфизирован- ного слоя и объясняется его эпитаксиальной рекристаллизацией, в процессе которой имеется высокая вероятность замещения вакант- ных узлов решетки атомами примеси. Об электрической активности легированного слоя судят после отжига по значению эффективной поверхностной концентрации но- сителей заряда Afs, характеризующему количество носителей заря- да в слое под единицей площади поверхности. Если каждый внед- ренный ион становится после отжига электрически активным, т. е. образует дырку или электрон проводимости, то доза облучения N=NS. Обычно N>NS. Диффузия примеси из ионно-имплантированного слоя. Одним из наиболее распространенных приемов в современной технологии является сочетание ионной имплантации и диффузии. Ионная им- плантация используется для предварительной загонки строго фик- сированного количества примеси с высокой воспроизводимостью от процесса к процессу и высокой однородностью распределения по поверхности облучаемых пластин. Диффузия служит для после- дующей разгонки внедренной примеси с целью обеспечения нужно- го профиля распределения атомов с требуемой глубиной залегания р-л-перехода и концентрацией носителей заряда. Наибольший эф- 212
фект дает применение ионной имплантации при создании слаболе- гированных областей: баз транзисторов, элементов резисторов и др. Диффузия примесей из ионно-легированного слоя для низких доз облучения Q^IO2 мкКл/см2 идет как из источника с ограни- ченным содержанием примеси [см. уравнение (9.1)]. В этом урав- нении следует учесть наличие предварительного распределения Рис. 10.2. Профили распределения В в Si после разгонки Рис. 10.3. Профили распределения фосфора Сх и дислокаций Cd в Si примеси, созданного имплантацией. Комбинированое распределе- ние можно представить в виде С(х, ()=_ ~ г-——----,_=т- ехр [ —(—------р -1 1. (10.23) ' 1 Va(y2bRp + VDt) и|_ /2Д/?р+2/Г>< ) J Сразу после имплантации, а также после низкотемпературного от- жига и распределение (10.23) соответствует кривой (10.16). После диффузионной разгонки при высокой температуре Rp<^x и распределение (10.23) подобно диффузион- ному (9.1). Если то распределение примеси следует строить согласно кривой (10.23). На рис. 10.2 приведены профили распределения концентрации бора, полученные после разгонки при 1100°С в течение 0,25—16 ч в атмосфере аргона. Имплантация бора производилась с дозой N= = 3-1014 см-2 и энергией £=30 кэВ. Коэффициент диффузии пос- ле различных длительностей разгонки соответствует данным, из- вестным для обычной диффузии при малых концентрациях приме- си. Между глубиной залегания р-п-перехода и длительностью раз- гонки с учетом начального залегания перехода существует зависи- мость (9.2), справедливая при постоянном коэффициенте диффу- зии. Соотношение (9.2) нарушается при диффузии из слоев, образо- ванных при больших дозах облучения. На рис. 10.3 сплошными ли- ниями показаны профили фосфора, внедренного с энергией 40 кэВ 213
и дозами от 5-1013 до 6-1016 см-2 в кремний после разгонки в осу-| шенном азоте при 1150°С в течение 1,5 ч. Если вычислить отноше-1 ние глубин р-п-переходов и значений у lg N, которым должны быть! прямо пропорциональны эти глубины согласно уравнению (9.2), то* окажется, что глубина перехода возрастает более стремительно ci ростом дозы облучения, чем это следует из теоретических соотно-- шений для обычной диффузии. Форма профилей распределения — сранительно слабый спад концентрации в приповерхностной зоне и более резкий — в глубине слоя — свидетельствует об интенсифика- ции процесса диффузии примеси. Ускоряющими факторами являют- ся высокая концентрация примеси и наличие большого числа ра- диационных дефектов, распад которых при нагреве сопровождается появлением потока избыточных вакансий. Ступенчатая форма про- филей при дозах свыше 1016 см-2 характерна для обычной диффу- зии и обусловлена образованием дислокаций несоответствия в об- ласти легирования. Распределение дислокационных сеток по глу- бине в относительных единицах показано на рис. 10.3 пунктирными линиями для двух наибольших доз. Глубина распространения се- ток дислокаций меньше глубины диффузии. Более глубокая диф- фузия при больших дозах облучения связана с появлением потока неравновесных вакансий и взаимодействием дислокаций и их диф- фузией за область дислокационной сетки. Разделить эти эффекты практически невозможно. § 10.4. Методы расчетов ионно-имплантированных структур При технологических расчетах ионно-имплантированных структур, как и в случае диффузии, встречаются прямые и обратные задачи. Типичным примером прямой задачи является построение профиля распределения концентрации для заданных ионов, энергии и дозы облучения. Профиль распределения описывается выражением (10.16), и его построение основывается на определении Rp и АА?Р по таблице или расчетным путем. Более сложным является по- строение профиля для транзисторной структуры, требующей дву- кратной имплантации. Расчет профилей распределения концентрации внедренных примесей в структурах с двойной имплантацией. Для создания транзистора типа п-р-п в эпитаксиальный слой с электропроводно- стью n-типа производят последовательную имплантацию ионов ак- цепторной примеси с энергией Еа и дозой Na для формирования ба- зовой области и ионов донорной примеси с энергией Ер и дозой Na для формирования эмиттера, причем Rpa>RPn, а Стаха<Стахд. Суммарное распределение примеси описывается выражением ’ СС*)=Стахаехр[- (U-/?pa)/(/2A^a))2]- — Стахдехр[— ((Z — /?вл)/(/2Д/?П1))21 — Св. (10.24> 214
