Технология СБИС. Кн.2 - Фрейзер Д., Могэб К., Фичтнер У., Паррильо Л., Маркус Р., Стейдел К., Бертрем У.

Автор: Фрейзер Д. Могэб К. Фичтнер У. Паррильо Л. Маркус Р. Стейдел К. Бертрем У.

Теги: неорганическая химия электротехнические материалы и изделия технологические процессы моделирование издательство мир герметизация кремний метализация ис

Год: 1986

Похожие

Технология СБИС Кн.1

Технология полупроводниковых приборов и изделий Кн.8

Технология полупроводниковых приборов и изделий микроэлектроники Кн.9. Сборка

Технология полупроводниковых и диэлектрических материалов

Текст

ББК 31.233
Т38
УДК 546.28
Могэб К-, Фрейзер д., Фичтнер У., Паррильо Л., Мар-
кус Р., Стейдел К., Бертрем У.
Т38 Технология СБИС: В 2-х кн. Кн. 2. Пер. с англ./Под
ред. С. Зи. — М.: Мир, 1986. — 453 с., ил.
В книге ведущих американских специалистов освещены вопросы технологии
изготовления кремниевых ИС.
В книге 2 рассмотрены вопросы ионно-плазменной технологии применитель-
но к процессам удаления вещества, металлизации ИС, моделирования основных
технологических процессов формирования ИС. Описаны основные технологиче-
ские схемы изготовления элементов СБИС (биполярная технология, л—МОП- и
КМОП-технологии), методы исследования и контроля технологических процессов,
герметизация готовых ИС, тестирование и надежность готовых ИС.
Для студентов старших курсов вузов соответствующего профиля, аспирантов
и специалистов в области проектирования, технологии изготовления и примене-
ния ИС.
„ 2403000000—408
Т 041(01)—86 167—86, ч. 1
ББК 31.233
Редакция литературы по новой технике
Copyright © 1983 by Bell Telephone
Laboratories, Incorpo-
rated
© перевод на русский язык,
«Мир», 1986
8
СУХОЕ ТРАВЛЕНИЕ
МОГЭБ К.1)
8.1. ВВЕДЕНИЕ
Рисунки на резисте, формируемые методами литографии,
описанию которых была посвящена гл. 7, не являются элемен-
тами готового прибора, скорее они есть отображение действи-
тельных схемных элементов. Для формирования топологии схе-
мы необходимо перевести рисунки резиста в соответствующие
слои полупроводниковой структуры. Один из методов такого пе-
ревода заключается в селективном удалении немаскированных
участков резиста. Этот процесс называют травлением.
Методы так называемого сухого травления хорошо подходят
для технологического процесса изготовления СБИС. Сухое трав-
ление называют также плазменным травлением [1], подразу-
мевая использование в этих методах плазмы в виде газовых раз-
рядов при низком давлении. Методы сухого травления широко
применяются в технологии СБИС, так как они характеризуются
потенциальной способностью высокоточного перевода рисунков
резиста.
Первые применения плазменных методов в технологии крем-
ниевых ИС относятся к концу 60-х годов, когда начались иссле-
дования возможности применения различных видов кислород-
ной плазмы для снятия фоторезиста [2]. В то же время прово-
дились работы по использованию плазмы для травления крем-
ния, завершившиеся изобретением [3] способа травления в га-
зовых смесях CF4—Ог- Тогда еще не существовало универсаль-
ной тенденции применения методов сухого травления, которые
рассматривались как новые варианты известных способов хи-
мического травления.
Первые работы по сухому травлению открыли важный пе-
риод в развитии технологии ИС. В период с 1972 по 1974 г. в
некоторых ведущих лабораториях проводились интенсивные
разработки неорганических пассивирующих покрытий для
МОП-приборов. Предпочтительным было признано использова-
ние нитрида кремния, полученного плазменным осаждением. Од-
11 Mogab С. J., Bell Laboratories, Murray Hill, New Jersey.
6
ГЛАВА В
нако, хотя этот материал удовлетворял многим технологическим
критериям, существовала проблема, серьезно осложнявшая его
применение. Не было найдено ни одного приемлемого химиче-
ского травителя, который можно было бы использовать для вы-
травливания в нитриде окон с целью создания контакта к лежа-
щей под ним металлизации. Эта проблема была решена путем
применения плазменного травления в газовой смеси CF4—О2
[4]. Одновременно была разработана методика использования
плазмы CF4—О2 для формирования рисунка в слоях нитрида
кремния, химически осажденного из паровой фазы, с целью
изоляции р—«-переходов [5]. Эти разработки ознаменовали пер-
вое применение плазменного травления в производстве ИС и
начало широких исследований возможностей методов плазмен-
ного травления.
Вскоре была обнаружена возможность применения плазмен-
ного травления как способа, отличающегося высокой анизотро-
пией травления. В частности, во многих экспериментах зафик-
сировано значительное превышение скорости вертикального
травления над скоростью бокового травления. Как будет ясно
из изложенного ниже, анизотропия является важным фактором,
обусловливающим высокое разрешение при переносе рисунка.
Особенно большой интерес анизотропия плазменного травления
вызвала у исследователей, работавших в направлении повыше-
ния степени интеграции за счет уменьшения размеров схемных
элементов. Поэтому к середине 70-х годов большинство веду-
щих производителей ИС уделяли существенное внимание интен-
сивному развитию методов плазменного травления. Эти методы
рассматривались уже не как альтернатива методам химического
травления, а как методы, обладающие уникальными возможно-
стями для удовлетворения всех требований, предъявляемых к
переносу рисунка.
8.2. ПЕРЕНОС РИСУНКА
Термин «перенос рисунка» относится к переводу рисунка,
созданного маскирующим слоем, на пленку или подложку с ис-
пользованием химических или физических методов, обеспечи-
вающих формирование поверхностного рельефа.
8.2.1. Субтрактивные и аддитивные методы
переноса рисунка
Субтрактивный метод переноса рисунка (рис. 8.1, а) заклю-
чается в осаждении пленки, литографическом покрытии ее мас-
кирующим слоем с рисунком и удалении травлением немаски-
СУХОЕ ТРАВЛЕНИЕ
7
повинных участков пленки. При аддитивном методе, или методе
взпывного удаления (рис. 8.1,6), вначале на подложку нано-
сится литографическая маска, затем на маску и не защищенные
ею участки подложки осаждается пленка, после чего участки
пленки, покрывающие маску, удаляются путем селективного
растворения маскирующего слоя в подходящем жидком раство-
Начало
процесса
Подложка
Подложка
После
литографии
После
удаления
маски
Рис. 8.1. Схемы субтрактивного (а) и аддитивного (б) методов переноса
рисунка.
рителе, так что пленка, покрывающая маску, может быть подня-
та и удалена с поверхности подложки.
Применение субтрактивных методов является предпочти-
тельным для современной технологии СБИС способом переноса
рисунка. Аддитивные методы способны обеспечить высокое раз-
решение, но используются редко.
8.2.2. Разрешение и профили краев элементов
при субтрактивном переносе рисунка
Разрешение, достигаемое в результате процесса травления,
является критерием качества переноса рисунка и определяется
Двумя параметрами. Первый из них — смещение, равное разно-
сти горизонтальных размеров рисунка травления df и рисунка
8
ГЛАВА В
маски dm (рис. 8.2). Допуск является мерой статистического
распределения величин смещения, которая характеризует одно-
родность травления в горизонтальной плоскости.
Процесс травления с нулевым смещением обеспечивает фор-
мирование вертикального профиля края элемента, совпадающе-
Рис. 8.2. Боковой подтрав пленки под маску на границе маска — пленка
го с краем маски (рис. 8.3,а). В этом случае травления в гори-
зонтальном направлении не происходит и рисунок переносится
с идеальной точностью, что соответствует экстремальной ситуа-
ции идеально анизотропного травления. При равенстве верти-
кальной и горизонтальной скоростей травления или, выражаясь
более точно, когда скорость травления не зависит от направле-
ния, к концу процесса формируется профиль края, имеющий
Рис. 8.3. Идеальные профили травления для а — полностью аиизотропиого
0f= 1) и б — изотропного (4f = 0) травления при отсутствии подтрава
маски.
контур четверти окружности (рис. 8.3,6). В этом случае, т. е.
при изотропном травлении, смещение равно удвоенной толщине
пленки, подвергавшейся травлению.
Любой профиль края элемента, формируемый к концу трав-
ления, который соответствует ситуации, промежуточной между
теми, что показаны на рис. 8.3, а и б, образуется вследствие
анизотропии скорости травления. Степень анизотропии Af мож-
но определить как
Af = l~vt/vv,
(8.1)
СУХОЕ ТРАВЛЕНИЕ
9
где vi и vv — горизонтальная и вертикальная скорости травления
соответственно. Выражая уравнение (8.1) через параметры эле-
мента, формируемого к концу процесса травления, можно за-
писать
Af=l — |B|/2/i/; (8.2)
где В— смещение, hf — толщина пленки. Таким образом, для
изотропного травления Л? = 0, а при 1 >Л,->0 реализуется ани-
зотропное травление. На практике термин «анизотропное трав-
ление» часто используют для обо-
значения экстремального случая
Л^=1 (рис. 8.3,а).
На ранних этапах развития про-
изводства ИС для компенсации
смещения обеспечивали соответст-
вующую компенсацию размеров
элементов маскирующего слоя. Рас-
смотрим в качестве примера трав-
ление рисунка, состоящего из полос
и промежутков равной ширины. Для
упрощения примем, что конечный
заданный размер элемента изобра-
жения равен df, а элемента маски —
dm (рис. 8.4). Для процесса травле-
ния с ненулевым смещением рису-
Рис. 8.4. Компенсация разме-
ров элементов маски с учетом
смещения для получения в
вытравливаемом рисунке ли-
ний и промежутков равной ши-
рины. (Для простоты профиль
края считают вертикальным.)
нок маски не должен состоять из полос и промежутков рав-
ной ширины. Вместо этого размеры элементов маски следует
компенсировать, так чтобы минимальный размер элемента мас-
ки I составил
l=df—\B\ (8.3)
или, с учетом уравнения (8.2),
l^dfli-^/d^i-Af)]. (8.4)
Из уравнения (8.4) следует, что минимальный размер эле-
мента литографического рисунка пропорционален заданному
размеру элемента топологии, причем коэффициент пропорцио-
нальности определяется степенью анизотропии травления и от-
носительным увеличением размеров вытравливаемого элемента.
Из уравнения (8.4) следует, что при приближении df к пределу
литографического разрешения (для конкретного способа лито-
графии, использованного при создании маски) величина Af
должна стремиться к единице (за исключением случая hf<^df,
который не представляет практического интереса). Иными сло-
вами, по мере уменьшения размеров элементов маски при фик-
сированном или почти фиксированном относительном увеличе-
нии размеров вытравливаемого элемента величину компенсации
10
ГЛАВА 8
можно уменьшить, но необходимо обеспечить высокую анизо-
тропию травления. Такая ситуация часто встречается в прак-
тике переноса рисунков в технологии СБИС.
8.2.3. Селективность и контроль размеров элементов
В предыдущем подразделе при описании травления пленки
подразумевалось, что подложка и маска не поддавались воздей-
ствию травителя. На практике такое случается редко, особенно
при использовании методов сухого травления. Чаще все мате-
риалы, контактирующие с травителем, характеризуются конеч-
ными значениями скорости травления. Следовательно, важным
параметром переноса изображений в технологии СБИС являет-
ся селективность (избирательность) травления, определяемая
как отношение скоростей травления различных материалов.
Селективность по отношению к материалу резиста необходи-
мо учитывать при контроле размеров формируемых элементов.
Селективность по отношению к материалу подложки определяет
качество и процент выхода годных приборов (подложкой счита-
ется либо кремниевая пластина, либо пленка, выращенная или
осажденная в процессе создания предыдущего слоя полупровод-
никовой структуры).
Селективность по отношению к материалу подложки зависит
от однородности скорости травления как пленки, так и маски,
однородности толщины пленки, степени перетравливания, профи-
ля края элемента маски, анизотропии скорости травления маски
и максимального допустимого ухода размеров вытравливаемого
элемента. Для количественной оценки влияния этих факторов
рассмотрим рис. 8.5.
Рассмотрим процесс травления пленки, средняя толщина ко-
торой составляет hf, а однородность толщины определяется без-
размерным параметром 6, так что при 0<б<1 максимальная
толщина пленки равна hf (1 + 6), а минимальная толщина со-
ставляет hf (I—8). Предположим, что средняя скорость травле-
ния равна vf, а однородность скорости травления определяется
интервалом скоростей пД1±0^), где &f — безразмерный пара-
метр (О^0?^1). Наиболее распространенным подходом к оцен-
ке селективности, необходимой для обеспечения заданных пре-
делов отклонения размеров формируемых элементов в резуль-
тате вытравливания маски в любом участке пластины, является
задание наихудших условий. В рассматриваемом случае наи-
худшие условия соответствуют максимальной скорости травле-
ния маски и минимальной скорости травления наиболее толстых
участков пленки. (Скорость травления определяется как част-
ное от деления глубины травления в вертикальном направлении
на продолжительность травления.) При таких условиях про-
СУХОЕ ТРАВЛЕНИЕ
11
должительность вытравливания пленки на всю толщину tc оп-
ределяется выражением
(8 5)
с vf (1— 0f)
Если продолжительность перетравливания (выраженную в
виде доли от продолжительности травления) обозначить А, то
Рис. 8.5. Формирование контура вытравливаемого элемента с учетом конеч-
ной скорости травления маски. (Разность между расчетной и реальной ши-
риной линии равна 1F).
продолжительность травления пленки возрастет до fc(l + A) и
выражение для полной продолжительности травления tt можно
записать в виде
t (1 +6) (1 + А)
‘ vf (8-6)
В течение этого времени происходит растравливание маски
(рис. 8.5). Если максимальные скорости вертикального и боко-
вого травления маски обозначить соответственно vv и vt, то
край элемента рисунка маски смещается на максимальное рас-
стояние VF/2, равное
W^ctgO+uJ^. (8.7)
Угол 0 показан на рис. 8.5. Подставляя выражение для h из
уравнения (8.6), получим
W = 2 hf .
(8.8)
vf ' f (I— <t>f)
12
ГЛАВА В
Скорость травления маски определяется вертикальной ско-
ростью травления. В рассматриваемом случае взята максималь-
ная величина vv, что соответствует наиболее жестким требова-
ниям к селективности, необходимой для достижения заданного
значения W.
Скорость травления маски можно определить с помощью па-
раметра однородности Фт\ vv = vm (1 + , где vm — средняя ско-
Рис. 8.6. Зависимость требуемой селективности травления по отношению
к маске Sfm от отношения толщины пленки к искажению ширины вытравли-
ваемой линии для различных профилей краев элементов маски и экстремаль-
ных случаев изотропного и аиизотропиого травления маски.
рость травления маски. Далее, учитывая что vf/vv = Sfm — за-
данная селективность травления пленки по отношению к маске
и что vifvv=\—Ат, где Ат — степень анизотропии травления
маски, уравнение (8.8) можно переписать в виде
h,
= (8.9)
где {Дт=[(1 + 6) (1 + Д) (l + 0m)]/(l—0f) — фактор «однородно-
сти», учитывающий наихудшее совпадение всех неоднородно-
стей.
Полезно рассмотреть пример, иллюстрирующий применение
уравнения (8.9). Предположим, что осуществляется процесс
полностью анизотропного травления пленки 0f = l). В этом
случае отклонение размеров элемента изображения связано
только с растравливанием резиста. Примем далее, что однород-
ность скорости травления пленки и маски составляет 10%, од-
СУХОЕ ТРАВЛЕНИЕ
13
породность пленки по толщине равна 5%, а заданная степень
перетравливания 20%. Тогда 0f = 0m = O,l, 6 = 0,05 и Д = 0,2.
Подставив эти величины в уравнение (8.9), получим
Sfm= 1,54 [ctg 0+(1 -AJ] (hf/W). (8.10)
Графики зависимостей, определяемых уравнением (8.10)
для 0=60° и 0 = 90° при условиях изотропного и полностью ани-
зотропного травления маскирующего слоя, приведены на
рис. 8.6. Для фоторезистивных масок угол 0 определяется при-
меняемым методом литографии (разд. 7.3.1) и может быть из-
менен послеэкспозиционной обработкой. Угол 60° является ти-
Рис. 8.7. Иллюстрация необходимости перетравливания при анизотропном
травлении для удаления излишков материала на ступеньках (для приведен-
ного примера 4f=l).
Остаток
К моменту окончания
травления '
пичным для проекционной литографии, а угол 90° — для кон-
тактной. Маски с вертикальными стенками краев элементов
(0 = 90°) характерны также для систем с использованием мно-
гослойных резистов (разд. 7.6.3). Заметим, что предпочтитель-
ный случай контроля ширины вытравливаемых линий соответ-
ствует анизотропному травлению маски с вертикальными стен-
ками, что достигается применением многослойных резистов в
сочетании с процессами реактивного ионного травления
(разд. 8.4).
Селективность травления материала подложки оценивается
аналогичным образом. Для наихудших условий (наиболее тон-
кая и быстро стравливаемая область пленки лежит на наиболее
быстро стравливаемой области подложки) получим
Sfs = (hf/hs)Uft, (8.11)
где hs максимально допустимая глубина травления подлож-
ГФД2 + Д + Д6) + 6(2 + Д) + Д ]
fs I (1— ф?) ]' (8.12)
Параметры Ф;, Д и 6 были определены выше.
14
ГЛАВА 8
Очевидно, что если бы толщина пленки и скорость ее трав-
ления были абсолютно однородны (6 = 0f=O) и не требовалось
перетравливания (Д = 0), селективность по отношению к подлож-
ке не имела бы значения. В действительности такие идеальные
ситуации в технологии СБИС встречаются редко, причем не
только по очевидной причине, связанной с невозможностью до-
Рис. 8.8. Зависимость требуемой селективности травления по отношению
к подложке Sfs от отношения толщины плеики к толщине слоя подложки,
удаляемого при различной степени перетравливания.
стижения идеальных параметров процесса, но и потому, что
(даже при условии идеальных однородностей) необходимо пе-
ретравливание в тех случаях, когда анизотропное травление
проводится по поверхности со ступенчатым рельефом. Необхо-
димость перетравливания иллюстрируется рис. 8.7. При анизо-
тропном травлении для полного удаления пленки необходимо
перетравливание (т. е. травление после того, как с планарной
поверхности удален наиболее медленно стравливаемый участок
пленки). Как можно видеть из рис. 8.7, для полностью анизо-
тропного травления (^4f = l) A = /ii//i2, что и определяет мини-
мальное значение UfS.
В качестве примера, относящегося к изготовлению полевых
транзисторов, рассмотрим травление слоя поликристаллическо-
СУХОЕ ТРАВЛЕНИЕ
15
го кремния толщиной 0,3 мкм, покрывающего ступеньку изоли-
рующего окисла толщиной 0,6 мкм с подслоем подзатворного
окисла толщиной 0,05 мкм. Для этих условий А = 2 (200%-ное
перетравливание!) и минимальная селективность, требуемая для
анизотропного травления, составляет 2(0,3/0,05) = 12, если плен-
ка поликристаллического кремния однородна по толщине и од-
нородно травится, причем процесс травления мгновенно прекра-
щается после полного удаления подзатворного окисла. Посколь-
ку используемый способ травления должен обеспечивать отно-
сительно быстрое травление поликристаллического кремния,
продолжающееся после удаления подзатворного окисла травле-
ние может привести к значительному растравливанию кремние-
вой подложки, обусловливающему невосстановимое ухудшение
параметров прибора. Рис. 8.8 иллюстрирует зависимость селек-
тивности от перетравливания для случая, когда = 0,1 и б =
=0,05.
Таким образом, селективность по отношению к маске необхо-
дима для обеспечения контроля размеров элементов, формируе-
мых проекционной литографией по слою резиста (0<9О°),
и (или) когда маска характеризуется конечным значением го-
ризонтальной скорости травления. Селективность относительно
подложки необходима для предотвращения нежелательного
удаления ранее сформированных областей полупроводниковой
структуры. Анизотропное травление предпочтительно для фор-
мирования элементов малых размеров, так как в этом случае
допустимо лишь очень малое смещение при переносе рисунка.
Однако анизотропное травление по ступенчатому рельефу по-
верхности обусловливает необходимость перетравливания, что
в свою очередь повышает требования к селективности.
8.3. ГАЗОВЫЕ РАЗРЯДЫ ПРИ НИЗКОМ ДАВЛЕНИИ
Методы переноса рисунка с использованием плазменного
травления предусматривают применение частично ионизирован-
ных газов, состоящих из ионов, электронов и нейтронов, кото-
рые образуются при электрических разрядах в газе при низком
давлении (~0,0133—1330 Па). Общий термин «плазменное
травление» включает методы ионно-лучевого травления, ионно-
плазменного травления, реактивного ионно-лучевого травления,
реактивного ионно-плазменного травления и собственно плаз-
менного травления. Эти методы, описанные в разд. 8.4, разли-
чаются по условиям возникновения разряда, применяемому га-
зу и аппаратуре; их общей чертой является необходимость обес-
печения разряда, часто называемого просто плазмой.
16
ГЛАВА В
8.3.1. Самоподдерживающиеся разряды
При приложении к газу электрического поля достаточной ве-
личины происходит электрический пробой газа. Процесс начи-
нается с высвобождения одного электрона (например, вследст-
вие фотоионизации или полевой эмиссии). Высвобожденной
электрон ускоряется приложенным электрическим полем, при-
обретая кинетическую энергию, которая теряется при прохож-
дении электрона сквозь газ в результате соударений с молеку-
лами газа. Реализуются два типа соударений — упругие и не-
упругие. При упругих соударениях теряется очень небольшая
часть энергии электрона (доля потерь составляет — Ю-5), что
объясняется значительной разницей масс электронов и молекул.
В результате энергия электрона становится достаточно боль-
шой, чтобы возбудить или ионизировать молекулу в процессе
неупругого соударения. В процессе ионизирующего соударения
электрон теряет практически всю кинетическую энергию. При
этом высвобождается другой электрон, ускоряемый электриче-
ским полем, и таким образом процесс продолжается. Если при-
ложенное напряжение превышает напряжение электрического
пробоя газа, газ быстро становится ионизированным во всем
объеме.
Электроны, эмиттируемые в результате ионизирующих со-
ударений и в ходе вторичных процессов (которые обсуждаются
ниже), выходят из плазмы в результате дрейфа или диффузии к
ее границам, рекомбинации с положительными ионами и — в не-
которых электроотрицательных газах — за счет притяжения к
нейтральным молекулам с образованием отрицательных ионов.
Разряд достигает самоподдерживающегося состояния, когда
процессы генерации и потери электронов компенсируют друг
друга.
Происходят также и неионизирующие неупругие соударения
между электронами и молекулами или атомами газа. Два ос-
новных типа таких соударений — электронное возбуждение мо-
лекул (или атомов) и расщепление молекул. Возбужденные
молекулы и атомы обеспечивают люминесцентное свечение
плазмы, испуская фононы при переходе электронов на нижние
свободные уровни. Фрагменты расщепленных молекул часто
представляют собой атомы и свободные радикалы, обладающие
высокой реакционной способностью. Свободным радикалом яв-
ляется фрагмент молекулы, имеющий неспаренный электрон.
Плотность электронов в плазме, применяемой для сухого
травления, составляет от 109 до 1012 см-3. Считая, что концен-
трация молекул газа при давлении 133 Па составляет
~1016 см-3, можно заключить, что разряды происходят в усло-
виях малой ионизации. Это приводит к тому, что температура
СУХОЕ ТРАВЛЕНИЕ
\т
газа примерно равна температуре окружающей среды, хотя;
средняя температура электронов составляет 104—105 К. Отно-
сительно низкая температура газа позволяет использовать тер-
мочувствительные материалы, например органические резисты,,
для создания маскирующих слоев.
Таким образом, приложение к газу электрического поля при-
водит к преобразованию электрической энергии в потенциаль-
ную энергию активированных элементов газа, таких, как ионы,,
атомы и свободные радикалы. Эти элементы могут быть ис-
пользованы для травления за счет их физического и химическо-
го взаимодействия с поверхностью твердого тела. Передача
энергии осуществляется свободными электронами в процессе-
неупругих соударений с молекулами газа.
8.3.2. Способы создания плазмы
Разряд при постоянном токе. Наиболее просто обеспечить,
возникновение тлеющего разряда. Для этого между двумя ме-
таллическими электродами, помещенными в частично вакууми-
рованное пространство, создается постоянная разность потен-
циалов. Разряд, возникающий в пространстве между электрода-
ми, визуально неоднороден и состоит из чередующихся светя-
щихся (люминесцирующих) и темных зон, схематически пока-
занных на рис. 8.9.
Отрицательное Положительный
свечение столб
Темное Темное Темное
катодное пространство анодное
пространство Фарадея пространство
Рис. 8.9. Образование тлеющего разряда при постоянном токе.
Положительные ионы, ускоряемые в результате притяжения’
к отрицательному электроду (катоду), при столкновениях воз-
буждают эмиссию вторичных электронов. Кроме того, если эти
ионы обладают достаточно высокой энергией, они способны-
привести к смещению атомов на поверхности катода или к их
распылению [6], т. е. к эмиссии атомов катода. Вторичные
электроны, быстро ускоряясь, уходят от катоД'^'щддод^^^оург^
рым возникает объемный разряд менее подвижных щоложцтедь-<л
2—233 1 rtvV •'f'Tr-;.:

a 8 ГЛАВА в
•ных ионов, формирующий зону так называемого темного катод-
ного пространства. Темное пространство, обедненное более мо-
бильными электронами, имеет относительно низкую проводи-
мость, и, следовательно, на него приходится падение наиболь-
шей доли приложенного напряжения. Когда вторичные электро-
ны ускоряются до достаточно больших энергий, начинаете?} ио-
низация; точка начала ионизации соответствует границе области
отрицательного тлеющего разряда. Протяженность зоны отри-
цательного тлеющего разряда равна длине пространственного
участка, в котором происходит рассеяние энергии ускоренных
электронов в результате неупругих соударений. После выхода
из этой зоны электроны обладают слишком низкой для обеспе-
чения ионизации энергией, что обусловливает возникновение
другой относительно темной зоны — темного пространства Фа-
радея. За ней наблюдается положительный столб, в котором
концентрации электронов и ионов равны.
Обычно тлеющий разряд при постоянном токе возникает,
жогда давление составляет 4 Па, а величина приложенного на-
пряжения превышает несколько сотен вольт. Эффективным спо-
собом обеспечения такого разряда является разогрев катода для
возбуждения интенсивной термоионной эмиссии. При этом
•создается достаточный для поддержания плазмы приток элек-
тронов, что обеспечивает возникновение разряда при более низ-
ких давлениях. При еще более низких давлениях ( — 0,133 Па)
средняя длина свободного пробега электронов превышает раз-
меры разрядной камеры, и вероятность ионизирующих соударе-
ний становится слишком мала для поддержания разряда, если
«пробег электронов не ограничивается приложением внешнего
магнитного поля [7].
Тлеющий разряд при постоянном токе обладает тремя общи-
ми для газовых разрядов характеристиками:
1. Поскольку электроны значительно более подвижны, чем
ионы, положительный пространственный разряд возникает в
-окрестности отрицательного электрода. В реальных условиях
неравенство подвижностей приводит к образованию «ионных
-оболочек» на каждой поверхности, введенной в плазму.
2. Ионная оболочка является плохим проводником электри-
чества по сравнению с областями с более высокими концентра-
циями электронов. Следовательно, наибольшее падение напря-
жения происходит на ионных оболочках.
3. Средняя энергия электронов повышается при уменьшении
давления или, выражаясь более точно, при увеличении отноше-
ния <S/р, где <S — напряженность электрического поля, ар — дав-
ление. Так как средняя длина пробега электрона обратно про-
порциональна р, отношение &1р является мерой энергии, сооб-
щаемой электрону полем в период между соударениями.
СУХОЕ ТРАВЛЕНИЕ
19»
Разряд при переменном токе. Если к электродам, изобра-
женным на рис. 8.9, приложить переменное электрическое поле
низкой частоты, то полярность электродов меняется каждые
полпериода, так что каждый электрод попеременно выступает
в роли катода. Ионы и электроны могут следовать за измене-
ниями поля, образуя разряд, идентичный показанному на
рис. 8.9, но с периодически меняющейся полярностью. При по-
вышении частоты приложенного напряжения достигается точка,
при которой ионы, создаваемые в результате электрического-
пробоя, не успевают полностью выйти из межэлектродного про-
странства до перемены полярности. Дальнейшее повышение
частоты приводит к ситуации, когда большинство электронов
не успевает дойти до положительного электрода в течение полу-
периода пульсации поля. Эти электроны начинают колебаться-
в межэлектродном пространстве, претерпевая соударения с мо-
лекулами газа. Нижний предел частоты таких осцилляций оп-
ределяется подвижностью электронов, расстоянием между элек-
тродами и амплитудой приложенного напряжения и обычно ле-
жит в интервале частот радиоволн.
Высокочастотные разряды имеют три преимущества, кото-
рые определяют их широкое использование. Во-первых, в про-
цессе осцилляций электроны приобретают энергию, достаточ-
ную для ионизации газа. При этом разряд может поддержи-
ваться независимо от притока вторичных электронов от стенок
камеры и электродов. Во-вторых, при колебаниях электронов;
повышается вероятность ионизирующих соударений, что позво-
ляет понижать давление до — 0,133 Па. Третье преимущество-
заключается в том, что поверхность электродов в зоне разряда
может быть покрыта изолирующими материалами, что позво-
ляет осуществлять ионно-плазменное и реактивное ионно-плаз-
менное травление диэлектриков и исключает проблемы, связан-
ные с осаждением на электродах диэлектрических покрытий,,
которое может происходить при использовании для плазменно-
го травления газов с высокой реакционной способностью. Меха-
низм травления диэлектриков в ходе высокочастотных разрядов;
подробно освещен в литературе [8].
Электрические потенциалы, образующиеся в различных точ-
ках пространства камеры при высокочастотных разрядах, опре-
деляют энергию ионов, падающих на поверхности тел в разряд-
ной камере [9]. Три потенциала, характерные для разных ме-
тодов травления, показаны на рис. 8.10: Vt — потенциал поверх-
ности электрода, на который подается высокочастотное (ВЧ)-
напряжение, измеряемый относительно земли; Ур — потенциал
плазмы относительно земли; Vf— потенциал (относительно-
земли) электрически нестабильной поверхности, например ди-
электрической стенки или подложки, изолированной от земли
2*
20
ГЛАВА В
диэлектрической пленкой. На ионных оболочках эти потенциалы
равны: Vp—Vt — на электроде, запитываемом напряжением вы-
сокой частоты; Ур—Vf— на электрически нестабильной поверх-
ности; Vp—на заземленной поверхности. Потенциал поверхно-
сти относительно плазмы определяет максимально возможную
энергию ионов, падающих на поверхность.
Источник
ВЧ-на пряжения
] ___Запитываемый
______| электрод (Ht)
•Заземленный
электрод
Рис. 8.10. Образование высокочастотного разряда и зависимость потенциала
от местоположения в зоне разряда для случая, когда поверхность запиты-
ваемого электрода намного меньше суммы всех заземленных поверхностей
в зоне разряда.
В первом приближении высокочастотные колебания электри-
ческого потенциала ионных оболочек определяют их емкостные
характеристики, причем величина емкости определяется пло-
щадью и толщиной оболочки. Поэтому отношение R площади
электрода, на который подается напряжение высокой частоты,
к площади всех заземленных поверхностей, контактирующих с
плазмой, является ключевым фактором, определяющим распре-
деление приложенного напряжения по ионным оболочкам [8—
11]. Потенциал Vp—Vt возрастает по мере уменьшения R.
Практически это означает, что при ионно-плазменном травле-
СУХОЕ ТРАВЛЕНИЕ
21
нии, для осуществления которого требуются относительно боль-
шие величины Vp—Vt, наиболее целесообразно обеспечивать ма-
лые значения R и приближать подложку к запитываемому вы-
сокочастотным напряжением электроду (мишени).
При тех же условиях ионная оболочка заземленного электро-
да характеризуется сравнительно малым падением напряже-
ния VP, что обусловливает отсутствие или незначительную ско-
рость травления в этой области. В типичной диодной установке
ионно-плазменного травления R равно — 0,05, a Vp—Vt может
быть порядка киловольт, в то время как VP составляет <100 В.
Системы собственно плазменного травления характеризуются
большей симметрией (/?~0,5) и работают при более высоком
давлении (обычно в интервале 13,3—133 Па). Поэтому значе-
ния потенциалов ионных оболочек, включая запитываемый
электрод, того же порядка, что и Vp. Плавающий потенциал Vf
обычно на несколько вольт ниже потенциала земли. Поэтому
энергия ионов, падающих на электрически нестабильную по-
верхность, обычно ненамного превышает Vp.
8.3.3. Физические и химические явления
в газовых разрядах
При сухом травлении плазма служит источником элементов,
осуществляющих или каким-либо образом катализирующих про-
цесс травления. Равновесное состояние любого разряда опреде-
ляется скоростями возникновения и потерь этих элементов.
Возникновение ионов, атомов и радикалов. Как отмечалось
выше, электронные соударения являются главным механизмом
создания ионов при разрядах в инертных и молекулярных га-
зах. В молекулярных газах ионизация может осуществляться
параллельно с расщеплением молекул. При этом происходит
диссоциативная ионизация. Рассмотрим примеры протекающих
реакций.
Простая ионизация:
Аг+е >Аг++2г, (8.13)
О2 + е ->О2++2е. ' 7
Диссоциативная ионизация:
CF4 + е -->CF3+4-F + 2e. (8.14)
Диссоциативная ионизация с прилипанием:
CF4 + е--> CF3+ -j- F~ + е. (8.15)
Электронные соударения приводят также к молекулярной
диссоциации (расщеплению) без ионизации, для чего обычно
22
ГЛАВА 8
требуются электроны меньшей энергии. Большинство атомов и
радикалов, а в некоторых случаях отрицательные ионы возни-
кают в результате таких соударений. Приведем примеры проте-
кающих реакций:
О2 + е --> 20 Ц-е--->0 + 0", (8.16)
CF3C1 + е --> CF3 + С1 + е, (8.17)
C2F6 + е ---> 2CF3 + е. (8.18)
Возникновение атомов и радикалов при разрядах в молекуляр-
ных газах необходимо для осуществления травления, так как
рабочие газы почти всегда характеризуются весьма низкой ре-
акционной способностью. Например, GF4 является относительно
инертным газом, который не взаимодействует с Si при любых
температурах вплоть до точки плавления (1412°С). Однако при
возбуждении разряда в CF4 одним из продуктов разряда явля-
ется атомарный фтор, вступающий в реакцию с Si при комнат-
ной температуре с образованием летучего соединения SiF4.
Аналогично 02 не обеспечивает травления фоторезистов при
комнатной или близкой к ней температуре, а атомарный кисло-
род, образующийся при разряде в 02, быстро превращает ре-
зист в летучие соединения, такие, как СО, С02 и Н20. Скорость
возникновения ионов, атомов и радикалов определяется харак-
теристиками разряда, такими, как давление, плотность мощно-
сти, частота и скорость подачи рабочего газа. Однако точные
соотношения между характеристиками разряда и скоростями
возникновения различных элементов, как правило, не известны.
Механизмы потерь. Имеются следующие механизмы потерь
электронов в разряде: дрейф, диффузия, рекомбинация и при-
липание. В молекулярных газах рекомбинация и прилипание мо-
гут происходить диссоциативно. Например:
диссоциативная рекомбинация:
е + 02+--->20, (8.19)
диссоциативное прилипание:
e + CF4 -->CF3 + F-. (8.20)
Потери ионов также могут происходить за счет дрейфа к
электродам или диффундирования к стенкам камеры.
Потери атомов и радикалов осуществляются в ходе гомоген-
ных или гетерогенных реакций. Гомогенные реакции возникают
непосредственно в газовой фазе, а гетерогенные — на введенных
в газ поверхностях. Доминирующий для конкретного элемента
характер реакции потерь определяется многими факторами,
такими, как давление, характеристики присутствующих поверх-
ностей (шероховатые, гладкие, реакционно способные, инертные
СУХОЕ ТРАВЛЕНИЕ
23
и т. п.), отношение площади поверхностей к объему газа, в ко-
тором происходит разряд, вид рабочего газа. Например, два
атома кислорода не могут прямо рекомбинировать, так как вы-
деляемой при этом энергии некуда рассеиваться. Однако в при-
сутствии третьей частицы (например, молекулы О2) обеспечи-
вается необходимый отбор энергии. Скорость таких реакций
сильно зависит от давления.
Поверхности могут являться местом протекания реакций не-
зависимо от давления. Однако не все поверхности одинаково
эффективны по отношению к рекомбинации реактивных элемен-
тов. Например, рекомбинация атомов F проходит быстрее на
медной поверхности, а не на окисленной алюминиевой поверх-
ности. Во избежание нежелательных гетерогенных реакций не-
обходим тщательный подбор материалов для изготовления уст-
ройств реактивного травления.
8.4. МЕТОДЫ ПЛАЗМЕННОГО ТРАВЛЕНИЯ
Плазменное травление может осуществляться различными
методами. При использовании методов ионного травления,
включающего ионно-лучевое и ионно-плазменное травление, про-
цесс травления происходит исключительно по механизму физи-
ческого распыления (разд. 8.3.2). Реактивные методы, включаю-
щие собственно плазменное травление, реактивное ионно-луче-
вое травление и реактивное ионно-плазменное травление, осно-
ваны на различной степени сочетаний химических реакций,
в ходе которых образуются летучие или квазилетучие соедине-
ния, и физических взаимодействий, таких, как ионная бомбар-
дировка.
Термин «плазменное травление» часто применяется для обо-
значения чисто химических реакций, в которых плазма служит
исключительно источником реакционно-способных электрически
нейтральных компонент, вступающих во взаимодействие с ато-
мами поверхности твердого тела, в результате чего образуются
летучие продукты реакций. Известны примеры применения плаз-
менного травления в технологии СБИС, для которых данное
определение является полностью адекватным. Однако физиче-
ские эффекты, такие, как ионная бомбардировка, часто играют
важную роль в плазменном травлении, так же как и в реактив-
ном ионном травлении. Поэтому следует быть осторожным при
определении «механизма» конкретного процесса травления, ос-
нованного на терминологии, используемой для описания этого
процесса.
Предпочтительно разделять методы сухого травления не по
механизму, а по функциональным признакам, т. е. присущим им
комбинациям функциональных параметров.
24
ГЛАВА 8
8.4.1. Ионно-плазменное и ионно-лучевое травление
Как ионно-плазменное, так и ионно-лучевое травление осно-
ваны на использовании образующихся в процессе разряда вы-
сокоэнергетических (^500 эВ) ионов инертного газа, напри-
мер Аг+. Ионно-плазменное травление проще всего осуществить
в высокочастотной диодной системе, схема которой представле-
на на рис. 8.11. Материал, подвергаемый травлению, закреп-
ляется на запитываемом электроде и бомбардируется притяги-
ваемыми из плазмы ионами. В разд. 8.3.2 было показано, что
Рабочий
газ
—>К насосу
Источник
ВЧ-напряжения
Заземленный
жран
Рис, 8.11. Высокочастотная диодная система для реактивного ионного трав-
ления.
Запитываемый электрод является катодом, а все остальные внутренние заземленные
части реактора — анодом; прн этом площадь катода намного меньше площади анода.
Плазма не удерживается и занимает весь объем камеры. Заземленный экран предотвра-
щает распыление защищаемых им участков поверхности запитываемого электрода.
если отношение поверхности катода к заземленной поверхности
достаточно мало, то наибольшее падение напряжения осущест-
вляется на ионной оболочке катода. Направление вектора элек-
трического поля в районе ионной оболочки перпендикулярно по-
верхности катода, поэтому при типичных рабочих давлениях
(—1,33—13,3 Па) ионы падают на поверхность под прямым уг-
лом, и, следовательно, степень анизотропии травления очень
высока.
В методе ионно-лучевого травления источником ионов обыч-
но является разряд постоянного тока, ограничиваемый магнит-
ным полем, причем область разряда физически отделена от
стравливаемой подложки системой сеток (электродов), на кото-
рые подаются потенциалы смещения, обеспечивающие экстраги-
рование ионного пучка (обычно Аг+) из разряда (рис. 8.12). Для
обеспечения используемых на практике плотностей тока пучка
« 1 мА/см2) [7] требуется прикладывать напряжение (сооб-
щать ионам энергию) свыше 500 В. Обычно пучок хорошо кол-
лимирован, поэтому угол его падения на поверхность подложки
СУХОЕ ТРАВЛЕНИЕ
25
можно регулировать наклоном подложкодержателя. Для ней-
трализации ионного пучка на его пути размещается разогревае-
мая нить накала, инжектирующая в пучок электроны низких
энергий.
Хотя и ионно-плазменное, и ионно-лучевое травление обес-
Рис. 8.12. Система для ионно-лучевого травления.
печивают в потенциале высокое разрешение, они не получили
широкого применения в технологии СБИС. Основной причиной
этого является неудовлетворительная селективность.
8.4.2. Плазменное травление
Для плазменного травления кремния, его соединений и не-
которых металлов применяют молекулярные газы, содержащие
один или более атомов галогенов в своих молекулах. Выбор та-
ких газов объясняется тем, что образуемые ими в плазме эле-
менты реагируют с материалами, подвергаемыми травлению,
образуя летучие соединения при температурах, достаточно низ-
ких, чтобы обеспечить качественный перенос рисунка.
Для травления с высоким разрешением используются реак-
торы с электродами в виде параллельных пластин (рис. 8.13)
(12]. Такие системы имеют ряд отличительных характеристик.
26
ГЛАВА 8
Во-первых, электроды почти симметричны (отношение площа-
дей запитываемой и заземленной поверхностей значительно
ближе к единице, чем в системах ионно-плазменного и реактив-
ного ионного травления). Уровень удержания плазмы относи-
тельно высок, поскольку электроды расположены близко друг к
Другу и имеют размеры в плоскости, соизмеримые с диаметром
внутренней полости реактора. Удержание плазмы обеспечивает
повышение ее потенциала. Другими отличительными характе-
ристиками являются размещение подвергаемых травлению под-
ВЧ-напряжение
Нижнии электроЭ-
лоЭложкоЭержо-
• тель
Верхний
ПоЭложки эдектроЭ
J » Т
-'Т L Рабочий газ
К насосу
пирекса
ГазораспреЗелительное
кольцо
Рабочий -
газ
Рис. 8.13. Система плазменного травления с параллельными электродами
в виде пластин. (Плазма удерживается в основном в области между запи-
тываемым электродом н заземленной пластиной подложкодержателя.)
ложек на заземленном электроде и относительно высокое рабо-
чее давление (от 13,3 до 1330 Па).
Вероятность обеспечения высокого потенциала плазмы в си-
стемах плазменного травления не следует переоценивать [9].
Поскольку подложки либо заземлены, либо находятся под пла-
вающим потенциалом, энергия падающих на них ионов может
быть равна потенциалу плазмы или немного превышать его и
при определенных условиях может достичь нескольких сотен
вольт, несмотря на высокое рабочее давление. При высоком по-
тенциале плазмы поверхностные реакции, определяющие про-
цесс травления, сильно зависят от эффекта ионной бомбардиров-
ки, что обсуждается в разд. 8.5.1. В этом случае плазменное
травление не отличается по механизму от реактивного ионного
травления (разд. 8.4.3).
Обычно для осуществления плазменного травления требу-
ется лишь механический насос. Широко применяются двухка-
мерные роторные насосы с масляными ловушками, обеспечи-
вающие скорость откачки до 1500 л/мин. Поскольку даже при
использовании относительно инертных рабочих газов в процессе
СУХОЕ ТРАВЛЕНИЕ
27
разряда могут образовываться химически агрессивные и (или)
токсичные газы, например СО, COF2, СОС12, F2 и С12, необхо-
димо предусматривать меры безопасности при вентилировании
насоса, замене в нем масла и повседневном техническом обслу-
живании J13].
Поскольку необходимо осуществлять независимое управле-
ние давлением и скоростью подачи рабочего газа, для регулиро-
вания скорости откачки применяют дроссельную заслонку. Зна-
чения скорости подачи газа обычно лежат в интервале 50—
500 см3/мин при стандартных температуре и давлении.
Подача высокочастотного напряжения часто осуществляется
посредством цепей с регулируемым импедансом при частоте
13,56 МГц (эта стандартная частота используется в промышлен-
ных, научных и медицинских установках в США). Однако не-
давно проведенные исследования влияния частоты на характе-
ристики процесса травления показали важность этого парамет-
ра, определяющего энергию ионов, что привело к заключению о
целесообразности отклонения от стандартной частоты [14].
Цепи регулировки применяются для согласования импеданса
плазмы с выходным импедансом высокочастотного генератора,
что обеспечивает эффективную передачу энергии.
8.4.3. Реактивное ионное и реактивное
ионно-лучевое травление
Реактивное ионное травление, называемое также реактив-
ным ионно-плазменным травлением, осуществляется в реакто-
рах, аналогичных применяемым для ионно-плазменного травле-
ния (рис. 8.11). Однако в реактивном ионном травлении вместо
плазмы инертного газа используется разряд в молекулярных
газах аналогично тому, как это осуществляется при плазменном
травлении. Особенностями метода являются: 1) асимметричные
электроды (т. е. отношение площади катода к площади зазем-
ленной поверхности намного меньше 1); 2) размещение подло-
жек на запитываемом электроде; 3) относительно низкие рабо-
чие давления (0,133—13,3 Па). Каждая из перечисленных осо-
бенностей метода обусловливает относительно высокую энергию
ионов, бомбардирующих поверхность подложки в процессе трав-
ления (разд. 8.3).
Низкие рабочие давления, используемые при реактивном
ионном травлении, приводят к необходимости применения более
сложных насосных систем и низких скоростей подачи рабочего
газа (~10—100 см3/мин при стандартных температуре и давле-
нии). В остальном системы реактивного ионного травления
сходны с реакторами для плазменного травления с параллель-
ным расположением электродов.
28
ГЛАВА 8
Реактивное ионно-лучевое травление — самый современный
из разработанных методов реактивного травления [15]. Приме-
няемое при этом оборудование сходно с установкой, используе-
мой при ионно-лучевом травлении (разд. 8.4.1 и рис. 8.12). Ана-
логичными являются и рабочие характеристики. Однако вместо
инертных газов источником ионов служат молекулярные газы —
так же, как в методах плазменного и реактивного ионного
травления.
Хотя первые результаты применения реактивного ионно-лу-
чевого травления показали возможность достижения весьма вы-
сокого уровня анизотропии травления (Л/~1), селективность
травления весьма низка. Учитывая необходимость использова-
ния сложного оборудования для реализации этого метода, по-
тенциальные недостатки последнего, а также трудности в созда-
нии ионных источников, следует полагать, что метод реактивно-
го ионно-лучевого травления в ближайшем будущем вряд ли
найдет широкое применение.
8.5. ФАКТОРЫ, ОПРЕДЕЛЯЮЩИЕ СКОРОСТЬ
И СЕЛЕКТИВНОСТЬ ТРАВЛЕНИЯ
Необходимость обеспечения селективности сухого травления
обсуждалась в разд. 8.2.4. Скорость травления в каждом кон-
кретном процессе должна быть воспроизводимой и достаточно
высокой, чтобы данный метод травления мог применяться в
практике изготовления СБИС. В нижеследующем разделе рас-
смотрены главные факторы, определяющие скорость травления
и селективность.
8.5.1. Энергия и угол падения ионов
Влияние энергии и угла падения ионов на интенсивность
распыления, определяемую числом атомов поверхности, выби-
ваемых с нее одним падающим ионом, представляет интерес,
так как распыление и сопутствующие ему эффекты происходят
при травлении в реактивной плазме, которую наиболее часто
применяют в технологии СБИС. Энергия ионов должна превы-
шать пороговую величину порядка 20 эВ, при которой начина-
ется распыление, и должна быть намного выше указанной ве-
личины (несколько сотен электрон-вольт) для достижения прак-
тически приемлемых скоростей ионно-плазменного травления.
Интенсивность распыления большинства материалов монотонно
возрастает по мере повышения энергии ионов в интервале энер-
гий ионов, соответствующем сухому травлению (<2 кэВ), но
при энергии свыше —300 эВ скорость этого возрастания умень-
СУХОЕ ТРАВЛЕНИЕ
2»'
шается. Типичные значения интенсивности распыления для ма-
териалов, применяемых в технологии СБИС, при облучении ио-
нами Аг+ с энергией 500 эВ составляют —0,5—1,5. Следова-
тельно, селективность ионного травления низкая [1, 16].
Интенсивность распыления зависит от угла, под которым ио-
ны соударяются с поверхностью. Ионы, падающие на поверх-
ность под наклонным углом, характеризуются более высокой по-
сравнению со случаем нормального падения вероятностью эмит-
тирования атома, вектор скорости которого направлен от поверх-
ности подложки. Кроме того, такие ионы передают большую-
долю своей энергии приповерхностным атомам, вероятность,
эмиссии которых выше.
Ионы, образующиеся в процессе разряда, соударяются с
поверхностью подложки как при плазменном, так и при реак-
тивном ионном травлении. Распыление способствует увеличе-
нию скорости травления, но при обычных рабочих параметрах
процесса это увеличение незначительно. Существенно большую*
важность имеет эффект, оказываемый атомными соударениями’
на протекающие на поверхности химические реакции. В настоя-
щее время эти стимулируемые ионами реакции являются пред-
метом интенсивного изучения. Растущее число эксперимен-
тальных фактов свидетельствует о том, что стимулируемые ио-
нами реакции между электрически нейтральными травящими-
частицами, образованными в разряде, и поверхностью твердого
тела играют доминирующую роль во многих процессах сухого-
травления, которые применяются в технологии СБИС.
На рис. 8.14 представлена временная зависимость скорости
ионно-ускоряемой реакции. В рассматриваемом процессе неза-
висимые пучки Аг+ (450 эВ) и XeF2 падали на поверхность Si.
Скорости травления, измеренные независимо для каждого пуч-
ка, оказались относительно низкими. Ионы Аг+ осуществляют
травление за счет физического распыления; травящее действие
молекул XeF2 обеспечивается их диссоциацией на поверхности
с образованием десорбируемого Хе и двух атомов F. Атомы F
вступают в самопроизвольные реакции с Si, в результате кото-
рых образуются летучие фториды кремния. Скорость травле-
ния, измеренная при одновременном падении обоих пучков на-
поверхность кремния, оказалась существенно выше (в восемь-
раз), чем сумма независимых скоростей, что является проявле-
нием стимулирующего эффекта ионного облучения [17].
На рис. 8.15 показана временная зависимость скорости ион-
но-возбуждаемой реакции —травления Si ионами Аг+ и С12
[17]. В отличие от атомов F молекулы С12 не вступают само-
произвольно в реакции с Si, однако при одновременном облу-
чении поверхности ионами Аг+ происходит травление Si с обра-
зованием газообразного SiCl4. Данные о скорости травления,,
so
ГЛАВА 8
JpaeneHim^ травлена ХмеХеГ,^2?вление ПЛЧ™
'газом XeF2 ti пучком ионов Ar+ 1' ионов Ar+ ‘
7 Г
6 ~
5 - ........
4 -
3 -
2 -
7 -
' i i I- I 1' ......
0 100 200 300 4 00 500 600 700 800 900
Время, c
Фис. 8.14. Временная зависимость скорости травления кремния для ионно-
ускоряемой реакции [18].
Скорость реакции между XeF, и Si резко возрастает в результате облучения поверхио-
»сти кремния пучком иоиов Аг+ с энергией 450 эВ; ионно-плазменное травление пучком
ионов Аг+ в отсутствие XeF, осуществляется со значительно меньшей скоростью.
^Травление пучком: Одновременное травление лучком,
Г~ионов Аг+ Т ионов Аг+ и газом CLJ ’I
—I_______I___2_1______। I_____________L
700 200 300 400 500 600
Время,с
Фис. 8.15. Временная зависимость скорости травления кремния для иоиио-
возбуждаемой реакции [18].
-Хотя Ch не вступает самопроизвольно в реакцию с Si, травление осуществляется со
‘Скоростью, намного большей скорости чисто иоиио-плазмеиного травления, когда поверх-
ность Si, -контактирующая с Ch, облучается пучком ионов Аг+ с энергией 450 эВ.
СУХОЕ ТРАВЛЕНИЕ
30
представленные на рис. 8.14 и 8.15, были получены путем изме-
рения изменений массы пленки при помощи сверхчувствитель-
ных кварцевых микроаналитических весов. Короткий переход-
ный процесс, отображенный на рис. 8.15 в начальные моменты
подачи газа Ch (при ~220 с), соответствует возрастанию мас-
сы вследствие первоначальной адсорбции хлора на поверхно-
сти Si.
Для объяснения зависимости скорости реакции от ионного»
облучения можно предложить несколько механизмов [18]:
1. Ионная бомбардировка создает на поверхности дефекты,
катализирующие хемосорбцию или реакцию.
2. Ионная бомбардировка обеспечивает непосредственную-
диссоциацию молекул травящих газов (например, XeFj или'
С12)-
3. Ионная бомбардировка способствует удалению нелетучих,
остатков, замедляющих травление.
Относительная важность этих и других механизмов до сих
пор является объектом исследований, дающих в некоторых слу-
чаях противоречивые результаты. Для нас достаточно констата-
ции того факта, что облучение ионами высоких энергий обуслов-
ливает протекание физических процессов, таких, как образова-
ние дефектов решетки, термоудар и молекулярная диссоциация,
которые способны значительно ускорить или даже возбудить,
химические реакции между электрически нейтральными трави-
телями и поверхностью твердого тела. В первом случае (ХеРгН-
+ Si) травление твердого тела осуществлялось самопроизволь-
но (т. е. в отсутствие ионной бомбардировки) реакционноспо-
собным веществом (атомами F), но скорость реакции повыси-
лась в результате облучения ионами высокой энергии. Во-вто-
ром случае (Ch + Si) травление в отсутствие ионной бомбарди-
ровки вообще не происходило. Будем рассматривать первый
случай как ионно-ускоряемую реакцию, а второй — как ионно-
возбуждаемую реакцию.
Приведенные примеры свидетельствуют о том, что влияние-
ионного облучения на скорость травления обусловлено физиче-
скими процессами, поскольку не существует механизма химиче-
ского воздействия ионов инертных газов. При энергии 1 кэВ-
ионы Аг+ эффективнее, чем ионы Ne+, эффективность которых
в свою очередь выше, чем ионов Не+, в стимулировании реак-
ций XeFa+Si и Ch+Si <[19, 20]. Более высокая эффективность,
тяжелых ионов позволяет предположить, что для ускорении
травления имеют значение физические процессы, связанные с
передачей импульса. При травлении в плазме CF4 и аналогич-
ных газов сами образующиеся ионы являются потенциально ре-
акционноспособными элементами (например, CF3+). Исследо-
вания травления кремния XeFj при одновременной ионной бом-
32
ГЛАВА 8
бардировке показали, что скорость травления практически ие!
меняется при замене ионов Аг+ на ионы CF3+ [20]. Таким
-образом, ионы высокой энергии способны ускорять или возбуж-
дать реакции травления посредством физических процессов, ко- ;
торые не зависят от природы самих ионов. Заметим, что, если .
соотносить травление главным образом с реакциями с участием ’
ионов, трудно объяснить часто наблюдаемые на практике высо-
кие скорости сухого травления, осуществляемого в относительно
слабых ионных потоках. !
Явления, происходящие при травлении в реактивных плаз-
мах, можно объяснить тем, что травящие компоненты (в основ-
ном электрически нейтральные), возникающие в процессе раз-
ряда, адсорбируются на поверхности и вступают с ее атомами ’
в химические реакции, в ходе которых создаются десорбирую-
щиеся соединения, причем скорость всего процесса может быть
повышена (или реакции могут возбуждаться) за счет воздейст- ।
вия образующихся в плазме ионов высокой энергии. Очевидно,
что степень, в которой ионы повышают скорость реакций, зави-
сит от вида травящих газов, подвергаемых травлению материа-
лов и рабочих параметров процесса.
8.5.2. Состав рабочего газа
Состав рабочего газа — доминирующий фактор, определяю-
щий скорость травления и селективность при плазменном и ре-
активном ионном травлении. В табл. 8.1 представлены обычно
Таблица 8.1. Некоторые газы, применяемые для сухого травления
в технологии СБИС
Материал Газы
Si CF4, CF44-O2, SFe, SFe+O2, NF3, Cl2, CC14, CC13F CC12F2, CCIEs
S1O2, S13N4 cf4, CF4+H2, c2f6, c3f8, CHF3
Al, Al—Si, Al—Си CCh, CCh+Cl2, SiCl4, ВС1з, ВС1з+С12
используемые для травления газы и материалы, подвергаемые
травлению в соответствующих газовых разрядах. Для процес-;
сов травления в технологии СБИС применяются почти исклю-
чительно галогенсодержащие газы, за исключением процессов, *
связанных с удалением фоторезиста и переносом рисунков в ор-
ганические слои, когда используют плазму Ог. Выбор этих га-
зов отражает тот факт, что образование применяемыми для из-
СУХОЕ ТРАВЛЕНИЕ
33
готовления СБИС материалами летучих и квазилетучих соеди-
нений с галогенами термодинамическими и кинетически возмож-
но при температурах, близких к комнатной. Преимущественное
присутствие в табл. 8.1 галогенуглеродных газов объясняется
тем, что эти газы наиболее удобны и безопасны в работе.
Для реактивного травления часто применяют многокомпо-
нентные смеси, представляющие собой обычно главную компо-
Рис. 8.18. Влияние добавления О2 в плазму CF* на скорость травления Si
и SiOa.
иеиту с одной или более добавками, которые вводятся для обес-
печения наряду с требуемой скоростью травления других задан-
ных характеристик: селективности, однородности, профиля края
[21]. Примером влияния таких добавок на скорость травления
служит плазменное травление Si и SiO2 в смесях, содержащих
CF4.
Скорость травления Si и SiO2 в плазме CF4 относительно
низкая. При добавлении в рабочий газ кислорода скорость
травления как Si, так и SiO2 резко возрастает (рис. 8.16). Мак-
симальная скорость травления достигается для Si при добав-
лении 12% О2, для SiO2 при добавлении 20% О2 ;[22]. При по-
вышении концентрации О2 скорость травления понижается, при-
чем для Si в большей степени, чем для SiO2 (рис. 8.16). Эти
явления можно объяснить, если рассмотреть химические реак-
ции, протекающие на поверхности твердого тела и в плазме.
Атомы F образуются за счет диссоциации молекул CF4, вызван-
3—233
34
ГЛАВА 8
ной соударениями с электронами, и рекомбинируют путем при-
соединения к радикалам CFX (х<3). Скорость этих процессов
в чистой (без добавок) плазме CF4 такова, что равновесная
концентрация атомов F низка, а поскольку эти атомы обеспечи-
вают протекание реакции травления, скорость травления также
низка. Добавление кислорода приводит к уменьшению количе-
ства радикалов CFX за счет образования COF2, СО и СО2, что
уменьшает скорость рекомбинации атомов F. В результате это-
го концентрация атомов F возрастает до 23 % концентрации О2,
вызывая соответственно повышение скорости травления. При
увеличении добавки кислорода концентрация атомов фтора
уменьшается пропорционально уменьшению концентрации CF4
в газовой смеси.
Если бы добавка кислорода оказывала влияние только на
химические процессы в плазме, следовало бы ожидать, что мак-
симальная скорость травления как Si, так и SiO2 достигалась
бы при той концентрации О2, которая обеспечивает максималь-
ную концентрацию атомов фтора в плазме. Однако, как следует
из рис. 8.16, значения максимальной скорости травления Si и
SiO2 не совпадают, что можно объяснить участием кислорода в
поверхностных химических процессах. В случае травления крем-
ния наблюдается тенденция хемосорбции кислорода на поверх-
ности, в результате чего прямой доступ атомов F к поверхности
частично блокируется. Поскольку такая блокировка увеличи-
вается при возрастании концентрации кислорода, максимальная
скорость травления Si наблюдается при концентрации кислоро-
да, существенно меньшей 23%. Этот эффект отсутствует при
травлении SiO2, поскольку поверхность окисла уже обогащена
кислородом. Поэтому максимальная скорость травления соот-
ветствует добавке кислорода, обеспечивающей максимальную
концентрацию атомов F. Хемосорбция кислорода вызывает так-
же более быстрое снижение скорости травления Si после про-
хождения максимума (см. рис. 8.16). Атомы фтора вступают в
реакцию с кремнием быстрее, чем с SiO2, поэтому плазма
CF4—О2 характеризуется высокой селективностью травления Si
по отношению к SiO2.
При добавлении в плазму CF4 водорода наблюдаются явле-
ния совершенно иного рода [23, 24]. В процессе реактивного
ионного травления при относительно низком давлении скорость
травления SiO2 почти постоянна для добавок !Н2, не превышаю-
щих 40%, в то время как скорость травления Si монотонно
уменьшается почти до нуля при концентрации Н2»40%
(рис. 8.17). Добавки водорода свыше ~40% приводят к неже-
лательному образованию полимеров на поверхности SiO2
(осаждение полимеров обсуждается в разд. 8.7.1). При реак-
тивном ионном травлении в плазме CF4—Н2 достигается селек-
СУХОЕ ТРАВЛЕНИЕ
35
тивность травления SiO2: Si порядка 40:1. В процессе плазмен-
ного травления при более высоком давлении (~ 133 Па) добав-
ка Н2 способна одновременно повысить скорость травления SiO2
и понизить скорость травления Si. И в этом случае селектив-
ность травления SiO2: Si регулируется изменением содержания
водорода в рабочем газе.
Эти эффекты можно объяснить следующим образом. Трав-
ление SiO2 осуществляется в ходе ионно-возбуждаемой реакции
Рис. 8.17. Влияние дабавлеиия Н2 в плазму CFt на скорость травления Si
и SiO2 [23].
радикалами CFr (х<3), возможно, с участием диссоциативной
хемосорбции, которая приводит к образованию SiF4. Выделяе-
мый из радикалов углерод удаляется с поверхности, соединяясь
с кислородом, содержащимся в SiO2, с образованием газов СО,
СО2 и, возможно, COF2. При травлении кремния аналогичные
реакции происходить не могут, так как отсутствует возможность
удаления адсорбируемого углерода, который препятствует трав-
лению, т. е. блокирует доступ фтора к поверхности. Роль водо-
рода двойственна: с одной стороны, вступая в реакцию с атома-
ми F, он образует стабильное соединение HF, в результате чего
уменьшается концентрация потенциального травителя кремния-
с другой, особенно при высоком давлении, Н2 изменяет химиче-
ский состав плазмы, способствуя повышению концентрации в
ней травящих радикалов CFX. В целом этот процесс может быть
описан следующими реакциями:
CF4 + e -->CFx + F + e, <8.21)
F , > HF , . - (8.22)
3*
36
ГЛАВА 8
И
CFX + SiO2 > SiF4 + (CO, CO2, COF2), (8.23)
CFX -f- Si -► С, адсорбируемый иа Si. (8.24)
В целом скорость и селективность травления Si и SiO2 мож-
но регулировать при травлении в реактивной плазме CF< пу-
тем добавления окисляющих или восстанавливающих компо-
нент в рабочий газ. При добавлении окислителей ускоряется
травление Si по отношению к SiO2, добавка восстановителей
обеспечивает обратную селективность.
8.5.3. Давление, плотность мощности и частота
Давление газа, плотность мощности и частота прикладывае-
мого электрического поля — независимые параметры, но на
практике индивидуальное влияние каждого из них на процесс
травления иногда трудно объяснить или предсказать. Однако
являются очевидными несколько общих тенденций.
Понижение давления и (или) частоты и повышение плотно-
сти мощности приводят к увеличению средней энергии электро-
нов и энергии падающих на подвергаемую травлению поверх-
ность ионов. Повышение плотности мощности вызывает также
повышение плотности радикалов и ионов в плазме. Таким об-
разом, в процессах ионно-стимулируемого травления путем
уменьшения давления и частоты или увеличения мощности
можно повысить степень анизотропии скорости травления.
Как правило, с увеличением мощности скорость травления
монотонно возрастает, хотя темп приращения замедляется. Поч-
ти вся прикладываемая мощность в конечном счете рассеива-
ется в виде тепла, поэтому при обеспечении очень большой
плотности мощности электрического поля необходимо предус-
матривать охлаждение подложек во избежание нежелательных
последствий нагрева, таких, как плавление и подгорание фото-
резиста или потеря селективности травления. В последние годы
исследователи проявляют большой интерес к сверхскоростному
травлению в реакторах, рассчитанных на индивидуальную об-
работку пластин [29]. Такие системы работают при относитель-
но высоком давлении и очень большой плотности мощности (не-
сколько Вт/см2).
Несмотря на малое число публикаций, посвященных исследо-
ванию зависимости скорости травления от частоты приклады-
ваемого напряжения, ясно, что основным параметром, управ-
ляемым частотой, является энергия ионов [14, 26]. Это под-
тверждают и результаты исследования анизотропии скорости
травления, которые обсуждаются в разд. 8.6. Рабочие частоты
лежат в интервале от 10 кГц до 30 МГц.
СУХОЕ ТРАВЛЕНИЕ
37
8.5.4. Скорость потока
Скорость потока рабочего газа определяет максимально воз-
можный приток к подложке реакционноспособных компонент.
В действительности приток зависит от равновесия между про-
цессами генерации и рекомбинации в плазме активных эле-
ментов, что обсуждалось выше. Один из механизмов потерь
травящих компонент — унос их вязким газовым потоком. Ско-
рость потерь обратно пропорциональна продолжительности пре-
бывания tr, определяемой как
/r = 0,175Vp/F, (8.25)
где р (Па) —давление, V и F — объем плазмы и скорость газо-
вого потока соответственно. Продолжительность пребывания —
мера средней продолжительности нахождения молекулы в
плазме.
При обычных условиях протекания процесса скорость потока
рабочего газа оказывает незначительное воздействие на ско-
Скорость потока рабочего газа, cmj/muh
Рис. 8.18. Зависимость величины, обратной скорости травления R, от ско-
рости потока рабочего газа в процессе травления плазмой CF* — 4% Оз при
давлении 133 Па.
Время жизни активных компонент определяется уносом их газовым потоком.
рость травления. Это влияние проявляется при экстремальных
условиях, когда либо скорость потока настолько мала, что ско-
рость травления лимитируется доставкой травителя к подлож-
ке, либо скорость травления столь велика, что унос газовым
потоком становится доминирующим механизмом потерь актив-
ных компонент. Возможность реализации последней ситуации
зависит от скорости откачки, вязкости рабочего газа и вида ма-
териалов, находящихся внутри реактора. Если время жизни ак-
тивных компонент малб (вследствие проявления других меха-
38
ГЛАВА 8
низмов потерь), влиянием скорости газового потока можно пре-
небречь. Такая ситуация типична, когда в роли активной ком-
поненты выступает атомарный хлор. Влияние скорости потока
на скорость травления может проявиться при использовании
травящих компонент с более длительным временем жизни, на-
пример атомов фтора. На рис. 8.18 [27] представлена зависи-
мость величины, обратной скорости травления R, от скорости
потока газовой смеси CF4—О2 при травлении SiO2 и Si3N4.
Наблюдаемая линейная зависимость соответствует обратной за-
висимости продолжительности пребывания травящих компо-
нент в плазме от скорости потока.
8.5.5. Температура
Температурная зависимость скорости реактивного травления
определяется главным образом влиянием температуры на ско-
рость протекания химических реакций. Это влияние обычно опи-
сывается зависимостью Аррениуса [скорость травления
~ехр(—Q/kT), где Q — энергия активации, Т — абсолютная
температура подложки, k — постоянная Больцмана] при относи-
тельно малых значениях энергии активации (Q«0,5 эВ/M), хо-
тя бывают исключения, когда скорость травления уменьшается
с ростом температуры [28]. Такое уменьшение скорости трав-
ления может быть связано с увеличением скорости термической
десорбции травящих компонент с поверхности. Температура
влияет также и на селективность, так как величина энергии ак-
тивации зависит от вида материала.
Для обеспечения однородных и воспроизводимых скоростей
травления необходимо контролировать температуру подложки.
Основной причиной нагрева теплоизолированных подложек яв-
ляется их разогрев плазмой. Кроме того, заметный вклад в по-
вышение температуры может вносить тепло, выделяемое в ре-
зультате протекания экзотермических реакций травления.
Рис. 8.19 иллюстрирует влияние продолжительности травления
на температуру поверхности подложки в процессе удаления фо-
торезиста, осуществляемом в цилиндрическом реакторе [1],
в котором пластины относительно теплоизолированы. Максиму-
мы кривых соответствуют моментам окончания стравливания ре-
зиста. Сдвиги положения максимумов в зависимости от числа
подвергаемых травлению пластин объясняются загрузочным эф-
фектом, обсуждаемым в следующем разделе.
8.5.6. Загрузочный эффект
При реактивном травлении иногда наблюдается уменьшение
скорости травления при увеличении суммарной площади поверх-
ности, подвергаёмой травлению. Это явление известно как за-
СУХОЕ ТРАВЛЕНИЕ
39
гризочный эффект, происходящий в тех случаях, когда актив-
ные компоненты быстро вступают в реакцию с подвергаемым
травлению материалом, но обладают длительным временем
жизни в отсутствие этого материала. В этом случае доминирую-
щим механизмом потерь активных компонент является само
травление, поэтому, чем больше площадь подвергаемой травле-
нию поверхности, тем выше скорость потерь. Скорость образо-
вания активных компонент определяется рабочими характери-
Рис, 8.19. Зависимость температуры кремниевой пластины от продолжитель-
ности плазменного травления слоя фоторезиста.
стиками процесса (давлением, мощностью, частотой и т. д.) и
почти не зависит от количества подвергаемого травлению мате-
риала в реакторе. Таким образом, средняя концентрация актив-
ных компонент, равная разности скоростей образования и по-
терь, уменьшается с увеличением площади поверхности, подвер-
гаемой травлению.
Зависимость скорости травления 7? от площади подвергае-
мой травлению поверхности Ф в простейшем случае травления
одним, активным веществом имеет вид [29]
1-ТКртФ ’ (8‘26)
где 0 —постоянная скорости реакции, т —время жизни актив-
ного вещества в отсутствие подвергаемого травлению материа-
ла> G— скорость образования активного вещества, К. — коэф-
фициент, постоянный для данных материала и геометрии реак-
Из выражения (8.26) следует, что загрузочный эффект за-
метно не проявляется, пока КртФ<§;1. Это условие удовлетворя-
ется при использовании плазмы, в которой собственное время
'4G
ГЛАВА 8
Жизни (т) активных компонент очень мало, т. е. когда превали-
руют иные по отношению к самому травлению механизмы по-
терь.
На рис. 8.20 приведен пример проявления загрузочного эф-
фекта при травлении поликристаллического кремния 1 [30]. Ско-
рость травления в плазме CF4 — 5 % О2 уменьшается при зна-
чительном увеличении суммарной площади подвергаемой трав-
лению поверхности, и (или) реакционная способность повышает-
ся при увеличении температуры. Заметим, что скорость травле-
ния не зависит от площади по-
ПлощаЭь подвергаемой травлению
поверхности, мм2
Рис. 8.20. Проявлевие загрузочного
эффекта (площадь поверхности од-
ной пластины диаметром 100 мм
равна 7,8X103 мм2) [30].
В связи с тем что при
верхности, подвергаемой трав-
лению, при температуре 40 °C,
но наблюдается выраженный
эффект при температуре 140 °C.
Это можно объяснить аррени-
усовой температурной зависи-
мостью постоянной скорости
реакции в уравнении (8.26).
Безусловно, при дальнейшем
увеличении площади подвер-
гаемой травлению поверхно-
сти загрузочный эффект станет
проявляться и при 40 °C.
Наиболее серьезная пробле-
ма, связанная с загрузочным
эффектом, возникает при кон-
троле размеров элементов в
условиях бокового травления.
стравливании до конца заданного слоя
площадь подвергаемой травлению поверхности резко уменьша-
ется, в процессе перетравливания скорость травления намного
превышает номинальную. Это существенно затрудняет контроль
размеров элементов, так как при таких условиях осуществляет-
ся ускоренное боковое травление.
Загрузочный эффект можно считать макроскопическим, по-
скольку присутствие в реакторе одной пластины влияет на ско-
рость травления другой пластины, расположенной в другой ча-
сти реактора. Из этого следует, что транспортные процессы в
плазме протекают достаточно быстро и в ее объеме не могут
образовываться значительные градиенты концентрации актив-
ных элементов.
Наблюдались также и микроскопические проявления загру-
зочного эффекта, когда размеры и плотность расположения вы-
травливаемых элементов влияют на скорость травления [31].
Такие явления связаны с локальными градиентами концентра-
ции травителя, образующимися вследствие различия скоростей
СУХОЕ ТРАВЛЕНИЕ
41
реакции травления маски и подложки. Например, материал у
края элемента маски может стравливаться быстрее (в большей
или меньшей степени), чем участки того же материала, удален-
ные от края элемента маски.
8.6. КОНТРОЛЬ ВЫТРАВЛИВАЕМОГО ПРОФИЛЯ
КРАЯ ЭЛЕМЕНТА
Особенности контроля размеров элементов при сухом трав-
лении обсуждались в разд. 8.2.2. и 8.2.3. В данном разделе рас-
сматриваются некоторые факторы, влияющие на профили краев
элементов, и методы их контроля.
8.6.1. Механизмы анизотропии реактивного травления
Когда травление осуществляется в ходе ионно-стимулируе-
мых реакций, как правило, наблюдается анизотропия скорости
травления. Это связано с тем, что ионы падают на пластину
перпендикулярно ее поверхности. (Нормальное падение ионов
происходит при реактивном травлении, если вертикальные раз-
меры элементов топографии поверхности подвергаемой травле-
Ионы
Рис. 8.21. Иллюстрация анизотропии травления, достигаемой при облучении
ионным пучком, направленным перпендикулярно поверхности пластины. (Бо-
ковые стенки вытравливаемых элементов не подвергаются облучению иона-
ми высокой энергии.)
нию пластины намного меньше толщины типичных ионных обо-
лочек.) Следовательно, на поверхность дна вытравливаемого
элемента падает значительно больший поток ионов высокой
энергии, чем на боковые стенки (рис. 8.21).
Если реакция травления ионно-возбуждаемая (разд. 8.5.1),
то боковое травление отсутствует, но в условиях ионно-ускоряе-
мых реакций происходит боковой подтрав под маску, причем ве-
личина подтрава определяется скоростью протекания реакции.
42
ГЛАВА 8
На рис. 8.22 представлен гипотетический пример зависимости
степени анизотропии травления посредством ионно-ускоряемой
и ионно-возбуждаемой реакций от энергии ионов. Для данных
газа, материала, плотности мощности и частоты реактивное
ионное травление характеризуется большей энергией ионов, чем
плазменное, поэтому в первом случае обеспечивается более вы-
Рис. 8.22. Изменение скорости и профиля травления для ионио-ускоряемой
(кривая Si) и ионно-возбуждаемой (кривая БЮг) реакций [18].
Энергия иоиов соответствует скорости травления, отмеченной стрелкой Vz\ Vх и Vz яв-
ляются соответственно скоростями бокового и вертикального травления.
сокая степень анизотропии травления. Влияние энергии ионов
иллюстрируется примером травления поликристаллического
кремния в плазме Ch- Если этот процесс осуществляется в ре-
жиме реактивного ионного травления, то обеспечивается почти
идеальная анизотропия (Af==l) [28], в то время как при плаз-
менном травлении наблюдается значительный подтрав под мас-
ку [31].
Для минимизации бокового травления в условиях ионно-ус-
коряемых реакций целесообразно вводить в рабочий газ добав-
ки, обеспечивающие рекомбинацию активных компонент [31].
Функция таких добавок заключается либо в связывании актив-
ных веществ на поверхности с образованием летучих соедине-
СУХОЕ ТРАВЛЕНИЕ
43
ний либо в предотвращении образования пассивирующей плен-
ки. Детали механизмов, ответственных за протекание этих про-
цессов, до конца не выяснены. Однако предполагается, что ион-
ная бомбардировка не только способствует повышению скоро-
сти реакции между травителем и подложкой, но также стимули-
рует десорбцию рекомбинационных компонент, понижая таким
образом их концентрацию на облучаемых поверхностях. Пояс-
ним это предположение примером.
При плазменном травлении кремния хлором происходит
подтрав под маску. Однако при добавлении C2F6 в рабочий газ
величина подтрава уменьшается, и при достаточно высоких кон-
центрациях СгРб (>85%) боковое травление практически отсут-
ствует. Этот эффект можно описать следующими химическими
реакциями. Генерация травящих веществ:
е + С12 + 2С1 + е. (8.27)
Ионно-ускоряемая реакция:
Si + хС1 > SiClx. Генерация рекомбинационных компонент: (8.28)
е + C2F6 — Рекомбинация: * 2CF3+e. (8.29)
CF3 + C1 - —> CFgCl. (8.30)
Последняя реакция, по-видимому, подавляется ионной бом-
бардировкой, в результате которой происходит диссоциация или
десорбция CF3 и (или) диссоциация CF3C1. Таким образом,
подбирая оптимальный состав рабочего газа, можно обеспечить
такие условия протекания процесса, при которых скорость трав-
ления будет превышать скорость рекомбинации на .облучаемых
ионами поверхностях, и в то же время на боковых стенках, где
облучение ионами минимально, будет реализовываться обрат-
ная ситуация (скорость рекомбинации выше скорости травле-
ния). Следовательно, степенью анизотропии травления можно
управлять, регулируя состав рабочего газа [31].
8.6.2. Другие факторы, влияющие на профиль
края элемента
Образование граней, возникновение канавок и повторное
осаждение — три явления, проистекающие из физического рас-
пыления, которые могут влиять на профиль края вытравливае-
мого элемента. Степень их проявления зависит от интенсивности
распыления и ионного потока, поэтому часто их можно пол-
ностью подавить. Эти эффекты чаще проявляются при реактив-
44
ГЛАВА 8
ном ионном травлении, нежели при плазменном травлении,
вследствие более высокой энергии ионов первого процесса.
Образование граней иллюстрирует рис. 8.23. Скорость ион-
но-плазменного травления зависит от угла падения ионов на
поверхность материала, подвергаемого травлению, и для боль-
шинства материалов максимальна, когда этот угол отличен от
Рис. 8.23. Процесс образования граней.
а—исходное состояние до начала травления; б—начало образования граней; в—пере-
сечение гранями поверхности подложки; г — образование новых граней.
90°. Образующаяся грань наклонена по отношению к падаю-
щим ионам на угол, соответствующий максимальной скорости
травления. Эта грань не оказывает влияния на профиль края
вытравливаемого элемента до тех пор, пока не пересечет по-
верхность подложки (рис. 8.23,г).
Образование канавок (рис. 8.24) происходит главным обра-
зом в результате падения мощного потока ионов на основание
ступеньки вследствие их отражения от боковой стенки сту-
пеньки. Скорость травления, обусловливаемая как физическим
распылением, так и ионно-стимулируемыми реакциями, повы-
СУХОЕ ТРАВЛЕНИЕ
45
шается в местах расположения канавок, так как эти участки
подвергаются воздействию более мощных ионных потоков.
Распыленный материал, не вошедший в состав летучих со-
единений, конденсируется на любой близлежащей поверхности.
Распыленный материал распределяется в пространстве прибли-
зительно по косинусоидальному закону, и поэтому значительная
его часть может повторно осаждаться на стенках близлежащих
элементов маски, что приводит к изменению профиля краев и
Прямое
рассеяние
ионов
„Канавки ‘в подложке
Рис. 8.24. Образование канавок, связанное с «избыточным» потоком ионов
в результате отражения от боковых стенок ступеньки.
размеров вытравливаемых элементов. Повторное осаждение
обычно не наблюдается при плазменном травлении, поскольку
в этом процессе его можно избежать, подбирая состав рабочего
газа, параметры плазмы и маскирующие материалы так, чтобы
происходило образование только летучих продуктов реакций.
8.6.3. Определение момента окончания травления
Если имеет место боковое травление, размеры элементов и
профили их краев можно контролировать, уменьшая степень
перетравливания. Как отмечалось в разд. 8.2.4, перетравлива-
ние почти всегда необходимо для компенсации неоднородностей
и для переноса рисунка на поверхности ступенчатого рельефа
при Л/>0. Используются различные методы установления мо-
мента окончания травления пленки [32, 33]: 1) непосредствен-
ное визуальное наблюдение подвергаемой травлению пленки,
2) регистрация оптического отражения от подвергаемого трав-
лению слоя; 3) регистрация изменения концентрации травящих
компонент в плазме методом эмиссионной спектроскопии;
4)*анализ продуктов реакции травления с помощью эмиссион-
ной спектроскопии или масс-спектрометрии; 5) измерение изме-
нения полного электрического сопротивления плазмы. Первые
46 ГЛАВА 8
два метода не зависят от площади подложки, подвергаемой
травлению, но не приспособлены для применения в условиях
процесса неоднородного группового травления. С помощью ме-
тодов 3, 4 и 5 контролируется травление очень малых участков
поверхности подложки, размер которых определяется скоростью
травления и чувствительностью детекторов. Для этих методов
характерно усреднение неоднородностей. Кроме того, на точ-
ность третьего метода оказывает влияние загрузочный эффект.
Возможность определения момента окончания травления в
процессах, характеризуемых малой степенью анизотропии или
ее отсутствием, не исключает необходимости применения высо-
коанизотропных и селективных процессов травления в техноло-
гии СБИС, где существуют жесткие требования к контролю
размеров элементов. Однако определение момента окончания
травления — полезный элемент любого процесса травления, об-
легчающий управление им, а также обеспечивающий компенса-
цию вариаций скорости травления, которые связаны с флуктуа-
циями состава и толщины подвергаемых травлению слоев и с
изменениями рабочих параметров процесса.
8.7. ПОБОЧНЫЕ ЭФФЕКТЫ
Травление в реактивных плазменных разрядах сопровожда-
ется побочными эффектами, главным образом нежелательными.
Рассмотрим наиболее важные из этих эффектов.
8.7.1. Осаждение полимеров
Разряды в галогенуглеродных газах приводят к образова-
нию ненасыщенных (обедненных галогеном) фрагментов, спо-
собных быстро вступать в поверхностные реакции, продуктом
которых являются полимерные пленки. Например, при травле-
нии радикалами CF2 образуются фторуглеродные пленки. Если
такие пленки осаждаются на поверхности подвергаемого трав-
лению материала, они приводят к нежелательному замедлению
травления. С другой стороны, если осаждение полимерных пле-
нок можно производить избирательно только на маске или под-
ложке, то достигается очень высокая селективность травления.
Избыток ненасыщенных фрагментов, низкая энергия ионов
и условия, способствующие протеканию восстановительных ре-
акций, обычно стимулируют осаждение полимерных пленок.
Так, при использовании некоторых газов, например CHF3, эти
пленки могут формироваться на заземленных и находящихся
СУХОЕ ТРАВЛЕНИЕ
47
под плавающим потенциалом поверхностях, но в то же время
они не осаждаются на поверхностях, к которым подведено на-
пряжение высокой частоты, в условиях облучения их ионами
высокой энергии. Аналогично пленки могут образоваться только
на поверхности Si, но не SiO2, поскольку кислород, высвобож-
даемый в результате травления окисла, вступает в реакции с
ненасыщенными фрагментами, образуя летучие соединения.
Осаждение полимерных пленок на внутренних поверхностях
реактора вызывает загрязнение подложки атмосферными при-
месями, в частности водяным паром, и высвобождение газооб-
разных посторонних примесей в процессе последующего плаз-
менного травления. Например, при травлении с использованием
окисляющей плазмы в реакторе, внутренние поверхности кото-
рого покрыты фторуглеродной пленкой, высвобождается значи-
тельное количество атомов F.
8.7.2. Радиационные повреждения
Разнообразные частицы высокой энергии (ионы, электроны
и фотоны), присутствующие в/ плазме, создают потенциально
опасную среду для изготавливаемых СБИС. Подзатворный ди-
электрик и граница раздела Si—SiO2 особенно подвержены ра-
диационным повреждениям в результате облучения этими час-
тицами {34, 35].
Наблюдаются радиационные дефекты нескольких типов:
1) смещение атомов в результате соударений с ионами высокой
энергии; при реактивном травлении этот дефект локализован в
приповерхностном слое толщиной не более 10 нм; 2) первичная
ионизация в результате разрыва связей Si—О и образования
электронно-дырочных пар; этот процесс вызывается фотонами
дальнего ультрафиолетового диапазона и мягкими рентгенов-
скими лучами; 3) вторичная ионизация, при которой электроны,
образующиеся вследствие атомных смещений и первичной ио-
низации, взаимодействуют с дефектами связей Si—О.
Каждый из этих дефектов проявляется в форме сходных
электронных дефектов — положительно заряженных и нейтраль-
ных ловушек. Положительно заряженные ловушки вызывают
сдвиги величин порогового напряжения и напряжения плоских
зон, а нейтральные — захват электронов высокой энергии.
Если подзатворный окисел непосредственно подвергается ре-
активному плазменному травлению ионами высокой энергии
(-—400 эВ), смещения атомов не наблюдается, возможно, из-за
того, что поврежденный слой непрерывно стравливается. Одна-
ко повреждения, вызванные фотонами, проявляются как захва-
ченные дырки и нейтральные ловушки. Захваченные дырки от-
48
ГЛАВА 8
жигаются при температуре 400 °C, тогда как для удалениям
нейтральных ловушек требуется отжиг при 600 °C и выше. >:
При непосредственном травлении подзатворного окисла не-;
реактивным плазменным способом наблюдаются атомные сме-<
щения, для удаления которых необходим отжиг при 1000 °C. 1
В реальных условиях изготовления МОП-схем чувствитель-,
ная к облучению область подзатворного окисла защищена ме-:
таллизацией затвора (обычно, поликристаллический кремний)
в процессе травления. Подавляющее большинство частиц не об-:
лйдает достаточно высокой энергией для прохождения через
слой электрода затвора, поэтому радиационные повреждения
сконцентрированы по периметру электрода. Кроме того, техно-
логический процесс обычно включает последующие высокотем-?
пературные операции, во время которых радиационные дефекты
отжигаются.
Основная проблема, связанная с радиационными поврежде-
ниями, возникает при образовании нейтральных ловушек после
формирования алюминиевой металлизации, когда дальнейший
высокотемпературный отжиг исключен. Необходимо контроли-
ровать максимальные ускоряющие напряжения, чтобы они не
превышали пороговой величины, за которой начинается образо-
вание неотжигаемых дефектов. Эти напряжения определяются
конкретной структурой микросхемы и маски.
8.7.3. Примесные загрязнения
Все внутренние поверхности системы реактивного травления
подвержены ионной бомбардировке и могут распыляться. Если
не обеспечивать правильный выбор материала реактора и конт-
роль ускоряющего напряжения, распыленный материал может
осаждаться на подложке и загрязнять подвергаемую травлению
микросхему [36]. Загрязнение атомами тяжелых металлов,
резко уменьшающими время жизни неосновных носителей, ча-
сто наблюдалось в реакторах, изготовленных из нержавеющей
стали [37].
Осаждение распыленных нелетучих материалов на подвер-
гаемую травлению поверхность значительно замедляет или пол-
ностью прекращает протекание процесса травления. При осу-
ществлении высокоанизотропного травления даже очень неболь-
шие участки подобных загрязнений представляют серьезную
проблему. Другой пример примесного загрязнения, препятст-
вующего травлению, — осаждение полимерных пленок, толщина
которых иногда не превышает нескольких атомных монослоев.
Обычно после сухого травления следует проводить жидкостное
травление с целью очистки от загрязнений, особенно после
вскрытия небольших контактных окон.
СУХОЕ ТРАВЛЕНИЕ
4&
8.8. ПРОЦЕССЫ СУХОГО ТРАВЛЕНИЯ В ТЕХНОЛОГИИ СБИС
8.8.1. Двуокись кремния
Сухое травление SiOz осуществляется главным образом при
вскрытии контактных окон, являющихся обычно наименьшими-
элементами приборов и характеризующихся наибольшим отно-
шением толщины стравливаемой пленки к размеру элемента
(типичное отношение 1:2). Вскрытие контактных окон — слож-
ный процесс, для осуществления которого требуются высокие
анизотропия и селективность травления.
В качестве окисла обычно применяют SiOz в осажденной1
форме, например фосфорно-силикатное стекло (ФСС), исполь-
зуемое для изоляции двух слоев металлизации. При вскрытии
контактных окон как к нижнему слою металлизации, так и к
подложке требуемая селективность травления определяется
толщиной слоя проводника и (или) глубиной залегания грани-
цы пленка — подложка относительно поверхности подвергаемой
травлению структуры. Проводились многочисленные исследова-
ния с целью разработки процессов травления, характеризуе-
мых высокими селективностью и анизотропией, для травления
ФСС, осажденного на кремний и поликристаллический крем-
ний, с целью применения в технологии МОП-приборов.
С учетом того что радикалы CF3 имеют тенденцию вступать
в реакцию с SiOz быстрее, чем с Si [38], для увеличения кон-
центрации этих радикалов и уменьшения концентрации ато-
мов F (см. разд. 8.5.2) применялись такие газы, как CF4, CzF6,
C3F8 и CHF3, либо в чистом виде, либо в смеси с Hz или с угле-
водородами— СН4, СгН4 и CzHz. Вообще говоря, факт травяще-
го действия CF3 окончательно не установлен, но получено боль-
шое количество свидетельств, что CF* (х<3) является наиболее
вероятным травителем и что соответствующая реакция — ион-
но-возбуждаемая. При этом относительно легко обеспечить
анизотропию травления, как реактивного ионного, так и плаз-
менного, в реакторе с параллельными электродами в виде
пластин.
Селективность травления по отношению к кремнию обычно
повышают путем изменения рабочих параметров, особенно со-
става рабочего газа, с обеспечением повышенной концентрации
ненасыщенных (обедненных фтором) компонент в плазме. По-
скольку присутствие ненасыщенных компонент способствует
осаждению полимеров (разд. 8.7.1), необходимо тщательно
контролировать рабочие параметры при обеспечении макси-
мальной селективности. При реактивном ионном травлении в
условиях приближения к максимуму селективности начинается
формирование полимерных пленок на заземленных и находя-
4-233
50
ГЛАВА 8
щихся под плавающим потенциалом поверхностях, в то время
как травление осуществляется на катоде. А поскольку высво-
бождение кислорода препятствует полимеризации, обеспечива-
ется травление SiO2 даже при осаждении полимерных пленок
на близлежащих участках Si. В этом экстремальном случае
наблюдается весьма высокая селективность (см. рис. 8.17).
Другой способ уменьшения концентрации атомов фтора в
разряде с целью повышения селективности заключается в вве-
дении в реактор быстро реагирующего с атомами F материала
(например, Si или С) с большой площадью поверхности. Этот
материал может быть использован для изготовления электрода-
подложкодержателя, на котором устанавливаются подвергае-
мые травлению пластины [39].
Скорость травления окисла и селективность по отношению
к Si обычно повышаются при увеличении высокочастотной мощ-
ности при протекании ионно-воз'буждаемых реакций. Типичные
значения скорости травления и селективности приведены в
табл. 8.2. При повышении плотности мощности для уменьшения
Таблица 8.2. Типичные значения скорости травления и селективности
для некоторых процессов сухого травления в технологии СБИС
Материал, подвер- гаемый травле- нию (М) Газ Скорость травления, нм/мин Селективность
М/резист M/Si M/S1O-2
Al, Al—Si, Al—Си ВС1з+С12 50 5-8 3—5 20—25
Поликристалли- ческий кремний С12 50—80 5 25-30
SiO2 cf4+h2. 50 5 20
ФСС cf4+h2 80 8 32
повреждений резиста необходимо обеспечивать теплоотвод от
подложек. При хорошем теплоотводе селективность травления
по отношению к обычно используемым фоторезистам очень вы-
сока.
На рис. 8.25, а представлена полученная с помощью растро-
вого электронного микроскопа микрофотография, иллюстрирую-
щая вскрытие контактного окна травлением в плазме C2F5—
CHF3. Наблюдаемая высокая степень анизотропии удовлетво-
ряет жестким требованиям, предъявляемым к размерам топо-
логических элементов, но одновременно создает проблему по-
крытия ступеньки, осаждаемой на следующем этапе технологи-
ческого процесса, пленкой металлизации. Предлагаются раз-
личные способы обеспечения конического профиля сечения окон
СУХОЕ ТРАВЛЕНИЕ
5Г
при сухом травлении, но все они ведут либо к уменьшению се-
лективности, либо к ухудшению контроля размеров элементов,
либо к усложнению процесса [40, 41].
8.8.2. Нитрид кремния
В технологии СБИС применяются два вида нитридных пле-
нок. Химически осажденные из паровой фазы при низком или
атмосферном давлении пленки используются в качестве маски
б
Рис. 8.25. Микрофотографии, иллюстрирующие высокоанизотропное травле-
ние некоторых материалов, применяемых в технологии СБИС, в реактивной
плазме.
а — контактное окно, вскрытое плазменным травлением в слое легированного фосфором
SiO2 толщиной 2 мкм, подложка выполнена из Si; б — плазменное травление пленки
легированного фосфором поликристаллического кремния толщиной 1 мкм, подложкой
является SiO2; в — элементы шириной 1 мкм, сформированные на поверхности моно-
кристаллического Si реактивным ионным травлением; г — плазменное травление пленки
А1 — 0.7% Си толщиной 1,5 мкм, подложкой является пленка SiO2.
Для проведения окисления и (или) диффузии и не сохраняются
в готовой структуре прибора. Примером такого использования
в процессе изготовления «-канальных МОП-структур является
тонкая (~100 нм) нитридная пленка, осажденная поверх тон-
кого ( — 250 нм) слоя окисла на кремниевой подложке. В про-
цессе высокотемпературного окисления осуществляется наращи-
4*
ГЛАВА 8
52
вание на немаскированные участки толстого ( — 500 нм) слоя
окисла. Поскольку пленка нитрида тонкая, а размеры элементов
созданного в ней рисунка достаточно велики, при вытравлива-
нии этих элементов не требуется высокая степень анизотропии.
Для сухого травления можно использовать как GF4—О2, так и
другой тип плазмы, в которой происходит образование атомов
•фтора. Селективность относительно SiOz должна быть доста-
точной для предотвращения полного стравливания тонкой окис-
ной пленки, лежащей под нитридом, — в противном случае бу-
дет осуществляться значительный подтрав кремниевой подлож-
ки, так как селективность травления нитрида кремния, полу-
ченного химическим осаждением из паровой фазы, относитель-
но Si составляет примерно 1:8 при использовании фторсодер-
жащей плазмы.
Нитридные пленки, полученные осаждением нз плазмы
SiH4—NH3 или SiH4—N2 при низкой температуре (<350 °C),
применяются для пассивирования, а иногда в качестве проме-
жуточных диэлектрических слоев. Пассивирующие пленки име-
ют достаточно большую толщину (< 1,5 мкм), но в них вытрав-
ливаются только элементы большого размера для обеспечения
контакта с лежащей под ними металлизацией. Для формирова-
ния такого рисунка применяют обычно изотропное травление в
CF4—Ог или в других газовых смесях, обеспечивающих образо-
вание атомов F. Плазменно-осажденный нитрид, являющийся
полимероподобным материалом структуры Si—N—Н, травится
в плазме, содержащей атомы фтора, значительно быстрее, чем
Si3N4, полученный химическим осаждением из паровой фазы.
Скорость травления плазменно-осажденного Si3N4 такая же, как
и кремния.
При использовании пленок плазменно-осажденного Si3N4 в
качестве промежуточных диэлектрических слоев в них осущест-
вляется вскрытие окон в тех же условиях, что и для SiOz, с ис-
пользованием аналогичных газов и рабочих параметров. Ско-
рость травления нитрида несколько меньше, чем окисла.
3.8.3. Поликристаллический кремний
и силициды тугоплавких металлов
При травлении затворов из поликристаллического кремния
или полицида требуется высокая степень анизотропии [42].
[Полицид (polycide)—составной слой, содержащий пленку си-
лицида металла, нанесенную на пленку поликристаллического
кремния.] Длина затвора — критический размер, определяющий
длину канала МОП-прибора, изготовленного по технологии са-
мосовмещенного затвора. Например, если профиль травления
СУХОЕ ТРАВЛЕНИЕ
53
наклонный, а не вертикальный, то участки затвора не будут
иметь достаточной толщины для эффективного маскирования
при ионной имплантации легирующей примеси в области истока
и стока. Получаемый профиль легирования подложки зависит
от угла наклона профиля травления, что при отсутствии контро-
ля приводит к образованию каналов различной длины.
Селективность по отношению к SiO2 должна быть также вы-
сокой, поскольку тонкая (от 25 до 50 нм) пленка подзатворного
окисла, обнажаемая к концу травления, покрывает мелкие
( — 250 нм) области р—«-переходов истока и стока в кремние-
вой подложке. Если дорожки поликристаллического кремния
или полицида пересекают ступеньки изолирующего окисла,
в местах пересечения дорожки имеют повышенную толщину в
вертикальном направлении, что приводит к необходимости пе-
ретравливания в случае анизотропного травления (разд. 8.2.4).
Для анизотропного травления поликристаллического крем-
ния наиболее широко применяются газы и газовые смеси, со-
держащие хлор. Использование плазмы С1г и С12—Аг; в процес-
се реактивного ионного травления нелегированного материала
обеспечивает Af~l. Сильнолегированный (^Э1020 см-3) матери-
ал n-типа при аналогичных условиях подтравливается в гори-
зонтальном направлении [28]. При плазменном травлении осу-
ществляется боковое травление в плазме С12 как легированного,
так и нелегированного материала, причем скорость травления
сильнолегированного поликристаллического кремния n-типа на
порядок выше, чем нелегированного материала или материала
p-типа. Влияние легирования можно объяснить, предполагая,
что травящими компонентами являются атомы С1 и что леги-
рование донорной примесью приводит к повышению уровня Фер-
ми, приводящему к снижению энергетического барьера, препят-
ствующего электронному переходу к связанному атому хлора
[31]. Можно обеспечить высокую анизотропию травления
(Af~l), вводя в газ добавки, содержащие рекомбинационные
компоненты (см. разд. 8.6.1). Примерами добавок являются
ССЕ для реактивного ионного травления и C2F6 для плазменно-
го травления.
Для анизотропного травления поликристаллического крем-
ния можно также использовать бромсодержащие аналоги хлор-
содержащих газов. Селективность по отношению к SiO2 для
плазмы, содержащей как С1, так и Вг, довольно высокая. За-
грузочный эффект при использовании таких газов проявляется
слабо или вообще отсутствует. Примеры анизотропного вытрав-
ливания элементов в поли- и монокристаллическом кремнии
приведены на рис. 8.25, бив соответственно.
Плазма фторсодержащих газов обычно травит поликристал-
лический кремний изотропно, причем при этом проявляется
54
ГЛАВА 8
сильный загрузочный эффект. Однако были опубликованы дан-
ные и об анизотропном травлении поликристаллического крем-
ния в плазме CF4, CF4—О2 и SF6 при условиях, обеспечиваю-
щих облучение поверхности ионами высокой энергии, например
при низкой частоте прикладываемого напряжения и низком ра-
бочем давлении [43—45].
Известно ограниченное число публикаций, посвященных про-
цессам сухого травления силицидов тугоплавких металлов. Со-
общалось как об изотропном, так и об анизотропном травлении
их в плазме CF4—О2 [46, 47]. Изотропную картину давало плаз-
менное, а анизотропную — реактивное ионное травление. Высо-
кая степень анизотропии травления при низкой селективности
(<4:1) относительно SiO2 достигнута при реактивном ионном
травлении в плазме SFe [45]. Наивысшая селективность требу-
ется при травлении двухуровневых структур поликристалличе-
ского кремния или полицида, когда соответствующие слои лежат
на ступеньках изолирующего окисла.
Отсутствуют публикации об одностадийном процессе сухого
травления полицидов. Реализации таких процессов препятству-
ют три обстоятельства: анизотропия скорости травления неудов-
летворительна для одного или обоих слоев; травление поликри-
сталлического кремния осуществляется быстрее, чем силицида,
что приводит к подтравливанию и соответственно к потере адге-
зии силицида либо к сложностям последующего покрытия сту-
пенек; неудовлетворительна селективность по отношению к ни-
жележащему слою подзатворного окисла.
Эти проблемы решают путем применения многостадийных
процессов [46, 48]. Например, двухстадийный процесс, исполь-
зованный для изготовления полевых МОП-схем с одномикрон-
ным каналом [46], включает на первом этапе реактивное ион-
ное травление для удаления силицида и частично слоя поликри-
сталлического кремния. Оставшаяся часть последнего слоя под-
вергается на втором этапе изотропному плазменному травле-
нию, характеризуемому высокой селективностью по отношению
к окислу, для снятия «излишков» материала с вертикальных
ступеней (см. рис. 8.7).
8.8.4. Алюминий (А1—Si, Al—Си)
Для травления алюминиевых сплавов (А1—Si, Al—Си),
применяемых в технологии СБИС, предпочтительно использова-
ние хлорсодержащих газов, таких, как СС14, ВС13 и SiCl4, или
смесей этих газов с С12 [49]. Поверхность свежеосажденного
алюминия, не покрытая А12О3, вступает в реакции с С1 и С12 с
образованием квазилетучего соединения А1С13 даже в отсутст-
вие плазмы. Однако алюминий, как правило, покрыт тонкой
СУХОЕ ТРАВЛЕНИЕ
55
(~3 нм) пленкой естественного окисла, не реагирующего ни с
С1, ни с С12.
Этот естественный окисел необходимо удалять до начала
травления посредством либо распыления, либо химического вос-
становления. Такие газы, как ВС13 и ССЦ, при диссоциации в
плазме образуют радикалы, способные восстанавливать тонкие
пленки окисла. Соответствующая стадия процесса травления на-
зывается индукционным периодом. Невоспроизводимость процес-
сов травления алюминия частично объясняется влиянием оста-
точных газов, в частности паров воды, на длительность индук-
ционного периода. Водяной пар может задерживать начало
травления, реагируя или образуя агломераты с восстанавли-
вающими окисел веществами либо вступая в реакцию с алюми-
нием, в результате которой образуется окисел.
Другая проблема, вносимая присутствием водяных паров,
связана с квазилетучестью продукта травления (А1С13), кото-
рый может повторно осаждаться на стенках реактора и адсор-
бировать значительное количество влаги при контакте с атмо-
сферным воздухом. В начальный период разряда десорбция во-
дяного пара препятствует травлению. Для предотвращения это-
го явления некоторые промышленно изготавливаемые системы
сухого травления оборудованы вакуумными ловушками.
Анизотропное травление обеспечивается в режимах как ре-
активного ионного, так и плазменного травления, особенно если
используются газовые смеси с рекомбинационными добавками,
например ССЦ—С12 или ВС1з—С12. Соединение ВСЦ имеет
преимущество над ССЦ, связанное с предотвращением осажде-
ния полимеров в широком интервале рабочих характеристик.
Имеются данные, свидетельствующие о независимости харак-
тера протекания реакции атомов хлора с алюминием от ионной
бомбардировки [21]. Тогда анизотропное травление можно объ-
яснить влиянием ионов на скорость реакций рекомбинации. Ре-
зультаты некоторых исследований позволяют предположить, что
при использовании ССЦ на стенках реактора осаждается инерт-
ный слой, блокирующий травление, причем ионная бомбарди-
ровка способствует удалению этого слоя с поверхности, подвер-
гаемой травлению [14].
Сплавы А1—Si, содержащие до нескольких процентов Si,
легко травятся в хлорсодержащих газах с образованием лету-
чих хлоридов кремния. Однако сплавы А1—Си (<4% Си), при-
меняемые для подавления электромиграции, значительно хуже
поддаются сухому травлению, поскольку медь не образует ле-
тучих галогенидов. После реактивного травления таких сплавов
часто наблюдаются остаточные соединения, содержащие медь,
если только энергии ионов не достаточно для их удаления по-
средством распыления. Для удаления таких остаточных соеди-
56
ГЛАВА 8
нений обычно применяют жидкостное химическое травление.
Селективность по отношению к SiO2 удовлетворяет требова-
ниям технологии СБИС даже в том случае, когда слой алюми-
ния лежит на ступеньках. Однако селективность по отношению
к кремнию (или. поликристаллическому кремнию) при исполь-
зовании хлорсодержащих газов обычно низка. Как следствие
этого проводники должны перекрывать контактные окна, что
снижает плотность расположения проводящих дорожек.
В табл. 8.2 представлены типичные для процессов реактивного
травления алюминия значения скорости и селективности трав-
ления, а на рис. 8.25, а показан профиль травления для этого
случая.
Еще одна проблема, выявленная по мере разработки процес-
сов сухого травления алюминия, заключается в наблюдаемой
после травления коррозии, которая происходит в результате гид-
ратации атмосферной влагой хлорсодержащих соединений на
поверхности пластины с образованием НС1. Большая часть та-
ких остаточных соединений связана со следами фоторезиста, по-
этому по окончании травления этот материал следует немедлен-
но удалять. Однако даже такой меры предосторожности может
оказаться недостаточно для защиты особо мелких элементов
топологии. Более надежной является обработка подложки после
травления фторуглеродной плазмой, которая превращает хло-
ридные остатки в инертные фториды. Сплавы А1—Си особенно
подвержены коррозии после травления, так как обогащение
приповерхностных слоев подложки нелетучими соединениями
меди способствует образованию хлоридов меди [50].
8.9. ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ
При изготовлении СБИС необходимо применение способов
высокоточного переноса рисунков, выполненных методами лито-
графии в масках резиста, в слои активных материалов схемы.
Требования к точности переноса рисунков удовлетворяются при
использовании методов сухого травления в газовом разряде при
низком давлении (в плазме), обеспечивающих высокую анизо-
тропность травления.
Процессы травления, применяемые для переноса рисунков в
технологии СБИС, должны быть в высокой степени селективны-
ми. В идеальном случае ни маска резиста, ни созданные на пре-
дыдущих этапах технологического процесса слои приборной
структуры не должны поддаваться воздействию травящей сре-
ды. Методы сухого травления, основанные на использовании га-
зов, в состав которых входят реакционноспособные компоненты,
могут наилучшим образом реализовать требования, предъявляе-
мые к селективности. В результате расщепления газов в плазме
СУХОЕ ТРАВЛЕНИЕ
57
образуются вещества, способные вступать в химические реакции
с подвергаемым травлению материалом, вследствие чего возни-
кают летучие соединения.
Наиболее широко применяемыми в технологии СБИС мето-
дами сухого травления являются реактивное ионное травление
и плазменное травление в системах с параллельными электро-
дами в виде пластин. Эти методы обеспечивают высокую анизо-
тропию травления, что позволяет жестко контролировать раз-
меры вытравливаемых элементов. Анизотропия травления дости-
гается в условиях протекания химических реакций между об-
разующимися в плазме электрически нейтральными веществами
и подвергаемой травлению поверхностью при одновременной
направленной бомбардировке частицами высокой энергии. Эти-
ми частицами обычно являются положительно заряженные ио-
ны, экстрагируемые из плазмы приложенным электрическим
полем.
Скорость, селективность и анизотропия травления определя-
ются различными параметрами, включая состав и давление ра-
бочего газа, температуру подложки, частоту и плотность мощ-
ности приложенного электрического поля. Эти параметры не-
обходимо строго контролировать, чтобы избежать нежелатель-
ных побочных эффектов, например осаждения полимеров и ра-
диационных повреждений.
Разработаны процессы ионно-плазменного травления боль-
шинства материалов, применяемых в технологии СБИС. Одна-
ко необходимо развитие этих методов с целью оптимизации се-
лективности, контроля профиля травления, воспроизводимости,
общего управления процессом, автоматизации и производитель-
ности.
Улучшение селективности и контроля профиля травления
становится особенно важным по мере дальнейшего уменьшения
размеров схемных элементов. Дальнейшие разработки приве-
дут к повышению скорости травления, в результате чего будет
Достигнуто расширенное использование полностью автоматизи-
рованных систем индивидуального травления с конвейерной по-
дачей кассет с пластинами.
В будущем ожидаются распространение методов сухого
травления на новые материалы и приборы, а также значитель-
ный прогресс в понимании сложных физических и химических
закономерностей, лежащих в основе процессов сухого трав-
ления.
ЗАДАЧИ
8.1. Считая, что маска не подвержена эрозии, изобразите
профиль*края элемента, изотропно вытравливаемого в пленке
толщиной hf, нанесенной на нетравящуюся подложку, для слу-
58
ГЛАВА 8
чаев: а) момента окончания травления пленки, б) 100%-ного
перетравливания, в) 200%-ного перетравливания. К какому кон-
туру приближается профиль края при увеличении степени пере-
травливания? Прокомментируйте целесообразность определения
степени анизотропии травления по микрофотографиям профи-
лей краев элементов, снятым после удаления маскирующего
слоя в растровом электронном микроскопе.
8.2. Выведите соотношение (8.7), прослеживая по рис. 8.5
траекторию точки, расположенной на наклонном крае элемента
маски, в процессе травления.
8.3. Покажите, что соотношение (8.12) соответствует случаю,
когда наиболее тонкий и быстро стравливаемый участок пленки
лежит над наиболее быстро стравливаемой областью поверхно-
сти подложки.
8.4. Дорожка поликристаллического кремния толщиной
0,5 мкм проходит через ступеньку изолирующего окисла высо-
той 1,1 мкм и через подзатворный окисел толщиной 0,05 мкм.
Вычислите необходимые значения селективности травления от-
носительно маски и подзатворного окисла, если травление по-
ликристаллического кремния осуществляется в процессе, харак-
теризуемом 10%-ной однородностью скорости травления, Af=
= 1,0 и Лт = 0,5. Предположите, что однородность толщины слоя
поликристаллического кремния составляет 5%, однородность
скорости травления маски — 5%, угол наклона края элемента
маски — 60°, точность контроля ширины вытравливаемых ли-
ний— 0,2 мкм.
8.5. Для случая разряда в CF4 считайте, что электроны и мо-
лекулы газа представляют собой твердые шары массой т и М
соответственно. Рассчитайте максимальную долю потери кине-
тической энергии электроном, сталкивающимся с молекулой
CF4. Примите, что до соударения молекула CF4 была неподвиж-
на, а соударение упругое. Повторите расчет для неупругого со-
ударения, в результате которого потенциальная энергия CF4
возрастает на максимально возможную величину.
8.6. Высокочастотный разряд в плазме CF4—О2 характеризу-
ется мощностью приложенного электрического поля 300 Вт, дав-
лением 66,5 Па и скоростью подачи рабочего газа 1(Х)см3/мин.
Объем, занимаемый плазмой, составляет 4000 см3. При этих ус-
ловиях скорость образования в плазме атомарного фтора равна
1016 см^С"1. В результате совместного проявления всех меха-
низмов потерь атомов F скорость потерь пропорциональна кон-
центрации атомов F, которая в равновесном состоянии составля-
ет 3-1015 см-3. Чему равно при этих условиях среднее время
жизни атомов фтора? Как оно соотносится с продолжитель-
ностью пребывания средней молекулы в плазме? Как изменит-
ся скорость травления Si, если увеличить скорость подачи рабо-
СУХОЕ ТРАВЛЕНИЕ
59
чего газа в десять раз при сохранении остальных параметров
неизменными?
8.7. Какую функцию выполняет заземленный экран, пока-
занный на рис. 8.11? Какое существует ограничение для вели-
чины зазора между заземленным экраном и запитываемым
электродом?
8.8. Каковы главные отличия между реактивным ионным
травлением и плазменным травлением в реакторе с параллель-
ными электродами в виде пластин? Сравните достоинства и не-
достатки этих методов травления.
8.9. Можно ли ожидать, что скорость ионно-стимулирован-
ной реакции между электрически нейтральными веществами и
поверхностью твердого тела не будет зависеть от угла падения
ионного пучка? Почему? Укажите, как будет изменяться ско-
рость реакции при непрерывном повышении энергии ионов свы-
ше 5 кэВ.
8.10. Энтальпия экзотермической реакции:
Si 4F ----> SiF4,
равна 370 ккал/г-моль при 25 °C. С какой скоростью выделяет-
ся тепло при травлении со скоростью 1,0 мкм/мин одной поверх-
ности кремниевой пластины диаметром 100 мм и толщиной
0,5 мм в плазме, обеспечивающей образование атомов F? Пред-
полагается, что пластина в процессе травления теплоизолиро-
ванна. Насколько нагревается пластина в результате стравлива-
ния 5,0 мкм?
8.11. Объясните, почему пики кривых, представленных на
рис. 8.19, смещены во времени друг относительно друга. Изобра-
зите временную зависимость положений пиков от числа под-
вергаемых травлению пластин. График какой функции при этом
получился? Покажите, что эта функция соответствует проявле-
нию загрузочного эффекта и пренебрежимо малой энергии ак-
тивации реакции травления. Какое заключение можно сделать
на основании наблюдаемой зависимости максимальной темпе-
ратуры пластины от количества пластин?
8.12. Объясните, почему на точность определения момента
окончания травления путем измерения концентрации травящих
компонент в плазме оказывает влияние загрузочный эффект.
ЛИТЕРАТУРА
1. Melliar-Smith С. М., Mogab С. J., Plasma-Assisted Etching Techniques for
Pattern Delineation, J. L. Vossen, W. Kern, Eds., Thin Film Processes, Aca-
demic, New York, 1979.
2. Irving S. M„ A Plasma Oxidation Process for Removing Photoresist Films,
Solid State Technol., 14 (6), 47 (1971).
60
ГЛАВА 8
3. Irving S. M., Lemons К. E., Bobos G. E., Gas Plasma Vapor Etching Pro-
cess, U.S. Patent 3 615 956.
4. Penn T. C.. Forecast of VLSI Processing — A Historical Review of the First
Dry-Processed IC, IEEE Trans. Electron Devices, ED—26, 640 (1979).
5. Tolliver D. L„ Plasma Processing in Microelectronics — Past, Present, and
Future, Solid State Technol., 25, 99 (1980).
6. Wehner G. K-, Anderson G. S., The Nature of Physical Sputtering, L. I. Mais-
sel, R. Glang, Eds., Handbook of Thin Film Technology, McGraw-Hill, New
York, 1970. [Имеется перевод: Технология тонких пленок. Справочник.
Под ред. Л. Майссела и Р. Глэнга. Пер. с англ, под ред. М. И. Елинсона
и Г. Г. Смолко. М.: Сов. радио, 1977.]
7. Bollinger D., Fink R., A New Production Technique: Ion Milling, Solid State
Technol., 25, 79 (1980).
8. Chapman B., Glow Discharge Processes, Wiley, New York, 1980.
9. Vossen J. L., Glow Discharge Phenomena in Plasma Etching and Deposition,
I. Electrochem. Soc., 126, 319 (1979).
10. Koenig H. R., Maissel L. L, Application of RF Discharges to Sputtering,
IBM J. Res. Dev., 14, 168 (1970).
11. Coburn J. W., Kay E., Positive-Ion Bombardment of Substrates In RF Diode
Glow Discharge Sputtering, J. Appl. Phys., 43, 4965 (1972).
12. Reinberg A. R., Dry Processing for Fabrication of VLSI Devices, N. G. Ein-
spruch, Ed., VLSI Electronics, Academic, New York, 1981, Vol. 2.
13. Fraser D. B. et al., Pumping Hazardous Gases, American Vacuum Society,
New York, 1980.
14. Bruce R. H., Anisotropy Control in Dry Etching, Solid State Technol., 24,
64 (1981).
15. Downey D. F., Bottoms W. R., Hanley P. R., Introduction to Reactive Ion
Beam Etching, Solid State Technol., 26, 121 (1981).
16. Melliar-Smith С. M., Ion Etching for Pattern Delineation, J. Vac. Scl. Tech-
nol., 13, 1008 (1976).
17. Coburn J. W., Winters H. F., Ion- and Electron-Assisted Gas-Surface Che-
mistry— An Important Effect in Plasma Etching, J. Appl. Phys., 50, 3189
(1979).
18. Coburn J. W., Winters H. F., Plasma Etching —A Discussion of Mechanisms,
J. Vac. Sci. Technol., 16, 391 (1979).
19. Gerlach-Meyer U., Ion Enhanced Gas-Surface Reactions: a Kinetic Model
for the Etching Mechanism, Surf. Sci., 103, 524 (1981).
20. Gerlach-Meyer U., Coburn J. W., Kay E., Ion-Enhanced Gas-Surface Che-
mistry: The Influence of the Mass of the Incident Ion, Surf. Sci., 103, 177
(1981).
21. Flamm D. L., Donnelly V. M„ The Design of Plasma Etchants, Plasma
Chemistry and Plasma Processing, 1, 317 (1981).
22. Mogab C. J., Adams A. C., Flamm D. L., Plasma Etching of Si and SiO2 —
The Effect of Oxygen Additions to a CF4 Plasma, J. Appl. Phys., 49, 3769
(1978).
23. Ephrath L. M„ Selective Etching of Silicon Dioxide Using Reactive Ion
Etching with CF4/H2, J. Electrochem. Soc., 126, 1419 (1979).
24. Hirata K., Ozaki Y., Oda M., Kimizuka M., Dry Etching Technology for
1-p.m VLSI Fabrication, IEEE Trans. Electron Devices, ED—28, 1323 (1981).
25. Reichelderfer R. F., Single Wafer Plasma Etching, Solid State Technol., 25,
160 (1982).
26. Taillet J., Plasma Physics: Ion Energy in RF Plasma Etching, J. Physique,
11, L—223 (1979).
27. Kalter H., Van de Ven E. P., Plasma Etching in IC Technology, Philips
Tech. Rev., 38, 200 (1978/79).
28. Schwartz G. C., Schaible P. M., Reactive Ion Etching of Silicon, J. Vac. Sci.
Technol., 16, 410 (1979).
СУХОЕ ТРАВЛЕНИЕ
61
29 Mogab С. J., The Loading Effect in Plasma Etching, J. Electrochem. Soc.»
‘ 124, 1262 (1977).
30 Enomoto T., Denda M., Yasuoka A., Nakato H„ Loading Effect and Tempera-
' ture Dependence of Etch Rate in CFi Plasma, Jpn. J. Appl. Phys., 18, 156
(1979).
31 Mogab C. J., Levinstein H. J„ Anisotropic Plasma Etching of Polycrystalline
’ Silicon, J. Vac. Sci. Technol., 17, 721 (1980).
32 Greene J. E„ Optical Spectroscopy for Diagnostics and Process Control
’ During Glow Discharge Etching and Sputter Deposition, J. Vac. Sci. Tech-
nol., 15, 1718 (1978).
33. Marcoux J., Foo P. D., Methods of End Point Determination for Plasma
Etching, Solid. State Technol., 24, 115 (1981).
34. Gdula R. A., The Effects of Processing on Radiation Damage in SiO2, IEEE
Trans. Electron Devices, ED—26, 644 (1979).
35. Ephrath L. M., DiMaria D. J., Review of RIE Induced Radiation Damage in
Silicon Dioxide, Solid State Technol., 24, 182 (1981).
36. Murarka S. P., Mogab C. J., Contamination of Silicon and Oxidized Silicon.
Wafers During Plasma Etching, J. Electron Mater., 8, 763 (1979).
37. Hirata K., Ozaki Y., Oda M„ Kimizuka M., Dry Etching Technology for
1-p.m VLSI Fabrication, IEEE Trans. Electron Devices, ED—28, 1323 (1981).
38. Heinecke R. A. H., Control of Relative Etch Rates of SiO2 and Si in Plasma
Etching, Solid State Electron., 19, 1039 (1976).
39. Matsuo S., Selective Etching of SiO2 Relative to Si by Plasma Reactive
Sputter Etching, J. Vac. Sci. Technol., 17, 587 (1980).
40. Bondur J. A., Frieser R. G., Shaping of Profiles in SiO2 by Plasma Etching,.
R. G. Frieser, C. J. Mogab, Eds., Plasma Processing, Electrochem. Soc.„
Pennington, New Jersey, 1981.
41. Rothman L. B„ Mauer J. L., Schwartz G. C., Logan J. S», Process for For-
ming Thpered Vias in SiO2 by Reactive Ion Etching, R. G. Frieser, C. J. Mo-
gab, Eds., Plasma Processing, Electrochem. Soc., Pennington, New Jersey,.
1981.
42. Murarka S. P., Refractory Silicides for Integrated Circuits, J. Vac. Sci..
Technol., 17, 7751 (1980).
43. Parry P. D., Rodde A. F., Anisotropic Plasma Etching of Semiconductor
Materials, Solid State Technol., 22, 125 (1979).
44. Mader H., Anisotropic Plasma Etching of Polysilicon with CF4, R. G. Frieser,.
C. J. Mogab, Eds., Plasma Processing, Electrochem. Soc., Pennington, New-
Jersey, 1981.
45. Beinvogl W., Hasler B., Anisotropic Etching of Polysilicon and Metal Sili-
cides in Fluorine Containing Plasma, Proc. 4th Syrup; on SI Materials and
Technol., 81—5, 548 (1981).
46. Crowder B. L., Zirinsky S., 1-p.m MOSFET VLSI Technology: Part VII
Metal Silicide Interconnection Technology — A Future Perspective, IEEE
Trans. Electron Devices, ED—26, 369 (1979).
47. Chow T. P„ Steckl A. J., Plasma Etching Characteristics of Sputtered
MoSi2 Films, Appl. Phys. Lett., 37, 466 (1980).
48. Whitcomb E. C., Jones A. B., Reactive Ion Etching of Submicron MoSi2/Poly-
Si Gates for CMOS/SOS Devices, Solid State Technol., 25, 121 (1981).
49. Hess, D. W., Plasma Etching of Aluminium, Solid State Technol., 24, 189»
(1981).
50. Lee W. Y., Eldridge J. M„ Schwartz G. C., Reactive Ion Etching Induced
Corrosion of Al and Al-Cu Films, J. Appl. Phys., 52, 2994 (1981).
9
МЕТАЛЛИЗАЦИЯ
ФРЕЙЗЕР Д.1)
9.1. ВВЕДЕНИЕ
Понятие металлизации, по-видимому, легче всего пояснить на
^примере. На рис. 9.1 показана структура обычного полевогоМОП-
транзистора с п+-областями истока и стока, сформированными
ионной имплантацией в р-подложке. Контакты к областям исто-
ка и стока для подсоединения их к источнику питания выполне-
ны из металла (например, А1) и проходят через окна в слое ди-
электрика. При приложении к электроду затвора порогового
напряжения между истоком и стоком протекает ток. Под
действием этого напряжения в окисле затвора создается элек-
трическое поле, которое вызывает инверсию проводимости при-
лежащих областей подложки с p-типа на n-тип, что приводит,
таким образом, к появлению проводящего n-канала между об-
ластями истока и стока. Сигнал подается на электрод затвора,
выполненный обычно из проводящего поликристаллического
кремния, через металлический контакт. Таким образом, процесс
металлизации состоит в реализации межкомпонентных соедине-
ний с низким сопротивлением и создании контактов, обладаю-
щих низким сопротивлением, к областям п+ и р+-типа, а также
к слоям поликристаллического кремния. Требованием, предъяв-
ляемым к структурам с металлизацией, является стабильность
при функционировании прибора, т. е. адгезия металла, электро-
миграция (перенос материала под действием тока большой ве-
личины) и коррозия не должны оказывать значительного воз-
действия на надежность прибора. Кроме того, необходимо, что-
бы структуру можно было легко сформировать с использова-
нием простого процесса [1].
Металлизацию значительной части изготавливаемых в нас-
тоящее время кремниевых МОП и биполярных интегральных
схем выполняют из алюминия или его сплава. Поскольку А1 име-
ет низкую величину удельного сопротивления при
температуре (~2,7 мкОм-см), а значение этого параметра для
его сплавов на 30%
выше, применение указанных
материалов
!) Fraser D. В., Bell Laboratories, Murray Hill, New Jersey.
МЕТАЛЛИЗАЦИЯ
63
удовлетворяет требованию низкого сопротивления контакта.
Алюминий и его сплавы обладают хорошей адгезией к терми-
ческому SiC>2 и осажденным силикатным стеклам — теплота об-
разования А12О3 выше, чем SiO2. Несмотря на эти преимущест-
ва, использование А1 при изготовлении СБИС, обладающих мел-
кими переходами, часто сталкивается с трудностями, связан-
ными с электромиграцией и коррозией. Однако, как будет пока-
зано ниже, существуют приемлемые пути, решения этих про-
блем. Электромиграция может быть уменьшена путем подбора
Рис. 9.1. Схема поперечного сечения полевого МОП-транзистора.
характеристик осажденных пленок, а коррозию можно свести к
минимуму тщательной разработкой методов изготовления и
герметизации СБИС.
Могут применяться и другие структуры металлизации, но’
сложность их -формирования ограничивает использование таких
структур в СБИС. К этим структурам относятся соединения
Ti — Pd — Au и Ti — Pt — Au [2]. Структуру Ti — Pt часто ис-
пользуют в качестве проводящего слоя первого уровня в ИС с
двухуровневой металлизацией, а структуру Ti — Pt — Au — в ка-
честве слоя второго уровня металлизации [3].
Другим классом структур металлизации являются структу-
ры межкомпонентных соединений и электрода затвора в поле-
вых МОП-транзисторах. Слои тугоплавких металлов или сили-
цидов тугоплавких металлов, которые используются для улуч-
шения характеристик или замены поликристаллического крем-
ния, в основном получают с использованием процессов физиче-
ского осаждения из парогазовых смесей. Эти процессы подобны
процессам осаждения пленок AI и его сплавов. Применение ту-
гоплавких материалов необходимо вследствие того, что номи-
64
ГЛАВА 9
нальная величина удельного сопротивления поликристалличе-
ского кремния п+-типа, равная 500 мкОм-см, слишком высока
для СБИС, где длина каналов приборов составляет менее
1,5 мкм, а отдельный кристалл может содержать более
100000 приборов.
9.1.1. Контакты
Контакты между металлическими пленками и подложкой в
основном являются выпрямляющими или омическими. В при-
борах, где необходимо, чтобы контакт обладал характеристика-
ми диода, должен быть создан барьерный переход. В других
случаях у контакта должно быть малое сопротивление. Для ха-
рактеристики омических контактов можно использовать величи-
ну удельного контактного сопротивления А?с [4]:
Для слаболегированного полупроводника удельное сопротив-
ление металлического контакта может быть определено из
уравнения
= чА*?”ехр '~kT~' (9-2)
В уравнении (9.2) Д* — постоянная Ричардсона, которая
равна A* = 4nqm*k2lh3. Здесь q — заряд; т*— эффективная мас-
са носителя заряда, т. е. электрона; k — константа Больцмана;
h — постоянная Планка; Фв— высота барьера. Из уравнения
(9.2) следует, что малые величины сопротивления контактов
получаются при низких значениях высоты барьера, поскольку
термоэлектронная эмиссия через барьер преобладает над пере-
носом заряда. При высоком уровне легирования полупроводни-
ка уменьшается ширина барьера, начинает играть важную роль
процесс туннелирования и выражение для удельного контактно-
го сопротивления может быть представлено в виде
(9.3)
-где es — диэлектрическая постоянная кремния, Nd — концентра-
ция легирующей примеси. При Уд>1019 см*3 значе-
ние Rc в основном будет определяться туннелированием и !
быстро уменьшаться при увеличении уровня легирования выше
Ю19 см-3. При А/Ос1017 см-3 преобладает термоэлектронная J
эмиссия, и Rc не зависит от уровня легирования. Расчетные и
экспериментальные значения Rc приведены на рис. 9.2. Прима- .
МЕТАЛЛИЗАЦИЯ
65
Рис. 9.2. Зависимость теоретических и экспериментальных величин удель-
ного контактного сопротивления от концентрации доноров и высоты
барьера [4].
лой высоте барьера на сильнолегированной подложке может
быть достигнута величина /?с~10-7 Ом-см2. В табл. 9.1 пред-
ставлены значения фв Для некоторых материалов [4].
9.1.2. ОСНОВЫ ОСАЖДЕНИЯ ИЗ ПАРОГАЗОВЫХ СМЕСЕЙ
Металлизацию СБИС, как правило, проводят в вакуумных
камерах [5]. На рис. 9.3 схематически показана вакуумная си-
стема. Камера представляет собой вертикальный цилиндриче-
ский реактор колпакового типа из нержавеющей стали с базо-
вым уплотнением. Предварительная откачка камеры произво-
дится форвакуумным насосом типа механического роторно-
пластинчатого насоса или комбинацией механического насоса и
цеолитовых молекулярных ловушек, охлаждаемых жидким азо-
том. С помощью механического роторного насоса можно пони-
зить давление в системе до 20 Па, а применение комбинации
5-233
66
ГЛАВА 9
Таблица 9.1. Высота барьера Шоттки Ф в
Материал контакта ф для кремния n-типа проводимости, В ф для кремния р-типа проводимости, В
А1 0,72 0,58
Сг 0,61 0,50
Мо 0,68 0,42
N1 0,61 0,51
Pt 0,90
Ti 0,50 0 61
W 0,67 0,45
CoSi 0,68
CoSi2 0,64
IrSi 0,93
Ni2Si 0,7 —0,75
NiSi 0,66—0,75
NiSi2 0,7
PtSi 0,84
Pd2Si 0,72—0,75
TaSia 0,59
TiSia 0,60
WSia 0,65
механического насоса и цеолйтовых молекулярных ловушек по-
зволяет достичь величины давления в камере ~ 0,5 Па. При до-
стижении соответствующего давления камера соединяется с си-
стемой получения высокого вакуума, с помощью которой про-
должается снижение давления в рабочем объеме. Высоковаку-
умные системы откачки могут состоять из охлаждаемой жид-
ким азотом ловушки и паромасляного диффузионного насоса,
ловушки и криогенного насоса, охлаждаемого гелием, с замкну-
тым циклом откачки. Малопроизводительная система откачки
может включать ловушку, титановый сублимационный насос и
ионно-сорбционный насос. Выбор системы откачки зависит от
требуемой скорости откачки, предельно достижимого давления
(за приемлемое время), желаемого качества получаемой плен-
ки, метода осаждения пленки и затрат. В традиционных систе-
мах откачки используются паромасляные диффузионные насо-
сы, но вероятность загрязнения пленки парами масла способст-
вует применению турбомолекулярных или криогенных насосов.
Криогенные насосы действуют как ловушки и должны периоди-
МЕТАЛЛИЗАЦИЯ
67
чески регенерироваться; турбомолекулярные и диффузионные
насосы работают как перекачивающие насосы, прокачивая газ
через себя.
Высоковакуумные системы откачки создают в камере низкое
давление, которое необходимо для проведения процесса осаж-
дения. Это низкое давление называют рабочим или основным
давлением. Например, для систем осаждения алюминия мето-
дом испарения рабочее давление может составлять 6,6* 10-5 Па,
но при включении дополнительных источников нагрева давле-
Откачка
Подложки
Источник
Рабочая
камера
Высоковакцумный
насос
Базовое уплотнение
I Высоковакуумныи
вентиль
..Дроссельный клапан
криогенная
ловушка
Впуск
распыляющего
газа
Форвакуумный
насос
Насос
предварительной
откачки
Рис. 9.3. Вакуумная система. (Для упрощения манометры не показаны.)
ние в камере может подниматься на порядок величины и более.
Давление может повышаться и далее при нагреве источника ис-
парения. Для уменьшения времени процесса осаждения, вклю-
чающего период откачки, операцию очистки системы необходи-
мо разбить на несколько этапов. Все компоненты камеры под-
вергаются химической очистке и сушке. Как правило, для
уменьшения адсорбции паров воды на внутренних поверхностях
камеры со свежим покрытием при контакте с атмосферой в ка-
налах охлаждения камеры поддерживается циркуляция подо-
гретой воды. Любые пленочные образования на внутренних по-
верхностях камеры периодически удаляют для того, чтобы уст-
ранить основной источник захвата атмосферных газов. При
формировании МОП-приборов существенным является исклю-
чение загрязнений натрием [6],. Это возможно достичь путем
очистки подложек перед нанесением пленки в растворах HF,
устранения поверхностного контакта с любыми внутренними
частями установки осаждения и использования источников чис-
того металла.
5*
68
ГЛАВА 9
Подобные меры предосторожности должны соблюдаться и
при осаждении методом ионного распыления. В системах ион-
ного распыления поддерживается давление аргона ~1 Па. Не-
смотря на относительно высокое давление, к процессу ионного
распыления предъявляются такие же требования, как к процес-
су вакуумного испарения, поскольку другие газы (например,
пары воды и кислород) могут оказать вредное влияние на ка-
чество пленки, если их парциальное давление составит величи-
ну ~10-2 Па. Дополнительным фактором является чистота ак-
тивного газа аргона. Таким образом, для поддержания чистоты
процесса линии, соединяющие источник газа с камерой распы-
ления, должны быть чистыми и вакуумно-плотными. В системах
ионного распыления между ловушкой и высоковакуумной систе-
мой откачки должен быть расположен вентиль, регулирующий
натекание. Давление аргона может поддерживаться уменьше-
нием эффективной скорости откачки при сохранении полной
скорости удаления паров воды ловушкой.
Предполагая, что вакуумная камера объемом V не имеет
утечек, соединена с насосом необходимой мощности, а основные
ограничения накладываются дегазацией паров воды, давление
Р в камере в любое время t после начала откачки определяет-
ся приблизительным соотношением [5]
Р = Роехр (9.4)
где Ро — исходное давление, S — скорость откачки, Q — скорость
дегазации паров воды с внутренних поверхностей системы. Пос-
ле первого часа откачки на давление в системе преобладающее
влияние оказывает второй член уравнения (9.4) и P — QJS, где
Qi — скорость дегазации после ~1 ч откачки. Отметим, что
Q слабо зависит от времени, поскольку в конечном итоге источ-
ник обедняется. Эта особенность вакуумных систем приводит к
использованию загрузочных шлюзовых камер, когда подложки
вводятся в рабочую камеру через шлюз, который периодически
откачивается от атмосферного до пониженного давления. Под-
ложки при пониженном давлении переносятся через загрузоч-
ный шлюз в рабочую камеру, при этом дегазации должны быть
подвергнуты только подложки, а не вся внутренняя поверхность
камеры. После завершения процесса осаждения пленки подлож-
ки переносятся в ту же или другую шлюзовую камеру и извле-
каются из системы. Использование таких систем в промышлен-
ном оборудовании получения пленок возрастает, так как произ-
водительность установок с загрузочными камерами выше по
сравнению с производительностью однокамерных установок
(при использовании пластин диаметром 100 мм и более). В при-
МЕТАЛЛИЗАЦИЯ
69
веденном описании применительно к операции получения плен-
ки использован термин «процесс», так как кроме осаждения
пленки в системах с загрузочной шлюзовой камерой проводит-
ся также реактивное ионное и плазменное травление.
9.1.3. Контроль толщины пленки в процессе
осаждения
В производстве СБИС существенным фактором является
контроль толщины токопроводящей пленки, поскольку меньшая
по сравнению с требуемой толщина пленки может привести к
избыточной плотности тока и отказам при функционировании
прибора. В то же время излишняя толщина может создать
проблемы при проведении операции травления. Использование
датчиков контроля толщины пленки является обычным при
осаждении пленок методами испарения и магнетронного распы-
ления, когда подложки расположены на держателе планетарно-
го типа. В некоторых процессах магнетронного распыления
толщина пленки не контролируется во время процесса осажде-
ния, а измеряется после распыления.
Наиболее часто употребляемым датчиком контроля толщи-
ны пленок является пластина резонатора, изготовленного из
кристалла кварца. Пластина ориентирована относительно глав-
ных кристаллических осей, так что ее резонансная частота от-
носительно нечувствительна к небольшим колебаниям темпера-
туры [7]. Акустический импеданс и дополнительная масса лю-
бой осажденной на резонатор пленки вызывает изменение час-
тоты, которое может быть точно измерено. После калибровки
датчика в установке осаждения он может быть использован для
управления скоростью осаждения пленки так же, как и оконча-
тельной толщиной осажденной пленки. Кристалл резонатора
имеет ограниченный срок службы, по истечении которого он
должен быть заменен. Однако при этом нет необходимости в
перекалибровке датчика, если система осаждения не претерпе-
ла изменений. Резонатор имеет ограниченный срок службы
вследствие того, что соотношение между Af и &М сохраняется
неизменным только при Af/fo<0,05, где Af— изменение частоты
резонатора, ДМ — дополнительная осажденная масса, f0 — на-
чальная частота резонатора.
Калибровать такие системы и измерять толщину пленки, по-
лученной в процессе без использования датчиков управления,
можно по крайней мере двумя способами. Простейший метод
включает в себя использование микровесов для взвешивания
подложки до и после осаждения. С учетом объемной плотности
70
ГЛАВА 9
пленки ро увеличение массы Ат связано с толщиной t соотно-
шением
Объем = = At, (9.5а)
и, следовательно,
t = Am/pDA, (9.56)
где А — площадь пленки.
Согласно другой методике, используют прибор, измеряющий
профиль поверхности пленки. Тонкое перо, обычно алмазное,
прочерчивает поверхность подложки и фиксирует высоту ступе-
нек, образованных в областях, где пленка стравлена или поверх-
ность подложки была замаскирована во время осаждения. Пол-
ная высота ступеньки определяется из измерений дифференци-
альной емкости или индуктивности. Калибровку систем измере-
ния толщины пленки проводят с использованием периодически
проверяемых стандартных образцов. С помощью таких прибо-
ров может быть измерена толщина пленки менее 10 нм. Другие
методы измерения толщины проводящей пленки включают ме-
тоды оптической интерференции и измерения вихревого тока.
9.1.4. Приложение кинетической теории газов
В кинетической теории газов имеются два общих понятия,
полезных для описания процесса физического осаждения из па-
рогазовых смесей. Первым понятием является интенсивность
бомбардировки газовыми молекулами облучаемых в камере
поверхностей.
N = (2rnnkT)~1/2 р, (9.6)
где N— интенсивность бомбардировки (число молекул-см-2-
•с-1) для молекул газа массой т при температуре Т(К) и дав-
лении р. Уравнение (9.6) может быть переписано в виде
Af = 6,4.1019(MT)-V2p, (9.7)
где М— масса грамм-моля; р — давление (Па). С помощью ин-
тенсивности бомбардировки можно оценить возможные эффек-
ты, происходящие в процессе осаждения пленки в присутствии
остаточных или умышленно вводимых газов. Вторым полезным
понятием является понятие свободной длины пробега молекулы
газа
Х=1гТ/(рт^У2], (9.8)
где а — диаметр молекулы газа. Для остаточных газов, таких,
как Не, О2, N2, Н2О, часто присутствующих в вакуумных систе-
МЕТАЛЛИЗАЦИЯ
71
мах, величины а лежат в диапазоне 0,2—0,5 нм [8]. Таким об-
разом, для воздуха при постоянном давлении произведение
Хр = const0,7 см-Па. (9.9)
Поскольку столкновения являются статистическим явлением,
доля общего числа молекул п0, не испытывающих столкновений
на расстоянии d, равна
п/п0 = ехр(—d/X). (9.10)
На расстоянии d=X только 37% общего числа молекул не
подвержены столкновениям. Представленные понятия полезны
для описания процесса ионного распыления, где часто использу-
ется давление Аг, равное ~1 Па, при этом ожидаемое значение
л—0.7 см. Смысл приведенных понятий для процесса ионного
распыления состоит в том, что при распылении пар может под-
вергаться кинетическому рассеянию перед тем, как он достигнет
подложки. В противоположность этому в процессе вакуумного
испарения при давлении в камере PclO-2 Па молекулы оста-
точного газа должны иметь величину длины пробега ХлИ м,
что подтверждает предположение о прямолинейном распростра-
нении напыляемого пара от источника к подложке. Предполо-
жение прямолинейного распространения пара является основой
объяснения осаждения пленки на поверхности подложки со сту-
пенчатым рельефом.
9.2. МЕТОДЫ ОСАЖДЕНИЯ ИЗ ПАРОГАЗОВЫХ
СМЕСЕЙ
Интенсивность испарения металла из расплава оценивают
с использованием уравнения Герца—Кнудсена [9]:
Ne=(2nmkT)-^pe, (9.11)
где Ne — число молекул на единицу площади в единицу време-
ни; т — молекулярная (атомная) масса; k — константа Больц-
мана; Т — температура поверхности источника (К); ре— равно-
весное давление пара испаряемого вещества. Это давление пара
может быть выражено через скорость потери источником массы
на единице площади
R = 4,43 -10'4 [М/Т]1/2 ре [г/(см2 • с)], (9.12)
где М — масса грамм-моля, ре — давление пара (Па). Напри-
мер: Ре (А1) «1,5 Па при 1500 К.
72
ГЛАВА 9
Суммарная скорость потери массы источником Rt в единицу
времени может быть определена интегрированием R по площа-
ди источника:
Rt— I R dAs.
(9.13)
Поток материала, наносимого на подложку, зависит от коси-
нуса угла Ф между нормалью к поверхности источника и направ-
Рис. 9.4. Идеализированное изо-
бражение источника пара и по-
верхности, покрываемой пленкой,
представляющей собой сферу ра-
диусом Го.
ределена из уравнения (9.К
лой площадью
лением к поверхности подложки,
расположенной на расстоянии г
от подложки. Если 0 — угол
между нормалью к поверхности
подложки и направлением к ис-
точнику, то
D = cos ф • cos 0, (9.14)
где D — скорость осаждения
[г/(см2-с)].
Скорость осаждения в различ-
ных точках поверхности подлож-
ки над точечным или протяжен-
ным источником может быть оп-
. Например, для источника с ма-
D/DO = [1+(W)2]-2
(9.15)
и для точечного источника
Я/П0 = [1+(А/Я)2]-3'2, (9.16)
где Do — скорость осаждения непосредственно над источником
на расстоянии Н от его поверхности, D — скорость осаждения
на расстоянии L от центра подложки.
Когда подложка и источник расположены на поверхности
сферы радиусом г0 (см. рис. 9.4), то
cos0 = cos0 = r/(2ro), (9.17)
и уравнение (9.14) примет вид
D = RT/(4лг02). (9.18)
Следовательно, скорость осаждения одинакова во всех точ-
ках сферической поверхности, которая расположена за плане-
тарной системой подложкодержателя (вращающиеся сфериче-
ские сегменты), используемой в камерах осаждения.
МЕТАЛЛИЗАЦИЯ
73
Методы осаждения А1 и (в некоторой степени) его сплавов
разрабатывались в следующем порядке: 1) испарение с ис-
пользованием резистивного нагрева, 2) электронно-лучевое ис-
парение, 3) испарение с использованием индукционного нагре-
вав) магнетронное распыление, 5) химическое осаждение из
парогазовых смесей. Каждый метод имеет свои преимущества и
недостатки, которые необходимо принять во внимание, прежде
чем остановиться на каком-либо из них в конкретном случае.
9.2.1. Испарение с использованием резистивного
нагрева
На рис. 9.5 показана нить из тугоплавкого металла (напри-
мер, вольфрама) с небольшими кусочками проволоки из А1, под-
вешенными в витках спирали. Другая, более сложная структура
источника может быть образована из лент тугоплавкого метал-
ла. Преимуществами резистивного нагрева являются простота
конструкции нагревателя, малая стоимость и отсутствие ионизи-
рующего излучения. Недостатки метода заключаются в возмож-
ности загрязнения пленки материалом нагревателя, малой ве-
личине загрузки, что ограничивает предельную толщину пленки,
нагреватель (tv)
ПТШП
'^l
Рис. 9.5. Тугоплавкая вольфрамовая спираль, используемая в качестве дер-
жателя испаряемого вещества и источника нагрева при вакуумном испаре-
нии алюминия.
низком сроке службы спирали и трудностях получения пленки
на основе сплавов, если не применяется взрывное испарение
[10]. При взрывном испарении на нагретую поверхность неболь-
шими порциями капают испаряемый сплав. При этом происхо-
дит быстрый нагрев и все компоненты сплава переносятся на
подложку. Несмотря на отмеченные недостатки, испарение с на-
гретой нити продолжает применяться для осаждения пленок АГ,
служащих электродами тестовых конденсаторов, используемых
при проведении термических испытаний и в экспериментах. Что-
бы увеличить площадь источника испаряемого материала, мож-
но использовать несколько нитей. В этом случае достигается бо-
лее равномерное воспроизведение ступенчатого рельефа на по-
верхности подложки, чем при испарении с отдельной нити. При
одновременном осаждении пленки на несколько подложек для
74
I ЛАВА 9
обеспечения однородности толщины пленки на подложках мо-
жет применяться планетарная система подложкодержателя.
С помощью рассмотренного метода можно испарять и другие
металлы, например Au и Pd.
9.2.2. Электронно-лучевое испарение
На рис. 9.6 схематически показан источник с электронно-лу-
чевым испарением. Горячий катод испускает пучок электронов
с величиной тока ~ 1 А, которые ускоряются в поле напряжени-
ем 10 кВ и бомбардируют поверхность испаряемого вещества.
Загрузка А1
______________луч
Водоозслаждаемая медная плита
Рис. 9.6. Система электронно-лучевого испарения.
За счет отклонения пучка электронов в магнитном поле удается
экранировать катод для того, чтобы примеси с катода не попа-
дали на подложки. Сканирование электронного пучка по по-
верхности расплава предотвращает неоднородность скорости
осаждения, которая может иметь место при образовании углуб-
ления в расплавленном источнике. Используя большой источ-
ник, можно выполнить осаждение толстой пленки без наруше-
ния вакуума и перегрузки источника. Применение большого ис-
точника позволяет также отодвинуть пластины от источника для
использования планетарной системы подложкодержателя. Раз-
местив несколько источников в одной камере, можно последова-
тельно осаждать пленки разного состава без нарушения ва-
куума. Путем совместного испарения из нескольких источников
могут быть получены также пленки сплавов. Поскольку элек-
тронный пучок обладает большой мощностью, при интенсивном
испарении можно достичь высокой скорости осаждения пленок.
Оптимальная скорость осаждения пленки зависит от расстояния
между источником и подложкой и обычно составляет 0,5 мкм/мин.
При избыточной мощности пучка на подложки могут попадать
капельки металла, которые разбрызгиваются из источника при
интенсивном испарении металла.
Кроме алюминия и его сплавов методом электронно-лучевого
испарения могут быть получены пленки других элементов (Si,
МЕТАЛЛИЗАЦИЯ
75
Pd, Au, Ti, Mo, Pt, W) и диэлектриков (A12O3). Как правило,
алюминий и его сплавы испаряются из загрузки, расположенной
непосредственно в водоохлаждаемой медной плите электронно-
лучевого источника. Передача тепла охлаждающей воде умень-
шена при использовании тигельного вкладыша (например, из
нитрида бора) для размещения испаряемого вещества. Однако
вкладыш может загрязнять осаждаемые пленки. При отсутствии
вкладыша пленки могут загрязняться медью, если расплав А1
смачивает медную плиту и начинает ее растворять.
При напряжении порядка 10 кВ электронный пучок генери-
рует характеристическое рентгеновское излучение К-оболочки
А1, распространяющееся вместе с основным потоком пара. Это
ионизирующее излучение проникает в поверхностные слои крем-
ниевых подложек и вызывает образование дефектов, которые
изменяют емкостные характеристики МОП-приборов. Поэтому
после осаждения пленки кремниевые пластины должны подвер-
гаться отжигу.
9.2.3. Источники с индукционным нагревом
На рис. 9.7 схематически показан источник испарения с ин-
дукционным нагревом. Тигель обычно изготавливают из BN.
В этом процессе также достигают высокой скорости осаждения.
Его преимуществом перед электронно-лучевым испарением яв-
__________ Загрузка At
Тигель--11
у — ВЧ-инддктор
g ,р(водоохлаждаемый}
Рис. 9.7. Источник испарения с индукционным иагревом. (Расплавленный At
находится в тигле из диэлектрического материала BN.)
ляется отсутствие ионизирующего излучения. Так же как и при
электронно-лучевом испарении, интенсивный ВЧ-нагрев мате-
риала может привести к разбрызгиванию капелек расплавлен-
ного металла на подложки. Другим недостатком такого процес-
са испарения является необходимость использования тигля. Как
И в случае электронно-лучевого нагрева, при индукционном на-
греве могут испаряться сплавы А1 и другие металлы, совмести-
мые с материалом тигля. Следует отметить низкую температуру
процесса образования контакта пленки А1 к подложке из-за от-
сутствия ионизирующего излучения во время процесса осажде-
ния. Этот вопрос будет рассмотрен ниже при описании проблем
создания контактов (разд. 9.4.1).
76
ГЛАВА 9
9.2.4. Ионное распыление
Стандартный процесс ионного распыления нашел широкое
применение в производстве ИС [11]. Такие металлы, как TI,
Pt, Au, Mo, W, Ni и Co, легко могут быть распылены с исполь-
зованием разряда постоянного тока или ВЧ-разряда в диодной
системе. Распыление является физическим процессом, включаю-
щим ускорение ионов, обычно Аг+, посредством градиента по-
тенциала и бомбардировку этими ионами мишени или катода.
За счет передачи импульса мишени приповерхностные атомы
материала мишени испаряются и переносятся в виде пара на
подложки, на которых происходит рост пленки. Для распыле-
ния диэлектриков (А12О3 или SiO2) необходимо использование
источника ВЧ-энергии, тогда как проводящие материалы могут
быть распылены с применением любого источника энергии.
Алюминий трудно распылять обычным способом, поскольку
окисляющие реагенты в остаточном газе образуют стабильный
окисел на его поверхности в процессе воздействия ионов. Для
увеличения плотности ионного тока на поверхности мишени не-
обходима высокая плотность электронов в разряде, и за счет
этого предотвращается образование окисла. Высокую плотность
можно достичь путем введения дополнительного разряда, как
при трехэлектродном распылении [11], или посредством исполь-
зования магнитных полей для захвата электронов и увеличения
их ионизирующей эффективности, как это происходит при маг-
нетронном распылении [12, 13, 14].
Ионно-лучевое распыление также можно использовать для
распыления различных металлов и диэлектриков [15]. При этом
поток энергии к мишени можно видоизменить посредством неза-
висимого изменения ионного тока и энергии. Более того, по-
скольку мишень расположена в камере при более низком дав-
лении, чем при других методах распыления, большее количество
распыленного вещества переносится на подложку и достигается
меньшая степень внедрения ионов остаточного газа в осаждае-
мую пленку. Системы ионно-лучевого распыления для металли-
зации большого количества кремниевых пластин пока еще не
разработаны.
Следует отметить некоторые особенности процесса ионного
распыления: 1) возможность осаждения пленок сплавов, состав
которых подобен составу мишени; 2) внедрение Аг (~2%) и
фонового газа (~1%) в пленку; 3) нагрев подложек в обычных
диодных системах до значительной температуры (~350°C)
вторичными электронами, испускаемыми мишенью. Часто под-
ложки подвергают воздействию ВЧ-разряда, что приводит к
бомбардировке их ионами. Если энергия ВЧ-разряда подведена
перед операцией осаждения, процесс называют ионным травле-
МЕТАЛЛИЗАЦИЯ
77
нием [16]. За счет ионного травления могут быть удалены ос-
таточные окисные и другие пленки из окон и улучшен контакт
между пленкой металла и вскрытыми областями. При приложе-
нии энергии ВЧ-разряда во время осаждения пленки процесс
называют распылением со смещением [17]. Приложение смеще-
ния позволяет улучшить качество пленки, воспроизводящей
ступенчатый рельеф поверхности, или сгладить топологический
рельеф схемы. Распыление с приложенным смещением пленки
SiC>2 приводит к выравниванию поверхности кремниевых плас-
тин перед осаждением металла [18].
9.2.5. Магнетронное распыление
Осаждение А1 и его сплавов с высокой скоростью стало воз-
можно после того, как был разработан процесс магнетронного
распыления [12—14]. Это связано с большой плотностью тока
на поверхности мишени магнетрона во время процесса распыле-
ния. За счет приложения магнитного поля формируемые мето-
дом распыления приборы обладают низким импедансом. Су-
ществуют два варианта магнетронного распыления, которые
могут быть реализованы в высокопроизводительных установках
для осаждения пленок.
Рис. 9.8. Поперечное сечение конического магнетрона.
Магнитное поле В обеспечивается постоянными магнитами и перпендикулярно направ-
лению электрического поля Е около катода. К аноду обычно прикладывают положитель-
ное смещение (20—40 В) относительно земли.
В первом варианте (рис. 9.8) использован конический маг-
нетрон или S-пушка1). Особенностью этого варианта является
использование системы концентрического анода и катода с кру-
говой симметрией. В коническом магнетроне поток распыляемо-
го вещества меньше определяемого в соответствии с косинус-
ным распределением, поэтому для одновременного покрытия
большого числа подложек может быть использована планетар-
ная система, подобная применяемой с источниками испарения.
11 В литературе на английском языке термин «S-пушка» обозначает рас-
пыляющую пушку (sputter gun). — Прим, перев.
78
ГЛАВА 9
На рис. 9.9. показан другой источник — планарный магнет-
рон. Он может иметь изменяемую длину, так что пленкой мож-
но покрывать большие площади подложки. Обычно пластины
помещают на плоскости перед магнетроном. Магнетрон также
может быть установлен в системах, снабженных планетарным
держателем подложек.
Iе
в
Рис. 9.9. Поперечное сеченне планарного магнетрона.
Можно применять постоянные магниты или электромагниты. Аиод расположен отдельно,
обычно поблизости, на него подается положительное смещение.
Напряжение магнетронных источников обоих типов значи-
тельно меньше или равно напряжению электронно-лучевого ис-
точника, поэтому магнетрон генерирует меньшее проникающее
излучение. Скорость роста пленок зависит от расстояния между
источником и подложкой и может достигать 1 мкм/мин при
осаждении А1 и его сплавов.
9.2.6. Химическое осаждение из парогазовых смесей
Преимущества химического осаждения из парогазовых сме-
сей (ПГС) [19, 20] заключены в конформной природе покрытия
(т. е. хорошем качестве пленки, воспроизводящей рельеф по-
верхности), возможности нанесения покрытия на большое коли-
чество подложек одновременно и относительно простом обору-
довании. В отличие от физического осаждения, недостатки кото-
рого связаны с проявлением теневого эффекта и низким качест-
вом покрытия ступенек, в процессе химического осаждения из
ПГС при пониженном давлении формируется конформная
пленка покрытия на поверхности с широким диапазоном про-
филей ступенек, которая часто имеет более низкое объемное
удельное сопротивление.
Основные усилия при разработке процесса получения ме-
таллических пленок для ИС методом химического осаждения
из ПГС были направлены на осаждение вольфрамовых пленок.
Процесс получения таких пленок был разработан преимущест-
венно для осаждения на кремний, а не на окисел [21]. Выбор
МЕТАЛЛИЗАЦИЯ
79
вольфрама объясняется тем, что он обладает низкой величиной
удельного сопротивления (5,3 мкОм-см) и является тугоплав-
ким металлом. Процесс получения вольфрамовых пленок осно-
ван на использовании реакций пиролиза и восстановления. На-
пример, вольфрам можно получить из WFe:
WFe +тепловая энергия > W4-3F2, (9-19)
WF6 + ЗН2 ---> W + 6HF (9.20)
или
„WFe 4- энергия плазмы или оптическая энергия -> W-|-3F2. (9.21)
В зависимости от типа реактора процесс проходит в темпе-
ратурном диапазоне 60—800 °C. Использование WFe может при-
вести к уменьшению толщины окисла во время осаждения,
сброс
Печь Подложка
Рис. 9.10. Упрощенная схема установки химического осаждения из ПГС при
пониженном давлении. (Для протекания реакций реактор должен быть снаб-
жен источником плазмы, интенсивным источником света илв другим источни-
ком энергии.)
а там, где гексафторид вольфрама неприемлем, может приме-
няться WCle, хотя температура процесса в последнем случае
выше.
На рис. 9.10 схематически показан реактор процесса хими-
ческого осаждения из ПГС. Если реакционная труба помещена
в печь, ее называют системой с «горячими стенками». Нагрев
подложкодержателя с размещенными на нем подложками ме-
тодом индукционного ВЧ-нагрева и охлаждение стенок реакто-
ра образуют систему с «холодными стенками». Выбор первой
80
ГЛАВА 9
или второй системы зависит от эффективности использования
газа и вида частиц загрязнений.
Кроме W методом химического осаждения из ПГС могут
быть получены пленки Мо, Та, Ti и А1 для СБИС.
При этом используются следующие реакции [22]:
800 °C
2МоС15+5Н2 -► 2Мо+10НС1, (9.22)
600 °C
2ТаС15+5Н2 -----> 2Та+ 10НС1, (9.23)
500 °C
TiCl4 + 2H2 -> Ti-J-4HC1. (9.24)
и с применением металлоорганических соединений, таких, как три-
изобутилат алюминия:
150 °с
[(СН3)2СН-СН2]3А1 --> [(СН3)2СН-СН2]2А1Н+(СН3)2С=СН2, (9.25)
с последующей реакцией:
[(СН3)2СН-СН2]2А1Н Al + 3/2Н2 + 2(СН3)2С=СН2. (9.26)
Процесс химического осаждения из ПГС при получении пле-
нок А1 для СБИС пока не используется1), хотя с помощью этого
метода успешно получают пленки других металлов. Осаждение
тугоплавких металлов может быть предварительной стадией
при формировании пленок силицидов, как показано на примере
образования WSi2 на поликристаллическом кремнии [23]* 2).
9.3. ПРОБЛЕМЫ, ВОЗНИКАЮЩИЕ ПРИ МЕТАЛЛИЗАЦИИ
Предположим, что металлизация должна быть выполнена на
основе А1. При этом возникает ряд вопросов, относящихся к
выбору сплава, метода осаждения и процесса травления. Реше-
ние этих вопросов затруднительно, поскольку в каждом случае
следует учитывать такие факторы, как характеристики прибора,
экономические показатели и надежность.
И вряд ли будет использоваться в будущем, так как триизобутнлат
алюминия весьма активное металлоорганическое соединение, а химическая
активность AI не способствует получению качественных пленок этим мето-
дом. — Прим. ред.
2> В этих случаях наблюдается процесс хемоэпитаксии, т. е. ориентиро-
ванного наращивания WSi2 на кремний, что способствует улучшению качества
контакта и возможности дальнейшего роста силицида, если в парогазовую
смесь добавить SiCI4 (см. работу [2]). — Прим. ред.
МЕТАЛЛИЗАЦИЯ
81
9.3.1. Описание проблем
Одной из проблем металлизации является достижение рав-
номерного воспроизведения ступенчатого рельефа на поверх-
ности подложки, поскольку осаждение металла — это одна из
операций получения элементов ИС. К началу металлизации пла-
стина уже имеет на поверхности много ступенек. Другой про-
блемой является осаждение пленок на основе сплавов металлов
заданного состава, поскольку избыток отдельных компонент
сплава может привести к нарушению функционирования при-
бора. Относительно важной проблемой является получение низ-
Рис. 9.11. Схема поперечного сечения слоя А1 под пленкой резиста, подверг-
нутого травлению раствором. (Сплошной линией показан профиль границы
пленки А1 при отсутствии перетравливания. Штриховой линией обозначена
граница металлической пленки при перетравливании на 15—20%.)
кого сопротивления контакта. Частицы, попадающие на пласти-
ну в камере осаждения, могут в значительной степени ограни-
чить выход годных кристаллов в связи с небольшой шириной
линий топологического рисунка СБИС. Образование бугорков
(небольших возвышений на поверхности) зависит от состава
сплава, и предыдущая термообработка может ухудшить зер-
кальность поверхности пленки и затруднить ведение процесса
литографии и последующих операций. К проблемам металлиза-
ции относится также травление слоя металла, поскольку обыч-
ное травление раствором для СБИС использовать нельзя. На
рис. 9.11 схематически показан результат изотропного травле-
ния. Так как металл подвергается травлению под маской, то
необходимо вводить поправку на уменьшение ширины линий в
процессе литографического переноса топологического рисунка
схемы из-за подтравливания металла. С уменьшением планар-
ных размеров и сближения линий компенсация подтравливания
металла становится физически невозможной. Таким образом, не-
обходимо использовать анизотропное травление.
9-3.2. Способы решения проблем металлизации
Проблему покрытия ступенек на поверхности пластины мож-
но решить несколькими способами. Во-первых, повышение тем-
пературы подложки во время осаждения пленки (~ 300 °C)
6-233
ГЛАВА 9
32
приводит к большей поверхностной подвижности молекул осаж-
даемого материала, за счет чего уменьшаются размеры разры-
вов, образующихся в углах ступенек. Другим способом являет-
ся оптимизация ориентации подложек относительно источника
[24, 25]. Проведение оптимизации особенно важно из-за появ-
ления участков геометрической тени в процессе осаждения при
использовании точечных источников, таких, как применяемые
при электронно-лучевом или индукционном нагреве расплава.
С помощью машинного моделирования может быть модернизи-
рована планетарная система подложкодержателя.
Поскольку в большинстве планетарных систем не использу-
ются вращения отдельных подложек вокруг собственных осей,
ориентация подложки является значительным фактором при
решении проблемы создания покрытия на ступеньках [24]. Края
ступенек, параллельные радиальному направлению планетарной
системы, покрываются пленкой симметрично. Ступеньки с края-
ми, перпендикулярными радиальному направлению, имеют тен-
денцию к асимметричному покрытию, при этом в поверхностном
покрытии появляются трещины (рис. 9.12).
Механизм покрытия контактных окон небольшого размера
может отличаться от приведенного выше. Выравнивание поверх-
ности пластин СБИС можно выполнить осаждением межуровне-
вого слоя диэлектрика ионным распылением с приложением
смещения (см. разд. 9.2.4) или с использованием процесса пла-
наризации [26]. Планаризация является низкотемпературным
процессом, при котором сглаживается рельеф поверхности пла-
стины. На диэлектрик наносят толстый слой резиста, и структу-
ру подвергают процессу плазменного травления, характеризу-
ющемуся одинаковой скоростью стравливания диэлектрика и
резиста. Для обеспечения процесса планаризации необходим
промежуточный слой диэлектрика с толщиной, большей обыч-
ной (примерно в два раза). Чтобы вызвать вязкое течение ди-
электрика, должна быть проведена более интенсивная, чем
обычно, термообработка, уменьшающая резкость контуров сту-
пеней. Однако такая термообработка недопустима для СБИС,
в которых имплантированные примеси не должны диффундиро-
вать на большие расстояния. Воспроизведение рельефа кон-
тактных окон остается проблемой даже для планарных поверх-
ностей вследствие того, что при обширном коническом растрав-
ливании окон требуется дополнительная площадь.
Использование источников большей по сравнению с точечны-
ми источниками площади, например магнетрона, устраняет мно-
гие проблемы воспроизведения ступенчатого рельефа. Если под-
ложки расположены относительно далеко от источника (20—
30 см), как при размещении подложек на планетарном держа-
теле, то зависимость количества распыленного металла от на-
МЕТАЛЛИЗАЦИЯ
83
Рис. 9.12. На верхних рисунках представлено реально получаемое, а па иижпих рисунках предска-
занное с помощью машинного моделирования покрытие ступеньки пленкой А1.
а — ступенька перпендикулярна радиальному направлению планетарной системы подложкодержателя; б — ступенька па-
раллельна радиальному направлению подложкодержателя; стрелка указывает на центр планетарной системы [24].
6*
S4
ГЛАВА 9
правления распыления становится более слабой. Ослабление
зависимости происходит вследствие того, что при давлении
~0,5 Па значение длины свободного пробега атомов Аг равно
~ 1 см. Следовательно, плотность молекулярного пучка метал-
ла, попадающего на подложку, размещенную на планетарном
подложкодержателе, во время магнетронного распыления мень-
ше зависит от направления, чем при испарении, однако пар яв-
ляется менее нагретым, поскольку он передает энергию аргону.
Низкая величина энергии осаждаемых частиц приводит к мень-
шему перемещению их по поверхности подложки. Уменьшение
движения частиц может ограничить рост грани и упорядочение
структуры (волокнистая текстура).
Рис. 9.13. Схематическое изображение пленки А1, образующей контакт в ок-
не большого размера (~10ХЮ мкм2). [Отмечены пики А1 (ямки, заполнен-
ные А1) в кремнии и преципитаты кремния.]
Подложки могут быть неподвижно закреплены относительно
близко к источнику или медленно перемещаться перед магнет-
роном, имеющим большую поверхность распыления. Эта бли-
зость к источнику позволяет достичь высокой скорости роста
пленок материала, перенос которого через аргон на порядок
величины меньше. При этом может быть достигнут значитель-
но больший нагрев подложек, что также приводит к улучшению
качества воопроизведения ступенчатого рельефа поверхности.
Получено отношение толщины пленки на боковых поверхностях
ступеньки к толщине пленки на ее поверхности в диапазоне
50—100%- Для контактных окон это отношение зависит от гео-
метрического фактора (отношения глубина/ширина).
Пленки сплавов могут быть осаждены испарением из одного
или нескольких источников. Электронно-лучевое испарение из
источника с составом сплава А1—2% Си, например, приводит
к осаждению пленки состава А1—0,5% Си. Обычно в состав
пленки вводят кремний путем совместного испарения, следова-
тельно, необходимо управление испарением более чем одного
источника. Точность соблюдения состава сплава является кри-
тическим параметром процесса осаждения, поскольку при обыч-
но выполняемом после металлизации отжиге пленок сплавов А1
МЕТАЛЛИЗАЦИЯ
85
при температуре 450 °C может происходить растворение крем-
ния из подложки, если он содержится в сплаве в недостаточном
количестве (рис. 9.13 и 9.14). Осаждение растворенного в А1
кремния происходит при охлаждении на границе с Si в окнах,
если Si содержится в твердом растворе на основе А1 в избытке.
При магнетронном распылении существует возможность исполь-
зования источников в виде сложных сплавов для осаждения
пленок. В некоторых ранних исследованиях было найдено, что
все компоненты сплавов металлов, из которых изготовлены ми-
шени, содержатся приблизительно в тех же концентрациях в
осажденных пленках. Выбор состава сплава может быть непо-
Рис. 9.14. Схематическое изображение алюминиевого контакта СБИС к ок-
ну размером ~ 1,5X1,5 мкм2.
средственно направлен на обеспечение условий получения зер-
кальной, свободной от бугорков поверхности пленки.
Частицы загрязнений, попадающие на поверхность пластин
во время процесса металлизации, могут привести к образова-
нию дефектов ИС. При откачке камеры, в которую помещают
подложки, поток газа может иметь турбулентный характер
[5], в результате чего могут происходить пылеобразование из
частиц загрязнений и осаждение их на подложку. Это явление
может быть сведено к минимуму путем уменьшения скорости
удаления газа во время откачки. При напуске атмосферных га-
зов в рабочую камеру при разгрузке подложек также должны
быть исключены турбулентные потоки. Другим источником пы-
леобразования могут быть отслоения с подвижных элементов
конструкции камеры, на которых содержатся осажденные плен-
ки. Существенным фактором снижения загрязнений являются
очистка системы и сведение к минимуму осаждения пленки на
вращающихся и скользящих поверхностях конструкции уста-
новки.
В технологии СБИС необходимо использование процесса
анизотропного травления. Методы плазменного и реактивного
ионного травления разработаны в достаточной степени, чтобы
использовать их в промышленном масштабе. Другим подходом
при использовании сплавов нетрадиционного состава является
метод «взрывной» металлизации [27, 28]. В методе «взрывной»
86
ГЛАВА 9
металлизации на пластине в процессе литографии формируют
обратный топологический рисунок и осаждают слой металла на
маскированную фоторезистом подложку. Затем истинный топо-
логический рисунок вскрывается путем снятия литографической
маски и ненужных областей металлической пленки (рис. 9.15).
Снятие выполняется с использованием растворов, которые рас-
Слои,
полученный
методом Маски
Слой, полученный методом
распыления
Рис. 9.15. Схема поперечного сечения структуры, полученной методом «взрыв-
ной» металлизации, образованной испарением (а) н распылением (б) метал-
ла. (Показаны элементы с большими теневыми участками при испарении и
подрезанные маскирующие слои, используемые при распылении. Различие
вызвано особенностями покрытия ступенек двумя методами осаждения.)
творяют литографическую маску, поднимая таким образом ме-
таллическое покрытие. Когда металл осаждается через отвер-
стия литографической маски, он попадает непосредственно на
подложку и остается там после удаления остальной металли-
ческой пленки. Если маскирующий слой образован термически
нестабильными металлами, то накладываются ограничения на
температуру подложки во время осаждения пленки, которые
снижают полезные свойства слоя металла. Маскирующий слой
должен также противостоять операции очистки перед осажде-
нием.
Величина рабочего давления и скорость осаждения влияют
на микроструктуру и чистоту осажденной в вакуумной камере
пленки в такой же степени, как и чистота материала источника.
Если в камере создано давление 10-2 Па, то остаточный газ
МЕТАЛЛИЗАЦИЯ
87
(при условии отсутствия натекания воздуха) состоит в основном
из паров воды. Согласно кинетической теории газов,
jV = 6,4-1019(T)'1/2P, (9.27)
где N — интенсивность бомбардировки поверхности пленки мо-
лекулами Н2О (число молекул-см-2-с-1), Т— абсолютная тем-
пература, Р — давление (Па). При Т=300К и Р=10_2 Па N
имеет значительную величину, поскольку она близка к скорости
доставки А1 к поверхности подложки при скорости осаждения
5 нм/с. Пленки А1 обычно содержат менее 50% кислорода (как
правило, ^0,1%), следовательно, вероятность передачи молеку-
лами Н2О атомов О металлической пленке значительно мень-
ше 1. Тем не менее низкая величина давления остаточного га-
за перед началом осаждения приводит к минимальному внед-
рению кислорода в пленку.
Подобно этому перед процессом распыления рабочее давле-
ние должно быть низким. Увеличение содержания Аг вместе с
содержавшимися в нем примесями в среде ионного распыления
повышает содержание примесей в пленках. Выбор типа насоса,
используемого для откачки камеры, и ловушек является важ-
ным фактором снижения загрязнений пленки. Загрязнения па-
рами масла из механического и диффузионного насосов могут
быть сведены к минимуму управлением процессом откачки и
использованием криогенных ловушек. В установках испарения и
распыления часто применяются криогенные гелиевые насосы
замкнутого цикла откачки и турбомолекулярные насосы. Ис-
пользование таких насосов позволяет избежать главным обра-
зом загрязнений парами масла, а также уменьшить стоимость
процесса откачки за счет исключения постоянного использова-
ния жидкого азота в ловушках [5].
Естественно, кремниевые подложки должны быть подвергну-
ты очистке перед помещением в камеру металлизации. Наибо-
лее общие методы очистки включают использование буферных
растворов HF или растворов чистой HF. Эти растворы удаляют
с поверхности кремниевой подложки или слоев поликристал-
лического кремния тонкие остаточные пленки окисла и некото-
рые окислы с поверхности диэлектрика. Поверхностные загряз-
нения, содержащие натрий, удаляются вместе с поверхностны-
ми окислами. После химической очистки для удаления фтори-
дов проводится отмывка в деионизованной воде. Подложки пос-
ле сушки сразу же загружаются в камеру для того, чтобы из-
бежать повторного загрязнения. Тонкая пленка SiO2 (=С2 нм),
образованная при отмывке в деионизованной воде и сушке на
воздухе, не является значительным препятствием для осажде-
ния металлической пленки А1, если отжиг производится при
температуре 300 °C и выше. Это происходит вследствие того,
88
ГЛАВА 9
что А120з имеет относительно высокую энергию образования
(400 ккал/М) по сравнению с SiO2 (205 ккал/М) [29]. Соотно-
шение этих энергий приводит к восстановлению тонкого слоя
SiO2 контактирующим А1.
Качество осаждаемых на установке металлических пленок
должно периодически проверяться путем измерения С—У-ха-
.рактеристик подзатворного окисла SiO2 (который получен в
установке для изготовления чистых окислов). Эти измерения
должны проводиться после чистки системы, установки нового
источника, при сомнительных результатах испытания системы
или после проведения процесса с использованием подложек из
'нетрадиционного материала.
9.4. ОТКАЗЫ, ВЫЗВАННЫЕ МЕТАЛЛИЗАЦИЕЙ
При уменьшении размеров приборов миграция А1 в кремние-
вую подложку в контактных окнах может привести к отказам
функционирования ИС. Эта миграция может происходить при
изготовлении ИС или их последующем функционировании. Кро-
ме того, миграция А1 в контурах металлизации при работе ИС
может явиться причиной отказов, связанных с разрывами в схе-
мах. С появлением СБИС механизмы этих отказов стали пред-
метом интенсивных исследований.
9.4.1. Прокол перехода
Прокол перехода возникает в результате проникновения про-
водящего канала через поверхность раздела р—«-перехода. Хо-
тя проблема проникновения в кремниевую подложку «проколов»
из А1, образование которых вызвано локальным растворением
кремния1’, существует в основном при производстве ИС, она
представляет собой сложную проблему и для СБИС. СБИС
имеют мелкозалегающие переходы (их глубина обычно равна
~0,3 мкм) и контактные окна малой площади. Сочетание та-
ких свойств является определяющим фактором, поскольку крем-
ний, растворяющийся в алюминии, поступает только через об-
ласти контактов с малой площадью, в результате чего увеличи-
вается глубина «проколов» из А1.
Проблема прокола перехода может быть решена путем
осаждения сплава Al с Si. Необходимое количество Si опреде-
]> Точнее говоря, возникновение проколов р—«-переходов связано с ва-
кансноннымн пустотами, образующимися при диффузии кремния в алюми-
нии. Эти пустоты заполняются алюминием, приводя к короткому замыканию
р—«-перехода. — Прим. ред.
МЕТАЛЛИЗАЦИЯ
89
ляется максимальной температурой процесса и фазовой диа-
граммой А1—Si (рис. 9.16). Например, при нагреве подложки
до температуры 450 °C необходимо, чтобы пленка А1 содержа-
ла 0,5 вес. % Si. Однако пленки, используемые на практике, со-
держат несколько больше, чем 1 вес. % Si. Если все контакты
А1 выполнены к областям кремния р+-типа, то этот метод реше-
ния проблемы прокола перехода вполне приемлем. Однако в
случае контакта А1 к кремнию га+-
типа возникает другая проблема.
Поскольку Si содержится в пленке
А1 в избытке, в контактных окнах
происходит некоторая преципита-
ция кремния и образуется выпрям-
ляющий контакт к кремнию и+-ти-
па вследствие того, что выделяю-
щиеся кремниевые преципитаты со-
держат А1 (который является леги-
рующей примесью р-типа) [26].
Другим случаем, отвечающим тре-
бованию содержания Si в пленках
А1, является осаждение пленки на
слой поликристаллического крем-
ния. Поликристаллический крем-
ний может быть легирован для до-
стижения проводимости р+- или
п+-типа во время или после процес-
0 0,5 1,0 1,5
Ат.°/о Si
Рис. 9.16. Часть фазовой диаг-
раммы Al—Si [58].
са его осаждения. Если поликри-
сталлический кремний получен хи-
мическим осаждением из ПГС, то в
окнах формируется конформное
покрытие. Условия растворимости
кремния в алюминии удовлетворяются локально, поскольку в
любой точке под алюминием находится поликристаллический
кремний.
Необходимо создавать такую структуру, которая одинаково
хорошо может работать с контактами п+- и р+-типа. Ориги-
нальная структура, состоящая из нескольких слоев, предложена
в работе [30]. Эта структура показана на рис. 9.17. Дно окна
образовано слоем силицида1’, полученного в результате реак-
ции благородного или близкого к благородным металла с мате-
риалом подложки. На слой силицида нанесен барьерный слой,
который предотвращает взаимодействие верхнего слоя А1 с си-
лицидом. Структура контакта может быть образована одним
слоем, состоящим из псевдосплава благородного и тугоплавкого
0 Этот слой, как правило, является хемоэпитаксиальным, т. е. образую-
щийся силицид ориентированно нарастает на кремний. — Прим. ред.
90
ГЛАВА 9
металлов. При регулировании температуры осаждения и огра-
ничении температуры .процесса только силицид благородного
металла образуется в месте контакта с кремнием, тогда как вы-
ше контакта оставшаяся пленка служит барьером к слою А1.
Сочетание тугоплавкого и благородного металлов в одном слое
делает операцию травления трудновыполнимой, поэтому эффек-
тивным решением проблемы является применение метода «взрыв-
ной» металлизации. В качестве упомянутых составных структур
исследованы системы А1 — 80% Pd 20% W—Si и Al — 10% Pt
Псевдосплав тугоплавкий
металл - благородный
металл
Рис. 9.17. Идеализированное поперечное сечение барьерного контакта к крем-
нию из силицида благородного металла.
90% Сг—Si. Было обнаружено, что эти структуры стабильны
при нормальной температуре отжига контактов 450 °C [30].
Другим методом формирования мелких контактов является
осаждение смеси металлов и кремния, при этом некоторое ко-
личество Si потребляется из контактного окна, хотя не в таких
количествах, как при осаждении чистого металла. Эти струк-
туры используют для создания контактов с барьером Шоттки,
где осаждают пленки Pd—Si и Pt—Si с последующим реакци-
онным образованием контактов из Pd2Si и PtSi [30]. Подобные
мелкие контакты из силицидов должны быть выполнимы с ис-
пользованием других систем силицидов для контактов без
барьера Шоттки к структурам СБИС. Естественно, если суще-
ствует вероятность взаимодействия А1 с силицидом, необходи-
мо создавать барьерный слой к слою силицида.
В качестве барьера можно использовать эпитаксиальный
слой Si в контактных окнах. Один из способов его формирова-
ния заключается в применении низкотемпературного процесса
молекулярно-лучевой эпитаксии и выращивании кремниевой пе-
ремычки в окне. Эта перемычка отделит поверхность раздела
контакта от поверхности перехода и облегчит покрытие ступе-
нек окна пленкой металла. Другой способ состоит в использо-
вании процесса твердофазной эпитаксии, при котором восходя-
щая диффузия слоя силицида (TiSi2) [31] приводит к пере-
кристаллизации защитного слоя поликристаллического кремния
МЕТАЛЛИЗАЦИЯ
91
с образованием эпитаксиальной кристаллической перемычки.
В результате алюминиевый контакт отделяется от поверхности
перехода.
При получении стабильных контактов к СБИС существен-
ным фактором могут быть диффузионные барьеры. В преды-
дущем разделе была рассмотрена структура с барьерным слоем
(тугоплавкий металл) на слое силицида. Такие барьерные слои
в основном имеют поликристаллическое строение, и, следова-
тельно, их диффузионные характеристики отличны от характе-
ристик объемного материала при низких температурах. Для
предотвращения быстрой диффузии материала по границам зе-
рен необходимо пассивирование границ зерен путем введения
примесей в пленки. Например, свойства пленок Мо или Ti—W
могут быть улучшены введением О или N до концентрации
10-3 вес. % или меньше. Это примеры «заполняющих барье-
ров», поскольку они препятствуют диффузии вдоль границ зе-
рен [32].
Пассивные соединения, такие, как нитриды, также можно
использовать в качестве барьера, так как они могут быть осаж-
дены методом реактивного ионного распыления с использова-
нием металлических мишеней. Однако из-за возможного взаи-
модействия между А1 и TiN при температуре ~ 500 °C необхо-
димо наличие какого-либо слоя (например Ti) между нитридом
и А1, если применяется высокотемпературная обработка [33].
Для взаимодействия с А1 и образования Al3Ti необходимо до-
статочное количество Ti, иначе А1 проникает через слой TiN
и будет реагировать с кремниевой подложкой. Для структур,
которые должны быть нагреты до температуры 450 °C, исполь-
зуют преимущественно Та, который также образует нитрид —
TaN. Обнаружено, что структуры с металлическим Та между
А1 и TaN превосходят структуры на основе Ti [33]. Использо-
вание одного и того же металла для получения слоев нитрида
и металла является более рациональным, так как эти слои мо-
гут быть осаждены последовательно.
Тугоплавкие металлы мож:но осаждать непосредственно на
кремний, вскрытый в окнах. Та реагирует с Si только при тем-
пературе выше 600 °C и образует соединение с А1 (А13Та) при
температуре выше 450 °C. При обеспечении достаточного коли-
чества осажденного Та образование проколов из А1 должно
быть предотвращено. Полученная методом ионного распыления
пленка Ti—W (10—90 вес. %) была исследована в качестве
барьерного слоя между А1 и Si и между А1 и Pt—Si [34]. Кон-
такты оставались стабильными после нагрева до температуры
550 °C. Использование слоя Ti—W под А1 вызывает увеличение
Удельного сопротивления пленки А1 на 10% из-за диффузии Ti
или W в слой А1 [34].
92
ГЛАВА 9
9.4.2. Электромиграция
Одним из основных факторов, снижающих надежность ИС,
является процесс электромиграции в слое металлизации. Элек-
тромиграция представляет собой массоперенос проводящего ма-
териала. Он происходит путем передачи импульса от электро-
нов, движущихся под влиянием электрического поля, приложен-
Рис. 9.18. Микрофотография разрушения вследствие электромиграции, полу-
ченная с помощью метода растровой электронной микроскопии: а — пленка,
состава А1 — 0,5 вес. % Си, осажденная методом магнетронного распыления
с использованием S-пушки; б — пленка состава А1—О, 5 вес. % Си, полу-
ченная методом испарения из источника с индукционным нагревом [36].
ного к проводнику, к положительным ионам металла [35]. Сле-
довательно, после разрушения проводника в нем обнаружива-
ются пора или разрыв и расположенный рядом бугорок или
другое накопление материала в направлении к положительному
электроду (рис. 9.18, 9.19) [36].
На рис. 9.18 приведены микрофотографии, сделанные мето-
дом растровой электронной микроскопии, на которых видны
разрушения металлических дорожек сплава А1 — 0,5 вес. % Си,
полученного методом магнетронного распыления с использова-
нием S-пушки (рис. 9.18, а), и сплава А1 — 0,5 вес. % Си, осаж-
денного при испарении из источника с индукционным нагревом
(рис. 9.18,6). В обоих случаях очевидно расплавление металла,
но на микрофотографии рис. 9.18,6 ясно видны бугорки, обра-
зованные в направлении потока электронов. На рис. 9.19 при-
МЕТАЛЛИЗАЦИЯ
9S
ведена микрофотография, иллюстрирующая разрушение дорож-
ки А1, полученной методом электронно-лучевого испарения на
дорожках поликристаллического кремния. На рис. 9.19, а видны
следы катастрофического плавления и образования шарика AL
Рис. 9.19, б представляет собой микрофотографию этой же об-
ласти после стравливания А1, которое произведено для того,
чтобы показать дорожки поликристаллического кремния и крем-
Рис. 9.19. Микрофотография разрушения пленки А1 вследствие электромигра-
ции, полученная методом растровой электронной микроскопии: а — металли-
ческие дорожки на поликристаллическом кремнии; б — та же область после-
стравливания А1 [36].
ниевые преципитаты. Стрелки указывают направление потока
электронов.
Сопротивление электромиграции проводящих пленок А1 мо-
жет быть увеличено несколькими способами. Эти способы вклю-
чают легирование медью, введение дискретных слоев, таких, как
Ti, помещение проводника в диэлектрик или введение кислоро-
да в пленку при ее осаждении [37]. Среднее время наработки
на отказ (ВНО) проводника может быть связано с плотностью
тока в проводнике J и энергией активации Q соотношением
BHO = /(J-2exp[Q/^T]), (9.28}
для величин плотности тока 105 J2 • 106 А/см2. Эксперимен-
тально получена величина Q~0,5 эВ и показано, что основным
механизмом переноса материала служит низкотемпературная
диффузия по границам зерен, тогда как Qtst 1,4 эВ, вероятно,
является признаком самодиффузии А1 в объемный кристалличе-
ский материал. Опытным путем определена также связь ВНО
с размером зерен в пленке металла, распределением зерен и
степенью образования волокнистой текстуры ((111>) в провод-
нике. На рис. 9.20 показана зависимость времени выработки на
94
ГЛАВА 9
отказ 50% проводников (t5o% ) от двух параметров [36]. Од-
ним параметром является средний размер зерен s, а другим —
(s/cr2) Xlogl[I(in)/I(2oo)]3, где о2 — мера распределения размеров
зерен, Хеш) — интенсивность отражения в направлении (111),
а 1(2оо> — интенсивность отражения в направлении <200), полу-
ченные из рентгеновских дифрактометрических измерений пле-
Рис. 9.20. Зависимость £so% от среднего размера зерен в пленке АГ—
0,5 вес. % Си (обозначена треугольниками) и от эмпирического параметра
(обозначена кружочками) [36].
нок. Последний параметр сильно зависит от метода осаждения
пленки. Из рис. 9.21 можно видеть, что пленки, полученные ме-
тодом электронно-лучевого испарения, имеют наибольшую вели-
чину среднего времени наработки на отказ по сравнению с тем
же параметром для пленок, изготовленных методом испарения
из источника с индукционным нагревом и магнетронного распы-
ления с использованием S-пушки. Меньшая величина ВНО объ-
ясняется содержанием 2 вес. % Si в пленках или меньшей по-
верхностной подвижностью атомов металла во время распыле-
ния, когда подложки расположены на расстоянии от источника,
во много раз превышающем длину свободного пробега молекул
пара (см. разд. 9.1.4). Структуры, полученные методом распы-
ления, должны отличаться от структур, сформированных мето-
дом испарения, где пар распространяется по прямолинейным
траекториям к подложкам и фактически не теряет энергии при
перемещении. Большое значение для изготовления СБИС имеет
МЕТАЛЛИЗАЦИЯ
95
установление факта увеличения значения ВНО для пленок А1 —
0,5% Си, полученных методом электронно-лучевого испарения
при уменьшении ширины линий (менее 2 мкм) (рис. 9.21) [36].
Это явление связано с тем, что при значительном сокращении
ширины линий металлические дорожки состоят из монокристал-
лических сегментов.
Были сделаны попытки устранения проколов р—и-перехода
путем объединения пленок А1 с поликристаллическим кремнием
Рис. 9.21. Зависимость /во % проводника от ширины дорожки сплавов А[.
осажденных тремя различными методами [36].
и+-типа проводимости. Слой поликристаллического кремния
предназначен для выполнения двух функций: обеспечения крем-
нием, удовлетворяющим требованиям растворимости в А1, и со-
здания конформного проводящего слоя под пленкой А1 на сту-
пеньках. Если первая функция была реализована, то вторая вы-
полнена неполностью. Обнаружено, что Si перемещается по гра-
ницам зерен, и отказы из-за электромиграции происходят в ос-
новном на ступеньках, где слой А1 тоньше |[38]. За потерей не-
прерывности металлической пленки вследствие электромиграции
кремния, приводящей к локальному нагреву и расплавлению
пленки, немедленно следует отказ (рис. 9.19).
Отметим также, что только при использовании сплава А1 —
(1—3%) Si нет необходимости в защите переходов от проколов
,[39]. В подвергаемой испытаниям схеме, локально функциони-
96
ГЛАВА 9
рующей при температуре ниже 250 °C, будут происходить элект-
ромиграция Si в металлическом слое и образование ямок на от-
рицательном электроде, тогда как на положительном электроде
будет осаждаться Si(p+). Вероятно, использование слоев туго-
плавких металлов, расположенных между А1 и лежащим под
ним поликристаллическим кремнием, выполнит задачу изоляции
взаимодействующих слоев и, кроме того, обеспечит шунтирова-
ние, если дефекты пленки А1 приведут к разрыву металлизации.
9.5. СИЛИЦИДЫ ДЛЯ ЗАТВОРОВ
ИЛИ МЕЖКОМПОНЕНТНЫХ СОЕДИНЕНИЙ
9.5.1. Требования, предъявляемые к материалу
Основными требованиями к материалу для затворов и меж-
компонентных соединений являются величина удельного сопро-
тивления пленки р=^60 мкОм-см, стабильность на последующих
Рис. 9.22. Зависимость постоянной времени /?С-цепочки, отнесенной к длине
проводящего материала, и времени задержки, отнесенного к каскаду коль-
цевого генератора, от размера элементов [47].
стадиях процесса и надежность. В качестве материала для элек-
тродов затвора полевых МОП-приборов предложены и исполь-
зуются такие тугоплавкие металлы, как W и Мо и силициды
TiSi2, WSij, MoSi2 и TaSi2, а также их сочетания с легированным
поликристаллическим кремнием [40—46]. Упомянутые силици-
ды стабильны в контакте с поликристаллическим кремнием. Как
будет показано ниже, присутствие поликристаллического крем-
МЕТАЛЛИЗАЦИЯ
97
ния помогает стабилизировать структуры силицидов в окисли-
тельных средах. Что касается металлов (особенно W и Мо), то
при осаждении непосредственно на окисел затвора они являются
нестабильными в окислительных средах.
Требование к высокой проводимости материалов затвора и
межкомпонентных соединений связано с тем, что уменьшение
Суммарная подводимая мощность t Вт
Рис. 9.23. Зависимость скорости магнетронного осаждения с использованием
S-пушки от подводимой мощности для Та и Si. (На анод подано напряже-
ние смещения -|-40 В относительно земли.)
времени задержки 7?С-цепочки является одним из основных ус-
ловий нормальной работы СБИС или быстродействующих схем
,[47]. На рис. 9.22 приведена зависимость времени задержки на
единицу длины проводящего материала от ширины линий для
поликристаллического кремния (30 Ом/D), TaSi2 (1,25 Ом/D)
и А1 (0,025 Ом/D). Толщина проводящих слоев, расположенных
между двумя слоями SiOs толщиной 1,5 мкм, равна 1 мкм. На
основании данных, представленных на рис. 9.22, можно сделать
вывод о том, что для максимальной удовлетворительной величи-
ны времени задержки проводник может быть более чем на по-
рядок величины длиннее при использовании силицида вместо
поликристаллического кремния. Естественно, можно соединить
короткие проводники из поликристаллического кремния допол-
нительным слоем металла, но повышение сложности и стоимо-
сти процесса металлизации делает его менее привлекательным
по сравнению с использованием проводящего слоя одного
уровня.
7—233
98
ГЛАВА 9
9.5.2. Методы осаждения
Силициды могут быть получены несколькими способами. Од-
ним из способов является отжиг пленки металла, нанесенной на
поликристаллический кремний. Пленки силицидов могут быть
сформированы совместным осаждением на окисле или поликри-
сталличеоком кремнии 1) методом распыления [42] или испаре-
ния [44] одновременно из двух источников металла и кремния;
2) распылением из одного источника, такого, как составная или
Металл Кремний
Рнс. 9.24. Схематический вид магнетронов и планетарной системы для
совместного осаждения.
спеченная мишень; 3) химическим осаждением силицида из
ПГС с термической или плазменной обработкой. Наиболее ши-
роко используемым методом являются магнетронное распыление
и электронно-лучевое испарение. Совместное осажйение в обоих
процессах позволяет управлять отношением атомов металла к
атомам кремния в осаждаемом слое. На рис. 9.23 в качестве
примера приведены скорости осаждения Та и Si в системе, снаб-
женной планетарным подложкодержателем с радиусом 45 см и
магнетронами типа S-пушки. На рис. 9.24 показано симметрич-
ное расположение источников для совместного осаждения. Бла-
годаря стабильности источников совместное осаждение может
быть выполнено путем содержания источников в определенных
условиях рассеяния энергии. Электронно-лучевое испарение мо-
жет быть проведено аналогичным образом с использованием
двух независимых источников. Однако в промышленных мас-
штабах совместное испарение используется реже, чем совмест-
ное распыление, вследствие большей трудности поддержания
необходимого соотношения компонентов соединения.
9.5.3. Свойства пленок силицидов
В табл. 9.2 приведены значения удельного сопротивления
различных силицидов на поликристаллическом кремнии и+-ти-
па при комнатной температуре [48]. Минимальным удельным
сопротивлением обладает TiSia, полученный отжигом металли-
МЕТАЛЛИЗАЦИЯ
99
Таблица 9.2. Значение удельного сопротивления силицидов (300 К)
Материал Характеристика пленки Удельное сопротив- ление, мкОм-см
TiSi2 Металл/полнкристаллическнй ннй крем- 13—16
Пленка, полученная совместным рас- пылением 25
ZrSiz Металл/полнкристаллический НИН крем- 35-40
HfSi2 Металл/поликристаллический НИЙ крем- 45—50
TaSiz Металл/поликристаллический ннй крем- 35-45
Пленка, полученная совместным рас- пылением 50-55
MoSiz Пленка, полученная совместным рас- пылением 100
WSiz Пленка, полученная совместным рас- пылением 70
CoSfe Металл/поликристаллический НИЙ крем- 17-20
Пленка, полученная совместным рас- пылением 25
NiSiz Металл/поликристаллнческий ннй крем- 50
Пленка, полученная совместным рас- пылением 50-60
PtSiz Металл/полнкристаллический ннй крем- 28-35
PdzSi Металл/поликристаллический ннй крем- 30-35
ческого слоя, нанесенного на слой поликристаллического крем-
ния. Эта величина удельного сопротивления в 1,5—2 раза ни-
же удельного сопротивления слоя TiSia, сформированного мето-
дом совместного распыления. По-видимому, эта разница объ-
ясняется тем, что подвижность электронов выше у силицида,
образованного отжигом металлической пленки, из-за большего
размера кристаллов силицида, получаемых этим методом. На
рис. 9.25 показано, что коэффициент отражения поверхности си-
лицида, образованного при реакции металла с поликристалличе-
ским кремнием, довольно низок. Применение таких пленок со-
здает трудности при проведении операции фотолитографии и мо-
жет даже нарушить работу установок автоматического совме-
7*
100
ГЛАВА 9
щения. В противоположность этому коэффициент отражения
пленок, полученных методом совместного распыления, значи-
тельно ближе к коэффициенту отражения металла, и пленка
только копирует лежащую под ней поверхность поликристалли-
ческого кремния. Однако применимость силицида определяется
не только удельным сопротивлением и коэффициентом отраже-
ния пленок. Важным параметром является стабильность плен-
ки необходимого фазового состава. Например, существование
700
Металл на SiO2
Отожженная пленка Та
на попикристалличес-^
ком кремнии
тоюкенная пленка ТаЫ2
на поликристаллическом
кремнии (метод совместного
распыления)
0 г------- -L--------1-----1______I______I_____1_
200 300 400 500 600 700 800 300
Длина волны, нм
Рис. 9.25. Зависимость коэффициента отражения поверхности от длины
волны.
эвтектики ограничивает максимальную температуру силицида в
контакте с Si. Так, применение Pd2Si ограничено температурой
до 700 °C, PtSi — до 800 °C, NiSi2— до 900 °C. Другие из приве-
денных в табл. 9.2 силицидов стабильны до температуры 1000 °C.
Существенную роль играет также стабильность в окислитель-
ной среде.
Важным параметром является напряжение в пленках сили-
цидов на кремниевой пластине вследствие его значительной
величины. В первом приближении источником растягивающих
напряжений в слоях силицидов, полученных отжигом, является
несоответствие кристаллических решеток металла и кремния
при их объединении с образованием силицида. Однако измере-
ния температурных зависимостей напряжений показали, что
растягивающие напряжения в пленках TaSi2 уменьшаются с
увеличением температуры и что коэффициент теплового расши-
МЕТАЛЛИЗАЦИЯ
101
рения TaSi2 равен ~9-10~6 °C-1, тогда как этот коэффициент
для кремния составляет 3-10"6 °C-1 [49]. Основная часть на-
пряжений при комнатной температуре возникает благодаря раз-
личию в коэффициентах теплового расширения и вследствие от-
носительно высокой температуры образования силицида посред-
ством отжига. Уровень напряжений в пленках силицидов мо-
Рис. 9.26. Внутреннее напряжение и поверхностное сопротивление пленки
Ta'Si2 на поликристаллическом кремнии при комнатной температуре на раз-
личных стадиях процесса.
жет быть уменьшен, если пленки формировать при низкой тем-
пературе с использованием других источников энергии.
На рис. 9.26 показана величина напряжений (при комнат-
ной температуре) пленки TaSi2 толщиной 250 нм, полученной
совместным распылением, для различных стадий изготовления
МОП-приборов. Если бы величина напряжений была заметно
выше 2-Ю5 Н/см2, это привело бы к ненадежной адгезии и огра-
ничению полезной толщины пленки. Отсюда следует необходи-
мость совместимости слоя силицида с последующими стадиями
процесса. На этом же рисунке показано изменение поверхност-
ного сопротивления (при комнатной температуре) того же об-
разца, измеренного четырехзондовым методом. Силицид может
подвергаться воздействию таких химических соединений, как
растворы NH4F/HF. Таким образом, преимуществом TiSi2 явля-
102
ГЛАВА 9
ется низкая величина удельного сопротивления, а недостат-
ком— чувствительность к воздействию растворов HF.
Характерным параметром является также работа выхода Фм
материала электрода МОГЬприбора, определяемая путем на-
хождения Фмз (Фмз — Рм—0si, где 0Si~4,35 В0). Величину
Фмз получают путем проведения серии измерений емкости на
Рис. 9.27. Зависимость напряжения плоской зоны от толщины окисла для
трех электродов [47].
окислах различной толщины и построения зависимости напря-
жения Vfb плоских зон от толщины окисла:
^B=^s-(Qf+Qm+Q0()/C, (9.29)
где Qf — фиксированный (неподвижный) заряд на единице
площади, Qm— подвижный заряд на единице площади (напри-
мер, Na+), Qot — связанный заряд на единице площади в окисле
и С — емкость. Для того чтобы параметры второго члена урав-
нения (9.29) были одинаковыми для всех конденсаторов, выра-
щивают толстый слой окисла и селективно вытравливают его
Для удобства вместо параметра «работа выхода», имеющего размер-
ность электрон-вольт, здесь использована приведенная величина, равная от-
ношению работы выхода к заряду электрона, которая имеет размерность
вольт. — Прим перев.
МЕТАЛЛИЗАЦИЯ
103
для получения разной толщины (не менее четырех значений) ди-
электрика на одной подложке. Используя такую структуру ди-
электрика, можно провести четыре или более измерений на од-
ной подложке. На рис. 9.27 приведены полученные таким спо-
собом зависимости от толщины окисла для структур TiSij/
/поликристаллический п+-кремний; Та512/поликристаллический
л+-кремний и Al/поликристаллический и+-«кремний '[47]. Значе-
Та Si2 /поликристаллический
п+-кремний /siO2 / Si()00) p-типа
-8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8
Смещение, в
Рис. 9.28. С — V-характернстики тестового конденсатора, выполненного на
пластине с окончательно сформированным прибором [47].
ния Фм для двух силицидов равны 3,3±0,05 В и очень близки к
величине Фм структуры Al/поликристаллический п+-кремний,
равной 3,25 В. Если бы значения Фм для силицидов отличались
от стандартных величин Фм для структуры А1/поликристалличе-
ский п+-кремний, то необходимо было бы внести изменения в
последовательность процесса (например, проведение импланта-
ции для регулирования порогового напряжения) для включения
в структуру затвора силицидов и получения требуемых пара-
метров прибора.
Тестовые конденсаторы должны быть также подвергнуты ис-
пытаниям путем приложения смещения при определенной тем-
пературе. Поскольку содержание примесей во многих металлах,
используемых для образования силицидов, больше, чем в по-
ликристаллическом кремнии, необходимо измерить величину по-
движного и связанного зарядов. Эти испытания обычно выпол-
няют, изготовив тестовые конденсаторы и подвергнув их полно-
му циклу технологических операций. На рис. 9.28 приведены
С—V-характеристики такого тестового конденсатора [47].
104
ГЛАВА 9
В денном случае электрод затвора на основе структуры TaSi2/
/поликристаллический п+-кремний сформирован на окисле тол-
щиной 52,6 нм. Испытания, состоящие в приложении смещения
.величиной + 10 В при температуре 250 °C, которое не приводит
к инверсии С—V-характеристики, показывают отсутствие за-
грязнений, т. е. Qm. На основании С—У-характеристик опреде-
лена также величина неподвижного заряда Q/ = 2-1010 см-2, ко-
торая является приемлемой.
Рис. 9.29. Микрофотографии разрушения адгезии пленок WSi и WSi2, осаж-
денных совместным распылением на окисленный кремний. (Получено с ис-
пользованием метода растровой электронной микроскопии.) [47].
Тугоплавкие металлы подвергаются окислению при более
низких температурах, чем их силициды. Образование летучих
окислов, как это происходит с W или Мо, может привести к
разрушению пленки. На рис. 9.29 показаны пленки WSi и WSi2,
осажденные методом совместного распыления непосредственно
на окисел после отжига на воздухе при температуре 1000 °C.
Однако при наличии расположенного под силицидом слоя поли-
кристаллического кремния окисление структуры WSi2/noflHKpH-
сталлический кремний происходит путем диффузии Si к поверх-
ности силицида с образованием SiO2. За счет этой диффузии
слой силицида остается неповрежденным до тех пор, пока не
израсходуется весь поликристаллический кремний. Такой же
процесс наблюдается для структур Та512/поликристаллический
кремний, что подтверждается изменением удельного сопротив-
ления этого слоя при окислении в парах воды {50]. Внутренние
напряжения в пленке TaSi2 не изменились до тех пор, пока не
израсходовался весь поликристаллический кремний. Можно
МЕТАЛЛИЗАЦИЯ
105
было ожидать, что слой SiO2, образованный при окислении
структур силицид/поликристаллический кремний, незначительно
отличается от окисла на поликристаллическом кремнии. Это
предложение получило практическое подтверждение для струк-
тур Та312/поликристаллический п+-кремний {50] и WSi2/nonH-
кристаллический п+-кремний ![44]. Для структур, содержащих
больше одного слоя силицид/поликристаллический п+-кремний,
изоляция окислом должна быть аналогична изоляции много-
слойных структур поликристаллического кремния.
9.5.4. Характеристики приборов
В различных комплементарных и n-канальных МОП-схемаХ
в качестве материала затвора чаще используют тугоплавкие ма-
териалы, а не поликристаллический кремний. Единственное раз-
личие обнаружено между комплементарными МОП-транзисто-
рами, работающими в режиме обогащения, с затвором на осно-
ве структуры ТаЗЬ/поликристаллический п+-кремний и с затво-
ром из поликристаллического п+-кремния, где пороговое напря-
жение отличается на 0,3 В для п- и р-канальных приборов ,[51],
Нанесение пленки MoSi2 непосредственно на окисел затвора ве-
дет к разнице работы выхода на 0,5 В по сравнению с тем же
параметром в приборе с затвором из поликристаллического
п+-кремния '[52]. Было обнаружено увеличение операционного
быстродействия схем с высокопроводящими затворами как для
приборов на основе обычных кремниевых структур, так и для
приборов на основе структур кремний на сапфире [53]. Дока-
зана совместимость указанных структур с существующими ста-
диями процесса металлизации. Для уменьшения поверхностного
сопротивления материала затворов и межкомпонентных соеди-
нений (<3 Ом/П) следует использовать структуры силицид/по-
ликристаллический кремний.
Рассмотрим тенденции развития технологии приборов. Ис-
пользование мелких переходов глубиной ~0,1 мкм (например,
областей истока и стока) обусловливает применение проводящей
пленки для уменьшения поверхностного сопротивления, равного
~ 100 Ом/П, на порядок величины. Метод, удовлетворяющий
требованию уменьшения поверхностного сопротивления, проде-
монстрирован на примере МОП-структуры, в которой исполь-
зованы контакты с барьером Шоттки из PtSi в областях истока
и стока [54]. Применение материалов, отличных от PtSi, и вы-
соколегированных областей в подложке приведет к образова-
нию контактов (без барьера Шоттки), обладающих низким со-
противлением. Для схем с мелкими переходами требуются более
низкотемпературные операции и специальные материалы. Воз-
можно также использование других тугоплавких материалов,
106
ГЛАВА 9
поскольку, например, удельное сопротивление TiB2 составляет
величину ~10 мкОм-см [55].
При введении слоя силицида в структуру затворов и меж-
компонентных соединений возникает также проблема стабиль-
ности основного контакта металлизации (А1) к силициду. Наи-
более важными являются взаимодействия, происходящие во
время отжига А1 (450 °C для электронно-лучевого испарения и
300°C для осаждения А1 без ионизирующего излучения). Алю-
миний, по-видимому, может проходить сквозь пленку TaSi2,2
при нагреве до температуры 500 °C в течение 60 мин. Это
происходит благодаря преципитации избытка кремния в пленке
TaSi2,2, где кремний действует в качестве растворимого дефек-
та, размыкающего слой под А1. Однако это нарушение контакта
А1—TaSi2 не приводит к отказу прибора, если проведен отжиг
при температуре 450 °C в течение 30 мин. В структурах п-ка-
нальных МОП-приборов не происходит взаимодействия между
А1 и TaSia, когда отжиг проводится при температуре 450 °C,
если под алюминием на контактных окнах осажден слой поли-
кристаллического п+-кремния. Обнаружено, что А1 взаимодей-
ствует с PtSi, PdaSi, CoSia и MoSia и затем проникает в крем-
ниевую подложку при температуре отжига в диапазоне 200—
550 °C.
9.6. КОРРОЗИЯ И ОБРАЗОВАНИЕ СОЕДИНЕНИЙ
После того как структура прибора окончательно сформиро-
вана, на последний металлический слой должна быть нанесе-
на пассивирующая пленка. Внешние выводы кристалла присо-
единяют к слою металлизации через окна, вытравленные в пас-
сивирующей пленке. В качестве пассивирующих пленок могут
быть использованы слои низкотемпературного фосфорно-сили-
катного стекла, слои диэлектриков (оКислы или нитриды), по-
лученных методом химического осаждения из ПГС в плазме,
а также слои, сформированные центрифугированием из стекло-
содержащей суспензии или из кремнийорганических соединений
с последующей термической обработкой. Как правило, пассиви-
рующая пленка предохраняет металлизацию от механических
повреждений перед разводкой в корпусе.
Для выполнения разводки в корпусе может применяться про-
волока из сплава А1—1% Si или Au. При соединении проволо-
кой из сплава А1 может произойти ее разрушение непосредст-
венно в месте контакта из-за уменьшения толщины проволоки
или даже разрыва. Соединение золотой проволокой выполняет-
ся с меньшими затруднениями благодаря ее пластичности, од-
нако при этом могут формироваться интерметаллические со-
единения, ослабляющие структуру контакта. Признаком образо-
вания интерметаллического соединения является появление так
МЕТАЛЛИЗАЦИЯ
107
называемой пурпурной чумы — соединения АиА12 [56]. Для
предотвращения образования интерметаллических соединений
следует строго соблюдать время, в течение которого Au и сплав
А1 находятся в контакте при высокой температуре.
Металлизация значительно корродирует в среде с высоким
содержанием влаги [57]. Для исключения коррозии применяют
герметичные корпусы. Если металлические структуры не герме-
тизированы, то такие компоненты, как хлорсодержащие соеди-
нения, которые могут оставаться после плазменного или реак-
тивного ионного травления, реагируют с А1 в присутствии вла-
ги даже без приложения электрического поля:
Al + ЗНС1 -> А1С1а + 3/2Н2, (9.30)
А1С13 + ЗН2О -> А1(ОН)3 + ЗНС1. (9.31)
Отметим, что С1 не связывается после образования А1(ОН)з,
что приводит к дальнейшему протеканию реакций с незащищен-
ным алюминием. Проблема коррозии ИС осложняется в случае
близкого расположения металлических дорожек друг к другу и
особенно при приложении к ним электрического поля, что име-
ет место в СБИС. При проведении большинства процессов: су-
хого травления обычно осуществляется пассивирование посред-
ством удаления остаточного хлора. Этот остаточный хлор может
быть удален обработкой пластин в плазме CF4—О2 или О2 сра-
зу же после операции травления перед контактом пластин с ат-
мосферой. Дальнейшая стабилизация слоя металлизации дости-
гается путем термического окисления металла [57]. Избыток Р
в фоофорно-силикатном стекле может привести к образованию
НРОз на поверхности диэлектрика, которая в свою очередь мо-
жет взаимодействовать с металлизацией алюминиевого сплава.
Поддержание максимального содержания Р в диэлектрике на
уровне 6% сводит к минимуму влияние этого источника корро-
зии. При наличии коррозионных сред, когда реагенты коррозии
присутствуют в атмосфере, необходимо проводить операций не
только очистки, но и пассивирования и герметизации.
9.7. ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ МЕТАЛЛИЗАЦИИ
Для поддержания приемлемого соотношения между разме-
рами кристалла СБИС и выходом годных схем необходимо вы-
полнение многоуровневой металлизации. Создание вертикаль-
ной структуры в объеме кремниевой подложки может быть осу-
ществлено путем наращивания эпитаксиального слоя Кремния
на слоях силицидов с высокой электропроводностью. Эти скрьъ
тые слои с высокой электропроводностью могут использоваться
вместо дополнительных металлических слоев над поверхностью
подложки. Внедрение низкотемпературных процессов может
привести к использованию новых материалов (материалов, ко-
108
ГЛАВА 9
торые термодинамически нестабильны в применяемых в на-
стоящее время процессах), таких, как PtSi. Основным препятст-
вием к внедрению низкотемпературных процессов на всех опе-
рациях является необходимость высокотемпературной обработ-
ки для геттерирования примесей на конечных стадиях процесса
изготовления СБИС. Уменьшения температур технологических
операций можно достичь, если использовать процессы фотохи-
мического осаждения.
Понвидимому, будет расширяться применение термических
процессов химического осаждения из ПГС, поскольку для по-
крытия ступенек на поверхности пластин металлом наиболее
^Приемлема конформная пленка. Другой возможностью решения
«роблемы покрытия ступенек в контактных окнах являются раз-
работка и совершенствование технологии проводящих перемы-
чек. В технологии СБИС с металлизацией связано много прак-
тических проблем, и в обозримом будущем металлизация оста-
нется активной областью внедрения новых материалов и процес-
сов.
ЗАДАЧИ
1. Каково содержание кислорода в пленках А1, осаждаемых
со скоростью 5 нм/с, если давление остаточных паров воды в
камере испарения А1 при температуре 300 К равно 5-Ю-5 Па?
Предположите, что реакция А1 с парами воды приводит к внед-
рению AI2O3 в осаждаемую пленку, а вероятность вступления в
реакцию каждой молекулы воды составляет 10-3.
2. Предположите, что нельзя проводить совместное осажде-
ние А1 и Si с сохранением постоянного состава по всей толщи-
не пленки. Однако могут быть осаждены индивидуальные дис-
кретные пленки с точным соблюдением их толщины. На крем-
ниевом контакте должна быть осаждена двухслойная структу-
ра, состоящая из слоя А1 толщиной 1 мкм на слое Si. Пленка
А1—Si должна быть стабильной, для того чтобы отжиг при
температуре 450 °C не приводил к взаимодействию с подложкой.
Определите при условии равновесия необходимую толщину
пленки Si.
3. Импульсный ток плотностью 103 А/см2 должен проходить
через омический контакт силицид — полупроводник (0В~О,4 В)
в эмиссионном диапазоне (слаболегированный полупроводник).
Какова величина падения напряжения на контакте?
4. Для выполнения металлизации необходим алюминиевый
проводник, стойкий к электромиграции, с помощью которого
должен быть выполнен контакт через окна малого диаметра
(~1,25 мкм). Предложите метод осаждения металлической
пленки. Обоснуйте выбор метода.
5. Тестовый конденсатор на основе МОП-структуры выпол-
МЕТАЛЛИЗАЦИЯ
109
нен осаждением алюминия методом электронно-лучевого испа-
рения на окисленную пластину кремния и формированием ри-
сунка в металлической пленке. Напряжение плоской зоны кон-
денсатора смещено на 1 В относительно величины, измеренной
перед проведением термообработки в водороде при температу-
ре 450 °C. Каковы причины смещения напряжения [см. урав-
нение (9.29)]? Какие меры можно предпринять, если А1 сильно
проникает в кремний при 450 °C?
6. Какой заряд соответствует смещению напряжения для
условий, приведенных в предыдущей задаче, если конденсатор
сформирован на окисле толщиной 100 нм? Как смещение мо-
жет быть связано с изменениями в окисле, введенными радиа-
цией?
7. Согласно конструктивным требованиям, максимально до-
пустимая плотность тока, протекающего через проводник длиной
1 мм, шириной 1 мкм и толщиной 0,5 мкм, равна 5-Ю5 А/см2.
Предположите, что 10% длины проводника расположено на сту-
пеньках, где его толщина составляет 50% номинальной толщи-
ны металлической пленки. Каково максимальное напряжение,
которое может быть приложено к проводнику, если его поверх-
ностное сопротивление равно 5,6-10-2 Ом/D? Возможное сни-
жение надежности прибора из-за уменьшения толщины провод-
ника на ступеньках не принимайте во внимание.
8. Используя различные параметры алюминиевой пленки, ко-
торые оказывают влияние на сопротивление электромиграции
алюминиевых проводников, предложите метод осаждения пле-
нок А1, позволяющий достичь максимального срока службы
проводника. С помощью каких методов могут быть испытаны
такие пленки?
ЛИТЕРАТУРА
1. Vossen J. L., Ed., Bibliography on Metallization Materials and Techniques
for Silicon Devices, Thin Film Division, American Vacuum Society, New
York, 1974—1982.
2. Lepselter M. P., Beam Lead Technology, Proc. Second Simposium on the
Deposition of Thin Films by Sputtering, University of Rochester, June 1967,
p. 48.
3. Ryden W. D., Labuda E. F., A Metallization Providing Two Levels of Inter-
connect for Beam-Leaded Silicon Integrated Circuits, IEEE I. Solid-State
Circuits, SC—12, 376 (1977).
4. Sze S. M., Physics of Semiconductor Devices, 2d ed., Wiley, New York, 1981,
p. 304.
S. Hanlon J. F., A User’s Guide to Vacuum Technology, Wiley, New York, 1880.
6. Grove A. S., Physics and Technology of Semiconductor Devices, Wiley, New
York, 1967.
7. Glang R., Vacuum Evaporation, L. I. Maissel, R. Glang, Eds., Handbook of
Thin Film Technology, McGraw-Hill, New York, 1970, Chapter 1, p. 1—107.
8. Dushman S., Scientific Foundations of. Vacuum Technique, Wiley, New York,
1962, p. 21.
no
ГЛАВА 9
9. Glang R., Vacuum Evaporation, L. I. Maissel, R. Glang, Eds., Handbook of
Thin Film Technology, McGraw-Hill, New York, 1970, Chapter 1, p. 1—26.
10. Glang R., Vacuum Evaporation, L. I. Maissel, R. Glang, Eds., Handbook of
Thin Film Technology, McGraw-Hill, New York, 1970, Chapter 1, p. 1—92.
11. Vossen J. L., Cuomo J. J., Glow Discharge Sputter Deposition, J. L. Vossen
and W. Kern, Eds., Thin Film Processes, Academic, New York, 1978, p. 12.
12. Thornton J. A., Penfold A. S., Cylindrical Magnetron Sputtering, J. L. Vos-
sen and W. Kern, Eds., Thin Film Processes, Academic, New York, 1978,
p. 76.
13. Fraser D. B., The Sputter and S-Gun Magnetrons, J. L. Vossen, W. Kern,
Eds., Thin Film Processes, Academic, New York, 1978, p. 115.
14. Waits R. K., Planar Magnetron Sputtering, J. L. Vossen, W. Kern, Eds.,
Thin Film Processes, Academic, New York, 1978, p. 131.
15. Harper J. M. E., Ion Beam Deposition, J. L. Vossen, W. Kern, Eds., Thin
Film Processes, Academic, New York, 1978, p. 175.
16. Melliar-Smith С. M., Mogab C. J., Plasma Assisted Etching Techniques for
Pattern Delineation, J. L. Vossen, W. Kern, Eds., Thin Film Processes, Aca-
demic,, New York, 1978, p. 497.
17. Vossen J. L., Cuomo J. J., Glow Discharge Sputter Deposition, J. L. Vossen,
W. Kern, Eds., Thin Film Prosesses, Academic, New York, 1978, p. 50.
18. Kennedy T. N., Sputtered Insulator Film Contouring over Substrate Topo-
graphy, J. Vac.Sci. Technol., 13, 1135 (1976).
19. Kern W., Ban V. S., Chemical Vapour Deposition of Inorganic Thin Films,
J. L. Vossen, W. Kern, Eds., Thin Film Processes, Academic, New York, 1978,
p. 258.
20. Adams A. C., Chapter 3, this volume.
21. Shaw J. M., Amick J. A., Vapor Deposited Tungsten for Devices, RCA
Review, 31, 306 (1970).
22. Powell C. F., Chemically Deposited Metals, C. F. Powell, J. H. Oxley,
J. M. Blocher, Eds., Vapor Deposition, Wiley, New York, 1966, p. 227.
23. Miller N. E., Beinglass I., Hot-Wall CVD Tungsten for VLSI, Solid State
Technol., 23, 79 (1980).
24. Blech I. A., Fraser D. B., Hazko S. E., Optimization of Al Step Coverage
Through Computer Simulation and Scanning Electron Microscopy, J. Vac.
Sci. Technol., 15, 13 (1978); Errata, J. Vac. Sci. Technol., 15, 1856 (1978).
25. Fichtner W., Chapter 10, this volume.
26. Adams A. C., Plasma Planarization, Solid State Technol., 24, 178 (1981).
27. Sakurai T., Serikawa T., Lift-Off Metallization of Sputtered Al Alloy Films.
J. Electrochem. Soc., 126, 1257 (1979).
28. Batchelder T., A Simple Metal Lift-Off Process, Solid State Technol., 25,
ill (1982).
29. Handbook of Chemistry and Physics. Chemical Rubber Co., Cleveland,
1970.
30. Tu K. N., Shallow And Parallel Silicide Contacts, J. Vac. Sci. Technol., 19,
766 (1981).
31. Sinha A. K., Lindenberger W. S., Fraser D. B., Murarka S. P., Fuls E. N.,
MOS Capability of High Conductivity TaSi2/n+ Poly-Si Gate MOSFET,
IEEE Trans. Electron Devices, ED—27, 1425 (1980).
32. Nicolet M.-A., Bartur M., Diffusion Barriers in Layered Contact Structures,
I. Vac. Sci. Technol., 19, 786 (1981).
33. Wittmer M., High-Temperature Contact Structures for Silicon Semiconduc-
tor Devices, Appl. Phys. Lett., 37, 540 (1980).
34. Ghate P. B., Blair J. C., Fuller C. R., McGuir G. E., Application of Ti: W
Barrier Metallization for Integrated Circuits, Thin Solid Films, 53, 117
(1978).
35. Black J., Physics of Electromigration, Proc. 12th Reliability Phisics Sympo-
sium, IEEE, New York, 1974, p. 142.
МЕТАЛЛИЗАЦИЯ
111
36. Vaidya S„ Fraser D. B.. Sinha A. K., Electromigration Resistance of Fine
Line Al, Proc. 18th Reliability Physics Symposium, IEEE, New York, 1980,
p. 165.
37. Gangulee A., Ho P. S., Tu K. N., Eds., Low Temperature Diffusion and
Application to Thin Films, Elsevier, New York, 1975.
38 Vaidya S., Electromigration in Aluminum/Poly-silicon Composites, Appl.
Phys. Lett., 39, 900 (1981).
39. Ghate P. B., Blair J. C„ Fuller C. R., Metallization In Microelectronics, Thin
Solid Films, 45, 69 (1977).
40. Henderson R. C., Pease R. F. W., Voschenkov A. M., Helm R. P., Wadsack R.,
A High Speed P-channel Random Access 1024 Bit Memory Made with
Electron Lithography, IEEE Solid-State Circuits, SC—10, 92 (1975).
41. Brown D. M., Engler W. E., Garfinkel M., Gray P. V., Self-Registered Molyb-
denum-Gate MOSFET, J. Electrochem. Soc., 115, 874 (1966).
42. Murarka S. P., Fraser D. B., Silicide Formation in Thin Cosputtered (Tita-
nium+Silicon) Films on Polycrystalline Silicon and SiO4, J. Appl. Phys.,
51, 350 (1980).
43. Wong K. L., Holloway T. C., Pinizotto R. F., Sobczak Z. P., Hunter W. R.,
Tasch A. F., Composite TiSi2/n+ Poly-Si Low Resistivity Gate Electrode and
Interconnect for VLSI Device Technology, IEEE Trans. Electron Devices,
ED—29, 547 (1982).
44. Crowder B. L., Zirinsky S., 1-p.m MOSFET VLSI Technology: Part VII-Metal
Silicide Interconnection Technology — A Future Perspective, IEEE J. Solid
State Circuits, SC—14, 291 (1979).
45. Mochizuki T., Shibata K., Inoue T., Ohuchi K., A New MOS Process Using
MoSi2 as a Gate Material, Jpn. J. Appl. Phys., 17 (suppl. 17—1) 37 (1977).
46. Murarka S. P., Fraser D. B., Sinha A. K., Levinstein H. J., Refractory Sili-
cides of Titanium and Tantalum for Low Resistivity Gates and Interconnects,
IEEE Trans. Electron Devices, ED—27, 1409 (1980).
47. Sinha A. K., Refractory Metal Silicides for VLSI Applications, J. Vac. Sci.
Technol., 19, 778 (1981).
48. Murarka S. P., Refractory Silicides for Integrated Circuits, I. Vac. Set. Tech-
nol., 17, 775 (1980).
49. Retajczyk T. F., Sinha A. K., Elastic Stiffness and Thermal Expansion Coef-
ficients of Various Refractory Silicides and Silicon Nitride Films, Thin Solid
Films, 70, 241 (1980).
50. Murarka S. P., Fraser D. B., Lindenberger W. S., Sinha A. K., Oxidation of
Tantalum Disilicide on Polycrystalline Silicon, J. Appl. Phys., 51, 3241
(1980).
51. Fraser D. B., Murarka S. P., Tretola A. R., Sinha A. K., Tantalum Silicide/
Polycrystalline Silicon-High Conductivity Gates for CMOS LSI Applications,
J. Vac. Sci. Technol., 18, 345 (1981).
52. Mochizuki T., Tsujimaru T., Kashiwagi M., Nishi Y., Film Properties of
MoSi2 and Their Application to Self-Aligned MoSi2 Gate MOSFET, IEEE
Trans. Electron Devices, ED—27, 1431 (1980).
53. Leung B. C„ Maa J. S., Refractory Metal Silicide/N+ Polycilicon in
CMOS/SOS, Tech. Digest Int. Elect., 827 (1981).
54. Koeneke C. J., Sze S. M„ Levin R. M., Kinsbron E., Schottky MOSFET for
VLSI, paper 15.6, IEEE Electron Device Meeting, Washington, D.C., Dec.
1981.
55. Kieffer R., Benesovsky F., Hartstoffe, Springer, Vienna, 1963.
56. Shin D.-Y., Ficabora P. J., The Reduction of Au—Al Intermetallic Formation
and Electromigration in Hydrogen Environments, IEEE Trans. Electron
Devices, ED—26, 27 (1979).
57. Eldridge J. M., Corrosion Problems of Metal Conductor Lines in Integrated
Circuits, Solid State Devices, Inst. Phys. Conf. Ser. No. 57, 1980, p. 211.
58. Hansen M., Constitution of Binary Alloys, McGraw-Hill, New York, 1958.
10
МОДЕЛИРОВАНИЕ
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
ФИЧТНЕР У.1)
10.1. ВВЕДЕНИЕ
С недавнего времени численные расчеты и моделирование
оказывают существенную помощь в разработке технологических
процессов и интегральных схем. Моделирование технологичес-
ких процессов и приборов стало столь же распространенным,
как и моделирование схем. Это объясняется двумя главными
причинами: машинное моделирование — более дешевый и на-
много более быстрый процесс. Предположим, например, что
изготовитель ИС планирует разработать новый технологический
процесс для создания КМОП ИС с минимальной длиной затво-
ров полевых МОП-транзисторов 1,5 мкм. Этот новый техноло-
гический процесс может включать в себя девять этапов фотоли-
тографии, шесть операций ионной имплантации и несколько цик-
лов диффузии, отжига и окисления. При использовании соот-
ветствующего программного обеспечения и ЭВМ средней мощ-
ности (например, VAX 11/780) моделирование всех критических
этапов технологического процесса (условий создания областей,
ограничивающих распространение канала; регулировки порого-
вого напряжения и т. д.) занимает минуты или часы. В то
же время реальный эксперимент обычно продолжается от не-
скольких дней до нескольких недель. Поэтому при использова-
нии машинного моделирования можно выиграть достаточное ко-
личество времени для того, чтобы получить данные по чувстви-
тельности технологического процесса, моделируя различные ва-
рианты отклонений от заданной технологической схемы. На
рис. 10.1 в табличной форме представлены этапы моделирования
технологического процесса и ИС, которые будут рассматривать-
ся в настоящей главе. Условия проведения технологических про-
цессов формирования СБИС тесно связаны с характеристиками
этих схем. Поэтому моделирование технологических операций
не может рассматриваться вне процесса моделирования самих
ИС. Успешное проектирование и выпуск приборов и ИС воз-
можны только в том случае, когда эти две области анализиру-
ются совместно.
*> Fichtner W., Bell Laboratories, Murray Hill, New Jersey.
МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
115
10.2. ЭПИТАКСИЯ
В этом разделе описываются модели, которые позволяют
рассчитывать профили легирования эпитаксиальных слоев при
различных условиях эпитаксиального наращивания [1—4].
10.2.1. Модель легирования эпитаксиальных слоев
В качестве примера, поясняющего суть модели, рассмотрим
процесс роста эпитаксиальных слоев кремния из смеси силана
,(SiH4) с водородом, происходящий в реакторе, работающем при
атмосферном давлении. В качестве источника легирующей при-
Моделирование процессов
Эпитаксия+рост кристаллов
(10.2)
Диффузия (10.4)
Формирование топологического
рисунка
(Литография —10.5)
Осаждение (10.6.3)
Ионнаи имплантация (10.3)
Окисление (10.4)
Перенос топологии
(Травление—10.6.2)
Моделирование приборов (10.7)
Характеристики активных приборов (дина-
мические, статические, временные)
Паразитные компоненты (7?, С)
Вольт-амперные характеристики
Рис. 10.1. Схема, отражающая связь между моделированием технологиче-
ских процессов и моделированием ИС.
меси используют арсин (AsH3). Для того чтобы рассчитать про-
цесс термического перераспределения примеси в объеме крем-
ниевой структуры в процессе эпитаксиального роста, использу-
ем второй закон Фика [5]. Таким образом, уравнение
дС (г, 0 д / г, дС \ . ,, п .,
-г—дТ^-дг) ™>z>zf (10-О
было решено для области, показанной на рис. 10.2. В этом
уравнении С — концентрация примеси в кремнии, D — коэффи-
8-233
114
ГЛАВА 10
циент диффузии, аги
стоянию и времени.
Решение уравнения
t — переменные, соответствующие рас-
(10.1) должно удовлетворять следую-
щим начальным и граничным условиям:
С(г,0) = А(г),
OZ
D^-
дг
= о,
г-»оо
(Ю.2)
(10.3)
г=г.
f
(Ю.4)
где функция fi(z) описывает диффузионный профиль распреде-
ления примеси перед эпитаксиальным наращиванием, а уравне-
ние (10.3) представляет собой условие, при котором поток ато-
мов примеси на большом расстоянии от поверхности подложки
равен нулю. Уравнение (10.4) учитывает тот факт, что в ходе
эпитаксиального роста диффузионный поток атомов примеси
внутрь растущего слоя на границе раздела газ — твердое тело
является функцией времени. Выражение для fi(t) может быть
Рис. 10.2. Схематическое сечение кремниевой структуры для выполнения
расчетов по второму закону Фика [3].
получено путем математического описания механизма, ответст-
венного за захват примеси решеткой кремния в ходе процесса
эпитаксиального наращивания.
На рис. 2.9 схематически показана последовательность эта-
пов, происходящих в газовой фазе эпитаксиального реактора.
Она включает в себя три основных этапа:
1. Принудительный массоперенос AsH3 от входа в камеру к
области, где происходит эпитаксиальное наращивание.
2. Массоперенос молекул AsH3 из постоянного перемешива-
ющегося основного газового потока через граничный слой к по-
верхности, на которой происходит эпитаксиальный рост.
МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ 115
3. Диссоциацию молекул АбНз путем газофазных химиче-
ских реакций на несколько различных мышьяксодержащих ча-
стиц.
Механизм, описывающий процесс роста эпитаксиального
слоя из парогазовой смеси (ПГС), основан на модели, предус-
матривающей наличие на поверхности подложки множества
террас, где происходит адсорбция, ступенек и узловых конфигу-
раций [6]. Происходящие на поверхности подложки процессы
также проиллюстрированы на рис. 2.9. Они состоят из следую-
щих этапов:
4. Адсорбция мышьяксодержащих частиц на террасах расту-
щей поверхности.
5. Их химическая диссоциация на As и Н в адсорбирован-
ном слое. При этом различные частицы (АзНз, As, Н и др.) за-
нимают адсорбционные места на поверхности террас и способ-
ны двигаться по ней.
6. Диффузия по поверхности и встраивание адсорбирован-
ных атомов As в растущий слой на ступеньках и узлах моно-
атомных слоев.
7. Зарастание встроенных в решетку атомов As за счет по-
следующего подхода атомов Si в процессе эпитаксиального на-
ращивания.
8. Десорбция водорода с поверхности.
Основываясь на такой последовательности процесса эпитак-
сиального наращивания, уравнение (10.4) можно переписать
следующим образом [3]:
£> дС _____ , ... _ , [по £ 1 I
dC (zf)
+^С(2/)+Ал^^-. (10.5)
Первый член в правой части уравнения описывает поток ле-
гирующих атомов, покидающих граничный слой и адсорбирую-
щихся на поверхности (этапы 4—6). Переменная kmf представ-
ляет собой кинетический коэффициент, связанный с механизмом,
определяющим процесс захвата решеткой легирующей примеси.
Pd° — парциальное давление на входе, C(zf)—концентрация
легирующей примеси на границе раздела фаз и Кр—коэффи-
циент сегрегации, связывающий концентрацию легирующей при-
меси в эпитаксиальном слое с концентрацией атомов легирующей
примеси в газовой фазе. Второй член в правой части уравнения
определяет скорость уменьшения концентрации атомов легиру-
ющей цримеси в адсорбированном слое за счет замуровывания
этих атомов в растущую решетку эпитаксиального слоя (этап 7).
Последний член этого уравнения соответствует диффузии ато-
8*
116
ГЛАВА 10
мов легирующей примеси, происходящей между адсорбирован-
ным слоем и объемом подложки кремния. Переменная Ка связы-
вает концентрацию легирующей примеси в эпитаксиальном слое
с концентрацией атомов этой примеси в адсорбированном слое.
Теперь можно приступить к решению уравнения второго за-
кона Фика, используя граничные и начальные условия, опреде-
ленные в уравнениях (10.2) — (10.5).
10.2.2. Численное моделирование
и результаты машинного расчета
На рис. 10.3 схематически показано использование метода
конечных разностей для моделируемой области. Приповерхно-
стная область кремниевой структуры разбивается на дискрет-
*i-i *i *i+i *1+г *
d
*)-1 *и-1 *i+z
t= t0 +Д1
г
Рис. 10.3. Алгоритм использования численного метода для решения второго
закона Фика с граничными условиями иа поверхности, соответствующими
процессу эпитаксиального наращивания [3].
ные элементы, внутри каждого из которых концентрация счи-
тается постоянной [т. е. C = Ci+1 для (Zi-)-Zi+i)/2^z^(zt+i+
+2»+2)/2].
В начальный момент времени t=0 профиль легирования оп-
ределяется уравнением (10.2). Моделирование начинается с до-
МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
117
давления нового элемента Zj-i (рис. 10.3,0. Концентрация ле-
гирующей примеси Ci-i внутри этого нового элемента опреде-
ляется из уравнения (10.5) путем приравнивания левой части
этого уравнения нулю:
V = kmf(pD°
Cl-'
Кр
(10.6)
В этом уравнении приняты во внимание только процессы за-
хвата примеси в этот добавляемый элемент и не учтен процесс
одновременного перераспределения примеси в кремниевой струк-
туре. Поэтому теперь необходимо рассчитать перераспределе-
ние примеси, происходящее в процессе роста элемента zf-t, пу-
7017
У ю’6
Й /о'5
Эпитаксиальный
а---- слой 2
____ Расчет
_ •••• Эксперимент
Эпитаксиальные ^одлокка-
" ----- слой 1 —- - -»
4 * Расход
-----------------4 легирую-
щего газа-
0 Время.мин 0
О
/о
15
s
S
S
Е
0
2,0 4,0 6,0 8,0 10,0 12,0
Глубина, мкм
Рис. 10.4. Экспериментально измеренный и расчетный профили легирования,
соответствующие двухстадийному процессу эпитаксиального наращивания
(скорость роста 0,35 мкм/мин при температуре 7= 1050 °C) [3].
тем решения уравнения второго закона Фика (10.1). Этот этап
показан на рис. 10.3, в. При этом предполагается отсутствие по-
тока примесных атомов в кремний в данный момент времени.
Этот второй этап расчета завершает вычисления, происходящие
за один временной интервал А/. Теперь можно приступать к но-
вому циклу расчетов, положив за начальный момент времени
t = Такая процедура вычислений повторяется до тех пор,
118
ГЛАВА 10
пока не будет промоделирован весь временной интервал, в хо-
де которого происходило наращивание эпитаксиального слоя.
На рис. 10.4 проводится сопоставление профилей легирова-
ния, рассчитанных с помощью настоящей модели и измеренных
экспериментально методом сопротивления растекания. Для срав-
нения на этом рисунке представлены последовательно выра-
щенные эпитаксиальные слои, условия выращивания которых
Рис. 10.5. Экспериментально измеренный и расчетный профили легирования
в условиях типичного процесса автолегироваиия (скорость роста 0,27 мкм/мии
при температуре Т= 1050 °C) [3].
показаны в нижней части рисунка. Концентрация соединения
легирующей примеси (диффузанта) в газовой фазе подбиралась
таким образом, чтобы уровень концентрации легирующей при-
меси в первом и втором эпитаксиальном слоях составлял ~ 1017
и ~Ю15см-3 соответственно.
Между окончанием первого цикла эпитаксиального наращи-
вания и началом второго реактор продувался водородом в те-
чение 8 мин при температуре 1050 °C. Наличие переходной об-
ласти между слоями с высоким и низким уровнями легирования
типично для тех случаев, когда слаболегированный эпитакси-
альный слой выращивается на сильнолегированной подложке
или диффузионном скрытом слое. Профиль легирования в нача-
ле такой переходной области достаточно резок, а затем стано-
вится более плавным. Возникновение такой плавной переход-
ной области является результатом автолегирования.
МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ 119
Сравнение наиболее типичных экспериментальных результа-
тов автолегирования в ходе эпитаксиального наращивания с ре-
зультатами численного моделирования этого процесса представ-
лено на рис. 10.5. Мышьяк методом ионной имплантации (Зх
Х1015 см-2, 100 кэВ) внедрялся в подложку кремния с ориента-
цией (100), легированную бором до уровня удельного сопро-
тивления 10 Ом-см, и подвергался разгонке в течение 2 ч при
температуре 1250 °C. Затем подложку травили в парах НС1
(0,5 об. %, 2 мин при 1200°C) и отжигали в водороде (32 мин
при 1200 °C) перед эпитаксиальным наращиванием. Эпитакси-
альный слой преднамеренно выращивался нелегированным, для
чего в реактор не подавался арсин. Скорость эпитаксиального
роста составляла ~0,27 мкм/мин, а суммарное время выращи-
вания— 6 мин. Результаты, представленные на рис. 10.4 и 10.5,
свидетельствуют о превосходном совпадении рассчитанных про-
филей распределения легирующей примеси с экспериментальны-
ми данными.
10.3. ИОННАЯ ИМПЛАНТАЦИЯ
Успешное применение ионной имплантации зависит главным
образом от возможности предсказания и управления электриче-
скими и механическими эффектами при заданных условиях им-
плантирования. В недалеком прошлом основной теорией процес-
са остановки ионов в твердых телах являлась теория ЛШШ,
названная по начальным буквам фамилий разработчиков этой
теории Линдхарда, Шарфа и Шиотта (см. гл. 6). Эта теория
широко использовалась для предсказания первичного пробега
ионов и распределения радиационных повреждений в аморфных,
полубесконечных подложках. В соответствии с теорией ЛШШ
распределение внедренных ионов имеет гауссов профиль с прое-
цированной длиной пробега Rp и рассеянием Дй?р. Данные по
длине пробега для различных комбинаций ионов и мишени бы-
ли рассчитаны на основе теории ЛШШ и приведены в литера-
туре [7, 8].
Однако в технологии формирования СБИС чаще всего при-
ходится проводить имплантацию атомов в подложку, которая
покрыта одним или несколькими слоями различных материа-
лов. Типичными примерами таких процессов являются: имплан-
тация примеси в область канала для регулировки порогового
напряжения; имплантация примеси в область, ограничивающую
распространение канала под изолирующим окислом, и имплан-
тация примеси в области истока и стока, которые проводятся
уже после формирования затвора и областей локального окис-
ления, зачастую покрытых еще и пленкой SisN*. Более того,
720
ГЛАВА 10
ионная имплантация может осуществляться и через тонкие
слои тяжелых металлов (например, Та или TaSi2). Существо-
вание многослойной структуры приводит к резким перепадам в
профиле легирования на границе отдельных слоев. Помимо все-
го прочего, за счет столкновения ионов с атомами приповерх-
ностных слоев последние могут быть выбиты в более глубоко
Рис. 10.6. Имплантация мышьяка в кремний через двухслойную маску
SiaNt—SiO2 [9].
лежащие слои. Такие «осколочные эффекты» могут вызвать
ухудшение электрических характеристик готовых приборов.
Основные предположения теории ЛШШ не позволяют при-
менять ее для многослойных структур. В следующих ниже раз-
делах мы применим результаты, полученные в гл. 6, которые
соответствуют теории ионных столкновений в твердых телах.
Для моделирования явлений ионной имплантации в твердых
телах широко используют уравнение переноса Больцмана и
метод Монте-Карло. Мы используем эти два приближения и
сравним теоретические результаты с экспериментальными дан-
ными.
10.3.1. Приближения с использованием уравнения
переноса Больцмана и метода Монте-Карло
Рассмотрим случай, когда ионы 75As+ с энергией 100 кэВ
имплантируются через двухслойную пленку, состоящую из S13N4
и SiO2, в кремний [9] (рис. 10.6). Атомы мышьяка, попадаю-
щие в структуру, могут рассеиваться не только от атомов крем-
ния, но и от атомов азота в S13N4 и атомов кислорода в SiOz.
Более того, если передаваемая атомам мишени энергия Ет ДР>-
статочно высока, то эти «осколочные» атомы приходят в дви-
жение и сами могут выбивать другие атомы мишени до тех пор,
МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ 121
пока не потеряют приобретенную ими энергию и не остановят-
ся. Частицы в каждом положении z описываются их энергией Е
и углом 0, под которым они движутся по отношению к оси z.
Для каждой интересующей нас частицы можно определить
мгновенное распределение функции F(E,Q,z). Число частиц с
энергиями и углами в двумерном пространстве dEdQ, которые
проходят через элемент с единичной площадью на глубине z
по нормали к поверхности, определяется формулой F(E, 0, z)dEdz.
Пространственная оценка этого мгновенного распределения
выполняется с помощью уравнения Больцмана для каждого ви-
да частиц k:
dFk(E,Q,z) = N Г Г Fk (Е', О') do (Е'—Е, 0'-»0) _
dz J cos 0'
FH£.6)da(£-^0^e9j+ (£( Q) z)_ (10 7)
Ионы могут быть рассеяны из состояния, определяемого
энергией Е' и углом 0', в окончательное состояние (Е, 0) или
наоборот — из состояния (Е, 0) в состояние (Е', 0') (второй
член подынтегрального выражения). Член Qk описывает про-
цесс формирования осколочных атомов мишени из положения
покоя и их распределение по углам и энергии.
Функции распределения предполагаются известными в по-
верхностной плоскости при z=0. В этом месте распределение
выбитых атомов мишени тождественно равно нулю, а мгновен-
ное распределение первичных ионов выражается через дельта-
функции:
F (Е, 0, z = 0) = Фоб (£—Ео) б (0—0), (10.8)
где Фо —суммарная доза имплантированных ионов на 1 см2,
а Ео — энергия падающего пучка.
Связанная система уравнений переноса (10.7) подвергается
численному интегрированию для того, чтобы получить распре-
деления для всех значений z>0. На этом этапе необходимо,
чтобы движение каждой частицы было ограничено конечным
числом дискретных моментальных состояний. Каждое состоя-
ние Fij определяется энергией Е{ (0^.Е{^.Е0) частицы и углом
6/(О^07^л:/2) ее движения [10].
При рациональном подходе к использованию машинного
времени приходится ограничивать число элементов F^. Как бы-
ло установлено, пятнадцати равномерно расположенных энер-
гетических интервалов и десяти угловых интервалов достаточно
Для определения распределения пробегов с точностью 5—10%
[Ю].
122
ГЛАВА 10
При использовании метода Монте-Карло процесс модели-
рования ионной имплантации заключается в определении после-
довательных положений летящих атомов при их соударении с
атомами мишени с помощью приближения двойных соударений.
Распределение величин пробегов для первичных и выбитых ио-
нов, а также сопутствующие им повреждения (рассеяние энер-
гии на электронах и ядрах) можно получить, проследив путь
движения N частиц (N должно быть достаточно большим,
A^blO3).
Движение каждой частицы начинается при определенных
значениях энергии, положения и направления движения этой
частицы. Предполагается, что частица изменяет направление
своего движения при каждом соударении с ядрами атомов ми-
шени, а в промежутке между отдельными соударениями она
движется по прямой. Уменьшение энергии движущейся частицы
происходит за счет ядерных и электронных энергетических по-
терь. Ионы останавливаются в том случае, если их энергия
становится меньше определенной величины или если они поки-
нут мишень (отраженные ионы).
Расчеты по методу Монте-Карло можно проводить как для
аморфных, так и для кристаллических мишеней. В модели
аморфной мишени положение ее атомов рассчитывается из пуас-
соновского распределения. Время взаимодействия имплантиро-
ванных ионов с такой мишенью определяется параметрами со-
ударения, которые описываются следующей формулой:
р = ]/Rn/(n№'3), (10.9)
где Rn— равномерно распределенное случайное число, лежа-
щее между нулем и единицей, a N — плотность материала ми-
шени.
Окончательный успех расчетов по методу Монте-Карло в
сильной степени зависит, как это было установлено при срав-
нении результатов теоретических расчетов с экспериментальны-
ми данными, от выбора потенциала взаимодействия между дви-
жущимися ионами и атомами мишени. Наилучшие результаты
получаются при аппроксимации, использующей потенциал Тома-
са— Ферми, который был введен в гл. 6 вместе с функцией эк-
ранирования [11]:
ф (R) = 0,35 ехр (—0,37?) + 0,55 ехр (—1,2R) +
+ 0,1 exp (—6/?). (10.10)
На этом этапе мы можем теоретически проинтегрировать
уравнения движения по углу рассеяния 0, что позволит рас-
считать Ет- В настоящее время разработана программа машин-
ного расчета MARLOWE, которая основана на этом точном
МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ 123
методе [11]. Что касается непосредственного интегрирования,
то оно требует больших затрат времени. Этого можно избежать,
если воспользоваться аналитическими методами для оценки уг-
ла рассеяния [12], что позволяет провести расчет Ет- Азиму-
тальный угол рассеяния Ф выбирается случайным образом с ис-
пользованием выражения
$=2nRn. (10.11)
По сравнению с моделированием при помощи уравнения пе-
реноса Больцмана метод Монте-Карло обладает тремя основны-
ми преимуществами. Во-первых, по своей природе этот метод
является трехмерным. В современной технологии формирования
полупроводниковых приборов ионы имплантируются только в
ограниченные участки подложки (например, в окна), что при-
водит к продольному распределению ионов под края маски. Хо-
тя уравнение (10.7) может быть обобщено для двух- или трех-
мерного случая, этого до сих пор сделано не было. Второе пре-
имущество метода Монте-Карло перед методом, использующим
уравнение переноса Больцмана, проявляется тогда, когда легкие
ионы имплантируются в мишень, состоящую из более тяжелых
атомов (Mi/M2»l), как это происходит при имплантации Н+
(см. разд. 10.5.3). В этом случае большинство ионов рассеива-
ется в обратном направлении в сторону поверхности, что не
представляет трудности при моделировании по методу Монте-
Карло. При моделировании с помощью уравнения переноса
Больцмана эти обратно рассеянные ионы попадают в ту об-
ласть, для которой, как предполагается, решение уже известно
[10]. Третье преимущество проявляется при моделировании
процессов ионной имплантации в монокристаллические мате-
риалы. Известно, что кремний — не случайным образом ориен-
тированная среда, а строго регулярная структура с решеткой
алмаза. До настоящего времени не было опубликовано резуль-
татов моделирования по методу уравнения переноса Больцма-
на, учитывающих влияние кристаллической решетки.
10.3.2. Результаты расчета и сравнение
их с экспериментальными данными
В данном разделе мы приведем результаты ряда типичных
расчетов, использующих как уравнение переноса Больцмана,
так и метод Монте-Карло. В основном обе модели во всех слу-
чаях приводят к одним и тем же результатам при условии, что
в них используются одинаковые физические параметры, напри-
мер потенциал. Теоретическая база для обоих методов одна и
та же.
124
ГЛАВА 10
Имплантация мышьяка в кремний. На рис. 10.7 проведено
сравнение профилей распределения имплантированного As, по-
лученных на основе уравнения переноса Больцмана в работах
[13] и [14], с профилем распределения, полученным из урав-
нений Пирсона для четырех параметров [15] (см. гл. 6) и свя-
Глуйина.мкм
Рис. 10.7. Сравнение профиля пробега ионов мышьяка с энергией 355 кэВ,
имплантированных в кремний с дозой 1016 см-2, рассчитанного по теории
ЛШШ и по уравнению переноса [10].
занным с теорией ЛШШ. Доза имплантированной примеси со-
ставляет 1016 см-2 при энергии ионов 355 кэВ. Теоретические
результаты могут быть сопоставлены с экспериментальными
данными [16]. При указанных выше условиях имплантации при-
веденная энергия е равна 0,5, что означает полное доминирова-
ние процессов ядерного торможения. Можно заметить, что для
максимума распределения результаты, полученные на основе
теории ЛШШ '[15] и уравнения переноса Больцмана [13], на-
ходятся в полном согласии. Однако профиль, построенный ис-
ходя из теории ЛШШ, менее симметричен, и оба профиля рас-
МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ 125
пространяются на большую глубину по сравнению с экспери-
ментальными результатами. Расчеты с использованием уравне-
ния переноса Больцмана, приведенные в работе [14], хорошо
совпадают с экспериментальными данными.
Имплантация бора в кремнии. Поскольку существует боль-
шой объем найденных экспериментальных данных, процесс им-
Рис. 10.8. Результаты расчета имплантации бора в кремний по методу Мон-
те-Карло [а) £=50 кэВ, &/&£=1,59; б) £=100 кэВ, &/&г,= 1,59; в) £=100 кэВ,.
Ш=1,50.]
плантации бора в кремний представляет собой хороший тест-
для любого метода моделирования [17]. На рис. 10.8 показаны1
результаты моделирования по методу Монте-Карло 10 000 тра-
екторий ионов при энергии имплантации 50 и 100 кэВ. Резуль-
таты измерений по энергии электронного торможения исполь-
зуются для корректировки формул, вытекающих из теории.
ЛШШ (т. е. А=1,59£ь). Электронное торможение — доминиру-
ющий механизм рассеяния энергии, по крайней мере для слу-
чая, когда энергия ионов составляет 100 кэВ. Результаты рас-
чета по методу Монте-Карло приведены в соответствие с рас-
126
ГЛАВА 10
пределениями по уравнению Пирсона для четырех параметров
(обозначены на рис. 10.8 непрерывной линией). При моделиро-
вании достигается превосходное совпадение с данными, полу-
ченными методом МСВИ [17], в частности для ионов с энерги-
ей 50 кэВ. Влияние электронного торможения показано для ио-
нов с энергией 100 кэВ, расчет для которых проведен и для
&=1,50£ь. Такая величина находится в хорошем согласии с ре-
зультатами, приведенными в работе [14].
ЮОкэВ В — Si
-----Согласно
уравнению
Больцмана
----- Согласно
уравнению
Больцмана с
пороговой энер-
гией зОэв
— 0,6 0,8 1,0 1,2 1А 1,6 1,8
Нормированная глубина z fRp
Рис. 10.9. Сравнение результатов расчета Брайса с расчетами, согласно
уравнению переноса, для профилей распределения энергии, расходуемой на
формирование радиационных дефектов, при энергии имплантируемых в крем-
ний ионов бора 100 кэВ (ось абсцисс нормирована к проецируемой длине
пробега бора, а по оси ординат отложена плотность энергии на бомбарди-
рующую частицу) [10].
'X---Согласно
Брайсу
На рис. 10.9 показано распределение плотности энергии,
расходуемой на формирование радиационных дефектов, при
имплантации ионов бора с энергией 100 кэВ, рассчитанное по
уравнению переноса Больцмана |[13] с учетом теории ЛШШ
[18]. Из результатов, полученных с помощью уравнения пере-
носа Больцмана, следует, что только ядерное взаимодействие
дает вклад в итоговое распределение радиационных дефектов.
Действительно, для удаления атома кремния из узла решетки
необходима минимальная пороговая энергия Еа. Брайс в своих
расчетах ввел поправку на потерю энергии выбитыми атомами,
обусловленную электронными процессами, и показал близость
результатов обоих расчетов.
Границы раздела, каналирование и продольные эффекты.
Обе модели, как уравнение переноса Больцмана, так и метод
Монте-Карло, могут быть распространены на случай многослой-
ных структур без каких-либо видоизменений. На рис. 10.10 по-
казаны результаты расчета процесса ионной имплантации фос-
фора с дозой 2-Ю15 см-2 при энергии ионов 150 кэВ в аморф-
МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
127
без учета поврежЭений
С учетом повреждений
128
ГЛАВА 10
ный кремний через пленку SiO2 толщиной 150 нм по методу
Монте-Карло [19]. Полученные результаты хорошо согласуются
с экспериментальными данными. Кривая, соответствующая про- I
филю распределения имплантированной примеси по теории |
ЛШШ, получена аналитически. Разрыв в профиле распределе- |
яия на границе раздела происходит только в том случае, когда
увеличивается изменение плотности различных слоев [13].
Влияние кристалличности структуры на профили распреде-
ления имплантированных ионов [19] и продольные эффекты
[20] изучались только с помощью метода Монте-Карло. Само
по себе влияние кристаллической структуры на профиль рас-
пределения имплантированной примеси проявляется в явлении
каналирования. Поэтому при расчетах положение атомов кри-
сталла фиксируется в соответствии с решеткой алмаза. Во |
внимание принимаются и тепловые колебания атомов около по- а
ложения равновесия. Ионы взаимодействуют со всеми атома- |
ми, окружающими канал. Деканалирование является составной
частью модели расчета. На рис. 10.11 показан расчетный про-
филь распределения имплантированных атомов фосфора с энер-
гией 150 кэВ через пленку SiO2 толщиной 150 нм в монокри- (
сталлический кремний при направлении имплантируемых час-
тиц под углом 7,5° к оси <110>. Расчеты проводились с учетом
увеличения радиационных повреждений в ходе имплантации. |
В верхнем правом углу рисунка показано распределение радиа- |
ционных повреждений, полученное теоретическим путем, при
данных условиях имплантации.
10.4. ДИФФУЗИЯ И ОКИСЛЕНИЕ
Твердофазная диффузия — это физический процесс, вызыва-
ющий перераспределение примеси внутри кремниевого кристал-
.ла в ходе высокотемпературной термообработки. Вместе с ион- i
ной имплантацией и эпитаксией твердофазная диффузия явля- 1
ется одним из основных методов, управляющих типом, уровнем |
концентрации и распределением примесей внутри определенных |
участков кремниевой подложки. Для того чтобы сформировать "
диффузионный слой, примесные атомы вводятся в приповерхно- |
стную область либо путем предварительного этапа их осажде-
ния (загонки), либо путем ионной имплантации. В технологии
формирования СБИС предпочтение отдают методу ионной им- i
плантации, поскольку он позволяет более точно управлять ко- i
личеством вводимой примеси и обладает большими возможно- >
стями по расположению этой примеси по глубине за счет соот-
ветствующего выбора энергии имплантированных ионов. Для
того чтобы активировать имплантированные ионы и удалить |
МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
129
введенные в процессе ионной имплантации радиационные по-
вреждения, как правило, необходим этап высокотемпературного
отжига (см. гл. 6).
Как было показано выше, имплантация часто выполняется
через окна в маскирующем слое, что определяет процесс диф-
фузии как двумерную задачу [21].
10.4.1. Диффузия примеси и термическое окисление
Основной закон, управляющий процессом переноса i-й при-
меси, определяется уравнением непрерывности [22] :
= div J; = V • (D^CtfW). (Ю-12)
где Ci, являющаяся функцией х и z, и Д соответственно кон-
центрация и поток i-й примеси, £>г- — коэффициент диффузии,
зависящий от концентрации, Zi — зарядовое состояние (4-1 для
акцепторов, —1 для доноров), у.» — подвижность примеси, Ni —
концентрация электрически активной примеси и <S— напряжен-
ность электрического поля. Рассмотрим двумерную задачу при
горизонтальной координате х, вертикальной координате z и вре-
мени t. Необходимо дополнить уравнение (10.12) набором на-
чальных и граничных условий:
Условие /: Ct (x,z, 0)=f (х, г). (10.13)
Условие 2: Ci(xt, оо, t) =0
или
Ct (х, оо, f) = Св (10.14)
(Св — объемная концентрация).
Условие 3: Поток примесных атомов вдоль линий симметрии
(x=xR и x=xl) предполагается равным нулю:
-^- = 0 при x=xR и x=xL, (10.15)
Условие 4: Выбор граничных условий зависит от того, находит-
ся ли поверхность подложки в окислительной атмосфере, т. е.
d‘-SlL=c'(t-6>. <iois>
или в атмосфере, содержащей диффузант:
Di^T =h(Ct—Ct*). (10.17)
2=0
В уравнении (10.16) т соответствует коэффициенту сегрега-
ции, определяемому как отношение концентрации примеси в
9—233
130
ГЛАВА 10
кремнии к ее концентрации в SiO2:
Si
т=-~гг, (10.18)
£»,о1С>2 * ' '
а коэффициент Ь учитывает изменение объема, связанное с
формированием SiO2 (единица объема SiO2 требует для своего
образования 0,44 объема кремния). Уравнение (10.16) справед-
ливо в том случае, когда коэффициент диффузии примеси в
окисле намного меньше, чем в кремнии. Если это требование не
выполняется, то уравнение (10.16) должно быть модифицирова-
но, а уравнение (10.12) необходимо решать также и для окисла.
В уравнении (10.17) h — коэффициент массопереноса (или
испарения), а С* — концентрация примеси в газовой фазе.
Если концентрация примеси слишком высока, возможно воз-
никновение преципитатов (кластеров) примесных атомов [23,
24]. Процесс преципитации делает некоторые примесные атомы
электрически неактивными. В ходе диффузии примеси неактив-
ные кластеры могут распадаться, вновь переводя примесь в
электрически активное состояние. Это явление можно описать
следуклцими"уравнениями [24]: . . '
" - - ' • ' :л ; . . (Ю.19)
= ' (10.20)
c=/v+cc, ‘ (io.2i)
которые совместно с уравнением (10.12) характеризуют поток
примесных атомов. Переменные kc и kd представляют собой
скорости преципитации и распада преципитатов соответственно,
С — концентрация преципитированной примеси, .V — электриче-
ски активная часть из общей химической концентрации приме-
си С, а т—размер преципитатов. Численные расчеты этих
уравнений показывают, что кинетика образования кластеров
мышьяка играет важную роль при температуре отжига ниже
1000 °C. Па рис. 10.12 показано влияние процесса образования
кластеров атомов мышьяка на концентрацию носителей. Все об-
разцы легированы до уровня 2-Ю21 см-3 методом ионной им-
плантации. При температуре отжига 1000 °C равновесная кон-
центрация носителей составляет W=2,81-1020 см-3 (штриховая
линия). С позиции процесса'кластерообразования можно зара-
нее предсказать, что последовательный отжиг при более низких
температурах приведет к значительному снижению концеитра-
-ции носителей заряда. В дю ,время дак равновесная концентра-
ция. ^носителей (з,аряда монотонно уменьшается с температурой,
МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
131
время, необходимое для достижения равновесия, быстро воз-
растает при более высоких температурах.
Для большинства технологических операций, применяемых
при изготовлении ИС (7’>900°С, />20 мии), влияние динами-
ческих процессов образования и распада кластеров незначи-
тельно. Поэтому явление кластерообразования может быть про-
Рис. 10.12. Зависимость концентрации носителей заряда от времени
отжига [24].
моделировано соотношением равновесного кластерообразования
[4, 25]
C = 2V+₽2Vm, (10.22)
где 0— константа равновесия, зависящая от температуры и ти-
па примеси и равная
р = Q°-22)
В общем случае коэффициент диффузии Di в уравнении
(10.12) является функцией концентрации примеси для высокого
уровня концентрации (см. гл. 5). Все программа, предназначен-
ные для моделирования процесса диффузйи, используют зависи-
мость Di от концентарции примеси, полученную из модели,
предполагающей вакансионный механизм диффузий, т. е.
D/=D^4-Df/+£>i272+-^, (10.24)
где Переменные £>xi, D~i, D2~i, D+i' — собственные ко-
эффициенты диффузии различных вакаисионных состояний в
кремнии, N — концентрация электронов, которая зависит от зна-
чения всех концентраций Ci, и п,— концентрация собственных
носителей при температуре диффузии. - ....
9*
132
ГЛАВА 10
а
Рис. 10.13. Профили распределения фосфора и бора.
а —двумерное распределение фосфора и бора; б — изоконцентрационное сечение распре-
деления фосфора и бора; а — профили распределения фосфора н бора в эмиттере и не-
активной области базы [25].
При низкой концентрации примеси N приблизительно рав-
няется и коэффициент диффузии представляет собой сумму
коэффициентов диффузии различных вакансионных состояний,
не зависящих от концентрации:
Df = D s+Dt-+D^+Dt+. (10.25)
Отдельные коэффициенты диффузии в уравнениях (10.24) и
(10.25) записываются в экспоненциальной форме
D* = Di0* exp (—(?г W), (10.26)
с множителем D*i0 и энергией активации (см. гл. 5).
МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
133
Концентрация электронов N может быть аппроксимирована
следующей зависимостью:
N = (Cnet+/C2net+4n^)/2, (10.27)
где
п
с„,= -£гЛ-
i=l
Диффузия всех наиболее важных элементов групп III (В) и
V (As, Sb) в кремнии хорошо описывается диффузионной мо-
134
ГЛАВА 10
делью уравнения (10.12) совместно с уравнением (10.24). Од-
нако законы диффузии фосфора более сложны, и этот процесс
можно представить с помощью теоретической модели, предпо-
лагающей наличие трех различных областей (см. гл. 5).
Точное описание процесса диффузии фосфора принимает осо-
бое значение при изучении эффекта эмиттерного выдавливания,
Рис. 10.14. Профили распределения мышьяка и бора.
а — двумерное распределение общей концентрации примеси в МОП-структуре с длиной
затвора 1 мкм; б—двумерное распределение концентрации бора {25],
который имеет место при биполярной технологии. Обычный тех-
нологический процесс должен включать в себя имплантацию
иоиов бора в базовую область с последующим циклом терми-
ческой обработки для разгонки примеси. На первом этапе про-
цесс разгонки проводится в атмосфере сухого кислорода, за ко-
торым следуют два этапа разгонки в атмосфере влажного кис-
лорода. На заключительном этапе разгонка вновь проводится в
атмосфере сухого кислорода. Затем с этапа химического осаж-
дения фосфорно-силикатного стекла начинается формирование
эмиттера, которое включает в себя три этапа термической раз-
гонки примеси. Полученный суммарный профиль легирования в
такой структуре представлен на рис. 10.13,а—в [26].На рис.
10.13, а показано двумерное распределение концентрации при-
МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ 135
меси, а на рис. 10.13, б — соответствующие этому распределению
изоконцентрационные сечения. Рис. 10.13, в иллюстрирует яв-
ление эмиттерного выдавливания, которое проявляется в фор-
мировании перехода коллектор — база под областью эмиттера
на большей глубине по сравнению с неактивной областью базы.
При создании МОП-структур также возникают эффекты, свя-
занные с диффузионными процессами; здесь они играют менее
важную роль, чем в биполярной технологии. Рассмотрим техно-
логический процесс формирования n-МОП-структур с размера-
ми основных элементов порядка 1 мкм. После выращивания
подзатворного окисла толщиной 25 нм осуществляют ионную
имплантацию бора при высоком уровне энергии ионов для регу-
лировки порогового напряжения и предотвращения явлений
прокола. После осаждения и легирования поликремния метода-
ми литографии и травления осуществляют вскрытие окон для
создания областей истока и стока. Области истока И стока фор-
мируются ионной имплантацией мышьяка с высокой дозой им-
плантированной примеси. Прежде чем прибор будет окончатель-
но сформирован, необходимо провести еще несколько этапов
разгонки имплантированной примеси. На рис. 10.14, а и б по-
казаны соответственно двумерное распределение общей кон-
центрации примеси и концентрации бора в областях истока и
стока и под затвором. Обратите внимание, что распределение
бора в районе р—«-перехода областей истока и стока также
сопряжено с эффектом эмиттерного выдавливания.
10.4.2. Термическое окисление
Термическое окисление при высоких температурах, в ходе ко-
торого происходит формирование на поверхности кремния Плен-
ки SiOz, является неотъемлемой частью технологического про-
цесса .формирования кремниевых ИС. Кинетика процесса окис-
ления относится к классу одномерных задач. В соответствии с
теорией толщину окисла можно записать в следующем виде:
d\K(t)+AdoR(t) = B(t+t0), (10.28)
где d0K — толщина окисла, А и В — константы скорости окисле-
ния, a t0 — поправочное время, которое вводится для учета на-
чальной толщины окисла dOK(0) в момент времени t — 0:
t0 = 42ок(0) +Adox/0) • - (10.29)
Константы А и В связаны с линейным и параболическим ко-
эффициентами роста kL и kP и с приведенной величиной парци-
136
ГЛАВА 10
ального давления кислорода Ро2 следующими выражениями:
(10.30)
B = POikP. (10.31)
При низкой концентрации примеси коэффициенты kP и
зависят только от состава окислительной атмосферы и ориен-
тации кристалла. Температурная зависимость этих констант
скорости роста может быть охарактеризована с помощью од-
ной и той же энергии активации. В условиях высокой поверх-
ностной концентрации примеси скорость окисления значительно
увеличивается [27]. Причина этого явления может быть связана
с образованием избыточных точечных дефектов на границе раз-
дела Si—SiO2. Авторы работ ![4] и [26] учли увеличение ско-
рости окисления в уравнениях (10.30) и (10.31) за счет коррек-
тировки линейного и параболического коэффициентов скорости
роста:
*£ = ^Ч1+т(С/-1)], (10.32)
и
&pSSfe/[l+6(Cvr)0’22]. (10.33)
Переменные ki! и кр'— собственные (при низкой концент-
рации примеси) константы скорости роста, а у — эмпирический
параметр, равный
у = 2,62-103ехр(—1,10/АТ). (10.34)
Переменная CVT—нормированная общая концентрация вакансий
при концентрации вакансий с конкретными степенями ионизации:
Со+ = exp (-E*Z-El } Е+ = 0,35 эВ,
Со- = exp Е~ = Eg—0,57 эВ, (10.36)
Со2- = ехр Е2*= Eg— 0,11 эВ.
Здесь Et — положение собственного уровня в запрещенной зоне:
Et(T)^Egf2, (10.37)
МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
137
6 в уравнении (10.33) есть эмпирический параметр, равный
6 = 9,63 • 10-16 ехр (2,83/АТ), (10.38)
а Ст — общая концентрация примеси.
В то же время эта хорошо разработанная теория неприем-
лема для моделирования явлений, происходящих при двумер-
ном окислении, таких, как боковое подкисление под маску
S13N4, что проявляется в возникновении геометрической кон-
Рис. 10.15. Области моделирования.
(4л,т)
2 = 4 + ЬТ (^.т)
Х= Т!
t = т
фигурации, известной под названием «птичий клюв». Исходя из
общих представлений, указанная теория подразумевает расчет
потока атомов кислорода через поверхность кремния путем ре-
шения уравнения диффузии кислорода [28]:
Dox^Cox = ^-^0, (10.39)
где Dox и Сох — соответственно коэффициент диффузии кисло-
рода и его концентрация. Граничные условия остаются теми же,
что и для одномерной модели. Скорость объемного расширения
и скорость в каждом элементе окисного объема определяются
из потока атомов кислорода. Движение наружной границы
окисла тоже описывается этой скоростью, а также с помощью
границ окисла и граничных условий. При достаточно высокой
температуре (7’=900°С) материал окисла может растекаться,
хотя вязкость его чрезвычайно высока. Предполагая отсутствие
изменения объема окисла при наличии сжимающих напряже-
ний, упрощенное уравнение Навье — Стокса [28]
p,V2V = VP, (10.40)
сводит вопрос о потоке атомов кислорода к вопросу объемного
расширения на границе раздела фаз. ц, V и р — вязкость, ско-
рость и давление в данной области двумерного окисла.
138
ГЛАВА 10
Такая точная математическая обработка слишком сложна и
требует больших затрат машинного времени. В упрощенном
расчете процесса бокового подкисления используется метод пре-
образования координат от физической области к координатной
системе, в которой движущаяся граница остается неподвижной
во времени. При таком приеме область решения упрощается за
счет некоторого усложнения уравнения диффузии (10.12).
Предположим, что х, хи t — две пространственные коорди-
наты и время в физической системе координат, а т], т — соот-
ветствующие переменные в преобразованной системе координат.
Области моделирования для обеих систем координат показаны
на рис. 10.15. Связь между старыми и новыми координатами
записывается следующим образом:
l = z—bf(x,t), (10.41)
’ r] = x, (10.42)
т = /, . (10.43)
где
/(М = ^егГе/^§=. (10.44)
и где f — функция горизонтального положения и времени, k{ —
отношение горизонтальной и вертикальной скоростей окисления,
а b определяется таким же образом, как и в уравнении (10.16).
Подстановка уравнений (10.41) — (10^44) в уравнение (10.12)
приводит к преобразованию последнего по отношению к пере-
менным Т) и
Процесс локального окисления в основном используется в
технологии формирования МОП-структур. На рис. 10.16, а и б
показаны участок структуры и профиль распределения бора до
и после процесса локального окисления. На рис. 10.16, а пока-
зан профиль распределения бора сразу после процесса ионной
имплантации. После окисления структуры в течение нескольких
часов в атмосфере влажного и сухого кислорода происходит не
только существенное перераспределение бора (обратите внима-
ние иа различное расстояние между изоконцентрационными ли-
ниями), но и повторение профилем распределения примеси гео-
метрии «птичьего клюва» (рис. 10.16,6).
10.4.3. Вопросы численной обработки
В зависимости от числа присутствующих примесей прихо-
дится решать систему связанных нелинейных дифференциаль-
ных уравнений в частных производных, аналогичных уравне-
нию (10.12), для одно- или двумерного объекта с соответству-
МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
139
ющими начальными и граничными условиями. Здесь мы оста-
новимся только на двумерном случае, поскольку он более поле-
зен при моделировании диффузионных явлений в структурах
СБИС. Частные производные в уравнении (10.12) аппроксими-
руются обычным способом по методу Центральных конечных
Рис. 10.16. Эффект локального окисления.
а — профиль распределения бора на участке локального окисления перед процессом
окисления; б — профиль распределения бора иа том же участке после окисления [25}.
разностей [29] на двумерной сетке. Это приводит к замене урав-
нения (10.12) набором из N нелинейных обычных дифферен*
циальных уравнений, где N — число узлов в сетке разбиения.
Для интегрирования уравнений по времени можно применять
множество различных приемов. Для численного решения диф-
фузионных задач приемлемы как явный [30], так и неявный
[26] методы интегрирования. В отношении числа операций,
необходимых для расчета каждого шага по времени, неявные
методы требуют больших временных затрат для расчета по
сравнению с явными методами. Однако неявные методы позво-
ляют использовать более крупные временные интервалы и
обычно более стабильны, чем неявные методы.
140
ГЛАВА 10
конечных
(10.45)
tn+1 и
Стандартным методом является метод обратных
разностей первого порядка [26]
dCt I Cjn+1— C;n
di |<=<л+1 * Д/”*1 ’
где верхний индекс означает уровни концентрации на
шагах интегрирования по времени при Д/п+1 = ^«+'—tn.
Разбиение времени и пространства на конечные интервалы
приводит в результате к системе из N нелинейных алгебраиче-
ских уравнений для каждого вида примесных атомов, которые
могут быть записаны в матричном обозначении в следующем
виде:
С.«+1 = (Сг«+1) C/^+S (Cl С2..Cn), (10.46)
где В(С) представляет собой матрицу, элементы которой яв-
ляются функцией С, a S — вектор, отражающий граничные усло-
вия и т. д. Уравнение (10.46) решается с помощью метода Нью-
тона. Переписывая его в виде
g(Q = 0 (10.47)
и применяя метод Ньютона, получим
-^-x = 4x = -g(Q. (10.48)
Решая линеаризованную систему уравнений (10.48) любым
традиционным методом [31], используем х как параметр нью-
тоновской итерации, что дает новое значение концентрации со-
гласно выражению
^новое = ^старое (10.49)
Этот цикл повторяется до тех пор, пока не будет достигну-
та необходимая точность вычислений. В этот момент можно
ввести новый шаг по времени и продолжить интегрирование ис-
ходного уравнения по времени. Автоматический выбор шага ин-
тегрирования по времени позволяет получить приемлемое ре-
шение уравнения (10.46).
10.5. ЛИТОГРАФИЯ
Настоящий раздел знакомит с основной теорией и результа-
тами моделирования оптической, электронно- и ионно-лучевой
литографии. Оптическая литография — стандартный технологи-
ческий процесс формирования топологических рисунков при со-
здании ИС. Он подробно описан в гл. 7. Здесь мы остановим-
ся на выводе основных соотношений процесса экспозиции пози-
МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ 141
гивных резистов, которые являются основой для программы ма-
шинного расчета SAMPLE [32], учитывающей все происходя-
щие при этом явления. Электронно-лучевая литография на се-
годняшний день является стандартным методом для производ-
ства шаблонов, используемых в оптической и рентгеновской ли-
тографии. Более того, непосредственное формирование рисунка
на подложках с помощью электронного луча — единственный
метод, обеспечивающий минимальные размеры элементов с ми-
нимальным расстоянием между ними. Окончательные размеры
изображения связаны с процессами рассеяния электронов. Из
известных литографических методов самые малые размеры эле-
ментов достигаются при ионно-лучевой литографии. Ионно-лу-
чевая литография представляет собой процесс ионной имплан-
тации, использующий сфокусированный пучок ионов.
10.5.1. Оптическая литография
Принцип построения фотолитографической системы показан
на рис. 10.17. Информация, которую необходимо перенести на
пластину, содержится в тонком, оптически непрозрачном слое,
расположенном на поверхности прозрачной подложки. Система
экспонирования при использовании такого топологического ри-
сунка (шаблона) формирует изображение, которое состоит из
пространственного распределения интенсивности светового по-
тока вблизи поверхности пластины. Экспонирование с помощью
такого светового потока покрытой резистом полупроводниковой
пластины приводит к локальному повышению растворимости
резиста (в случае использования позитивных резистов) в хими-
ческом проявителе, что способствует облегченному удалению
экспонированных участков.
Моделирование рассматриваемого процесса разбивается на
три части:
1. Оптические расчеты. Конечным результатом оптических
расчетов является определение двумерного распределения ин-
тенсивности (как падающего, так и отраженного) светового по-
тока I. Для расчета 1 необходимо иметь информацию об опти-
ческой системе, картине распределения интенсивности от источ-
ника света и о параметрах фоторезиста и подложки.
2. Расчеты экспонирования. Взаимодействие экспонирующего
излучения / с резистом уменьшает локальную концентрацию ин-
гибитора М. Для расчета мгновенных локальных значений М
необходимо знать конкретные параметры экспонирования, кото-
рые зависят от используемого резиста.
3. Расчеты проявления. Определение чувствительности рези-
ста по отношению к проявителю требует знания эмпирических
констант самого резиста, что дает возможность провести расче-
142
ГЛАВА 10
ты скорости проявления в зависимости от М. Знание скорости
проявления позволяет провести расчеты профиля проявленного
резиста в лк?бой конкретный момент времени с начала прояв-
ления.
Рассмотрим теоретическое моделирование процесса форми-
рования изображения при экспонировании с зазором [33—35]
(см. также гл. 7). Если раз-
меры топологических элемен-
тов и зазор между шаблоном
и подложкой сравнимы с дли-
ной волны света %, используе-
мого для экспонирования, то
определение распределения
интенсивности светового пото-
ка на краях рисунка шабло-
на сводится к задаче дифрак-
ции электромагнитного излу-
чения, определяемой уравне-
ниями Максвелла прн соответ-
ствующих граничных услови-
ях. При этом необходимо рас-
считать квадрат напряженно-
сти электрического поля
поскольку фоторезист реагиру-
ет только на изменение интен-
сивности <?”. Предполагая, что
непрозрачный материал шаб-
лона бесконечно тонкий и яв-
ляется отличным проводником,
любую одномерную картину
можно представить в виде
комбинации поперечных элек-
трических щелей и полупло-
скостей. Тогда дифракция пло-
ской поперечной электрической
волны через хорошо проводя-
малой толщины зависит глав-
ным образом от оптических свойств материала, расположенного
под шаблоном.
На рис. 10.18 приведены результаты моделирования диф-
ракционной картины [35] для реальных величин воздушного
зазора при экспонировании фоторезиста с зазором между стек-
лянной подложкой шаблона и фоторезистом. Значения относи-
тельной диэлектрической проницаемости для стекла, фоторези-
ста, SiO2 и кремния составляют соответственно 2,25; 2,564-/0,032;
3,5 и 21,174-/0,466. Магнитная проницаемость ц всех материалов
Излучение.