Глубину залегания коллекторного перехода определяем из условия ! х —R \21 / /к р,, 1 _л Cmaxa Р[ y^Rpl j] в~ ’ откуда xj4=Rpi + Д/?ра /2 In (Cmaxa/CB), (10.25) п Na ГДе О'шах а 1/5710 ( 2яД/<ра Глубину залегания эммитерного перехода с учетом того, что C(Xj3)^>Cs, определяем из условия ^Чпаха ехР X. —R \2 /э pa I /2Л/?ра / . С'тахл ехр Xj3 Rpn У К2Д^д / . откуда х/э=( —ni-J''/ «г2 —йс)/а, - (10.26) где а = Д/?2д —Д/?ра, т= — /?раД/?рд4-/?рдД7?рД, c—Rpa^RP^—/?2 дД/?2 а-2Д/?2 аД/?2 д In-^^- Для ориентировочного расчета более просто глубину залегания эмиттерного перехода можно оценить, исходя из равенства С{х,а)=Св, т. е. xj3^Rp^&Rpд /2 In (Стахд/Св). (10.27) Толщина базовой области wwXjK—хзэ. Пример 3. Рассчитать профиль распределения концентрации примеси в тран- зисторной структуре, образованной имплантацией ПВ+ и 31Р+ в кремний с элект- ропроводностью и-типа, если Св= 1016 см-3, Е&—100 кэВ, Л'а=5-10)3 см2, Ел = =200 кэВ, 1Уд = 1 • 1015 см-2. 1. Из табл. 10.1 определим, что для иоиов бора с энергией 100 кэВ Rp&— =0,398 мкм, Л7?ра = 0,094 мкм, а для иоиов фосфора с энергией 200 кэВ 7?ря= =0,254 мкм, 7?РД = 0,061 мкм. 2. Найдем максимальные концентрации бора и фосфора: „ 0,4ДГа 0,4.5- 013 „ „ , Стаха ~ Д/?ра ' г °’4Лгд та“ ДЯрд ’ = —; = 2,12.1018 см-з, 0,094.104 0,411019 = = 6,55-10'9 см-3. 0,061-10-4 3. Найдем глубины залегания коллекторного и эмиттерного р-я-переходов: /21»^ - ».2»< + 0.091/4,61g- = 0,705 мкм. = ^л + Я V 21* = °-254+°>061 /4-6 6~Т^ = ' = 0,510 мкм. 215
Рис. 10.4. Распределение бора фосфора в п-р-п-транзисторе 4. Пользуясь выражением (10.24), построим суммарное распределение ак- i цепторной и донорной примесей в структуре п-р-п-транзистора, показанное сплош- ной линией на рис. 10.4. Там же показаны отдельно распределения внедренных ; атомов бора Се (х) и фосфора Сф(х). Можно видеть, что простая формула для определения положения эмиттерного перехода имеет достаточную точность. Расчет распределения концентрации примеси в двухслойных структурах. Для создания МОП-структур часто применяют им- плантацию примесей в кремний через пленку диоксида. На грани- це раздела SiOs—Si вследствие различия в тормозных способно- стях кремния и диоксида концент- - рация примеси изменяется скачком. Для теоретического построения про- филей в двухслойных структурах имеется сравнительно простой при- ем. Пусть нам известны порознь профили распределения ионов в каждом из компонентов структуры SiO2 и Si, облученных с дозой N. На профиле в SiO2 проведем сече- ние на глубине di, равной толщине интересующей нас оксидной пленки. Обозначим количество атомов, ле- жащих слева и справа от этого се- чения, Лч и N2 соответственно. На профиле в Si проведем такое же се- чение на глубине d2 так, чтобы теперь части профилей Ni и N'2, по- и N'i=Ni и N'2 = N2. Составив лучим искомое распределение в двухслойной структуре Si—SiO2. Аналитическим путем это распределение может быть построе- но, если известны значения пробегов и их стандартных отклонений RPi и ARpi в SiO2, RP2 и \Rpi в Si. Для построения профилей рас- пределения концентрации внедренной примеси в кремнии необхо- димо определить дозу ионов Ni, тормозящихся в пленке диоксида на участке от х=0 до x—d^: Nt~\ С (х) dx ~ J V 2яЛЯ d, * - Rpi \2 /21^! J dx = .MJ L =^(1+еНтЙгг) • (10-28> Очевидно, что доза ионов примеси, прошедших через оксид в кремний, Rp2\ V2bRpi J ’ При отсутствии пленки диоксида доза ионов будет со- держаться в кремнии на глубине от х=0 до x=d2; Х = -------- f о (10.29) 216
Приравняв (10.28) и (10.29), получим d^ — Rpi d2 — R,2 er -------—erf- ------ . / 2bRpl V^Rpt Условием равенства erf-функций является равенство их аргумен- тов, поэтому v rfl — Rpl _d2 — Rp2 V2SRpl ~ V'2SRp2 ’ Отсюда находим толщину эквивалентного слоя кремния, в котором тормозится доза ионов N't=Ni: (10.30) (10.31) При построении распределения внедренной примеси в начало координат помещают на поверхности кремния, профиль распределения описывается гауссианой вида „ 0,+V [ 7 х +-d2-Rp2 \2] С(х)= —------ехр — -------------—\ . Ырг L \ V^RPi /] Пример 4. Построить распределение концентрации ионов бора внедренных с энергией 40 кэВ и дозой облучения 6,2-10!3 см-2 диоксида толщиной d|=0,2 мкм. 1. Из данных табл. 10.1 для кремния и табл. 10.3 для диоксида кремния определим, что /?Р1 = 0,142 мкм, Д(?Р1=0,04 мкм, /?р2=0,161 мкм, Д/?Р2=. =0,054 мкм. 2. По формуле (10.31) найдем толщину эквивалентного слоя кремния: 0,054 d2 = 0,161 + (0,2 — 0,142)-- 04~- = 0,239 мкм. 3. Запишем расчетные формулы для профилей распределения бора: в кремнии кремнии поэтому (10.32) в кремнии, через пленку 0,4-6,2-10i3 с<х)-'о7о»4.’ю_-Г“>> = 4,6-1013 exp /г+ 0,239- 0,161 \2 \ /2-0,054 / . х +0,078 \21 0,0765 /J’ в диоксиде кремния „ 0,4-6,2-1013 С(Х)= 0,04-10—i еХР = 6,2-1018ехр 7 х —0,142 \21 _ ~ \ /2-0,04 } | ~ х —0,142 \2| 0,0566 / ]’ 4. Согласно расчетным формулам построим профили распределения бора в двухслойной структуре (рис. 10.5). 5. С помощью формулы (10.28) найдем дозу ионов бора, остающегося в пленке диоксида: 6 2-1013 7 0 2 — 0 142 \ . N = ] -[-erf ’ - =5,75-1013 см-з. 1 2 \ /2-0,04 / 217
6. Доза ионов бора, прошедшего в кремний, = АГ - = 6,2-1013 - 5,75-1013 = 4,5.ццг см-2, т. е. в кремний прошло менее 0,1 от полной дозы облучения. Расчет распределения концентрации примеси в случае распы- ления части ионно-имплантированного слоя. Распыление полупро- водника, облучаемого ускоренными ионами (см. гл. 11), может Рис. 10.5. Распределение бо- ра в структуре S1O2—Si Таблица 10.3 Л1, Е, кэВ *р,»м “В 20 69 24 40 142 40 100 339 67 140 453 78 75As 40 35 12,5 80 52 18 150 83 2» привести к тому, что профили распределения будут сильно отли- чаться от кривой Гаусса, а общее количество оставшихся в крис- талле иойов станет много меньше дозы облучения. Распределение внедренных ионов в момент времени t в процессе имплантации вы-, ражается гауссианой вида Idt Г 1 /х-^4-г/Л2, /2лДЯр F L 2 \ bRp Л где I — интенсивность потока ионов, ион/(см2-с); Idt = dN — доза, набираемая за период dt, ион/см2; v~dx/dt— скорость распыле- ния кристалла, см/с. Интегрируя это выражение по времени, найдем профиль рас- пределения ионов в момент t—T, к которому толщина распыленно- го слоя составит &x=vT: ч N ( x-Rp + Ьх ' x-Rp \ С (х)~----- erf---—--------еп —7=--- . 2Дг \ )л2Д/?р У2Д/?р / Толщину распыленного слоя удобно выразить, используя коэф- фициент распыления К: ^x=KNfN2. Тогда профиль распределения ионов, остающихся в кристалле, . Мг / . х — Rp + \х \ N / х- Rp \ С (х)=—- еп------------------- erf ——---1. У2bRp / 2.к \ к2Д/?р / 218