Установка литографического
экспонирования
Пространственное
изображение
Резист
РоОложка
Проявление ’
Профиль
резиста
Подложка
Рис. 10.17. Идеализированная фото-
литографическая система. [34].
щую полуплоскость бесконечно
МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
(43
соответствует магнитной проницаемости вакуума. Слой кремния
под резистом вызывает частичное отражение падающей волны.
В результате взаимодействия падающей и отраженной волн в
фоторезисте происходит формирование стоячей волны. Неодно-
2,4 г-
2,2 -
2,0 -
1,8 -
1,5
7,4 ~
1,2
1.0.
0,8
0,6
0,4
0,2
О
х=0
$х Стекло |
I * Вакуум _ 0,05 мкм
-2» фоторезист _$_1,50 мкм
Двуокись кремния 0,50 мкм
кремний!"
I III1!______I__L
г 1 /1 1 .. 1 1 1 1 1— z =0,05 мкм L-1..J 1—
Рис. 10.18. Дифракция на краю хорошо проводящей полуплоскости бесконеч-
но малой толщины, расположенной между стеклянной подложкой шаблона
и фоторезистом на поверхности слоя SiOz, покрывающего подложку кремния.
Непрерывная линия соответствует нормированной интенсивности поля |<?|2, а штрихо-
вая — нормированной плотности распределения энергии в потоке |<?Х(2^*|. Рисунок де-
монстрирует изменение дифракционной картины прн увеличении зазора г от 0 до
1,55 мкм [35].
родности в положении пиков на поверхности резиста (z=0) так-
же обусловлены наличием отражения. Слой SiC>2 приводит к из-
менению фазы отраженной волны. Небольшая величина вакуум-
ного зазора (0,05 мкм) между стеклом и фоторезистом модели-
рует случай плохого контакта при контактной литографии.
Формирование изображения при проекционной литографии.
Большинство проекционных систем конструируется таким обра-
144
ГЛАВА 10
Плоскость
Маска Линза Изображение
Когерентное
излучение *
пропускания Р
$
Рис. 10.19. а — простая идеальная оптическая система; б — экспонирование
шаблона, обладающего синусоидальным пропусканием с периодом Р, коге-
рентным излучением; в — экспонирование шаблона, обладающего сину-
соидальным пропусканием с периодом Р, некогерентным излучением [34].
зом, чтобы устранить дифракцию на всем поле формируемого
изображения. Такие системы обычно используют монохромати-
ческое излучение, что позволяет оптимизировать проекционные
линзы по разрешению, плоскостности поля и искажениям,
а также предотвращает хроматическую аберрацию. Качество
пространственного изображения по отношению к изображению
на шаблоне определяется функцией модуляции передачи (ФМП)
установки литографического экспонирования, которая записыва-
ется следующим образом:
ФМПМ = ^бражениеСу) q 5™
^шаблон (V) ’ V '
где изображение и Мшаблои — соответственно модуляция изобра-
жения и шаблона как функция пространственной частоты (см.
МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ 14S
гл. 7). Это выражение справедливо для шаблона с синусои-
дально изменяющимся коэффициентом пропускания.
Для идеальной системы формирования изображения (рис.
10.19, а) угол Т между максимальным диаметром зрачка и пло-
скостью изображения определяет разрешение. Этот угол может-
быть описан с помощью числовой апертуры NA, равной
jV?l = n-sinT, (10.51)>
или эффективным отношением f/число
//число = 1/2NA,
где п — коэффициент преломления окружающей среды (для воз-
духа п«1).
Получаемое изображение зависит от того, каким образом
освещается шаблон, и от длины волны света А. На рис. 10.19, б-
схематически показано освещение шаблона с периодом сину-
соидального пропускания Р когерентным излучением. При уве-
личении А или уменьшении Р увеличивается угол дифракции Ф:.
До тех пор пока выполняется условие Ф^Т, формируемое изо-
бражение совершенно, поскольку происходит коллимирование*
всего прошедшего света. В том случае, когда рисунок на шаб-
лоне состоит из равных линий и интервалов,.чередующихся с ча-
стотой v = l/P, его можно представить в виде бесконечного ряда1
Фурье [34]:
оо
Рисунок на шаблоне (x) = o04~^ aftsin (2nkvx), (10.52)»
k=i
где ak — коэффициенты разложения в ряд Фурье. Коэффициен-
ты разложения в ряд Фурье интенсивности пространственного-
изображения I могут быть найдены из коэффициентов Фурье-
рисунка фотошаблона за счет использования определения ФМП.
[уравнение (10.50)]:
I (х) — ай -ф ФМ П (kv) ak sin (2akvx). (10.53) -
k=i
Если предположить, что литографическая система работает-
почти на пределе возможностей, то существенное значение име-
ет только основная пространственная частота и ФМП(&¥)=0
при &>1. Теперь рассчитаем амплитуду пространственного изо-
бражения
А (х, z) = -м2а - 14--^- exp [1ф (z)] sin (2nvx)|, (10.54)-
где фазовый угол 0 описывает различные абберации оптиче-
10—233
146
ГЛАВА 10
ской системы. Для совершенной системы экспонирований Ф- зави-
сит только от условий фокусировки и определяется по формуле
0(г) = пгЯ./Р2, (10.55)
где z — расстояние до фокальной плоскости. Интенсивность ко-
герентного пространственного изображения задается следующей
формулой:
/(х) = |Д|8 = Лакс
g
1 — cos 0 sin (2 л vx) -|*>
(10.56)
В случае использования когерентного излучения уравнения
(10.55) и (10.56) описывают процесс формирования изображе-
ния как для установок проекционной печатй, так и для устано-
Сечение
шаблона
Рис. 10.20. Определение буквенных обозначений для частично когерентной
системы [36].
вок бесконтактного экспонирования (с зазором). В последнем
случае величина г соответствует величине зазора между под-
ложкой шаблона и экспонируемой пластиной.
Другой экстремальный случай происходит тогда, когда усло-
вия излучения аналогичны условиям, показанным на рис.
10.19, в. При угле система описывается как некогерентная.
Свет может дифрагировать под углом 2ЧГ (сравните это с углом
в случае когерентного излучения) и будет продолжать собирать-
ся проекционной оптикой.
Исходя из уравнения (10.52) и используя ту же самую ап-
проксимацию, рассчитаем интенсивность пространственного изо-
бражения для некогерентного случая:
Z(x) = -^£-ri4-M/(v)4- sin(2nvx)l, (10.57)
МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
147
где Mj — аппроксимация для некогерентной ФМП при круглом!
зрачке, равная
M;(v)~l—|-sin(vA/). (10.58}
В реальных условиях все установки проекционной печати ра-
ботают в области между двумя крайними случаями: когерент-
ного и некогерентного способов формирования изображения, по--
Положенце,мкм
Рис. 10.21. Влияние расфокусировки, при <5=0,6 на изображение топологи-
ческого рисунка шаблона с шириной линий 2 мкм и расстоянием между ни-
ми 6 мкм (МД=0,28, Х=0,436 мкм) [36].
скольку зрачок линзы объектива заполнен частично, как пока-
зано на рис. 10.20 [36]. Такое условие называется частичной
когерентностью. Оно характеризуется параметром а.— отноше-
нием числовой апертуры линзы конденсора Л^Лс = з1пас (как
было указано выше, пл;1) к числовой апертуре линзы объекти-
ва NA0 = sin а0:
. *=>• <10-59>
Для когерентной системы <т=0, а для некогерентной о=оо.
Разница между о—оо и о=1 мала.
Основные эффекты, происходящие при формировании изо-
бражения с помощью частично когерентного света, иллюстриру-
ет рис. 10.21, где показана расчетная интенсивность [32] вбли-
зи края рисунка фотошаблона, состоящего из линий шириной
2 мкм, расположенных на расстоянии 6 мкм друг от друга. По-
скольку рисунок шаблона является периодичным, наблюдаемая
Ю*
148
ГЛАВА 10
картина симметрична относительно обеих осей х = —1 мкм и
х=3 мкм.
Числовая апертура составляет 0,28, а длина волны —
0,436 мкм. Расфокусировка для кривых, приведенных на рисун-
ке, взята в единицах, соответствующих 0,4 релеевских единиц.
Одна релеевская единица составляет 2,78 мкм (k/2NA20). Рас-
фокусировка d — это расстояние в микронах между поверхно-
стью резиста и точным положением фокальной плоскости.
Расчеты экспонирования фоторезиста [37]. Расчеты экспо-
нирования фоторезиста требуют знания оптических констант
подложки фотошаблона и любого расположенного на ней слоя,
а также толщины всех соответствующих слоев. Ключом к опи-
санию процесса экспозиции в зависимости от оптических свойств
фоторезиста являются параметры А, В и С. Два первых пара-
метра описывают константу поглощения а в соответствии с
формулой
a = AM(z,t)+B, (10.60)
где М — относительное количество фотоактивного ингибитора,
расположенного в любой точке г в момент времени t в ходе экс-
понирования.
В расчете используется коэффициент преломления п фоторе-
зиста в комплексной записи
п = п—ik, (10.61)
где п — действительная часть коэффициента преломления, a k—
коэффициент экстинкции на длине волны А используемого для
экспонирования света, равный
= (10.62)
Коэффициент преломления п можно выразить с помощью
уравнений (10.60) и (10.62) в следующем виде:
п = п_. + (1063)
По мере того как под действием экспонирующего освещения
с интенсивностью I происходит разложение ингибитора, величи-
на п изменяется. Параметр оптической чувствительности С свя-
зывает между собой скорость разложения ингибитора и интен-
сивность падающего света:
= —/(z.OW, t) С. (10.64)
В случае экспонирования с зазором (см. рис. 10.18) интен-
сивность света может заметно изменяться внутри пленки фото-
МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
149
резиста, причем период изменения интенсивности мал по срав-
нению с толщиной самого фоторезиста. Стоячие волны, возник-
новение которых обусловлено интерференцией между падающи-
ми и отраженными лучами света, приводят к неоднородности
концентрации ингибитора и соответствующей неоднородности
коэффициента преломления п.
Поскольку оптические свойства фоторезиста в ходе экспони-
рования непрерывно изменяются и представляют собой функцию
глубины, пленка фоторезиста разбивается на достаточно тонкие
слои, внутри которых свойства фоторезиста можно считать од-
нородными н изотропными [38]. Более того, расчет проводят в
дискретные интервалы времени (т. е. экспонирования), причем
эти интервалы достаточно малы, чтобы свести к минимуму из-
менения интенсивности светового потока и соответствующие из-
менения концентрации ингибитора. Если I, и Mj обозначают ин-
тенсивность светового потока и концентрацию ингибитора в
/-ом слое, то можно рассчитать Ij, поддерживая концентрацию
ингибитора постоянной. Выполним процедуру расчета, обозна-
чая приращение времени экспозиции как Д/е и определяя новые
значения Mj, приняв при этом во внимание, что расчет Ij может
быть повторен. Концентрация Mj меняется в ходе экспонирова-
ния согласно выражению
Mj L +А< = I i еХР (-^0 0 °-65)
I I 1е
при начальном условии Afj|te=o = l- Удовлетворительная точ-
ность достигается в тех случаях, когда толщина слоев 6zj, на
которые разбивается пленка фоторезиста, равна менее чем
0,03 X, а приращение времени экспонирования &te выбирается
таким образом, что максимальное изменение для любой кон-
центрации Mj составляет не более 0,2.
На рис. 10.22 приведены результаты расчета распределения
интенсивности излучения 1(г) для пленки фоторезиста толщи-
ной 0,584 мкм, расположенной на поверхности кремния, покры-
того пленкой SiC>2 толщиной 60 нм, в начале экспонирования од-
нородным пучком света. Концентрация ингибитора после экспо-
нирования световым потоком с энергией 57 мДж/см2 приведена
на рис. 10.23. Это типичный результат для случая однородного
экспонирования фоторезиста на реальной подложке.
Проявление фоторезиста. Описание экспонированной в фото-
резисте картины определяется двумерной матрицей значений
концентрации ингибитора М(х, z). Процесс проявления модели-
руется как реакция травления с поверхностным контролем, ин-
тенсивность протекания которой определяется локальными зна-
чениями М. Концентрация ингибитора М(х, г) предполагается
неизменной внутри единичного элемента с размерами Дх и Дг,
150
ГЛАВА 10
где х их— оси координат. Скорость травления R определяется
следующим уравнением:
/?(Л1) = аехр(£1+£2М4-£8Л42]1 (10.66)
где а (мкм/с) — коэффициент, определяющий скорость травле-
ния, а Е\, Еъ Ез — экспериментальные константы резиста, зави-
сящие соответственно от проявителя, температуры и условий
проведения процесса.
Рис. 10.22. Интенсивность экспони-
рующего излучения в пленке фото-
резиста AZ1350J на глубине до
0,584 -мкм, расположенного на по-
верхности, пленки SiO2 толщиной
60 нм, покрывающей подложку крем-
ния [37].
Рис. 10.23. Концентрация ингибито-
ра внутри пленки фоторезиста, на-
несенной на поверхность структуры
окись кремния — кремний, после экс-
понирования с плотностью энергии
57 мДж/см2 при длине волны
0,4358 мкм [37].
Проявление начинается вдоль поверхности контакта прояви-
теля и фоторезиста. Удаление отдельных элементов с постоян-
ным значением М проявителем происходит в соответствии с
уравнением (10.66) и зависит от числа элементов, находящихся
в контакте с проявителем. После того как предыдущие элемен-
ты удалены, начинается травление новых элементов. Время, не-
обходимое для удаления элемента, у которого экспонирована
только верхняя сторона, определяется формулой
tr = \zlRi}, (10.67)
где Rij — скорость травления отдельного элемента, а Ах — тол-
щина слоя резиста. Если экспонированы верхняя и одна из бо-
ковых сторон, то время выражается следующим образом:
ДхДг___
^1/Д^ + Ду3'
(10.68)
МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
151
На рис. 10.24 приведены результаты расчета профиля фото-
резиста на краю линии с номинальной шириной 1 мкм, экспони-
рование которой проводилось с помощью линзы с NA = 0,45
при Х=0,4358 мкм. Время проявления составляет 85 с. Гребен-
чатый край линии типичен для экспонирования фоторезиста
AZ1350J монохроматическим излучением.
Рис. 10.24. Профиль края линии с номинальным размером 1 мкм в фоторези-
сте AZ1350J после проявления в течение 85 с в смеси AZ-проявитель: вода=
= 1:1 [37].
10.5.2. Электронно-лучевая литография
В электронно-лучевой литографии для экспонирования поли-
мерных резистивных слоев используются остро сфокусирован-
ные электронные пучки. Взаимодействие и рассеяние электронов
внутри пленки резиста и лежащей под ней подложки зависят от
энергии пучка, типа резиста и его толщины, параметров под-
ложки и т. п. Достижение наилучшего разрешения ограничива-
ется скорее всего не характеристиками падающего пучка, а рас-
сеянием электронов. В действительности процесс рассеяния
электронов в твердых телах настолько сложен, что для получе-
ния количественных результатов приходится применять числен-
ные модели. Для практических целей интерес представляет толь-
ко метод Монте-Карло. Для того чтобы рассчитать энергию,
вносимую электронным пучком в пленку резиста по этому ме-
тоду, моделируется большое число отдельных траекторий элект-
ронов аналогично тому, как это осуществлялось при расчете
ионной имплантации в разд. 10.3.2. Электроны претерпевают
рассеяние на ядрах мишени (упругое рассеяние). Кроме того,
потери энергии происходят и за счет процессов неупругого рас-
сеяния при взаимодействии электронов пучка с электронами ми-
шени. Упругое рассеяние в основном приводит к изменению на-
правления движения входящих электронов. Для моделирования
упругого рассеяния используется формула экранирования Ре-
зерфорда с учетом дифференциальных сечений
da , 6 . е02 V1
---- =----—- I ---------к-—-—
dQ 16£2 (^ш 2-----------4 )
(10.69)
152
ГЛАВА 10
где da/dQ — дифференциальное сечение на единичный телесный
угол и 80 — параметр экранирования, равный
0O = 3,7Z1/3E-1/2. (10.70)
Предполагается, что между двумя упругими соударениями
электроны движутся по коротким прямым отрезкам, как это по-
казано на рис. 10.25 [39]. В каждой точке, где электрон претер-
Рис. 10.25. Схематическая диаграмма, иллюстрирующая отдельные этапы мо-
делирования процесса рассеяния электронов по методу Монте-Карло н тон-
кой пленке резиста на толстой подложке [39].
певает соударение, результирующий азимутальный угол 0 опре-
деляется за счет выбора случайного взвешенного числа с диф-
ференциальным сечением по уравнению (10.69). Длина пути %>•
между каждыми двумя соударениями выбирается с помощью
оценки пути свободного пробега за счет другого случайного
числа, лежащего в диапазоне от нуля до единицы. На каждом
этапе энергия электрона уменьшается, что учитывается путем
умножения длины пути на бете-скорость рассеяния энергии:
dE 2jiMog4pZ . 7 1,1658£
~ds АЕ 1П ( 7
где Е — энергия электрона, Z и Л — соответственно атомный
(10.71)
МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
153
номер и атомный вес твердого тела, No — число Авогадро, р —
плотность твердого тела и I — среднее значение энергии воз-
буждения0.
Процесс такого расчета повторяется до тех пор, пока элект-
роны не остановятся. В зависимости от угла рассеяния соуда-
рения могут быть разделены на две категории: прямое рассея-
ние и обратное рассеяние. На рис. 10.26 показаны траектории
пучка из 100 электронов с энергией 10 и 20 кэВ, представляю-
щего собой дельта-функцию и падающего на пленку полиметил-
метакрилата (ПММА) толщиной 0,4 мкм на поверхности тол-
стой подложки кремния. Луч направлен вдоль оси z и все тра-
Рис. 10.26. Расчетные траектории 100 электронов в ПММА.
а — расчеты для пучка с энергией электронов 10 кэВ, представляемого в виде дельта-
функции; б — расчеты для пучка с энергией 20 кэВ, представляемого в виде той же
функции [39].
ектории спроецированы на плоскость хг. Рисунок качественно
показывает степень прямого поперечного рассеяния внутри
пленки, а также степень и положение обратного рассеяния. Об-
ратно рассеянные электроны могут выходить из вещества на
расстояниях, расположенных достаточно далеко от места вхож-
дения пучка.
Результаты расчета по методу Монте-Карло для линейного
пучка (6-функции) с энергией 20 кэВ при использовании пленки
ПММА толщиной 0,4 мкм на поверхности А1 показаны на рис.
10.27. Здесь промоделированы траектории 20 000 электронов.
Радиальное распределение плотности энергии показано для
различной глубины (0,1 и 0,4 мкм). Для сравнения здесь же
приведены и аналитические результаты [40, 41]. Для условий
вблизи поверхности данные, определенные по методу Монте-Кар-
ло, немного выше результатов, полученных с использованием
других моделей.
Скрытое изображение, которое представляет собой плотность
поглощенной энергии от источника, являющегося линейной
*> Формула справедлива дли Z^13. — Прим, перев.
154
ГЛАВА 10
6-функцией, позволяет провести расчеты пространственного рас-
пределения плотности энергии для пучка любой произвольной
формы с помощью фурье-преобразования. Если экспонируемый
профиль должен быть получен в виде прямоугольного пучка
(рис. 10.28, а), то профиль плотности поглощенной энергии оп-
х,мкм
Рис. 10.27. Профиль распределения
плотности энергии для линейного
источника [39, 40].
ределяется из результатов рас-
чета по методу Монте-Карло
путем свертки гауссова рас-
пределения с учетом размеров
самого прямоугольника [42].
Результат свертки записывает-
ся как
-НтО (10-72)
где В — ширина пучка (пол-
ная ширина на 1/2 максималь-
ного значения) равна 2а, о —
среднеквадратичное отклоне-
ние, а К — некоторая констан-
та. Для а/о^>1 наклон края
распределения составляет
-У- (Ю.73)'
dX х=±а V2^
Ширина края EW опреде-
ляется как У2ло/2 и получает-
ся путем проведения касатель-
ной к точке f(±a), пересека-
ющей f(x)=O и f(x)»
= 2К erf(a/y2a). Край /(х)
симметричен относительно
средней точки высоты распре-
деления. В * * * * *
Если экспонируемая картина должна быть получена в виде
линии, составленной из одного или более пучков с гауссовой
формой распределения, но с разными параметрами, то пучок
описывается выражением (рис. 10.28,6)
/ (х) = К ехр (х2/62).
(10.74)
В зависимости от действительной формы пучка для числен-
ной свертки открытого изображения от идеального линейного
источника используют либо выражение (10.72), либо выражение
(10.73). Такая свертка предполагает, что справедливо предполо-
жение о совпадении Между областью экспонирования электро-
нами и областью поглощения энергии.
МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
155
На рис. 10.29 представлены результаты моделирования по
методу Монте-Карло энергии, внесенной в резистивную пленку
толщиной 1,8 мкм на различной глубине при энергии электронов
в пучке 25 кэВ. На поверхности (z=0) профиль распределения
энергии очень узкий, однако по мере увеличения глубины он
Рис. 10.28. Экспонирование рисунков в случае пучка произвольной формы
(£W — ширина края).
а — схематическое представление прямоугольного пучка [42]; б — схематическое пред-
ставление круглого пучка с гауссовым профилем.
становится все более широким благодаря вкладу рассеяния от
подложки. Для того чтобы рассчитать горизонтальное распреде-
ление внесенной в резист энергии (рис. 10.29,6), осуществляют
свертку распределения 6-функции с прямоугольным пучком, по-
казанным на рис. 10.28, а. Как можно видеть, внесенная энергия
меняется с .глубиной г. Хвостовые части первоначальной линии
в глубине резистивной плёнки представляют, собой значитель-
ную часть общего распределения, отображенного на рис. 10.29, б.
Как и в случае оптической литографии, рассчитаем процесс
проявления резиста. Для позитивных резистов основное соотно-
шение между 7? и Е выглядит следующим образом:
. /? = (Л4-В£'")[1—ехр(—аг)]-|-е(Д), (10.75)
156
ГЛАВА 10
Рис. 10.29. а — продольное распределение энергии, внесенной в пленку поли-
мерного резиста толщиной 1,8 мкм на кремннн (25 кэВ, размер экспонируе-
мых элементов 2 мкм), рассчитанное по методу Монте-Карло для идеально-
го линейного источника; б — продольное распределение энергии, внесенной
в пленку резиста толщиной 1,8 мкм электронами с энергией 25 кэВ, для ли-
нии шириной 2 мкм после свертки с прямоугольным пучком (рнс. 10.28, а);
в — продольное распределение скорости травления для той же пленки ре-
зиста н скрытое изображение прн Q=20 мкКл/см2 [42].
где R (нм/с)—скорость травления, z — расстояние в глубь
структуры от поверхности, Е (кэВ/см3) — плотность локально
поглощенной энергии, а А, В и п — константы пропорциональ-
ности. Зависимость е от Е моделируется в виде
е(£) = е04-С£т, (10.76)
где С и т — константы, а Е оценивается для z=0. Уравнение
МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ 157"
(10.75) означает, что при zCl/a и исчезающе малой дозе пада-
ющего пучка Q /? = ео. При z=l/a и Q = 0 имеет место равенство
7?=Д+ео. Такой характер поведения при растворении наблю-
дался экспериментально для определенных позитивных резистив-
ных материалов при экспонировании их светом и электронным;
лучом. Если а становится больше и С=0, то уравнение (10.75)
переходит в уравнение скорости растворения, характерное для
ПММА и используемое в машинной программе SAMPLE [32].
Параметр а можно интерпретировать как расстояние, на кото-
рое должна произойти диффузия растворителя в глубь резиста,,
перед- тем как начнется какая-либо существенная реакция про-
явления, что соответствует диффузионному расстоянию 1/а. Кор-
ректирующий клен е(Е) необходим для правильного описания
скорости поверхностной реакции.
Уравнение (10.75) описывает, каким образом скрытое изо-
бражение (рис. 10.29,6) переходит в профиль травления. На
рис. 10.29, в показано распределение горизонтальной скорости;
травления со следующим набором констант, входящих в форму-
лы (10.75) и (10.76): А = 5 нм/с, а=1,5 мкм-1, В=2;5-10-18, п—
= 1,05, С=2,0-10~30, т=1,5 и ео = О,О5 нм/с. Процесс проявле-
ния протекает точно таким же образом, как это описывалось-
ранее при обсуждении процесса проявления фоторезиста.
Моделирование по методу Монте-Карло совместно с моде-
лированием резиста — чрезвычайно мощный метод для иссле-
дования эффектов близости (см. гл. 7):. Предположим, что не-
обходимо провести проявление матрицы сверхмалых элементов-
с шириной линий 0,5 мкм и расстоянием между ними 1 мкм, экс-
понированной в резисте из ПММА. Вследствие рассеяния элект-
ронов различные линии проявляются неодновременно. На рис.
10.30, а представлено нормированное значение плотности энер-
гии для двух значений глубины пленки резиста. Хотя на каждую»
линию приходится одинаковая доза плотностей энергии, в глу-
бине пленки резиста внешние линии поглощают меньшее коли-
чество энергии Е. Расчет профиля проявления (рис. 10.30, а)
остановлен в тот момент, когда профиль центральной линии до-
стиг нижней границы пленки резиста. При соответствующем
подборе дозы облучения для каждой линии можно достичь то-
го, что все линии после проявления будут иметь одинаковые-
размеры за одно и то же время проявления. Для этого необходи-
мо выбирать глубину г, на которой максимальная плотность по-
глощенной энергии должна быть однородна, и- машинная про-
грамма путем последовательных итераций подбирает относи-
тельные значения дозы облучения. Для той же самой матрицы'
элементов доза на глубине z=0,5 мкм, согласно расчету, долж-
на составлять 1,111 для двух внешних линий и. 1Д41 для двух,
внутренних линий. Для центральной линии доза экспонирование
158
ГЛАВА 10
Расстояние от центра основной линии мкм
6
Расстояние от центра основной линии, мкм
г
Рис. Г0.30. .а *— продольное распределение энергии» внесенной в пленку элек-
тронами с энергией 20 кэВ на различной глубине в пленке; б — расчётный
профиль скрытого изображения при следующих параметрах проявителя:
4 = 0,1 нм/с, В=8,0-Г0-37 (см3/кэВ)2 и ге=2,0, что соответствует ПММА при
проявлении в метилизобутилкётон : изопропиловый спирт=1 : 1. (профиль рас-
пределения глубины травления показан в тот момент, когда первая линия
достигает поверхности подложки Si; Q=80 мкКл/см2); в — распределение
энергии, внесенной в пленку резиста на различной глубине при вёличиие мо-
дуляций дозы на двух внешних линиях 1,111 и 1,041, иа двух внутренних
линиях (центральная линия получила дозу, принимаемую за 1,000) для мат-
рицы из пяти линий с размерами и шириной зазора между ними 0,5 мкм;
г— расчетный профиль проявления скрытого изображения для способа об-
лучения, показанного на рис. в (все пять линий достигают поверхности под-
ложки одновременно; Q = 80 мкКл/см2, параметры проявителя те же, что
и для случая на рис. б) [42]. /
МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
159
принимается за 1,000. На рис. 10.30, в и г показаны соответст-
вующие скрытые изображения и профили проявления при такой
модуляции дозы экспонирования.
Использование метода Монте-Карло для корректировки дозы
экспонирования с учетом эффектов близости слишком дорого,
поскольку требует составления больших программ вычисления
и больших затрат машинного времени. Для облегчения изучения
эффектов близости используют аналитические функции.
Рис. 10.31. Графическое пред-
ставление функции /(г), учи-
тывающей близость располо-
жения элементов, для произ-
вольных значений энергии па-
дающего электронного пучка,
резиста и подложки. (Распре-
деление электронов, рассеян-
ных в прямом направлении,
имеет характеристическую ши-
рину Р,, а распределение элек-
тронов, рассеянных в обратном
направлении, — Рь) [45].
Функция f(r), учитывающая близость расположения элемен-
тов (рис. 10.31), может быть аппроксимирована двумя гауссо-
выми распределениями со среднеквадратичными отклонениями
Р/, рь и отношением площадей т)е
. Г (—г* ПаР?2 / —г2 V
f(/-) = K[exp(1?-}+-1?-exp(-p-) *'
(10.77)
Для определения . параметров, входящих в уравнение
(10.77), в каждом конкретном случае выбора состава резист —
подложка и энергии Е [41] используются расчеты по методу
Монте-Карло [43] и экспериментальные методы [44]. В реаль-
ных задачах сложные топологические рисунки разбивают на
элементарные фигуры. Если эти элементарные фигуры пред-
ставляют собой прямоугольники, то топологический рисунок,
состоящий из N прямоугольников, обладает 5W параметрами
регулировки: четырьмя геометрическими параметрами (двумя
величинами х и двумя величинами у) и одним параметром экс-
понирования на каждый прямоугольник. Функция, учитываю-
щая близость расположения элементов (10.77), используется
для расчета дозы, необходимой для экспонирования i-й элемен-
160
ГЛАВА 10
тарной фигуры с площадью Д<:
D—JpWdxdt/. (10.78)
At
В случае использования прямоугольников решение уравнения
'(10.78) получается в аналитическом виде. На следующем этапе
•определяется набор из М чисел, значения которых отражают
качественное соответствие между расчетными и требуемыми то-
кологическими рисунками. Здесь происходит ограничение каж-
дой элементарной фигуры только по одному из параметров ре-
гулировки (M = N) [45]. Единственный параметр соответствует
дозе экспонирования элементарной фигуры и единственный
вектор Mi — средняя доза в элементарной фигуре. Используя
•уравнение (10.78), можно рассчитать среднюю дозу в /-Й фигуре
.в ходе экспонирования i-й фигуры:
£>/, = (1/4) (10.79)
Общая средняя доза в /-й фигуре представляет собой сумму
^вкладов всех доз экспонирования:
^=2^’ (10-80)
где Dji линейна по отношению к экспонированию и представля-
ется в виде
(Ю-81)
.a Kji симметрична по отношению к i и / (Kij = Kji) [46].
Полагая каждое Di равным некоторой средней дозе D, по-
.лучим .систему из N уравнений:
^1^11 ~\~^2^12~^~ • • • = В
..................................... (10.82)
Решение этой системы позволяет определить все значения Е.
Качество корректировки, достигаемое по рассмотренному
алгоритму, ограничивается способом разделения общего тополо-
гического рисунка на элементарные фигуры. Эффективность
увеличения числа форм разбиения может быть проконтролиро-
вана за счет выделения в топологическом рисунке только тех
участков, которые наиболее сильно влияют на возникновение
эффектов близости [47]. Подход к процедуре выделения таких
участков :в топологическом рисунке состоит в следующем:
МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
161
Рис. 10.32. а — разбиение топологического рисунка на восемь прямоугольни-
ков; б — разбиение топологического рисунка на 21 прямоугольник, получен-
ное при использовании алгоритма, описанного в разд. 10.2.
Обратите внимание на участки I—IV, где необходимо провести корректировку эффектов
близости» для того чтобы добиться растворения резиста и точного воспроизведения топо-
логического рисунка. Если такая корректировка не проводится, то относительная вели-
чина экспонирования каждого прямоугольника принимается равной единице. Если такая
корректировка проводится с использованием самосогласованного алгоритма, величина
экспонирования, показанная в относительных единицах на рисунке, подбирается для
каждого прямоугольника.
1. Предварительная попытка корректировки эффектов бли-
зости для данного топологического рисунка.
2. Оценка качества полученного топологического рисунка.
3. Если качество топологического рисунка не выдерживает
определенных критериев в какой-либо точке, то необходимо
уменьшить размеры элементов в этой точке и прилегающих к
ней областях.
4. Повторная попытка корректировки.
Такая процедура повторяется до тех пор, пока качество то-
пологического рисунка не становится удовлетворительным или
пока дальнейшее уменьшение размеров элементарных фигур,
11—233
162
ГЛАВА 10
выделяемых в топологическом рисунке, делается невозможным
в связи с техническими ограничениями, связанными с электрон-
но-лучевым оборудованием.
Приложение этого алгоритма к восьми прямоугольникам на
топологическом рисунке, показанном на рис. 10.32, а, приводит
к разбиению топологического рисунка на более мелкие прямо-
угольники (рис. 10.32,6). Обратите внимание на области I—IV
на рис. 10.32, а, где эффекты близости приводят к необходи-
мости корректировки для полного растворения резиста и дости-
жения необходимого качества топологического рисунка. Если
корректировка проводилась по алгоритму, определяемому урав-
нениями (10.79) — (10.82), то расчетные величины экспониро-
вания для каждого прямоугольника соответствуют приведенным
на рис. 10.32, б.
10.5.3. Ионно-лучевая литография
По сравнению с методами оптической, рентгеновской и элект-
ронно-лучевой литографии ионно-лучевая литография может
обеспечить более высокое разрешение, поскольку:
1) ионы обладают большей массой и, следовательно, мень-
ше подвержены явлениям рассеяния;
2) резисты, такие, как ПММА, более чувствительны к ио-
нам, чем к электронному пучку;
3) ионные пучки (аналогично электронным пучкам) могут
использоваться для создания топологических рисунков как по
способу проекционной печати, так и путем непосредственного
экспонирования структур сфокусированным пучком.
Моделирование процессов ионно-лучевой литографии прово-
дится аналогично тому, как это делалось для электронно-луче-
вой литографии, и основывается на расчетах по методу Монте-
Карло [48]. На рис. 10.33 показаны промоделированные траек-
тории 50 ионов Н+, имплантированных при энергии 60 кэВ в
ПММА на различных подложках. Необходимо отметить следую-
щие особенности:
1. Расширение ионного пучка на глубине 0,4 мкм составляет
~0,1 мкм во всех случаях (сравните с рис. 10.26).
2. Обратное рассеяние полностью отсутствует для кремние-
вых подложек.
3. Количество обратно рассеянных ионов ограничено для
подложки из Au.
Моделирование протекает аналогично моделированию про-
цессов электронно-лучевой литографии путем свертки линейной
дельта-функции с реальной формой пучка [см. уравнение
(10.72) или (10.74)].
МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
163
Расстоянии, мкм
0,30 0,20 0,10 оро 0,10 0,20 0,20 0,10 0,00 0,10 0,20_0,20 0,10 0,00 0,Ю 0,20 0,30
Рис. 10.33. Траектории ионов Н+ с энергией 60 кэВ, проникающих через пленку ПММА в Au, Si, а также ио-
нов, распространяющихся в толстой пленке ПММА [48].
И
164
ГЛАВА tO
На рис. 10.34 представлены гистограммы поглощенной энер-
гии в плоскости xz для пяти линий шириной 0,1 мкм с расстоя-
нием между ними 0,1 мкм при имплантации ионов Н+ с энергией
60 кэВ на глубину 0,04 и 0,4 мкм. Обратите внимание на ко-
нечную степень расширения пиков поглощения энергии. На
границе раздела между ПММА и Si перекрытие пиков энергети-
Рис. 10.34. Гистограмма распределения поглощенной энергии в плоскости хг
для пяти линий шириной 0,1 мкм после облучения пучком ионов Н+ с энер-
гией 60 кэВ в направлении у [48].
а —энергия, поглощенная иа глубине 0,04 мкм; б —энергия, поглощенная иа глубине
0,4 мкм.
ческого поглощения между соседними линиями в средней точке
разделяющего их пространства чрезвычайно мало (1/80 макси-
мальной величины пика; сравните эту величину с показанной
на рис. 10.30). Поэтому влияние эффектов близости в случае
ионно-лучевой литографии пренебрежимо мало, что находит
свое отражение и в процессе моделирования профилей проявле-
ния, которое протекает точно таким же образом, как и модели-
рование профилей проявления, экспонированных электронным
пучком. На рис. 10.35, а и б показаны профили проявления при
высокой (2-10~6 Кл/см2) и низкой (0,6-10~® Кл/сма) дозе экс-
понирующего облучения. Проявленные линии обладают верти-
кальными стенками, на форму которых не оказывает влияния
экспонирование соседних линий.
МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
165
10.6. ТРАВЛЕНИЕ И ОСАЖДЕНИЕ
По мере уменьшения размеров приборов такие этапы тех-
нологического процесса изготовления кремниевых ИС, как трав-
ление и осаждение, начинают играть все более важную роль..
Управление профилем травления и формой осаждаемых слоев#
оказывает непосредственное влияние на характеристики готовых
приборов и ИС. Для того чтобы обеспечить получение элемен-
0,50 0,40 0,30 0,20 0,10 0,00 0,10 0,20 0,30 0,40 0,50
Расс(пояние,мкм
Рис. 10.35. Профили проявления в ПММА. Пять линий шириной 0,1 мкм на
расстоянии 0,1 мкм друг от друга, экспонированных пучком ионов с энер-
гией 60 кэВ. Проявитель метнлизобутилкетон: изопропиловый спирт= 1 s 1.
а —доза: 0,6-10-“ Кл/см2, профили соответствуют 1, 3, 5, 7 и 9 мии проявления; б —
доза: 2,0-10-“ Кл/см2, профили соответствуют 15, 30, 45, 60 и 75 с проявления [481.
тов сверхмалых размеров в технологии СБИС, необходимо при-
менение методов сухого травления (см. гл. 8). Упомянутые ме-
тоды охватывают диапазон от химических изотропных процес-
сов до физических однонаправленных процессов (ионное распы-
ление). Между ними находятся смешанные физико-химические
методы, например реактивное ионное травление. В большинстве
технологических процессов формирования ИС используются по
крайней мере два слоя межсоединений. Эти слои формируются
путем осаждения и создания топологического рисунка по поли-
кремнию и А1. Необходимость использования низкотемператур-
ных процессов и методов травления, характеризующихся повы-
шенным анизотропным действием, приводит к возникновению
крутых профилей краев вытравливаемых участков, что сущест-
венно осложняет попытки осаждения на поверхности такого;
рельефа пленок однородной толщины. Моделирование процессов
166
ГЛАВА 10
Осаждения необходимо для .получения точных результатов, ко-
торые могут оказать помощь при оптимизации выбора конкрет-
ной системы источник — подложка.
10.6.1. Алгоритм модели струны
В отношении моделирования как процессы травления, так и
'процессы осаждения представляют собой в значительной степе-
ни геометрические задачи. В модели струны граница между об-
работанной и необработанной областями (например, между про-
травленной и непротравленной областями в ходе травления) ап-
проксимируется набором точек, соединенных между собой пря-
мыми отрезками [49, 50]. Результирующий профиль обработан-
ной поверхности определяется положением первоначального
профиля, который двигается через среду с учетом того, что ско-
рость распространения в каждой точке является функцией ло-
кальных переменных. Рассмотрим пример, приведенный на рис.
10.36, а и б, который иллюстрирует приложение модели струны
к процессам изотропного и анизотропного травления. Типичным
примером случая изотропного травления является плазмохими-
ческая обработка кремниевых слоев с помощью фторсодержа-
щих соединений (CF4 или SF6). Основная происходящая при
этом реакция
Si-}-4F—> SiF4. (10.83)
описывает химию процесса. Если в наличии имеются только сво-
бодные радикалы фтора, процесс травления протекает изотроп-
но в любой точке, где имеется незащищенная для них поверх-
ность кремния. При таких условиях изотропности процесса мо-
делирование травления заключается в придании всем точкам
струны постоянной скорости перемещения в направлении биссект-
рисы угла, образуемого между двумя перпендикулярами к со-
седним прямолинейным отрезкам. Скорость анизотропного трав-
ления пропорциональна косинусу угла между направлением по-
тока травящих частиц и нормалью к поверхности (рис. 10.36,6).
В крайнем случае может происходить возникновение теневых
участков, как это показано на рис. 10.36, в. Для того чтобы при-
нять во внимание возникновение теневых эффектов, положение
всех точек рассматривается по отношению к линии, параллель-
ной направлению потока травящих частиц. Скорость травления
точек, которые затенены другими отрезками, принимается рав-
ной изотропной скорости фонового травления. При моделирова-
нии процессов ионного распыления [51] применяются те же
точечное приближение и алгоритм затенения, что и в процес-
сах однонаправленного травления. Кроме того, для соседних от-
резков берется среднее значение угла по отношению к направ-
МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
167 :
Изотропное травление
Рис. 10.36. Использование модели струны для представления процессов изо-
тропного травления, а также крайних ситуаций, возникающих при ионном
распылении.
а — изотропное и б — анизотропное поступательное перемещение точек, принадлежащих
профилю края обрабатываемой поверхности; в — точки струны, расположенные в
теневых участках; г — определение локальных угловых ориентаций в модели ионного
распыления.
лению ионного пучка. Процедура моделирования процессов
ионного распыления схематически представлена на рис. 10.36, г.
В машинной программе SAMPLE [32] скорость травления вдоль
этих линий моделируется в соответствии с эффективностью рас-
пыления:
S (0) = So (-у) (A cos 0+В cos2 0+С cos4 0), (10.84)
где параметры So, А, В и С характеризуют эффективность рас-
пыления материала, подвергаемого ионному травлению, р—
168
ГЛАВА 10
Рис. 10.37. Изотропное подтравливание, происходящее в ходе анизотропного
травления: моделирование [50] и эксперимент [52].
плотность атомных слоев, а Ф — плотность тока в ионном пучке.
В соответствии с моделью струны рост пленок в ходе осаж-
дения моделируется прямо противоположно травлению. Продви-
жение каждой точки кусочно-линейного профиля определяется
условиями осаждения. В процессе такого продвижения за счет
автоматического подбора происходит добавление или отбрасы-
вание точек на отрезках струны, когда последние становятся
очень длинными или очень короткими.
МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
169
10.6.2. Травление
Вся совокупность процессов плазменного травления может
быть эмпирически классифицирована [51, 52] на изотропные и
анизотропные процессы. Рис. 10.37 иллюстрирует природу этих
двух процессов. Слой поликремния вытравливается анизотроп-
но под слоем изотропно перетравленной двуокиси кремния. На
рис. 37, а приведены результаты моделирования [32, 50], кото-
рые демонстрируют две отдельно вытравливаемые составляю-
Рис. 10.38. Реактивное ионное травление SiCh и Si: моделирование [50]
и эксперимент [53].
щие структуры. Моделирование подразумевало использование
сначала изотропного травящего состава для травления слоя
SiO2, а затем проведение анизотропного травления кремния. Ре-
зультаты следует сравнить с экспериментальными данными
(рис. 10.37,6). Путем выделения изотропной и анизотропной
компонент из экспериментальных данных можно промоделиро-
вать весь процесс сухого травления. На рис. 10.38 проведено
сравнение результатов моделирования (рис. 10.38, а) [32] с мик-
рофотографией структуры SiO2—Si, покрытой пленкой А12О3
(рис. 38, б), после реактивного ионного травления; фотография
получена с помощью растрового электронного микроскопа. Ско-
рости травления, использованные при моделировании, определе-
ны на основе экспериментальных данных [53]. Травление SiO2
происходит по большей части анизотропно, тогда как кремний
более подвержен химически изотропному травлению в ходе об-
работки.
170
ГЛАВА 10
Рис. 10.39. Пример ионного распыления.
а — микрофотография структуры, состоящей из 0,4 мкм маски Ti (взрывная фотолито-
графия) иа поверхности пленки Ап иа Si, в процессе распыления Ti иа глубину 1 мкм;
о — моделирование процесса иоииого распыления, показанного иа рис. а [61].
Пример ионного распыления [51] представлен на рис. 10.39.
Экспериментальные результаты для жестких масок на основе
Ti на мягких слоях Au на Si показаны на рис. 10.39, а. Слои Ti
толщиной 0,4 мкм осаждаются на поверхность структуры и в ка-
честве ускоряемых ионов для распыления служат ионы Аг. Об-
ратите внимание, что края титановой маски в ходе ионного рас-
пыления скашиваются под углом 45°. После 4 мин травления
образующиеся на краях фасетки достигают поверхности пленки
Au. При малом времени травления (2 мин) образующийся в
пленке Au профиль имеет вертикальные стенки, однако по ме-
МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
171
ре увеличения времени распыления наклон последних уменьша-
ется. Соответствующие результаты моделирования, представ-
ленные на рис. 10.39, б, наглядно и с высокой точностью воспро-
изводят все явления, обнаруженные экспериментально.
10.6.3. Осаждение
При моделировании процессов осаждения используется тот
же алгоритм модели струны, который применялся при модели-
ровании травления. При таком моделировании делаются следу-
ющие предположения [32, 54]:
1. Среднее значение пути свободного пробега атомов боль-
ше, чем расстояние между источником этих атомов и подлож-
кой.
Поток парообразных
частиц
Рис. 10.40. Источники испарения: а —
однонаправленный, б — двойной, в —
полусферический.
Источник 1
< Поток
[рХпарообраиных
I частиц
Источник 2
2. Расстояние между источником атомов и подложкой боль-
ше высоты ступенек рельефа.
3. Величина скорости роста пленки подчиняется косинусои-
дальному закону распределения, т. е. скорость роста пропорцио-
нальна cos а, где а — угол между направлением потока парооб-
разных частиц и нормалью к поверхности.
4. Направление роста совпадает с направлением потока па-
рообразных частиц.
5. Коэффициент прилипания принимается равным единице
для холодных частиц.
6. При повышенной температуре поверхностная миграция по
подложке происходит хаотически. Увеличение температуры под-
172
ГЛАВА 10
ложки приводит к увеличению расстояний, на которые происхо-
дит миграция.
Результаты процесса осаждения существенным образом за-
висят от типа реально используемого источника испарения. Для
однонаправленных источников (рис. 10.40, а) поток парообраз-
ных частиц подходит к поверхности только в одном направле-
нии. Поэтому в затененных участках рост пленки не происходит.
Рис. 10.41. Схематическое изображение планетарной системы и ее геометри-
ческие параметры. [55].
Для открытых участков скорость роста описывается следующей
зависимостью:
R(x, z) = Csina1i-|-Ccosa1k (10.85)
где си — угол между осью z и направлением потока парообраз-
ных частиц, i и к — единичные векторы, совпадающие соответ-
ственно с направлениями х и z, а С — скорость роста открытых
участков в направлении, перпендикулярном направлению по-
тока парообразных частиц. В случае использования двойного
источника испарения (рис. 10.40,6) каждая точка открытых
участков подвергается воздействию двух потоков парообразных
частиц, в результате чего выражение для скорости роста запи-
сывается в виде
R (х, z) = C(sina1-l sino^) i-f-C (cosc^-J-coso^) k. (10.86)
Для полусферического источника (рис. 10.40, в) поток па-
рообразных частиц распределен в диапазоне направлений со
МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
173
скоростью роста
7? (х, z) = С (cos ах—cos а2) i +С (sin —sin Oj) k, (10.87)
где ai и аг — нижний и верхний пределы углов падения потока
парообразных частиц.
На рис. 10.41 показана планетарная система. При такой кон-
фигурации вращение подложкодержателя вокруг оси управле-
ния системой не влияет на скорость осаждения. Скорость роста
рассчитывается путем предположения о неподвижности подлож-
кодержателя и вращения вокруг его оси источника. Скорость
роста при осаждении, происходящем под всеми углами между
амин И амакс, вычисляется по формуле [55]:
®макс
Rx (х, z) = J Дх; (а—Р) da
®мии
®макс
Rz (х, z) = J Дгг (a—Р) da.
®мин
Переменные Дх,(а) и Дг,(а) определяются как
Дхг (а) = I (со) cos 0" tg а
Агг (а) = / (со) cos0"-^~,
(10.88)
(10.89)
(10.90)
(10.91)
где I (со) dw—количество материала, попадающего на единичный
участок площади при повороте на dw.
(10.92)
и 0"— угол между осью z и направлением потока парообразных
частиц. Конический источник является частным случаем плане-
тарного источника с р = г=0. Уравнения (10.89) — (10.92) могут
быть выражены в аналитическом виде как
Rx (х, z) =
R (R^ + LW)
(fl + Z.)2 Vfl2 + 1Г2
j/” I ( ®мин
(10.93)
174
ГЛАВА 10
И
Rz (х>2) = Jarcsin 0^- tg амакс)—
IL . \] L(R2 + LW)
arcsm I -7Г tg «мин ) ---1 Г-/
V R (£2 + Li) yR2 Ц72
(10.94)
На рис. 10.42 приведен пример изохронного контура для пла-
нетарного испарителя, полученного расчетным путем [56]. За-
Рис. 10.42. Моделирование изменения
контура поверхности в ходе осажде-
ния пленки А1 [56].
В асимметричном случае как
ные результаты показывают
частичное осаждение справа.
тенение поверхности проявля-
ется в уменьшении , уровня
осажденного материала как
на поверхности грани, так и
на дне ступеньки. Небольшие
трещины возникают на грани-
це между затененными и от-
крытыми участками и на дне
вертикальной ступеньки. Срав-
нение расчетных и эксперимен-
тальных результатов для
структуры, состоящей из линий
шириной 1 мкм с расстоянием
между ними, равным также.
1 мкм, представлено на рис.
10.43. В симметричном случае
(рис. 10.43, а) небольшое уг-
лубление обусловлено затене-
нием от обеих сторон ступенек,
расчетные, так и эксперименталь-
образование углубления слева и
10.7. МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРИБОРОВ
Для успешного проектирования приборов их моделирование
необходимо проводить с учетом технологических процессов.
Это позволяет принять во внимание взаимное влияние техно-
логии изготовления и характеристик полупроводниковых прибо-
ров. Моделирование приборов основано на численном расчете
системы линейных дифференциальных уравнений в частных про-
изводных [57], что позволяет получить представление о харак-
теристиках полупроводниковых приборов. В зависимости от за-
дачи приходится применять одномерные модели [58] или моде-
ли более высокого порядка [57]. Рассмотрим технологический
процесс для создания полевых n-канальных МОП-транзисторов
с субмикронными размерами [59]. Для создания топологическо-
МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
175
Рис. 10.43. Сравнение результатов моделирования с экспериментальными дан-
ными для линий шириной 1 мкм и таким же расстоянием между ними.
(Подложки диаметром 50 мм располагались на внешней стороне подложко-
держателя системы Airco Temescal 1800.)
а — теоретические и б — экспериментальные данные для симметричного случая: в — тео-
ретические и г — экспериментальные данные для асимметричного случая [56].
го рисунка используется электронно-лучевая литография с но-
вым многослойным резистом. Перенос литографического изо-
бражения на структуру производится с помощью методов сухо-
го травления. В табл. 10.1 указаны этапы технологического про-
цесса изготовления требуемой структуры. На всех этапах про-
ведения литографических процессов использована трехслойная
структура резиста (см. гл. 7). В качестве основания для такой
структуры используется толстый слой высокополимерного рези-
ста, который покрывается тонким промежуточным слоем
аморфного кремния, выполняющим роль шаблона. Верхним ело-
176
ГЛАВА 10
ем является слой электронорезиста. На различных уровнях ис-
пользуются позитивные и негативные резисты. Помимо лито-
графических этапов особую важность в данном технологическом
процессе представляют этапы имплантации ионов в область
ограничения распространения канала и в область канала для
регулировки порогового напряжения (этапы 2, 5 и 7), а также
в области истока и стока (этап 15).
Таблица 10.1. Карта технологического процесса изготовления полевых
n-канальных МОП-транзисторов (подложка: кремний, легированный
бором, 6—8 Ом-см)
1. Выращивание окисной пленки, 350 нм
2. Ионная имплантация бора, 150 кэВ, 2-1012 см-2
3. Литография активных областей, ПБС(+)-резист
4. Травление окисла
5. Ионная имплантация бора, 150 кэВ, 0,5-1012 см-2 (необязательна)
6. Литография области обеднения, ПБС(+) -резист
7. Ионная имплантация As, 60 кэВ, 3-1012 см-2
8. Выращивание подзатвориого окисла, 25 нм
9. Осаждение поликремния, 150 нм
10. Литография по слою поликремния, ПБС(+)-резист
11. Травление полнкремния; травление окисла
12. Осаждение полнкремния, 200 нм
13. Литография по слою поликремния, ПГМАКЭА(—)-резист
14. Травление поликремния
15. Ионная имплантация As, 30 кэВ, 7-Ю15 см~2
16. Выращивание тонкого окисла, осаждение фосфорно-силикатного стекла и
планаризация поверхности
17. Литография для вскрытия контактных окон, ПБС(+)-резист
18. Травление окисла
19. Формирование силицида
20. Осаждение поликремния и алюминия
21. Литография по слою металла, ПГМАКЭА(—)-резист
22. Травление алюминия, травление поликремния
23. Вжигание алюминия, металлизация обратной стороны подложки
В течение всего технологического процесса происходит не-
сколько этапов низкотемпературного отжига (7=900 °C). Для
всех основных этапов технологического процесса предусмотрено
двумерное моделирование. На рис. 10.14, а показана общая кон-
центрация примеси, рассчитанная при моделировании техноло-
гического процесса, описанного в табл. 10.1. На рис. 10.44 при-
ведены расчетные профили распределения концентрации леги-
рующей примеси в области канала прибора, работающего в ре-
жиме обогащения, для одностадийной (этап 3) и двухстадийной
(этапы 3 и 5) имплантации бора с учетом всех операций по
термообработке, входящих в технологический процесс. При ис-
пользовании данных, приведенных на рис. 10.14, а, в качестве
исходных для двумерной модели прибора получено превосход-
ное совпадение между результатами измерений и расчета, что
МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
177
наглядно видно на примере вольт-амперных характеристик,
приведенных на рис. 10.45. Аналогичные качественные резуль-
таты получены для зависимости величины порогового напряже-
ния от длины затвора для приборов, работающих как в режиме
обогащения, так и в режиме обеднения.
Рис. 10.44. Расчетная концентрация легирующей примеси в канале прибо-
ров, работающих в режиме обогащения для а) одностадийной и б) двухста-
дийной имплантации бора (номера на кривых соответствуют этапам техноло-
гического процесса, представленного в табл. 10.1) [59].
10.8. ВЫВОДЫ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ
В этой главе рассмотрены соответствующие теоретические
положения и приведены примеры моделирования технологиче-
ских процессов. Объем приведенных теоретических результатов
сведен к минимуму, однако содержится большое число ссылок
на наиболее важные литературные источники. Изложенный
здесь материал совместно со ссылками дает возможность чи-
тателю получить представление об основных особенностях и
целях моделирования технологических процессов.
Моделирование технологических процессов — быстро расши-
ряющаяся область науки, и количество работ, посвященных это-
му вопросу, постоянно возрастает. За исключением нескольких
теоретических статей, большинство цитируемых литературных
источников датируется не позднее конца 70-х годов, причем ос-
новной объем работ приходится на последние несколько лет.
Следует ожидать увеличения сложности машинных программ
по мере улучшения понимания физических процессов, что дает
возможность проводить работы по полному проектированию но-
вых технологических процессов и полупроводниковых приборов.
В течение 80-х годов оптимизация технологических процессов
12—233
178
ГЛАВА 10
будет осуществляться автоматически. Моделирование техноло-
гических процессов и приборов, связанное с моделированием
схем, будет в основном ориентироваться на потребителя. В бу-
дущем объединенная система проектирования позволит полу-
чать необходимые характеристики полупроводниковых приборов
Рис. 10.45. Характеристики приборов, работающих в режиме обогащения,
с длиной канала £=0,62 мкм и шириной канала 1Г=30 мкм [59].
и чувствительность параметров ИС, а также даст возможность
облегчить разработку ИС и топологии по заданным правилам
проектирования.
ЗАДАЧИ
1. Диффузия из растущего эпитаксиального слоя в нелеги-
рованную подложку.
Рассмотрим случай использования нелегированной кремние-
вой подложки. Предположим, что происходит выращивание
эпитаксиального слоя с концентрацией легирующей примеси Со
на поверхности такой подложки. Поскольку эпитаксиальный
рост обычно проводится при высокой температуре, происходит
диффузия примесей из эпитаксиального слоя в подложку и на-
оборот. Найдите решение одномерного уравнения диффузии, со-
ответствующего данной ситуации.
2. Диффузия из легированной подложки в нелегированный
эпитаксиальный слой.
Этот случай относится к выращиванию нелегированного слоя
на однородно легированной полубесконечной подложке. Эта
задача более сложная по сравнению с предыдущей, поскольку
необходимо принять во внимание тот факт, что часть примеси,
МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
179
диффундирующей в эпитаксиальный слой, проходит насквозь
и десорбируется с поверхности роста. При этом потери легиру-
ющей примеси происходят в том случае, когда скорость, с ко-
торой атомы примеси покидают поверхность в точке z=0, пре-
вышает скорость их захвата из окружающей среды. Найдите
решение одномерного диффузионного уравнения, принимая во-
внимание условия десорбции примеси с поверхности.
3. Найдите решение для интеграла рассеяния
(1>
если отталкивающий кулоновский потенциал V(r) = Ci/r(Ct>
>0). Рассчитайте дифференциальное сечение, равное
= (2>
' ' sin 0 d0 ' r
4. Напишите на языке ФОРТРАН программу расчета по
распределению Пирсона с четырьмя параметрами.
5. Чаще всего после ионной имплантации полупроводнико-
вая подложка подвергается термообработке, в ходе которой
происходит перераспределение примесей. Вблизи края маски
характер такого перераспределения определяется решением
двумерного диффузионного уравнения
dt [дх2 dz2 ) л /
в предположении диффузии в собственном полупроводнике.
Найдите решение этого уравнения в аналитическом виде при
следующих начальных условиях (т. е. профиле распределения
примеси после ионной имплантации):
С (х, z, t = 0) = Смакс [CL (х, z,t = 0) -1 CR (х, z, t = 0)] (2>
где Смакс—пиковая концентрация и
С1(х,1,0)-4-екр[- <*-*!>>' (3>
с* >. ехр ад1]Х
X (1 д_erf ГхА7?р2 — (г~Л)дха 11 му
I L bXbRPVwa JJ’ '
а
= (5>
Здесь am=tg9 определяет наклон края маски, а Д/?р
и ДА— обычные параметры гауссова распределения.
12*
380
ГЛАВА 10
6. Выведите уравнения (10.93)) и (10.94) для скорости
осаждения из конического источника.
7. Решите задачу диффузии для перераспределения донор-
ной и акцепторной примесей между Si и SiO? в ходе термичес-
кого окисления при высокой температуре. При решении задачи
введите предположение о первоначальном однородном распре-
делении примеси в кремнии.
8. Решите задачу 7, предполагая неоднородное первона-
чальное распределение примеси. При решении диффузионного
уравнения используйте метод конечных разностей.
ЛИТЕРАТУРА
1. Reif R., Kamins Т. I„ Saraswat К. С., A Model for Dopant Incorporation into
Growing Silicon Epitaxial Films. I. Theory, J. Electrochem. Soc., 126, 644
(1979).
2. Reif R., Kamins T. I., Saraswat К. C., A Model for Dopant Incorporation into
Growing Silicon Epitaxial Film. II. Comparison of Theory and Experiment,
I. Electrochem. Soc. 126, 653 (1979).
3. Reif R., Dutton R. W., Computer Simulation in Silicon Epitaxy, J. Electro-
chem. Soc., 128, 909 (1981).
4. Antoniadis D. A., Hansen S. E., Dutton R. W., SUPREM-II-A Program for
IC Process Modeling and Simulation, Stanford Electronics Laboratories
Technical Report No. 5019—2, June 1978.
5. Langer P. H., Goldstein J. L, Impurity Redistribution during Silicon Epita-
xial Growth and Semiconductor Device Processing, J. Electrochem. Soc.,
121, 563 (1974); see also J. Electrochem. Soc., 124, 591 (1977).
6 Faktor M. M., Garrett L, Growth of Crystals from the Vapor, Chapman and
Hall, New York, 1974.
7. Gibbons J., Johnson W. S., Mylroie S., Projected Range Statistics, 2d ed.,
Wiley, New York, 1975.
8. Smith B., Ion Implantation Range Data for Silicon and Germanium Device
Technologies, Research Studies Press, Oregon, 1977.
9. Smith D. H., Gibbons J. F„ Application of the Boltzmann Transport Equation
to the Calculation of Range Profiles and Recoil Implantation in Multilayered
Media, F. Chemow, J. A. Borders, D. K. Brice, Eds., Ion Implantation in
Semiconductors 1976, Plenum, New York, 1977.
10. Christel L. A., Gibbons J. F„ An Application of the Boltzmann Transport
Equation to Ion Range and Damage Distributions in Multilayered Targets,
J. Appl. Phys., 51, 6176 (1980).
11. Robinson M. T., Torrens I. M., Computer Simulation of Atomic Displacement
Cascades in Solids in the Binary Collision Approximation, Phys. Rev., B9,
5008 (1974).
12. Biersack J. P., Haggmark L. G., A Monte Carlo Computer Program for the
Transport of Energetic Ions in Amorphous Targets, Nucl. Instrum, and Me-
thods, 174, 257 (1980).
13. Kalbitzer S., Oetzmann H., Ranges and Range Theories, Radiat. Eff., 47,
57 (1980).
14. Wilson W. D., Haggmark, Biersack J. P,, Calculations of Nuclear Stopping,
Ranges and Straggling in the Low Energy Region, Phys. Rev., B15, 2458
(1977).
15. Lehmann C., Interaction of Radiation with Solids and Elementary Defect
Production, North-Holland, New York, 1977.
16. Hirao T., Inoue K., Takayanagi S., Yaegashi Y., The Concentration Profiles
of Projectiles and Recoiled Nitrogen in Silicon after Ion Implantation
Through Si3N4 Films, J. Appl. Phys., 50, 193 (1979).
МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
181
17. Hofker W. К., Oosthoek D. Р., Koeman N. J., de Grette Н. А. М., Concen-
tration Profiles of Boron Implantations in Amorphous and Polycrystalline
Silicon, Radiat. Eff., 24, 223 (1975).
18. Brice D. K., Ion Implantation Range and Energy Depositions, IFI/Plenum,
New York, 1975.
19. DeSalvo A., Rosa R., A Comprehensive Computer Program for Ion Penetra-
tion in Solids, Radiat. Eff., 47, 117 (1980).
20. DeSalvo A., Rosa R., Monte Carlo Calculations on Spatial Distribution of
Implanted Ions in Silicon, Radiat. Eff., 31, 41 (1976).
21. Dutton R. W., Lee H. G„ Oh S. Y., Simplified Two Dimensional Analysis
for Time Dependent Carrier Transport and Impurity Redistribution,
В. T. Browne and J. J. H. Miller, Eds., Numerical Analysis of Semicon-
ductors Devices and Integrated Circuits, Boole Press,, Dublin, 1981.
22. Hu S. M., Schmidt S., Interactions in Sequential Diffusion Processes in
Semiconductors, J. Appl. Phys., 39, 4272 (1968).
23. Ryssel H., Muller K-, Haberger K., Henkelmann R., Jahnel F., High Con-
centration Effects of Ion Implanted Boron in Silicon, Appl. Phys., 22, 35
(1980).
24. Tsai M. Y., Morehead F. F., Baglin J. E. E., Shallow Junctions by High-
Dose As Implants in Si: Experiments and Modeling, J. Appl. Phus., 51,
3230 (1980).
25. Penumalli B. R., Lateral Oxidation and Redistribution of Dopants,
В. T. Browne and J. J. H. Miller, Eds., Numerical Analysis of Semiconduc-
tor Devices and Integrated Circuits, Boole Press, Dublin, 1981.
26. Penumalli B. R. A Comprehensive Two-Dimensional VLSI Process Simu-
lation Program — BICEPS, IEEE Trans. Electron Devices, ED-36, Sept.,
1983.
27. Lin A. M., Antoniadis D. A., Dutton R. W., The Oxidation Rate Depen-
dence of Oxidation-Enhanced Diffusion of Boron and Phosphorus in Sili-
con, I. Electrochem. Soc., 128, 1131 (1981).
28. Chin D., Dutton R. W., Hu S. M., Two-Dimensional Modelling of Local
Oxidation, presented at the 40th Device Research Conference, Ft. Collins,
Colo., June 21—23, 1982.
29. Varga R. S., Matrix Iterative Analysis, Prentice-Hall, Englewood Cliffs,
N. J., 1962.
30. Chin D., Kump M., Dutton R. W., SUPRA-Stanford University Process
Analysis Program, Stanford Electronics Laboratories Technical Report,
July, 1981.
31. Hageman L. A., Young D. M., Applied Iterative Methods, Academic, New
York, 1981.
32. SAMPLE 1.5 User’s Guide, University of California at Berkeley, 1982.
33. Lin B. J., Optical Methods for Fine Line Lithography, R. Newman., Ed.,
Fine Line Lithography, North-Holland, New York, 1980.
34. King M. C., Principles of Optical Lithography, N. G. Einspruch, Ed., VLSI
Electronics — Microstructure Science, Vol. 1, Academic, New York, 1981.
35. Heitman W. G., van der Berg P. M., Diffraction of Electromagnetic Waves
by a Semi-Infinite Screen in a Layered Medium, Can. J. Phys., 53, 1305
(1975).
36. O’Toole M. M., Neureuther A. R., Influence of Partial Coherence on Pro-
jection Printing, SPIE, Vol. 174, Developments in Semiconductor Micro-
lithograpby IV, 22 (1979).
37. Dill F. H., Neureutner A. R., Tuttle J. A., Walley E. J., Modelling Projec-
tion Printing of Positive Photoresists, IEEE Trans. Electron Devices, ED-22,
456 (1975).
38. Berning P. H., Theory and Calculations of Optical Thin Films, G. Hass,
Ed., Physics of Thin Films, Vol. 1, Academic, New York, 1963.
39. Kyser D. F., Murata K-, Monte Carlo Simulation of Electron Beam Scatte-
ring and Energy Loss in Thin Films on Thick Substrates, R. Bakish, Pro-
182
ГЛАВА 10
ceedings of the 6th International Conference on Electron and Ion Bean»'
Science and Technology, The Electrochemical Society, Princeton, N. J., 1974.
40. Hawryluk R. J., Hawryluk A. M., Smith H. I., Energy Dissipation irr
a Thin Polymer Film by Electron Beam Scattering, /. Appl. Phys., 45,
2551 (1974).
41. Greeneich J. S., Electron Beam Processes, G. R. Brewer, Ed., Electron-Beam
Technology in Microelectronic Fabrication, Academic, New York, 1980.
42. Kyser D. F., Pyle R., Computer Simulation of Electron-Beam Resist Profi-
les, IBM J. Res. Develop.,24, 426 (1980).
43. Kyser D. F., Schreiber D. E., Ting С. H., Pyle R., Proximity Function
Approximations for Electron-Beam Lithography from Resist Profile Simula-
tion, R. Bakish, Ed., Proceedings of the 9th International Conference on
Electron and Ion Beam Science and Technology, The Electrochemical So-
ciety, Princeton, N. J., 1980.
44. Wittels N. D., Fundamentals of Electron and X-Ray Lithography, R. New-
mann, Ed., Fine-Line Lithography, North-Holland, New York, 1980.
45. Parikh M., Corrections to Proximity Effects in Electron-Beam Lithography.
I: Theory. II: Implementation. Ill: Experiments, /. Appl. Phys. 50, 4371,
4378, 4383 (1979).
46. Chang T. H. P., Proximity Effect in Electron-Beam Lithography, /. Vac.
Sci. Technol., 12, 1271 (1975).
47. Parikh M., Schreiber D. E., Pattern Partitioning for Enhanced Proximity —
Effect Corrections in Electron-Beam Lithography, IBM J. Res. Develop.,
24, 530 (1980).
48. Karapiperis L., Adesida I., Lee C. A., Wolf E. D., Ion Beam Exposure Pro-
files in PMMA-Computer Simulation, /. Vac. Sci. Technol., 19, 1259 H981).
49. Jewett R. E., Hagouel P. I., Neureuther A. R., van Duzer T., Line-Profile
Resist Development Simulation Techniques, Polytn. Eng. Sci 17, 381
(1977).
50. Reynolds J. L., Neureuther A. R., Oldham W. G., Simulation of Dry Et-
ched Line Edge Profiles^ J. Vac. Sci. Technol., 16, 1772 (1979).
51. Neureuther A. R., Liu O. Y., Ting С. H., Modelling Ion Milling J. Vac.
Sci. Technol., 16, 1767 (1979).
52. Mogab C. J., Harshberger W. R., Plasma Processes Set to Etch Finer Lines
with Less Undercutting, Electronics, 51, 117 (1981).
53. Schwartz G. C., Rothman L. B., Schopen T. J., Competitive Mechanisms in
Reactive Ion Etching in a CF4 Plasma, J. Electrochem. Soc., 126, 464
(1979).
54. Oldham W. G., Neureuther A. R., Sung С. K-, Reynolds J. L., Nandgaon-
kar S. N., A General Simulator for VLSI Lithography and Etching Pro-
cesses: Part II — Application to Deposition and Etching, IEEE Trans.
Electron Devices, ED-27, 1455 (1980).
55. Blech I. A., Fraser D. B., Haszko S. E., Optimization of Al Step Coverage
through Computer Simulation and Scanning Electron Microscopy, J. Vac.
Sci. Technol., 15, 13 (1978).
56. Ting С. H., Neureuther A. R., Applications of Profile Simulation for Thin
Film Deposition and Etching Processes, Solid State Technology 25 (2),
115 (1982).
57. Fichtner W., Rose D. J., On the Numerical Solution of Nonlinear Elliptic
PDEs Arising from Semiconductor Device Modelling, M. Schultz, Ed.,
Elliptic Problem Solvers, Academic, New York, 1981.
58. D’Avanzo D. C., Vanzi M., Dutton R. W., One-Dimensional Semiconductor
Device Analysis (SEDAN), Stanford Electronics Laboratories Technical Re-
port No. 6—201—5, October 1979.
59. Watts R. K-, Fichtner W., Fuls E., Thibault L. R., Johnston R. L., Electron-
Beam Lithography for Small MOSFETs, IEEE Trans. Electron Devices,
ED-28, 1338 (1981).
60. Nicollian E. H., Brews J. R., MOS (Metal Oxide Semiconductor) Physics
and Technology, Wiley, New York, 1982.
II
ИНТЕГРАЦИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
ИЗГОТОВЛЕНИЯ СБИС1
ПАРРИЛЬО Л.2)
11.1. ВВЕДЕНИЕ
Интегральная схема была изобретена Килби 1[1] в 1958 г.
Первые ИС представляли собой генераторы с фазосдвигающи-
ми цепями и триггеры, которые формировались на подложках
из германия. Индивидуальные компоненты этих схем были изо-
лированы меза-областями, вытравливаемыми в подложке с ис-
пользованием наносимого вручную черного воска для защиты
активных областей. Отдельные компоненты соединялись прово-
лочными проводниками. Эти первые схемы и получили назва-
ние «твердотельных», или «интегральных», схем в 1959 г. При-
мерно в то же время было сделано другое основополагающее
изобретение — первый современный диффузионный биполярный
транзистор |[1]. Упомянутый транзистор был создан с исполь-
зованием планарного диффузионного процесса, что предпола-
гает использование двуокиси кремния в качестве барьера для
диффузии примеси. В 1958 г. был получен первый патент на
использование р—«-переходов для изоляции полупроводнико-
вых приборов, а в 1959 г. была запатентована ИС, в которой
для создания межсоединений использован слой алюминиевой
металлизации, напыленный на поверхность окисной плен-
ки [1].
В настоящее время ИС превратились в сложные электрон-
ные приборы, содержащие сотни и тысячи отдельных компо-
нентов в одном кремниевом кристалле. Появление первых ИС
было бы невозможно без использования достижений во многих
областях науки, в том числе физике электронных приборов, ма-
териаловедении и химии. И сегодня разработка новых техноло-
гических процессов формирования ИС тесно связана с разви-
1) фактически в дайной главе рассмотрена интеграция элементов при
формировании СБИС. Вопросы интеграции технологических процессов более
подробно изложены, например, в работе [2], указанной в списке дополни-
тельной литературы к предисловию редактора перевода. — Прим. ред.
Parrillo L. С., Bell Laboratories, Murray Hill, New Jersey.
184
ГЛАВА 11
Таблица 11.1. Характеристики транзисторов, выполненных по разной
технологии [2]
Характеристики Технология
п-МОП КМОП п—р—п игл
1. Общие характеристики Диапазон напряжений питания + + + +
Мощность + + + — +
Быстродействие + + + + +
Крутизна вольт-амперной харак- — — + + + +
теристики Плотность компоновки 4—Ь + — +
Возможности управления — + + + 4-
2. Характеристики в цифровых схе- мах Скорость переключения + + + + + +
Мощность -f- + + — +
Запас помехоустойчивости + + + — —
Разность амплитуд логических сиг- —' + 4“ — —
налов 3. Характеристики в аналоговых схе- мах Коэффициент усиления на каскад + + +
Полоса частот — — + +
Входное сопротивление + + + +
Мощность + + + + —-
Амплитуда выходного сигнала —• + + +
Линейность — + + +
Характеристика аналоговых пере- + + + —
ключателей Прецизионность элементов ”1—ь _|—1_ +
Обозначения: (—) —удовлетворительная, (+) —хорошая, (++) —очень хорошая ха-
рактеристика.
тием различных отраслей знаний и происходит в основном на
стыке фундаментальных наук.
Поскольку транзистор является наиболее важной частью
ИС, в настоящей главе внимание будет сконцентрировано глав-
ным образом на технологических методах, которые использу-
ются для оптимизации его характеристик. Будут обсуждены ос-
новные технологии формирования ИС. К ним относятся стан-
дартная биполярная п—р—«-технология, а также технология
интегральной инжекционной логики (И2Л), «-канальных МОП-
схем и комплементарных МОП-схем. В табл. II.I проводится
общее сравнение различных приборов, выполненных по разной
(ИНТЕГРАЦИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ИЗГОТОВЛЕНИЯ СБИС 185
технологии 1[2]. Мы полагаем, что читатель знаком с основны-
ми принципами их работы. Если же он захочет вернуться к этим
вопросам, рекомендуем ему обратиться к работам <[3—6].
11.2. ОБЩИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ ТЕХНОЛОГИИ ИС
11.2.1. Последовательность технологических
процессов
На рис. 11.1 проиллюстрированы основные этапы производ-
ства «-канальных МОП ИС с поликремниевым затвором [7].
Процесс формирования ИС состоит из множества этапов: ион-
ной имплантации, диффузии, окисления, осаждения пленок, ли-
тографии и травления. Все эти этапы необходимы, чтобы обес-
печить создание прецизионно контролируемых примесных слоев
в кремнии, на основе которых формируются отдельные компо-
ненты схем (транзисторы, диоды, конденсаторы, резисторы),
а также диэлектрических и металлических пленок, используе-
мых для объединения отдельных компонентов в ИС. Технологи-
ческие этапы, которые должны выполняться в определенной по-
следовательности, составляют общий технологический процесс
формирования ИС. Когда этот процесс выполнен должным об-
разом, каждая подложка содержит ряд отдельных ИС, которые
впоследствии разделяют и герметизируют в корпусы.
11.2.2. Взаимосвязь различных этапов
технологического процесса
Фактически ..все этапы технологического процесса сильно
связаны между собой. Приведем несколько примеров. Каждый
этап термической обработки в технологическом цикле (напри-
мер, окисление, эпитаксиальное наращивание, оплавление фос-
форно-силикатного стекла, геттерирование) приводит к пере-
распределению примесей в вертикальном и горизонтальном на-
правлениях. Поэтому, для того чтобы получить желаемый про-
филь распределения примесей, необходимо принимать во
внимание все этапы термической обработки, которые могут
воздействовать на примеси. Так как двуокись кремния часто
выращивается на нескольких незащищенных областях различ-
ного типа одновременно, ее толщина может различаться на от-
дельных участках структуры. Это зависит от степени легирова-
ния участка окисляемой поверхности от типа легирующей при-
меси (п или р), а также от того, является ли окисляемая
поверхность моно- или поликристаллом и подвергалась ли ион-
но-имплантированная область предварительной термической
Подложка Кремний, леги- рованный бором: 20 Ом-см (100) Ионная имплантация Геттер: аргон в нерабочую сторону подложки Окисление ПоЗслойный окисел Осаждение НитриЗ кремния: 0,1 мкм
Окисление Толстый окисел; 0.45 мкм г ионная _имплантация область.огра- ничиваюшля канал; имплан- тация fH-loW, 60 кэВ Травление Сугое травле- ние нитрида кремния и про межуточного окисла Литография Топологичес- кий рисунок изоляции
Травление н" Ионная п имплантация Окисление !Литография
Химическое травление нитридакрем- нияиподслой- ного окисла Повышение поре гового нопряже- нияРТ:имппин тация В-810"аи; 35 кэВ Подзатворный окисел: 25 нм Топологический рисунокмаски для импланта- ции одедненно го слоя
— Осаждение Поликремний из ПГс при пониженном давлении: 0,35 мкм Травление ~Хймичёскоё~ травление лоЗоатвор- ного окисла Литография Топологический рисунок скрытого контакта Ионная _имп/>антация Регулировка ГТ области обеднения: имплантация As ,5 ю’2см(80кз[ :
Диффузия Легированный поликремний п*: источник диффузии фосфора Осаждение Маскирующий окисел из ПГС при понижен- ном давлении: 0,1 мкм Литография Топологический рисунок поли- кремниевого затвора Травление Сухое травление; маскирующий окисел
Окисление Окисел на истоке, стоке, поликремнии: 0,1 мкм Травление Химическое травление: маскирующий окисел Ионная _итп//антация^ Исток/сток: мышьяк, М0'6см? 80 кэВ Травление Сухое травление; п^-поликрем- ний !?
:— Осаждение Промежуточ- ный окисел из пге при пони- женном дав- лении: 035МКМ Литография Топологический рисунок контактных окон Травление Сухое трав- пение.проме- ж у точный и термический окиспы Осаждение Напыление слоя А1: 0,7 мкм
Отжиг Отжиг в водороде Травление Удаление пленок с нерабочей стороны подложки Травление Сухое травление слоя А1 Литография Топологический рисунок метал лических межсоединений У"
Рис. 11.1. Основные этапы технологического процесса изготовления л-каналы-
ных МОП ИС с поликремнневым затвором [7].
ИНТЕГРАЦИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ИЗГОТОВЛЕНИЯ СБИС 187
обработке. Различие в толщине окисных пленок необходимо
учитывать, например, в тех случаях, когда проводится одновре-
менное удаление пленок со всей поверхности или когда имплан-
тируемая примесь должна пройти через все окисные слои. Спо-
собность поликремниевых пленок маскировать нижележащие
слои от определенной имплантируемой примеси представляет
собой функцию толщины пленки поликремния и размера его
кристаллических зерен, поскольку каналирование ионов может
проходить через зерна (см. гл. 6). Размер зерен является функ-
цией уровня легирования пленок поликремния и всей совокуп-
ности предыдущих термических процессов, поэтому способность
пленок поликремния действовать в качестве эффективных масок
при ионной имплантации, например при формировании областей
истока и стока, изменяется в ходе технологического цикла фор-
мирования ИС.
Поскольку все этапы технологического процесса определен-
ным образом связаны друг с другом, необходимо придержи-
ваться следующего правила: ни один из этапов установленного
технологического процесса нельзя изменять произвольным об-
разом. При разработке технологических процессов, в частности
таких, где используются новые материалы, установление взаи-
мосвязи между различными этапами технологического процес-
са может явиться критическим фактором.
11.2.3. Себестоимость технологического процесса
С момента начала производства ИС стоимость отдельной
электронной функции уменьшилась на порядок. Это объясняет-
ся уменьшением размеров отдельных элементов и увеличением
размеров подложек, что позволило создавать более сложные
кристаллы ИС на подложках. Путем к снижению стоимости ИС
является групповая технологическая обработка, когда отдель-
ные группы или партии из 20—50 подложек подвергаются од-
новременной обработке. Хотя технологическая схема может
включать в себя более 100 этапов, множество отдельных ИС
создается одновременно. Например, себестоимость одной под-
ложки с готовыми ИС составляет ~200 долл., включая трудо-
вые затраты, расходы на амортизацию оборудования, материа-
лы и накладные расходы. Однако если на выходе получено 100
годных кристаллов ИС, то стоимость каждого составляет
~2 долл. Одной из основных задач полупроводниковой техно-
логии по-прежнему является снижение стоимости ИС. В основ-
ном это относится к упрощению технологической схемы, по-
скольку наименее сложные технологические схемы обладают
наибольшей воспроизводимостью и обеспечивают наивысший
авыход годных ИС.
188
ГЛАВА 11
11.3. ТЕХНОЛОГИЯ БИПОЛЯРНЫХ ИС
Основное применение биполярных ИС связано с быстродей-
ствующими запоминающими устройствами и логическими схе-
мами, используемыми в вычислительных системах. Не так дав-
но биполярные приборы получили новое развитие—разрабо-
тана интегральная инжекционная логика (И2Л), которая широ-
ко используется в запоминающих устройствах и логических
схемах малой мощности и с высокой степенью интеграции [8].
В этом разделе будет рассмотрена последовательность техноло-
гических этапов производства биполярных ИС и обсуждены
главные этапы их формирования. Мы ознакомим читателя с тех-
нологией производства схем И2Л и с методами, позволяющими
исключить токи утечки эмиттер — коллектор, приводящие
к уменьшению выхода годных биполярных ИС.
11.3.1. Вариант технологического процесса
производства биполярных ИС
На рис. 11.2 показан биполярный п—р—п-транзистор [9],
в котором для изоляции использован толстый слой двуокиси
кремния [10]. В более ранних технологических схемах электри-
ческая изоляция биполярных ИС основывалась на обратно сме-
щенных р—n-переходах, которые располагались вокруг актив-
ных приборов. Способ изоляции р—n-переходом требует боль-
ших затрат площади ИС и сопровождается большими паразит-
ными емкостями по сравнению с методами изоляции окислом
{10]. На рис. 11.3 показана последовательность технологических
процессов, которая может быть использована для создания
структуры, представленной на рис. 11.2.
В качестве исходного материала используют подложки, сла-
болегированные примесью проводимостью p-типа (~1015 см-3)
и обычно ориентированные по плоскости (111) или (100).
После окисления подложек в окисле, используемом в качестве
маскирующего слоя для диффузии скрытых слоев, вскрывают
окна, куда затем проводится ионная имплантация мышьяка или
сурьмы. Такие скрытые слои служат в качестве сильнолегиро-
ванной п+-части коллектора, предназначенной для уменьшения
сопротивления коллектора. Имплантированный слой путем тер-
мической обработки разгоняется в глубь подложки для форми-
рования скрытого слоя. Эта обработка проводится в окисляю-
щей атмосфере, и вследствие разницы в скоростях окисления
между незащищенной поверхностью скрытого слоя и окружаю-
щей ее окисленной поверхностью подложки по периметру обла-
сти скрытого слоя формируется ступенька (т. е. скрытый слой
ИНТЕГРАЦИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ИЗГОТОВЛЕНИЯ СБИС 18»
несколько заглублен по отношению к остальной поверхности
подложки). Затем окисел удаляют со всей поверхности подлож-
ки и проводят эпитаксиальное наращивание слоя с проводи-
мостью n-типа. (рис. 11.3,а). Ступенька, образующаяся по пе-
риметру скрытого слоя, воспроизводится на поверхности эпи-
таксиального слоя и служит в качестве метки совмещения при
последующих литографических процессах.
Рис. 11.2. Трехмерное изображение биполярного транзистора с изоляцией!
окислом [9].
После эпитаксиального роста путем термического окисления
выращивают промежуточную пленку SiOs (~50 нм) и на по-
верхность подложки осаждают пленку SiaN4 (~100 нм). По-
следняя плохо окисляется и тем самым предотвращает от окис-
ления лежащие под ним слои кремния. Тонкая промежуточная1
пленка окисла выступает в роли буферного слоя, предназначен-
ного для защиты кремния от возникновения дефектов, обуслов-
ленных упругими напряжениями, в ходе последующего этапа!
высокотемпературного окисления [II]. По поверхности выра-
щенных пленок проводят фотолитографию для определения по-
ложения изолирующих областей (рис. 11.3,6). Используя фо-
торезист в качестве маски, путем травления удаляют слои
нитрида кремния, промежуточного окисла кремния и примерно-
половину толщины эпитаксиального слоя (рис. 11.3,в). На этом
же этапе можно провести ионную имплантацию бора в протрав-
ленные участки для формирования областей, ограничивающих
распространение канала. Цель этой операции заключается »
Шаблон скрытого слоя
Эпитаксиальный п-слой
Скрытый п^-слой
Подложка (р)
Шаблон базы
Шаблон контактных
Шаблон эмиттера
Рис. 11.3. Ввид сверху и поперечное сечение биполярного транзистора иа
различных этапах его формирования.
с— шаблон скрытого слоя и структура после формирования скрытого л+-слоя и выра-
щивания эпитаксиального слоя; б — шаблон для формирования изоляции и вид структуры
с маской фоторезиста на поверхности двухслойной маски, состоящей из нитрида крем-
ния и промежуточного окисла (для простоты рельеф на поверхности эпитаксиального
слоя не показан); в — вид структуры после травления слоев нитрида кремния, проме-
жуточного окисла и кремния и последующей ионной имплантации для ограничения рас-
ширения области инверсного канала; г — шаблон для создания базы и вид структуры
после выращивания изолирующих окисных областей и ионной имплантации бора в об-
ласть базы; д — шаблон для формирования контактных областей и вид структуры после
создания базы и вскрытия контактных окон к базе, эмиттеру и коллектору; а— шаб-
лон для создания эмиттерного и коллекторного контактов и вид струтуры после иоиной
имплантации мышьяка в области эмиттера и коллектора.
ИНТЕГРАЦИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ИЗГОТОВЛЕНИЯ СБИС 191
увеличении уровня легирования подложки p-типа под изолиру-
ющим окислом. Тем самым предотвращается инверсия типа
проводимости поверхности слаболегированной подложки р-типа»:
что могло бы привести к электрической связи скрытых слоев
различных приборов. После удаления фоторезиста подложки
подвергаются термическому окислению до тех пор, пока весь,
эпитаксиальный слой, не защищенный пленкой SiaN.*, не прев-
ратится в SiC>2 (рис. 11.3, г). Теперь слой SiaN-t, может быть уда-
лен селективно с сохранением слоя ЭЮг. Вплоть до этого мо-
мента в процессах термообработки использовались высокие
температуры или они протекали в течение длительного времени.'
Все эти длительные циклы термообработки проводятся перед
формированием активных областей транзистора, для того чтобы
избежать слишком глубокой разгонки мелких р—//-переходов,,
необходимых при производстве ИС.
После удаления пленки Si3N4 поверхность структуры может
быть вновь окислена и фотолитографией по слою фоторезиста
формируется маска для ионной имплантации примеси в базо-
вую область (рис. 11.3,г). Имплантация примеси может быть
проведена через пленку окисла, поэтому процесс каналирования
ионов примеси ослабевает и отпадает необходимость в после-
имплантационном отжиге в окисляющей атмосфере ([12]. Кон-
тактные окна к намеченным областям базы, эмиттера и коллек-
ора могут быть вскрыты одновременно, при использовании од-
ного шаблона (рис. 11.3, д). В этом варианте формирования ИС
разделение между эмиттерным и базовым контактами опреде-
ляется не этапом совмещения, а заданным минимальным рас-
стоянием между металлическими контактами i[13]. Это приво-
дит к уменьшению площади, занимаемой транзистором, и одно-
временно к снижению сопротивления базы. Как показано на
рис. 11.3, е, для защиты базового контакта во время ионной
имплантации ионов мышьяка с малой энергией, но большой до-
зой в областях эмиттерного и коллекторного контактов можно
использовать маску из фоторезиста. Заметим, что подвергаемая
ионной имплантации площадь эмиттера определяется размером
вскрытого в окисле окна на поверхности немаскированной фо-
торезистом базовой области (рис. 11.3, е).
В дальнейшем выбранный вариант технологического цикла
может включать дополнительную локальную ионную импланта-
цию фосфора в область коллекторного контакта. Фосфор, диф-
фундируя в вертикальном направлении, приводит к минимиза-
ции вертикального компонента сопротивления коллектора. Кро-
ме того, локальная имплантация примеси с высокой дозой
имплантированных ионов может быть проведена во внешние-
области базы для того, чтобы снизить контактное сопротивле-
ние базы и уменьшить горизонтальное сопротивление базовой
192
ГЛАВА 11
«области на внешнем участке. При этом эмиттерный и коллек-
торный контакты должны быть защищены маской из фоторези-
ста. Обычно эта часть внешнего базового слоя может иметь
«поверхностное сопротивление от 50 до 200 Ом/С.
После ионной имплантации эмиттерной области примесь
разгоняется на желаемую глубину в почти инертной атмосфере.
В результате на поверхности контактных областей к эмиттеру,
базе и коллектору образуется очень тонкая пленка окисла, ко-
торая легко может быть удалена в разбавленном растворе HF.
При этом не требуется повторного вскрытия контактных окон
внутри покрытой окислом поверхности эмиттерной области.
Процесс удаления тонкой окисной пленки с поверхности эмит-
тера обеспечивает минимизацию площади эмиттера. Однако при
этом возникает риск закорачивания перехода эмиттер — база
что его периметру при создании металлизации. Периметр пере-
хода защищен только тем расстоянием, на которое происходит
горизонтальная диффузия эмиттерной примеси под пленку тол-
стого окисла.
После удаления с контактных областей тонкого слоя окисла
•на поверхность подложки можно нанести слой S13N4. Этот слой
защищает поверхность прибора от попадания таких подвижных
ионов, как ионы натрия, которые могут диффундировать сквозь
пленку SiO2, приводя к возникновению токов утечки р—п-пере-
ходов и инверсии типа проводимости поверхности. В этом гер-
метизирующем слое нитрида кремния окна для формирования
контактов могут быть вскрыты с использованием еще одного
процесса фотолитографии или с применением самосовмещения.
Во втором случае нитрид кремния в тех местах, где он имеет
контакт с кремнием, электрохимически, путем анодирования
превращается в SiO2, в то время как нитрид, расположенный на
поверхности окисного слоя, остается неизменным [14]. Аноди-
рованный окисел удаляется в разбавленном растворе HF. Остав-
шийся нитрид кремния при этом остается в неприкосновенности,
и в нем вскрываются окна, которые точно совмещены с контакт-
ными областями эмиттера, базы и коллектора (рис. 11.2). На
заключительном этапе происходит осаждение слоя металлиза-
ции н формирование топологического рисунка, как показано на
рис. 11.2. Для металлизации могут быть использованы различ-
ные системы, например пленка из алюминия или более слож-
ная структура, такая, как контактный слой на основе PtSi
<и верхний слой на основе TiPtAu [15]. Кроме показанных на
рисунке контактов в структуру прибора иногда добавляют диод
Шоттки, используя для этого соединения PtSi, Pd2Si. Такие
диоды могут использоваться для демпфирования перехода кол-
лектор— база и для снижения амплитуды сигнала в схемах И2Л
•с барьером Шоттки.
ИНТЕГРАЦИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ИЗГОТОВЛЕНИЯ СБИС 193
11.3.2. Основные этапы формирования приборов
Скрытый и эпитаксиальный слои. Для уменьшения сопротив-
ления коллекторной области транзистора поверхностное сопро-
тивление скрытых слоев необходимо уменьшить, насколько это
возможно. С этой целью скрытые слои подвергают сильному
легированию. После загонки примеси в подложку ее разгоняют,
чтобы расширить профиль легирования и понизить первоначаль-
ное высокое значение поверхностной концентрации примеси. Эта
операция вызывает уменьшение поверхностного сопротивления
скрытого слоя, так как концентрация примеси обратно пропор-
циональна подвижности носителей. Тем не менее такой сильно-
легированный скрытый слой приводит к чрезмерной диффу-
зии примеси в слаболегированный эпитаксиальный коллектор
п-типа и может стать причиной образования дефектов в эпи-
таксиальном слое. При выборе примеси для легирования скры-
того слоя обычно отдают предпочтение мышьяку и сурьме, а не
фосфору, поскольку они имеют более низкий коэффициент диф-
фузии. Типичное поверхностное сопротивление скрытого слоя
составляет ~15—50 Ом/С.
Эпитаксиальные слои проводимостью n-типа служат в каче-
стве коллекторной области под слоем базы и легируются до
уровня 1015—1016 см"3. Чем слабее легирован эпитаксиальный
слой, тем меньшей емкостью обладает переход коллектор — ба-
за полупроводникового прибора. Эта емкость является основной
паразитной емкостью, ограничивающей быстродействие бипо-
лярных транзисторов. По той же причине необходимо выращи-
вать достаточно толстые эпитаксиальные слои, чтобы диффун-
дирующая из скрытого слоя примесь не достигла базовой
области и тем самым не увеличила бы емкость перехода коллек-
тор— база. Однако слишком низкий уровень легирования эпи-
таксиального слоя очень сложно проконтролировать в ходе эпи-
таксиального выращивания из-за процесса автолегирования
примесью из скрытого слоя, попадающей в реактор. Кроме то-
го, при высоких значениях коллекторного тока проводимость
слаболегированной части эпитаксиального коллектора модули-
руется коллекторным током, что вызывает углубление перехода
коллектор — база в эпитаксиальный слой, приводя к ухудше-
нию коэффициента усиления и высокочастотных характеристик
транзистора [6]. Чтобы избежать эффекта углубления базовой
области, уровень легирования коллектора i[16] должен быть
выше, чем J/qvs, где /— плотность коллекторного тока, a —
скорость насыщения (~107 см/с).
Изоляция. Как показано на рис. 11.3, в и г, изолирующий
окисел выращивается таким образом, чтобы его верхняя плос-
кость и поверхность кремния лежали в одной плоскости. При
13—233
194
ГЛАВА 11
этом толщина изолирующего окисла примерно в два раза боль-
ше толщины эпитаксиального слоя в том месте, где выращивал-
ся окисел. Это необходимо, чтобы уменьшить микрорельеф по-
верхности. Однако по периметру активных участков кремниевой
подложки возникают сложные образования — «птичий клюв»
(боковое подкисление под пленку нитрида кремния) и «птичья
голова»; последнее образование связано с ростом окисла в уг-
лах вытравленных участков кремния согласно рис. 11.3, в. Эти
эффекты нежелательны, так как первый из них увеличивает по-
перечные размеры изолирующего окисла, а второй создает не-
планарный микрорельеф поверхности. Большое количество раз-
нообразных исследовательских приемов для уменьшения дейст-
вия этих эффектов с использованием окисления при атмосфер-
ном или повышенном давлении было предложено в литерату-
ре [17, 18].
Формирование базы. Для заданного профиля распределения
примеси в эмиттерной области чем более низкий общий суммар-
ный заряд находится в области активной базы (число Гумме-
ля), тем более высокий коэффициент усиления по току можно
получить {6]. Однако если заряд в базовой области слишком
мал, то невозможно поддерживать необходимое напряжение
обратного смещения на коллекторно-базовом и (или) эмиттер-
но-базовом переходах, что приводит к возникновению нежела-
тельного тока прокола базы за счет смыкания областей эмит-
тера и коллектора. Кроме того, при уменьшении заряда в ба-
зовой области выходные характеристики транзистора (т. е.
зависимость тока коллектора от напряжения коллектор — эмит-
тер) становятся более крутыми (низкое выходное сопротивле-
ние), что нежелательно при использовании транзистора в оп-
ределенных схемах. Чем уже базовая область, тем короче
время диффузии неосновных носителей заряда через нее. В тех
случаях, когда базовая область для улучшения характе-
ристик транзистора делается более узкой, необходимо повысить
уровень ее легирования для предотвращения прокола базы при
смыкании обедненных областей переходов эмиттер — база и ба-
за— коллектор. В высокочастотных биполярных транзисторах
базовая область легируется неоднородно таким образом, что
концентрация легирующей примеси уменьшается в направлении
от эмиттера к коллектору. Такой профиль распределения при-
меси приводит к созданию встроенного электрического поля, на-
правленного таким образом, чтобы облегчить перенос неоснов-
ных носителей заряда через базовую область. Для обычно ис-
пользуемых базовых областей число Гуммеля лежит в интер-
вале 1012—1013 см-2.
Внешний участок области базы (рис. 11.2) должен легиро-
ваться таким образом, чтобы уменьшить последовательное со-
ИНТЕГРАЦИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ИЗГОТОВЛЕНИЯ СБИС 195
противление между контактом к базе и активной областью ба-
зы. Однако если эту часть базовой области легировать слишком
сильно, то возникающая по границе эмиттерного кармана
слишком высокая паразитная емкость эмиттер — база может
привести к сильному снижению обратных пробивных напряже-
ний перехода эмиттер — база. Активный и внешний участки ба-
Эмиттер ,
^Внешняя часть 1
'//'//X °’ам
1 Активная часть
/ базы
Коллектор /
i__У____S
'Г;£В rjCB
Мелкая база
^внешняя часть)
Гпубокая база
(активная часть) /
rjce
Рис. 11.4. Профили легирования п—р—n-транзистора: а — одностадийный
процесс имплантации базовой примеси; б — двухстадийиый процесс имплан-
тации базовой примеси; в — одностадийный процесс имплантации базовой
примеси (реальный профиль).
зовой области могут быть сформированы как в ходе одного
процесса ионной имплантации (рис. 11.4, а), так и при двухста-
дийном процессе ионной имплантации (рис. 11.4,6). В послед-
нем случае для получения необходимых свойств внешней части
базовой области ионную имплантацию проводят использованием
ионов с меньшей энергией, но большей дозой по сравнению с
процессом ионной имплантации активной части базовой обла-
сти. При этом учитывают, что усиление тока в транзисторах,
включенных по схеме с общим эмиттером, обратно пропорцио-
нально дозе имплантированной примеси в глубокую часть ба-
зы {19]. Метод двухстадийной ионной имплантации базовой
области обеспечивает большую гибкость в проектировании
13*
196
ГЛАВА 11
структуры этой области и позволяет лучше управлять ее свой-
ствами /[12]. На рис. 11.4,в представлен реальный профиль ле-
гирования п—р—«-транзистора при использовании одновремен-
ной имплантации примеси как в активную, так и во внешнюю
части базовой области. За счет эффектов, возникающих при сов-
местной диффузии мышьяка (используемого для легирования
эмиттера) и бора (используемого для легирования базы), про-
филь легирования базовой примеси изменяется не плавно по
направлению внутрь кремниевой подложки, как это было пока-
зано на рис. 11.4, а. В активной части базовой области профиль
распределения примеси имеет более резкий спад и уже, чем во
внешней части (рис. 11.4,s), что особенно важно для достиже-
ния хороших высокочастотных характеристик транзистора. Об-
ратите внимание на то, что уровень легирования коллекторной
области возрастает по глубине и превышает уровень легирова-
ния эпитаксиального слоя (~ 1 • 1016 см-3). Это связано с диф-
фузионным размытием скрытого слоя и переходом As в относи-
тельно тонкий эпитаксиальный слой.
Формирование эмиттера. Чтобы обеспечить высокий коэффи-
циент усиления по току и небольшое сопротивление эмиттера
транзистора, его эмиттерная область должна быть сильно леги-
рована. Рассмотрим прибор, у которого суммарный заряд в
эмиттерной области составляет Q£~1016 см-2, что соответству-
ет, например, уровню легирования 2-1020 см-3 при толщине
эмиттерной области 0,5 мкм. Обычно общий заряд в активной
части базовой области равен Q^~1012 см-2. Следовательно, ко-
эффициент усиления по току такого транзистора, включенного
по схеме с общим эмиттером, может составить величину поряд-
ка Ю4. Однако на практике такие величины обычно не наблю-
даются. На экспериментально получаемые значения коэффици-
ентов усиления по току в реальных транзисторах оказывают
влияние сужение ширины запрещенной зоны и оже-рекомбина-
ция электронов (см. гл. 5).
Очень резкие и мелкие профили легирования эмиттерных
областей можно получить при использовании в качестве леги-
рующей примеси мышьяка, поскольку диффузия последнего в
сильной степени зависит от его концентрации 1[19]. Как только
область эмиттера становится мельче, существенно возрастает
роль способа создания к нему контакта, поскольку материал
контакта и способ его формирования могут сильно повлиять на
значение коэффициента усиления по току транзистора. Это яв-
ление проиллюстрировано на рис. 11.5, где показана зависи-
мость коэффициента усиления по току транзистора, включенно-
го по схеме с общим эмиттером, от тока коллектора для трех
транзисторов. В этих транзисторах мелкие области эмиттеров
сформированы идентично, за исключением материала и техноло-
ИНТЕГРАЦИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ИЗГОТОВЛЕНИЯ СБИС 197
гии, используемых для создания контакта к этим областям {16].
В верхней части рис. 11.5 схематически представлен профиль
распределения неосновных носителей заряда в эмиттере каждо-
го из транзисторов {20] при заданном уровне инжекции (Гцд).
В случае использования алюминиевого контакта концентрация
дырок падает до нуля вблизи поверхности контакта А1—Si, где-