Явление распыления приводит к насыщению количества ато- мов примеси, остающихся в полупроводнике на уровне ./Удтах, ко- торое рассчитывают по формуле шах ~ N^RpIK.. С ростом энергии ионов возрастает пробег, что ведет к увеличению толщины легированного слоя, меньшему влиянию распыления и возрастанию N«max. Этому же способствует снижение К. Таким об- разом, явление распыления следует учитывать при малых Rp и больших К. § 10.5. Определение режимов имплантации Мы рассмотрели решения ряда наиболее часто встречающихся на практике прямых задач по расчету ионно-имплантированных структур. Обратные задачи более сложны. Обычно они заключа- ются в определении энергии, необходимой для получения заданно- го среднего нормального пробега ионов, или в определении дозы облучения, требующейся для обеспечения заданной концентрации примеси. Расчет энергии ионов, необходимой для получения заданного пробега. Соотношение пробег — энергия, описываемое формулой (10.2), не позволяет путем простого преобразования выразить за- висимость энергии от пробега. Для многих случаев £е<СЗр, поэто- му, используя разложение в ряд функции arctgх, можно упростить «формулу (10.2): 2 < /9 Г 1 I 1 / < 1 ® р = — г1'2 1 -4---------1----------------- k [ 1 + kd/c \ 4 c/k+d (10.33) Если соблюдается условие г < — -\-d, что справедливо для боль- k шинства практически важных случаев, то 1п(1+х) и из формул <10.10) и (10.11) следует ..°lk.г1. (10.34) J \ ~ 3 " c/k + d ) Средний нормальный пробег связан с полным пробегом соотноше- нием Рр=/Р- Подставив в него формулы (10.33), (10.34) и решив полученное ку- бическое уравнение, найдем зависимость энергии иона от его сред- него нормального пробега: e=(S[г2)2, (10.35) где - ?/2+VW+(W. 219
s2=V/ — 9/2—(?/2)2-H/W> 2k (elk + d'p 9p q~ 7Fk ~' 4d(c/k + d) p dk Пример 5. Определить энергию E, необходимую для того, чтобы средний нор- мальный пробег ионов фосфора в кремнии составил 7?Р=0,1 мкм. 1. Для иоиов фосфора (Z]=15, Ali = 31) в кремнии (Z2=14, Л12=28,09) р = Л42/Л11 = 0,905, 4,7-10-9 4,7-10-9 а “ (Z/ + Z/)1/2 ~ (152/3 + 142/3)1/2 - 1 - 36> 10 9 CM’ _ UM1M2______________4.31-28,09 ~ Y - (A4j 4-Af2)2 “ (31 + 28,09)2 ~ ’ 6,9-106aA42 _ 6,9-106-1,36-10-9-28,09 _ _5 1 ZiZ2(Afl+Af2)~ 15-14(31 +28,09) ~2’ 'I0 эВ > L = na2Yv2== 3,14 (1,36.10-9)2 1.4,96-1022 = 2,86-105 —, CM * = 2,47-10iiZ12/3/Z^AT2[a(l + p)/2 = 2,47- Юн (15)2'3 /14/28709 X X [1,36-10-9(1 + 0,905)]3/2 = 0,139, c[k = 0,45/0,139 = 3,24, c/k + d = 3,24 + 0,3 = 3,54, ?р = RPL = 0,1-10-4-2,86-105 = 2,86. 2. Найдем значения р и q: _ 4rf(c/fe + d) _ 4-0,3-3,54 Р~ c/k ~ 3,24 Т ’ ’ = _ 2k (c/k + rf)2 ?р ~ _ 2-0,139 (3,54)2 2,86 д elk f ~ ~ 3,24 0,776 = ~ ’9 • 3. Определим значения ei и е2. Вначале вычислим квадратный корень: (^/2)2 + (/7/3)3 = ( - 3,98/2)2 +(1,31 /3)3 =4,04. • У Q 1 Г/ <7 \2 / п \з Зу------------- *1=1/ -~ + У НН + , = У 1.99+/4,04 = 1,587, е2= |/ -"7~ V(тУ+ ('Т)3 = 1^ 1.59-/4,04 = -0,126. г \ Z / \ О J 4. Определим значение безразмерной приведенной энергии е, соответствую- щей заданному пробегу: e = (si +е2)2 = (1,587 -0,126)2 = 1,85. 220
На основании ее вычислим значение энергии: Е = »/F = 1,85/(2,12-10-5) = 87 кэВ. Эту же задачу можно решить графически при наличии табличных данных о> средних нормальных пробегах ионов фосфора в кремнии в интересующем нас диапазоне энергий. Пользуясь этими данными, построим зависимость RP{E) и по графику для заданного Rp найдем Е. Существует ряд изданий *, где дискрет- ные значения пробегов табулированы через 10—20 кэВ для многих сочетаний иои — мишень. Расчет дозы облучения, необходимой для получения заданной концентрации примеси. Так как профиль распределения концент- рации внедренной примеси описывается кривой Гаусса, то для ее построения необходимо знать средний нормальный пробег Rp, сред- неквадратичное отклонение пробега А7?р и дозу облучения N. Обычно все три параметра неизвестны. Известными являются глу- бина залегания р-п-перехода х/, максимальная концентрация при- меси Стах и концентрация примеси в исходной пластине полупро- водника Св- Выражение для глубины залегания р-п-перехода найдем из формулы (10.16) приС(х)=0: j/21п(Стах/Сд). (10.36> Дозу облучения рассчитаем из соотношения СтаХ=0,4ад/?р, или N = 2,5Д/?рСтах. Для определения стандартного отклонения пробегов А/?р исполь- зуем графическое решение. Зададим несколько значений энергии,, найдем для них А7?р и Rp и построим зависимость правой части уравнения (10.36) от энергии. Затем параллельно оси энергий про- ведем прямую на уровне заданного значения X/, т. е. построим ле- вую часть уравнения (10.36). Точка пересечения правой и левой частей уравнения (10.36) определяет искомую энергию Е. Для най- денной энергии рассчитаем стандартное отклонение пробега АА?Р и вычислим дозу облучения. Пример 6. Определить энергию ионов и дозу облучения, необходимые для создания р-м-перехода на глубине Xj=O,3 мкм с помощью имплантации фосфо- ра в кремний с электропроводностью p-типа и с Св=1016 см-3, если необходи- мо обеспечить Сгаах = 5-1019 см-3. 1. Согласно уравнению (10.36), 5-1019 хj ~Rp + &Rp у 4,6 lg j |Q16 = Rp +4,12ДЛР. 2. Построим зависимость Rр + 4,12Д£р от энергии в диапазоне 80—160 кэВ, пользуясь данными табл. 10.1 (рис. 10.6). На том же рисунке проведем линию xj = 0,3 мкм и по точке пересечения определим £=113 кэВ. Для практических целей более удобно задавать энергию ионов кратной 5 или 10 кэВ. Принимаем £=110 кэВ. * См.: Буренков А. Ф., Комаров Ф. Ф., Кум ахов М. А., Т ем- ки и М. М. Таблицы параметров пространственного распределения иоииоимплаи- тироваиных примесей. — Минск: Изд-во БГУ им. В. И. Ленина, 1980. 221
3. Интерполируя данные табл. 10.1, найдем, что для £=110 кэВ Р3> = 136нм, ARp =38 нм. 4. Найдем дозу облучения: N = 2,5Д/?рСтах = 2,5-3,8-10-6-5-1019 = 4,75- 10U см-2. Расчет режимов имплаитании Рис. 10.6. Графическое определе- яие энергии ионов для создания транзисторной структуры. При выполнении данного расчета исполь- зуются ранее изложенные способы, поэ- тому рассмотрим его на конкретном приме- ре создания структуры л-р-л-траизистора на кремнии с толщиной базовой области ш = = 0,1 мкм, глубиной залегания эмиттерно- го перехода x,-a = 0,2 мкм, концентрацией доноров в эпитаксиальном слое Св = 2х ХЮ16 см-3 и максимальными концентра- циями акцепторной и донорной примесей Стах а = 3-1018, Стах д = 1 • 1020 СМ-3. СоЗДЭ- ние эмиттерной и базовой областей произ- водится имплантацией фосфора и бора со- ответственно. Режимы ионной имплантации определяются дозами Na, N„ и энергиями £а, £д. Данная задача в общем виде ие ре- шается, поэтому введем ряд упрощающих соотношений. 1. Запишем выражение для глубины за- легания коллекторного р-л-перехода; xjK — Яра + АЯра V4,6 1g (Стаха/Св) = = Rp, + Д£рД У 4’,6 1g (3-1018/(2-1016)] = Rpa + з, 16Д/?ра. Для иоиов с массами АГ>Л42 в диапазоне энергий 20—100 кэВ справедливо приближенное соотношение между пробегом и стандартным отклонением про- бега bRp/Rp ~ у/З или|Д£р = у/?р/3. Поэтому хук = Яра + з, 12yRpа/3 ~ 2Rp, •откуда Яра = XjK/2 = 0,3/2 = 0,15 мкм. Пользуясь табл. 10.1, принимаем £а = 40 кэВ, тогда £Ра = 0,161 мкм, Д/?ра= = 0,0538 мкм. Следовательно, х... = 0,161 -J- 3,12-0,058 = 0,33 мкм. Различие с требуемым значением XjK ие превышает 10%, что допустимо. 2. Доза облучения ионами бора /Va = /2лДЯраСтаха = К2ДГ14 5,38-10-б-3-1018 = 4.101з см-2. 3. Приближенное выражение для глубины залегания эмиттериого р-л-пере- хода ~ Ярд + ^Rpll 1 4,6 1g(Стаха/Св) = = Ярд+-^Ярд/4,6 1g[1-1020/(2-1016)] ^2,5/?рд, и 222
откуда Ярд = х;.э/2,5 = 0,2/2,5==0,08 мкм. Пользуясь данными табл. 10.1, принимаем £д = 80 кэВ, тогда RPn= = 0,098 мкм, Д7?рд = 0,0295 мкм и х;,=0,098+4,44-0,0295=0,23 мкм. 4. Доза облучения ионами фосфора Л\ = V2л\RPдСгпахд = VГЗД4• 2,95• 10-6• 1020 = 7,4• 1 ОН см-2. § 10.6. Использование процессов ионной имплантации в полупроводниковой технологии Высокая степень отработанности технологических процессов ион- ной имплантации позволяет существенно улучшить параметры по- лупроводниковых приборов, их воспроизводимость, выход годных и снизить стоимость выпускаемых изделий, а также создать новые типы приборов, получение которых затруднено или невозможно без применения ионной имплантации. Наиболее широко использу- ют имплантацию для введения легирующих примесей. Применение имплантации в диапазонах энергий 30—300 кэВ и доз 10й— 1017 см-2 позволяет создать различные типы дискретных полупро- водниковых приборов и ИМС: биполярные транзисторы и ИМС, СВЧ-транзисторы, полевые МОП-транзисторы, лавинно-пролетные диоды, варикапы со сверхрезкой зависимостью емкости от напря- жения, фотоприемники и др. Дальнейшие перспективы развития приборов и ИМС связаны с субмикронной технологией формирова- ния структур с размерами элементов менее 1 мкм на базе элект- ронной и рентгеновской литографии (см. гл. 12), которая также не- возможна без использования ионной имплантации. Рассмотрим ос- новные направления использования ионной имплантации в полу- проводниковом производстве. Биполярные транзисторы. При изготовлении биполярных тран- зисторов ионную имплантацию применяют для получения эмитте- ра, базы, коллектора, сильнолегированных областей для коллек- торного и базового контактов, разделительной диффузии, скрытых п+-слоев и др. (рис. 10.7). Изменение дозы облучения при созда- нии базы позволяет управлять коэффициентом передачи тока эмит- тера, а изменение энергии ионов при формировании профиля рас- пределения легирующей примеси в базе — регулировать ее шири- ну и тем самым задавать частотные характеристики приборов. Для создания биполярных транзисторов с высоким коэффициентом пе- редачи тока применяют два способа, оба они основаны на внедре- нии бора с небольшой дозой при высокой энергии для формирова- ния p-базы и внедрении мышьяка с высокой дозой для получения мелкого эмиттера. В первом случае стремятся сохранить неизмен- ным профиль внедренной примеси и обеспечить высокую электри- ческую активность примеси в процессе отжига эмиттерного слоя при температуре 900—950°С в течение 10—15 мин. Во втором слу- чае используют высокотемпературную кратковременную разгонку эмиттерной примеси. Эмиттерный переход располагается в этом 223
Е,КэВ 160 140 120 100 80 60 увеличение Ирейфо - Вого ноля К Э Бизи I Умень- шение уширины 1 базы Омичесгии переходу \3м оттер \ Скрытый слой 4Z/I_______________________________________________ 10” 1О’г io13 IO* 10'5 iO16N,CM-4 Рис. 10.7. Диапазоны доз и энергий ионов, ис- пользуемых при изготовлении биполярных транзисторов случае в материале, не затронутом имплантацией, где время жиз- ни носителей заряда не уменьшилось вследствие разупорядочения решетки, поэтому эффективность эмиттера высока. Изготовление структуоы биполярного транзистора начинают с создания области пассивной базы с по- мощью диффузии бора. Используя в качестве за- щитной маски пленку ЗЮг толщиной 1 мкм, проводят имплантацию ионов 75As2+ с энергией 100 кэВ и дозами 1015— 1016 см~2. После отжига при 1000°С в течение 20— 30 мин мышьяк диффун- дирует на глубину 0,3 мкм, где образуется эмит- терный р-п-переход. Ак- тивная база формируется имплантацией бора с энергией 200 кэВ и доза- ми 2-Ю12—1013 см-2 в процессе последующего отжига при Т= = 850°С в течение /=20 мин. Так как средний нормальный пробег ионов бора составляет 725 нм, а стандартное отклонение пробега 126 нм (см. табл. 10.1), то основная часть профиля распределения бора располагается за эмиттерным слоем в глубине кристалла. При оптимальном сочетании параметров данным способом изго- товляют транзисторы с коэффициентами усиления по току 100— 300 и предельными частотами 1—8 ГГц. МДП-транзисторы. Одно из первых практических применений технологии ионной имплантации в промышленном производстве, показавшее