350
300
Е
° х
с 1250
s i
5>3
100
е-
50
, к.Змиттер->^База
Поли- | n+Si J psi
кремни-(Поликремн. ।
Ёлый ।^контакт I
п+-кон-|
такт
iKoHmQxm'/.
I л>'/Контакт
lzz / Pd2Si I
rjEB =0,2 МКМ
Поликремниевый контакт
150
Контакт А1
Контакт Pd2si
£
<и
Н
5 200
01—•l
0,001
0,01 0,1 1,0 10 100
Ток коллектора, мА
Рис. 11.5. Зависимость коэффициента усиления по току п—р—п-транзистора,
включенного по схеме с общим эмиттером, от тока коллектора для мелких
эмиттерных переходов (0,2 мкм). На вставке показан профиль распределения
неосновных носителей заряда в эмиттере для трех вариантов создании кон-
такта при фиксированном потенциале база — эмиттер [16, 20].
носители заряда рекомбинируют с почти бесконечной скоростью
рекомбинации. Градиент концентрации дырок в эмиттере опре-
деляет величину тока базы. Градиент концентрации дырок ста-
новится более крутым, приводя тем самым к увеличению тока
базы, когда в качестве контактного материала используется
Pd2Si, поскольку на формирование силицида расходуется ма-
териал кремниевого эмиттера. Уменьшение величины тока ба-
зы происходит в том случае, когда между монокристаллической
областью эмиттера и металлическим контактом формируют тон-
кий слой (100 нм) легированного мышьяком поликремния.
В этом случае скорость рекомбинации между моно- и поликри-
сталлическим кремнием уже не бесконечна и градиент дырок
в эмиттерной области снижается. Если вместо металла в каче-
стве контакта к эмиттеру используется поликристаллический
198
ГЛАВА 11
кремний, коэффициент усиления транзистора по току может
возрасти в 3—7 раз [20].
HIунтирование диодами Шоттки. Для того чтобы не допу-
стить перехода биполярного транзистора в режим насыщения,
можно использовать специальный способ металлизации, заклю-
чающийся в шунтировании коллекторной области диодом на
основе барьера Шоттки. На рис. 11.6, а схематически показана
Рис. 11.6. Способ шунтирования диодом Шоттки: а — вид, сверху и попереч-
ное сечение структуры п—р—n-транзистора н состоянии насыщения; б — вид
сверху и поперечное сечение структуры транзистора, шунтированного диодом
Шоттки с охранным р+-кольцом для предотвращения насыщения (светлые
кружочки обозначают дырки, а темные — электроны).
структура транзистора без шунтирования диодом Шоттки. Ког-
да потенциал между коллектором и эмиттером достаточно низ-
кий, переход коллектор — база становится смещенным в пря-
мом направлении и неосновные носители заряда заполняют и
базовую область, и эпитаксиальный коллектор n-типа. Посколь-
ку для вывода транзистора из режима насыщения (т. е. для
выключения транзистора) необходимо дополнительное время,
затрачиваемое на удаление возникших избыточных носителей
из базовой области, то возникает время задержки, которое
ухудшает характеристики схем. Для исключения возникновения
прямого смещения на переходе коллектор — база можно под-
соединить к коллектору диод на основе барьера Шоттки, кото-
рый формируется согласно схеме, представленной на рис. 11.6, б.
Слой силицида металла создается таким образом, чтобы осу-
ществить одновременный контакт к эпитаксиальному слою
ИНТЕГРАЦИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ИЗГОТОВЛЕНИЯ СБИС 19Э
с проводимостью n-типа и базовой области с проводимостью^
p-типа. Выбор силицида металла выполняется так, чтобы сфор-
мировать барьер Шоттки большой высоты к материалу с про-
водимостью n-типа и, следовательно, низкий потенциальный
барьер к материалу с проводимостью p-типа (например PtSi,
Pd2Si и др.). Это позволяет обеспечить создание омического -
контакта к базе и одновременно диода на основе барьера Шот-
тки к эпитаксиальному коллектору с проводимостью /г-типа.
При этом также обеспечивается формирование омических кон-
тактов к сильнолегированным «+-областям эмиттера и коллек-
тора. Диод Шоттки проводит ток при значительно меньшем
прямом смещении (~0,3 В), чем диод, формируемый р—//-пе-
реходом коллектор — база (~0,7 В). Поскольку диод Шоттки
и р—л-переход коллектор — база включены параллельно, пере-
ход коллектор — база фиксируется при более низком потенциа-
ле и тем самым предохраняется от возникновения прямого сме-
щения, достаточного для возникновения большого тока. Как
показано на рис. 11.6, б, при низких значениях напряжения кол-
лектор— эмиттер Vce большая часть электронов, инжектирован-
ных из эмиттера, протекает через диод Шоттки, смещенный в
прямом направлении. Высота барьера Шоттки и, как следствие,
напряжение включения этого диода в прямом направлении мо-
гут быть изменены за счет использования методов ионной им-
плантации [21].
Использование охранного кольца на основе области р+-типа
по периметру диода Шоттки приводит к увеличению напряже-
ния обратного пробоя диода, так как охранное кольцо умень-
шает напряженность электрического поля на резких углах дио-
да. Однако шунтирование диодом Шоттки и использование
охранного кольца увеличивают площадь, занимаемую транзис-
тором. Кроме шунтирования перехода коллектор — база для
предотвращения насыщения транзистора диоды Шоттки могут
выполнять и другие функции — их используют в логических
схемах с транзисторами Шоттки и в интегральных инжекцион-
ных логических схемах с диодами Шоттки, обладающих высо-
кой степенью интеграции [22, 23].
11.3.3. Интегральная инжекционная логика
Биполярные транзисторы нашли широкое применение в им-
тегральной инжекционной логике (И2Л) {24], которую иногда
называют объединенной транзисторной логикой [25]. Структу-
ры И2Л широко используются [8] в маломощных запоминающих
устройствах, микропроцессорах и полузаказных ИС с высокой
степенью интеграции. На рис. 11.7, а показана принципиальная
электрическая схема, а на рис. 11.7, б — поперечное сечение
Soo
ГЛАВА 11
Рис. 11.7. Вентиль И2Л: а — принципи-
альная схема; б — поперечное сечение
его структуры [26].
структуры вентиля И2Л [26]. Основной логический элемент
формируется путем объединения горизонтального транзистора
р—п—p-типа (Qi) с вертикальным транзистором п—р—п-типа
(Q2), имеющим несколько коллекторов. Коллектор горизонталь-
ного транзистора р—п—p-типа служит также в качестве базы
вертикального транзистора п—р—п-типа.
Транзистор п—р—«-типа работает в инверсном режиме.
Скрытый слой используется как эмиттер этого транзистора и
одновременно как контакт к базе горизонтального р—п-р-
транзистора, а диффузионные п+-слои выполняют роль коллек-
торов п—р—n-транзистора. При реализации логических функ-
ций транзистор п—р—п-типа выступает как инвертор сигнала,
а коллекторы разводятся с помощью металлизации для выпол-
нения необходимых логических функций. При высоком уровне
логического сигнала на входе элемента И2Л (КВх~0,8 В) ток
ИНТЕГРАЦИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ИЗГОТОВЛЕНИЯ СБИС 201
инжектируется из транзистора Qt в базу транзистора Q2, пере-
водя последний в состояние насыщения. При этом с выхода
логического элемента снимается низкий уровень логического
сигнала (Ксе~0,1 В). Поскольку резисторы в элементе И2Л
заменены источником тока р—п—p-типа, а инвертирующие
п—р—«-транзисторы имеют автоматически изолированные кол-
лекторы и общие эмиттеры, степень интеграции схем на основе
элементов И2Л очень высока. Кроме того, производство элемен-
тов И2Л совместимо с технологией формирования обычных би-
полярных схем, поэтому в одном и том же кристалле можно
реализовать биполярные схемы разного типа.
В структуре И2Л, представленной на рис. 11.7, б, применена
полностью скрытая диэлектрическая изоляция на основе двуоки-
си кремния. Для легирования коллекторных п+-областей исполь-
зуют легированный мышьяком поликремний, который впослед-
ствии служит как контакт к этим областям. Контакты к базе
формируют по методу самосовмещения с поликремниевыми
коллекторными контактами, что позволяет свести к минимуму
площадь базы многоколлекторного транзистора п—р—«-типа.
При этом алюминиевые и поликремниевые электроды изолиро-
ваны вдоль боковой поверхности пленкой окисла. Следует от-
метить, что внешние, неактивные области базы соединены низ-
коомной алюминиевой разводкой, которая уменьшает сопротив-
ление базы вдоль вентиля И2Л. Все эти технологические приемы
позволяют улучшить характеристики схем И2Л [26]. Метод
самосовмещения, который применяется для формирования кон-
тактов к эмиттеру и( или) к базовой области, наиболее часто
используется для уменьшения площади транзистора и снижения
влияния паразитных элементов [27]. Как сообщалось в литера-
турных источниках, упомянутые приемы и методы позволили по-
лучить очень низкие значения времени задержки распростране-
ния сигнала (0,063 нс) и произведения быстродействия на мощ-
ность (0,043 пДж/вентиль) [28].
Для увеличения коэффициента усиления по току необходи-
мо применять специальные методы при формировании актив-
ной области базы. Один из методов заключается в ионной им-
плантации или диффузии бора перед эпитаксиальным наращи-
ванием непосредственно в скрытый слой. Позднее во время
этапов высокотемпературной обработки бор диффундирует в
этитаксиальный «-слой, опережая медленно диффундирующие
мышьяк или сурьму, которыми легирован скрытый слой, и соз-
дает ступенчатый профиль легирования активной части базовой
области, необходимый для улучшения инвертирующего дейст-
вия транзистора [29, 30].
Произведение быстродействия на мощность вентиля И2Л
пропорционально CVi2, где С—емкость нагрузки вентиля,
202
ГЛАВА 11
a Vi—амплитуда логических сигналов вентиля (разность меж-
ду уровнями сигналов, соответствующих логической единице
и логическому нулю) |[31]. Уменьшая амплитуду логического
сигнала, можно улучшить произведение быстродействия на мощ-
ность. Однако при этом ухудшается помехозащищенность вен-
тиля И2Л, и он может срабатывать от произвольного шумового
Диоды Шоттки
Металл
Рис. 11.8. Схема интегральной инжекционной логики с диодами Шоттки:
а — принципиальная схема; б — поперечное сечение структуры [23].
/ Эпитаксиальный
[____п-слой_____Ионно имплантированная
активная часть базы
сигнала. Уменьшения амплитуды логических сигналов можно
достичь, если сильнолегированные коллекторные области заме-
яить диодами Шоттки, как показано на рис. 11.8, а и б [23].
В такой структуре низкий уровень логического напряжения
(логического нуля) возрастает, что приводит к снижению Vi.
Это происходит вследствие падения напряжения на смещенном
в прямом направлении диоде Шоттки, который включается по-
следовательно со слаболегированным коллектором. Для того
чтобы сформировать структуру, показанную на рис. 11.8,6, про-
водят глубокую ионную имплантацию бора в эпитаксиальный
слой. Поскольку имплантированные бором слои располагаются
достаточно глубоко под поверхностью слаболегированного эпи-
ИНТЕГРАЦИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ИЗГОТОВЛЕНИЯ СБИС 203
таксиального «-слоя, на оставшихся на поверхности участках
эпитаксиального слоя с помощью соответствующей металлиза-
ции формируют диоды с барьером Шоттки.
11.3.4. Токи утечки между коллектором и эмиттером
Одним из наиболее сильных факторов, ограничивающих вы-
ход годных интегральных схем, является возникновение тока
утечки между эмиттером и коллектором. Зачастую кристалло-
Рис. 11.9. Вольт-амперные характеристики (зависимость тока коллектора
от напряжения эмиттер — коллектор для четырех уровней тока базы)
биполярных транзисторов п~р—n-тнпа и поперечный разрез структуры этих
транзисторов: а — идеальный случай; б — транзистор с эмиттерно-коллектор-
иой трубкой; в — транзистор с частичным проникновением эмиттерной при-
меси в базовую область.
графический дефект, появившийся в эмиттерной области только
одного транзистора биполярной ИС, может привести к отказу
всей схемы. Такой вид механизма отказа наблюдается у бипо-
лярных схем и не свойствен МОП ИС. Поэтому процент выхода
годных МОП ИС выше, чем у биполярных ИС.
204
ГЛАВА 11
На рис. 11.9, а приведено схематическое изображение струк-
туры идеального биполярного транзистора и его вольт-ампер-
ные характеристики. Эмиттер и коллектор такого прибора изо-
лированы и при нулевом токе базы ток коллектора пренебре-
жимо мал. На рис. 11.9,6 показан транзистор, эмиттер и кол-
лектор которого закорочены. Как можно видеть, эмиттер прони-
Рис. 11.10. Подложки, протравленные в травителе Секко для выявления кри-
сталлографических дефектов, возникших во время технологического процесса
в матрице тестовых транзисторов TR9, TR90, TR900 [33].
зывает базовую область на локальном участке (образуется так
называемая эмиттерно-коллекторная трубка), что приводит
к возникновению эффективной связи между коллектором и
эмиттером. При нулевом токе базы ток коллектора может со-
ставлять несколько миллиампер при напряжении между кол-
лектором и эмиттером порядка нескольких вольт. На рис. 11.9, в
показан эффект неполного закорачивания эмиттера и коллекто-
ра. Примесь, легирующая область эмиттера, частично проникает
в базу, и при низких напряжениях VCe между эмиттером
и коллектором возникает ток прокола базовой области.
Эмиттерно-коллекторные трубки в основном образуются за
счет локально-ускоренной диффузии эмиттерной примеси вбли-
зи таких кристаллографических дефектов, как дислокации
ИНТЕГРАЦИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ИЗГОТОВЛЕНИЯ СБИС 205
£32] Для структур с узкой базовой областью (которая закора-
чивается легче) и мелким эмиттером (более чувствительным
к поверхностным дефектам) проблема шунтирования коллек-
тора и эмиттера становится особенно острой. На рис. 11.10, а
и б показаны два типа дефектов структуры, которые могут
привести к возникновению тока утечки между коллектором и
эмиттером [33]. Эти дефекты можно видеть после удаления
диэлектрика с поверхности структуры и обработки кремния
Время
Рис. 11.11. Зависимость выхода годных изделий от времени (Do — критиче-
ская плотность дефектов) [33].
в селективном травителе, который выявляет дефекты структуры.
Окислительные дефекты упаковки (ОДУ) представляют собой
кристаллографические дефекты, возникающие в кремнии во
время окисления (рис. 11.10,а). Если ОДУ возникают в актив-
ной области эмиттера, они могут привести к возникновению ко-
роткого замыкания эмиттера и коллектора. При специальных
исследованиях было установлено, что эти дефекты полностью
уничтожаются, а их образование предотвращается, если надле-
жащим образом выбрать температуру окисления и ориентацию
подложки £33]. Выход годных тестовых транзисторов с боль-
шой площадью по отношению к току утечки между коллектором
О Помимо ускоренной по дислокациям диффузии к образованию трубок
между коллектором и эмиттером может привести преципитация металличес-
ких примесей на дислокациях, пересекающих базовую область. Более того,
даже наличие примесной атмосферы вокруг таких дислокаций ухудшает ха-
рактеристики биполярных транзисторов. — Прим. ред.
206
ГЛАВА 11
и эмиттером контролировался в течение длительного времени,,
на протяжении которого предпринимались попытки уничтожить-
этот тип дефектов (Л на рис. 11.11) [33]. Как нетрудно заме-
тить, после ликвидации ОДУ какого-либо заметного повышения
процента выхода годных изделий не происходит. Другим типом
дефектов кристаллической структуры являются скользящие-
дислокации, которые возникают за счет термических градиен-
тов в подложке в процессе эпитаксиального роста (рис. 11.10,б).
После того как дополнительные дефекты в виде скользящих
дислокаций были идентифицированы и фактически уничтожены,
выход годных изделий резко возрос (t2 на рис. 11.11). Отсюда
следует важный вывод, что в случае присутствия двух видов
упомянутых дефектов примерно одинаковой плотности
(~Ю4 см" 2) они должны быть уничтожены или существенно-
уменьшены одновременно для того, чтобы устранить токи утеч-
ки между коллектором и эмиттером.
Другим источником возникновения дислокаций является про-
цесс локального окисления. По этому поводу можно сказать,,
что, чем более толстая пленка промежуточного окисла будет
использоваться и чем более тонкие слои нитрида кремния будут
осаждаться, тем менее вероятной становится возможность воз-
никновения дислокаций в кремнии в ходе глубокого локального-
окисления [34]. К сожалению, корректирование толщины ди-
электриков с целью минимизации плотности структурных дефек-
тов приводит к увеличению бокового подкисления (образова-
нию «птичьего клюва»). Появлению токов утечки между кол-
лектором и эмиттером способствуют и многие другие дефекты
материала {33], возникающие в ходе технологического процес-
са. Поэтому, для того чтобы успешно создавать биполярные
СБИС, все эти дефекты также должны быть уничтожены.
11.4. ТЕХНОЛОГИЯ n-МОП ИС
Полевой транзистор на основе структуры металл — окисел —
полупроводник — прибор, наиболее широко используемый
в СБИС. Принцип действия приборов на основе полевого эф-
фекта был предложен еще в 30-е годы Лилиенфельдом и Хей-
лом. Первый работающий полевой МОП-транзистор, в котором
в качестве подзатворного диэлектрика использовалась терми-
чески выращенная двуокись кремния, был продемонстрирован
в 1960 г. Кангом и Аталлой [6]. Интегральные схемы, исполь-
зующие полевые МОП-транзисторы, первоначально формиро-
вались на основе р-канальных (p-МОП) приборов, однако с на-
чала 70-х годов в производстве МОП ИС доминируют «-ка-
нальные МОП ИС, что связано с большей подвижностью
электронов по сравнению с дырками.
ИНТЕГРАЦИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ИЗГОТОВЛЕНИЯ СБИС 207
11.4.1. Пример технологического процесса производства
n-МОП ИС
На рис. 11.12 представлена часть логической п-МОП-схемы,
включающая два транзистора, работающих в режиме обогаще-
ния (нормально закрытых) (EMD/ и EMDb), и последователь-
но соединенный с ними транзистор, работающий в режиме обед-
нения (нормально открытый) (DMD). Все транзисторы окруже-
ны локальным окислом, который выполняет роль диэлектриче-
Рис. 11.12. Трехмерное изображение логической n-МОП-схемы, содержащей
два транзистора, работающих в режиме обогащения (EMD), и последова-
тельно соединенный с ними транзистор, работающий в режиме обеднения
(DMD). (Для простоты промежуточный диэлектрический слой не показан.)
ской изоляции, а затвор и исток транзистора, работающего в
режиме обеднения, соединены с помощью скрытого контакта.
Промежуточный диэлектрический слой разделяет верхний слой
металлизации с нижележащими слоями полупроводника. Такая
структура может быть использована как логический элемент
И—НЕ с двумя входами (рис. 11.13). Последовательно вклю-
ченные два транзистора, работающие в режиме обогащения, и
транзистор, работающий в режиме обеднения, располагаются
между шиной источника питания Vdd и заземленной шиной Vss-
Транзистор, работающий в режиме обеднения, нормально от-
крыт (Vss=O) и выступает в роли источника тока для двух ос-
тальных транзисторов. Затворы А и В этих двух транзисторов
представляют собой входы логической схемы, а ее выходом яв-
ляются соединенные затвор и исток транзистора, работающего
в режиме обеднения. Выходное напряжение рассматриваемой
логической схемы имеет низкое значение (логический нуль)
208
ГЛАВА 11
только в том случае, если оба транзистора, работающих в ре-
жиме обогащения, включены, т. е. если на их входы А и В по-
дается высокий уровень сигнала (логическая единица).
На рис. 11.14 показана последовательность формирования
такой схемы. Исходный материал представляет собой слаболе-
ВхоЗы ВыхоЗ
+VDO
а.
Фосфорно-сили-
катное стекло
Металл
Изолирующий
окисел
h - SlN
Поликремнии
р-подложка
Скрытый
контакт
Область,
канала
—р
Рис. 11.13. Логический вентиль И—НЕ с двумя входами: а — принципиаль-
ная схема; б — топология; в — сечение структуры по линии А—А. (Структура
покрыта плазмохимическим нитридом кремния.)
ограничивающая
распространение
гированную подложку кремния p-типа. На первом этапе фото-
литографии, где формируется диэлектрическая изоляция, с по-
мощью резистивной маски и анизотропного реактивного ионно-
го травления создается топологический рисунок по двухслойной
системе нитрид кремния—промежуточный окисел (рис. 11.14, а).
Маскирующий слой нитрида кремния предназначен для предох-
ранения активных областей схемы от окисления при формиро-
вании диэлектрической изоляции с использованием глубокого
Шаблон изоляции
-
Нитрид
, . Имплантаиия • Окисел
1 Резист | / Изолирую- Г
z щий окисел ’
р- подложка
Шаблон скрытого контакта
СЬ;
А
Имплантация
бора I
ПоЗзатворныи
ограничивающая окисел
распространение п-подложка
канал -------- --------------
Шаблон для имплантации примеси
в область обеднения ,
б
Шаблон затвора
Поликремний
Резист Импланта- ¥ *
уция мышьяка V ♦
р-поЭложка
Импланта-х
|ция мышьяка ।
р-подложка
А
А
в г
Рис. 11.14. Топология и поперечное сечение логического n-МОП-вентиля на
различных этапах его формирования.
а — травление пленок нитрида и окисла кремния и имплантация бора для ограничения
области канала; б—локальное окисление, формирование подзатворного окисла, травле-
ние окон под скрытый контакт и имплантация бора для регулировки порогового на-
пряжения транзисторов EMD; в — имплантация мышьяка в область обеднения транзи-
стора DMD с использованием фоторезиста в качестве маски; г — формирование тополо-
гического рисунка поликремниевых затворов и имплантация мышьяка в области истока
и стока; д — оплавление фосфорио-силикатиого стекла и травление контактных окон.
14—233
210
ГЛАВА 11
локального окисления. После фотолитографии во вскрытые уча-
стки проводят ионную имплантацию бора для образования ле-
гированных участков, предотвращающих распространение ин-
версных каналов под окислом, что может привести к возникно-
вению электрической связи между отдельными приборами ИС.
После удаления фоторезиста и очистки поверхности подложка
подвергается окислению для образования толстого изолирую-
щего слоя окисла. При этом происходит разгонка примеси из
имплантированных слоев (рис. 11.14, б). Впоследствии маскирую-
щие слои нитрида кремния и промежуточный окисел удаляются,
и на поверхности структуры вновь выращивается тонкий слой
подзатворного окисла (его толщина составляет несколько десят-
ков нанометров). Это критический этап в производстве МОП
ИС, так как сплошность и степень чистоты подзатворного окис-
ла оказывают огромное влияние на работоспособность прибо-
ров. С помощью фотолитографии в упомянутом окисле форми-
руют окна для создания скрытых контактов (рис. 11.14,6).
(Эти окна будут впоследствии использованы для создания элек-
трического контакта между поликремниевым затвором и исто-
ком транзистора, работающего в режиме обеднения.)
Затем в поверхность структуры через пленку подзатворного
диэлектрика проводят ионную имплантацию бора, которая пред-
назначена для регулировки величины порогового напряжения.
Значение этого напряжения определяется степенью легирова-
ния области канала транзисторов, работающих в режиме обога-
щения, и толщиной слоя подзатворного окисла. Многие функции
ИС требуют наличия приборов, работающих в режиме обога-
щения, с несколькими величинами порогового напряжения, что
приводит к существенному усложнению технологического про-
цесса. Затем области транзисторов, работающих в режиме обо-
гащения, закрываются маской фоторезиста (рис. 11.14, в) и ион-
ная имплантация мышьяка или фосфора проводится в области
транзисторов, работающих в режиме обеднения, с той же целью
регулировки порогового напряжения этих транзисторов.
На следующем этапе выполняют осаждение поликремния
для формирования затворов полевых МОП-транзисторов и его
легирование примесью ц-типа. После формирования топологи-
ческого рисунка по поликремниевому слою (рис. 11.14, а) осу-
ществляется ионная имплантация областей истока и стока иона-
ми мышьяка или фосфора. Энергия имплантируемых ионов
должна быть достаточно высокой, чтобы они смогли проник-
нуть через пленку подзатворного окисла, но в то же время до-
статочно низкой для предотвращения их проникновения через
пленку поликремния и области локального окисления. Форми-
руемые таким образом области истока и стока самосовмещают-
ся с затворами. Принцип самосовмещения способствует миними-
ИНТЕГРАЦИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ИЗГОТОВЛЕНИЯ СБИС 211
зации перекрытия затвора с областями истока и стока, из кото-
рых примесь диффундирует в горизонтальном направлении. Тем
самым обеспечивается снижение емкостей связи. Отметим, что
поликремниевый п+-затвор имеет контакт к скрытому контакт-
ному слою. Используемые для легирования поликремния фос-
фор и мышьяк могут диффундировать в монокристаллический
материал, расположенный под поликремнием, благодаря чему
сток транзистора, работающего в режиме обогащения, исток
транзистора, работающего в режиме обеднения, и поликрем-
ний имеют электрический контакт. Такой способ создания
контакта позволяет избежать дополнительного расхода площа-
ди, что было бы необходимо при использовании металлических
проводящих дорожек для соединения затвора и истока транзи-
стора, работающего в режиме обеднения.
После имплантирования областей истока и стока подложки
можно окислить для формирования диэлектрической пленки на
поверхности поликремния (с целью создания изоляции между
слоями двухуровневой поликремниевой структуры) и кремние-
вой подложки. Затем проводится осаждение окисла, легирован-
ного фосфором, из парогазовой смеси при пониженном или ат-
мосферном давлении. Образующееся фосфорно-силикатное стек-
ло выполняет несколько функций. Фосфор в таком стекле защи-
щает лежащую под ним структуру прибора от подвижных ио-
нов (Na+), и, кроме того, он делает стекло вязким, облегчая
его оплавление при повышенной температуре. Этот высокотем-
пературный процесс может быть также использован для акти-
вирования и разгонки примеси, имплантированной в области
истока и стока. Оплавление фосфорно-силикатного стекла сгла-
живает поверхностный рельеф, что улучшает воспроизведение
ступенчатого рельефа при его покрытии металлической пленкой:
и способствует облегчению формирования топологического ри-
сунка слоя металлизации. Наряду с этим фосфорно-силикатное
стекло изолирует металлический слой от поликремниевых шин.
Для создания контакта между ними в фосфорно-силикатном
стекле вскрывают окна (рис. 11.14, д). Для того чтобы сгла-
дить крутые боковые стенки окон, вскрытых в слое фосфорно-
силикатного стекла, и тем самым сделать возможным форми-
рование слоя металлизации по этим стенкам, часто после вы-
травливания окон используют дополнительный высокотемпера-
турный отжиг (так называемый процесс повторного оплавле-
ния).
На последнем этапе проводят осаждение металлического
слоя и фотолитографию для создания структуры, показанной
на рис. 11.12. Контакт к слою поликремния обычно выполняет-
ся вне активных областей транзистора, чтобы избежать эрозии
поликремния в этих областях, способной привести к поврежде-
14
212
ГЛАВА 11
нию лежащего под ним слоя подзатворного окисла при после- 1
дующей обработке. Алюминий почти повсеместно используется I
для металлизации как в чистом виде, так и в комбинации 1
с другими металлами. Контакт впоследствии вжигается при 1
температуре до 500 °C в восстановительной газовой среде, что I
необходимо для создания хорошего омического контакта к крем- I
нию и отжига радиационных повреждений, которые могли воз- I
никнуть в кремнии при напылении металла и во время фотоли- I
тографического процесса. Последним на поверхность подложки I
•осаждают сплошной слой плазмохимического нитрида кремния I
(SiN) {35], который герметизирует подложку, предохраняя ее |
от загрязнения и механических повреждений. В тех местах, где I
необходимо сделать внешние (проволочные) выводы к слою I
металлизации, в защитном покрытии вытравливают окна. I
*11.4.2. Основные этапы формирования приборов I
Исходный материал. В качестве исходного материала ис- I
пользуются слаболегированные (~1015 см-3) подложки крем- I
ния p-типа с ориентацией поверхности (100). Выбор подложек I
с ориентацией (100) более предпочтителен по сравнению с ори- 1
ентацией (111), потому что плотность поверхностных состояний I
на таких подложках почти на порядок меньше .'[6]. Чем слабее I
легирована подложка, тем менее чувствительно пороговое на- I
пряжение транзистора к смещению на подложке и тем меньшая I
емкость возникнет между областями истока — стока и подлож- I
кой. Однако, если подложка легирована слишком слабо, облас- I
ти объемного заряда истоков и стоков одного и того же или со- Я
седних транзисторов могут соприкасаться, приводя к проколу I
транзисторов. II
Слаболегированные подложки имеют сравнительно высокую Я
концентрацию неосновных носителей заряда. Эти носители диф- Я
фундируют, проходя очень большие расстояния (сотни микро- I
метров). Достигнув области объемного заряда, они создают ток Я
утечки при обратном смещении. Этот диффузионный ток неос- Я
новных носителей заряда может превышать ток утечки, генери- I
руемый внутри области объемного заряда, в частности при вы- I
соких рабочих температурах (^40 °C) [36]. Однако существу- I
ет метод, который позволяет обойти эту проблему. Он заклю- Я
чается в выращивании слаболегированных (~1015 см-3) эпи-Я
таксиальных слоев p-типа на сильнолегированных подложках Я
р+-типа (—1019 см~3) {37, 38]. Сильнолегированные подложки Я
•имеют низкую концентрацию неосновных носителей заряда Я
(электронов), поэтому неосновные носители первоначально И
должны возникать только в тонком эпитаксиальном слое. Та-Я1
жим образом, диффузионный ток в обратно смещенных перехо-Я
ИНТЕГРАЦИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ИЗГОТОВЛЕНИЯ СБИС 213
дах подавляется даже несмотря на то, что диффузионная длина
неосновных носителей заряда остается большой. Это очень важ-
но для поддержания необходимого времени хранения сигнала
в динамических узлах (например, в динамических запоминаю-
щих устройствах с произвольной выборкой {37]). Дополнитель-
ные затраты на выращивание эпитаксиальных слоев со строго
заданными свойствами на сильнолегированных подложках
должны быть соотнесены с улучшением характеристик получае-
мых приборов1'.
Изоляция. На рис. 11.15, а показаны два смежных «-каналь-
ных полевых транзистора. Направление проводимости актив-
ных транзисторов перпендикулярно поликремниевому затвору.
Под поликремниевым затвором между транзисторами возника-
ет паразитный транзистор (рис. 11.15,6 и в). Если пороговое
напряжение паразитного транзистора слишком низкое, то между
п+-областями соседних активных транзисторов может образо-
ваться инверсный слой, который соединит эти области между
собой. Поэтому, чтобы избежать возникновения подпороговой
проводимости между соседними транзисторами, пороговое на-
пряжение паразитного транзистора должно быть очень высо-
ким. Этого можно достичь путем формирования толстого окис-
ного слоя между активными транзисторами или путем увеличе-
ния в этом месте уровня легирования подложки.
Методы создания изоляции представлены на рис. 11.15,6 ив.
На рис. 11.15,6 показан простой метод, заключающийся в вы-
ращивании толстого слоя окисла по всей поверхности подлож-
ки, в котором впоследствии вскрываются окна для формирова-
ния активных транзисторов (в дальнейшем во вскрытых окнах
выращивается тонкий окисный слой). О другом методе—мето-
де локального окисления — дает представление рис. 11.15, в.
[10]. Этот метод обладает преимуществом по сравнению с пре-
дыдущим, так как почти половина изолирующего окисла распо-
лагается ниже поверхности подложки, что делает эту поверх-
ность более плоской (сравните рельеф поверхности на
рис. 11.15,6 и в). Еще одним преимуществом метода является
возможность формирования области, ограничивающей распрост-
ранение инверсного канала таким образом, что она автомати-
чески совмещается с активной областью транзистора. Доза ион-
ной имплантации при легировании ограничительных областей
лежит в диапазоне 1012—1013 см-2, а глубина ионной имплан-
>) Другим, более дешевым и более современным решением проблемы
является использование внутреннего геттерирования. Выращивание преципи-
татов SiOa существенно снижает время жизии неосновных носителей заряда
в объеме кремниевой подложки, а свободная от преципитатов приповерхно-
стная область существенно очищается от нежелательных примесей и микро-
дефектов. — Прим, перев.
214
ГЛАВА 11
йоликремниевый
затвор -] Р77+1 ГпЯ
Адктивный
1Д (транзистор

IП+ I р [пЦ
Паразитный транзистор
а
Имплантация бора в области ограничения
распространения канала
i I i
\\ 13 4 Промежуточный
»> » н г S окисел
г
д~ окисел я
Т=- Область,
ограничивающая
распространение
канала
е
Р 1Подзат-1
I верный ।
I окиселу ।
'Ч — " "
^Первоначальный размер
----*| Конечный размер
ж
Рис. 11.15. Изоляция полевого МОП-транзистора.
а — топология смежных л-каиальных МОП-траизисторов с общим поликремниевым за-
твором, демонстрирующая направления проводимости активного и паразитного транзи-
сторов; бив — поперечное сечение структуры по А—А соответственно для протравлен-
ной окисной изоляции и для структуры с изоляцией локальным окислением. Этапы
процесса локального окисления: г — травление маски нитрида и промежуточного окисла
и имплантация примеси для создания ограничивающих областей; д — локальное окисле-
ние, приводящее к образованию на поверхности нитрида пленки оксинитрида кремния;
е —удаление пленок оксииитрида, нитрида и промежуточного окисла кремния; ж —вы-
ращивание подзатворного окисла.
тации подбирается так, чтобы после окисления в слоях кремния,
расположенных под окислом, осталось достаточное количество
бора. Слишком сильное легирование ограничивающих областей
приводит к увеличению емкости между областями истока — сто-
ка и подложкой, снижению напряжения пробоя переходов -и
увеличению чувствительности порогового напряжения к эффек-
там сужения ширины канала.
Процесс локального окисления подробно рассмотрен на
рис. 11.15,г—ж. Этот процесс аналогичен процессу, используе-
мому для изоляции биполярных приборов, за исключением того,
ИНТЕГРАЦИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ИЗГОТОВЛЕНИЯ СБИС 215
что при изоляции полевых МОП-транзисторов изолирующий
локальный окисел не должен пронизывать всю толщину эпи-
таксиального слоя. После формирования топологического рисун-
ка будущей изоляции и проведения ионной имплантации для
создания ограничивающих областей (рис. 11.15, а) изолирую-
щий окисел селективно выращивается вокруг активных областей
схемы. Толщина локального окисла составляет обычно несколь-
ко сотен нанометров. Чем тоньше изолирующий окисел, тем
меньше возникающее при его росте образование типа «птичий
клюв» и тем более плоской является поверхность структуры.
Однако слишком тонкий окисел приводит к низким пороговым
напряжениям паразитного транзистора и увеличению емкости
между поликремнием и подложкой. Недостаток процесса ло-
кального окисления заключается в том, что в ходе окисления
поверхность кремния под пленкой нитрида кремния может пов-
реждаться, поскольку выделяющийся при высокотемпературной
обработке из пленки нитрида кремния NH3 может вызывать об-
разование на поверхности кремниевой подложки пленок нитри-
да (или оксинитрида) кремния [39]. Впоследствии в тех местах,
где образовалась такая пленка, не формируется пленка подза-
творного окисла, что приводит к низковольтному пробою
подзатворного окисла и другим видам отказа сформированных
приборов. Одним из методов, используемых для устранения это-
го дефекта, является выращивание предварительного окисного
слоя после удаления маскирующей пленки нитрида кремния.
Затем этот окисел также удаляется, и пластина вновь подверга-
ется окислению для формирования подзатворного окисла [40,
41].
Процесс локального окисления и последующие операции вы-
сокотемпературной обработки могут вызвать существенную диф-
фузию примеси из ограничивающих областей в горизонтальном
направлении. Эта диффузия приводит к увеличению поверхност-
ной концентрации примеси по периметру маскированных нитри-
дом кремния активных областей и, следовательно, к увеличению
порогового напряжения этой части прибора. При этом проводи-
мость краевых участков прибора будет значительно ниже про-
водимости его внутренней части и процессы в транзисторе бу-
дут протекать так, как если бы его канал стал уже. Для задан-
ной толщины изолирующего окисла расширение в горизонталь-
ном направлении ограничивающих областей происходит при
более низких температурах окисления [42]. Следует отметить
еще один геометрический фактор, сопровождающий процесс ло-
кального окисления (рис. 11.15, ас). В связи с тем что происхо-
дит процесс бокового подкисления под маску нитрида кремния,
пространство между транзисторами увеличивается. Поскольку
существует нижний предел на первоначальную величину зазора
216
ГЛАВА 11
между элементами схемы (что связано с возможностями фото-
литографии), имеется такой же предел и на конечную' величи-
ну этого зазора. Многие исследователи обращались к решению
этой проблемы процесса локального окисления ;[10, 40, 43], ис-
следуя новые технологические подходы для формирования изо-
лированных окислом островков с более крутыми стенками [17,
18, 44].
1,0
В
о
Рис. 11.16. Экспериментальные и расчетные зависимости тока стока от по-
тенциала на затворе для приборов, имеющих заглубленную ступеньку вели-
чиной td в изолирующем окисле. На вставке показаны геометрия прибора и
направление проводимости от истока S к стоку D [45].
Результаты даны для id=0,1—0,2 мкм н смещения на подложке от 0 до —2 В.
Уровень легирования подложки составляет J.4-1015 см-3, длина канала 5 мкм, ширина
канала 5 мкм, напряжение на стоке 0,1 В.
Хотя идеальная изолированная окислом область активного
транзистора с вертикально отвесными стенками имеет много
достоинств, тем не менее вблизи острых углов структуры актйв-
ного транзистора может возникнуть нежелательная паразитная
проводимость. На рис. 11.16 справа показана боковая стенка
изолированного окислом транзистора в направлении от истока
к стоку. Поскольку вблизи острых углов границы раздела
Si/SiO2 происходит концентрация электрического поля, порого-
вое напряжение в угловой области становится ниже, и эта часть
ИНТЕГРАЦИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ИЗГОТОВЛЕНИЯ СБИС 217
транзистора начинает пропускать ток при более низком напря-
жении по сравнению с внутренней частью структуры, удаленной
от углов кремниевого кармана [45]. Ситуация усугубляется,
когда в окисной изоляции имеется направленная вниз ступень-
ка (/d на рис. 11.16). Чем больше величина этой ступеньки, тем
ниже пороговое напряжение в угловых участках транзисторной
структуры и тем при более низком потенциале на затворе воз-
никает нежелательная подпороговая проводимость. На рис. 11.16
слева приведены расчетные и измеренные вольт-амперные ха-
рактеристики приборов при напряжениях ниже пороговых, ве-
личина ступеньки на окисле которых составляет 0,1—0,2 мкм
•при толщине изолирующего окисла 0,75 мкм. Пороговое напря-
жение в угловых участках может составлять ту же величину
или быть даже выше порогового напряжения плоских участков
за счет более плавного перехода от активной области к области
локального окисления [45]. Кроме этих эффектов на зависи-
мость порогового напряжения транзистора от его физической
ширины оказывают влияние геометрия боковой поверхности
изолирующего окисла и уровни легирования активной и пара-
зитной областей лежащего под ним кремния [44].
Легирование области канала. По мере того как длина кана-
ла полевых транзисторов становится короче, а пленки подза-
творного окисла тоньше, для достижения необходимых значе-
ний порогового напряжения (как и допороговых характеристик
транзисторов) приходится увеличивать уровень легирования об-
ластей, располагающихся под затворами [46]. Необходимый
уровень легирования области канала можно получить за счет
использования более сильнолегированных подложек, однако при
этом увеличивается чувствительность порогового напряжения
к смещению на подложке и возрастают значения емкостей меж-
ду областями истока — стока и подложкой. Поэтому для дости-
жения необходимого уровня легирования области канала ши-
роко применяется неглубокая ионная имплантация. При этом
•отпадает необходимость в повышении общего уровня легирова-
ния области подложки и достигается двойной эффект: при не-
обходимом высоком уровне поверхностной концентрации чувст-
вительность порогового напряжения к смещению на подложке
минимальна [47].
Неглубокая ионная имплантация может вполне обеспечить
создание транзисторов с необходимыми свойствами. Однако
в зависимости от уровня легирования подложки, глубины зале-
гания переходов истока и стока и толщины подзатворного окис-
ла только неглубокой ионной имплантации в область канала
может оказаться недостаточно для предотвращения прокола
транзистора за счет смыкания областей истока и стока. В тот
момент, когда прибор находится в выключенном состоянии
218
ГЛАВА 11
(Vg^Vt), прокол происходит ниже поверхности кремниевой
подложки. Причина этого явления заключается в том, что бла-
годаря влиянию поля, создаваемого потенциалом на затворе,
ширина областей обеднения вблизи областей истока и стока на
поверхности кремния существенно снижается [48]. Это явление
Рис. 11.17. Зависимость тока стока от напряжения на затворе п-каиальных
приборов. На вставке схематически показаны области истока и стока и об-
ласти обеднения вокруг них при Vg«^Vt и Уо>>0 [48, 49].
Приборы сформированы на подложке с уровнем легирования 1,9-1015 см-3, при глубине
р—д-перехода областей истока и стока 0,47 мкм, толщине подзатворного окисла 57,5 нм,
напряжении на истоке 5 В и смещении на подложке 0 В. В приборах А и В ионной
имплантации примеси в область канала не проводилось, а в приборы С, D и Е бор
имплантировался с дозой 8-1011 см-2 при различной энергии ионов.
иллюстрирует рис. 11.17 (справа). Нетрудно видеть, что сопри-
косновение областей обеднения вокруг истока и стока происхо-
дит ниже поверхности кремниевой подложки при Vg^Vt
и Vd>0. Для того чтобы предотвратить возникновение подпо-
верхностного прокола, можно воспользоваться глубокой ионной
имплантацией бора, которая повышает уровень легирования
подложки на соответствующей глубине.
На рис. 11.17 показаны вольт-амперные характеристики при-
бора, сформированного на подложках с низким уровнем леги-
ИНТЕГРАЦИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ИЗГОТОВЛЕНИЯ СБИС 219
рования, при напряжениях на затворе ниже порогового [49].
Прибор с коротким каналом (L=l,2 мкм) прокалывается го-
раздо легче (кривая Л). Кривая В демонстрирует желаемые до-
пороговые характеристики транзисторов с длинным каналом
(L = 7,8 мкм), сформированных на той же подложке. Имплан-
тация бора с дозой 8-10й см-2 в приборы с короткой длиной
каналов выполнялась при энергии ионов, достаточной для до-
стижения глубины 0,3 мкм. Такая глубина слишком мала, и по-
этому величина порогового напряжения слишком высока по
сравнению с желаемой величиной (кривая С). Повышение энер-
гии имплантируемых ионов (кривые D и Е) обеспечило проник-
новение примеси на глубину, достаточную для того, чтобы по-
лучить необходимую низкую величину порогового напряжения
(поверхностная концентрация примеси не изменилась) и пред-
отвратить возникновение прокола (пик концентрации имплан-
тированной примеси лежит на глубине 0,68 мкм ниже поверх-
ности) в приборах с длиной канала 1,2 мкм. Конечно, при этом
чувствительность прибора к смещению на подложке тоже уве-
личится. Заметим, что коэффициент неидеальности вольт-ампер-
ной характеристики в допороговом режиме [ns=q/kT (dVG/
/dlog/д)] больше в случае неглубокой ионной имплантации
примеси (кривая С) (/1=2,41) и уменьшается («=1,65), когда
загонка имплантированной примеси производится на большую
глубину. Это происходит потому, что высоколегированная об-
ласть находится ниже поверхности кремниевой подложки. Отме-
тим еще раз, что при создании «-канальных МОП ИС могут
использоваться два процесса ионной имплантации бора в об-
ласть канала, необходимые для достижения требуемого уровня
легирования приповерхностной области, что определяет величи-
ну порогового напряжения (неглубокая имплантация), и для
создания специального профиля легирования более глубоких
областей, что способствует предотвращению прокола транзи-
стора (глубокая имплантация) [50, 51].
Однако увеличение поверхностной концентрации приводит
и к нежелательным последствиям, так как сопровождается
уменьшением подвижности носителей заряда на поверхности.
Это явление обусловлено наличием воздействующего на носите-
ли заряда электрического поля, которое в свою очередь обус-
ловлено высоким уровнем легирования подложки [52, 53]. Ис-
пользуя ионную имплантацию для формирования мелких р—п-
переходов вблизи поверхности подложки и выбирая материал
для затвора с соответствующей работой выхода, можно увели-
чить подвижность электронов [54] и дырок {55] до уровня,
превышающего значения, наблюдаемые в обычных структурах.
Мы рассмотрели вопросы, связанные с проводимостью в по-
верхностных каналах. Однако в современных ИС все чаще при-
220
ГЛАВА 11
меняют приборы со скрытыми каналами. В основномр^пользу-
ются два типа таких приборов — i поп»* ц Д нор-
мально закрытым каналам^ Придч рочм&Щ'иЛ ЛИМиЬльно
открытым ft-каналом я в л я стс кт у р а
(рис. 11.13), где легированнаш^^а|^Д^^Д|ДДу)С1 ”той
обеспечивает проводимость межцу г^иДИмГиЗДВм при нуле-
вом напряжении на затворе. закрытым
скрытым каналом могут быть сфорА^^НИИЯ|^июгичным об-
разом (поверхностный слой *пца). Од-
нако для формирования поверхностного'слсй п-типа^фбеднен-
ного носителями заряда, и создания тем самым прибора с нор-
мально закрытым каналом выбираемый материал затвора дол-
жен обладать большой работой выхода (например, р+-поли-
кремний [56] или MoSi2 {57]). Когда прибор открывается,
большая часть тока протекает ниже поверхности, где проводи-
мость значительно выше, чем на поверхности. Поэтому прибор
со скрытым каналом обладает значительно более высокой по-
движностью носителей по сравнению с обычными приборами.
Однако в связи с тем, что путь протекания тока удаляется от
поверхности затвора, крутизна вольт-амперной характеристики
gm= (dloldVo) | VD может уменьшаться по сравнению с крутизной
обычных приборов с приповерхностным каналом. Следователь-
но, при проектировании приборов влияние этих эффектов на
крутизну характеристики должно быть соответствующим обра-
зом учтено.
Материал затвора. В качестве материала затвора и межсо-
единений широко использовался поликремний, сильнолегирован-
ный примесью проводимостью /i-типа, что связано с его спо-
собностью хорошо выдерживать высокотемпературную термооб-
работку. Сопротивление поликремния (>10 Ом/D) может при-
водить к значительной задержке сигнала, проходящего по та-
ким шинам. Не так давно для уменьшения сопротивления стали
использоваться тугоплавкие металлы и их силициды — как сов-
местно с поликремнием {58, 59], так и без него {41, 57]. К пре-
имуществам метода, при котором используется нанесение сили-
цидов тугоплавких металлов на поверхность легированного по-
ликремния (такая структура получила название полицид) [59],
относится общее снижение поверхностного сопротивления такой
структуры до ~ 1—3 Ом/D при сохранении хорошо изученного
раздела поверхности поликремний — SiO2. Для использования
определенных силицидов непосредственно на поверхности под-
затворного окисла, обладающих большей работой выхода, чем
/г+-поликремний, необходимы соответствующие изменения ме-
тода легирования областей канала [41, 57].
Формирование областей истока и стока. В качестве примеси
для формирования областей истока и стока широкое использо-
ИНТЕГРАЦИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ИЗГОТОВЛЕНИЯ СБИС 22«
Рис. 11.18. Фотография областей истока, стока и затвора, полученная мето-
дом просвечивающей электронной микроскопии (а —• глубина р—п-перехода;
с — горизонтальное распространение перехода от его первоначального поло-
жения после ионной имплантации перед началом повторного окисления) [60].
вание получил мышьяк, который позволяет формировать мел-
кие р—n-переходы и минимизирует диффузионное размытие
в горизонтальном направлении. Доза имплантируемой примеси
обычно достаточно высока и лежит в диапазоне 1015—1016 см~2,
что обеспечивает формирование низкоомных областей истока
и стока. На рис. 11.18 более детально показан результат диф-
222
ГЛАВА 11
фузии мышьяка в мелких областях истока и стока на краю по-
ликремниевого затвора [60]. После ионной имплантации
мышьяка в незащищенные участки кремниевой поверхности его
разгонка производилась в окислительной атмосфере (повторное
окисление). Повторное окисление иногда применяют для фор-
Рис. 11.19. а — поперечное сечение n-канального транзистора с силицидом
платины на поверхности истока, стока и затвора; б — выходные вольт-ампер-
ные характеристики транзистора без силицида на областях истока и стока;
в — те же характеристики транзистора с силицидом на областях истока и
стока [51].
мирования диэлектрика на поверхности поликремния в техно-
логии, использующей двухслойную поликремниевую структуру,
и для защиты областей истока и стока от проникновения фос-
фора из фосфорно-силикатного стекла. В результате повторного
окисления на краю поликремниевого затвора возникает конфи-
гурация типа «птичий клюв», а поверхность областей истока и
стока оказывается несколько заглубленной (рис. 11.18). Чрез-
мерная длительность процесса повторного окисления может
усилить эти эффекты и привести к тому, что мелкий примесный
профиль истока и стока в кремнии окажется характерным для
ИНТЕГРАЦИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ИЗГОТОВЛЕНИЯ СБИС 223.
глубокого профиля по электрическим характеристикам, так как
поверхность окисляемого кремния углубилась.
По мере сокращения размеров приборов важное значение
приобретает величина последовательного сопротивления истока
и стока. При уменьшении длины канала его проводимость воз-
растает, сопротивление мелких областей истока и стока остает-
ся постоянным, а в связи с необходимостью использования все
более мелких переходов даже возрастает. В результате сопро-
тивление областей истока и стока ограничивает величину рабо-
чего тока приборов и становится сильнодействующим паразит-
ным сопротивлением.
Рис. 11.19, а иллюстрирует метод, используемый для умень-
шения сопротивления областей истока, стока и затвора [51].
После формирования поликремниевого затвора и диффузионной
разгонки областей истока и стока (до глубины 0,23 мкм) на
поверхность прибора из газовой фазы осаждают окисел крем-
ния, который затем удаляют с горизонтальных участков реак-
тивным ионным травлением. При этом вдоль боковой поверх-
ности поликремния более толстый окисел удаляется не полно-
стью, образуя защищенные окислом и прилегающие к затвору
участки истока и стока. Затем на поверхность осаждают пленку
платины и отжигают структуру, обеспечивая протекание реак-
ции между платиной и незащищенными участками кремния в
областях истока, стока и затвора (Pt не реагирует с окислом).
Это приводит к уменьшению поверхностного сопротивления об-
ластей истока и стока с 50 до 3 Ом/П [51]. Влияние уменьше-
ния поверхностного сопротивления на выходные характеристи-
ки транзистора с электрической длиной канала 0,5 мкм пока-
зано на рис. 11.19,6 и в. Увеличение выходного тока прибора,
использующего силицид, наиболее очевидно при малых напря-
жениях на стоке. Другие методы уменьшения паразитного со-
противления заключаются в использовании локального осажде-
ния вольфрама только на открытые участки поверхности крем-
ния (исток, сток и поликремниевый затвор), без проведения
реакции силицидообразования. При использовании пленки
вольфрама толщиной 150 нм величина поверхностного сопротив-
ления была снижена до 1 Ом/П [61].
11.4.3. Технологические методы формирования
запоминающих устройств
Производство кристаллов запоминающих устройств занима-
ет важное место в технологии СБИС. В настоящем разделе
рассматриваются основные концепции производства структур
полупроводниковых запоминающих устройств. Среди различных
224
ГЛАВА 11
типов запоминающих устройств наибольшей степенью интегра-
ции обладает оперативное запоминающее устройство (ОЗУ),
или запоминающее устройство с произвольной выборкой. В ОЗУ
каждый бит информации может быть выбран произвольным об-
разом из матрицы с записанными битами. Для выбора инфор-
мации из конкретного столбца матрицы используется адресная
шина, которая может быть выполнена в виде диффузионной,
поликремниевой или металлической линии. Аналогичным обра-
зом выбор информации из вертикальных рядов осуществляется
с помощью разрядной шины. Данные могут быть записаны
в ОЗУ и выбраны из него в любой момент времени. В отличие
от ОЗУ постоянные запоминающие устройства (ПЗУ) содержат
предварительно закодированную информацию и не могут ис-
пользоваться для записи новой информации. Статические ОЗУ
сохраняют записанную в них информацию неопределенно долгое
время вне зависимости от того, подсоединены ли они к источ-
нику питания. В динамических ОЗУ для сохранения записанной
информации необходима периодическая регенерация заряда
(данных) каждой ячейки запоминающего устройства.
На рис. 11.20 приведен пример ячейки статического ОЗУ.
Она состоит из шести «-канальных транзисторов, причем четы-
ре из них (Ti—Т4) представляют собой взаимно связанную ин-
верторную пару (мультивибратор), предназначенную для хра-
нения 1 бит информации [62]. Транзисторы Т$ и Т6 вводят и
выводят данные из ячейки в тот момент, когда адресная и раз-
рядная шины одновременно активированы. В качестве нагруз-
ки мультивибратора используются транзисторы и Т2, рабо-
тающие в режиме обеднения. Истоки и затворы этих транзисто-
ров соединены друг с другом так же, как в логической схеме
И—НЕ, приведенной на рис. 11.13. Данные (логическая 1 или
логический 0) сохраняются в ячейке за счет существующей
в мультивибраторе положительной обратной связи. Например,
когда затвор транзистора находится под высоким потенциа-
лом, на его истоке низкий потенциал (<сКг). Этот потенциал
в свою очередь поступает на затвор транзистора Т3 и удержи-
вает его в закрытом состоянии. Сток Т3 находится под высоким
потенциалом за счет транзистора 7\ (который всегда открыт), и
поэтому под таким же потенциалом находится затвор транзи-
стора Та. Такое устройство гарантирует, что сток транзисто-
ра Т3 сохраняет высокий потенциал, а сток транзистора Та—
низкий потенциал. Это состояние элемента определяет логиче-
скую 1 или логический 0, сохраняемые в нем до тех пор, пока
через транзисторы Т5 и Т6 не поступят новые данные.
На рис. 11.20,6 представлена топология [62] схемы, приве-
денной на рис. 11.20, а. Для нагрузочных транзисторов, рабо-
тающих в режиме обеднения, отношение ширины канала к его
ИНТЕГРАЦИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ИЗГОТОВЛЕНИЯ СБИС 225
длине (1/5) подобрано таким образом, чтобы обеспечить необ-
ходимую для быстродействия величину тока транзисторов, не
приводя к излишней рассеиваемой мощности в статическом со-
стоянии; транзисторы Т2 и Tt одновременно включены, и меж-
ду Vcc и Kss течет ток. Для минимизации площади, занимаемой
Разрядная
шина
Разрядная
шина
1 Непосредственная диффузия
“у к поликремниевому контакту
WA Поликремний
рп Диффузионный поликрем-
I—-J ниевый контакт
I-1
L_J Контактные окна AI-SL
“ 6
Рис. 11.20. Ячейка статического ОЗУ с транзисторной нагрузкой: а—прин-
ципиальная схема; б — топология [62].
Vcc и Vss — напряжение источника питания и потенциал заземленной шины соответ-
ственно. Числа около транзисторов показывают отношение ширины канала к его длине.
элементом, необходимо применять скрытые контакты—кон-
такт диффузионного слоя с поликремнием (см. рис. 11.12).
Транзисторы, работающие в режиме обеднения и выполняю-
щие роль нагрузки, могут быть заменены высокоомными рези-
сторами, как показано на рис. 11.21, а [63]. Выбор высоких
значений сопротивлений обусловлен необходимостью уменьше-
ния рассеиваемой мощности в элементе в статическом режиме.
Высокоомные резисторы могут быть сформированы на относи-
тельно небольшой площади с помощью поликремния, в который
для обеспечения соответствующего сопротивления осуществля-
15-233
226
ГЛАВА 11
ют имплантацию примеси. Преимущество выбора поликремния
для этой цели объясняется тем, что его поверхностное сопротив-
ление может быть изменено на несколько порядков с помощью
ионной имплантации. Чтобы создать такие же высокоомные ре-
зисторы (>107 Ом) на основе диффузионных областей в крем-
нии, требуется слишком большая площадь. Поликремниевые
резисторы могут быть сформированы в том же слое поликрем-
ния, который используется для формирования затворов и меж-
Рис. 11.21. а — принципиальная схема ячейки статического ОЗУ с поликрем-
ниевыми резисторами Pi и R2 в качестве нагрузки; б — поперечное сечение
транзистора [63].
Первый уровень поликремния используется для создания затвора н шины источника
питания Vcc. Второй уровень поликремния служит для создания резистивной нагрузки
непосредственно над активным транзистором. Соединение стока и Vcc производится
непосредственно через легированный ионной имплантацией ооликремниевый резистор.
Усс
Поликремний
(первый уровень)
Ионно-имплантированный
ооликремниевый резистор
(второй уровень)
соединений, путем маскирования резисторных областей при им-
плантационном легировании участков слоя поликремния, пред-
назначенных для областей затвора и межсоединений.
Еще большая экономия площади элемента может быть до-
стигнута при использовании второго уровня поликремния для
формирования нагрузочных резисторов и формирования этих
резисторов над активной площадью элемента (рис. 11.21,6).
При таком варианте площадь ячейки статических ОЗУ может
быть уменьшена вдвое по сравнению с площадью, расходуемой
в случае ячейки с традиционной транзисторной нагрузкой [63].
Для того чтобы свести к минимуму потребление энергии в ячей-
ках статических ОЗУ в процессе хранения информации, нагру-
зочные транзисторы, работающие в режиме обеднения (рис.
11.20), могут быть заменены р-канальными транзисторами
в КМОП-ячейке статического ОЗУ при том же расходе площа-
ди (см. разд. 11.5).
Поскольку в ячейках статических ОЗУ большой емкости
(>16 кбит) используется большое число приборов, требуется
ИНТЕГРАЦИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ИЗГОТОВЛЕНИЯ СБИС 227
Шина выборки, или адресная шина
Транзистор выбора
1 Запоминающий
конденсатор
Разрядная
шина
Диффузионная
разрядная
шина
Поликремниевая
обкладка
конденсатора
в
Рис. 11.22. Ячейка динамического ОЗУ, состоящая из транзистора и запоми-
нающего конденсатора: а — принципиальная схема; б — топология; в — попе-
речное сечение структуры по линии А—А [62].
и значительная площадь кристалла, на которой происходит их
формирование. Кроме того, статические ОЗУ могут рассеивать
значительную мощность. По этим причинам в кристаллах, ис-
пользуемых для запоминающих устройств большой емкости,
применяют ячейки динамической памяти. В этом случае для
хранения 1 бит данных достаточно одного транзистора и одного
конденсатора. Для считывания и регенерации данных, записан-
ных в ячейках динамических ОЗУ, необходима дополнительная
электрическая схема. Ее применение значительно обесценивает
15'
228
ГЛАВА 11
усилия, направленные на уменьшение площади кристалла и сни-
жение рассеиваемой мощности в динамических ОЗУ. На
рис. 11.22,а представлена базовая ячейка динамического ОЗУ
[62]. В тот момент, когда адресная и разрядная шины одновре-
менно активированы (на них подан высокий потенциал), тран-
зистор выбора включается и происходит зарядка конденсато-
ра, если он предварительно не был заряжен (хранился 0), или
его подзарядка, если он предварительно был заряжен (храни-
лась 1). Количество заряда, которое должно быть направлено
по разрядной шине в запоминающий конденсатор, измеряется
высокочувствительной электрической схемой. Получаемая ин-
формация используется для распознавания того, что именно — О
или 1 — было записано в ячейке. Назначение упомянутой элек-
трической схемы теперь заключается в том, чтобы перезаписать
полный заряд в конденсатор, если он там изначально находил-
ся, или полностью разрядить конденсатор, если в нем предва-
рительно был небольшой заряд. Таким образом, после каждой
операции считывания информация в ячейке регенерируется (пе-
резаписывается) .
Пример топологии ячейки динамического ОЗУ [62] показан
на рис. 11.22,6, а ее поперечное сечение по линии А—А — на
рис. 11.22, в. С помощью диффузии происходит формирование
разрядной шины и истока транзистора выбора. Емкость диф-
фузионной разрядной шины (т. е. емкость р—«-перехода) и ее
сопротивление могут служить ограничивающими факторами,
определяющими характеристики динамических ОЗУ. Для умень-
шения этих нежелательных эффектов применяется несколько
приемов: например, при производстве кристаллов современных
запоминающих устройств, таких, как динамические ОЗУ ем-
костью 256 кбит, в качестве материала для адресных шин ис-
пользуют MoSi2, а для разрядных шин — А1 [57].
При уменьшении размеров ИС и их элементов желательно
сократить и площадь запоминающего конденсатора в динамиче-
ских ОЗУ. Однако при уменьшении площади конденсатора
уменьшается и величина хранимого в нем заряда. В результате
идентификация содержимого ячейки становится более сложной
задачей (малые уровни сигналов). Для увеличения емкости
конденсатора исследуется возможность применения более тон-
ких слоев подзатворных диэлектриков с большей величиной
диэлектрической проницаемости (например, SisN4 и Та2О5, ди-
электрическая проницаемость которых равна ~8 и ~22 соот-
ветственно) [64, 65].
Другие методы заключаются в использовании ячейки ОЗУ
высокой емкости {66]. (рис. 11.23). Для увеличения емкости
обедненного слоя под хранящим информацию конденсатором и
увеличения за счет этого его способности хранить заряд исполь-
ИНТЕГРАЦИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ИЗГОТОВЛЕНИЯ СБИС 229
зуются неглубокая ионная имплантация мышьяка и более глу-
бокая имплантация бора. Увеличение уровня легирования под-
ложки под конденсатором (имплантация бора) вызывает уве-
личение в этом месте емкости обедненного слоя. Это, однако, не
приводит к тому, что ячейка способна сохранять больший за-
ряд, поскольку разность поверхностных потенциалов Д0$ меж-
ду ячейками с записанной и незаписанной информацией умень-
шается. Совмещение этого процесса с неглубокой ионной им-
примесь
Имплантированная Разрядная шина
примесь
Рис. 11.23. Структура ячейки динамического ОЗУ высокой емкости (Hi-C)
при неглубокой имплантации мышьяка (+) и глубокой имплантации бо-
ра (—): а — однотранзисторная ячейка с одним уровнем поликремния; б —
ячейка с двумя уровнями поликремния [66].
плантацией примеси n-типа (которая действует аналогично по-
стоянному положительному заряду в окисле) приводит к изме-
нению Д05) связанной с увеличением емкости обедненного слоя,
что обеспечивает возрастание величины заряда, хранимого в
конденсаторе ячейки запоминающего устройства. В зависимо-
сти от величины смещения на подложке величина заряда, хра-
нимого в ячейке ОЗУ высокой емкости, может в два раза пре-
вышать величину заряда для обычных ячеек [66].
Область истока транзистора выбора действует как прово-
дящая среда между инверсными слоями, расположенными под
передающим и запоминающим вентилями. Область истока мож-
но устранить за счет использования конструкции элемента
с двухуровневой структурой поликремния [66] (рис. 11.23,б).
Второй поликремниевый электрод отделен от первого поликрем-
ниевого электрода тонкой пленкой БЮг, термически выращен-
ной на поверхности первого слоя поликремния после проведе-
230
ГЛАВА 11
ния по этой поверхности фотолитографического процесса для
образования топологического рисунка. После осаждения второ-
го уровня поликремния формирование топологического рисун-
ка по его поверхности происходит с образованием перекрываю-
щихся участков между первым и вторым уровнями поликрем-
ния. Поэтому заряд из разрядной шины может быть передан
непосредственно в область под затвором запоминающей ячейки
путем объединения инверсных слоев под передающим и запо-
минающим затворами. Конструкция ячейки с использованием
двух уровней поликремния широко используется при создании
динамических ОЗУ, так как позволяет уменьшить размеры
ячейки, однако усложнение, связанное с формированием второ-
го уровня поликремния, может привести к возрастанию стоимо-
сти схем.
До сих пор мы концентрировали свое внимание на создании
отдельных ячеек запоминающих устройств. Для того чтобы
изготовить ИС, состоящую из нескольких тысяч таких ячеек,
необходимо, чтобы компоненты кристалла не содержали дефек-
тов. В ИС памяти отказ многих кристаллов обусловлен нали-
чием локализованных дефектов, которые вызывают отказ толь-
ко в одной строке или в одном ряду матрицы памяти. Выход
годных больших динамических ОЗУ может быть в значительной
степени увеличен путем введения в матрицу дополнительных
(запасных) строк и рядов, которые могли бы заменить дефект-
ные элементы матрицы [67] *>. Для исключения дефектных строк
и рядов памяти с помощью программируемых лазерных им-
пульсов или электрических средств производят пережигание
легкоплавких перемычек. Теперь роль исключенных строк и
рядов будут выполнять дополнительные элементы, которые под-
ключаются к матрице запоминающего устройства путем пере-
жигания соответствующих легкоплавких перемычек в декоди-
рующей электрической схеме памяти. Использование дополни-
тельных элементов в больших динамических ОЗУ позволило су-
щественно понизить стоимость производства этих ИС.
Приведенные выше запоминающие устройства характеризу-
ются тем, что при отключении источника питания происходит
потеря записанной в них информации. Наряду с такими устрой-
ствами существует целый класс постоянных полупроводниковых
запоминающих устройств [6], которые обеспечивают очень дли-
тельное хранение информации, предварительно записанной в них
электрическим или другими методами. Сравнительно недавно
к электрически программируемым постоянным запоминающим
устройствам добавились электрически программируемые ПЗУ
с возможностью стирания информации '[68].
) Этот принцип получил название «резервирование». — Прим, перев.
ИНТЕГРАЦИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ИЗГОТОВЛЕНИЯ СБИС 231
11.5. ТЕХНОЛОГИЯ КМОП ИС
Предложенная в 1963 г. технология комплементарных М.ОП-
структур [69] заключается в формировании п- и р-канальных
МОП-транзисторов на одном кристалле. По сравнению с «-ка-
нальными МОП ИС КМОП-схемы потребляют меньшую мощ-
ность, однако первоначально разработанная технология форми-
рования КМОП-структур была довольно сложной, а для реали-
зации конструктивных решений требовалась значительная пло-
щадь кристалла, так как каждый «-канальный МОП-транзистор
использовался вместе с р-канальным транзистором. По мере
возрастания плотности упаковки «-канальных МОП-схем
с целью уменьшения потребления энергии технологический про-
цесс формирования этих схем был усложнен. Стали использо-
ваться дополнительные фотошаблоны, что позволило создавать
транзисторы с разными величинами порогового напряжения.
Одновременно новые схемотехнические решения позволили уп-
ростить технологический процесс формирования КМОП-схем,
поэтому в настоящее время технологии формирования «-каналь-
ных МОП и КМОП ИС почти одинаковы по сложности. В сов-
ременных КМОП ИС используется большее число «-канальных
МОП-транзисторов, чем р-канальных, что позволяет сохранить
площадь кристалла при уменьшении потребляемой энергии.
Технология КМОП ИС, которая вобрала в себя все преимуще-
ства и достижения технологии «-канальных МОП ИС, стала
одной из наиболее важных технологических схем формирова-
ния СБИС.
11.5.1. Принцип действия и применение КМОП-структур
На рис. 11.24 представлены электрическая схема, структура
и некоторые характеристики КМОП-инвертора {2]. В подложке
«-типа формируют р-канальный транзистор, а «-канальный
транзистор формируют в области p-типа, которая создается в
той же самой подложке «-типа. Эта область p-типа проводи-
мости выступает в роли подложки для «-канального транзи-
стора, часто ее называют карманом. Затворы «- и р-канального
транзистора соединены между собой и представляют собой
вход инвертора. Соединенные стоки обоих приборов являются
выходом инвертора. Пороговое напряжение «- и р-канальных
транзисторов обозначается соответственно Vm и Йтр(Ктр<0).
На рис. 11.24, в представлена зависимость выходного напряже-
ния Vo КМОП-инвертора от величины входного напряжения V/.
При V/=0 «-канальный транзистор закрыт в то
время как р-канальный транзистор находится под высоким по-
тенциалом Vdd; который намного более отрицателен, чем Утр-
232
ГЛАВА 11
Следовательно, Vo = Vdd. При возрастании V/ от нулевого зна-
чения n-канальный транзистор начинает открываться, а р-ка-
нальный транзистор закрываться. Как только V/ становится
больше (Улд—|Иг/>|), Vo = Vss. Характерной особенностью та-
ких КМОП-вентилей является то, что в любом логическом со-
Рис. 11.24. КМОП-инвертор: a — принципиальная схема; б—поперечное се-
чение прибора; в — зависимость напряжения на выходе Vo инвертора от на-
пряжения на входе Vr, г — зависимость величины тока инвертора от вход-
ного напряжения (сплошная кривая) и вольт-амперные характеристики п-
и р-канальных транзисторов (прерынистая кривая).
стоянии (Vo = Kss или Ко = Код) транзисторы закрыты и вели-
чина тока, протекающего по цепи между Vdd и Ks$, пренебре-
жимо мала. Эта особенность проиллюстрирована на рис. 11.24, г,
где ток через инвертор Idd показан в виде функции V/ (сплош-
ная линия). Заметный ток протекает через эту КМОП-схему
только тогда, когда оба транзистора включены одновременно,
т. е. в ходе их переключения из одного состояния в другое. Не-
большое потребление мощности—одна из наиболее важных
особенностей КМОП-схем. Использование КМОП-приборов
ИНТЕГРАЦИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ИЗГОТОВЛЕНИЯ СБИС 233
позволяет конструкторам электронных схем более гибко подхо-
дить к вопросам проектирования, создавая статические КМОП-
схемы, когда каждому n-канальному транзистору соответствует
р-канальный транзистор, или динамические, у которых транзи-
сторы одного типа преобладают в количественном отношении
над транзисторами другого типа.
Пример применения статических КМОП-структур для созда-
ния логического вентиля И—НЕ дан на рис. 11.25. Принцип
а 6
Рис. 11.25. Двухвходовая КМОП-схема логического вентиля И—НЕ: а —
принципиальная схема; б — топология.
действия такой схемы схож с работой вентиля И—НЕ на осно-
ве n-канальных МОП ИС (см. рис. 11.13,а). Выполняемые ло-
гические функции данной схемы состоят в появлении на выходе
вентиля низкого потенциала только тогда, когда на входах А
и В существует высокий потенциал. В КМОП-вентиле при вы-
соком уровне потенциала на входах А и В оба п-канальных
транзистора включены, а оба р-канальных транзистора закры-
ты. В п-МОП-вентиле (рис. 11.13, а) при подаче высокого 1ю-
тенциала на оба входа А и В транзисторы, работающие в режи-
ме обогащения, открыты, и поэтому возникает необходимость
в применении нагрузки, состоящей из транзистора, работающе-
го в режиме обеднения. Следовательно, в отличие от КМОП-
структуры n-МОП-схемы в таком логическом состоянии потреб-
ляют мощность. Другим существенным преимуществом КМОП-
схем является то, что выходное напряжение изменяется от Vdd
до Vss (большая разность сигналов выходного напряжения, со-
ответствующих разным логическим состояниям, желательна для
повышения помехоустойчивости схем). В случае использования
n-МОП-схем такого изменения напряжения не происходит.
234
ГЛАВА 11
К недостаткам статических КМОП-схем относится наличие
дополнительной входной емкости, появление которой связано
с емкостью затвора р-канальных транзисторов, подключенной
параллельно затворам n-канальных транзисторов. Кроме того,
статические КМОП-схемы занимают достаточно большую пло-
щадь кристалла (рис. 11.25,6). Для предотвращения возник-
новения тока утечки между п- и р-канальными транзисторами
между ними необходимо создать некий минимальный зазор. Эту
область можно использовать для прокладки проводящих доро-
Рис. 11.26. Динамическая КМОП-схема «домино». (Буквами от А до К
обозначены отдельные входы [70].)
жек, и, как показано в структуре, изображенной на рис. 11.25,6,
в этом же месте проходит выходная металлическая шина.
Для того чтобы избежать чрезмерного расходования площа-
ди в схемах статических КМОП-приборов и в то же время по-
лучить преимущества, связанные с небольшой величиной по-
требляемой энергии, проектирование современных сложных
КМОП-схем осуществляется с использованием множества п-ка-
нальных транзисторов (в общем р-кармане) и гораздо меньше-
го числа р-канальных транзисторов. На рис. 11.26 приведен
пример динамической КМОП-схемы, называемой схемой доми-
но [70]. Когда со схемы синхронизации подается сигнал низко-
го уровня (pi открыт, П\ закрыт), сигнал на входе инвертора
имеет большую величину и на выходе схемы потенциал отсутст-
вует вне зависимости от того, какой сигнал подается на любой
из входов множества n-канальных транзисторов. При этом по-
требление схемой энергии находится на низком уровне. Когда
же со схемы синхронизации поступает сигнал высокого уровня,
логическая схема возбуждается (pi закрыт, п\ открыт). Если на
ИНТЕГРАЦИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ИЗГОТОВЛЕНИЯ СБИС 235
входы схемы подается такая комбинация сигналов, которая при-
водит к открытию ветви последовательно подключенных л-ка-
нальных транзисторов (например, на входы Л и В), то сигнал,
поступающий на вход инвертора, резко снижается и выходной
сигнал схемы возрастает. Так как все ИС включают в себя
множество динамических схем (аналогичных представленной
на рис. 11.26), сигнал с которых поступает на другие подобные
схемы, данные переходят из одной динамической схемы в дру-
гую, подобно цепочке костей домино. За счет использования
динамических КМОП-схем можно достигнуть значительного
увеличения быстродействия при сохранении площади кристал-
ла неизменной.
Основная проблема, характерная для КМОП-структур, свя-
зана с возможностью возникновения в них нежелательного ме-
ханизма проводимости, известного под названием защелкива-
ния или тиристорного эффекта. Защелкивание представляет со-
бой условие, когда между шинами с напряжением VDd и
возникает очень большой ток, который может привести к нару-
шению функционирования ИС и даже разрушить ее. Инвертор-
ная КМОП-структура образует горизонтальный р—п—р-тран-
зистор и вертикально-горизонтальный п—р—п-транзистор
(рис. 11.27,а). Коллектор каждого из транзисторов связан с ба-
зой другого транзистора, и вместе они образуют тиристор, т. е.
р—п—р—n-прибор, электрическая схема которого также пока-
зана на рис. 11.27, а. При соответствующем смещении на тири-
сторе (т. е. смещении, не типичном для КМОП-схем) коллектор-
ный ток р—п—р-транзистора является базовым током для
п—р—n-транзистора, и наоборот, коллекторный ток п—р—п-
транзистора окажется базовым для р—п—р-транзистора при
наличии положительной обратной связи. Такое смещение губи-
тельно для КМОП-схем, так как между положительным и от-
рицательным электродами тиристора может возникнуть устой-
чивый ток (т. е. защелкивание). Ток защелкивания прекраща-
ется в тот момент, когда происходит отключение тиристора от
источника электрической энергии.
На рис. 11.27,6 показано, как КМОП-схема может попасть
в режим защелкивания {71]. Если на мгновение потенциал на
выходном электроде опускается ниже Kss на величину ~0,7 В
(например, за счет паразитного шумового импульса вследствие
электростатического разряда), n+сток (эмиттер п—р—«-тран-
зистора) инжектирует электроны в р-карман (базу п—р—п-
транзистора). Эти электроны достигают подложки (коллектор
п—р—n-транзистора), где они создают дрейфовый ток, направ-
ленный к положительному электроду Vdd. Если этот ток доста-
точно высокий и между выводом Vdd и р+-истоком существует
достаточное сопротивление, в подложке образуется разность по-
236
ГЛАВА 11
тенциалов, связанная с произведением IR (ток — сопротивле-
ние), которая приводит к снижению потенциала под р+-истоком
на величину ~0,7 В. Такое уменьшение потенциала вызывает
эмиссию дырок из р+-истока (эмиттера р—п—р-транзистора)
в n-подложку (базу р—п—р-транзистора), которые, достигая
ез Поликремний
ЕЗ SiOz
I Алюминий
Рис. 11.27. Поперечное сечение КМОП-инвертора: а — паразитные п—р—п-
и р—п—р-транзисторы образуют тиристор, показанный на вставке; б — воз-
никновение режима защелкивания при смещении на выходе ниже Vss [71].
р-кармана (коллектора р—п—р-транзистора), образуют дрей-
фовый ток по направлению к выводу Если величина этого
тока достаточно велика и между контактом Ess и п+-истоком
существует значительное сопротивление, возникает разность
потенциалов, которая приводит к инжекции электронов из п+-
истока в область р-кармана. Ток электронов увеличивает пер-
воначальный ток и вызывает усиление положительной обратной
связи между р—п—р- и п—р—n-транзисторами, что обеспечи-
ИНТЕГРАЦИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ИЗГОТОВЛЕНИЯ СБИС 237
вает возникновение условий режима защелкивания. В этом
случае первоначальное возмущение не может быть устранено
и большой ток защелкивания будет поддерживать сам себя до
тех пор, пока не произойдет отключения КМОП-схемы от ис-
точника питания, т. е. отсоединения выводов Kss и Vdd- Ана-
логичным образом защелкивание может быть инициировано
инжекцией дырок из р+-истока, если напряжение смещения на
выходе превысит на соответствующую величину напряже-
ние Vdd-
11.5.2. Вариант технологического процесса
производства КМОП-структур
Важным этапом в производстве КМОП-структур является
метод формирования подложек для двух типов полевых МОП-
транзисторов. Первоначально технология формирования КМОП-
структур разрабатывалась исходя из условия ее совместимости
с процессами создания р-канальных МОП-структур, поэтому
n-канальные транзисторы формировали в объеме диффузион-
ных областей p-типа в подложках n-типа. Хотя некоторые из
ранее существовавших ограничений к настоящему времени уст-
ранены и среди МОП ИС доминируют n-канальные МОП-схе-
мы, при производстве КМОП-структур наиболее широко ис-
пользуются технологические схемы с традиционным р-карма-
ном.
р-карман создается ионной имплантацией или диффузией
в подложку n-типа. При этом концентрация легирующей приме-
си должна быть достаточно высокой, чтобы перекомпенсировать
примесь n-типа и обеспечить необходимый уровень легирования
в р-кармане (рис. 11.28,а). Для создания легко управляемого
уровня легирования в р-кармане его уровень легирования дол-
жен в 5—10 раз превышать уровень легирования подложки
n-типа. Однако такое излишнее легирование приводит к возник-
новению нежелательных эффектов в n-канальных транзисторах,
которые выражаются в увеличении обратного смещения на
затворе и увеличении емкости между областями истока — сто-
ка и р-карманом.
Возможно использование и другого технологического вари-
анта, заключающегося в создании n-карманов для формирова-
ния р-канальных транзисторов |[55]. Как показано на
рис. 11.28, б, n-канальные приборы формируют в подложке
с проводимостью p-типа. При этом технология с использованием
n-карманов становится совместимой со стандартной технологией
формирования n-МОП-структур. В таком варианте примесь п-
типа в n-кармане перекомпенсирует уровень легирования под-
238
ГЛАВА 11
Фосфорно-сили-
катное стекло
екийЧеС 7 Нитрид Поликремний м
окисел
п- карман
р- карман
в
Рис. 11.28. КМОП-структуры с а—р-карманом, б—n-карманом, в — двойным
карманом [72].