ее высокую эффективность, связано с МОП-транзисто- рами. Использование имплантации обеспечивает высокую однород- ность и воспроизводимость параметров транзисторов и позволяет значительно увеличить процент выхода годных. Применение им- плантации повышает надежность МДП-транзисторов, что достига- ется увеличением толщины подзатворного оксида и последующим снижением порогового напряжения до требуемого значения путем внедрения легирующих ионов через оксид. С точки зрения обеспе- чения надежности и достаточной крутизны вольт-амперной харак- теристики МОП-транзисторов оптимальной является толщина под- затворного оксида 0,1—0,15 мкм. Одним из важнейших применений ионной имплантации являет- ся управление концентрацией легирующей примеси с целью сдви- га порогового напряжения. Управление значением порогового на- пряжения с помощью ионной имплантации сводится к изменению поверхностного заряда МОП-транзистора. Примеси, вводимые в область, примыкающую к границе раздела диоксид — кремний, уменьшают или увеличивают заряд поверхностных состояний и со- 224
ответственно повышают или понижают пороговое напряжение при данной толщине диэлектрической пленки. Достоинство данного ме- тода в том, что он позволяет регулировать пороговое напряжение структур при работе в режиме обеднения и обогащения без су- щественного изменения других параметров прибора. В этой роли метод ионной имплантации обеспечил не только более удачную конструкцию МОП-транзисторов и ИМС, но и оказался легко сов- местимым со стандартной МОП-технологией. Основные направле- ния использования ионной имплантации при изготовлении МОП-транзисторов показаны на рис. 10.8. Чтобы индуцировать или обогатить проводящий канал между электродами истока и стока, потенциал затвора дол- жен превышать пороговое на- пряжение. Типичное значение порогового напряжения для кремниевого МОП-транзистора с каналом р-типа с алюминие- вым затвором равно —2 В при поверхностном заряде в за- творном диэлектрике 2Х. ХЮ!1см-2, Св=1015 см-3 и толщине диоксида затвора 0,1 ; Е} кэВ Рис. 10.8. Диапазоны доз и энергий ио- нов, используемых при изготовлении МОП-транзисторов :м. Пороговое напряжение обычно регулируют, манипулируя значениями зарядов в затворном ди- электрике и объемного заряда в подложке. Заданное значение порогового напряжения получают, исполь- зуя профили распределения внедренных ионов для управления объёмным зарядом в подложке. Степень легирования подложки под электродом затвора зависит от распределения внедренных ио- нов по глубине. Имплантацию бора производят через тонкую плен- ку подзатворного диоксида при энергии 30—50 кэВ, что недоста- точно для проникновения через толстый оксид, покрывающий ос- тальные участки пластины. Для отжига радиационных нарушений и активации примеси применяют нагрев до 900°С в течение не- скольких минут. В ряде случаев оказывается достаточным нагрев до 400—500°С, производимый после нанесения металлизации. Отклонения в степени легирования подложки приводят к поте- ре управления пороговым напряжением. Один из способов улучше- ния управления пороговым напряжением заключается во внедре- нии ионов с достаточно высокой дозой в слаболегированную под- ложку. Тогда пороговое напряжение определяется не удельным сопротивлением подложки, а концентрацией примеси, введенной имплантацией. Ионы бора, внедренные в подложки п-типа с удель- ным сопротивлением р=4 Ом-см, эффективно уменьшают плот- ность объемного заряда в каналах р-типа, что ведет к изменению пороговых напряжений от —2,5 В без имплантации бора до +3 В 8—210 225
при дозе облучения 1-Ю12 см-2. Для МОП-транзисторов с канала- ми п-типа аналогичная имплантация приводит к изменению поро- говых напряжений от —0,5 В до +2 В при том же значении удель- ного сопротивления подложки р-типа. При дозах свыше 5 - 10й см-2 в МОП-транзисторах с индуцированными p-каналами образуется встроенный p-канал и приборы работают в режиме обеднения, а не обогащения. Ионное внедрение бора в подложки р-типа или фос- фора в подложки п-типа приводит к повышению порогового напря- жения для приборов, работающих в режиме обогащения. Резисторы. Легированные слои, полученные после имплантации и отжига, являются, по сути, готовыми резистивными элементами с высокой однородностью поверхностного сопротивления. Изменяя дозу облучения и температуру отжига, управляют поверхностным сопротивлением резистивного слоя от 10 Ом/П до 100 кОм/D. Тех- нология изготовления резисторов совместима с биполярной техно- логией транзисторов и ИМС. Формирование резисторов зачастую совмещают с формированием базовой области или эмиттерного слоя. Конфигурация резистора задается топологией окон, вскры- ваемых в диоксиде кремния, а защитной маской служит диоксид или фоторезист. Контактные площадки создают диффузионным методом перед имплантацией. Однородность по сопротивлению ре- зисторов удается повысить таким образом, что ограничивающим фактором становится допуск на фотолитографию. Формирование линейных профилей. В ряде случаев перед тех- нологом или конструктором стоит задача получения линейного профиля распределения примеси на сравнительно большой глуби- не. Для получения заданного профиля распределения примеси ис- пользуют многократную имплантацию с несколькими дозами и энергиями. Это позволяет получать однородные, а также равно- мерно возрастающие или спадающие профили. Выбор энергий и доз производят с помощью моделирования суммарного профиля на ЭВМ. Вначале устанавливают необходимую энергию ионов в соответствии с требующейся глубиной и дозу, обеспечивающую нужную концентрацию на-этой глубине. Затем производят подбор доз облучения при различных энергиях ионов, так чтобы суммар- ный профиль не выходил за пределы допустимого разброса кон- центрации. Легирование атомами отдачи. Имплантация атомов отдачи из находящихся на поверхности пленок в подложки при бомбардиров- ке ионами инертных газов является перспективным методом полу- чения сверхтонких сильнолегированных слоев кремния, необходи- мых для многих типов полупроводниковых приборов, в первую очередь СВЧ-диаиазопа. Атомы отдачи могут получать достаточно высокую энергию от ускоренных ионов и перемещаться на расстоя- ние в несколько нанометром. Особенно важен данный способ леги- рования для примесей с большой атомной массой, таких, как In, Sb или В;. На поверхность пластины наносят тонкий слой легирую- щей примеси, который бомбардируют потоком ионов. Согласно теоретическим оценкам, поток атомов отдачи через поверхность 226