Эпитаксиальный v-слой
п»- подложка
ложки p-типа проводимости и излишнее легирование приводит
к ухудшению характеристик р-канальных приборов.
На рис. 11.28, в представлен вариант, когда в очень слабо-
легированном кремнии n-типа формируют два отдельных кар-
мана. Такой «двухкарманный» вариант создания КМОП-струк-
тур {72] позволяет получать профили легирования в каждом
кармане независимо, и поэтому ни один из типов приборов не
должен испытывать действия эффектов, связанных с излишним
легированием. Формирование ИС по такому варианту предпола-
гает использование слаболегированных подложек с проводи-
мостью п-типа (v-типа) {72, 73] или p-типа (л-типа) 1[74].
a
в
Рнс. 11.29. Этапы технологического процесса формирования КМОП-структу-
ры с двумя карманами: а — ионная имплантация примеси в область п-кар-
мана; б — ионная имплантация примеси в область р-кармана; в — разгонка
примеси в обоих карманах; г — сплошная ионная имплантация для созда-
ния р+-областей истока и стока; д — локальная имплантация в п+-области
истока и стока с использованием фоторезиста в качестве маски; е — осажде-
ние фосфорно-силикатного стекла [72].
240
ГЛАВА 11
Наиболее важные этапы формирования КМ.ОП-структур
с двумя карманами представлены на рис. 11.29. Исходный ма-
териал представляет собой слаболегированный эпитаксиальный
слой «-типа, выращенный на сильнолегированной «+-подлож-
ке. Такая структура в сочетании с соответствующим методом
создания схемы позволяет формировать КМОП ИС, в которых
не возникает явление защелкивания [75]. На рис. 11.29, а—в
показано, как происходит формирование двойных самосовме-
щенных карманов с использованием одного этапа литографи-
ческого маскирования. После образования двухслойной маски,
состоящей из подслоя SiO2 и верхнего слоя SisN^ в местах,
предназначенных для создания «-карманов, удаляют маскирую-
щее покрытие и производится ионная имплантация фосфора при
низком ускоряющем напряжении, чтобы ионы, проникая в не-
маскированные участки кремния, на остальной части подложки
задерживались в слое SisN4 (рис. 11.29,а). Затем происходят
локальное окисление подложек в области «-кармана и ионная
имплантация бора в р-карманы после удаления слоя Si3N4
(рис. 11.29,6). Бор проникает в подложку через тонкую пленку
подслойного окисла, в то время как области «-карманов защи-
щены более толстым слоем SiO2. Впоследствии весь окисел
удаляется и происходит разгонка примеси в обоих карманах
(рис. 11.28,в).
После разгонки примеси в карманах формируется изоляция
транзисторов внутри карманов (каждый карман может содер-
жать десятки тысяч транзисторов) с помощью метода, показан-
ного на рис. 11.15. После формирования изолирующего и под-
затворного окислов возможно проведение ионной имплантации
примеси в области каналов формируемых приборов для уста-
новления необходимой величины порогового напряжения.
На следующем этапе происходят осаждение «+-поликрем-
ния, формирование с помощью фотолитографии затворов и ион-
ная имплантация примеси в области истока и стока. Для того
чтобы уменьшить число операций фотолитографии, сначала про-
водят ионную имплантацию бора без маскирования во все ис-
токи и стоки (рис. 11.29,г). Затем выполняют ионную имплан-
тацию фосфора локально в области истока и стока «-канально-
го транзистора с более высокой дозой, чтобы перекомпенсиро-
вать находящийся там бор (11.29,6). После этого этапа про-
филь распределения бора в областях истока и стока «-каналь-
ных транзисторов в вертикальном и горизонтальном направле-
нии полностью перекрывается профилем распределения фосфо-
ра. Такой метод был применен и к созданию мелких переходов
«- и р-канальных транзисторов с помощью As и BF2 соответст-
венно [74]. Позднее производятся осаждение на поверхность
структур фосфорно-силикатного стекла (рис. 11.29, е) и его
ИНТЕГРАЦИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ИЗГОТОВЛЕНИЯ СБИС 241
оплавление при высокой температуре. После вскрытия окон
в сло^ фосфорно-силикатного стекла методом плазмохимическо-
го травления с помощью этого же метода происходит форми-
рование топологического рисунка по слою алюминиевой метал-
лизации. Самым последним слоем является плазмохимический
нитрид кремния, который обеспечивает герметизацию приборов
и их защиту от механических повреждений. Разрез получаемой
после всех технологических этапов структуры представлен на
рис. 11.28,3.
11.5.3. Основные этапы формирования приборов
Изоляция. Те же самые принципы, которые были обсужде-
ны нами ранее в разд. 11.4.2, применяются для изоляции друг от
друга однотипных полевых МОП-транзисторов внутри данной
области кармана. Однако при изготовлении КМОП-схем суще-
ствуют дополнительные проблемы, связанные с необходимо-
стью изоляции двух различных типов транзисторов. На
рис. 11.30, а показана топология двух соседних р- и п-каналь-
ных транзисторов, расположенных вблизи общей границы кар-
манов с различным типом проводимости. На рис. 11.30,6 пред-
ставлено сечение такой структуры под поликремниевой шиной.
Между «-истоком и соседним «-карманом существует паразит-
ный «-канальный транзистор, канал которого образуется под
поликремниевым затвором. Аналогичным образом между р-ис-
током и р-карманом возникает паразитный р-канальный тран-
зистор.
Как и для вариантов с использованием карманов одного ти-
па, так и для вариантов с двухкарманной технологией разгонка
примеси ведется на глубину, достаточную для образования зна-
чительного заряда под рабочей областью транзистора. Это не-
обходимо для предотвращения прокола в сторону подложки,
а также для того, чтобы не допустить увеличения коэффициен-
та усиления hpE вертикального биполярного транзистора и тем
самым понизить чувствительность приборов к эффекту защелки-
вания. Большая длина диффузии, связанная с разгонкой примеси
в карманах, приводит к уменьшению ее поверхностной концентра-
ции вблизи границы и, как следствие, уменьшает пороговое на-
пряжение паразитных транзисторов. На рис. 11.30, в показана за-
висимость величины порогового напряжения каждого из типов
паразитных приборов от расстояния между краем транзисторов
и границей раздела двух карманов [72]. На верхней кривой в ле-
вой части графика показано уменьшение порогового напряже-
ния паразитного «-канального транзистора при приближе-
нии к границе кармана в отсутствие соседнего «-кармана, ко-
торое характеризует эффект длительной диффузии в техноло-
гическом варианте с использованием только р-карманов. Взаим-
16—233
242
ГЛАВА 11
Расстояние So границы кармана, мкм
в
Рис. 11.30. Изоляция п- и р-канальных транзисторов: а — топология сосед-
них п- и р-канальных транзисторов с общим поликремниевым затвором;
б — поперечное сечение структуры под поликремниевой шиной; в — зависи-
мость величины порогового напряжения паразитных п- и p-каналов от рас-
стоиния между краем транзисторов и границей раздела двух карманов [72].
ная диффузия примесей на границе двух карманов, легирован-
ных различным типом примеси, приводит к еще большему
уменьшению результирующей поверхностной концентрации
вблизи границы карманов и еще больше снижает пороговые на-
пряжения паразитных транзисторов (рис. 11.30, в). Поэтому
для того чтобы удержать пороговые напряжения паразитных
транзисторов на достаточно большом уровне, необходимо раз-
ИНТЕГРАЦИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ИЗГОТОВЛЕНИЯ СБИС 243
меща^ь п- и р-канальные транзисторы довольно далеко от гра-
ницы кармана.
Для того чтобы избежать проблем, связанных с циклами
разгонки примесей при создании глубоких карманов, можно
воспользоваться ионной имплантацией примеси в р-карманы при
очень высокой энергии ионов (400—600 кэВ). При этом необхо-
димая величина заряда под n-канальным транзистором образу-
ется без длительной термической обработки [76, 77]. Глубокая
имплантация ионов бора, проводимая после локального окис-
ления, обеспечивает создание высокой поверхностной концент-
рации примеси под изолирующим окислом, которая впоследст-
вии служит для ограничения распространения в горизонталь-
ном направлении инверсной области. Как сообщалось в литера-
турных источниках, использование такого метода позволяет су-
щественно повысить плотность упаковки элементов ИС и пони-
зить чувствительность схем к возникновению эффекта защелки-
вания [76, 77].
Регулировка порогового напряжения. Обычно требуется,
чтобы пороговое напряжение обоих типов транзисторов нахо-
дилось примерно на одном и том же уровне и было ниже 1 В.
Выполнение этих требований обеспечивает функционирование
КМОП-схем при низких уровнях напряжений (Vdd> Утп+ I ЕтР1)
и более высокий уровень тока стока при больших значениях
Vdd- Однако для выполнения отмеченных условий необходимо
провести соответствующую регулировку параметров схемы. Ес-
ли в разных типах приборов для затвора используется один
и тот же материал (например, п+-поликремний), то разность
работ выхода электронов Фмз будет отличаться для п- и р-ка-
нальных транзисторов. Такая разница приводит к асимметрии
пороговых напряжений обоих типов транзисторов. На рис. 11.31
показаны расчетные значения величин пороговых напряжений
п- и р-канальных приборов в зависимости от уровня легирова-
ния подложки, на которой они сформированы. Отметим, что не-
возможно получить |УтР[сО,7 В только за счет уменьшения
уровня легирования канала для р-канальных транзисторов, в
то время как для n-канальных приборов можно достичь выпол-
нения соотношения Етл<0,7 В путем подбора уровня легирова-
ния подложки в области канала.
Для того чтобы обеспечить необходимую величину порогово-
го напряжения р-канальных транзисторов с поликремниевым
п+-затвором, часто осуществляют неглубокую ионную имплан-
тацию бора в область канала р-канальиых приборов ;[55, 72].
В случае имплантации бора нижние кривые на рис. 11.31 сдви-
гаются к более положительным значениям. Эта же доза ионов
бора может быть также имплантирована в область канала n-ка-
нальных приборов для того, чтобы увеличить значение Vrn- При
16*
244
ГЛАВА 11
соответствующем выборе уровня легирования р- и «-областей,
в которых происходит формирование приборов, можно исполь-
зовать только один неселективный процесс ионной имплантации
бора для управления величиной порогового напряжения каж-
дого из типов приборов. Этот метод проиллюстрирован на
рис. 11.32, где приведен график зависимости пороговых напря-
Рис. 11.31. Расчетные величины пороговых напряжений n-канального (Ут„)
И р-канального (Утр) транзисторов в зависимости от уровня легирования
подложки. [Предполагали наличие поликремниевого п+-затвора, отсутствие
постоянного заряда в окисле (Qf) и нулевое смещение на подложке (Vbs).]
жений Vtp и VTn от дозы имплантированных ионов бора для
приборов с толщиной подзатворного окисла 65 нм и поликрем-
ниевыми п+-затворами [55]. Эта КМОП-структура сформирова-
на с использованием «-карманов в подложке с проводимостью
p-типа. По мере увеличения дозы имплантированного бора УТп
также возрастает, поскольку при этом увеличивается поверхно-
стная концентрация примеси в подложке p-типа. Величина [Vr₽|
уменьшается главным образом из-за присутствия в области
объемного заряда отрицательного заряда (ионизированные ато-
мы бора). При более низком уровне имплантированной приме-
си в n-кармане уменьшение | УтР| происходит быстрее с увели-
чением дозы примеси, имплантируемой для регулирования поро-
гового напряжения. j
ИНТЕГРАЦИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ИЗГОТОВЛЕНИЯ СБИС 245
Необходимые величины порогового напряжения Vm=—Vr₽ =
= 0,7 В достигаются при использовании дозы имплантированно-
го в /г-карман фосфора 1,5-1012 см~2 и дозы имплантированного
в область канала бора 4-Ю11 см-2. Полученный расчетным пу-
тем профиль распределения примесей под затвором каждого
типа приборов при этих условиях ([55] представлен на
Доза имплантированного dopaxto", см-2
Рис. 11 .32. Зависимость порогового напряжения п- и р-канального транзи-
сторов от дозы имплантированного в область канала бора (КМОП-структу-
ра сформирована с использованием n-карманов в подложке p-типа проводи-
мости, уровень легирования которой составляет 6-1014 см-3; данные дли
р-канального транзистора показаны при различной дозе имплантированной
в n-карман примеси) [55].
рис. 11.33, а и б. В качестве примеси для формирования обла-
стей истока и стока /г-канальных полевых МОП-транзисторов
используется мышьяк. Чувствительность порогового напряжения
этих транзисторов к величине смещения на подложке имеет бо-
лее резкий характер при малых значениях VBS и более плавный
при увеличении этого напряжения (вставка на рис. 11.33,а),
что является следствием характерного профиля легирования
под затвором полевого транзистора. Для формирования обла-
стей истока и стока р-канальных транзисторов используется
BF2, что обеспечивает получение более мелких профилей рас-
пределения легирующей примеси по сравнению с профилями
бора.
Следует отметить, что в результате введения имплантирован-
ной примеси в приповерхностную область для регулировки по-
246
ГЛАВА 11
рогового напряжения здесь образуется область p-типа, которая
соединяет р+-области истока и стока полевого транзистора. Та-
кая структура представляет собой аналог нормально закрытого
скрытого n-канального МОП-полевого транзистора. Это озна-
чает, что разность работ выхода по отношению к поликремние-
S
ю’7
то'3
р-канал
10№
• Имплантация бора для
I регулировки порогового
7 напряжения (Ь,0-10"см~2)
Эффективная концент-
рация примеси
5 10'5
р^-диффузия
.(доза bf2:
| з-ю15 см-2)
п-карман(доза Р:
| ;.5-70’2см -г)
Р подложка
(6-;о"> см-з)
Глубина
I р-п-перехода

о
J___I___ ___I___|_
2 3 4 5 6 7
Глубина, мкм
б
Рис. 11.33. Расчетный профиль распределения примеси под затвором,
а —случай л-канального прибора, сформированного иа подложке p-типа с уровнем ле-
гирования 6-Ю’4 см-3, при дозе бора, имплантированного в область канала, 4«10п см-2.
Отмечена глубина перехода п+-областей истока и стока (0,4 мкм). На вставке показана
чувствительность порогового напряжения к смещению на подложке, связанная с 1Измене-
нием профиля легирования от высокой концентрации примеси к низкой; б — случай'
р-каиального прибора в л-кармане при той же дозе бора, имплантированного в область
канала. Показана глубина р+-областей истока и стока (0,55 мкм) [55].
вому п+-затвору в приборе, характеристика которого изображе-
на на рис. 11.33,6, приводит к обеднению p-области вблизи
поверхности, в то время как снизу такому обеднению способ-
ствует примесь, легирующая га-карман. Поэтому дополнительно
имплантированный бором приповерхностный слой находится
в состоянии обеднения носителями заряда (нормально закрыт).
Если для подлегирования области канала используются доста-
точно большие дозы имплантируемых ионов (например,
8-10псм-2, как показано на рис. 11.32), то мелкие области
p-типа не входят в состояние обеднения при Vg = 0 и прибор ра-;
ИНТЕГРАЦИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ИЗГОТОВЛЕНИЯ СБИС 247
ботает как транзистор в режиме обеднения (нормально открыт).
Описанная выше процедура подлегирования области канала
применима в случае и+-поликремниевых затворов. Использова-
ние разных материалов для затворов предполагает применение
различных методов подлегирования областей каналов двух ти-
пов приборов. Так, затворы на основе MoSi2 имеют значение
работы выхода 0,8 В, что больше по сравнению с и+-поликрем-
нием. КМОП-приборы, в которых в качестве материала затвора
использовался MoSi2, формировались с использованием ионной
имплантации мышьяка или фосфора в область канала для
л-канальных приборов (скрытые каналы) и бора для р-каналь-
ных приборов, что обеспечивает значение Утп=—УтР=0,8 В [78].
Предотвращение защелкивания. Критические параметры
прибора по отношению к явлению защелкивания могут быть
описаны с использованием схемы тиристора, приведенной на
вставке рис. 11.27, а. Определяющими параметрами являются
коэффициенты усиления по току Fife биполярных п—р—п
и р—п—р-транзисторов. Если произведение этих коэффициентов
усиления превышает единицу, то в приборе может возникнуть
защелкивание. Для уменьшения коэффициентов усиления по то-
ку обоих транзисторов было предложено несколько методов,
включая легирование золотом и нейтронное облучение, что при-
водит к сокращению времени жизни неосновных носителей за-
ряда <[79]. Однако эти методы с трудом поддаются контролю
и приводят к возникновению других нежелательных явлений
при работе приборов, например увеличению токов утечки. Ко-
эффициент усиления вертикального п—р—л-транзистора может
быть уменьшен за счет использования скрытых р+-слоев под
р-карманами 1[79] или путем использования ионной импланта-
ции бора в р-карман при высоком уровне энергии имплантируе-
мых ионов и их высокой дозе {76, 77].
Другим эффективным методом для предотвращения защел-
кивания [79] является уменьшение сопротивления, шунтирую-
щего эмиттерно-базовые переходы обоих типов биполярных
приборов, показанных на рис. 11.27, а. Если величина шунти-
рующего сопротивления достаточно мала, падения напряжения
IR через прямо смещенные эмиттерно-базовые переходы недо-
статочно для возникновения явления защелкивания. Шунтирую-
щее сопротивление эмиттерно-базового перехода горизонтально-
го р—п—р-транзистора можно уменьшить путем выращивания
эпитаксиального n-слоя на поверхности п+-подложки [75, 73].
Как можно видеть из рис. 11.27,6, применение более высоко-
проводящих подложек приводит к снижению сопротивления в
горизонтальном направлении под р+-областью истока. Кроме
того, электроны, инжектированные из и+-областей истока и сто-
ка в р-карман, могут переноситься в вертикальном направлении
248
ГЛАВА 11
на нижнюю поверхность кристалла, которая постоянно нахо-
дится под потенциалом Vdd- Дополнительные затраты, связан-
ные с выращиванием эпитаксиального слоя, компенсируются
преимуществами, которые предоставляет данный метод, обеспе-
чивая эффективный контроль за подавлением явления защел-
кивания.
Помимо использования структуры, состоящей из эпитакси-
ального n-слоя на п+-подложке, для предотвращения эффекта
защелкивания должны быть использованы и соответствующие
топологические методы при формировании электронной схемы
КМОП ИС ([75]. Охранные кольца, окружающие п- и р-каналь-
ные транзисторы во входных и выходных схемах, могут быть
использованы для отклонения неосновных носителей заряда,
предотвращая тем самым возникновение падения напряжения
в горизонтальном направлении. Защита элементов входных це-
пей способна предохранить их от воздействия внешних сигна-
лов, которые вызывают возникновение защелкивания и перена-
пряжения на подзатворном окисле. Приборы, входящие в состав
входных и выходных цепей, обычно имеют сравнительно боль-
шие размеры, для того чтобы обеспечить высокие уровни тока,
поэтому дополнительная площадь кристалла, необходимая для
введения охранных колец в сложных схемах, относительно мала.
11.6. МИНИАТЮРИЗАЦИЯ СБИС
В этом разделе мы обсудим некоторые основные направле-
ния миниатюризации отдельных приборов и создаваемых на их
основе ИС.
11.6.1. Основные правила проектирования
Правила, по которым происходит определение размеров от-
дельных элементов при проектировании и изготовлении ИС для
конкретной технологической схемы, обычно называют правила-
ми проектирования. Существует список минимальных размеров
элементов и расстояний между ними (включая условия совмеще-
ния этих элементов), который связан с ограничениями, накла-
дываемыми процессами литографии и физическими пределами
работоспособности, характерными для конкретного типа прибо-
ров и используемой технологической схемы. При выработке пра-
вил проектирования приходится учитывать множество факторов.
Наиболее важные из них будут рассмотрены в данном разделе.
Минимальные размеры элементов на отдельных уровнях.
Для каждого уровня необходимо установить минимальную ши-
рину отдельных элементов и расстояние между ними на всей
ИНТЕГРАЦИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ИЗГОТОВЛЕНИЯ СБИС 249
поверхности обрабатываемой подложки. Эти размеры являют-
ся функцией 1) минимальных размеров на шаблоне, разреше-
ние которых возможно в процессе литографии, и 2) изменений,
которым подвергаются отдельные элементы топологии в ходе
некоторых этапов технологического процесса, определяющих в
конечном итоге окончательные размеры элементов. Первый
фактор зависит от качества шаблонов, используемого литогра-
фического оборудования, технологии процесса литографии и то-
пографии подложки на конкретном технологическом этапе. Ог-
раничения, свойственные второму фактору, определяются осо-
бенностями процесса переноса изображения. Этот процесс мо-
жет иметь несколько форм. Например, изменения размеров
вытравливаемых элементов по сравнению с их размерами на
литографическом шаблоне малы в том случае, когда использу-
ют анизотропное сухое травление. Следовательно, размеры
элементов на шаблоне могут быть очень близкими к тем, кото-
рые должны быть получены на поверхности подложки. В то же
время процесс локального окисления приводит к увеличению
расстояния между активными элементами, в результате чего
конечное расстояние между этими элементами в кремнии боль-
ше по сравнению с тем же расстоянием, заложенным в шабло-
ны. Поэтому при проектировании минимального расстояния
между транзисторами необходимо принимать во внимание дей-
ствие этого фактора. Горизонтальная диффузия примесей и уве-
личение размеров обедненных слоев р—«-переходов в горизон-
тальном направлении (при максимальном напряжении, прикла-
дываемом к р—«-переходам) также вызывают необходимость
в сохранении минимального расстояния между приборами на
определенном уровне. Как отмеченные здесь, так и многие дру-
гие факторы, связанные с условиями формирования изображе-
ния и особенностями приборов, должны учитываться при уста-
новлении минимальных размеров элементов и расстояния меж-
ду ними.
Объединение отдельных уровней. Не менее важным, чем оп-
ределение минимальных размеров элементов, является опреде-
ление расстояний, необходимых для совмещения элементов то-
пологии одного уровня по отношению к элементам другого уров-
ня. Совмещение элементов отдельных уровней зависит от 1) до-
пуска на совмещение в литографическом процессе, 2) измене-
ния размеров элементов во время технологических процессов
и 3) последовательности совмещения отдельных уровней. До-
пуск на совмещение в свою очередь является функцией исполь-
зуемого литографического оборудования и достигаемой на нем
точности совмещения (т. е. ошибок оператора). Если Д—мак-
симально возможная линейная ошибка рассовмещения эле-
ментов двух уровней (например, Д равняется удвоенной величи-
250
ГЛАВА 11
не среднеквадратичного отклонения о0 в вероятностном распре-
делении ошибки рассовмещения) и между уровнями А и В
происходит п процессов совмещения, то максимально возможное
линейное рассовмещение М [80] между уровнями А и В состав-
ляет Ма,в—^Па, вА. Предполагается, что Д является постоян-
ной величиной для всех уровней. В соответствии с этим урав-
нением при возрастании числа отдельных этапов совмещения
между двумя уровнями точность наложения элементов ухудша-
ется.
Помимо ошибки наложения шаблона на предыдущий рису-
нок, изменение размеров отдельных элементов (п. 2) наклады-
Последовательность
Последовательность
изготовления
1 .Изоляция
2 . Скрытый контакт
3. Имплантация слоя обеднения
4. Формирование поликремниевого затвора
5. Вскрытие контактных окон (1)
6. Металлизаиия
7. Вскрытие контактных окон (2)
совмещения
Рис. 11.34. Последовательность изготовления и совмещения шаблонов раз-
личных слоев для структуры, представленной на рис. 11.14. Стрелки указы-
вают технологические слои, по отношению к которым происходит совмещение
последующих технологических слоев.
вает ограничения на возможную точность совмещения элемен-
тов двух уровней. Воспроизводимость процессов формирования
топологического рисунка (литографии, травления, диффузии
и т. д.) оказывает влияние на изменение размеров элементов.
Если ±81а — максимально возможное изменение положения
края элемента на уровне Л (в пределе 2о0), а ±б/в — макси-
мально возможное изменение положения края элемента на уров-
не В (в пределе 2о0), то минимальное расстояние, которое не-
обходимо заложить в шаблон для того, чтобы быть уверенным,
что края этих элементов не совпадут, составляет 5д, в=
=}па, вА2 + 81а2 + 81в2. Поэтому, чтобы уменьшить допуск на сов-
мещение, необходимо свести к минимуму ошибку наложения,
изменения размеров элементов и число отдельных этапов сов-
мещения между критическими уровнями.
Процесс изготовления приборов ИС должен протекать в оп-
ределенной последовательности, однако оптимальная последо-
вательность совмещения может сильно отличаться от последо-
вательности технологических операций. Например, на рис. 11.34
слева указана последовательность технологических этапов для
изготовления с помощью семи шаблонов структуры, изображен-
ной на рис. 11.14. Пример последовательности совмещения
слоев для данного технологического процесса приведен на
ИНТЕГРАЦИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ИЗГОТОВЛЕНИЯ СБИС 251
рис. 11.34 справа. Заметим, что следующие в хронологическом
порядке уровни при данной последовательности формирования
приборов не обязательно должны совмещаться именно по пре-
дыдущему уровню (потому что, например, формирование скры-
того контакта и ионная имплантация для создания обедненного
слоя создают очень нечеткую метку на поверхности подложки).
Зная последовательность совмещения, мы можем определить
число совмещений между двумя любыми уровнями. Число сов-
мещений между двумя любыми уровнями, приведенными на
рис. 11.34, отображено в виде матрицы (табл. 11.2). Если до-
Таблица 11.2. Матрица числа этапов совмещения между двумя любыми
уровнями топологических слоев для технологической схемы,
представленной иа рис. 11.34
Изоляция
Формирование скрытого 1
контакта
Ионная имплантация слоя 1
обеднения
Формирование поликрем- 1
ниевого затвора
Вскрытие контактных окон 2
(1)
Металлизация 3
Вскрытие контактных окон 4
(2)
2
2
3
4
5
1
2
2
3
4
5
1
2
2
1
2
3
пуск на совмещение и изменения размеров элементов известны
для каждого уровня, то максимально возможный интервал
между краями элементов на любом из двух уровней может быть
также представлен в виде матрицы.
Некоторые из зазоров между элементами, формирование ко-
торых происходит в ходе технологических процессов, представ-
ленных в табл. 11.2, являются критичными, а другие нет. На
рис. 11.35 показано, каким образом недостаточный интервал
между отдельными элементами может привести к возникнове-
нию дефектов в приборах и отказам. Изображенные на этом
рисунке два топологических слоя имеют одни и те же мини-
мальные размеры отдельных элементов, однако занимаемая
ими площадь значительно отличается по соображениям совме-
щения. На рис. 11.35, а показана идеальная топология слоев
252
ГЛАВА 11
Изоляция
Контактное
окно
Затвор Короткое замыкание
Недостаточный г истока и стока
контакт
Короткое
замыкание
'истока и
стока с
затвором
Контактное
окно I
Рис. 11.35. Влияние допусков иа совмещение иа топологию полевого МОП-
транзистора. а — случай идеального совмещения (топологический рисунок
МОП-транзистора, размеры элементов которого предусматривают точное
совмещение); о — случай максимально возможного рассовмещения и ухода
размеров топологического рисунка для МОП-транзистора, показанного на
рис. а; в — случай идеального совмещения (топологический рисунок МОП-
транзистора, размеры элементов которого имеют запас на рассовмещение и
уход размеров); г — случай максимально возможного рассовмещения и ухода
размеров топологического рисунка для МОП-транзистора, показанного на
рис. в.
изоляции, контактных окон и поликремниевого затвора МОП-
транзистора, размеры которой предусматривают точное совме-
щение. На рис. 11.35,6 показано, как рассовмещение слоев и из-
менение размеров элементов могут влиять на характеристики
прибора. Для большей наглядности контактные окна в левой
части рисунка изображены с заниженными размерами, а в пра-
вой— с завышенными. Контактные окна (которые стали круг-
лыми в ходе технологической обработки) с заниженными раз-
мерами создают малую площадь контакта с областями истока
и стока, поскольку значительная часть площади самого контак-
та приходится на поверхность толстого изолирующего окисла.
В результате может возникнуть значительное сопротивление на
контакте или даже его обрыв.
ИНТЕГРАЦИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ИЗГОТОВЛЕНИЯ СБИС 253
Если размеры поликремниевого затвора таковы, что их из-
менение в ходе технологической обработки приводит к сниже-
нию длины участка затвора, накрывающего область изолирую-
щего окисла (рис. 11.35,а), то расстояние, разделяющее области
истока и стока, становится слишком малым, а в некоторых слу-
чаях исчезает совсем, что приводит к короткому замыканию
этих областей (рис. 11.35,6). Из-за несовмещения между кон-
тактными окнами и затвором и увеличения размеров этих окон
(и/или размеров затвора) после металлизации возможно корот-
кое замыкание между областями истока или стока и затвором
(рис. 11.35,6). Если элементы отдельных топологических слоев
будут выполнены с некоторым запасом, то рассовмещение и из-
менение размеров этих элементов в ходе технологической обра-
ботки будут оказывать меньшее влияние на работоспособность
формируемых приборов (рис. 11.35, в иг). В связи с этим необ-
ходимо найти компромисс между плотностью упаковки (пло-
щадью кристалла ИС) и способами обработки (плотностью де-
фектов), который выражается в составлении набора правил
проектирования для данной технологии формирования ИС.
11.6.2 . Принципы масштабирования
Уменьшение размеров приборов (масштабирование) для по-
вышения плотности их компоновки может быть достигнуто раз-
личными путями. При этом основной задачей становится сохра-
нение первоначальных характеристик приборов.
Принципы масштабирования для биполярных приборов ос-
нованы на оптимизации произведения мощности на задержку
сигнала для конкретной биполярной схемы. Ниже изложены
условия, необходимые для достижения этой цели [16]. При
уменьшении горизонтальных размеров биполярных ИС с задан-
ным коэффициентом вертикальные размеры приборов (т. е. тол-
щина эпитаксиального слоя, ширина базовой области, глубина
эмиттерной области) уменьшаются примерно с тем же коэффи-
циентом, а плотность тока возрастает почти пропорционально
квадрату этого коэффициента. Уровень легирования коллектора
(в эпитаксиальном слое) должен оставаться пропорциональным
плотности эмиттерного тока, чтобы избежать эффекта выдав-
ливания базы. Для предотвращения прокола базовой области
при уменьшении ее толщины уровень легирования на базе по-
вышается обратно пропорционально квадрату уменьшения ее
толщины. При этом происходит и уменьшение глубины эмиттер-
ной области, что необходимо для сохранения контроля над тол-
щиной базовой области и величиной заряда в базе. Поэтому при
уменьшении размеров приборов эффекты, связанные с высоким
уровнем легирования, такие, как сужение ширины запрещенной
254
ГЛАВА 11
зоны, становятся более существенными как для базовой, так
и для эмиттерной областей. Рабочее напряжение при уменьше-
нии размеров биполярных приборов остается почти неизменным,
поскольку напряжение включения р—n-переходов относительно
нечувствительно к геометрии приборов и уровню легирова-
ния [16].
Рассмотрим основные принципы миниатюризации полевых
МОП-транзисторов 1[46] при уменьшении физических размеров
этих приборов на масштабный коэффициент К (К>1). Для того
чтобы при уменьшении размеров прибора сохранить внутрен-
ние электрические поля на том же уровне, необходимо понизить
рабочие напряжения также на коэффициент К. Такие физиче-
ские размеры, как толщина окисла, длина затвора, ширина
транзистора и глубина перехода, уменьшаются пропорциональ-
но К- Пороговое напряжение понижается почти пропорциональ-
но К, поскольку изменяются размеры области обеднения пере-
хода. Используя эти единообразные принципы масштабирова-
ния, можно показать, что ток такого уменьшенного прибора
также уменьшается пропорционально К, и поэтому «сопротив-
ление» прибора VII остается неизменным. Поскольку в ИС про-
исходит уменьшение всех размеров пропорционально К (раз-
меры межсоединений уменьшаются так же, как и размеры ак-
тивных элементов), то число элементов на единицу площади ИС
возрастет пропорционально №. В первом приближении умень-
шение емкостных элементов схемы происходит пропорциональ-
но К (площадь элементов уменьшается пропорционально №,
а толщина диэлектрика уменьшается пропорционально К). Сле-
довательно, время задержки (УС//) схемы также уменьшится
пропорционально К. Рассеиваемая мощность (VI) понизится
пропорционально № и произведение мощности на время за-
держки уменьшится (VI-VC/I) пропорционально №.
После того как были опубликованы основные принципы мас-
штабного уменьшения полевых МОП-транзисторов [46], неко-
торые исследователи изучили эту проблему более скрупулезно.
Было установлено, что по мере уменьшения размеров приборов
возрастает роль эффектов второго порядка. Например, при
уменьшении размеров приборов доминирующей становится ем-
кость межсоединений, связанная с полосковым эффектом, так
как она уменьшается по логарифмическому, а не линейному
закону ;[81]. Встроенные потенциалы переходов не уменьшают-
ся, поэтому, чтобы пропорционально сократить размеры обла-
стей обеднения, уровни легирования необходимо увеличивать
быстрее, чем по линейному закону при коэффициенте пропор-
циональности Д’ [95].
При различных подходах к миниатюризации МОП-транзи-
сторов за точку отсчета берется сохранение поведения данного
ИНТЕГРАЦИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ИЗГОТОВЛЕНИЯ СБИС 255
полевого МОП-транзистора как длинноканального прибора
[82]. Возрастание подпорогового тока стока полевого МОП-
транзистора при Vg = Vt менее чем на 10% при увеличении Vd
является критерием поведения прибора как прибора с длинным
каналом (подпороговый ток в приборах с длинным каналом не
зависит от Vd при VD>3kT/q). Минимальная длина канала АНИц
полевого МОП-транзистора, при которой еще сохраняются его
характеристики как прибора с длинным каналом, определяется
эмпирическим соотношением Лиин = 0,86 [r/d(№s +№д)2]1/3, где
Г/ (мкм)—глубина р—«-перехода областей истока и стока,
d (нм)—толщина окисла и Ws-J-Wd (мкм)—сумма ширины
обедненных областей истока и стока, полученная согласно тео-
рии одномерного резкого р—«-перехода. При однородном уров-
не легирования подложки Na
Wd = У (2е5/9#л) (VD-|-V6i-j-yBS),
где Увз — величина смещения на подложке, а Уы — встроенный
потенциал р—«-перехода (Ws = WD при VD=0). При использо-
вании этой модели различные параметры прибора можно под-
бирать независимо, согласовывая их более гибким образом
с необходимой величиной £Мин, чем при уменьшении всех разме-
ров на постоянный коэффициент [6]. Однако приборы, исполь-
зуемые в качестве элементов СБЙС, обычно проявляют корот-
коканальные эффекты. Поэтому, как только конструкторы схем
начинают принимать во внимание эти эффекты, ИС становятся
более качественными.
При масштабном уменьшении полевых МОП-транзисторов
р-канальные МОП-приборы начинают функционировать так же,
как и «-канальные МОП-приборы, поскольку скорость насыще-
ния дырок становится сравнима со скоростью насыщения элект-
ронов {81, 83]. Кроме того, дырки обладают гораздо более низ-
ким коэффициентом ударной ионизации, чем электроны, по-
этому токи подложки и затвора, вызванные высокими электри-
ческими полями на стоке, на несколько порядков ниже для
р-канальных МОП-приборов по сравнению с аналогичными по
размерам «-канальными приборами {81, 83].
Напряжение питания при уменьшении размеров элементов
ИС обычно остается прежним. Это связано с тем, что ИС функ-
ционируют в системе и сопряжены с множеством ИС других
семейств, которые работают при стандартном напряжении пи-
тания (например, 5В). Характеристики приборов после их ми-
ниатюризации изучались при снижении напряжения питания на
коэффициент К (постоянное электрическое поле СЕ), сохране-
нии постоянного напряжения питания (CV) и квазипостоянном
уменьшении напряжения (QCV), когда напряжение питания
256
ГЛАВА 11
уменьшается на ]//<. Исходя из разных предположений, харак-
терных для конкретной модели масштабного уменьшения, мож-
но прийти к различным выводам относительно того, каким об-
разом можно достичь оптимального снижения напряжения пи-
тания [81, 95]. Инжекция горячих носителей в подзатворный
окисел становится серьезной проблемой в случае приборов
с малыми размерами, поскольку она приводит к возникнове-
нию заряда в подзатворном окисле и, как следствие, к неста-
бильности порогового напряжения. В связи с этим предполага-
ется, что рабочие напряжения будут уменьшаться до 3 В и ни-
же, поскольку при напряжении 3,1 В электроны достигают
энергии, достаточной для преодоления энергетического барьера
Si—SiO2 [6].
11.6.3 . Многоуровневая металлизация
По мере расширения функциональных возможностей, зало-
женных в кристалл ИС, возрастает сложность металлизирован-
ной разводки внутри самой схемы. Это приводит к тому, что
большая часть площади кристаллов, реализующих сложные
логические схемы (например, микропроцессоры), занята меж-
элементной разводкой. Два независимых уровня межсоедине-
ний естественным образом создаются в ИС на полевых МОП-
транзисторах, поскольку в этих ИС имеются слой с затворами
на основе тугоплавких металлов и слой металлизации. Кроме
того, в кристаллах МОП ИС, выполняющих сложные функции,
используется дополнительный уровень металлизированной раз-
водки для межсоединений ![84, 85]. Двухуровневые межсоеди-
нения в биполярной технологии в основном формируются на
основе металлических слоев [22, 30], однако так же, как и в
технологии полевых МОП-транзисторов, в качестве одного из
уровней межсоединений может быть использован поликремний,
покрытый пленкой силицида [27].
К преимуществам многоуровневых металлизированных меж-
соединений следует отнести уменьшение размеров кристалла
и улучшение характеристик ИС. Недостатками такой техноло-
гической схемы являются усложнение технологического про-
цесса и снижение выхода годных изделий, связанные с необхо-
димостью введения дополнительных слоев. Однако по мере ус-
ложнения ИС для того, чтобы избежать чрезмерного расходова-
ния площади и больших емкостей элементов разводки, потре-
буется использовать более трех уровней межсоединений. Фор-
мирование ИС с использованием четырех уровней металлиза-
ции сможет сократить площадь, занимаемую ИС, почти в два
раза по сравнению с ИС с тремя уровнями металлизации [86].
Из четырех два уровня металлизации могут быть использованы
ИНТЕГРАЦИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ИЗГОТОВЛЕНИЯ СБИС 257
для создания межсоединений внутренней части ИС. Таким об-
разом, ИС будут представлять собой отдельные модули, сфор-
мированные в кремниевой подложке. Эти модули впоследствии
можно объединить с помощью двух других уровней металлиза-
ции. Дальнейшее развитие технологических схем формирования
СБИС будет в большой степени связано с разработкой струк-
тур многослойных межсоединений.
11.7. ПРОИЗВОДСТВО СОВРЕМЕННЫХ ИС
В настоящем разделе основное внимание уделено различ-
ным условиям создания элементов микроэлектронных полупро-
водниковых структур. Для того чтобы успешно сформировать
структуру СБИС, все процессы должны проводиться в атмо-
сфере, которая тщательно контролируется по чистоте, темпера-
туре, влажности и составу. Способы контроля и испытаний
СБИС представляют собой другую важную сторону вопроса их
изготовления и также вкратце будут рассмотрены в настоящем
разделе.
11.7.1. Условия для изготовления ИС
Система очистки воды. При изготовлении ИС используется
большое количество воды, что связано с частой отмывкой струк-
тур во время технологического процесса. При этом необходимо
использовать только сверхчистую, специально обработанную
воду. Если вода содержит твердые частицы или ионы таких
металлов, как натрий, медь и железо, то, осаждаясь на под-
ложку, они будут приводить к ухудшению характеристик при-
боров ИС. Конструкция системы водообеспечения должна обес-
печивать непрерывную подачу большого количества деионизо-
ванной воды. Контроль чистоты подаваемой воды проводится
по ее удельному сопротивлению. Вода, удельное сопротивление
которой составляет 18 МОм-см, считается деионизованной.
Система обеспечения деионизованной водой состоит из не-
скольких частей [87]. Поступающая в систему вода проходит
через древесный уголь и устройство электродиализа, которые
фильтруют воду и удаляют из нее минеральные соединения. За-
тем воду пропускают через резервуары, заполненные гранулами
ионообменной смолы, которая обеспечивает значительную сте-
пень очистки от минеральных солей, и через сверхчистые смоля-
ные патроны с целью максимальной очистки от ионов натрия.
Нерастворяющиеся твердые частицы, бактерии и другие орга-
нические вещества удаляют с помощью набора последователь-
но расположенных фильтратов с размером пор от 10 до
17-233
258
ГЛАВА 11
0,01 мкм. Находящиеся в воде бактерии (которые могут
загрязнять систему) уничтожаются путем длительной циркуля-
ции воды в устройстве ультрафиолетовой стерилизации. Удель-
ное сопротивление воды постоянно контролируется электриче-
скими средствами, а содержание в ней твердых частиц — с по-
мощью проточного счетчика частиц, действующего по принципу
светопрерывания '[87].
Для выполнения всех основных технологических процессов
требуется чистая комната. Необходимо поддерживать и строго
контролировать температуру и влажность воздуха. Кроме того,
следует обеспечить его постоянную фильтрацию и рециркуля-
цию. Необходимо избегать попадания пылинок из воздуха на
подложки, поскольку они вызывают появление случайных топо-
логических элементов в рисунке, формирование нежелательного
поверхностного рельефа, возникновение токов утечки через изо-
лирующие слои и другие вредные явления. Воздух в чистой
комнате контролируется и классифицируется по отношению к
содержащимся в нем твердым частицам. «Класс 100» характе-
ризуется максимальным содержанием ~3500 частиц в кубиче-
ском метре при размере частиц более 0,5 мкм и максимум
~350 частиц в кубическом метре при размере частиц более
5,0 мкм '[88]. На наиболее критичном к содержанию пылинок
участке фотолитографии плотность частиц в воздухе обычно
поддерживают на уровне ниже 350 частиц в кубическом метре.
Отфильтрованный воздушный поток движется от потолка к по-
лу со скоростью более 26 м/мин, что примерно соответствует
порогу ламинарного течения воздуха, т. е. однородной скорости
движения воздушного потока с параллельным движением воз-
душных линий без возникновения турбулентности. Частицы мо-
гут попадать в атмосферу как из технологического оборудова-
ния (например, из реакторов для осаждения из ПГС и устано-
вок для травления), так и от людей. В связи с этим персонал,
обслуживающий технологический процесс, должен носить одеж-
ду, которая предохраняла бы подложки от попадания на их по-
верхность инородных частиц.
11.7.2. Контроль технологического процесса
Составной частью процессов разработки и изготовления ИС
являются электрический, механический и визуальный виды
контроля, направленные на оценку качества и правильность вы-
полнения различных технологических этапов формирования ИС.
Исходные подложки и специальные многослойные структуры
используются для проверки калибровки технологического обо-
ИНТЕГРАЦИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ИЗГОТОВЛЕНИЯ СБИС 259
рудования и его настройки, чтобы быть уверенными в достиже-
нии однородных результатов технологического процесса по всей
поверхности подложки и группе обрабатываемых подложек.
Например, измерение удельного сопротивления на тестовых
подложках используется для проверки и настройки оборудова-
ния для ионной имплантации, отработки термических режимов
в диффузионных печах и для контроля процессов осаждения
тонких пленок. Толщина окисла контролируется путем проведе-
ния измерений МОП-структур и методом эллипсометрии. Из-
мерения вольт-фарадных характеристик при повышенной тем-
пературе обычно используются для контроля содержания в
пленках окислов подвижных ионов, которые могут попадать
в структуру из термического оборудования, оборудования для
осаждения тонких пленок и других источников.
Визуальный контроль формируемых структур ИС (контроль
внешнего вида) на основных этапах процессов фотолитографии
и травления также является составной частью процесса изготов-
ления ИС. Такой вид контроля позволяет определить источни-
ки, снижающие выход годных изделий: осадки из-за плохой
очистки используемых растворов, твердые частицы, возникаю-
щие в оборудовании, и случайные изменения в осажденных
слоях и топологических рисунках.
Помимо таких методов межоперационного контроля ряд из-
мерений выполняется на тестовых ячейках, которые расположе-
ны в нескольких местах подложки, содержащей множество кри-
сталлов ИС. Тестовые ячейки проектируются для измерения
электрических характеристик различных структур и привязы-
ваются к конкретной технологии, в частности для измерения
параметров МОП-структур, барьерной емкости и площади р—
/г-переходов, поверхностных сопротивлений и характеристик
сформированных транзисторов. Характеристики как паразит-
ных, так и активных транзисторов обычно контролируются
с помощью автоматизированной системы сбора данных, управ-
ляемой с помощью ЭВМ. Информация, получаемая при конт-
роле полупроводниковых приборов, используется, кроме того,
для создания системы параметров, образующих модель полупро-
водникового прибора. Впоследствии с помощью этой модели
при использовании методов машинного проектирования прогно-
зируют характеристики отдельных приборов и ИС, формируе-
мых по конкретной технологии. Эта же модель может быть ис-
пользована для диагностики формируемых схем. Помимо конт-
роля параметров полупроводниковых приборов тестовые эле-
менты со специальной топологией могут быть спроектированы
для определения ширины топологических элементов ИС, одно-
родности размеров формируемых на подложке топологических
элементов, качества фотолитографического совмещения, искрив-
17*
260
ГЛАВА 11
ления подложки и плотности случайных дефектов. Результаты
таких измерений можно представить в виде карты или гисто-
граммы их распределения по поверхности подложки [89].
11.7.3. Тестирование СБИС
По мере возрастания функциональных возможностей, а сле-
довательно, и сложности ИС происходит усложнение методов и
оборудования, применяемого для тестирования ИС. Современ-
ные системы тестирования состоят из специальных ЭВМ, сопря-
женных с тестовым прибором. Тестирование цифровых ИС со-
стоит в подаче на их входы определенной последовательности
логических сигналов (логических единиц и нулей, которые яв-
ляются управляющими сигналами), что вызывает появление на
выходе схемы соответствующей последовательности логических
сигналов. Комбинация выходных логических сигналов затем
сравнивается с ожидаемым результатом, который может быть
предварительно рассчитан с помощью моделирования. Комби-
нации входных сигналов (набор тестовых сигналов) составля-
ются таким образом, чтобы было возможно определить нали-
чие дефектов в кристалле ИС и испытать его работоспособ-
ность, т. е. выполнение заложенных в него функций. Набор те-
стовых сигналов для контроля кристаллов памяти обеспечивает
многократную запись логических единиц и логических нулей
в ячейки памяти и их считывание. Наборы тестовых сигналов
для контроля кристаллов логических схем значительно слож-
нее, поскольку такие схемы могут содержать тысячи вентилей
при ограниченном числе входов.
Физически невозможно подвергнуть тестированию отдель-
ные вентили логической ИС {90]. Логические системы могут
быть либо комбинационными, либо последовательностными.
Комбинационные системы не содержат элементов памяти, и сиг-
нал на выходе в любой момент времени зависит только от ло-
гического сигнала на входе такой системы (т. е. правильность
функционирования может быть проверена по таблицам истин-
ности). Поэтому при тестировании логических систем можно
разработать такие алгоритмы тестовых сигналов, которые
позволяют выявить практически все дефектные кристаллы {90].
Последовательностные логические схемы содержат элемен-
ты памяти, и сигнал на выходе является функцией как сигналов
предыдущей схемы, так и тестовых сигналов. Большинство ло-
гических схем принадлежит к последовательному типу (напри-
мер, микропроцессоры), и общий алгоритм для генерирования
тестовых сигналов с целью испытания последовательных систем
пока не построен [90]. Однако разработаны методы «проекти-
рования для обеспечения возможности тестирования», которые
ИНТЕГРАЦИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ИЗГОТОВЛЕНИЯ СБИС 261
предусматривают введение в кристалл ИС дополнительной элек-
трической схемы, используемой только для контроля функцио-
нирования этой ИС. При использовании дополнительных схем
фиксации сигнала со сдвигом регистра последовательностные
логические системы могут быть преобразованы в комбинацион-
ные логические схемы. Поэтому более 98% схем может быть
подвергнуто тестированию с помощью таблиц истинности [91].
Безусловно, такое преобразование потребует дополнительной
площади кристалла, что понизит выход годных ИС и увеличит
их стоимость.
Значительная часть общей стоимости ИС приходится на
этапы разделения подложек на кристаллы и упаковки их в кор-
пусы. Поэтому полностью сформированные подложки с кристал-
лами ИС подвергают тестированию, и для герметизации в кор-
пус отбирают только годные кристаллы (см. гл. 13). После упа-
ковки кристаллов ИС в корпусы проводят повторное тестирова-
ние. В дальнейшем контролю подвергают платы с отдельными
корпусами герметизированных ИС. На последнем этапе тести-
руют системы, содержащие несколько плат. Расходы по обна-
ружению, удалению дефектных модулей и ремонту системы
сильно возрастают — от расходов на уровне одной ИС до уров-
ня всей системы. Например, упомянутые расходы на уровне
отдельных ИС могут составить 1 долл, по сравнению с тысяча-
ми долларов на уровне системы. Следовательно, проведение
всестороннего тестирования на уровне ИС (оно может увели-
чить стоимость ИС на 10%—20%) сводит к минимуму число
дефектов, которые могут быть внесены в систему, и в результа-
те уменьшает общую стоимость системы [90].
11.8. ВЫВОДЫ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ
В этой главе мы рассмотрели некоторые основные методы,
используемые в настоящее время для создания биполярных,
n-МОП и КМОП ИС. За последние несколько лет новые мето-
ды, такие, как ионная имплантация, локальное окисление и ани-
зотропное сухое травление, прочно вошли в арсенал методов из-
готовления ИС.
В настоящее время в стадии исследования находятся мето-
ды, которые вскоре займут свое место в технологическом про-
цессе формирования ИС. К таким методам относится, например,
ионная имплантация при сверхвысоких уровнях энергии (МэВ).
Этот метод позволит внедрять атомы примеси на большую глу-
бину и устранит в некоторых случаях необходимость выращи-
вания эпитаксиальных слоев ,[92]. В будущем значительное вни-
мание. следует уделить технологии создания высококачественных
262
ГЛАВА 11
кремниевых слоев на изолирующей основе (подложках), что
обеспечит уменьшение паразитных емкостей переходов и уве-
личение плотности компоновки приборов в ИС 1[93]. Силициды
тугоплавких металлов, используемые для формирования затво-
ров полевых МОП-транзисторов, вероятно, будут заменены ме-
таллами с более высокой проводимостью. Для создания мелких
профилей легирования активных областей по-прежнему будут
использоваться длительные низкотемпературные и кратковре-
менные высокотемпературные способы технологической обра-
ботки. Как ожидается, для формирования активных приборов
будут развиваться новые методы, использующие перекристал-
лизацию слоев поликремния [94], в результате чего появится
возможность формировать сложные трехмерные структуры ИС.
Новые методы литографии позволят отказаться от плоской мик-
рогеометрии поверхностного рельефа. Будет продолжать разви-
ваться направление формирования многослойных уровней меж-
соединений высокой проводимости, что будет способствовать
повышению плотности компоновки элементов в кристалле ИС
и улучшению их характеристик. Совершенствование производ-
ственного оборудования будет происходить по пути интеграции
технологических процессов и автоматизации управления, что
приведет к уменьшению роли человека в технологическом про-
цессе и позволит избежать внесения загрязнений на подложки
и ошибок оператора. С помощью новых исследований, интен-
сивность которых продолжает нарастать, производство ИС ста-
нет еще более эффективным и конкурентоспособным процессом.
ЗАДАЧИ
1. Биполярный п—р—n-транзистор, изображенный на рис. 11.2,
имеет следующие размеры (в микрометрах): площадь базы=
= 6X4, площадь эмиттера =2X4, площадь коллекторного кон-
такта = 2X4, глубина перехода эмиттер — база = 0,4, глубина
перехода коллектор — база = 0,7, толщина эпитаксиального
слоя = 2,0, включая область автолегирования из скрытого слоя.
а) Рассчитайте необходимую величину уровня легирования
эпитаксиального слоя га-типа для предотвращения эффекта вы-
давливания базы при уровне коллекторного тока (/с) 2 мА.
б) Рассчитайте вклад эпитаксиального слоя га-типа в сопро-
тивление коллектора в области коллекторного контакта и паде-
ние напряжения на этом участке при 1С = 2 мА.
в) Прокомментируйте полезность создания глубокого диф-
фузионного коллекторного контакта.
2. Рассмотрим биполярный п—р—n-транзистор с шириной
еднородно легированной области базы на активном ее участке
ИНТЕГРАЦИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ИЗГОТОВЛЕНИЯ СБИС 263
0,2 мкм (исключая ширину областей объемного заряда эмит-
тер—база и база — коллектор). При максимальном напряже-
нии между эмиттером и коллектором к активной области базы
будет приложено напряжение 5 В (исключая встроенный потен-
циал и падение напряжения в коллекторе). Исходя из этого,
а) рассчитайте минимальный уровень легирования базовой
области, необходимый для предотвращения прокола между
коллектором и эмиттером;
б) оцените время накопления заряда в базе;
в) рассчитайте число Гуммеля для базовой области;
г) предполагая, что эмиттер легирован до уровня вырожде-
ния, а уровень легирования коллектора составляет ЫО16 см-3,
рассчитайте суммарный заряд в базе (включая области прост-
ранственного заряда эмиттер — база и коллектор — база), необ-
ходимый для получения требуемого числа Гуммеля.
3. Постройте зависимость изменения величины порогового
напряжения АГ? от смещения на подложке Гвз для полевых
МОП-транзисторов с толщиной подзатворного окисла 35 нм,
сформированных на однородно легированных подложках с уров-
нем легирования
а) 2-1016 см-3 и
б) 2-Ю15 см-3.
в) Поясните преимущества способа, заключающегося в подле-
гировании области канала ионной имплантацией при формиро-
вании МОП-транзисторов на слаболегированных подложках
с целью получения требуемой величины порогового напряже-
ния.
г) Покажите, каким образом обратное смещение на подлож-
ке может повлиять на логический вентиль И-НЕ, показанный
на рис. 11.13.
4. Подвижность электронов в инверсионных слоях можно
оценить выражением, полученным эмпирическим путем [95]:
________________850 см2/В-с___________
S \Г / \ 2,911/2,9 ’
/1 । ____I*___) 1 । /___L4!___) ’ ’
(/ + 4.2-106 В/смД1 + \8,7- 103 В/см/ J
где Sx= (1/es) (Qe + Qnl'i.)—напряженность поперечного элек-
трического поля и &y~VDIL — напряженность продольного
электрического поля. Для n-канального полевого МОП-транзи-
стора с поликремниевым «+-затвором при VB=0,1 В и L =
= 1 мкм
а) постройте зависимость от <8Х, <5Х изменяется от 0 до
6-Ю5 В/см.
б) Для прибора, сформированного на однородно легирован-
ной подложке с уровнем легирования Мл = 2-1016 см-3, при
264
ГЛАВА 11
толщине подзатворного окисла 35 нм рассчитайте при на-
пряжении на затворе Vg, равном примерно пороговому напря-
жению Vt-
в) проведите расчеты для МОП-транзистора, описанного
в п. б, при Ус = 5 В.
г) Повторите расчеты п. б для Na = 6- 1016 см-3 и d=20 нм.
д) Повторите расчеты п. в для Мд = 6-1016 см-3 и d=20 нм.
е) Сравните отношение проводимостей канала для двух при-
боров (с параметрами, указанными в п. в и д'), предполагая, что
они имеют одинаковую ширину. Покажите, каким образом тол-
щина окисла и уровень легирования подложки влияют на про-
водимость канала.
5. Логический вентиль И-НЕ с двумя входами (рис. 11.13)
имеет емкостную нагрузку 0,2 пФ, Vdd=5 В и У$$ = 0 В.
а) Рассчитайте ток, который должен протекать в транзи-
сторе, работающем в режиме обеднения, для того чтобы создать
напряжение на нагрузку, равное 2,5 В, за 0,5; 1,0; 10 и 100 нс,
когда напряжение на входах А и В изменяется с высокого уров-
ня до низкого.
б) Предположив, что кристалл ИС содержит 10 000 венти-
лей, структура которых аналогична представленной на рис. 11.13,
и напряжение на обоих входах находится на высоком уровне,
рассчитайте мощность, рассеиваемую кристаллом ИС с учетом
всех токов транзисторов, работающих в режиме обеднения,
для п. а.
в) В предположении того, что температура упакованной
в корпус ИС поднимается на 20 °C на каждый ватт рассеивае-
мой мощности выше температуры окружающей среды, рассчи-
тайте увеличение температуры кристалла ИС при мощности,
рассеиваемой структурой, описанной в п. б.
г) Укажите преимущества вентиля И-НЕ, выполненного по
КМОП-технологии (рис. 11.25), перед вентилем И-НЕ, выпол-
ненным по п—МОП-технологии (рис. 11.13).
6. Специальное динамическое ОЗУ должно действовать при
температуре 80°C с минимальным временем перезаписи 4 мс.
Запоминающий конденсатор в каждой ячейке площадью
10 мкм2 имеет емкость 0,05 пФ и полностью заряжен при на-
пряжении 5 В.
а) Вычислите число электронов, которые хранятся в каждой
ячейке.
б) Рассчитайте максимально допустимый ток утечки для
динамического емкостного узла, если допускается потеря не бо-
лее 50% записанного в ячейку напряжения.
в) Предполагая, что ток утечки распределяется равномерно
по всей области обеднения запоминающего узла, определите
ИНТЕГРАЦИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ИЗГОТОВЛЕНИЯ СБИС 265
максимально допустимую величину плотности тока утечки при
температуре 25 °C.
г) Сформулируйте требования, предъявляемые к току утеч-
ки в случае транзистора выбора.
7. а) Опишите логическую функцию, которую выполняет
КМОП-схема «домино» (рис. 11.26).
б) Сигнал со схемы синхронизации С длительностью tf по-
ступает на схему (рис. 11.26) в момент времени t=0. На вхо-
де D схемы сигнал уменьшается от высокого значения до низко-
го в момент времени <t=—1\ и вновь возрастает в момент време-
ни t=+t\. На вход G схемы аналогичный сигнал поступает
в момент времени /=—(Zi+A), в момент £ = Л+А сигнал прини-
мает высокое значение. Изобразите временную диаграмму син-
хронизирующего сигнала, входных (D и G) и выходного сигна-
лов от момента времени / =— (Л + А) до t>tf (напряжение на
остальных входах остается низким).
в) Выходной сигнал с вентиля, изображенного на рис. 11.26,
поступает на вход М вентиля 2, который выполняет логическую
функцию L + M+N. Сигнал с выхода вентиля 2 поступает на
вход Q вентиля 3, реализующего функцию P + Q. Изобразите
форму сигнала на выходе вентилей 2 и 3 в соответствии с сиг-
налами, описанными в п. б.
8. р-канальный полевой МОП-транзистор, профиль легиро-
вания которого изображен на рис. 11.33,6, имеет поликремние-
вый п+-затвор и толщину подзатворного окисла 65 нм.
а) Рассчитайте величину порогового напряжения такого
прибора без дополнительной ионной имплантации в область
канала для регулировки порогового напряжения.
б) На рис. 11.32 показано, что напряжение VTp в отсутствие
ионной имплантации в область канала составляет —1,54 В,
а при дозе имплантированной в область канала примеси 4-Ю11
см-2 равно —0,82 В. Рассчитайте плотность заряда на границе
раздела Si—SiC>2, который способен вызвать такое же измене-
ние величины порогового напряжения, и сравните полученный
результат с дозой имплантированной примеси.
9. а) Предположив, что А= +1,0 мкм и б/=±0,4 мкм для
всех уровней, составьте матрицу минимально необходимого
разделения между краями элементов на всех уровнях, указан-
ных в табл. 11.2 (результаты округлите до 0,05 мкм).
б) Проведите расчеты п. а для А=±0,5 мкм и б/=±0,2мкм.
в) Положите минимальный размер для окон в изоляции и
ширины поликремниевых шин равным 2 мкм и определите ми-
нимальные размеры полевого МОП-транзистора, включающего
изоляцию, поликремниевый затвор и контактные окна. Исполь-
зуйте вначале предположения, заданные в п. а, а затем пред-
положения, заданные в п. б.
266
ГЛАВА 11
г) Сравните общую площадь топологических рисунков для
каждого из двух полевых МОП-транзисторов с параметрами,
рассчитанными согласно п. в, и поясните значение допусков на
совмещение в топологии ИС.
ЛИТЕРАТУРА
1. Kilby J. S., The Invention of the Integrated Circuit, IEEE Trans. Electron
Devices, ED-23, 648 (1976).
2. Hoefflinger B., Zimmer G., New CMOS Technologies, Carrol J., Ed., Solid
State Devices, Institute of Physics Conf., Ser. 57, 1980.
3. Grove A. S., Physics and Technology of Semiconductor Devices, Wiley,
New York, 1967.
4. Muller R. S., Kamins T. I., Device Electronics for Integrated Circuits,
Wiley, New York, 1977.
5. Streetman B. G., Solid State Electronics, Prentice-Hall, Englewood Cliffs,
N. J., 1980, 2d ed.
6. Sze S. M., Physics of Semiconductor Devices, Wiley, New York, 1981, 2d
ed. [Имеется перевод: Зи С., Физика полупроводниковых приборов, М.:
Мир, 1985.]
7. Siqusch R., Horninger К. Н., Mueller W. A., Widman D., Oldham W. G.,
A-цт Process: Linewidth Control Using 10: 1 Projection Lithography,
IEEE Int. Electron Devices Meet., Wash., D. C., 1980, p. 429.
8. Stone J. L., I2 L: a Comprehensive Review of Techniques and Technology,
Solid State Technol., p. 42, (June 1977).
9. Labuda E. F., Clemens J. T., Integrated Circuit Technology, Kirk R. E.,
Othmer D. F., Eds., Encyclopedia of Chemical Technology, Wiley, New York,
1980.
10. Appels J. A., Kooi E., Paffen M. M., Schlorje J. J. H., Vercuylen W.,
H. C. G. Local Oxidation of Silicon and its Application in Semiconductor
Technology, Philips Res. Rep., 25, 118 (1970).
11. Westdorp W. A., Schwuttke G. H., Thin Film Dielectrics, F. Vratny, Ed.,
Electrochem. Soc., 1969, p. 546.
12. Parrillo L. C., Reutlinger G. W., Payne R. S., Tretola A. R., Kraetsch R. T„
The Sensitivity of Transistor Gain to Processing Variation in an All Im-
planted High-Speed Bipolar Technology, IEEE Int. Electron Devices Meet.,
Wash., D. C., 1977, p. 265A.
13. Lohstroh J., Devices and Circuits for Bipolar (V)LSI, IEEE Proc., 69, 812
(1981).
14. Ryden W. D., Labuda E Г. A Metallization Providing Two Levels of In-
terconnect for Beain-Leadea Silicon Integrated Circuits, IEEE I. Solid
State Circuits, SC-12, 376 (1977).
15. Lepselter M. P., Beam Lead Technology, Bell Syst. Tech. J., 45, 233 (1966).
16. Ning T. H., Tang D. D., Solomon P. M., Scaling Properties of Bipolar
Devices, IEEE Int. Electron Devices Meet., Wash., D. C., 1980, p. 61.
17. Takemoto T., Fujita T., Kawakita K., Sakai H., Komeda T„ A Vertically
Isolated Self-Aligned Transistor, IEEE Int. Electron Device Meet., Wash.,
D. C., 1981, p. 708.
18. Chiu K. Y., Moll J. L., Manoliu J., A Bird’s Beak Free Local Oxidation
Technology Feasible for VLSI Circuits Fabrication, IEEE Trans. Electron
Devices, ED-29, 536 (1982).
19. Payne R. S., Scavuzzo R. J., Olson К- H., Nacci J. M., Moline R. A., Fully
lon-Impianted Bipolar Transistors, IEEE Trans. Electron Devices, ED-21,
273 (1974).
20. Ning T. H., Isaac R. D., Effect of Emitter Contact on Current Gain of Si-
ИНТЕГРАЦИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ИЗГОТОВЛЕНИЯ СБИС 267
licon Bipolar Transistors, IEEE Int Electron Device Meet., Wash., D. C,
1979, p. 473.
21. Bindell J. B., Moller W. M., Labuda E. F., Ion-Implanted Low-Barrier PtSi
Schottky-Barrier Diodes, IEEE Trans. Electron Devices, ED-27, 420 (1980).
22. Evans S. A., Morris S. A., Arledge L. A., Englade L. A., Fuller C. R.,
A 1 — p,m Bipolar VLSI Technology, IEEE Trans. Electron Devices, ED-27,
73 (1980).
23. Hewlett F. W., Jr., Schottky PL, IEEE I. Solid State Circuits, SC-10, 343
(1975).
24. Hart K., Slob A., Integrated Injection Logic — A New Approach to LSI,
IEEE Int. Solid State Circuits Conf., Philadelphia, Pa., 1972, p. 92; IEEE
I. Solid State Circuits, SC-7, 346 (1972).
25. Berger H. H., Wiedmann S. K-, Merged Transistor Logic — A Low Cost
Bipolar Logic Concept, IEEE Int. Solid State Circuits Conf., Philadelphia,
Pa., 1972, p. 90; IEEE I. Solid State Circuits, SC-7, 340 (1972).
26. Tang D. D., Ning T. H., Wiedmann S. K., Isaac R. D., Feth G. C.,
Yu H. N., Sub-Nanosecond Self-Aligned PL/MTL Circuits, IEEE Int. Elec-
tron Devices Meet., Wash., D. C., 1979, p. 201.
27. Nakashiba H., Ishida I., Aomura K., Nakamura T., An Advanced PSA Pro-
cess for High-Speed Bipolar VLSI IEEE Trans. Electron Devices, ED-27,
1390 (1980).
28. Sakai T., Kobayashi Y.. Yamamoto Y., Yamaguchi H., High-Speed Bipolar
LSI Technology SST, J. Nishizawa, Ed., Semiconductor Technology, Ohm-
sha, 1982.
29. Davies R. D., Meindl J. D., Poly PL — A High-Speed Linear Compatible
Structure, IEEE J. Solid State Circuits, SC-12, 367 (1977).
30. Agraz-Giierena J., Panousis P. T., Morris B. L., OXIL — A Versitile Bipolar
VLSI Technology, IEEE Trans. Electron Devices, ED-27, 1397 (1980).
31. Glaser A. B., Subak-Sharpe G. E., Integrated Circuits Engineering, Addi-
son-Wesley, Reading, Mass., 1977.
32. Barson F., Emitter-Collector Shorts in Bipolar Devices;, IEEE J. Solid
State Circuits, SC-11, 505 (1976).
33. Parrillo L. C., Payne R. S., Seidel T. E., Robinson M., Reutlinger G. W.,
Post D. E., Field R. L., The Reduction of Emitter-Collector Shorts in
a High-Speed All Implanted Bipolar Technology, IEEE Trans. Electron
Devices, ED-28, 1508 (1981).
34. Shinada K., Shinozaki S., Kurosawa K., Taniguchi K., Nature and Mecha-
nism of Emitter-Collector Shorts in Oxide Isolated Bipolar Integrated Cir-
cuits, IEEE Int. Electron Devices Meet. Wash., D. C., 1979, p. 344.
35. Sinha A. K., Levinstein H. J., Smith T. E., Quintana G., Haszco S. E.,
Reactive Plasma Deposited Si-N Films for MOS-LSI Passivation, J. Electro-
chem. Soc., 125, 601 (1978).
36. Sun R. C., Clemens J. T., Characterization of Reverse Bias Leakage Cur-
rents and Their Effect on Holding Time Characteristics of MOS Dynamic
RAM Circuits, IEEE Int. Electron Device Meet., Wash., D. C., 1977, p. 254.
37. Clemens J. T., Mehta D. A., Nelson J. T., Pearce C. W., Sun R. C., MOS
Dynamic Memory in a Diffusion Current Limited Semiconductor Structure,
U. S. Patent No. 4216489 (Aug. 5, 1980).
38. Slotboom J. W., Harwig H. A., Pelgrom M. J. M., Leakage Current in
High Density CCD Memory Structures, IEEE Int. Electron Device Meet.,
Wash., D. C., 1981, p. 667.
39. Kooi E., van Lierop J. G., Appels J. A., Formation of Silicon Nitride at
the Si — SiOs Interface During Local Oxidation of Silicon and During
Heat-Treatment of Oxidized Silicon in NH3 Gas, I. Electrochem. Soc., 123,
1729 (1976).
40. Shankoff T. A., Sheng T. T., Haszko S. E., Marcus R. B., Smith T. E.,
Bird’s Beak Configuration and Elimination of Gate Oxide Thinning Produ-
ced During Selective Oxidation, J. Electrochem. Soc., 127, 216 (1980).
268
ГЛАВА 11
41. Nakajima S., Kiuchi К., Minegishi К.-, Araki T., Ikuta K., Oda M., 1 — pm
256K RAM Process Technology Using Molybdenum-Polysilicon Gate, IEEE
Int. Electron Device Meet., Wash., D. C., 1981, p. 663.
42. Lin A. N., Dutton R. W., Antoniadis D. A., The Lateral Effect of Oxidati-
on Boron Diffusion in (100) Silicon, Appl. Phys. Lett., 35, 799( 1979).
43. Bassous E., Yu H. N., Maniscalco V., Topology of Silicon Structures with
Recessed SiO2, J. Electrochem. Soc., 123, 1729 (1976).
44. Kurosawa K-, Shibata T., lizuka H., A New Bird’s-Beak-Free Field Isolati-
on Technology for VLSI Devices, IEEE Int. Electron Device Meet., Wash.,
D. C„ 1981, p. 384.
45. lizuka T., Chiu K. Y., Moll J. L., Double Threshold MOSFETs in Bird’s-
Beak Free Structures, IEEE Int. Electron Devices Meet., Wash., D. C., 1981,
p. 380.
46. Dennard R. H., Gaensslen F. H., Yu H. Rideout V. L., Bassous E.,
LeBIanc A. R., Design of Ion Implanted MOSFET’s with Very Small Phy-
sical Dimensions, IEEE I. Solid State Circuity, SC-9, 256 (1974).
47. Rideout V. L., Gaensslen F. H., LeBIanc A., Device Design Consideration
for Ion-Implanted n-Channel MOSFET’s, IBM J. Res. Dev., p. 50, (Jan.
1975).
48. Bateman I. M., Armstrong G. A., Magowan J. A., Drain Voltage Limita-
tions of MOS Transistors, Solid State Electron., 17, 539 (1974).
49. Nihira H., Konaka M., Iwai H., Nishi Y., Anomalous Drain Current in
п-MOSFET’s and its Suppression by Deep Ion Implantation, IEEE Int.
Electron Device Meet., Wash., D. C., 1978, p. 487.
50. Wang P. P., Double Boron Implant Short-Channel MOSFET, IEEE Trans.
Electron Devices, ED-24, 196 (1977).
51. Shibata T., Hieda K., Sato M., Konaka M., Dang R. L. M., lizuka H.,
An Optimally Designed Process for Submicron MOSFET’s, IEEE Int.
Electron Devide Meet., Wash., D. C., 1981, p. 647.
52. Sabnis A. G., Ciemens J. T., Characterization of the Electron Mobility in
the Inverted (100) Si Surface, IEEE Int. Electron Device Meet., Wash.,
D. C., 1979, p. 18.
53. Sun S. C., Plummer J. D., Electron Mobility in Inversion and Accumulation
Layers on Thermally Oxidized Silicon Surfaces, IEEE Trans. Electron De-
vices, ED-27, 1497 (1980).
54. Sun E., Hoefflinger B., Moll J., Sodini C., Zimmer G., The Junction MOS
(JMOS) Transistor — a High-Speed Transistor for VLSI, IEEE Int. Elec-
tron Device Meet., Wash., D. C., 1980, p. 791.
55. Ohzone T., Shimura H., Tsuji K-, Hirao T., Silicon-Gate n-Well CMOS
Process by Full Ion-Implantation Technology, IEEE Trans. Electron Devi-
ces, ED-27, 1789 (1980).
56. Oka H., Nishiuchi K-, Nakamura T., Ishikawa H., Two Dimensional Nume-
rical Analysis of Normally off Buried Channel MOSFET’s, IEEE Int. Elec-
tron Device Meet., Wash., D. C. 1979, p. 31; IEEE Trans. Electron Devices,
ED-27, 1514 (1980).
57. Tonaka T., Ishiuchi H., Takeuchi Y., Ishikawa M., Mochizuki T., Ozawa O.,
Characterization of MOSi2 — Gate Buried Channel MOSFET for a 256K
DRAM, IEEE Int. Electron Device Meet., Wash. D. C., 1981, p. 659.
58. Murarka S. P., Fraser D. B., Sinha A. K-, Levinstein H. J., Refractory Si-
licides of Titanium and Tantalum for Low-Resistivity Gates and Intercon-
nections, IEEE Trans. Electron Devices, ED-27, 1409 (1980).
59. Geipel H. J., Jr., Hsieh N., Ishaq M. H., Koburger C. W., White F. R.,
Composite Silicide Gate Electrodes — Interconnections for VLSI Device
Technologies, IEEE Trans. Electron Devices, ED-27, 1417 (1980).
60. Sheng T. T., Marcus R. B., Delineation of Shallow Junctions in Silicon by
Transmission Electron Microscopy, I. Electrochem. Soc., 128, 881 (1981).
61. Gargini P. A., Bienglass I., MOS: Low Resistance Self-Aligned Source,
ИНТЕГРАЦИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ИЗГОТОВЛЕНИЯ СБИС 269
Drain and Gate Transistors, IEEE Int. Electron Device Meet, Wash., D. C.,
1981, p. 54.
62. Hunt R. W., Memory Design and Technology, Howes M. J., Morgan D. V.,
Eds., Large Scale Integration, Wiley, New York, 1981.
63. Ohzone T., Hirao T., Tsuji K-, Horiuchi S., Takayanagi S., A 2K.X8 Static
RAM, IEEE Int. Electron Device Meet., Wash., D. C., 1978, p. 360.
64. Taguchi M., Ito T., Fukano T., Nakmura T., Ishikawa H., Thermal Nitride
Capacitors for High Density RAMs, IEEE Int. Electron Device Meet.,
Wash., D. C., 1981, p. 400.
65. Ohta K., VLSI Dynamic Memory Cell Using Stacked Ta2Os Capacitor, Ni-
shizawa J., Ed., Semiconductor Technology, Ohmsha, 1982.
66. Tasch A, F. Jr., Chatterjee P. K.., Fu H. S., Holloway T. C., The Hi-C RAM
Cell Concept, IEEE Trans. Electron Devices, ED-25 33 (1978).
67. Cenker R. P., Clemons D. G., Huber W. R„ Petrizzi J. B., Procyk F. J.,
Trout G. M., A Fault-Tolerant 64K Dynamic Random-Access Memory, IEEE
Trans. Electron Devices, ED-26, 853 (1979).
68. Frohman-Bentchkowsky D., Non-Volatile Semiconductor Memories, IEEE
Int. Electron Device Meet., Wash,, D. C., 1981, p. 14.
69. Wanlass F. M., Sah С. T., Nanowatt Logic Using Field-Effect Metal-Oxide
Semiconductor Triodes, IEEE Solid State Circuits Conf., Philadelphia, Pa.,
1963, p. 32.
70. Krambeck R. H., Lee С. M., Law H. F. S., High-Speed Compact Circuits
with CMOS, IEEE I. Solid State Circuits, SC-17, 614 (1982).
71. Grant W. N., частное сообщение.
72. Parrillo L. C., Payne R. S., Davis R. E., Reutlinger G. W., Field R. L.,
Twin-Tub CMOS — A Technology for VLSI Circuits, IEEE Int. Electron
Device Meet., Wash., D. C., 1980, p. 752.
73. Sakai Y., Hayashida T., Hashimoto N., Mimato O., Masuhara T., Naga-
sawa K., Yasui T., Tanimura N., Advanced Hi-CMOS Device Technology,
IEEE Int. Electron Device Meet., Wash., D. C„ 1981, p. 534.
74. Scott D. B., See Y. C., Lau С. K-, Davies R. D., Considerations for Scaled
CMOS Source/Drains, IEEE Int. Electron Device Meet, Wash D. C., 1981
p. 539.
75. Payne R. S., Grant W. N., Bertram W. J., The Elimination of Latchup in
Bulk CMOS, IEEE Int. Electron Device Meet., Wash. D. C., 1980, p. 248.
76. Rung R. D., Dell’Oca C. J., Walker L. G., A Retrograde p-Well for Higher
Density CMOS, IEEE Trans. Electron Devices ED-28, 1115 (1981).
77. Combs S. R., Scaleable Retrograde p-Well CMOS Technology, IEEE Int.
Electron Device Meet., Wash., D. С., 198Г, p. 346.
78. Mizutani Y., Taguchi S., Nakahara M., Tango H., Hot Carrier Instability
in Submicron MoSi2 Gate MOS/SOS Devices, IEEE Int. Electron Device
Meet., Wash., D. C., 1981, p. 551.
79. Ochoa A., Dawes W., Estreich D., Latchup Control in CMOS Integrated
Circuits, IEEE Trans. Nucl. .Sci., NS-26(6), 5065 (1979).
80. Kopp R .J., Stevens D. J., Overlay Considerations for the Selection of
Integrated Circuit Pattern-Level Sequence, Solid State Technol., p. 79 (July
1980).
81. Chatterjee P. K-, Hunter W. R., Holloway T. C., Lin Y. T., The Impact of
Scaling Laws on the Choice on n-Channel or p-Channel for MOS VLSI,
IEEE Electron Device Lett., EDL-1, 220 (1980).
82. Brews J. R., Fichtner W., Nicollian E. H., Sze S. M., Generalized Guide
for MOSFET Miniaturization, IEEE Electron Device Lett., EDL-1, 2 (1980).
83. Fichtner W., Levin R. M., Ng К. K., Taylor G. W,, Experimental and
Theoretical Results on Fine-Line p-Channel MOSFETs, IEEE Int. Electron
Device Meet., Wash., D. C., 1981, p. 546.
84. Larsen R. A., A Silicon and Aluminium Dynamic Memory Technology, IBM
J. Res. Dev., p. 268 (May 1980).
270
ГЛАВА 11
85. Mikkelson J. M., Hall L. A., Malhotora A. K., Dana Seccombe S., Wil-
son M. S., An NMOS VLSI Process for Fabrication of a 32b CPU chip,
IEEE Int. Solid State Circuits Conf., New York, N. Y., 1981. p. 106.
86. Berndlmaier E., Multi-Level Metal Coverage, IEEE Int. Conf, on Circuits
and Computers, 1980, p. 1112.
87. Helmke G. E., Anatomy of Pure Water System Semicond. Int., p. 119
(Aug. 1981).
88. Douglas E. C., Advanced Process Technology for VLSI Circuits, Solid
State Technol., p. 65, (May, 1981).
89. Carver G. P., Linholm L. W., Russell T . J., Use of Microelectronic Test
Structures to Characterize IC Materials Processes and Processing Equip-
ment, Solid State Technol., p. 133 (Aug. 1980).
90. Muehldorf E. I., High Speed Integrated Circuit Characterization and Test
Strategy, Solid State Technol. p. 93 (Sept. 1980).
91. Hutcheson J. D., Semiconductor Testing Requirements in the 1980s, Solid
State Technol., p. 133 (Aug. 1980).
92. Doken M., Unagami T., Sakuma K., Kajiyama K-, Novel Bipolar Process
Utilizing MeV Energy Ion Implantation, IEEE Int. Electron Device Meet.,
Wash., D. C., 1981, p. 586.
93. Maby E. W., Geis M. W., LeCoz Y. L, Silversmith D. J., Mountain E. W.,
Antoniadis D. A., Stress Enhanced Mobility in MOSFETs Fabricated in
Zone-Melting Recrystallized Poly-Silicon Films, IEEE Electron Device Lett..,
EDL-2, 249 (1981).
94. Gibbons J. F Lee K- F., One-Gate-Wide CMOS Inverter on Laser-Recrys-
tallized Polysilicon, IEEE Electron Device Lett., EDL-1, 117 (1980).
95. Shichijo H„ A Re-examination of Practical Scaling Limits of N Channel and
P Channel MOS Devices for VLSI, IEEE Int. Electron Device Meet., Wash.,
D. C., 1981, p. 219.
12
МЕТОДЫ КОНТРОЛЯ И ДИАГНОСТИКИ
МАРКУС Р.1»
12.1. ВВЕДЕНИЕ
В настоящей главе представлен обзор экспериментальных
методов, служащих для решения проблем, которые возникают
по мере развития технологии СБИС. Некоторые из описывае-
мых методов применяются для анализа полупроводниковых
структур, другие — при изготовлении новых материалов для
СБИС. Из известных многочисленных методов диагностики и
контроля обсуждаются только те, которые нашли практическое
применение или могут быть использованы в ближайшем буду-
щем.
Можно выделить четыре направления применения экспери-
ментальных методов для решения проблем, связанных с техно-
логией изготовления СБИС: исследование морфологии, химиче-
ский анализ, изучение кристаллографической структуры и меха-
нических свойств, а также электрическое топографирование
с целью локализации участков повышенных токов утечки и мест
возможного пробоя. Методы, используемые для решения каждой
из этих задач, представлены в табл. 12.1. Символом X помече-
ны ситуации, при которых данный метод является главным ис-
точником информации, необходимой для решения конкретной
задачи, символом (X) —ситуации, при которых для решения за-
дачи требуется применение специального дополнительного обо-
рудования. Главные направления применения методов диагно-
стики и контроля представлены в четырех разделах главы, под-
разделы которых включают описание конкретных эксперимен-
тальных методов.
Ряд методов, представленных в табл. 12.1, основан на облу-
чении образца пучком рентгеновских лучей или электронов и
*> Marcus R. В., Bell Laboratories, Murray Hill, New Jersey.
272
ГЛАВА 12
Таблица 12.1. Экспериментальные методы, применяемые
при изготовлении СБИС
Метод Аббревиатура Исследование мор- фологии Химический анализ 1 Исследование кри- сталлографической структуры и ме- 1 хаиических свойств Электрическое то- пографирование
(русская) (английская)
Электронная оже-спектрс- скопил Растровая электронная мик- роскопия в режиме наве- денного тока Лазерное отражение Нейтронно-активационный анализ Оптическая микроскопия в режиме интерференционно- го контраста по Номапски Обратное рассеяние Резер- форда ЭОС РЭМНТ ло НАА ОРР AES EBIC LR NAA RBS X X X (X) X
Растровая электронная мик- роскопия Масс-спектроскопия вторич- ных ионов Электронография на про- свет РЭМ мсви ВИМС энп SEM SIMS TED (X) X X (X)
Просвечивающая электрон- ная микроскопия Растровая электронная мик- роскопия в режиме потен- циального контраста Рентгеновская дифракция Рентгеновский микроанализ Рентгеновский флюорес- центный анализ Рентгеновская фотоэлект- ронная спектроскопия ПЭМ РЭМПК РД РМА РФА РФЭС ТЕМ VC XRD XES XRF XPS, ESCA X (X) X X X X X (X) X
МЕТОДЫ КОНТРОЛЯ И ДИАГНОСТИКИ . 273
анализе вторичного излучения. Характеристики таких методов,
включая типичные интервалы энергий первичного и вторичного
излучений, приведены в табл. 12.2°.
12.2. ИССЛЕДОВАНИЕ МОРФОЛОГИИ
Одним из начальных объектов исследования большинства
диагностических методов являются геометрические характери-
стики анализируемых элементов: резкость границ рисунка, рас-
стояние между элементами, степень рассовмещения и др. Подоб-
ный контроль проводится методами оптической микроскопии, а
также растровой и просвечивающей электронной микроскопии.
Максимальное увеличение, обеспечиваемое этими методами, со-
ставляет соответственно ХЮОО, Х50 000 и Х500 000. Поскольку
Таблица 12.2. Виды вторичного излучении, возбуждаемого в результате
облучения поверхности образца электронным или рентгеновским пучком,
и применяемые при этом методы исследования
Первичное излучение Вторичное излучение
Внд излу- чения Энергия Eq, кэВ Электроны Рентгенов- ские лучи
Рид Энергия, эВ Метод Энер- гия, эВ Метод
Электроны 2—10 2—40 2—40 20-200 Оже Вторичные Обратнорассе- яииые 20—2000 <ю <Е0 ЭОС РЭМПК РЭМ (ОРР) <Е0 РМА
Рентгенов- ские лучи <2 <50 Первично иони- зированные 20-2000 РФЭС <Е0 РФА
интервалы увеличения этих трех методов взаимно перекрыва-
ются, возможно исследование практически всех морфологиче-
ских характеристик.
•> Автор не упомянул еще один из широко используемых в технологии
СБИС методов исследования кристаллической структуры материалов — рент-
геновскую дифракционную топографию. Подробную информацию о методиках
рентгенотопографии и их возможностях в картографировании распределения
дефектов кристаллической решетки можно почерпнуть из следующих работ:
Tanner В. К., X-ray Diffraction Topography, Oxford, Pergamon Press, 1976;
Францевич И. H., Кравец В. А. Методы дифракционной микрореитгеногра-
фии, Киев, Наукова думка, 1977. — Прим, перев.
18—233
274
ГЛАВА 12
12.2.1. Оптическая микроскопия в режиме интерференционного
контраста по Номарски
Оптическая микроскопия в режиме интерференционного
контраста по Номарски [1, 2] — наиболее широко используемый
метод для анализа структуры СБИС. При использовании этого
метода неровности поверхности разной высоты приобретают
различную окраску или различный оттенок серого цвета. На-
блюдаемый контраст обеспечивается расщеплением первичного
светового пучка на два луча, падающих в две близко располо-
женные точки поверхности образца, с последующим отражением
и интерференцией отраженных лучей. При наличии на поверх-
ности неровности или изменении показателя преломления (в слу-
чае фазовой границы) оптическая разность хода лучей меняется,
что обусловливает вариации интенсивности в восстановленном
из двух лучей отраженном пучке, проявляющиеся в виде интер-
ференционного контраста микроскопического изображения.
Разрешение оптического
микроскопа определяется дли-
ной волны используемого све-
тового пучка X и числовой
апертурой (ЧА) объектива:
г =
Предел разрешения опти-
ческого микроскопа составляет
~0,25 мкм. Если принять раз-
решение невооруженного глаза
равным 0,1 мм, то размытие
изображения начнет прояв-
ляться при увеличении более
Х400, т. е. верхний предел по-
лезного увеличения (превыше-
ние которого приводит к «не-
приемлемому» размытию изоб-
ражения) находится в интервале Х(Ю00—2000). Для анализа
многих морфологических характеристик СБИС достаточно ли-
нейного разрешения 0,25 мкм и даже 1,0 мкм. Необходимо
также обеспечить глубину резкости, позволяющую наблюдать
неразмытое изображение неровностей высотой 20 нм (толщина
подзатворного окисла некоторых полевых МОП-транзисторов)
и более. Такая глубина резкости достигается при использова-
нии интерференционной микроскопии по Номарски.
На рис. 12.1 представлена схема интерференционного микро-
скопа в режиме работы на отражение. Свет проходит через
Окуляр
Поляризатор^ АтатР
Источник
света
\ Полупрозрачное
зеркало
Призма
<Ь//)8олластона
Граница раздела
1 (начало расхож -
Оения лучей)
0.61Х
ЧА
(12.1)
Линза
v -.Образец
Максимальный \ Минимальный
контраст \ контраст
Рис. 12.1. Схема интерференционно-
го микроскопа Номарски в режиме
работы иа отражение.
МЕТОДЫ КОНТРОЛЯ И ДИАГНОСТИКИ
275
поляризатор и, отражаясь от полупрозрачного зеркала, направ-
ляется на призму Волластона, состоящую из двух кварцевых
кристаллов, где световой пучок расщепляется на два линейно-
поляризованных в перпендикулярных плоскостях луча, расходя-
щихся под углом а друг к другу с разными скоростями. По вы-
ходе из призмы и отражении от поверхности образца два луча
восстанавливаются в один после прохождения через призму
Волластона в обратном направлении. Восстановленный луч про-
ходит через анализатор, позво-
ляющий наблюдать изменения
интенсивности света.
Контраст микроскопическо-
го изображения определяется
вариациями оптической раз-
ности хода линейно-поляризо-
ванных лучей, связанными с
изменениями геометрического
профиля поверхности образца,
или вариациями фазовых соот-
ношений двух лучей вследст-
вие изменений показателя пре-
Рис. 12.2. а — поперечное сечение
приповерхностного слоя образца;
б — волновые фронты сформирован-
ных призмой Волластона лучей пос-
ле их отражения от поверхности об-
разца; в — распределение интенсив-
ности в плоскости изображения мик-
роскопа Номарски.
ломления, которые могут про-
исходить на фазовых грани-
цах. Рис. 12.2 иллюстрирует
вариации интенсивности све-
та, формирующего микроско-
пическое изображение, при ос-
вещении поверхности образца
монохроматическим светом.
На рис. 12.2, а показано поперечное сечение образца, состояще-
го из двух фаз с отличающимися показателями преломления;
граница раздела фаз проходит вдоль линии В. На рис. 12.2, б
показан волновой фронт двух лучей, сформированных призмой
Волластона, после их отражения от поверхности образца. Опти-
ческая разность хода отраженных лучей обусловливает вариа-
ции интенсивности в восстановленном луче (рис. 12.2,в). Отно-
сительное положение поляризатора, анализатора и призмы
Волластона может быть изменено, что скажется на профиле
волновых фронтов и на результирующем распределении интен-
сивности наряду с оптическими характеристиками поверхности.
На рис. 12.2,6 и в показаны волновые фронты и профиль рас-
пределения интенсивности для одной конкретной установки оп-
тических элементов микроскопа.
Максимальный интерференционный контраст наблюдается в
направлении, параллельном наибольшему смещению линейно-
поляризованных лучей, и практически равен нулю в перпенди-
18'
276
ГЛАВА 12
кулярном направлении. На рис. 12.3 приведены две микрофото-
графии объекта, поверхность которого покрыта полосками окис-
ла, полученные при одном и том же положении поляризатора,
анализатора и призмы Волластона. Различие между снимками
вызвано тем, что образец при съемке фотографии, представлен-
ной на рис. 12.3,6, был развернут на 90° в собственной плоско-
сти по отношению к положению, в котором он находился во
Рис. 12.3. а — изображение в микроскопе Номарски полосок окисла шири-
ной 1 мкм; б — изображение полосок при повороте образца иа 90°.
время съемки фотографии, представленной на рис. 12.3,а. Полос-
ки окисла имеют небольшой наклон по отношению нормали к
поверхности образца, что приводит к образованию «козырька»,
максимальная ширина которого в направлении оси С—С состав-
ляет 10 нм (рис. 12.3,а). Интерференционный контраст изобра-
жения, приведенного на рис. 12.3,а, четко выявляет наклон сту-
пенек окисла, так как поляризатор, анализатор и призма Вол-
ластона установлены так, чтобы обеспечить максимальный кон-
траст для положения образца, в котором он находился во время
съемки микрофотографии. При повороте образца на 90° контраст
исчезает и наклон полосок практически не выявляется
(рис. 12.3,6). Контраст изображения объекта, показанного на
рис. 12.3,6, такой же, как в обычном оптическом микроскопе.
Данный рисунок наглядно иллюстрирует возможности оптиче-
ской микроскопии в режиме интерференционного контраста по
Номарски в выявлении тонких деталей морфологии.
МЕТОДЫ КОНТРОЛЯ И ДИАГНОСТИКИ
277
12.2.2 . Растровая электронная микроскопия
Растровая электронная микроскопия (РЭМ)—широко при-
меняемый при исследовании СБИС метод, характеризуемый по
сравнению с оптической микроскопией более высокими значе-
ниями пространственного разрешения и глубины резкости,, а так-
же возможностью проведения химического анализа на основе
регистрации спектра рентгеновского излучения, генерируемого
при облучении поверхности образца электронным пучком (см.
I Электронная
г пушка
Апертура
К вакуумным
насосам
Конденсорная
линза
Катушки
сканирования
Объектив
\-----Детектор вторичных /
отраженных электронов
Детектор
1 рентгеновского
излучения
Рис. 12.4. Схема растрового электронного микроскопа.
разд. 12.3.7). Пространственное разрешение при оптимальных
условиях равно -<10 нм, а типичные значения глубины резкости
находятся в пределах .2—4 мкм при увеличении ХЮ ООО и 0,2—
0,4 мм при увеличении .X ЮО.
На рис. 12.4 представлена схема, растрового электронного
микроскопа. Электроны, испускаемые электронной пушкой
(нить накала которой обычно изготавливается из вольфрама
или LaB6), ускоряются до приобретения энергии 2—40 кэВ. На-
бор магнитных линз и -отклоняющих катушек сканирования
формирует электронный пучок малого диаметра, разворачивае-
мый в растр на поверхности образца. При облучении этой по-
верхности электронами возбуждаются три типа излучения, не-
сущего полезную информацию, — рентгеновские лучи, вторичные
электроны и отраженные (обратнорассеянные) электроны
(табл. 12.2).
На рис. 12.5 показан энергетический спектр электронов, ге-
нерируемых при облучении поверхности образца первичным
электронным пучком. Значительную долю спектра составляют
электроны с энергией менее 50 эВ, пик интенсивности которых
278
ГЛАВА 12
наблюдается при энергии менее 5 эВ. Эти электроны относятся
к вторичным электронам. Электроны с энергией, близкой к Ео
(энергии электронов первичного пучка), называются отражен-
ными или обратнорассеянными электронами.
Ток вторичных или обратнорассеянных электронов исполь-
зуется для .модуляции интенсивности электронного пучка в
электронно-лучевой трубке (ЭЛТ). Поскольку развертка элект-
ронного луча в ЭЛТ синхронизирована с разверткой первичного
электронного пучка растрового электронного микроскопа, на
Энергия, эБ
Рис. 12.5. Энергетическое распределение электронов, эмнттируемых с поверх-
ности образца, облучаемой электронным пучком энергии Ео.
Пик интенсивности вторичных электронов (SE}, обладающих низкой энергией, наблю-
дается при ~5 эВ, а отраженных электронов (BS) — при ~/?о- Пик интенсивности оже-
электроиов (на рисунке не показан) расположен между двумя вышеуказанными пиками.
экране ЭЛТ формируется изображение поверхности образца, яр-
кость отдельных элементов которого определяется изменениями
интенсивности вторичных или отраженных электронов. Для про-
ведения химического анализа исследуется рентгеновское вто-
ричное излучение (табл. 12.2); описание соответствующего ана-
литического метода приведено в разд. 12.3.7.
По мере продвижения в глубь образца электроны первично-
го пучка претерпевают многочисленные соударения и тормозятся
на глубине /?, величину которой можно рассчитать или опреде-
лить экспериментально. На рис. 12.6 приведены зависимости
глубины проникновения от энергии первичного пучка [3]. Глу-
бина проникновения возрастает с уменьшением атомного номе-
ра материала образца и с повышением энергии электронов пер-
вичного пучка Eq. При каждом соударении траектория электро-
на меняется, поэтому узкий первичный пучок рассеивается по
мере углубления в образец. На рис. 12.7 показана максимальная
глубина проникновения первичных электронов разной энергии.
Контуры проникновения электронов имеют каплеобразную фор-
му, причем ширина и глубина контуров возрастают с увеличе-
нием энергии первичных электронов.
При нормальном падении электронного пучка на массивный
образец приповерхностная область возбуждения отраженных
МЕТОДЫ КОНТРОЛЯ И ДИАГНОСТИКИ
279
электронов имеет форму диска, диаметр которого примерно ра-
вен диаметру первичного пучка. Разрешение изображения, фор-
мируемого отраженными электрона-
ми, повышается с уменьшением тол-
щины образца. Так, разрешение со-
ответствующего изображения тон-
кой металлической пленки, нанесен-
ной на поверхность кремния или
SiO2, выше разрешения изобра-
жения поверхности массивного
образца из того же металла.
Разрешение изображения, фор-
мируемого вторичными электрона-
ми, частично определяется пло-
щадью участка поверхности, с ко-
торого испускаются вторичные элек-
троны (глубина области их возбуж-
дения меньше глубины проникнове-
ния первичного пучка). Глубина
Рис. 12.6. Зависимость глуби-
ны проникновения электронов
в кремний, алюминий и золо-
то от энергии первичного
пучка [3].
возбуждения вторичных электронов
в металлах [4] имеет минимальное
значение 0,4 нм при энергии вто-
ричных электронов 70 эВ и возра-
стает до 2,5 нм при уменьшении
энергии до 10 эВ. Глубина возбуж-
дения вторичных электронов в диэлектриках превышает 5 нм.
Линейное разрешение изображений, формируемых вторичными
электронами, равно сумме диаметров первичного электронного
пучка и области размытия в плоскости (последний диаметр оп-
ределяется средней длиной свободного пробега электронов)
[5]. Заметим, что вторичные электроны, испускаемые с глуби-
ны возбуждения в результате возбуждения отраженными элек-
тронами, генерируются на участке большей площади и поэтому
приводят к ухудшению разрешения.
Контраст изображений, формируемых отраженными и вто-
ричными электронами, зависит от вариаций потока электронов,
попадающего на детектор. Выход отраженных электронов повы-
шается с возрастанием атомного номера К материала образца.
Для золота он в 10 раз выше, чем для углерода [6]. Поскольку
выход зависит от атомного номера, на изображениях, формируе-
мых отраженными электронами, наблюдается контраст между
областями материалов с различными атомными номерами. Кон-
траст соседних областей элементов периодической системы Мен-
делеева уменьшается по мере возрастания Z и составляет 6,7%
для алюминия и кремния [6]. Следовательно, на изображении,
сформированном вторичными электронами, можно различить
вкрапления алюминия в кремниевой матрице.
280
ГЛАВА 12
Первичный
пучок
s Поверхность
подложки
Рис. 12.7. Объемное распреде-
ление первичных электронов
в приповерхностном слое об-
разца в результате многочис-
ленных соударений, приводя-
щих практически к полной по-
тере энергии электронов.
Выход вторичных электронов зависит от Z в меньшей сте-
пени, чем выход отраженных электронов. При переходе от угле-
рода к золоту выход вторичных электронов повышается лишь
в два раза. В большей степени выход вторичных электронов
определяется работой выхода электронов из данного вещества
[7], и для окислов и других материалов с большой шириной за-
прещенной зоны он существенно выше, чем’ для кремния [8]. Это
обстоятельство обусловливает преимущества анализа изображе-
ний, сформированных вторичными' электронами, при исследова-
нии СБИС, так как области метал-
лизации, окисла и кремния легко-
различимы. Вторым фактором, оп-
ределяющим контраст изображе-
ний, формируемых вторичными
электронами,3 является зависимость
выхода электронов от кривизны
анализируемой поверхности. Поток
вторичных'электронов от поверхно-
сти переменной кривизны пропор-
ционален углу наклона касательной
к неровностям поверхности, поэтому
на изображениях различаются уча-
стки поверхностей с изменяющимся
профилем. Кроме того, детектиру-
мый ноток вторичных электронов
сильно зависит от ориентации ана-
лизируемых участков поверхности относительно детектора: уча-
стки поверхности, обращенные к детектору, существенно ярче
остальных областей изображения.
Пространственное разрешение изображения зависит от раз-
мера участка поверхности образца, на котором происходит воз-
буждение вторичных или отраженных электронов, а также от
локальных изменений фазы, состава и ориентации поверхности
образца, влияющих, как описано выше, на электронный поток.
Кроме того, разрешение определяется характеристиками самого
растрового электронного микроскопа. Эти факторы проявляются
во взаимодействии, и вклад каждого из’них по отдельности оце-
нить невозможно. Например, диаметр первичного электронного
пучка уменьшается при уменьшении тока пучка и повышении
его энергии, для нити накала из LaB6 он меньше, чем для воль-
фрамовой нити. Диаметр электронного пучка при энергии
30 кэВ и токе Ю-11 А составляет 4 и 9 нм для нити накала из
LaB6 и вольфрама соответственно; прн энергии 10 кэВ эти зна-
чения возрастают до 6 и 13 нм. Реальное разрешение, достигае-
мое в РЭМ, может быть, однако, значительно хуже, чем 4—
13 нм. Значение минимального тока пучка /мин, необходимого
МЕТОДЫ КОНТРОЛЯ И ДИАГНОСТИКИ
281
для обеспечения удовлетворительного контраста С изображений
соседних участков поверхности, определяется выражением [6]
4- io-12
^мин = eC2tf • (12-2)
где е — эффективность детектирования сигнала, tf — время ска-
нирования электронным пучком анализируемого участка. Для
некоторых образцов характерен низкий контраст изображения
соседних участков, например от 1 до 5°/о- При использовании
нити накала из термоионного вольфрама минимальный диаметр
пучка, способный обеспечить ток /мин, достаточный для наблю-
дения разницы в яркости, составляет 230 нм для С=1% и 46 нм
для С = 5% [6]. Таким образом, главное ограничение на прост-
ранственное разрешение связано с необходимостью обеспечивать
достаточный ток электронного пучка.
При исследовании СБИС методом растровой электронной
микроскопии возникают общие затруднения, связанные с загряз-
нением образца, радиационными повреждениями вследствие воз-
действия электронного пучка и изменением поверхности во вре-
мя проведения анализа. Основной вид загрязнения поверхно-
сти— полимеризация углеводородов, происходящая при облуче-
нии поверхности электронами. Хотя современные микроскопы
оборудованы мощными системами откачки, способными поддер-
живать в камереобразца вакуум 0,133-10-3 Па, полностью избе-
жать загрязнений невозможно. Сходную проблему представляют
радиационные повреждения окисла, оказывающие отрицатель-
ный эффект на рабочие характеристики прибора. Облучение
электронами приводит к появлению положительных зарядов в
окисле и поверхностных ловушек на границе раздела кремния
с окислом, избежать которого можно за счет обеспечения доста-
точно низкой энергии первичного пучка с целью предотвраще-
ния его проникновения в активные зоны приборов (например,
подзатворный окисел). Появившиеся радиационные дефекты
можно отжечь [9] при температуре 400—550 °C.
Еще одна проблема, часто возникающая при применении
РЭМ для изучения диэлектрических слоев, — создаваемый на
поверхности заряд. Этот эффект возможен, если энергия пер-
вичных электронов обеспечивает выход вторичных электронов,
превышающий 1. Поверхность при этом становится отрицатель-
но заряженной, что приводит к возмущению траектории первич-
ного пучка и ухудшению изображения. Для предотвращения
этого явления используют первичные пучки малой .энергии. Един-
ственный известный на сегодняшний день источник электронов,
обеспечивающий получение изображений высокого разрешения с
использованием первичных пучков низкой энергии, — источник
на основе полевой эмиссии [10]. Некоторые промышленно вы-
282
ГЛАВА 12
пускаемые растровые электронные микроскопы оборудованы
такими источниками. Другим способом предотвращения появле-
ния встроенного заряда на поверхности образца во время про-
ведения исследования является покрытие поверхности заземлен-
ным слоем металлизации толщиной —10 нм. Так как глубина
возбуждения вторичных электронов в металлах (~0,5 нм) на-
много меньше, чем в диэлектриках, нанесение тонкого металли-
ческого покрытия значительно улучшает пространственное раз-
решение изображений, формируемых вторичными электронами.
К сожалению, нанесение покрытий не позволяет использовать
исследованные образцы для последующих технологических об-
работок.
12.2.3 . Просвечивающая электронная микроскопия
Просвечивающая электронная микроскопия (ПЭМ) — эффек-
тивный метод решения проблем исследования СБИС, обеспе-
чивающий высокое пространственное разрешение (~0,2 нм).
В просвечивающем электронном микроскопе пучок электронов
проходит сквозь образец, приготовленный в виде тонкой фольги,
и формирует изображение, передающее структурные и морфо-
логические особенности элементов фольги. Энергия первичных
электронных пучков промышленно выпускаемых микроскопов
составляет 60—350 кэВ. Более высокие энергии пучка позво-
ляют увеличить толщину исследуемого образца: максимальная
толщина кремниевой пленки, пригодной для исследования мето-
дом ПЭМ, .составляет 1,5 мкм при энергии пучка 200 кэВ и лишь
0,5 мкм при энергии 80 кэВ [11].
При исследовании СБИС методом ПЭМ часто возникают
ситуации, когда морфология исследуемого объекта характери-
зуется наличием фазовых границ, выходящих на обе поверхности
просвечиваемой фольги. Это накладывает дополнительные огра-
ничения на максимально допустимую толщину образца. Напри-
мер, изображение хорошо сориентированной тонкой пленки, со-
держащей на окисле пленку поликристаллического кремния
толщиной 1 мкм, состоит из двух линий, каждая из которых со-
ответствует границе раздела на одной или другой поверхности
(рис. 12.8,а). На рис. 12.8 показан образец, вырезанный вдоль
поперечного сечения кристалла микросхемы (поверхность кри-
сталла перпендикулярна плоскости рисунка). Если этот образец
немного наклонен относительно первичного пучка, то изображе-
ния границ L1 и L2 двоятся (рис. 12.8,6). Так как подобного
раздваивания трудно избежать при увеличении толщины образ-
ца, оно определяет практический предел толщины. Так, при
разориентации плоскости фольги на 0,5° расстояние между ли-
ниями изображения наклонной фазовой границы составляет 1 нм
МЕТОДЫ КОНТРОЛЯ И ДИАГНОСТИКИ
283
для образца толщиной 100 нм и 5 нм для .образца толщиной
500 нм [12]. Рис. 12.8, в иллюстрирует сходную ситуацию, воз-
никающую при разориентации вырезаемой фольги относительно
поверхности пластины (кристалла) или при образовании тексту-
ры на границе фаз. Текстура часто возникает на границе раз-
дела поликристаллического кремния и окисла (после термиче-
ского окисления) и на краях элементов топологии.
и
а
I
I
।
I
I
I
।
।
LI L2
Первичный
I электронный
* пучок
- S Образец
Изображение
границ
раздела фаз
Рис. 12.8. Угловая разориеитация образца при исследовании СБИС методом
просвечивающей электронной микроскопии.
а — формирование изображения хорошо сориентированного вертикального сечения двух-
фазного элемента; б — изображение в случае, если образец наклонен по отношению к
первичному пучку; в — изображение в случае, если сечение отклонено от вертикали.
Контраст изображений, получаемых в просвечивающем элект-
ронном микроскопе, определяется двумя механизмами, один из
которых реализуется при исследовании кристаллических мате-
риалов (таких, как кремний, алюминий, поликристаллический
кремний, различные силициды), другой — при изучении аморф-
ных объектов.
При исследовании кристаллических материалов первичный
электронный пучок дифрагирует на кристаллической решетке,
и локальные изменения интенсивности дифракции приводят к
возникновению контраста изображений, получаемых в недифра-
гировавшей части пучка (светлопольное изображение) или в од-
ном и более дифрагированных пучках (темнопольное изображе-
ние). Интенсивность проходящего через образец пучка является
периодической функцией его толщины. Длина такого периода
(экстинкционная длина) для кремния составляет 60,2 нм при
Наблюдении в плоскости отражения с ориентацией (Ш) и
284
ГЛАВА 12
75,7 нм при наблюдении в плоскости отражения с ориентацией
(220) [13]. Поэтому более толстый участок пленки не обязатель-
но приводит к осветлению негатива по сравнению с более тон-
ким. Электронно-микроскопическое изображение клиновидных
кристаллов характеризуется чередованием темных и светлых
полос, называемых толщинными экстинкционными контурами.
Чередующиеся полосы возникают также на изображениях изогну-
Рис. 12.9. Приготовление вертикального сечения образца для анализа мето-
дом ПЭМ.
а — выкалывание небольшого фрагмента (~1Х~2 мм) из подложки; б — склеивание
нескольких таких фрагментов друг с другом (лицевые поверхности прикладываются к
задним) эпоксидным клеем; в — формирование отверстия путем травления и ионного
распыления. Фольга, достаточно тонкая для исследования в просвечивающем электрон-
ном микроскопе, образуется по периметру отверстия в кольцевой области размером 50—
100 мкм.
той фольги и называются в этом случае изгибными экстинкци-
онными контурами. Резкое изменение толщины, фазового соста-
ва и кристаллографической ориентации приводит к возникнове-
нию резких перепадов контраста, поэтому подобные структур-
ные нарушения легко выявляются с высоким разрешением.
Контраст изображений аморфных материалов определяется
локальными изменениями рассеяния электронов, связанными с
изменением толщины образца, его химического или фазового
состава. Участок фольги непрерывно изменяющейся толщины
обусловливает — в противоположность дифракционному контра-
сту— соответствующее непрерывное изменение почернения изоб-
ражения. Поэтому электронно-микроскопические изображения
окислов, нитридов и других аморфных материалов легче интер-
МЕТОДЫ КОНТРОЛЯ И ДИАГНОСТИКИ 285
претируются на интуитивном уровне, чем изображения кристал-
лических объектов.
Приготовление образцов. Главным фактором, ограничиваю-
щим применение ПЭМ для исследования СБИС, являются труд-
ности приготовления образцов. Одна из них связана с необходи-
мостью получения достаточно тонкой фольги для наблюдения в
просвечивающем микроскопе. Вторая трудность имеет отношение
к контролю сохранения интересующего нас элемента морфоло-
Рис. 12.10. Схема тестового кристалла для ПЭМ.
Все морфологические элементы, характерные для технологии СБИС, расположены в виде
полосок размером 1,5—2,5 мкм на отрезке 23,0 мкм, представляющем собой тестовый пе-
риод. Этот период повторяется 87 раз на участке ~2 мм. В перпендикулярном направ-
лении протяженность каждого элемента составляет 2 мм.
гии в приготавливаемой фольге. Способы преодоления этих
трудностей обсуждаются ниже.
Тонкая фольга, наиболее информативная для диагностики
СБИС, вырезается перпендикулярно поверхности кремниевой
пластины (вертикальное сечение). Исследование методом ПЭМ
таких сечений позволяет получать информацию о взаимодей-
ствии многочисленных поверхностных слоев, а также о геометри-
ческих характеристиках ступенек, создаваемых краями элемен-
тов схемы и контактами. На рис. 12.9 представлены основные
этапы приготовления вертикального сечения. Продолжительность
приготовления таких образцов не превышает двух суток, осо-
бенно при использовании установок ионного травления, позво-
ляющих автоматически обнаруживать отверстия в фольге, что
исключает необходимость непрерывного наблюдения за ходом
процесса уменьшения толщины. Детальное описание процесса
уменьшения толщины фольги и методы приготовления горизон-
286
ГЛАВА 12
тальных сечений (параллельных поверхности пластины) приве-
дены в работах [12, 14].
Проблему, связанную с наличием интересующих элементов
морфологии в приготовленной фольге, можно решить впечаты-
ванием в кремниевые пластины в ходе изготовления СБИС спе-
циальных тестовых кристаллов для ПЭМ. Каждый такой тесто-
Рис. 12.11. Электронно-микроскопическое изображение поперечного сечення
тестового кристалла прибора с зарядовой связью.
вый кристалл включает все морфологические элементы, харак-
терные для конкретной технологии СБИС (рис. 12.10). При этом
протяженность каждого элемента в одном направлении состав-
ляет 1—3 мкм, а в перпендикулярном направлении — до 2 мм.
Общая протяженность набора морфологических элементов, изоб-
раженных на рис. 12.10, составляет 23 мкм. Этот набор, назы-
ваемый «тестовым периодом», многократно повторяется на уча-
стке размером 2 мм. При изготовлении фольги методом, пред-
ставленным на рис. 12.9, по крайней мере один из тестовых
периодов окажется в образце, приготовленном для исследования
ПЭМ.
Рис. 12.11 иллюстрирует применение ПЭМ для исследования
СБИС. На фотографии представлено изображение вертикально-
го сечения тестового кристалла прибора с зарядовой связью.
МЕТОДЫ КОНТРОЛЯ И ДИАГНОСТИКИ
287
Видно наличие очень тонкого слоя окисла на концах «усов», об-
разовавшихся на углах дорожек из поликристаллического крем-
ния. Эти слои тонкого окисла являются участками потенциаль-
ного отказа схемы: после наложения на окисел второго слоя ме-
таллизации в соответствующих участках значительно понижа-
Рентгенивское
Оже-электрон
(ЭОС)
ОВ-----
99В---•-
КЗВ------
1839 В --
излучение (РМА, РФЛ)