раздела пленка — подложка пропорционален плотности упругих потерь энергии бомбардирующих частиц вблизи этой поверхности, если толщина пленки сравнима с пробегом частиц. Если пленки более тонкие или энергии частиц более высокие, то поток пропор- ционален сечению ядерного торможения этих частиц в пленке. Для получения наибольшего выхода атомов отдачи толщина пленки должна быть равной положению максимума зависимости упругих потерь энергии от глубины пробега ионов. Увеличение дозы облу- чения ведет к снижению выхода атомов отдачи, что связано с рас- пылением пленки легирующего вещества. При дозах более 101е см-2 выход атомов отдачи становится меньше единицы, так как в пограничном слое происходит сильное перемешивание ато- мов подложки и пленки и резкая граница между ними исчезает. Каскадное перемешивание. При внедрении ускоренного иона в кристалл образуются каскады смещений, в которых происходит беспорядочное перемещение атомов. Если облучается структура, состоящая из тонкой металлической пленки, расположенной на по- верхности полупроводниковой пластины, го при соответствующем выборе энергии ионов и дозы облучения происходит не только ле- гирование атомами отдачи, но и активное перемещение атомов пленки в подложку, а атомов подложки в пленку. Этот процесс на- зывают атомным или каскадным перемешиванием. Его используют для создания омических переходов с низким сопротивлением, не требующих для своего создания высокой-температуры отжига. Од- ним из материалов контакта является силицид молибдена, обра- зующийся при каскадном перемешивании в системе молибден — кремний. Если использовать для бомбардировки ионы инертного газа, то в области контакта образуются газовые полости, ухуд- шающие надежность контакта. Поэтому для перемешивания пред- почтительнее использовать ионы легирующих примесей (В, Р, As), тогда одновременно с формированием силицида молибдена проис- ходит дополнительное легирование подложки. Для эффективного перемешивания выбор энергии определяется тем же требованием, что и легирование атомами отдачи, которое имеет вид Rp^h, где 1г — толщина пленки тугоплавкого металла (молибдена). Доза об- лучения должна быть достаточно высокой, чтобы сместилось боль- шое число атомов. Для образования силицида молибдена M0S12 необходимы доза ~1016 см-2 и энергия ~250 кэВ. При дозах 1O1S см-2 силицид не образуется. Каскадное перемешивание ис- пользуют также для формирования контактов на базе Pd, Ni, Pt, Nb и Au. Преимущество использования каскадного перемешивания перед термическим испарением в вакууме заключается в снижении температуры нагрева. Так как тугоплавкие металлы требуют высо- ких температур нагрева подложек при их нанесении, то это вызы- вает появление термомеханических напряжений и обусловливает низкую надежность контакта. Формирование изолирующих пленок. Благодаря точному управ- лению количеством внедряемой примеси метод ионной импланта- ции позволяет формировать изолирующие пленки типа БЮг, SisNj. 8* 227
Принципиальным ограничением является малая толщина слоя, в котором образуется пленка данного состава. Она ограничена про- бегом ионов и обычно не превышает 2/?р. Практически оказалось, что для формирования изолирующей пленки нет нужды точно вы- держивать стехиометрический состав диоксида или нитрида крем- ния. Поэтому дозы облучения кремния ионами О4г или N+г состав- ляют 1016—1017 см-2 при энергиях 30—100 кэВ. После облучения производят отжиг структур при 800°С для улучшения структуры пленки и лежащего под ней слоя кремния. § 10.7. Методы контроля ионно-имплантированных структур , Внедрение технологии ионной имплантации в полупроводниковое производство стимулировало развитие ряда специфических мето- дов контроля ионно-имплантированных структур, направленных на выявление особенностей поведения внедренных атомов примесей и образования радиационных нарушений. Рассмотрим ряд таких ме- тодов. Исследование распределения концентрации носителей заряда по глубине легированного слоя. Это исследование производят пу- тем измерения коэффициента Холла и удаления тонких слоев. Тон- кие слои кремния удаляют с помощью анодного оксидирования и растворения оксидной пленки в плавиковой кислоте. Электролит для оксидирования состоит из 498 г этиленгликоля и 2 г азотнокис- лого калия. Кремниевый образец является анодом. Анодное на- пряжение составляет 100—250 В, анодный ток в начальный момент повышается до 100 мА, а к концу процесса спадает до 1—2 мА при площади образца ~ 1 см2. Толщину оксидной пленки определяют на лазерном эллипсометрическом микроскопе или по цветам ин- терференции. Толщину удаленного слоя кремния рассчитывают на ©сновании массовой доли кремния в диоксиде кремния: Afsi: Afsio,—^-^: ^sio2=28 :60=0,465. Практически с допустимой погрешностью толщина удаляемего елея кремния линейно связана с анодным напряжением и для ука- занных режимов справедливо соотношение &x=KU, где К = = 0,2 нм/В. Слои с неоднородным распределением примесей характеризу- ются поверхностным коэффициентом Холла Rhs, включающим ус- реднение напряжения Холла по толщине всего слоя х/. Произведе- ние средней концентрации носителей заряда в слое С на толщину слоя равно числу носителей, заключенных под единицей площади легированного слоя /Vs(cm-2). Эту величину называют эффектив- ной поверхностной концентрации носителей заряда: Ns=CXj. 228
Поверхностный коэффициент Холла связан с Ns выражением Ns=r/(eRH$), где г=цн/ц — фактор Холла, т. е. отношение холловской и дрей- фовой подвижностей. v Так как точное значение фактора Холла обычно неизвестно, то для ионно-имплантированных слоев его принимают равным 1. Это может привести к ошибке в расчете Ns на 20—30% в сторону зани- жения истинных значений по электронам и завышения по дыркам. Пластины для холловских измерений могут быть произвольной формы. Две пары противолежащих контактов наносят по краям образца и обозначают по порядку номерами 1, 2, 3, 4. Поверхност- ная постоянная Холла RHs (см2/Кл) определяется по изменению напряжения Д£Лз (В) при протекании тока /24(A) и наложении магнитного поля В(Тл), перпендикулярного плоскости образца: RHs= 10W13/(Z?/24). Определив коэффициент Холла, находят эффективную поверхност- ную концентрацию: N=6,25-1018//^. Затем удаляют тонкий слой легированного кремния и вновь из- меряют Ns. Эту процедуру повторяют многократно. Концентрацию носителей в i-m удаленном слое С, (см-3) толщиной Дх находят из соотношения eQzAx = ajf-a,(z+1), откуда Да , ---S-N- . e.u-.Дх Масс-спектроскопия вторичных ионов (ВИМС). Этот метод по- зволяет определять профили распределения внедренных ионов по глубине легированного слоя. При использовании ВИМС образец непрерывно распыляют пучком ионов аргона. Вторичные ионы примесных атомов проходят через масс-сепаратор. Ионный ток, получаемый на выходе регистрирующей системы, пропорционален концентрации примеси в данном атомном слое распыляемого полу- проводника, а время распыления пропорционально его глубине, поэтому кривая i(t) пропорциональна кривой С(х). Чувствительность установки зависит от типа примеси, но для всех ионов лежит на уровне 1016 см-3. Энергия первичного пучка ионов аргона может регулироваться в пределах 3—6 кэВ. Типич- ное значение скорости распыления кремния составляет 0,6 нм/с. Для калибровки полученной кривой i(t) в зависимость С(х) по- лагают, что кривая распределения — гауссиана, поэтому доза ион- ной имплантации соответствует- площади, заключенной под кривой 229
i(f), и максимальная концентрация C,nax=0,94JV/w, где w— Полная ширина кривой Гаусса на уровне С=0,5 Стах- Спектроскопия оже-электронов (СОЭ). Метод спектроскопии оже-электронов дает сведения о составе и содержании примесей в приповерхностных слоях кристаллов и аморфных тел с толщина- ми от 0,3 до 3 нм. Идентифицируются все элементы, за исключе- нием водорода и гелия. При возбуждении внутренних оболочек атомов пучком ускоренных электронов наблюдается безызлуча- тельный процесс испускания вторичных электронов, обнаруженный Оже в 1925 г. Если падающие на образец первичные электроны ионизируют внутренний /(-уровень и возникшую на этом уровне дырку заполняет электрон с более высокого уровня L\, то энергия, выделяемая при таком переходе L\—К, может быть передана эле- ктрону на уровне С2. Энергия достаточно велика, чтобы перевести электрон с уровня L2 в вакуум. Такой электрон, ушедший с уровня Г2, называют оже-электроном. В результате испускания оже-эле- ктронов атом оказывается в двукратно ионизированном состоянии. При достаточно высокой чувствительности детектора вторичных электронов на кривой распределения вторичных электронов по энергиям разрешимы несколько пиков, часть которых характеризу- ет энергию испускаемых оже-электронов. Энергия оже-электронов не зависит от энергии первичных электронов. По значению энер- гии, соответствующей пику испускаемых оже-электронов, иденти- фицируют элемент, а по интенсивности испускания судят о кон- центрации анализируемых атомов. . С помощью СОЭ определяют содержание примеси с концент- рацией не менее 1018 см-3. Минимально достижимая концентрация составляет 1016 см-3. Последовательно удаляя тонкие слои полу- проводника с помощью ионного распыления и проводя СОЭ-ана- лиз, получают профили распределения концентрации примеси по глубине. Высокое разрешение метода обусловлено тем, что оже- электроны выходят только из глубины 1—5 атомных слоев, т. е. 0,5—3 нм. Глава 11 ПОЛУЧЕНИЕ СТРУКТУР МЕТОДАМИ ТЕРМИЧЕСКОГО ИСПАРЕНИЯ И ИОННО-ПЛАЗМЕННОГО РАСПЫЛЕНИЯ Большое место в полупроводниковой технологии занимают процес- сы, связанные с нанесением на поверхности структур тонкопленоч- ных покрытий и их. удалением в вакууме. Эти процессы основаны на молекулярно-кинетических явлениях в разреженных газах. Су- ществует два основных метода осаждения тонких пленок: терми- ческим испарением и катодным распылением. При термическом испарении осаждаемое вещество нагревается до температуры ис- 230
парения и его пары конденсируются на подложке. При катодном распылении осаждаемое вещество находится при комнатной тем- пературе и бомбардируется низкоэнергетичными ионами из плаз- мы газового разряда. Распыленные атомы достигают подложки и конденсируются на ней. Оба метода используют для осаждения проводящих, резистивных и диэлектрических пленок. Качество тон- копленочных покрытий во многом зависит от глубины вакуума в рабочей камере и соотношения потоков молекул остаточного газа и испаряемого вещества на поверхность подложек. При термическом испарении элементов и сплавов используют однотигельные и мно- готигельные,способы. Усовершенствованием катодного распыления является метод ионно-плазменного распыления и его модификации, которые составляют основу так называемой технологии «сухой» обработки полупроводниковых структур, позволяющей исключить применение жидких химических травителей и растворителей при фотолитографической обработке тонкопленочных покрытий. При изготовлении ПП и ИМС термическое испарение и ионно-плазмен- ные процессы используют для создания омических переходов, пас- сивных элементов тонкопленочных схем, межэлементной изоляции и коммутации. Для оценки качества тонкопленочных покрытий контролируют их толщину и структуру. § 11.1. Технологические особенности термического испарения материалов Термическое испарение производят в глубоком вакууме, поэтому технологический процесс в первую очередь определяется конст- рукцией