L,
К
Первично
ионизированный
электрон (РФэс)

Первичный
электрон (ЭОС, РМА)
или рентгеновский
I квант (РФэс,РФА)
Рис. 12.12. Диаграмма энергетических уровней однократно ионизированного
атома кремния.
Предполагается, что первичный электрон или рентгеновский квант возбуждает эмиссию
электрона с К-уровня в вакуум. При переходе электрона с уровня Li на свободный уро-
вень К высвобождается энергия, достаточная для возбуждения рентгеновского вторич-
ного излучения или эмиссии второго электрона (называемого оже-электроном) в ваку-
ум. Диаграмма иллюстрирует виды взаимодействий, детектируемых и анализируемых
четырьмя методами спектроскопии: ЭОС, РМА, РФА и РФЭС. Показанные переходы —
это один из нескольких возможных наборов переходов.
ется пробивное напряжение окисла. Подобную причину отказа
крайне затруднительно обнаружить, если воспользоваться каки-
ми-либо другими, кроме ПЭМ, методами диагностики.
12.3. ХИМИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ
Требования к пространственному разрешению, предъявляе-
мые к многочисленным методам химического анализа материа-
лов, применяемых при изготовлении СБИС, варьируются от
атомных размеров (как при исследовании профилей распреде-
ления по глубине интерметаллидов и атомов легирующих при-
288
ГЛАВА 12
месей) до макроскопических величин (например, при интеграль-
ном анализе больших участков пленок или подложек). Для раз-
ных методов анализа различаются требования к разрешению в
плоскости и по глубине. Требования к чувствительности анализа
варьируются от 10пдо 1021 см~3. Химическими веществами, при-
сутствие которых необходимо контролировать при таких иссле-
дованиях, являются легирующие примеси в кремнии (мышьяк,
фосфор, бор), а также кислород, углерод, следы резиста, раз-
личные компоненты металлизации и металлические примеси, т. е.
спектр химических элементов от легких до тяжелых, таких, как
платина, золото и вольфрам.
12.3.1. Электронная оже-спектроскопия
Электронная оже-спектроскопия (ЭОС) — метод, основанный
на анализе электронов определенного вида, называемых оже-
электронами, которые возбуждаются при облучении поверхно-
Таблица 12.3. Глубина выхода оже-электронов
некоторых элементов в кремнии')
Элемент Энергия пере- вода, эВ Глубина вы- хода, им
Фосфор 120 0,5
1859 0,32
Бор 179 0,6
Кислород 507 0,12
Мышьяк 1228 0,23
Алюминий 1396 0,26
Кремний 92 0,4
1619 0,29
1 Значения глубины выхода интерполированы по дан-
ным табл. 2, приведенной в работе [17].
сти образца электронным или световым пучком; в стандартном
варианте используются электроны (табл. 12.2). Оже-электроны
возбуждаются в результате ионизации внутренних электронных
оболочек атомов [15, 16]. Как показано на рис. 12.12, падающий
электрон (или фотон), обладающий достаточной энергией, спо-
собен выбить электрон с К-оболочки атома облучаемого веще-
ства (в данном случае подразумевается, что это вещество крем-
ний). При обратном переходе электронов с уровня Li на свобод-
МЕТОДЫ КОНТРОЛЯ И ДИАГНОСТИКИ
289
ный уровень К высвобождается энергия, возбуждающая
оже-электрон с уровня L2, з-
Первичный электронный пучок, энергия которого обычно ле-
жит в интервале от 2 до 10 кэВ, проникает в образец на малую
глубину (рис. 12.6). Большинство оже-электронов имеют энер-
гию 20—2000 эВ и занимают в электронном спектре промежуточ-
ное положение между пиками электронов низкой энергии (вто-
Рис. 12.13. Анализ профиля распределения элементов по глубине, выполнен-
ный методом ЭОС на структуре, состоящей из пленки силицида тантала, на-
несенной на слой поликристаллического кремния, который в свою очередь
нанесен иа окисленную кремниевую подложку. (Представлено К. Ченгом,
Bell Laboratories.)
ричных электронов) и высокой энергии (отраженных электро-
нов), показанными на рис. 12.5. Глубина выхода оже-электронов,
как правило, меньше 5 нм и уменьшается при понижении энер-
гии перехода (табл. 12.3) [17]. Поэтому данные ЭОС позволяют
анализировать химический состав поверхностной области.
При использовании ЭОС для решения некоторых диагности-
ческих проблем необходимо проводить химический анализ слоев,
глубина залегания которых превышает глубину выхода. С этой
целью выполняют послойное ионноплазменное травление поверх-
ности. Анализ химического состава в этом случае проводится
либо поэтапно после стравливания слоев заданной толщины,
либо непрерывно в процессе травления. При этом строят график
зависимости высоты пиков спектра оже-электронов от времени
19-233
290
ГЛАВА 12
травления или толщины стравленного слоя. Таким образом ана-
лизируется профиль распределения исследуемых элементов по
глубине (рис. 12.13).
При проведении количественного анализа концентрация С/
элемента i в материале образца (матрице) рассчитывается как
Сг = ^-, (12.3)
2 “Л
i
где h — интенсивность оже-пика элемента i, Ij — интенсивность
оже-пика элемента матрицы. Коэффициенты пропорционально-
сти а определяются по эталонам. Методы количественного ана-
Таблица 12.4. Предел чувствительности метода ЭОС
к примесям в кремнии [18]
Элемент Смии ' см-3
Фосфор Мышьяк Кислород Углерод 1ХЮ19 5ХЮ18 5X1017 5ХЮ'7
лиза обсуждаются в работах £4, 15, 16]. В табл. 12.4 приведены
значения чувствительности метода ЭОС к некоторым примесям
в кремнии, контроль которых необходимо проводить при изгото-
влении СБИС [18]. Чувствительность определяется как мини-
мальная концентрация равномерно распределенной в кремниевой
матрице примеси (СМнн), при которой она может быть обнару-
жена методом ЭОС.
Пространственное разрешение в плоскости поверхности об-
разца определяется в основном диаметром первичного электрон-
ного пучка, который в свою очередь зависит от минимального
тока, необходимого для получения полезной информации
(~5 нА). Современные промышленно выпускаемые спектромет-
ры обеспечивают разрешение выше 0,1 мкм. Разрешение по глу-
бине (при анализе без травления поверхности) определяется
глубиной выхода оже-электронов и для переходов с низкими
энергиями не превышает толщины атомного монослоя. Большие
значения глубины выхода электронов, возбуждаемых при оже-
переходах высоких энергий, позволяют измерять толщину очень
тонких поверхностных слоев. Сравнительный анализ высоты
оже-пиков кремния, соответствующих переходам с энергиями
МЕТОДЫ КОНТРОЛЯ И ДИАГНОСТИКИ 291
1619 эВ (кремний подложки) и 1607 эВ (сдвинутый пик хими-
чески связанного кремния окисла), позволяет измерять толщи-
ну окисных пленок [19]. Этот метод целесобразно применять для
измерения толщины окисных пленок, которая примерно в четы-
ре раза меньше, чем глубина выхода оже-электронов.
12.3.2. Нейтронно-активационный анализ
Нейтронно-активационный анализ (НАД) — наиболее чувст-
вительный метод химического анализа многих элементов перио-
дической таблицы. Он основан на анализе радиоактивных изо-
топов, которые образуются в образце под воздействием облуче-
ния тепловыми нейтронами. Этот метод особенно полезен при
исследовании геттерирования и обнаружении следов примесей
на поверхности или в объеме кремниевых пластин. Метод НАА
целесообразно также применять для оценки загрязнений, вноси-
мых в материал технологическим оборудованием. Только легкие
элементы (такие, как бор, кислород, азот и углерод) не образу-
ют изотопов, пригодных для исследования НАА.
Облучение производится в течение 0,5—12 ч потоком тепло-
вых нейтронов мощностью 1013—1014 см-2 с-1. При этом в крем-
ниевых пластинах образуются различные радиоактивные изото-
пы, включая 31Si. Период полураспада изотопа 31Si составляет
2,6 ч. После облучения образцы выдерживаются в течение 24—
48 ч, чтобы обеспечить уменьшение излучения радиоактивных
изотопов кремния до уровня, пренебрежимо малого по сравне-
нию с другими элементами.
Наиболее распространенным является анализ у-излучения
образовавшихся изотопов с энергией квантов от 0,1 до 2,5 МэВ.
Это излучение регистрируется литиево-германиевым детектором
и анализируется многоканальным анализатором.
Для идентификации изотопа, излучение которого регистри-
руется при НАА, определяют период его полураспада и энергию
у-квантов. Для измерения концентрации конкретного элемента
необходимо знать ряд параметров: дозу излучения за опреде-
ленный период времени, эффективность излучателя и детектора
для данного пика спектра у-излучения, поток тепловых нейтро-
нов, время облучения, продолжительность выдержки образца
после облучения и другие параметры (табл. 12.5). Количество
атомов данного элемента в исследуемом образце рассчитывает-
ся по известным формулам [20], а соответствующая объемная
концентрация определяется с учетом геометрических характери-
стик образца.
Минимальная концентрация некоторых элементов, позволяю-
щая обнаруживать их методом НАА [21], представлена впослед-
ней колонке табл. 12.5. Хотя чувствительность анализа варьиру-
19*
292
ГЛАВА 12
ется в зависимости от размера образца, продолжительности об-
лучения, мощности потока и других факторов, данные послед-
ней колонки таблицы указывают на чрезвычайно высокую чув-
ствительность метода НАА.
Проводя НАА до и после удаления поверхностных слоев
контролируемой толщины, можно определять профили распре-
деления элементов по глубине образца. Так, послойным травле-
Таблица 12.5. Параметры радиоактивных изотопов и предел
чувствительности метода НАА
Элемент Атом- ная масса Т1/2 1, % а, Б (1 бари = = 10-23 м2) Энергия у-кваитов, '.МэВ С МИН ’ СМ 3
Мышьяк 75 26,4 ч 100 4,3 0,560 7,1-Юп
Медь 63 12,75 ч 69,17 4,5 0,511 2,3- 10й
Золото 197 2,69 суток 100 98,8 1,34 1,1-10»
0,411
Натрий 23 15,0 ч 100 0,53 1,37 6,3-101»
Тантал 181 115 суток 100 21,0 1,121 1,1-Ю12
1,221
Вольфрам 186 23,9 ч 28,41 40,0 0,686 4,9-1011
Примечание, —период полураспада; f — содержание радиоактивного изотопа по
отношению к иерадиоактивному; о —сечение рассеяния тепловых нейтронов; СмиН—
минимальная обнаруживаемая НАА концентрация элемента при условии проведения ана-
лиза всего объема кремниевой подложки диаметром 7,3 см и толщиной 510 мкм после
облучения в течение 10 ч потоком нейтронов мощностью 10” см-2 с-1 н выдержки в
течение 40 ч перед началом измерений.
нием поверхности в сочетании с НАА можно показать, что гене-
рирование фосфором обеспечивает снижение концентрации зо-
лота в кремниевой пластине в 50 раз по сравнению с его перво-
начальной концентрацией, составляющей 3-1014 см-3, и стяги-
вание атомов золота в слой толщиной 2 мкм у нерабочей по-
верхности пластины [22].
12.3.3. Спектроскопия обратного рассеяния Резерфорда
Метод обратного рассеяния Резерфорда (ОРР) предполагает
облучение поверхности образца пучком ионов с энергией от 1
до 3 МэВ (обычно используются ионы Не+). Диаметр пучка, как
правило, составляет от 10 мкм до 1 мм. Вследствие упругих со-
ударений с атомами облучаемого вещества первичные ионы те-
ряют энергию. Кинетический множитель К связывает энергию
МЕТОДЫ КОНТРОЛЯ И ДИАГНОСТИКИ 293
первичных ионов Ео с энергией обратнорассеянных ионов Е'о".
Е0' = КЕ0. (12.4)
Рассеянные ионы регистрируются энергодисперсионным де-
тектором на основе кремниевых р—«-переходов, и вырабатывае-
мый детектором сигнал поступает в многоканальный анализа-
тор (рис. 12.14). Поскольку значения К для каждого элемента
периодической таблицы известны [23], можно определить хими-
Рис. 12.14. Схема спектрометра обратного рассеяния Резерфорда.
После рассеяния на поверхности энергия первичного пучка Ео уменьшается до величины
К Во'. энергия иона, рассеянного с глубины AZ, составляет Ei, уменьшенную по сравне-
нию с Ео за счет потерь энергии первичного пучка при углублении на расстояние AZ
и потерь энергии рассеянного пучка прн прохождении обратного пути. Угол рассеяния
равен S.
ческий состав поверхностного слоя образца путем измерения
энергии обратнорассеянных ионов.
Первичные ионы теряют энергию по мере углубления в обра-
зец и рассеяния. Ионы, рассеянные на глубине AZ, прежде чем
выйти из образца и поступить в детектор, должны пройти обрат-
ный путь в материале образца, что вызывает дополнительные
потери энергии. Общая разность энергий ионов, рассеянных на
поверхности образца и на глубине AZ, составляет
AE = KE0~E1 = [s]NAZt (12.5)
где [е] — эффективное сечение рассеяния ионов, N—атомная
плотность вещества. Профиль распределения примеси по глуби-
не получают, анализируя зависимость числа обратнорассеянных
ионов от энергии рассеянных ионов (рис. 12.15). Заметим, что
по оси абсцисс можно откладывать и глубину рассеяния (для
данного спектра ОРР), определяемую из соотношения (12.5).
В верхней части рис. 12.15 схематически представлен обра-
зец, спектр ОРР для которого приведен ниже. Верхним слоем
294
ГЛАВА 12
образца является алюминиевая пленка, энергетическое положе-
ние переднего (высокоэнергетического) края пика А1 соответст-
вует КмЕ0= 1,1 МэВ, а энергия, соответствующая заднему краю
пика, меньше на Д£ и составляет 0,950 МэВ. Передний край пи-
ка Ti, входящего в соединение второго слоя TiN, не соответст-
вует энергетическому положению КлЕ0, так как часть энергии
Рис. 12.15. Спектр ОРР, полученный при исследовании структуры, схемати-
чески представленной в верхней части рисунка.
Положения передних краев каждого пика для случая нулевого поглощения показаны
стрелкахй!. Только передний край пика алюминия совпадает с соответствующей стрел-
кой; остальные передние края смещены в сторону меньших энергий из-за потерь энер-
гии вследствие поглощения в поверхностном слое или слоях. (Представлено Р. Шютцем,
Bell Laboratories.)
первичного пучка рассеивается при прохождении через алюми-
ниевую пленку, а рассеянные ионы теряют энергию, проходя че-
рез эту пленку в обратном направлении. Передним краям пиков
титана, кремния и платины также соответствуют энергии, мень-
шие тех, которые наблюдались бы на спектрах ОРР в отсутст-
вие поверхностных пленок (последние энергетические положе-
ния отмечены на спектре вертикальными стрелками).
ОРР — один из немногих методов химического анализа, по-
зволяющий получать количественную информацию без приме-
нения эталонов. Общее число рассеянных ионов, регистрируемое
детектором, равно произведению дифференциального сечения
рассеяния нейтронов атомами исследуемого вещества dcfdO,,
числа рассеивающих центров на 1 см2 поверхности (JVAZ), при-
МЕТОДЫ КОНТРОЛЯ И ДИАГНОСТИКИ 295
емного угла детектора (AQ) и тока пучка Q:
H=~NAZQA^. (12.6)
Значения dcldQ представлены в табличном виде для всех
химических элементов ,[23] как функция угла рассеяния 0 для
первичных ионов 4Не+ и *Н+. Для специального, часто встречаю-
щегося случая анализа однородной пленки соединения неизвест-
ного состава \АтВп отношение высот пиков На и Нв можно рас-
считать, используя выражение (12.6):
В a dctA/dQ т [е]д лп 7\
Hq dtsB/dQi п [е]д ' ' ' ’
Поскольку denidQ.=kZt2, где Z,— атомное число элемента I,
уравнение (12.7) можно переписать в виде
т В а [ I2 [е]л /in о\
п Нв [ ZA J [е]в • ( ’
Измеряя отношение НА1НВ и подбирая по таблицам соответст-
вующие значения [е], можно определить отношение mln.
Энергетическое разрешение современных детекторов состав-
ляет ~15 кэВ, что соответствует разрешению по глубине
Таблица 12.6. Предел чувствительности метода ОРР
для различных примесей в кремнии
Элемент смин, см“’ Литературный источник
Мышьяк 9-1018 Рассчитано автором
Кислород 5 1021 [25]
Сурьма 4-1018 Рассчитано автором
Кислород Чувствительность низкая
~30 нм для кремния и ~10 нм для более тяжелых металлов,
входящих в состав силицидов. К сожалению, относительно боль-
шой диаметр первичного пучка (от 10 мкм до 1 мм) препятст-
вует использованию ОРР для анализа большинства элементов
СБИС, имеющих меньшие размеры. Чувствительность метода
ограничивается неоднородностью ионного потока, разделением
пиков спектра и током пучка. В табл. 12.6 приведены пределы
чувствительности метода ОРР для некоторых элементов перио-
дической таблицы, применяемых в технологии СБИС. Чувстви-
тельность для фосфора крайне низка из-за близости пиков фос-
фора и кремния в спектре ОРР.
296
ГЛАВА 12
12.3.4. Растровая электронная микроскопия
Растровый электронный микроскоп позволяет получать ин-
формацию о химическом составе вещества при условии исполь-
зования приставки для рентгеновской спектрометрии. Растровый
микроскоп, специально приспособленный для количественного
химического анализа, называют электронным зондом и приме-
няют в рентгеновском микроанализе. Описание этого метода со-
держится в разд. 12.3.7.
12.3.5. Масс-спектроскопия вторичных ионов
В методе масс-спектроскопии вторичных ионов (МСВИ) ма-
териал с поверхности образца распыляется ионным пучком. Об-
разующиеся при распылении ионные компоненты регистрируют-
ся и анализируются по массе (рис. 12.16). Этот анализ осуще-
ствляется в магнитной призме или квадрупольном анализаторе.
В системах с использованием магнитной призмы двумерное рас-
пределение ионов различных химических элементов по поверх-
Рис. 12.16. Схема масс-спектрометра вторичных ионов.
Источник иоиов формирует ионный пучок, который развертывается в растр на поверх-
ности образца н распыляет материал с этой поверхности. Ионизированные компоненты
распыленного вещества аналнзнруются по массе, н результаты анализа отображаются
в виде силы тока вторичного ионного пучка в зависимости от массы нона или двумер-
ного изображения распределения вторичного пучка по массе ионов.
ности образца наблюдают, направляя пучок вторичных ионов
на микроканальную пластину. В установках с квадрупольными
анализаторами изображение получают за счет регистрации из-
менения тока пучка вторичных ионов при сканировании пер-
вичного пучка по поверхности образца. Интенсивность детекти-
руемого сигнала связана с его массовой концентрацией в
исследуемом участке образца. Проведение анализа методом
МСВИ в сочетании с ионно-плазменным травлением поверх-
ности позволяет регистрировать профили распределения приме-
сей по глубине образца.
МЕТОДЫ КОНТРОЛЯ И ДИАГНОСТИКИ
297
Применяются как положительно, так и отрицательно заря-
женные первичные ионы с энергией 5—15 кэВ. Поскольку толь-
ко ионизированные компоненты распыляемого материала ана-
лизируются методом МСВИ, используются ионные пучки, поз-
воляющие получить максимальный выход (вторичную эмиссию)
ионов исследуемых химических элементов. Обычно применяются
первичные пучки положительных ионов цезия, обеспечивающие
высокий выход отрицательных ионов электроотрицательных ком-
понент мишени [26], и пучки ионов Ог+, обеспечивающие высо-
Таблица 12.7. Результаты исследования некоторых примесей
в кремнии методом МСВИ
Элемент Первичные ионы Детектируемые вторичные иоиь! СМИН’ СМ“3
Мышьяк Cs+ 75As~ 5-1014
Фосфор Cs+ 31р± 5-1015
Бор о2+, о- "В+ ыо13
Кислород Cs+ 160- ыо17
Водород Cs+ 'Н- 5-Ю18
кий выход положительных ионов электроположительных компо-
нент [27].
Первичный пучок развертывается в растр на участке поверх-
ности образца небольшой площади, в результате чего образу-
ется воронка с почти плоским дном. Масс-спектрометрическому
анализу подвергаются лишь ионизированные компоненты мате-
риала, испаряемого с центральной области дна воронки. Исполь-
зование очень малых токов первичного пучка позволяет достичь
скоростей распыления, достаточно низких для обеспечения полу-
чения информации с нескольких атомных монослоев, что позво-
ляет проводить химический анализ поверхности образца. Для
исследования профилей распределения примесей по глубине
образца применяют первичные пучки с более высокими токами.
Разрешение в плоскости определяется типом используемой ион-
ной оптики. Повышение разрешения достигается за счет умень-
шения чувствительности анализа. При исследованиях методом
МСВИ можно обеспечить разрешение в плоскости до 0,5 мкм,
что позволяет анализировать отдельные топологические элемен-
ты СБИС. Разрешение по глубине зависит от ряда факторов,
таких, как образование текстуры на дне воронки, вклад сигна-
лов вторичных ионов, приходящих от стенок воронки, перерас-
пределение примеси в результате ионного распыления.
298
ГЛАВА 12
Пределы чувствительности зависят от описанных выше фак-
торов, а также от разрешения по массе, определяемого как
Л1/ДЛ4, где ДМ—минимальная разница масс, обнаруживаемая
на уровне массы М. Типичные значения лежат в пределах
от 250 до 5000. Пример влияния разрешения по массе на чувст-
вительность— трудность обнаружения фосфора в кремнии при
наличии в системе следов водяных паров. Пик иона 31Р+ лежит
весьма близко к пику 31SiH+ (образующемуся в результате вза-
имодействия воды с кремнием). При разрешении по массе свы-
ше 3500, необходимом для разделения этих пиков, предел чув-
ствительности составляет 1019 см-3. В табл. 12.7 представлены
значения чувствительности метода М.СВИ применительно к не-
которым элементам, присутствующим в кремнии, используемом
в технологии СБИС, а также наиболее пригодные для анализа
этих элементов первичные и вторичные ионы. Отметим, что вви-
ду сложности проведения анализа методом МСВИ для количе-
ственных исследований используются эталоны.
12.3.6. Просвечивающая электронная микроскопия
Просвечивающие электронные микроскопы в комплекте с
приставками для рентгеновской спектрометрии применяются для
химического анализа. Описание соответствующего аналитическо-
го метода приведено в следующем ниже разделе.
12.3.7. Рентгеновский микроанализ
Как просвечивающий, так и растровый микроскоп можно
использовать для возбуждения вторичного рентгеновского излу-
чения при облучении поверхности образца электронным пучком.
Электронная бомбардировка позволяет получить как непрерыв-
ный рентгеновский спектр, так и характеристические линии,
свойственные конкретным материалам мишеней. Интенсивность
фонового сплошного спектра для данной длины волны % опреде-
ляется как [29]
, (12.9)
где i — ток электронного пучка, Z—атомное число облучаемого
материала, Ео — энергия пучка, Е < — энергия вторичных рентге-
новских лучей с длиной волны X. Для многих химических эле-
ментов интенсивность рентгеновского пика, соответствующего
энергии Е;. [30], определяется как
. (12.10)
МЕТОДЫ КОНТРОЛЯ И ДИАГНОСТИКИ
299
где п — константа, равная обычно 1,7, Отношение интенсивностей
характеристической линии и фона равно
Е°~Ек Г- (12.11)
h.c L Ек J 7
Таким образом, чем больше энергия первичного пучка, тем
выше интенсивность полезного сигнала. Большая энергия пер-
вичных пучков обеспечивает также эмиссию характеристических
рентгеновских пиков с высокой энергией. Однако при исследо-
ваниях многослойных структур, с целью предотвращения эмис-
сии вторичных рентгеновских лучей из нижних слоев, приходит-
ся использовать первичные пучки /достаточно низкой энергии.
Типичный интервал энергий первичного электронного пучка со-
ставляет 15—40 кэВ.
Пространственное разрешение рентгеновского микроанализа
(РМА) определяется объемом образца, в котором возбуждается
вторичное рентгеновское излучение. Возбуждение рентгеновских
лучей осуществляется первичными и отраженными электронами;
вторичное излучение возбуждается поэтому в объеме, Опреде-
ляемом глубиной выхода электронов (рис. 12.7). Для кремния
этот объем достаточно велик, о чем можно судить по значениям
глубины выхода электронов, представленным на рис. 12.6.
Уменьшение разрешения в плоскости, связанное с размером
облучаемого участка, не является главной проблемой при иссле-
довании топологических элементов СБИС и небольших частиц
на поверхности кремниевой пластины, если химический состав
анализируемого элемента отличается от химического состава
матрицы (т. е. областей, расположенных рядом с элементом или
под ним). Например, легко идентифицировать методом РМА
частицу золота на поверхности рентгеновского шаблона из нит-
рида бора, но обнаружить частицу, расположенную в простран-
стве шириной 1,0 мкм между двумя алюминиевыми дорожками,
если эта частица содержит алюминий, достаточно трудно.
При исследовании методом просвечивающей электронной
микроскопии тонких (~0,1 мкм) пленок разрешение в плоско-
сти определяется диаметром первичного электронного пучка; в
современных просвечивающих и растровых электронных микро-
скопах обеспечивается зондирование электронными пучками ма-
лого диаметра (менее 10 нм). На рис. 12.17, а представлено по-
лученное в просвечивающем электронном микроскопе изобра-
жение вертикального сечения тестового кристалла п-канальной
МОП-схемы, в ходе изготовления которой осуществлялась ион-
ная имплантация мышьяка в области истока и стока сквозь
тонкий слой термического окисла [31]. Верхний край темной по-
лосы соответствует верхней границе термического окисла. Рент-
геновский микроанализ этой полосы, проведенный на участке А
300
ГЛАВА 12
Кремниевая
подломка
>-----------4
0,6 мкм
а
Рис. 12.17. а — Вертикальное сечение n-канальной МОП-структуры, получен-
ное методом просвечивающей электронной микроскопии; б — спектр РМА
темной полосы шириной 30 нм (участок А на рис. а), показывающий нали-
чие мышьяка; в — спектр «фонового» участка — пик мышьяка отсутствует.
с использованием электронного зонда диаметром 10 нм, и РМА
«фонового» участка В дают спектры, показанные на рис. 12.17,6
и в соответственно. Как можно видеть, наблюдаемая полоса
представляет собой окисел, содержащий мышьяк.
Чувствительность и точность количественного анализа опре-
деляются эффективностью эмиссии вторичного рентгеновского
излучения, разделением характеристических пиков между собой
и выделением их на фоне сплошного спектра, характеристиками
детектора и другими инструментальными факторами. При обес-
МЕТОДЫ КОНТРОЛЯ И ДИАГНОСТИКИ 301
печении оптимальных значений всех этих параметров чувстви-
тельность РМА часто превышает 10-15 г при исследовании мас-
сивных образцов [30], что соответствует частице золота диамет-
ром ~10 нм или частице кремния диаметром ~95 нм. При ис-
следовании тонкой фольги, подготовленной для анализа методом
просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ), чувствитель-
ность РМА определяется соотношением [32]
Ммин= pAXj > (12.12)
где Ммин—минимальная детектируемая масса, Ра — параметр,
достоянный для данных элемента и геометрии детектора, т —
продолжительность регистрации спектра РМА, I — плотность
тока первичного электронного пучка. При использовании термо-
ионного источника электронов, характеризуемого ускоряющим
напряжением 100 кэВ и плотностью тока пучка 20 А/см2, и про-
должительности регистрации 100 с расчетное значение Ммин ДЛЯ
кремния составляет 2-Ю-20 г, что соответствует кремниевой час-
тице диаметром 2 нм.
Для проведения количественного РМА, как правило, приме-
няются эталоны. Основной проблемой, возникающей при таком
анализе, является определение коэффициента пропорционально-
сти k, который связывает высоту пика (или интегральное число
регистрируемых импульсов) Н с концентрацией С элемента i в
матрице /:
Си = киН. (12.13)
Процедуры количественного РМА, проводимого в ходе анализа
методами РЭМ и ПЭМ, детально описаны в работах [6, 30, 33].
Для проведения РМА применяются как энергодисперсион-
ные детекторы, так и детекторы, анализирующие распределение
регистрируемого излучения по длине волны. Энергодисперсион-
ные детекторы выполнены на основе литиево-кремниевых диодов,
преобразующих сигналы рентгеновских квантов в импульсы на-
пряжения. Для снижения уровня фонового шума детектор ох-
лаждается до температуры жидкого азота. Энергодисперсионный
детектор помещается в вакуумную камеру с окнами для про-
хождения рентгеновского излучения, герметизированными тон-
кими пленками бериллия или майлара (можно использовать
и другие материалы с малыми атомными числами). Энергетиче-
ское распределение импульсов напряжения соответствует распре-
делению энергий детектируемых рентгеновских квантов и либо
отображается на экране, либо поступает в ЭВМ для запомина-
ния и последующего анализа. Главные преимущества энерго-
дисперсионного детектора — возможность одновременной реги-
страции пиков в широких пределах энергетического спектра и
302
ГЛАВА 12
простота эксплуатации. Основным недостатком является погло-
щение рентгеновских квантов низких энергий материалом окон,
не позволяющее регистрировать пики, соответствующие химиче-
ским элементам с малыми атомными числами (фтор и ниже).
Другой недостаток таких детекторов — ограниченная способность
разрешения двух близко расположенных пиков. Типичная ши-
рина детектируемой линии (полуширина на полувысоте) состав-
ляет 150—170 эВ. Хотя такое энергетическое разрешение прием-
лемо для решения многих аналитических задач, в ряде случаев
оно оказывается недостаточным. Например, очень трудно с при-
менением энергодисперсионного детектора определить методом
РМА стехиометрический состав пленки силицида тантала, так
как пик Ка кремния наблюдается при энергии 1,74 кэВ, а ин-
тенсивный пик Ма тантала — при энергии 1,71 кэВ; разность
энергий соседних пиков составляет всего 31 эВ.
Анализ распределения по длинам волн осуществляется крис-
таллом-анализатором, на который направляется вторичное рент-
геновское излучение. Анализатор поворачивают относительно
падающего рентгеновского пучка до достижения максимальной
интенсивности брэгговского отражения. Результирующий сигнал
детектируется газовым пропорциональным счетчиком квантов.
Подобный анализатор способен единовременно регистрировать
только один пик, поэтому работать с ним сложнее, чем с энер-
годисперсионным детектором. Однако детектирование с приме-
нением кристалла-анализатора обеспечивает высокое энергети-
ческое разрешение (от 5 до 10 эВ) и позволяет регистрировать
химические элементы с малыми атомными числами (отсутствует
необходимость вакуумирования кристалла-анализатора, поме-
щаемого непосредственно на пути пучка вторичного рентгенов-
ского излучения).
12.3.8. Рентгеновский флюоресцентный анализ
Облучение поверхности образца рентгеновским пучком до-
статочно высокой энергии возбуждает эмиссию вторичного рент-
геновского излучения (рис. 12.12), анализ спектра которого поз-
воляет получать качественную и количественную информацию
о химическом составе вещества. Методы регистрации рентгенов-
ского спектра аналогичны методам анализа вторичного рентге-
новского излучения, возбуждаемого первичным электронным;
пучком, описание которых приведено в разд. 12.3.7.
Однако аналитические возможности методов рентгеновского»
флюоресцентного анализа (РФА) и РМА существенно различа-
ются. Применение РМА для исследования диэлектриков, напри-
мер окислов или полимеров, используемых для изготовления
корпусов микросхем, затруднительно, так как соответствующие
МЕТОДЫ КОНТРОЛЯ И ДИАГНОСТИКИ
303
образцы заряжаются (отрицательным зарядом) или разлагают-
ся в результате воздействия электронного пучка. В то же время
для анализа таких образцов можно эффективно использовать
метод РФА. Значительная ширина первичного рентгеновского
пучка делает нецелесообразным применение РФА для исследо-
вания отдельных элементов СБИС, однако этот метод полезен
для анализа участков образцов большой площади. Наконец,
при РФА вторичное характеристическое рентгеновское излуче-
ние возбуждается со значительно большего (по глубине) объема
образца по сравнению с РМА, так как рентгеновское излучение
проникает в материалы на большую глубину, чем электроны.
Это обстоятельство следует учитывать при использовании РФА
для исследования многослойных структур.
12.3.9. Рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия
Облучение поверхности образца рентгеновским пучком спо-
собно также в случае высоких энергий рентгеновских квантов
вызвать эмиссию вторичных электронов за счет возбуждения
внутренних электронных оболочек атомов (рис. 12.12). Если
энергию первичного рентгеновского пучка обозначить как Ео,
энергию связи возбуждаемого электрона — как Еь, а разность
работ выхода электронов из материалов образца и анода рент-
геновского источника — через А0, то энергия эмиттируемого
электрона (кинетическая энергия фотоэлектрона) ЕХр определя-
ется из выражения
Ехр = Е0-Еь-Ьф, (12.14)
причем А0 и Ео постоянны для данных условий эксперимента.
Электроны с различными энергиями связи обусловливают появ-
ление раздельных пиков фотоэлектронного спектра. Применение
этого явления для химического анализа облучаемой поверхно-
сти получило название рентгеновской фотоэлектронной спектро-
скопии (РФЭС), называемой также электронной спектроскопией
с целью химического анализа (ЭСХА).
Первичный рентгеновский пучок обычно возбуждается за
счет облучения электронами низких энергий анода из алюминия
или магния. Энергия квантов Ка излучения и энергетическая
ширина соответствующих характеристических линий равны для
магния 1253,9 и 0,7 эВ и для алюминия 1487,0 и 0,85 эВ. Так как
А0 составляет ~ 1 эВ, энергия фотоэлектронов, возбуждае-
мых при использовании алюминиевых и магниевых источников,
достаточно низкая и глубина выхода вторичных электронов ме-
нее 5 нм. Поэтому появляется возможность анализировать хи-
мический состав тонкого (несколько атомных монослоев) припо-
304
ГЛАВА 12
верхностного слоя, аналогично тому как это осуществляется в
методе ЭОС.
Системы детектирования и анализа вторичных электронов,
применяемые в методе РФЭС, сходны с применяемыми в методе
ЭОС. Как и в ЭОС, для исследования профилей распределения
примесей по глубине осуществляется ионное распыление по-
верхностных слоев. Разрешение по глубине для обоих методов
одинаково. Разрешение РФЭС в плоскости очень низкое, так
как диаметр первичного рентгеновского пучка составляет 1—
2 мм.
Метод РФЭС часто используется вместо метода ЭОС или как
дополнение к нему благодаря следующим преимуществам. Во-
первых, метод РФЭС обеспечивает возможность исследования
радиационно нестойких материалов, так как сечение рассеяния
процессов диссоциации и десорбции при возбуждении рентгенов-
скими квантами существенно меньше, чем при электронном воз-
буждении. Во-вторых, использование электрически нейтрального
первичного пучка значительно снижает вероятность заряда по-
верхности исследуемых диэлектриков. В-третьих, по данным
РФЭС можно получать информацию о химической связи. Энер-
гетические уровни электронов внутренних оболочек зависят от
валентного состояния и типа химической связи. Типичное энер-
гетическое разрешение пиков спектров РФЭС составляет
~0,5 эВ, и, поскольку различные типы химической связи часто
обусловливают сдвиги энергии связи на большие величины, эти
сдвиги можно детектировать с целью идентификации характера
связи [34].
12.4. ИЗУЧЕНИЕ КРИСТАЛЛОГРАФИЧЕСКОЙ СТРУКТУРЫ
И МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ
Важным элементом программ разработки полупроводнико-
вых материалов и технологий изготовления приборов является
исследование кристаллографических и механических характери-
стик пленок и подложек. Такие исследования включают опреде-
ление ориентации подложки, анализ степени преобладающей
ориентации и размеров зерен выращиваемых и осаждаемых пле-
нок, идентификацию фаз и измерение параметра кристалличе-
ской решетки, выявление аморфных областей и изучение крис-
таллографических дефектов, измерение механических напряже-
ний в пленках. Ниже рассматриваются пять методов анализа:
измерение кривизны подложек лазерным отражением (ЛО) с
целью расчета напряжений в пленках, обратное рассеяние Ре-
зерфорда (каналирование), методы рентгеновской дифракции с
использованием камер и дифрактометра, электронография на
МЕТОДЫ КОНТРОЛЯ И ДИАГНОСТИКИ
•305
просвет и просвечивающая электронная микроскопия. Данные
об эффективности применения каждого метода для решения
конкретных проблем, связанных с исследованиями структуры,
сведены в табл. 12.8.
Таблица 12.8. Эффективность применения аналитических методов для
решения проблем, связанных с исследованием структуры
Вид проблемы РД энп ОРР (каналиро- вание) ло ПЭМ
Камера Дифракто- метр
Идентификация фаз В в В он он он
Преобладающая ориен- тация в н в он он он
Параметр решетки ов в ов он он он
Наличие аморфных об- ластей в в в в он в
Расположение примес- ных атомов в решетке он он он в он он
Ориентация подложки в ов он он он н
Анализ структурных де- фектов он он он он он в
Напряжения в пленках н в н он в н
Эффективность: OB — очень высокая; В — высокая; Н — низкая; ОН — очень низкая.
12.4.1. Лазерное отражение
Рассмотрим структуру подложка — пленка. Если считать, что
толщина пленки постоянна (иными словами, напряжение в плен-
ке однородно), то напряжение в пленке на толстой подложке
определяется соотношением [35]
2? О2 /1 л 1 ci
а~ 6(1 —v) ~яГ’ (12.15)
где Е и v — соответственно модуль Юнга и коэффициент Пуас-
сона материала подложки, D и t — толщина подложки и пленки,
R. — радиус кривизны структуры. Для удобства Е считается от-
рицательным для выпуклой поверхности пластины (напряжения
сжатия в пленке) и положительным для вогнутой поверхности
(напряжения растяжения в пленке). Для кремниевой пластины
с ориентацией (100) величина Е/(1—v) составляет 107 Н/см2
[36].
20-233
306
ГЛАВА 12
Радиус кривизны 7? определяется измерением отклонения
светового луча, отражающегося от поверхности пластины при ее
перемещении на известное расстояние. В этом Методе исполь-
зуется коллимированный луч лазера, который отражается от по-
верхности образца и проецируется на экран, установленный на
расстоянии 10 м от анализируемой пластины. Пластина, осве-
щаемая лазерным лучом, перемещается по прямолинейной тра-
ектории на известное расстояние. Кривизна пластины обуслов-
ливает смещение изображения отраженного луча на экране, уве-
личенное по отношению к действительной неровности поверхно-
сти за счет размеров оптического плеча системы. Измерив пере-
мещение пластины х, соответствующий ему сдвиг изображения
отраженного луча на экране d и длину пути отраженного луча
L, можно определить радиус кривизны R:
R = 2L~. (12.16)
Минимальная регистрируемая кривизна при условии Л = 10 м,
х — 1 см и d = 0,l см соответствует радиусу 1400 м. Необработан-
ные кремниевые пластины иногда имеют не форму части сферы,
а форму седла или другую сложную форму, что затрудняет из-
мерение столь больших радиусов кривизны. Поэтому лучше все-
го определять напряжение в пленке измерением кривизны до
и после осаждения (или удаления) пленки, перемещая в обоих
случаях пластину между одними и теми же начальной и конеч-
ной точками. В этом случае кривизна, значение которой исполь-
зуется при расчете напряжений в пленке, определяется из выра-
жения
l/Rf=l/RT~l/Rs, (12.17)
где Rf, Rt и 7?з — радиусы кривизны отдельно пленки, структу-
ры и подложки соответственно.
Для определения коэффициентов теплового расширения про-
изводятся измерения радиуса кривизны пластины при разных
температурах. Напряжение в пленке а обычно представляют в
виде двух компонент: внутреннего' напряжения ст, и напряжения,
вносимого различием коэффициентов теплового расширения
пленки и подложки ст/я:
° = (12.18)
где
Е Т-2
| af)dT. (12,19)
Т1
МЕТОДЫ КОНТРОЛЯ И ДИАГНОСТИКИ
307
Ef и Vf являются соответственно модулем Юнга и коэффици-
ентом Пуассона материала пленки, a as и af— коэффициентами
теплового расширения подложки и пленки. Считая, что оба ко-
эффициента теплового расширения остаются постоянными в ин-
тервале анализируемых температур, можно записать следующее
соотношение:
= <12-20>
где Да = as—af. Зная as, можно определить af. Этот метод ока-
зался эффективным при определении коэффициентов теплового-
расширения различных силицидов [37].
12.4.2. Обратное рассеяние Резерфорда
(каналирование)
Интенсивность обратного рассеяния Резерфорда снижается
примерно в 100 раз, если направление первичного ионного пуч-
ка совпадает с кристаллографической осью с малыми индекса-
ми (параллельно кристаллографической плоскости высокой
симметрии). При соблюдении этого условия пучок «направляет-
ся» вдоль кристаллографических каналов, испытывая отраже-
ния под малыми углами в результате столкновения с ядрами
атомов кристаллической решетки, и углубляется в образец на
расстояние, в десять раз большее, чем при случайном (с разори-
ентацией относительно кристаллографической оси) положении
образца. Если угол падения первичного пучка немного отклоня-
ется от направления оптимального каналирования, интенсив-
ность ОРР резко возрастает, как показано на рис. 12.18,а. За-
висимость интенсивности рассеяния Резерфорда от энергии,,
представленная на рис. 12.18,6, иллюстрирует сильное ослабле-
ние интенсивности при соблюдении условий точного каналиро-
вания. Отношение HAjH, измеряемое при энергии, чуть меньшей
переднего края сигнала подложки (см. рис. 12.15), соотносится
с минимальной интенсивностью ОРР. Нарушения совершенства
кристаллической структуры, такие, как межузельные атомы или
линейные дефекты, приводят к повышению интенсивности ОРР
образцом, находящимся в положении каналирования. В экстре-
мальном случае аморфного слоя интенсивность рассеяния ста-
новится равной интенсивности ОРР структурно совершенным об-
разцом, установленным в случайное положение.
Для анализа распределения атомов легирующей примеси
между положениями замещения и внедрения регистрируют спект-
ры ОРР образца, установленного в положение каналирования и в
случайное положение, и сравнивают минимальные интенсивно-
сти рассеяния (НА1Н) для сигналов легирующей примеси и
2о*
308
ГЛАВА 12
кремния. Атомы легирующей примеси, находящиеся в узлах
кристаллической решетки (положение замещения), экранируют-
ся атомами кремния от каналирующего пучка ионов, поэтому от-
ношение НА1Н одинаково для кремния и примеси. Если атомы
чтримеси попадают в междоузлия (положение внедрения), то
На)Н пропорционально возрастает, и на основе степени этого
«возрастания можно определить долю примесных атомов, нахо-
дящихся в положении внедрения [23]. Обратное рассеяние Ре-
а 6
Рис. 12.18. а — трехмерное представление зависимости интенсивности ОРР от
угла наклона образца по отиошеиню к направлению каналирования; б — ти-
пичная зависимость интенсивности ОРР от энергии первичных ионов для по-
ложения каналирования и случайного положения образца [23].
зерфорда (каналирование) применялось для расчета распреде-
ления имплантированного в кремний мышьяка после различных
видов отжига [38—39].
12.4.3. Рентгеновская дифракция
Анализ углового положения и интенсивности рентгеновских
лучей, дифрагированных кристаллическим материалом, позво-
ляет получать информацию о кристаллической структуре (фазо-
вом составе) образца. Широко используются четыре разновидно-
сти рентгенодифракционных методов: определение ориентации
монокристаллических пластин обратной съемкой рентгенограмм
по Лауэ, исследование поликристаллических материалов с при-
менением камеры Рида, анализ тонких поликристаллических
пленок с применением камеры Хубера — Зеемана — Болина и
дифрактометрические исследования. Во всех рентгенодифракци-
онных методах образец устанавливается таким образом, чтобы
одно или несколько семейств кристаллографических плоско-
МЕТОДЫ КОНТРОЛЯ И ДИАГНОСТИКИ 309
стей удовлетворяло условию брэгговского отражения рентгенов-
ских Лучей:
nX = 2dsin0, (12.21)
где X — длина волны рентгеновского излучения, d — межплоско-
стное расстояние, 0 — угол Брэгга, п — целое число, определяю-
щее порядок отражения. Брэгговское отражение возникает толь-
ко при соблюдении соотношения (12.21).
Обратная съемка рентгенограмм по Лауэ применяется для
быстрого определения ориентации подложек. В этом методе
коллимированный первичный пучок «белого» рентгеновского из-
лучения (непосредственно испускаемого анодом рентгеновской
трубки) падает на подложку, установленную параллельно фото-
пленке. Первичный пучок попадает на образец, проходя через
отверстие, вырезанное в пленке. В результате дифракции «бе-
лого» излучения кристаллической решеткой возникает множест-
во дифрагированных лучей. Дифракция одновременно осущест-
вляется от большого числа кристаллографических плоскостей, в
результате чего на фотопленке регистрируется набор точек,
каждая из которых соответствует отражению от одной из кри-
сталлографических плоскостей. Характер и симметрия распреде-
ления этих точек, лежащих на гиперболах, прямо соотносятся
с кристаллографической ориентацией подложки. Рентгенограм-
мы, полученные методом обратной съемки по Лауэ, существенно
различаются для кремниевых подложек с ориентацией {100},
{111} и {НО}. Для определения ориентации подложки снятую с
нее рентгенограмму сравнивают с эталонными рентгенограмма-
ми, что ускоряет проведение анализа.
Камера Рида является разновидностью широко распростра-
ненных цилиндрических камер для рентгеноструктурного анали-
за поликристаллов, специально приспособленной для исследова-
ния тонких пленок (рис. 12.19). Камера представляет собой
цилинДр радиусом 5 см и высотой 13 см, в котором имеется
входное отверстие для рентгеновского пучка. Рентгеновская
фотопленка укладывается по внутренней стенке цилиндра. В ре-
зультате облучения образца поликристаллической пленки мо-
нохроматическим рентгеновским пучком дифрагированные лучи
располагаются по коаксиальным конусам, каждый из которых
соответствует дифракции от одного из семейств кристаллогра-
фических плоскостей. Пересечение каждого конуса с фотоплен-
кой приводит к появлению на ней кривой линии почернения
[40]. Оси конусов параллельны направлению первичного рентге-
новского пучка, а угол раствора конуса равен учетверенной ве-
личине угла Брэгга для соответствующей системы кристаллогра-
фических плоскостей. Для расшифровки рентгенограммы при-
меняется специальный шаблон, выполненный в соответствии с
310
ГЛАВА 12
геометрическими параметрами камеры, который накладывается
на проэкспонированную пленку. По нанесенной на шаблон мас-
штабной линейке определяются соответствующие каждой линии
почернения межплоскостные расстояния. Проведения идентифи-
кации межплоскостных расстояний и полуколичественной оценки
степени почернения линий обычно бывает достаточно либо для
идентификации материала по стандартным таблицам межплос-
Рис. 12.19. Схема метода рентгеноструктуриого анализа с применением ка-
меры Рида.
Монохроматический рентгеновский пучок, пройдя через отверстие в стенке камеры, па-
дает иа поверхность образца под углом а (обычно 15°). На пересечениях дифракцион-
ных конусов с фотопленкой возникают линии почернения; угол 20 равен удвоенному зна-
чению угла Брэгга.
костных расстояний, либо для определения параметров кристал-
лической решетки неизвестной фазы. Точность определения меж-
плоскостных расстояний с применением камеры Рида составляет
0,001 нм.
Два параметра камеры Рида делают ее использование для
анализа тонких пленок особенно эффективным — это малый
угол падения (при рентгеновских исследованиях углом падения
считается угол между первичным пучком и поверхностью образ-
ца) и большая площадь фотопленки. За счет малого угла паде-
ния увеличивается по сравнению с нормальным падением путь
первичного пучка в образце. Большая ширина фотопленки поз-
воляет получать информацию о наличии и степени преобладаю-
щей ориентации зерен поликристалла, проявляющейся в неодно-
родности распределения интенсивности дифракции по дифрак-
ционному конусу. Вместо сплошных линий почернения, форми-
рующихся на фотопленке при анализе образцов со случайной
МЕТОДЫ КОНТРОЛЯ И ДИАГНОСТИКИ
311
ориентацией зерен, в случае наличия преимущественной ориен-
тации регистрируются линии, состоящие из отдельных штрихов
и точек. При проведении исследований с применением камеры
Хубера — Зеемана — Болина или дифрактометра большая часть
информации о преимущественной ориентации теряется.
Камера Хубера с геометрией съемки по Зееману — Болину
позволяет проводить анализ очень тонких поликристаллических
пленок с более высокой по сравнению с камерой Рида чувстви-
При повороте образца иа угол 0 детектор перемещается по окружности на угловое
расстояние 2 0; при равенстве угла 0 углу Брэгга возникает дифракционный максимум.
тельностью. Повышение чувствительности достигается за счет
уменьшения угла падения первичного пучка до нескольких гра-
дусов, в результате чего возрастает объем образца, участвую-
щий в формировании дифракции. Образец располагается на ци-
линдрической стенке камеры и облучается сходящимся монохро-
матическим рентгеновским пучком, освещающим удлиненную
полосу на поверхности образца. Конструкция камеры обеспечи-
вает сходимость дифрагированных одним и тем же семейством
кристаллографических плоскостей на дальней и ближней (по
отношению к источнику излучения) границах образца пучков
в одной точке фотопленки.
Применение дифрактометра, геометрическая схема которого
показана на рис. 12.20, обеспечивает более точное измерение
параметров кристаллической решетки. Монохроматический рент-
геновский пучок падает на поверхность образца под углом Ф.
Осуществляется одновременное медленное вращение образца и
детектора вокруг одной оси, причем скорость вращения детек-
тора вдвое превосходит скорость вращения образца. При совпа-
дении Ф с углом Брэгга детектор регистрирует дифракционный
максимум. Определяя угловое положение детектора 2Ф, соответ-
312
ГЛАВА 12
ствующее дифракционному максимуму, идентифицируют соот-
ветствующее этому максимуму межплоскостное расстояние.
Данные обычно регистрируются однокоординатным самописцем,
по записям которого легко определить угловые положения, ин-
тенсивности и полуширины дифракционных пиков. Точность-
идентификации фазы на основе измерения параметров кристал-
лической решетки и определения параметров решетки неизвест-
ной фазы определяется точностью измерения Ф. Максимальная
точность достигается при дифрактометрических измерениях в-
окрестности угла 20 = 180° (см. рис. 12.20). Многие дифракто-
метрические исследования характеризуются точностью измере-
ния параметра решетки выше 0,001 нм.
12.4.4. Электронография на просвет
Уравнение (12.21) описывает условия возникновения дифрак-
ции как рентгеновских лучей, так и электронов. Типичная кар-
тина распределения интенсивности дифракции электронов при
просвечивании тонкопленочного образца представляет собой на-
бор концентрических колец при анализе поликристаллических
объектов (см. рис. 12.28) или точек при исследовании монокри-
сталлических образцов (рис. 12.21,а). Кольца образуются в ре-
зультате пересечения дифракционных конусов с плоскостью эк-
рана аналогично формированию дифракционных линий в выше-
описанной камере Рида. Электронограммы на просвет получают
в просвечивающих электронных микроскопах, позволяющих на-
блюдать картины микродифракции с участков диаметром менее
1 мкм. При этом можно видеть сплошные дифракционные коль-
ца для образцов с размером зерна менее 10 нм, а при возраста-
нии размера зерна возрастает прерывистость колец. В предель-
ном случае формирования электронограммы одним зерном (мо-
нокристаллом) наблюдается набор дифракционных точек. В не-
которых электронных микроскопах, например в просвечивающих
растровых электронных микроскопах (ПРЭМ), размер участка
образца, формирующего картину микродифракции, не превыша-
ет в диаметре 10 нм. При этом характер электронограммы час-
тично определяется числом, размером и формой зерен поликри-
сталла на этом участке и размером сечения первичного элек-
тронного пучка. Исследование методом электронографии на про-
свет очень малых по размеру участков целесообразно проводить
при анализе отдельных слоев СБИС, приготовленных в виде
фольги для изучения в просвечивающем электронном микро-
скопе.
При проведении исследований методом ПЭМ часто возника-
ют задачи определения структурных особенностей слоев метал-
лизации или кристаллографических включений, а также иденти-
МЕТОДЫ КОНТРОЛЯ И ДИАГНОСТИКИ
313
пучки
Включение
Окисел
поликрис-
таллического
кремния
1
Чпликрис
птлличет.
кии
кремний
I
100 нм
WilliiillilllMilliiiiilil
Рис. 12.21. Электронограммы на просвет: а — кремниевой подложки; б —
включения кремния в окисел поликристаллического кремния; в — электронно-
микроскопическое изображение слоев поликристаллического кремния, окисла
поликристаллического кремния и включения.
314
ГЛАВА 12
фикации неизвестных фаз. Эти фазы можно идентифицировать,
измеряя диаметры нескольких дифракционных колец на электро-
нограмме и рассчитывая соответствующие межплоскостные рас-
стояния с использованием картины микродифракции от извест-
ного эталона, снятой при тех же условиях. Методика идентифи-
кации фаз сходна с применяемой в рентгенодифракционных ис-
следованиях.
Рис. 12.21 иллюстрирует применение метода ЭНП для опре-
деления ориентации небольшого включения кремния. Включения
кремния часто наблюдаются в окисле, полученном термическим
окислением поликристаллического кремния. На рис. 12.21,6 по-
казана картина микродифракции включения, микрофотография
которого, полученная в просвечивающем электронном микроско-
пе, представлена на рис. 12.21, в. Электронограмма кремниевой
подложки (рис. 12.21, а) сравнивается с электронограммой вклю-
чения. По результатам сравнения определено, что включение
ориентировано вдоль оси <110>, перпендикулярной поверхности
подложки. Эта информация использована для разработки моде-
ли образования включений [41].
12.4.5. Просвечивающая электронная микроскопия
Информацию о структуре получают при помощи просвечи-
вающего электронного микроскопа посредством анализа картин
электронной дифракции (разд. 12.4.4) и анализа электронно-
микроскопического изображения (разд. 12.2.3).
12.5. ГОЛОГРАФИРОВАНИЕ
Топографирование основано на использовании электронного
луча для локализации участков структур микросхем, отличаю-
щихся электрическими свойствами. В некоторых случаях эти от-
личия могут быть измерены. Известны два метода топографиро-
вания. В первом из них анализируется влияние локального элек-
трического потенциала поверхности на энергетическое распреде-
ление вторичных электронов, возбуждаемых при облучении об-
разца электронным пучком; величина потенциала оценивается
по измерению потока вторичных электронов, регистрируемых
детектором. Этот метод, называемый методом потенциального
контраста, может быть использован для определения электриче-
ского потенциала элемента на поверхности микросхемы. Второй
метод включает индуцирование электрических зарядов в микро-
схеме за счет облучения электронным пучком и сбор образовав-
шихся зарядов с помощью конденсатора или р—n-перехода. Ло-
кальные изменения морфологии и свойств материала, электри-
МЕТОДЫ КОНТРОЛЯ И ДИАГНОСТИКИ
315
ческие поля р—n-перехоДов обусловливают локальные модуля-
ции тока наведенных зарядов. Этот метод называется растровой
электронной микроскопией в режиме наведенного тока
(РЭМНТ). Оба метода топографирования могут быть реализова-
ны при использовании растрового электронного микроскопа.
Для анализа методом РЭМНТ можно также применять просве-
чивающий электронный микроскоп.
12.5.1. Растровая электронная микроскопия
в режиме потенциального контраста
Энергетическое распределение вторичных электронов, воз-
буждаемых облучением поверхности образца электронным пуч-
ком, характеризуется наличием пика при энергии ~5 эВ
(рис. 12.5). Так как эта энергия достаточно мала, изменение
поверхностного электрического потенциала величиной порядка
1 В заметно влияет на энергетическое распределение
Рис. 12.22. Зависимость тока вторичных электронов Ise от их энергии ESe
для поверхностного потенциала Vs, равного —1, 0 и +1 В.
(рис. 12.22). На рис. 12.22 распределение вторичных электро-
нов, эмиттируемых с поверхности, которая находится под нуле-
вым потенциалом, имеет максимум при энергии 2,1 эВ. Измене-
ние поверхностного потенциала Vs на величину ± 1 В сдвигает
кривую распределения вправо или влево на соответствующий
отрезок. Такие сдвиги могут быть качественно оценены на осно-
вании анализа изображений, наблюдаемых в потенциальном
контрасте, или количественно измерены для исследования по-
верхностного потенциала методом потенциального контраста.
В большинстве растровых электронных микроскопов изобра-
жение во вторичных электронах создается экстрагирующим
316
ГЛАВА 12
электрическим полем (напряжение которого составляет несколь-
ко сотен вольт), притягивающим электроны к детектору, где
они разгоняются сильным электрическим полем до соударения
с поверхностью сцинтиллятора. Возбуждаемый в сцинтилляторе
оптический сигнал по световоду передается на вход фотоэлек-
тронного умножителя. Не все вторичные электроны достигают
сцинтиллятора. Локальные изменения потенциала на поверхно-
сти образца влияют на траектории вторичных электронов, и
сцинтиллятора достигают только те из них, энергия которых
превышает пороговое значение ~ 1 эВ. Суммарный поток элек-
тронов, достигающих детектора, и соответственно интенсивность
сигнала зависят от количества вторичных электронов с энергией
выше пороговой, которое в свою очередь определяется харак-
тером распределения поверхностного электрического потенциа-
ла, показанного на рис. 12.22. Минимальному перепаду интен-
сивности, который можно заметить на экране, соответствуют
локальные изменения поверхностного потенциала ~1В. Эту ве-
личину можно считать практическим пределом чувствительности
метода.
Чувствительность интенсивности изображения, формируемого
во вторичных электронах, к поверхностному электрическому по-
тенциалу делает возможным применение растрового электронно-
го микроскопа для обнаружения нарушения непрерывности про-
водящих элементов структур СБИС. Нарушения электрической
непрерывности легко обнаружить, прикладывая к слою металли-
зации постоянный смещающий потенциал (рис. 12.23). Смеще-
ние прикладывается с помощью скользящего механического зон-
да, располагаемого в камере образца сканирующего микроско-
па, или путем формирования постоянного контакта к входным
контактным площадкам микросхемы, помещенной в корпус.
Электрическое смещение можно прикладывать в виде им-
пульсов напряжения [42], т. е. анализируемая микросхема мо-
жет функционировать в динамическом режиме в процессе наб-
людения в растровом электронном микроскопе. При этом изо-
бражение в потенциальном контрасте получают за счет стробо-
скопических импульсов тока первичного пучка, синхронизиро-
ванных с разверткой в растр [43]. Разрешение по времени, до-
стигаемое в режиме стробоскопического потенциального конт-
раста, составляет 0,2 пс.
Анализ микросхем часто требует исследования характера
волновых форм электрических сигналов в отдельных внутрен-
них узлах цепи. Такой анализ обычно осуществляется с исполь-
зованием тонких игольчатых зондов, подводимых непосредствен-
но к дорожкам металлизации или к соответствующим контакт-
ным площадкам. По мере приближения ширины дорожек метал-
лизации к 1 мкм возрастают сложность механического ко итак-
МЕТОДЫ КОНТРОЛЯ И ДИАГНОСТИКИ
317
Рис. 12.23. а — применение микроскопии потенциального контраста для ана-
лиза дефекта металлизации прибора с зарядовой связью с использованием?
Для локализации отказа потенциала смещения 25 В; б — установление при-
чин отказа при большем увеличении (отказ произошел в области нарушения
металлизации вследствие ошибки на шаблоне).
тирования и опасность повреждения металлизации. Другая
проблема, связанная с применением механических зондов, за-
ключается во внесении паразитных емкостей в анализируемые
цепи, так как емкость самого зонда обычно превышает 0,1 пФ.
Эти проблемы разрешаются при использовании в качестве зонда
электронного луча небольшого диаметра ( — 0,1 мкм), который
не вносит паразитных емкостей и может быть легко совмещен с
самыми малыми по размеру элементами микросхем [43].
318
ГЛАВА 12
12.5.2. Растровая электронная микроскопия
в режиме наведенного тока
Электронный пучок, падающий на поверхность микросхемы,
способен индуцировать носители заряда, которые в свою оче-
редь при наличии соответствующих условий могут образовать
электрический ток, модулирующий яркость свечения электронно-
лучевой трубки растрового электронного микроскопа. Такой
режим РЭМ, называемый растровой электронной микроскопией
в режиме наведенного тока
для локализации участков
Рис. 12.24. Схемы анализа мето-
дом РЭМНТ: а) п—р (или р—
л-) -перехода, б) барьера Шоттки,
в) конденсатора. (Направление
первичного электронного пучка
обозначено как k0).
(РЭМНТ), эффективно применяется
р—n-переходов и конденсаторов,
в которых происходит отказ. На
рис. 12.24 представлены схемы
анализа методом РЭМНТ барье-
ра Шоттки, р—«-перехода и кон-
денсатора. Электрическое сме-
щение прикладывается посредст-
вом механического зонда, разме-
щенного в камере образца раст-
рового микроскопа. Ток первич-
ного электронного пучка состав-
ляет обычно 10 нА. При таком
токе получают величину энергии
первичных электронов, при кото-
рой достигается компромисс меж-
ду достаточной глубиной проник-
новения в образец для формиро-
вания максимального уровня сиг-
нала РЭМНТ и минимальными
потерями пространственного раз-
решения. Дополнительным сооб-
ражением для ограничения энер-
гии первичного пучка является
возможность радиационных пов-
реждений микросхемы, хотя воз-
никающие радиационные дефек-
ты можно отжечь (см. разд.
12.3.1). Для анализа р—«-пере-
ходов и барьеров Шоттки обычно
обеспечивают энергию пучка, до-
статочную для того, чтобы глубина проникновения электронов
•превышала толщину поверхностного электрода (или слоев).
При этом достигается максимальная генерация электронно-ды-
рочных пар в объеме пространственного заряда или под ним.
Анализ конденсаторов более сложен. Методом РЭМНТ можно
получать полезную информацию за счет генерации носителей
МЕТОДЫ КОНТРОЛЯ И ДИАГНОСТИКИ
319*
заряда в электроде, слое окисла или подложке в зависимости
от геометрии образца, приложенного смещения и энергии пер-
вичного пучка.
При использовании РЭМНТ для анализа р—«-переходов и:
барьеров Шоттки информация об участках повышенных токов
утечки и электрического пробоя может быть получена при при-
ложении нулевого или обратного смещения. Первичный пучок
индуцирует генерацию носителей заряда в кремнии, которые
диффундируют в слой пространственного заряда, где они захва-
тываются электрическим полем и участвуют в образовании им-
пульса тока. Сила тока при этом определяется соотношением
/рэмнт- (12.22>
где /0 и Ео — ток и энергия первичного пучка соответственно,.
Ebs — потери энергии вследствие отражения, Еен— энергия, не-
обходимая для создания в кремнии электронно-дырочной пары
(3,6 эВ), т] — эффективность сбора носителей заряда [45]. При
энергии первичного пучка порядка 10 кэВ и разности Ео—Ebs,
равной примерно 0,9£о>
/рэмнт//о« 2500т]. (12.23>
Поскольку в области пространственного заряда величина ц
составляет практически 1, ток сигнала может во много раз пре-
восходить ток первичного пучка.
Эффективность сбора носителей заряда снижается по мере
увеличения глубины проникновения электронного пучка в обра-
зец. Это связано как с рекомбинационными процессами, умень-
шающими время жизни неосновных носителей, так и с потерями
носителей в результате диффузии от р—n-перехода. Рекомбина-
ционные центры, расположенные на пути носителей, диффунди-
рующих в слой пространственного заряда, уменьшают локаль-
ный ток перехода и изображаются как участки пониженного-
сигнала. Рекомбинационная эффективность дефектов характе-
ризуется «мощностью дефектов», контраст изображения дефек-
та в методе РЭМНТ определяется мощностью дефекта и глуби-
ной его залегания [46].. Хотя мощность дефекта в случае дисло-
кации зависит от ориентации дислокации [47], доминирующим
параметром, определяющим мощность дефекта, является коли-
чество атомов примеси, декорирующей кристаллографический
Дефект [48, 49].
На рис. 12.25, а и в представлены две полученные в интерфе-
ренционном контрасте по Номарски оптические микрофотографии
Дефектов упаковки эпитаксиальных слоев на кремниевых под-
ложках двух различных ориентаций, а на рис. 12.25, б и г — со-
320
(ГЛАВА 12
ответствующие изображения, полученные методом РЭМНТ; для
сбора носителей заряда использовались барьеры Шоттки с зо-
лотыми электродами. Наиболее интересные детали контраста
на изображениях РЭМНТ наблюдаются на границах дефектов
упаковки. Мощность двух дислокаций, расположенных в проти-
Тис. 12.25. Микрофотографии эпитаксиальных дефектов упаковки, получен-
ные в интерференционном микроскопе Номарски Для а — кремниевой струк-
туры с ориентацией {100}, в — кремниевой структуры с ориентацией {111}.
Изображения РЭМНТ, наблюдаемые на тех же участках после формирова-
ния барьеров Шоттки с золотыми электродами при энергии первичного пуч-
ка: б — 15 кэВ, г—12 кэВ. (Изображения РЭМНТ получены при потенциа-
ле смещения 0 В.)
воположных углах тетраэдрического дефекта упаковки на по-
верхности {100} (рис. 12.25,6), существенно выше мощности двух
других дислокаций. Разница мощностей дислокаций в пирами-
дальных дефектах упаковки на поверхности {111} видна по ли-
ниям сканирования на изображении РЭМНТ (рис. 12.25,г).
Анализ барьеров Шоттки и р—n-переходов методом РЭМНТ
позволяет выявлять такие несовершенства кристаллической ре-
МЕТОДЫ КОНТРОЛЯ И ДИАГНОСТИКИ
321
щетки кремния, как дефекты упаковки, дислокации, области
сегрегации неоднородностей, образовавшиеся в процессе выра-
щивания кристалла. За исключением случая исследования де-
фектов появившихся в процессе изготовления р—п-переходов,
для проведения анализа дефектов методом РЭМНТ лучше фор-
мировать барьеры Шоттки, поскольку их изготавливать легче,
50,0 мкм
Рис. 12.26. а — изображение РЭМНТ конденсатора; б—изображение РЭМНТ
барьера Шоттки, сформированного на том же участке. Аналогичные сигна-
лы РЭМНТ в одних и тех же точках (например, точки 1—4) свидетельству-
ют о том, что дефекты расположены в кремниевой подложке.
чем р—«-переходы. Для получения барьеров Шоттки на крем-
ниевых подложках р- и я-типа используются соответственно тон-
кие пленки золота и алюминия.
Методом РЭМНТ можно анализировать пространственное
расположение дефектов, приводящих к повышению токов утечки
и пробою конденсаторов [50]. В этом случае ток РЭМ'НТ опре-
деляется четырьмя механизмами: эмиссией вторичных электро-
нов из электрода или подложки через границу раздела с диэлек-
триком, генерацией носителей тока в слое диэлектрика, тунне-
лированием электронов через границу раздела и токами смеще-
ния, индуцируемыми в слое объемного заряда. Механизм тунне-
21-233
322
'ГЛАВА 12
лирования начинает сказываться при высокой напряженности
поля смещения и очень малой толщине диэлектрика. С помощью
РЭМНТ выявляют дефекты в тонких слоях диэлектриков, про-
являющиеся локальными повышениями туннелирования вслед-
ствие создания в этих участках повышенной напряженности по-
ля [51]. Во всех случаях дефекты обусловливают локальные
изменения тока, что вызывает изменения контраста изображе-
ния.
Механизм тока смещения проявляется только в конденсато-
рах, находящихся под обратным или очень малым прямым сме-
щением. На рис. 12.26, а показано изображение конденсатора,
полученное при энергии первичных электронов 8 кэВ и смеще-
нии ~0 В. Толщина слоя окисла конденсатора составляет 25 нм,
а электрода из легированного фосфором поликристаллического
кремния—100 нм. Белые пятна на черном фоне, присутствую-
щие на изображении РЭМНТ, соответствуют нескомпенсирован-
ным токам смещения в зонах расположения дефектов [52]. Пос-
ле удаления электрода и окисла и осаждения тонкой алюминие-
вой пленки с целью формирования барьера Шоттки получено
изображение РЭМНТ того же участка, из которого видно, что
наблюдавшиеся дефекты расположены в подложке (рис. 12.26, б).
Последующий анализ методом ПЭМ показал, что эти дефекты
представляют собой сильно декорированные дефекты упаковки
[52].
12.6. ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ
Описанные в данной главе методы эффективны при реше-
нии проблем, возникающих по мере развития технологии СБИС.
В будущем, несомненно, наряду с повышением аналитических
возможностей известных методов будут разработаны новые ме-
тоды контроля и диагностики.
В настоящее время уже выпускают растровые электронные
микроскопы, в камере которых можно размещать подложки
диаметром 125 мм и более. Ожидается выпуск растровых мик-
роскопов, обеспечивающих возможность исследования всей пло-
щади подложек большого диаметра с осуществлением наклонов
образца для повышения разрешения. В перспективе РЭМ долж-
на стать эффективным методом решения многих проблем тех-
нологии СБИС.
По мере совершенствования способов приготовления образ-
цов для исследования методом ПЭМ и расширения использова-
ния тестовых кристаллов для ПЭМ этот метод станет неотъем-
лемой частью программы развития технологии СБИС. Соответ-
ственно будет расширяться и применение РМА. Следует ожи-
МЕТОДЫ КОНТРОЛЯ И ДИАГНОСТИКИ
323
дать также расширенного применения метода РЭМНТ, так как
осуществляемая при помощи этого метода пространственная ло-
кализация электрически активных дефектов повышает эффек-
тивность последующего анализа методом ПЭМ.
Главными направлениями развития методов ЭОС, РФЭС и
МСВИ станут оптимизация характеристик и расширение ис-
пользования эталонов с целью повышения возможности прове-
дения количественного анализа. В настоящее время делают
лишь первые попытки по использованию этих методов для ре-
шения проблем технологии СБИС.
Развитие методов электрического топографирования будет
заключаться в расширении использования электронных пучков
для анализа волновых форм сигналов и получения изображений
в потенциальном контрасте. Можно ожидать, что усовершенст-
вование этих качественно новых методов диагностики и контро-
ля микросхем будет происходить в направлении дальнейшей ав-
томатизации, повышения производительности и объективности
результатов анализа.
ЗАДАЧИ
12.1. Определите стехиометрический состав силицида танта-
ла по данным ЭОС, представленным на рис. 12.13. Используй-
те следующие значения коэффициентов пропорциональности а:
аТа = 1,00, aSi = 0,37.
12.2. Кристалл микросхемы исследуется в растровом элек-
тронном микроскопе при угле наклона 0°, т. е. поверхность об-
разца перпендикулярна первичному электронному пучку. При-
мите, что ток вторичных электронов, поступающих в детектор
от наклонной стенки дорожки поликристаллического кремния
толщиной 30 нм, составляет 75% тока вторичных электронов,
приходящих от поверхности дорожки (т. е. /a, = 0,75/s). Опреде-
ляя контраст С как С= (Is—Iw) jls и используя данные табл. 4.5
из работы [6], рассчитайте минимальный наклон стенки (Ф на
рис. 12.27), который можно выявить; наклон вертикальной стен-
ки равен 90°.
12.3. Пленка тантала толщиной 240 нм осаждена на окислен-
ную поверхность кремниевой пластины с ориентацией {100}.
Примите, что полная потеря адгезии металлической пленки к
подложке происходит в течение недели, если напряжения в
пленке превышают 8-Ю4 Н/см2. При измерении напряжений в
пленке методом лазерного отражения луч лазера отклонился на
1,30 см при перемещении пластины на 4,0 см. До осаждения
тантала в аналогичном эксперименте не зарегистрировано от-
клонения отраженного луча при перемещении пластины. Толщи-
21-
324
ГЛАВА 1?
на пластины 510 мкм, длина L [см. соотношение (12.16)] равна
10 м. Произойдет ли потеря адгезии?
12.4. Рассчитайте толщину алюминиевой пленки по данным
ОРР, представленным на рис. 12.15. Граничные значения энер-
гий для определения \Е следует выбирать в точках (на перед-
нем и заднем краях пика алюминия), где интенсивность обрат-
ного рассеяния ионов уменьшается до половины максимального
значения (заметим, что масштаб по оси ординат логарифмиче-
>80нм
/ Дорожка К ]
поликристаллического
кремнии
Рис. 12.27.
ский). Используйте следующие данные: [е]д1 = 7,68- 10~иэВ-см2,
Мм=6,02-1022 см~3.
12.5. Определите концентрацию платины в титановой пленке
по данным ОРР, представленным на рис. 12.15. Поскольку фо-
новая интенсивность ОРР достаточно высока, ее следует вы-
честь из интенсивности рассеяния ионов платины. Используйте
следующие данные: [e]pt = 230,7-10—15 эВ-см2; [е]т1=144,6«
• 10~15 эВ-см2.
12.6. Кремниевая пластина покрыта окислом толщиной
30 нм. На окисел осаждены электроды из проводящего (легиро-
ванного) поликристаллического кремния диаметром 500 мкм.
Толщина слоя поликристаллического кремния 200 нм. В одном
из этих конденсаторов (структура поликристаллический крем-
ний— окисел — кремний) обнаружен большой ток утечки. Мето-
дом РЭМНТ утечка локализована в области диаметром 1 мкм
рядом с центром конденсатора. Исследованием методом РЭМ не
обнаружено наличия текстуры ни в области утечки, ни в других
участках конденсатора. Из конденсаторной структуры вырезано
МЕТОДЫ КОНТРОЛЯ И ДИАГНОСТИКИ
325
тонкое горизонтальное сечение для анализа методом ПЭМ с
целью идентификации дефекта, являющегося причиной повы-
шенной утечки (фольга вырезана параллельно поверхности
пластины). Предполагается, что размер дефекта менее 50 нм.
Разработайте способ маркировки положения области повышен-
ной утечки, локализованной методом РЭМНТ, чтобы центр этой
области можно было идентифицировать при исследовании фоль-
ги методом ПЭМ.
12.7. Электронограмма на просвет, представленная на
рис. 12.28, снята с тонкой фольги, содержащей смесь золота с
неизвестной фазой. Золото представлено в виде крупнозернисто-
го поликристалла, обусловливающего появление на электроно-
грамме «пятнистых», или текстурированных, колец; оставшие-
ся кольца представляют неизвестную фазу. Считая, что первые
три дифракционных кольца золота (начиная с кольца наимень-
шего диаметра) соответствуют дифракции от плоскостей кри-
сталлической решетки {111}, {200} и {220} соответственно, опре-
делите постоянную камеры и идентифицируйте неизвестную
фазу. Постоянная камеры RL определяется из выражения
RL — rd,
где г—радиус дифракционного кольца, d—межплоскостное
расстояние, соответствующее этому кольцу. Неизвестная фаза
может быть кремнием, алюминием или палладием. Используй-
те таблицу межплоскостных расстояний из любого справочника
по кристаллографии.
ЛИТЕРАТУРА
1. Nomarski G., Weill A. R., Application a la Metallographie des Methodes in-
terferentielles a Deaux Ondes Polarisees, Rev. Metall., 52, 121 (1955).
2. Miller D. C., Rozgonyi G. A., Defect Characterization by Etching, Optical
Microscopy and X-Ray Topography, S. P. Keller, Ed., Handbook on Semi-
conductors., North-Holland, N6w York, 1980, p. 217.
3. Everhart T. E., Hoff P. H., Determination of Kilovolt Energy Dissipation
vs. Penetration Distance in Solid Materials, J. Appl. Phys., 42, 5837 (1971).
4. Joshi A., Davis I. E., Palmberg P. W., Auger Electron Spectroscopy,
A. W. Czanderna, Ed., Methods of Surface Analysis, Elsevier, New York,
1975, p. 164. [Имеется перевод: Методы анализа поверхностей. Под ред.
А. Зандерны. Пер. с англ, под ред. В. В. Кораблева н Н. Н. Петрова. М.:
Мир, 1979.]
5. Everhart Т. Е., Wells О. С., Oatley С. W., Factors Affecting Contrast and
Resolution in the Scanning Electron Microscope, J. Electron. Control, 7, 97
(1959).
6. Goldstein J. I., Newbury D. E., Echlin P., Joy D. C., Fiory C., Lifshin P.,
Scanning Electron Microscopy and X-ray Microanalysis, Plenum, New York,
1981. [Имеется перевод: Гоулдстейн Дж., Ньюберн Д., Эчлин П. Растровая
электронная микроскопия и рентгеновский микроанализ. В 2-х кн. Пер. с
англ, под ред. В. И. Петрова. М.: Мир, 1984.]
326
ГЛАВА 12
7. McKay К. G., Secondary Electron Emission, Adv. Electron, 1, 65 (1948).
8. Thornton P. R., Scanning Electron Microscopy, Chapman and Hall, London,
1968, p. 105.
9. Aitken J. M., 1 — pm MOSFET VLSI Technology: Part VIII. Radiation
Effects, IEEE Trans. Electron Devices, ED-26, 372 (1979).
10. Welter L. M., Coaies V. J., High Resolution Scanning Electron Microscopy
at Low Accelerating Voltages, O. Johary, Ed., Scanning Electron Micro-
scopy/1974, IITRI, Chicago, 1974, p. 59.
11. Thomas G., Electron Microscopy at High Voltages, Philos. Mag., 17, 1097
(1968).
12. Marcus R. B., Sheng T. T., Transmission Electron Microscopy of Silicon
VLSI Devices and Structures, Wiley, New York, 1983.
13. Oblak J. M., Rear В. H., Analysis of Microstructures in Nickel-Base Alloys:
Implications for Strength and Alloy Design, G. Thomas, R. M. Fulrath,
R. M. Fisher, Eds., Electron Microscopy and Structure of Materials, Uni-
versity of California Press, Berkeley, 1972, p. 566.
14. Sheng T. T., Marcus R. B., Advances in Transmission Electron Microscope
Techniques Applied to Device Failure Analysis, J. Electrochem. Soc., 127,
737 (1980).
15. Chang С. C., Analytical Auger Electron Spectroscopy, P. F. Kane,
G. B. Larrabee, Eds., Characterization of Solid Surfaces, Plenum, New York,
1974, Chap. 20.
16. Morabito J. M., A First-Order Approximation to Quantitative Auger Ana-
lysis in the Range 100—1000 eV Using the CMA Analyzer, Surf. Sci., 49,
318 (1975).
17. Penn D. R., Electron Attenuation Lengths for Free-Electron-Like Metals,
J. Vac. Sci. Technol., 13, 221 (1976).
18. Chang С. C., Bell Laboratories, неопубликованные данные.
19. Chang С. C., Bouiin D. M., Oxide Thickness Measurements up to 120 A
on Silicon and Aluminium Using the Chemical Shifted Auger Spectra, Surf.
Sci., 69, 385 (1977).
20. Kruger P., Principles of Activation Analysis, Wiley, New York, 1971,
pp. 44—47.
21. Murarka S. P„ Bell Laboratories, неопубликованные данные.
22. Murarka S. P., A Study of the Phosphorus Gettering of Gold in Silicon
by Use of Neutron Activation Analysis, J. Electrochem. Soc., 123, 765 (1976).
23. Chu Wei Kan, Mayer J. W., Nicolet Marc-A., Backscattering Spectroscopy,
Academic, New York, 1978.
24. Schutz R., Bell Laboratories, неопубликованные данные.
25. Mezey G., Kotai E., Nagy T., Lohner L., Manuba A., Gyulai J., De-
line V. R., Evans C. A., Jr., Blattner R. J., A Comparison of Techniques
for Depth Profiling Oxygen in Silicon, Nucl. Instrum. Methods, 167, 279
(1979).
26. Williams P., Lewis R. K-, Evans Ch. A., Jr., Hanley P. R., Evaluation of
a Cesium Primary Ion Source on an Ion Microprobe Mass Spectrometer,
Anal. Chem., 49, 1399 (1977).
27. McHugh J. A., Secondary Ion Mass Spectrometry, A. W. Czanderna, Ed.,
Methods of Surface Analysis, Elsevier, New York, 1975, p. 223. [Имеется
перевод: Методы анализа поверхностей. Под ред. А. Зандерны. Пер. с
англ, под ред. В. В. Кораблева н Н. Н. Петрова. М.: Мир, 1979.]
28. Deline V., Evans Ch., Associates, San Mateo, California, частное сообщение.
29. Kramers H. A., Ou the Theory of X-ray Absorption and of the Continuous
X-ray Spectrum, Philos. Mag., 46, 836 (1923).
30. Berlin E. P., Principles and Practice of X-ray Spectrometric Analysis, Ple-
num, New York, 1970. p. 27.
31. Kinsbron E. K., Fichtner W., Sheng T. T., Marcus R. B., Bell Laboratories,
будет опубликовано.
МЕТОДЫ КОНТРОЛЯ И ДИАГНОСТИКИ
327
32. Joy D. С., Maher D. М., Sensitivity Limits for Thin Specimen X-ray Analy-
sis, O. Johari, Ed., Scanning Electron Microscopy/1977, IITRI, Chicago^
1977, Vol. 1, p. 325.
33. Goldstein J. I., Principles of Thin Film X-ray Microanalysis, J. J. Hren,
J. I. Goldstein, D. C. Joy, Eds., Introduction to Analytical Electron Micro-
scopy, Plenum, New York, 1979, Chap. 3.
34. Brundle C. R., Baker A. D., Electron Spectroscopy, Academic, New York,
1977, Vols. 1—4.
35. Hoffman R. W., The Mechanical Properties of Thin Condensed Films,
G. Haas and R. E. Thun, Eds., Physics of Thin Films, Academic, New York,
1966, Vol. 3, p. 211. [Имеется перевод: Физика тонких пленок. Современ-
ное состояние исследований и технические применения. Сб. ст. под ред.
Г. Хасса н Р. Туна. Пер. с англ, под ред. М. И. Елинсона, В. Б. Сандомир-
ского. М.: Мнр, 1967.]
36. Brantley W. A., Calculated Elastic Constants for Stress Problems Associa-
ted with Semiconductor Devices, J. Appl. Phys., 44. 534 (1973).
37. Retajczyk T. F. Sinha A. K., Elastic Stiffness and Thermal Expansion
Coefficients of Various Refractory Silicides and Silicon Nitride Films, Thin
Solid Films, 70, 241 (1980).
38. Christodoulides С. E., Baragiola R. A., Chivers D., Grant W. A., Willi-
ams J. S., The Recrystallization of Ion Implanted Silicon Layers, II. Im-
plant Species Effect, Radiat. Eff., 36, 73 (1978).
39. Beanland D. G., Williams J. S., The Damage Dependence of the Epitaxial
Regrowth Rate during the Anealing of Amorphous Silicon Formed by Ion
Implantation, Radiat. Eff., 36, 15 (1978).
40. Cullity B. D., Elements of X-ray Diffraction, Addison-Wesley, Reading,
Mass., 1978, pp. 96—99.
41. Marcus R. B., Sheng T. T., Lin P., Polysilicon/SiO2 Interface Microtexture
and Dielectric Breakdown, J. Electrochem. Soc., 129, 1282 (1982).
42. Rodman J. K., Boyd J. T., Examination of CCD, Using Voltage Contrast
with a Scanning Electron Microscope, Solid State Electron, 23, 1029 (1980).
43. Fazekas P.. Feuerbaum H.-Р., 'Wolfgang E., Scanning Electron Beam Pro-
bes VLSI Chips, Electron., 54, 14, July 14, 1981, p. 105.
44. Hoskowa T., Fujioka H., Ura K., Generation and Measurement of Subpico-
second Electron Beam Pulses, Rev. Sci. Instrum., 49, 624 (1978).
45. Leamy H. J., Kimmerling L. C., Ferris S. D., Silicon Single Crystal Cha-
racterization by SEM, O. Johari, Ed., Scanning Electron Microscopy/1976,
IITRI, Chicago, 1976, Vol. 2, p. 529.
46. Donolato C., Contrast Formation in SEM Charge-Collection Images of Se-
miconductor Defects, O. Johari, Ed., Scanning Electron Microscopy/1979,
IITRI, Chicago, 1979, Vol. 2, p. 257.
47. Kittier M., Seifert W., On the Characterization of Individual Defect in Si-
licon by EBIC, Crystal Res. Technol., 16, 157 (1981).
48. Marcus R. B., Robinson M., Sheng T. T., Haszko S. E., Murarka S. P.,
Electrical Activity of Epitaxial Stacking Faults, J. Electrochem. Soc., 124,
425 (1977).
49. Blumtritt H., Gleichmann R. Heydenreich J., Johansen H., Combined Scan-
ning (EBIC) and Transmission Electron Microscopic Investigations of Dis-
locations in Semiconductors, Phys. Status Solidi, A, 55, 611 (1979).
50. Bottoms W. R., Roitman P., Guterman D. C., Electron Beam Imaging of
the Semiconductor-Insulator Interface, CRC Critical Reviews in Solid State
Sciences, 5, 297 (1975).
51. Lin P„ Leamy H., Appl. Phys. Lett., будет опубликовано.
52. Lin P. S. D., Marcus R. B., Sheng T. T., Gate Oxide Leakage and Break-
down Caused by Oxidation Induced Decorated Stacking Faults, J. Electro-
chem. Soc., будет опубликовано.
13
МЕТОДЫ СБОРКИ И ГЕРМЕТИЗАЦИЯ
СТЕЙДЕЛ К.1’
13.1. ВВЕДЕНИЕ
Герметизация интегральных схем включает в себя операции
сборки на кремниевом кристалле (такие, как монтаж кристал-
ла и выполнение проволочных соединений), технологические
операции по изготовлению корпусов, в которые заключают кри-
сталлы, и измерение рабочих характеристик корпусов. Особен-
ности сборки и герметизации обычно определяются предпола-
гаемой стоимостью и рабочими характеристиками герметизируе-
мых приборов. Во многих случаях герметизация может значи-
тельно влиять на общую стоимость, рабочие характеристики и
надежность герметизированных ИС. В связи с этим процесс
герметизации в настоящее время привлекает все более прис-
тальное внимание как поставщиков герметизированных прибо-
ров, так и проектировщиков систем.
Быстрое увеличение числа элементов на кристалле ИС и
улучшение рабочих характеристик этих элементов создают ос-
новные трудности для проектировщиков корпусов. Расширение
функциональных возможностей кремниевых ИС, естественно,
приводит к повышению числа входов — выходов на кристалле, и
следовательно, к возрастанию числа выводов корпуса. Для
кристаллов с повышенным числом входов — выходов требуются
корпусы большего размера, которые часто рассеивают значи-
тельное количество тепла. Как размер корпуса, так и рассеяние
тепла должны рассматриваться с точки зрения сохранения опре-
деленного соотношения между стоимостью отдельного прибора
и стоимостью системы. Поскольку стоимость межкомпонентных
соединений системы повышается на каждом, более высоком
уровне интеграции, и к герметизации должны предъявляться
более высокие требования (рис. 13.1) <[1]. Несмотря на то что
стоимость обработки кремния на единицу площади кристалла
высока, плотность межкомпонентных соединений в СБИС на-
столько выше плотности соединений на других уровнях интегра-
ции, что кремниевые СБИС имеют самую низкую стоимость на
° Steidel С. A., Bell Laboratories, Allentown, Pennsylvania.
МЕТОДЫ СБОРКИ И ГЕРМЕТИЗАЦИЯ
329
единицу межкомпонентных соединений на кристалле. Основной
тенденцией совершенствования процесса герметизации является
объединение как можно большего числа межкомпонентных со-
единений на кристалле, а затем в корпусе (например, гибрид-
ные ИС).
В этой главе обсуждаются все перечисленные выше аспекты
герметизации. Особое внимание уделено методам герметизации
103
10г
70'
70°
101
10~1 10° Ю1 102 Ю3 Ю4 105.
Плотность межкомпонентных соединений, см~2
Рис. 13.1. Относительная стоимость межкомпонентных соединений для жест-
кой платы с двусторонним монтажом, многослойной платы с печатным мон-
тажом, керамической гибридной схемы, матрицы вентилей и заказных ИС
на основе кремния [1].
отдельного кристалла. Кроме того, рассмотрены тепловые и
электрические характеристики герметизированных приборов и
проблемы выполнения межкомпонентных соединений, связанные
с использованием отдельного герметизированного кристалла в
системе, особенно в платах с печатным монтажом.
13.2. РАЗДЕЛЕНИЕ ПЛАСТИН И ИХ СОРТИРОВКА
Кремниевые пластины могут быть разделены на отдельные
кристаллы различными способами, которые предусматривают
скрайбирование поверхности кремния, разламывание пластины
на отдельные кристаллы, если скрайбирование не проникает на
всю толщину пластины, и сортировку электрически годных от-
дельных кристаллов в форме, пригодной для следующей стадии
сборки.
Частичное скрайбирование может быть выполнено импульс-
ным лазерным лучом, скрайбирующим инструментом с алмаз-
330
ГЛАВА 13
ным наконечником и полотном пилы с алмазной кромкой. Ал-
мазный пропил предпочтительнее для частичного скрайбирова-
ния и полного разделения пластины, так как обеспечивает по-
лучение более ровного края со значительно меньшими сколами
и трещинами.
Процесс сортировки зависит от того, должен ли кристалл
удаляться из матрицы разделенной пластины перед выполнени-
ем межкомпонентных соединений [3] или во время подсоедине-
ния к контактным площадкам кристалла (монтаж с одновремен-
ной сортировкой из матрицы).
13.3. МОНТАЖ КРИСТАЛЛОВ
Монтаж кристаллов состоит из двух стадий. На первой ста-
дии кристалл обратной стороной механически прикрепляют к
соответствующему основанию. Это прикрепление иногда позво-
ляет создать электрические контакты к обратной стороне кри-
сталла. Двумя основными методами монтажа кристалла явля-
ется соединение его с корпусом твердыми припоями или эвтек-
тикой и полимерами. На второй стадии контактные площадки со
схемной стороны кристалла электрически соединяются с выво-
4ктивная
сторона _
схемы |7\________.!__________,
Кристалл (Si)
SZ” / / /7"^ / /77
Подложка (металлическая
или керамическая)
1
^Металлизация
кристалла
z Металлизация
, подложки
Рис. 13.2. Структура кремниевого кристалла, соединенного металлическим
припоем с подложкой.
дами корпуса. Существуют три метода подсоединения к контакт-
ным площадкам кристалла: проволочное соединение, автомати-
зированное соединение на ленточном носителе и соединение ме-
тодом перевернутого кристалла.
13.3.1. Соединение кристалла эвтектикой1’
На рис. 13.2 показана схема соединения кристалла эвтекти-
кой [6]. При таком способе соединения кристалл металлурги-
чески прикрепляется к материалу подложки [6] (обычно ме-
> Этот процесс является по существу пайкой, где в качестве припоя
используют эвтектические сплавы, содержащие кремний. — Прим. ред.
МЕТОДЫ СБОРКИ И ГЕРМЕТИЗАЦИЯ
331
таллической выводной рамке, изготовленной из Си или сплава
Fe—Ni, либо керамической подложке, состоящей из 90—99,5%
АЬОз). Для обеспечения смачиваемости обратной поверхности
кристалла расплавом материала таблетки, которая представля-
ет собой тонкую пластину (обычно толщиной <0,05 мм) из со-
ответствующего припоя, на обратной стороне кристалла часто
создают слой металлизации [7]. Материал подложки обычно
металлизируют слоем Ag (выводная рамка) или Au (выводная
Таблица 13.1. Состав и точка плавления материалов
припоя, используемого для соединения
кристалла и подложки [5]
Состав Температура, CC
ликвидуса солидуса
80% Au 20% Sn 280 280
92,5% Pb 2,5% Ag 5% In 300
97,5% Pb 1,5% Ag 1% Sn 309 309
95% Pb 5% Sn 314 310
88% Au 12% Ge 356 356
98% Au 2% Si 800 370
100% Au 1063 1063
рамка или керамическая подложка). В табл. 13.1 приведены
состав и точка плавления материалов таблеток припоя [5].
Присоединение кристалла припоем к герметизированному
корпусу из тугоплавкой керамики или к выводной рамке Ni—Fe
обычно производится таблеткой из припоя состава Au или Au —
2% Si. В обоих случаях разница значений коэффициентов рас-
ширения между кремнием и подложкой относительно невелика
(табл. 13.2) [6—10]. Кроме того, в обоих случаях при механи-
ческой отмывке соединяемых поверхностей и температуре соеди-
нения выше 370 °C (температура плавления эвтектики) мате-
риал таблетки реагирует с кремнием. При этом образуется
структура эвтектического состава Au+3,6% Si, которая затем
обогащается кремнием”. Поскольку в составе сложной структу-
ры увеличивается содержание кремния, он затвердевает с об-
разованием соединения кристалла. Во многих случаях для сов-
!> Происходит контактное плавление с взаимодействием сплава припоя
(Ац-|-2% Si) с кремнием; при этом образуется тонкая пленка жидкой фазы
эвтектического состава (Аи+31 ат % Si) или (Au-j-6% Si), которая при
обогащении кремнием переходит в твердо — жидкое состояние, прочно за-
крепляющее кристалл в корпусе. — Прим. ред.
332
ГЛАВА 13
Таблица 13.2. Термический коэффициент линейного расширения (ТКЛР),
модуль упругости и теплопроводность материалов, используемых при
герметизации [6—10]
Материал ТКЛР а, ХЮ6, °C-1 Модуль упругости Е, ГПа Теплопро- водность k, Вт/см-°С Применение
90—99% А12О3 6,5 262 0,17 Подложка
Окись бериллия 8,5 345 2,18 Подложка
(ВеО)
Обычные сплавы Си 16,3—18,3 119 2,64 Выводная рамка
Сплавы Ni—Fe 4,14 147 0,15 Выводная рамка
(сплав 42)
Аи —20% Sn 15,93 59,2 0,57 Припой для соедине- ния кристалла с под- ложкой и герметиза- ции крышки
Аи —3% Si 12,33 83,0 0,27 Припой для соедине- ния кристалла с под- ложкой
Pb —5% Sn 29 7,4 0,63 Припой для соедине- ния кристалла с под- ложкой методом пе- ревернутого кристал- ла
Кремний 2,6 13,03 1,47 ИС
Аи 14,3 78 3,45 Проволочные соеди- нения схемы
Эпоксидная смола с серебряным наполни- телем 53 3,5 0,008 Клей для соединения кристалла с подлож- кой
Эпоксидная смола 22 13,8 0,007 Формовочная смесь
(наполнитель — плав- леный кварц)
местимости с другими стадиями процесса необходимы более
низкая температура процесса соединения или более вязкий при-
пой [6].
13.3.2. Соединение кристалла полимерным клеем
В работах [9, 11, 12] дан обзор химических и физических
свойств полимерных клеев для герметизации крышки корпуса
и монтажа кристалла. В качестве материала для соединения
кристалла в настоящее время значительный интерес представ-
ляет эпоксидный клей с серебряным наполнителем, хотя растет
МЕТОДЫ СБОРКИ И ГЕРМЕТИЗАЦИЯ 333
интерес и к полиимидным клеям из-за их способности противо-
стоять более высоким рабочим температурам по сравнению с
эпоксидными клеями. Серебряный наполнитель делает эти ма-
териалы как электропроводными для обеспечения низкого со-
противления между кристаллом и подложкой, так и теплопро-
водными, в результате чего существует хороший теплоотвод от
кристалла к основанию корпуса.
Для соединения кристалла используют эпоксидные клеи, так
как по сравнению с твердыми припоями с высоким содержани-
ем золота они имеют меньший термический коэффициент линей-
ного расширения, являются гибкими и мягкими и позволяют ав-
томатизировать процесс соединения. Например, при производ-
стве пластмассовых плоских корпусов с двухрядным располо-
жением вертикальных выводов эпоксидный клей может быть
быстро нанесен на поверхность кристалла, а кристалл помещен
в корпус с помощью высокоскоростной установки сборки без
отмывки. Тем не менее при монтаже кристалла эпоксидными
клеями необходимо проведение металлизации кристалла и под-
ложки. Поскольку эпоксидные клеи являются термореактивны-
ми материалами (полимеризуются при нагревании), они долж-
ны быть подвергнуты термообработке при определенной темпе-
ратуре для завершения процесса монтажа кристалла. Обычная
температура термообработки лежит в диапазоне 125—175°C.
В табл. 13.2 указаны некоторые свойства типичного эпоксидного
клея с серебряным наполнителем.
Вообще качество соединения кристалла эпоксидными клея-
ми такое же или даже выше, чем при соединении металлически-
ми припоями, за исключением применения в особо жестких ре-
жимах функционирования (при высоких температурах, большом
токе через соединение кристалла или при предъявлении повы-
шенных требований к тепловым характеристикам) либо в при-
борах с очень высокой поверхностной чувствительностью.
13.3.3. Соединение проволокой
Соединение проволокой является наиболее важным способом
монтажа кремниевых ИС. На рис. 13.3 показана последователь-
ность сборки с использованием такого вида соединения. Соеди-
нение проволокой всегда выполняется после того, как ИС от-
сортированы из разделенной на кристаллы пластины, а кристалл
смонтирован в корпусе. Оно может быть выполнено золотой
проволокой методом термокомпрессии, ультразвуковым и тер-
мозвуковым методами или алюминиевой проволокой ультразву-
ковым методом.
Обычно золотую проволоку соединяют методом шарика —
клина [3], т. е. шариком на контактной площадке кристалла и
334
ГЛАВА 13
клином на подложке корпуса (рис. 13.4), тогда как алюминие-
вую проволоку — методом клина — клина. Одним из преиму-
ществ метода шарика — клина является возможность выполне-
ния соединения клином по дуге вокруг шарикового контакта
(рис. 13.4, е). Физическая форма соединений клин — клин пред-
Деталь
Последовательность конструкции
Материал операций корпуса
Рис. 13.3. Последовательность операций сборки кристаллов в пластмассовых
н керамических корпусах с использованием проволочных соединений.
полагает линейное расположение соединений, т. е. ориентация
клина на контактной площадке кристалла определяет направ-
ление расположения проволоки, оканчивающейся соединением
клином на корпусе. Универсальность метода шарика — клина
предполагает и большие возможности по автоматизации про-
цесса сборки.
Поскольку соединение однородным металлом предпочтитель-
нее, качество соединения алюминиевой проволоки с алюминие-
МЕТОДЫ СБОРКИ И ГЕРМЕТИЗАЦИЯ
335
вой контактной площадкой выше, чем соединение золотой про-
волоки с алюминием. В системе золото — алюминий происходит
образование интерметаллических соединений. Это особенно
важно в случае высокотемпературной обработки контакта при
последующих операциях, таких, как герметизация крышки
стеклом.
проволока
-Hr»- D
а
Рис. 13.4. Термозвуковая сварка золотой проволоки методом шарика —
клииа [3].
и — золотая проволока в капилляре; б — образование шарика при помещении конца
золотой проволоки в водородный факел или путем емкостного разряда; в — соединение,
выполненное путем одновременного приложения вертикальной нагрузки к шарику н
ультразвукового возбуждения материала проволоки (кристалл и подложка должны быть
отдельно нагреты до ~150°С); г — проволока согнута в петлю и присоединена клином
к корпусу под действием нагрузки и ультразвукового возбуждения; д — проволока обо-
рвана, а клинообразный капилляр готов к проведению операции п. а; е — геометрия
соединения шариком — клином, позволяющего выполнять высокоскоростной монтаж. Так
как клин может смещаться по дуге относительно шарика, то головка соединения или
плоская поверхность корпуса не должны вращаться друг относительно друга для обра-
зования соединения.
В следующих разделах будут рассмотрены процесс ультра-
звуковой сварки [14, 15], некоторые металлургические пробле-
мы, связанные с взаимодействием золота и алюминия. Несмот-
ря на широкое распространение термокомпрессионной сварки,
мы не будем подробно рассматривать ее в дальнейшем, посколь-
ку в настоящее время она заменяется на термозвуковую сварку.
Процесс ультразвуковой сварки. 'На рис. 13.5, а показано
поперечное сечение проволоки во время соединения клином.
В то время как проволока находится под нагрузкой, механиче-
336
ГЛАВА 13
Механическая
нагрузка
Подложка
Рис. 13.5. Процесс ультразвуковой сварки [15].
а — поперечное сечение проволоки во время соединения клином; б — направление вибра-
ции во время соединения; е — зависимость нормального напряжения в центре проволоки
от времени сварки; г — зависимость распределения вертикального напряжения для двух
значений времени сварки от расстояния до центра соединения; д — взаимосвязь нор-
мального напряжения aY1 в момент времени it и горизонтального напряжения, введен-
ного пульсацией аЕ, определяющих зону соединения XBs—XCt; е — те же взаимосвязи,
что и в п. й, но для более позднего момента времени. Очевиден рост зоны соединения.
ское перемещение, или вибрация, инструмента для ультразвуко-
вой сварки вызывает скачок уплотнения на алюминиевой кон-
тактной площадке (рис. 13.5,6). Распространение волнового
фронта по проволоке обусловливает образование волнистой
структуры посредством воздействия напряжения сдвига в алю-
миниевой контактной площадке перпендикулярно направлению
вибраций. До начала (или во время) движения волнового фрон-
та ультразвуковая энергия поглощается проволокой, при этом
последняя размягчается и под действием нагрузки течет, разры-
вая поверхностный окисел и оставляя незащищенной свежую
МЕТОДЫ СБОРКИ И ГЕРМЕТИЗАЦИЯ 337
поверхность проволоки и контактной площадки. Эта свежая не-
защищенная поверхность металла быстро сваривается.
Соединение образуется в тороидальной области вокруг
центра контактной площадки и проволоки внутри области вол-
нистой структуры. На рис. 13.5, в—е показана модель, иллюстри-
рующая механизм соединения. Поскольку проволока размягча-
ется и деформируется, вертикальное напряжение уменьшается
во времени. (Вертикальное напряжение уменьшается также с
увеличением расстояния от центра контакта наружу.) В то же
время вибрирующее воздействие инструмента для ультразвуко-
вой сварки вызывает появление горизонтального напряжения.
При большой величине вертикального напряжения соединения
произойти не может, так как сдержано боковое движение. При
среднем вертикальном напряжении происходит соединение, и
свариваемая область растет со временем, так как вертикальное
напряжение уменьшается (рис. 13.5, е).
Металлургическое взаимодействие золота с алюминием.
Взаимодействие золота с алюминием во время соединения золо-
той проволокой широко исследовано, особенно для процесса
термокомпрессионной сварки, где происходит значительный рост
образования интерметаллических соединений. При сварке обыч-
но обнаруживается пурпурная интерметаллическая фаза
AuqAIis1’, называемая «пурпурной чумой». Ранее считали, что эта
фаза является неустойчивой и может привести к хрупкому раз-
рушению свариваемой проволоки. Хотя до сих пор существуют
противоречивые мнения о скорости роста возможных интерме-
таллических соединений и роли ускорителей этого роста (кроме
температуры), полагают, что хрупкость соединения вызвана
объединением вакансий в полостях, известных как полости
Киркендала, вдоль линии сварки. Генерирование ваканский про-
исходит из-за разной скорости диффузии алюминия в золото и
наоборот.
Принципы проектирования. В связи с возрастанием числа
входов — выходов ИС и уменьшением размеров активных эле-
ментов ИС межкомпонентные соединения могут занимать боль-
шую часть площади кристалла. Чтобы избежать этого, эффек-
тивные размеры контактных площадок и расстояния между ни-
ми должны быть уменьшены. На рис. 13.6 показано влияние
увеличения числа выводов на плотность размещения контакт-
ных площадок на кристалле с учетом ограничений, проистекаю-
щих из условия использования минимальной дополнительной
площади кремниевого кристалла. Для кристаллов небольшого
размера с большим числом выводов эффективные расстояния
> Многие авторы считают, что соединение соответствует формуле
AuAI2. — Прим. ред.
22-233
338
ГЛАВА 13
между центрами контактных площадок должны
достигнутых в настоящее время величин 150—200
быть
мкм.
меньше
При
этом
должны быть уменьшены не только расстояния между контакт-
ными площадками, но и существующие допуски [16, 17].
13.3.4. Автоматизированное соединение
на ленточном носителе
На рис. 13.7 приведена последовательность процесса монта
жа кристалла на ленточном носителе и сборки корпуса. Авто
матизированное соединение
собой процесс, при котором
на ленточном носителе представляет
заранее
изготовленные химическим
вытравливанием медные лепестки ленты одновременно присо
единяют термокомпрессионной сваркой
или
пайкой
эвтектикой
на основе золота и олова к каждому столбику прибора на крем-
ниевом кристалле. Столбики формируют путем осаждения зо
лота на алюминиевые контактные площадки; при этом обеспе-
Рис. 13.6. Зависимость расстояния между контактными площадками от чис-
ла выводов корпуса для кристаллов разного размера. Для каждого числа
выводов корпуса расстояние между контактными площадками является ми-
нимальным размером, который можно достигнуть на каждом кристалле при
минимальном увеличении площади кристалла [16].
чивают качественную поверхность для надежного термокомп-
рессионного соединения. (Процесс создания столбиков описан
ниже.) Рис. 13.8 поясняет принцип автоматизированного соеди-
нения кристалла на ленточном носителе [4]. Следует отметить,
что одновременно с процессом соединения ведется сортировка
кристаллов (рис. 13.8, г и д). В некоторых случаях может ока-
заться предпочтительным соединение на ленте предварительно
отсортированных кристаллов. В одном из вариантов соединения
на ленточном носителе столбики вытравливают на ленте вместо
осаждения их на пластине. Ниже будут описаны такие аспекты
МЕТОДЫ СБОРКИ И ГЕРМЕТИЗАЦИЯ
339
Материал
Пластина,
снабженная
столбиками
Лента
Припой
Полимерный клей
Ма териап
конформного
покрытия
Металлическая
таблетка
Полимерная
прослойка
Формовочная
смесь
п , Деталь
последовательность конструкции
операций корпуса
Рис. 13.7. Последовательность процесса сборки корпусов с использованием
автоматизированного соединения на ленточном носителе.
ленточной технологии, как процесс термокомпрессионной свар-
ки; присоединение кристалла эвтектикой; формирование, виды и
особенности использования лент; обработка пластин, а также
сопряжение кристаллов, смонтированных на ленте, с корпусами
различных конструкций.
Процесс термокомпрессионной сварки. На рис. 13.9 схемати-
чески показан процесс термокомпрессионного соединения [18].
Присоединяемый вывод представлен в виде пластины шириной
№о и высотой Но, зажатой между двумя твердыми параллель-
ными пластинами (рис. 13.9, о). Параметрами процесса соеди-
нения являются давление, температура и время. В этой модели
22*
340
ГЛАВА 13
Нагпеваемый
инструмент
Направляющее
устройство
Лента
Кристалл
/^^777777777777777^_jy ержатель
а
Контактная
площадка
/ Проводник
Пленка
\///////\—~~~Кристалп
/77/////77^ Клей
Держатель
Нагреваемый
инструмент
(вверх) f
Столик . __________Гтм ГгтП М
(eHUS)
Нагреваемый
инструмент
(вниз) 1
Перемещение
толика
Перемещение
ленты
Рис. 13.8. Процесс соединения внутренних выводов при автоматизированном
монтаже кристалла на ленточном носителе с извлечением из матрицы кри-
сталлов. Лента, показанная на рисунке, является типом ленты, изображен-
ным на рнс. 13.10, б, которая получена лнтьем полннмнда на медную осно-
ву [4].
а — лента, совмещенная с кристаллом со столбиками; б — увеличенное изображение
лепестков ленты и кристалла после совмещения; в — внд сверху на лепестки ленты, под-
держиваемые полимерной пленкой; г — нагретый инструмент, прижимающий лепестки
ленты к столбикам контактных площадок кристалла, с помощью которого выполняется
термокомпрессионное соединение; О — нагрев для извлечения кристалла из матрицы;
е — лента н кристалл, размещенные для выполнения следующего соединения.
рассмотрен случай деформации идеально пластичного материа-
ла, т. е. имеющего конечный предел текучести и производная
напряжения по деформации которого равна нулю. Создание ка-
чественного соединения всегда сопровождается увеличением
площади поверхности, т. е. пластической деформацией сдвига.
Этот процесс описывается теорией образования линий сколь-
жения [19]. На рис. 13.9, б приведено поле линий скольжения,)
возникающих в пластине, находящейся под давлением. Методи-
ка построения поля линий скольжения включает интегрирование!
частных дифференциальных уравнений, характеризующих твер-1
дый идеально пластичный материал. Результирующие линии
скольжения представляют собой два ортогональных семейства!
кривых, направление которых в каждой точке совпадает с на4
правлением градиента деформации сдвига. Поскольку для изо-1
МЕТОДЫ СБОРКИ И ГЕРМЕТИЗАЦИЯ
341
Упругопластичная Упругая
в
Рис. 13.9. Процесс термокомпрессионной сварки [18].
а — вывод с исходной шириной Wq и высотой Hq, подвергнутый термокомпрессионной
сварке; б — образование линий скольжения в результате деформации; в — пластичная и
упругая зоны деформации в материале контакта. В упругой зоне соединение не обра-
зуется — <мертвая зона» на поверхности раздела.
тропного материала направления максимума сдвигового напря-
жения и деформации сдвига совпадают, касательная к кривой
в любой точке должна показывать направление максимальной
деформации сдвига. Граница упругой и пластичной зон совпа-
дает с одним из контуров максимального напряжения сдвига в
области упругой деформации, а именно с контуром, на котором
максимальное напряжение сдвига равно величине текучести
(рис. 13.9, в).
Область упругой деформации известна как «мертвая зона».
В этой зоне не происходит образования соединения, так как на
границе раздела соединяемых поверхностей нет пластической
деформации сдвига. Данная ситуация аналогична той, что су-
ществует при выполнении проволочного соединения, когда цент-
ральная часть проволочного вывода также не соединена с кон-
тактной площадкой. Согласно теории образования линий сколь-
342
ГЛАВА 13
жения, с увеличением отношения WqIHq меньшая часть соедине-
ния попадает в «мертвую зону».
Для соединения медной ленты, покрытой золотом, со стол-
биком из золота (W-До—2,3) необходимо создание значитель-
ной вертикальной деформации для уменьшения размеров «мерт-
вой зоны» и разрушения пленки, образованной внешними за-
грязнениями, такими, как углерод, которые всегда присутствуют
на поверхности в реальных условиях. Типичными параметрами
процесса соединения являются: температура 450—550 °C, время
0,5—2 с и давление 275—480 МПа [4].
Соединение эвтектикой. Другая методика присоединения лен-
ты к столбикам из золота предусматривает использование мед-
ной ленты, покрытой слоем олова толщиной 0,5 мкм, которая
может припаиваться эвтектикой к столбику [20]. Поскольку эв-
тектика Au—Sn образуется при температуре 280 °C, этот метод
соединения требует относительно высоких температур. Однако
при этом возможно использование меньшего давления, чем при
термокомпрессии, так как соединение образуется путем реакции
олова с золотом столбика через промежуточную жидкую фазу.
Типы лент и процесс их формирования. На рис. 13.10 схема-
тически показаны пять основных типов лент. Однослойная лента
(рис. 13.10, а) изготовлена путем нанесения рисунка с одной
стороны ленты и последующего травления. В качестве материа-
ла ленты обычно используют прокатанную отожженную медь
толщиной 33 мкм. Для улучшения качества соединения медную
ленту обычно покрывают тонким слоем золота [21 ]. Такая лен-
та идеально подходит для сборки дешевых плоских корпусов с
двухрядным расположением выводов, так как ее перфорация
вытравливается одновременно с соединительными лепестками,
что повышает точность высокопроизводительного межкомпо-
нентного соединения.
Следует отметить, что кристалл ИС должен быть снабжен
столбиками, а сама ИС не может подвергаться испытаниям пос-
ле выполнения соединения, так как лента изготовлена пол-
ностью из металла. При этом в случае большой длины соеди-
нительных лепестков последние могут оказаться очень хруп-
кими.
Двухслойная лента (рис. 13.10,6) может быть изготовлена
электролитическим осаждением меди на полиимидную пленку,
литьем полиимидной пленки на медь или нанесением полиими-
да методом трафаретной печати на медную основу. В первых
двух методах использованы процессы фотолитографии и трав-
ления полиимида. Полиимидная составляющая в двухслойной
ленте делает эту ленту более жесткой по сравнению с однослой-
ной лентой. Кроме того, двухслойная лента обеспечивает луч- :
шую локальную поддержку длинных соединительных лепестков.;
МЕТОДЫ СБОРКИ И ГЕРМЕТИЗАЦИЯ
343
Количество слоев Схема соединения
1 ^Кристалл iijiiiiiiiin: -—Металл
2 [Кристалл 1л1,,1,,w. «— Металл \— Пленка
3 '[Кристалл iiiinimjii -—Металл / „ . Пленка Клеи
1 Ч/Н/////7//// *- Металл [Кристалл^
2 Н/Н'/^//////// — Металл jKpucmg/vij Ч—Пленка
Рис. 13.10. Различные типы лент и разные конфигурации кремниевых кри-
сталлов [21].
а — однослойная лента, полученная нанесением рисунка и вытравливанием металла с
одной стороны ленты. Ленту этого типа используют при сборке дешевых плоских кор-
пусов с двухрядным расположением выводов; б — двухслойная лента, изготовленная
нанесением меди на полиимидную пленку, литьем полиимида на медную основу или
нанесением полиимндиой пленки на медную основу методом трафаретной печати. Поли-
имид повышает жесткость ленты; в — трехслойная лента, изготовленная из предвари-
тельно перфорированной полиимидиой пленки толщиной 75—125 мкм, наклеенной эпоксид-
ным клеем на медную ленту. Использование ленты этого типа позволяет проводить
испытания кристаллов ИС, поэтому она широко применяется в технологии СБИС; г —
однослойная лента со столбиками, полученная методом фотолитографии и травления
медной ленты толщиной 66 мкм с обеих сторон; д — двухслойная лента со столбиками,
упрочненная пленкой, полученная методом трафаретной печати. Применение этой ленты
в отличие от однослойной ленты со столбиками дает возможность проводить испытания
кристаллов ИС.
Трехслойную ленту (рис. 13.10, в) формируют из предвари-
тельно перфорированной полиимидиой пленки толщиной 75—
125 мкм, наклеенной эпоксидным клеем на медную основу. Кро-
ме полиимида для этой цели могут быть использованы и другие
полимеры. После выполнения соединения приборы, смонтиро-
ванные на такой ленте, могут быть подвергнуты испытаниям.
Поскольку диэлектрический слой является относительно жест-
ким, лепестки могут простираться до тестовых точек на диэлек-
трике для обеспечения проведения испытаний приборов.
На рис. 13.10,г показана однослойная лента, снабженная
столбиками. Такую ленту обычно изготавливают путем нанесе-
ния рисунка методом фотолитографии и вытравливания задан-
ной конфигурации с обеих сторон медной ленты толщиной
66 мкм. Ее преимуществом являются повышенная жесткость по
344
ГЛАВА 13
сравнению с однослойной лентой толщиной 33 мкм и возмож-
ность исключения дополнительных стадий металлизации пласти-
ны. Однако, как будет показано ниже, эта возможность не реа-
лизована полностью.
Двухслойную ленту-носитель, снабженную столбиками, из-
готавливают методом трафаретной печати (рис. 13.10, д). Крис-
Рис. 13.11. 144-контактный модуль, полученный методом автоматизированно-
го соединения на ленточном носителе, для которого предусмотрена возмож-
ность испытания кристаллов ИС.
Модуль изготовлен на основе трехслойной ленты, контакты покрыты оловом для обес-
печения эвтектического соединения с кристаллом.
таллы ИС, сформированные на этой ленте, в отличие от одно-
слойной ленты со столбиками могут быть подвергнуты испыта-
ниям.
Как двух-, так и трехслойная лента может быть широко ис-
пользована в технологии СБИС. Поскольку эти ленты могут
быть изготовлены с соединительными лепестками шириной
50 мкм, расположенными на расстоянии 100 мкм друг от друга,
достигается очень высокая плотность соединений к ИС. Кроме
того, использование трехслойной ленты позволяет проводить ис-
МЕТОДЫ СБОРКИ И ГЕРМЕТИЗАЦИЯ 345
пытания кристаллов и отбраковывать их перед помещением в
корпус. На рис. 13.11 показан 144-контактный модуль, сформи-
рованный на основе трехслойной ленты.
Обработка пластин. Для подготовки кристаллов к соедине-
нию на ленточном носителе используются два основных метода.
Выбор метода зависит от типа ленты.
При использовании первого и наиболее простого метода не
проводится никакой дополнительной обработки алюминиевых
контактных площадок, кроме вскрытия пассивирующей пленки
обычным способом. Таким методом подготавливают поверхность
кристалла перед монтажом на одно- или двухслойной ленте,
снабженной столбиками. Ленты со столбиками имеют малую
величину отношения Wq/Hq (разд. 13.3.4) при соединении, таким
образом, для выполнения качественного соединения необходимы
большие деформации. Такие деформации возникают вследствие
значительных вертикальных напряжений, которые могут приве-
сти к разрушению лежащих под соединяемой областью диэлек-
трических или кремниевых слоев. Чтобы избежать этого, мож-
но подвести к соединению ультразвуковую энергию, однако этот
метод не является широкодоступным. Основное преимущество
применения лент со столбиками — отсутствие необходимости
проведения дополнительной обработки поверхности кристалла
кроме обычно используемой при выполнении проволочных со-
единений [22].
Наиболее успешным методом обработки пластин при авто-
матизированном соединении на ленточном носителе является
создание столбиков из золота, полученных электролитическим
осаждением, или меди, покрытой золотом, на алюминиевых кон-
тактных площадках кристалла при его монтировании на одно-,
двух- и трехслойной лентах (рис. 13.10, а, б и в) I [23]. На
рис. 13.12 показана последовательность формирования столби-
ков золота на алюминиевых контактных площадках приборов
после вскрытия пассивирующего слоя. Критической стадией,
влияющей на выход годных приборов, является селективное
травление слоев, полученных методом вакуумного испарения или
ионного распыления (рис. 13.12, е). При химическом стравлива-
нии этих слоев травитель может проникать в пассивирующее
покрытие и растворять легкокорродирующее алюминиевое меж-
компонентное соединение. Для избежания связанных с этим яв-
лением технологических потерь применяется несколько процес-
сов, включая плазменное травление. Стоимость всех дополни-
тельных процессов обработки пластин входит в стоимость год-
ного кристалла на пластине. Это повышение стоимости кристал-
ла и технологические потери из-за травления алюминия делают
процесс создания столбиков на пластине менее привлекатель-
ным, чем выполнение проволочного соединения.
346
ГЛАВА 13
Применение автоматизированного соединения на ленточном
носителе. Автоматизированное соединение на ленточном носите-
ле используется для монтажа кристаллов небольшого размера в
плоском корпусе с двухрядным расположением вертикальных
выводов [4], где стоимость процесса создания столбика на при-
Окисел кремния (химическое
^осаждение из ПГС),1~1,5мкм
\ /-А1,1мкм
- а
SIOj (термическое окисление)
Контактный барьерный
_ ,слой(слои)толтиноц
100 нм
si
АиДООнм