вакуумного оборудования. Схема вакуумной установки для на- пыления. На рис. 11.1 показана схема вакуумной системы напылительной ус- тановки. Она включает рабочую каме- ру 1 колпакового типа с объемом до 0,5 м3, в которой размещаются полу- проводниковые структуры 2 на плане-, тарном, карусельном или барабанном держателе, испаритель 4 и заслонка 3. Измерение давления до Ю-1 Па про- изводят термопарным манометром, а ниже 10-1 Па — ионизационным, кото- рые объединены в одном приборе 5. Предварительный вакуум достигается с помощью форвакуумного насоса 9 Рис. 11.1. Схема вакуумной установки для напыления при закрытом клапане 12 диффузион- ного насоса 11 и закрытом кране 10. Краны 8 и 7 открыты. По до- стижении давления ~ 10 Па кран 7 закрывают и открывают кран 10 и клапан 12, в результате чего осуществляется откачка диффу- зионным насосом. В случае аварийного отключения форвакуумного 231
насоса срабатывает электромагнитный клапан 8, предохраняя си- стему от натекания в нее атмосферного воздуха через неработаю- щий форвакуумный насос. Для конденсации паров масла и оста- точных газов служит ловушка 6, наполняемая жидким азотом. В настоящее время все шире используют безмасляную откачку с применением турбомолекулярных и гетероионных насосов, позво- ляющих достигать разрежения до 10-9 Па. Типы испарителей. Термическое испарение материалов произ- водят из испарителей косвенного подогрева — проволочных (W, Та), ленточных (Мо, Та) или тигельных (кварц, графит, стекло- графит, керамика). Эти материалы слабо взаимодействуют со многими испаряемыми веществами и не загрязняют молекулярный поток. Форма испарителей зависит от агрегатного состояния испа- ряемого материала. Порошкообразные вещества испаряют из тиглей и лодочек, что особенно удобно для несмачивающих ма- териалов. Для испарения крупнозернистых порошков используют проволочные спиральные конические испарители. Если испаряе- мый металл относится к числу смачивающих, то применяют лен- точные или спиральные проволочные испарители. Металл навеши- вают на них в виде гусариков или навивают тонкой проволочной спиралью. Подложки обычно располагают над испарителем, что предотвращает случайное попадание на них капель расплавленного вещества. Заслонка 3 (рис. 11.1) играет важную технологическую роль, так как позволяет точно контролировать длительность про- цесса осаждения покрытия и препятствует попаданию на подложки летучих загрязнений, содержащихся в испаряемом веществе, в начальный момент испарения. Для образования равномерного по толщине покрытия карусель и подложки на ней вращаются над испарителем. Соотношение потоков газа и паров на подложках. При терми- ческом напылении тонкопленочных покрытий между испарителем и подложкой создается направленный поток пара. Чтобы он рас- пространялся в технологической камере беспрепятственно, давление в ней должно быть достаточно малым. Концентрация молекул газа должна быть такой, чтобы столкновения частиц пара с молекулами остаточного газа отсутствовали. Средняя длина сво- бодного пробега молекул газа /., между двумя столкновениями при Р=10_2 Па составляет около 0,5 м. Для многих веществ приб- лизительно такова же средняя длина свободного пробега молекул пара в газе. Если при этом подложка удалена от испарителя на 10 см, то более чем 80% молекул пара достигает подложки без столкновения с молекулами газа. Это определяется на основании закона ослабления not ока: число частиц N потока пара, прошед- ших в газе путь х без столкновений, 7V=7Voexp(—х/Х), где — число частиц потока пара; Х = ХГ— средняя длина сво- бодного пробега. Поэтому при данных условиях влияние газа на 232
поток пара можно не учитывать. При высоких давлениях пара становится существенным взаимодействие молекул пара друг с другом, в частности при Р^Ю-1 Па. В табл. 11.1 приведены числа столкновений молекул газа со стенкой камеры vr, числа столкновений молекул друг с другом в объеме камеры yv и средние длины пробега Хг для различ- ных давлений. При давлениях ниже 10~3 Па преобладают столкновения со стенкой. Однако для анали- за влияния давления газа на процесс осаждения вещества важнейшим параметром явля- ется не число столкновений с Таблица 11.1 Р, Па ч vr, 1/(см2-с) v„, 1/(см3-с) 1 0,5 см 2,8-1018 5,6-1019 10-2 50 см 2,8-1016 5,6-10“ 10-4 50 м 2,8-10“ 5,6-10“ ю-° 5 км 2,8-1012 5,6-10’ поверхностью, а отношение числа столкновений vr газа к числу столкновений vn пара с поверхностью подложки. Отношение числа столкновений со стенкой молекул газа и пара находят с помощью кинетической теории газов. Для газа (воздуха) при Т=293 К vr/vn=55,5MnPr/(aKd), где Мп — массовое число молекул пара; Рг — давление газа, Па; ак — скорость конденсации, выраженная как скорость нарастания осаждаемого слоя, нм/с; d— плотность испаряемого материала, г/см3. Для алюминия это соотношение имеет вид vr/vAi = 5,6-102Pr/aK. Скорость конденсации при осаждении алюминия обычно состав- ляет 1—100 нм/с. При давлении 2-Ю'2 Па Vi/vai = 10-4-0,1. Этот пример показывает, что уже при относительно низком давлении остаточного газа частота столкновений его молекул с подложкой может быть одного порядка с частотой столкновений с нею моле- кул пара. Судить о влиянии газа на Свойства осажденного слоя только по одному отношению частот столкновений с подложкой нельзя. Вероятность конденсации большинства химически пассив- ных компонентов газа мала, поэтому даже при сравнимых v кон- денсация паров протекает без заметной адсорбции газа. Вероят- ность адсорбции и конденсации активных газовых компонентов (кислорода, водорода, паров веществ, проникающих в камеру из вакуумных насосов) достаточно велика. В этом случае, чтобы избежать влияния адсорбции газа, добиваются очень низкого значения отношения vr/vn. Для этого сильно понижают давление остаточных газов и в первую очередь парциальное давление неже- лательных компонентов или задают очень высокую скорость кон- денсации паров. При осаждении алюминия скорость