6
Слой фоторезиста, 25мкм
Электролитический слой золота,
,25мкм
Фоторезист j
Электролитический
4 слой золота,
25 мкм
Электролитический слов золота,25мкм
Аи юо нмл v Контактный
Окисел \ барьерный слои (слои)
кремния ^толщиной т200 нм
е
Рис. 13.12. Последовательность про-
цесса формирования золотых столби-
ков на алюминиевых контактных
площадках приборов [23].
а — пластина с предварительно сформиро-
ванной ИС, подвергнутая операциям очист-
ки и ионного травления; б — создание кон-
тактного барьерного слоя (служащего так-
же проводящим слоем при электролитиче-
ском осаждении золота методом ноииого
распыления) со слоем золота для предот-
вращения окисления; в — нанесение тол-
стоплеиочиого фоторезиста толщиной
25 мкм; г — электролитическое осаждение
слоя золота толщиной —25 мкм для обра-
зования столбиков; д — снятие резиста; е —
удаление проводящих тонких пленок хими-
ческим травлением.
SiOg

2
Э
St
бор низка и невелики потери из-за травления металлизации
(вследствие малых размеров кристалла), а также для подсо-
единения кристаллов СБИС.
Примером применения автоматизированного соединения на
ленточном носителе может служить многокристальный модуль-
для ЭВМ, где кристаллы сформированы на ленте, подвергаемой
впоследствии тестированию. Каждый кристалл может быть-
тщательно испытан или отбракован перед сборкой [24], что не-
МЕТОДЫ СБОРКИ И ГЕРМЕТИЗАЦИЯ
347
возможно в случае использования приборов с проволочным со-
единением к незащищенной алюминиевой контактной пло-
щадке.
13.3.5. Технология сборки методом
перевернутого кристалла
Технология сборки методом перевернутого кристалла под-
робно описана в литературе [25, 26, 27]. Рис. 13.13 поясняет
принцип этой технологии, по которой выполнено соединение
кристалла шариками припоя. На рис. 13.14 указана в общих
Рис. 13.13. Поперечное сечение, проходящее через первоначально нанесенный
припой и сформированный шарик припоя [25].
чертах последовательность сборки корпуса методом переверну-
того кристалла. Процесс начинается с последовательного напы-
ления Сг, Си и Аи через металлическую маску на все алюми-
ниевые контактные площадки на пластине. Контактные площад-
ки могут быть расположены в любой области на поверхности
кристалла, с некоторыми ограничениями. Золото предохраняет
тонкопленочную структуру от окисления до нанесения на покры-
тие Сг—Си—Аи последующих слоев РЬ—Sn. Пленку РЬ—Sn
осаждают на большей площади по сравнению с площадью, за-
нимаемой контактными площадками с покрытием Сг—Си—Аи.
Площадь и толщина этой осажденной пленки определяют окон-
чательные размеры шарика. Структура, полученная осаждением
РЬ и Sn, показана на рис. 13.13 штриховой линией. После на-
пыления готовую структуру помещают в камеру с пониженным
давлением, где с пленки РЬ—Sn благодаря силам поверхност-
Леталь
конструкции
корпуса
Последова тельность
Материал операций
Керамический
корпус
Крышка
Рис. 13.14. Последовательность процесса монтажа кристалла на керамиче©
кой подложке методом перевернутого кристалла.
Рис. 13.15. Процесс соединения методом перевернутого кристалла [26].
а — перевернутый кристалл подсоединен к керамической подложке; б — поперечное сечв'
иие соединения (показаны три критичных конструктивных параметра h, г0 и ri); в — на
пряжения тс на границе раздела кристалл — столбик и т8 на границе раздела кри-
сталл— подложка и смещение 6, которое увеличивается во время термообработки.
МЕТОДЫ СБОРКИ И ГЕРМЕТИЗАЦИЯ
349
ного натяжения удаляется окисный слой и образуется шарик
припоя с площадью основания, определенной размерами покры-
тия Сг—Си—Аи (так называемая металлизация, ограниченная
шариком).
На рис. 13.15, а схематически показан перевернутый крис-
талл со столбиками припоя, присоединенный к керамической
подложке. В данном разделе
эта структура описана с точки
зрения оптимизации геометри-
ческих размеров столбика при-
поя [26]. Целью оптимиза-
ции являются сведение к ми-
нимуму деформации сдвига
в объеме припоя во время тер-
моциклирования и достижение
максимально возможной проч-
ности соединения на поверхно-
сти раздела между кристал-
лом и подложкой. Здесь пред-
ставлены только основные ре-
зультаты этой оптимизации.
Прочность соединения по-
верхностей раздела кри-
сталл— припой и подложка —
припой на разрыв оптимизиру-
ется выбором такой контакт-
ной площади подложки лго2,
чтобы при испытаниях на тер-
моциклирование и скручивание
реформация сдвига у
Рис. 13.16. Зависимость напряжения
сдвига от деформации сдвига при-
поя РЬ—Sn [25]. (В пластичной зо-
не экспонента затвердевания равна
Pm, где т — степенной коэффициент
в уравнении усталостного состояния
Коффина — Мэнсона.)
эти две поверхности раздела
разрушались в равной степени (рис. 13.15,6). Это условие дос-
тигается выравниванием поверхностных напряжений тс и тз
(рис. 13.15,в), Величину и устанавливают на основании многих
факторов, включая сведение к минимуму области кремния, на
которой локализовано соединение. Оптимальное соотношение
Го/г[ обозначим через К- Тогда размер квадратной контактной
площадки области определится из соотношения
2г0* = ]/Кг1,
(13.1)
где 2го* — краевая длина контактной области.
Далее определяют величину деформации затвердевания р
материала припоя. На рис. 13.16 приведена зависимость напря-
жения сдвига от деформации сдвига припоя. Предположим, что
уравнение Коффина — Мэнсона [28] применимо к усталостному
состоянию припоя в пластичной зоне, а деформации, произве-
денные в любом цикле усталостных испытаний, являются в ос-
350
ГЛАВА 13
новном пластическими деформациями. Усталостное соотношение
Коффина — Мэнсона может быть записано в следующем виде:
^~(1/ТР)т, (13.2)
где Nf — число циклов до разрушения при циклировании; ур—
константа пластической деформации в каждом цикле; т —
экспериментальная константа, равная примерно 2.
Так как мы рассматриваем область пластической деформа-
ции, для определения области применимости уравнения (13.2)
обозначим экспоненту деформации затвердевания как рт.
Число циклов до разрушения в случае использования шари-
ка припоя можно определить [26] как
А7 = (1/ТГСтСз, (13.3)
где у— локальная деформация сдвига; т = 1,9 для припоя, со-
стоящего из сплава РЬ — 5% Sn; Ст — функция параметров
температурных циклов, степени деформации и времени выдерж-
ки; Cs — функция свойств материалов. В испытаниях на меха-
ническое разрушение число циклов до разрушения равно Vz и
деформация сдвига у(1 является основной деформацией. Таким
образом,
1/2 = (1/V*CT'CS, (13.4)
где С'т — функция исключительно параметров цикла испытания.
Разделив уравнение (13.3) на уравнение (13.4), получим сле-
дующее выражение:
AWr(W\ (13.5)
где Кт — функция параметров метода испытания на разрушение,
использованного для определения у^..
При циклических испытаниях разрушение начинается в об-
ласти, где отношение у^/у минимально. Обычно разрушение
наблюдается вблизи поверхностей раздела. Для определения
Ти на основании зависимости, приведенной на рис. 13.16, запи-
шем
т = Ау₽, (13.6)
где Аир — константы. Для упрощения алгебраических выра-
жений вместо рт используем р. После преобразований уравне-
ние (13.5) примет вид
КР = Кт(х^)^. (13.7)
Здесь f обозначает критическую поверхность раздела, где на-
чинается разрушение; — напряжение сдвига, связанное с уи
через соотношение (13.6).
МЕТОДЫ СБОРКИ И ГЕРМЕТИЗАЦИЯ 351
Предположим, что среднее напряжение сдвига есть сила
сдвига, деленная на площадь поперечного сечения V/h
(рис. 13.15,б), и равно 6//г, где 6 — деформация сдвига в стол-
бике припоя (рис. 13.15,в). Тогда, подставив эти величины в
уравнение (13.6), получим
Fh/V = A(6/h)fi. (13.8)
или
F = AV№/h1+V. (13.9)
Среднее напряжение сдвига на поверхности раздела для пло-
щади поперечного сечения лг2 можно определить следующим
образом:
Подставляя выражение (13.10) в уравнение (13.7), получим
Nf = Kt l(W) (/i4-₽/(AV))r/3 (13.11)
где rj— радиус критической поверхности раздела, при котором
начинается разрушение.
В этом выражении т^лг;2 является мерой предельной проч-
ности соединения на сдвиг. Эта величина должна быть макси-
мально большой. Величина h1+&/(AV) относится к гибкости со-
единения, которая должна быть максимальной. Легко показать,
что деформация сдвига определяется соотношением
6 = (aKep-asl)ATd, (13.12)
где аКер — коэффициент линейного расширения подложки; asi —
коэффициент линейного расширения кремния; d — расстояние
до нейтральной точки на кристалле (обычно Vz диагонали кри-
сталла).
Если предположить, что столбик припоя является правиль-
ным усеченным конусом с разной площадью верхнего и нижне-
го оснований, то можно легко оценить его размеры. Объем
столбика можно определить по формуле
V=4-[/i2 + 3(r02+r12)]. (13.13)
Это уравнение показывает взаимосвязь V и h при заданных
значениях го и п и позволяет оптимизировать значение гибко-
сти соединения й1+₽/У.
Возникновение некоторых осложнений для кристаллов СБИС
связано с тем, что не все столбики припоя расположены на рав-
352
ГЛАВА 13
ном расстоянии от нейтральной точки (рис. 13.15,в). Кроме то-
го, поскольку расстояние d увеличивается, а размеры соедине-
ний остаются неизменными, время до разрушения в цикле уста-
лостных испытаний уменьшается. Если необходимо поддержать
это время на прежнем уровне, то для сохранения оптимальных
условий может быть увеличен радиус и вместе с другими раз-
мерами. Чем больше радиус и, тем больше область для осаж-
дения припоя и, следовательно, больше расстояние между кон-
тактными площадками. Увеличение этого расстояния требует
большей площади кремния. Выбор размера и формы шарика
припоя в этом случае можно сделать с учетом стоимости крем-
ния, надежности, быстродействия схемы, а также многих других
параметров.
Основными преимуществами технологии сборки методом пе-
ревернутого кристалла являются возможность матричного рас-
положения контактных площадок (по сравнению с контактными
площадками, расположенными по краю кристалла) и очень ма-
лая протяженность межкомпонентных соединений, что сводит к
минимуму величину их индуктивности. Основные недостатки
этой технологии — худшие тепловые характеристики (по срав-
нению с кристаллом, присоединенным обычным способом) и
трудность герметизации матрицы контактных площадок.
13.4. ТИПЫ КОРПУСОВ И ТЕХНОЛОГИЯ
ИХ ПРОИЗВОДСТВА
Производство корпусов для отдельных кристаллов в основ-
ном базируется на технологии тугоплавкой керамики или ис-
пользовании выводных рамок и формованных пластмасс. Кера-
мические корпусы обычно применяются для герметизации сов-
ременных приборов, где требуется максимальная надежность.
Для обычных приборов, где критичным параметром является
стоимость и необходимо герметизирующее уплотнение, применя-
ют керамические плоские корпусы с двухрядным расположени-
ем выводов. В этих корпусах использована комбинация вывод-
ной рамки, прессованных деталей из тугоплавкой керамики и
герметизации стеклом. Пластмассовые корпусы обычно пред-
назначают для приборов, где преобладающим фактором явля-
ется стоимость и не требуется высокая герметичность. До не-
давнего времени пластмассовые корпусы обладали меньшей на-
дежностью, чем керамические. Однако в настоящее время тех-
нология пластмассовых корпусов значительно усовершенствова-
на и является высоконадежной при соответствующем управле-
нии процессом их изготовления.
МЕТОДЫ СБОРКИ И ГЕРМЕТИЗАЦИЯ
353
В этом разделе рассмотрены типы корпусов и технологиче-
ские методы их производства. Эти методы применимы к различ-
ным типам корпусов. В конце раздела подробно описаны высо-
кокачественные керамические корпусы.
13.4.1. Технология производства керамических ко|»пусов
Рис. 13.17 поясняет технологию производства корпусов на
основе многослойной керамики [29, 30]. На первом этапе гото-
вят жидкую пасту из керамического порошка и жидкой компо-
Рис. 13.17. Последовательность процесса формирования многословной заго-
товки из тугоплавкой керамики, начинающегося с подготовки керамической
пасты [29].
ненты (растворитель и смола-пластификатор). Затем из этой
пасты отливают тонкие листы, пропуская над ней сглаживаю-
щее лезвие. После сушки листы разрезают в соответствии с не-
обходимыми размерами. Далее механическим путем пробивают
в них сквозные отверстия (отверстия в диэлектрических слоях,
через которые осуществляются межкомпонентные соединения)
и углубление для кристалла, наносят на поверхность проводя-
щие дорожки (обычно пасту на основе порошка вольфрама) и
заполняют сквозные отверстия металлом. Некоторые пластины
спрессовывают друг с другом с помощью зажимного приспособ-
ления с точным совмещением. Готовая структура подвергается
отжигу при температуре 1600°C для образования монолитного
23—233
354
ГЛАВА 13
спеченного материала. Технология производства корпусов на
основе тугоплавкой керамики представляет собой сложный про-
цесс, требующий точного управления каждой стадией.
После отжига пластина готова для заключительных опера-
ций по присоединению выводов и металлизации [8]. Для подго-
товки к пайке выводов на вольфрам наносят никель. Выводы
изготавливают из сплава Fe—Ni—Со, называемого коваром,
Металлическая, керамическая
или пластмассовая крышка
v Тугоплавкая
\ ' керамика
' ‘-Л
Пришяпньш HbieiAi
из кпиири

Рис. 13.18. Поперечные сечения некоторых типов корпусов из тугоплавкой
керамики [8].
а - KiiriTiiK-i 1,1, припаянные к боковым сюропаи корпуса; в контакты, прин.-ишные к
вирхипП поверхности корпуса; в — корпус с матричным рисположепием nriырькових вы-
волов; г--6с -.выводной корпус с металлизацией ио краям; 0 — безвыводпой корпус со
скво.:» ы м п отверс» и ям и; с - бел выводной корпус с мл i ричиым расположен пом вы песен
пых кош актов.
пайку выводов осуществляют эвтектическим сплавом серебро —
медь. Все внешние металлические поверхности подвергаются
гальванической или электролитической обработке (обычно на-
носят золото на никель) для повышения качества соединения и
защиты от окружающей среды. Многослойные керамические
корпусы могут иметь размеры до 100-100 мм с допуском ±0,5%
и содержать до 30 слоев.
Технология производства керамических корпусов очень эф-
фективна для конструирования сложных корпусов с большим
числом сигнальных, заземляющих, питающих, соединительных и
герметизирующих слоев. Однако ей присущи три недостатка:
трудность получения необходимых допусков размера корпуса
из-за большой усадки во время обработки; высокая диэлектри-
ческая проницаемость керамики — 9,5) и недостаточная
теплопроводность AI2O3 (табл. 13.2). Проблема допусков за-
трудняет использование краевой области пластины, высокая ди-
электрическая постоянная оказывает вредное воздействие на
МЕТОДЫ СБОРКИ И ГЕРМЕТИЗАЦИЯ
355
емкостную нагрузку сигнальной линии. Замена А12О3 на ВеО
должна значительно улучшить тепловые характеристики и
уменьшить диэлектрическую проницаемость корпусов. Корпусы
из ВеО найдут широкое применение в будущем благодаря по-
тенциальной возможности улучшения рабочих характеристик
керамических корпусов.
Рис. 13.19. Некоторые типы корпусов из тугоплавкой керамики [8].
а — плоские корпусы с двухрядным расположением выводов, припаянных к верхней и
‘токовым поверхностям корпуса; б — выводные и безвыводные кристалдодержатели; в—
корпусы с матричным расположением выводов и углублениями для кристалла на верх
ней и нижней поверхностях.
13.4.2. Технология производства корпусов
на основе тугоплавкой керамики
На рис. 13.18 показаны различные типы корпусов из туго-
плавкой керамики. Корпусы могут иметь припаянные штырьки
или контакты; выводы, размещенные по краю, и матрицу выво-
дов. На рис. 13.19, а, б и в изображены три типа корпусов:
плоский корпус с двухрядным расположением выводов; кри-
23*
356
ГЛАВА 13
сталлодержатели и корпус с матрицей выводов соответственно.
Все зти типы корпусов имеют особенности. В плоских корпусах
выводы расположены в два ряда вдоль краев на расстоянии
2,54 мм друг от друга, при матричном исполнении выводы раз-
мещены с шагом 2,54 мм. Если углубление для кристалла вы-
Вариант корпуса,
имеющего контактные
. _п/гашаЗки с метоп
. - лизицией снизу
Керамическая
крышка
Проводники
в пазах по краям
- корпуса
Запаянная
г металлом
крышка
(Служенные
ножки
Верхняя
г- пластмассовая
ч крышка Направляющие
штыри
6
(Служенные
ножки
сшв
Одно- или многокристаль*
г~ нал гибридная схема
Проводники,
расположенные
по краю
а
ё
Рис, 13.20. Стандартизованные Объединенным техническим советом по
электронным приборам кристаллодержатели,
а — безвыводной крнсталлодержатель типа А. Показанный на рисунке частично снаб-
женный выводами корпус типа А получен прессованием перед монтажом кристалла; б —
безвыводной крнсталлодержатель типа В; в — выводной крнсталлодержатель типа А;
г — выводной крнсталлодержатель типа В. В выводных крнсталлодержатслях типа А
и В контакты загнуты под. корпус в соответствии с принятым стандартом; д — мини-пак
(печатный корпус из эпоксидного стекла с кристаллом, прикрепленным обратной сто-
роной, н проволочным соединением, залитый эпоксидной смолой).
полнено с той же стороны, что и штыри, то часть пространствен-
ной матрицы не имеет выводов (рис. 13.19,в). Стандартные
кристаллодержатели являются приборами с четырехсторонним
расположением выводов или контактов, отстоящих друг от дру-
га на 1,02 и 1,27 мм. Эти корпусы стандартизованы Объединен-
ным техническим советом по электронным приборам [31]. В на-
стоящее время стандартизованы корпусы, имеющие вплоть до
МЕТОДЫ СБОРКИ И ГЕРМЕТИЗАЦИЯ 357
156 выводов, а также держатели кристалла с выводами, распо-
ложенными на расстоянии 0,51 и 0,635 мм друг от друга. На
рис. 13.20 приведены стандартные кристаллодержатели с выво-
дами и без выводов.
13.4.3. Технология производства корпусов
на основе тугоплавкой керамики
с герметизацией стеклом
На рис. 13.21 показаны однослойные плоские корпусы с
двухрядным расположением вертикальных выводов на различ-
ных этапах изготовления по дешевой керамической технологии.
Эта технология основана на герметизации стеклом с низкой
температурой плавления выводной рамки, помещенной между

Рис. 13.21, Частично собранные керамические плоские корпусы с двухрядным
расположением выводов с герметизацией стеклом.
Керамические корпусы получены сухим прессованием окиси алюминия. В качестве ма-
териала выводной рамкн использован ковар нлн сплав Fe—Ni.
двумя прессованными керамическими деталями. Для гермети-
зации используют как кристаллические, так и некристалличе-
ские стекла, в основном имеющие состав РЬО—ZnO—В20з. За-
ливка обычно производится при температуре выше 400 °C в
окислительной атмосфере. Так как при такой температуре дол-
жен наблюдаться значительный рост интерметаллического со-
единения золота с алюминием, то для выполнения межкомпо-
нентных соединений в этих корпусах используют алюминиевую
24—233
358
ГЛАВА 13
проволоку. Выводные рамки, как правило, имеют полоски на-
пыленного алюминия, нанесенные на концы выводов, так что
возможно создание системы соединения полностью на основе
алюминия. Производство герметичного корпуса с герметизацией
стеклом может быть высокоавтоматизированно и способно кон-
курировать с технологией производства дешевых пластмассо-
вых корпусов.
13.4.4. Технология производства прессованных
пластмассовых корпусов
На рис. 13.22 показан пластмассовый плоский корпус с
двухрядным расположением выводов. Для успешного изготов-
ления формовочной смеси необходимо выбрать соответствующий
материал для прессования, который удовлетворял бы требова-
ниям надежности прибора, и надлежащим образом управлять
самим процессом прессования. Кроме того, большое значение
_ Формовочная смесь
Соединительные
проводники
Кристалл
Держатель
кристалла
Рис. 13.22, Кремниевый кристалл в пласт.массовом плоском корпусе с двух-
рядным расположением выводов, присоединенный методом шарика и кли-
на [32].
Плоскость кристаллодержателя может быть соединена с одним из внешних выводов.
В большинстве заказных изделий селективным электролитическим осаждением формиру-
ют только плоскость, иа которой установлен кристалл, и площадки для соединения кли-
ном. Внешние выводы покрыты припоем электролитическим методом или путем погру-
жения в него после прессования корпуса.
имеет полная автоматизация процесса сборки (в частности,
монтажа кристалла), выполнения проволочных соединений и
операции прессования.
Двумя основными типами приборов в пластмассовых корпу-
сах являются прибор с корпусом, прессуемый из пластмассы
после сборки [32] (рис. 13.22), смонтированный в плоском
корпусе с двухрядным расположением вертикальных выводов,
и прибор с предварительно спрессованным из пластмассы кор-
пусом [33], например кристаллодержатель, приведенный на
МЕТОДЫ СБОРКИ И ГЕРМЕТИЗАЦИЯ
359
рис. 13.23. Для герметизации приборов с прессованием корпу-
са после сборки используют термореактивные (с поперечными
связями) кремнийорганические соединения, эпоксидные крем-
нийорганические соединения и эпоксидные смолы; при этом
запрессовка комплекса выводная рамка — кристалл произво-
Рис. 13.23. Различные типы корпусов, полученных прессованием до монтажа
кристалла [33].
а —* 24-выводиой кристаллодержатель, запрессованный в выводной рамке; б — 24-вывод-
иой кристаллодержатель с сформированными и подогнанными выводами; в — 24-вывод-
иой спутиик-иоситель кристалла: сетка этого спутника-носителя идентична сетке дер-
жателя г; г — полностью сформированный 24-выводной кристаллодержатель, закрытый
крышкой; д — 24-выводиые кристаллодержатели в спутниках-носителях.
дится после присоединения кристалла к выводной рамке. Про-
цесс прессовки пластмассой после сборки не является доста-
точно технологичным. Для того чтобы избежать контакта
кристалла и его проводников или соединения на ленточном
носителе с вязкой формовочной смесью, была разработана
технология изготовления предварительно спрессованного из
пластмассы корпуса [33]. Согласно этой технологии, предва-
рительно прессуют корпус, а затем выполняют монтаж кристал-
ла и межкомпонентные соединения. Для прессования могут
использоваться термореактивные материалы, упомянутые вы-
ше, или термопластичные полимеры, такие, как полифенилен-
24*
360
ГЛАВА 13
сульфид. Предварительно спрессованный корпус является
пластмассовым эквивалентом керамического корпуса из туго-
плавкой керамики с углублением для кристалла и получит в
будущем широкое применение в технологии CBHQ.. В этом раз-
деле будут подробно рассмотрены только приборы, смонтиро-
ванные в корпусе с запрессовкой пластмассой после сборки,
применяемые формовочные смеси и конструкции корпусов.
Для герметизации ИС обычно используют эпоксидные смо-
лы и кремнийорганические соединения [34]. Специальную
эпоксидную смолу «Эпокси-А» получают конденсацией эпи-
хлоргидрина с бис-фенолом А. Избыток эпихлоргидрина ис-
пользуют для размещения эпоксидных групп с каждой стороны
низкомолекулярного полимера.
Эпоксидные новолачные клеи в настоящее время являются
более предпочтительными из-за их термостойкости, связанной
с тем, что каждая повторяющаяся группа содержит эпоксид-
ный радикал. Эти смолы, называемые «Эпокси-В», получают
путем реакции эпихлоргидрина с новолачной фенольной смо-
лой и основой. В процессе синтеза смолы в качестве побоч-
ного продукта образуется хлорид натрия. Ионы, натрия и хлора
оказывают вредное воздействие на надежность прибора, и по-
этому эти побочные продукты должны быть тщательно отде-
лены от смол перед составлением искомой формовочной смеси.
Обычно используются такие кремнийорганические соедине-
ния, как полисилоксаны, которые могут быть представлены
формулой
- Ri
I
—Si—О
I
-
где Ri и R2 — простые кремнийорганические группы. Кремний-
органические смолы получают совместным гидролизом моно-,
ди- и триметилхлорсиланов или моно-, ди- и трифенилсиланов
(или алкосиланов) в растворителях. Как правило, кремнийор-
ганические отвердители не содержат побочных продуктов, а
кремнийорганические смолы относительно свободны от ионов
натрия и хлора.
К смоле добавляют наполнители (обычно аморфный или
кристаллический S1O2, стекловолокно и иногда AI2O3) до 65—
73%. Аморфный S1O2 используют при необходимости получе-
ния минимального термического коэффициента линейного рас-
ширения компаунда в ущерб теплопроводности. Кристалличе-
ский S1O2 применяют для улучшения теплопроводности при
большой величине термического коэффициента линейного рас-
ширения AI2O3 имеет высокую теплопроводность как материал-
МЕТОДЫ СБОРКИ И ГЕРМЕТИЗАЦИЯ
361
наполнитель, но является слишком крупнозернистым для литья.
Наполнители в значительной степени улучшают механическую
прочность смолы, уменьшают величину ее термического коэф-
фициента линейного расширения и, следовательно, сокращают
степень ее сжатия после прессования. Для завершения форми-
рования смолы и оптимизации ее свойств к ней должны быть
добавлены пигменты, компоненты, облегчающие прессование,
антиокислители, влагопоглотители, пластификаторы и замед-
лители возгорания.
Для понимания процесса прессования и его влияния на на-
дежность герметизированных приборов необходимо знать рео-
Рис. 13.24. Схематическое изображение многополостной литниковой системы
с однородными коллекторами и затворами [36].
логические, химические и термофизические свойства формовоч-
ных смесей. Двумя наиболее важными характеристиками фор-
мовочных смесей являются текучесть и термический коэффи-
циент линейного расширения. Процесс прессования не будет
выгоден до тех пор, пока не будет обеспечивать высокий выход
годной продукции. Общие проблемы надежности связаны с
механической прочностью и термостойкостью. Термический
коэффициент линейного расширения является наиболее критич-
ным параметром в отношении термостойкости.
Процесс прессования. Для прессования или литья под дав-
лением обычно используют термореактивные смолы. Предвари-
тельно нагретая формовочная смола расплавляется в литнике
под действием давления и температуры и течет, заполняя
углубления, в которые помещены контакты выводной рамки и
смонтированные кристаллы ИС (рис. 13.24). Выводная рамка
ИС часто имеет длинные хрупкие ножки выводов, а кристалл
подсоединен к этим тонким хрупким выводам золотой прово-
локой диаметром 25—30 мкм. Во избежание разрушения этой
хрупкой конструкции вязкость и скорость заливки компаунда
должны быть снижены в определенных пределах. Для удовле-
творения этих требований разрабатываются промышленные
формовочные смеси с температурой прессования ~ 175 °C и
362
ГЛАВА 13
давлением 6 МПа. Цикл прессования занимает 1—5 мин. В це-
лях управления скоростью истечения расплавленной формовоч-
ной смеси каждое углубление для кристалла имеет затвор или
ограничитель, замедляющие истечение смолы. Механизм исте-
чения смолы относительно сложный, так как не подчиняется
механике Ньютона [35]. Кроме того, во время прессования
может частично происходить образование поперечных связей,
Поперечное сечение Вид с торца
в
Рис. 13.25. Поперечное сечение пластмассового корпуса со смонтированным
кристаллом [37].
а — поперечное сечение плоского корпуса с двухрядным расположением выводов; б —
увеличенное изображение проволочного соединения; в — поперечное сеченне корпуса н
вид с торца. При построении модели кристалл н выводная рамка представлены как од-
на деталь.
воздействующих на вязкость материала. Для компенсации этих
недостатков предлагаются специально разработанные пресс-
формы для корпуса [36].
Термомеханические напряжения, возникающие в элементах
прессованных корпусов. Несоответствие термических коэффи-
циентов линейного расширения пластмассовой формовочной
смеси и кремниевого кристалла или золотой проволоки непо-
средственно влияет на напряжения, возникающие в процессе
прессования, а также во время термоциклирования. Напряже-
ния возникают в объеме кристалла, в его поверхностном пас-
сивирующем покрытии и межкомпонентных соединениях кри-
сталла, обычно в золотой проволоке.
На рис. 13.25, а и б показаны поперечное сечение и увели-
ченное изображение проволочного соединения [35}. Для по-
строения модели [37] кристалл и выводная рамка могут быть
МЕТОДЫ СБОРКИ И ГЕРМЕТИЗАЦИЯ
363
объединены в единый структурный элемент, оказывающий со-
противление усадке пластмассы (рис. 13.25, в).
Деформации в комбинированном элементе кристалл — вы-
водная рамка ус при температурах ниже температуры литья и
затвердевания определяются уравнением
<13Л4)
где Fc — сила, вызванная усадкой пластмассы; Ес — эффектив-
ный модуль упругости; Ас — эффективная площадь поперечного
сечения; ас — термический коэффициент линейного расшире-
ния и АТ = Тфактич.—влитья-
Для принятой модели сделано предположение о том, что
термические коэффициенты линейного расширения выводной
рамки и кристалла равны. Таким образом,
(13.15)
где Еь— модуль упругости рамки; Es — модуль упругости кри-
сталла; — площадь поверхности кристалла; Аь — площадь
поверхности рамки.
Предположение равенства термических коэффициентов ли-
нейного расширения кремния и выводной рамки справедливо
для кремния, жестко соединенного со сплавом 42 рамки. Од-
нако в случае кремниевого кристалла, присоединенного к мед-
ному держателю эпоксидным клеем, AcEc~AsEs, так как крем-
ний и медь по существу относительно свободны вследствие
существования пластической деформации в эпоксидном соеди-
нении. Деформация в платмассе определяется выражением
где компоненты с индексом р относятся к пластмассе. По-
скольку пластмасса и кристалл соединены,
YP = YC. (13.17)
Исходя из условий равновесия,
Fp = -Fc. (13.18)
Объединяя уравнения (13.15) — (13.18), получим
Ус=(ар~ЕС^ТА-^Т. (13.19)
1 I
1+ ЕРАР
Вторым членом асАТ в уравнении (13.19) обычно пренебре-
гают. Поскольку ар и Ер являются функцией температуры,
364
ГЛАВА 13
уравнение (13.19) должно быть переписано в виде
р [ap(T)-a,e]dT^ (13.20)
I I г ---------
J 1 + АРЕР (Т)
^литья
Кривая а на рис. 13.26 отображает зависимость напряже-
ния от температуры для формовочной смеси с измеренными
значениями ар(Т) и ЕР(Т). Кривая б на рис. 13.26 получена в
результате более точного анализа с использованием конечных
Рис. 13.26. Температурная зависи-
мость измеренных и расчетных вели-
чин напряжений в кристалле, зали-
том эпоксидной смолой. Кривая а
аналитически рассчитана с исполь-
зованием простой модели, описанной
в тексте; кривая б рассчитана исхо-
дя из конечных элементов модели-
рования; кривая в построена на ос-
новании данных экспериментальных
исследований [37].
элементов, температурной зависимостью аР и Ер которых можно
пренебречь. Кривая в получена на основании эксперименталь-
ных измерений. Обнаружено, что измеренные деформации лежат
в диапазоне 10—15% размеров конечных элементов и, следова-
тельно, значительно меньше предсказанных в соответствии с
простой одномерной моделью. Однако эта модель полезна для
оценки порядка величины деформаций и ясно показывает пре-
имущества использования пластмассы с низким значением ар.
Действительная величина деформаций достаточно велика для
того, чтобы вызвать усталостное состояние в поверхностном
металлургическом соединении на кристалле или изменение па-
раметров прибора.
Из рис. 13.25, а и б ясно, что относительное перемещение
пластмассы и проволоки вызвано возникновением деформации
в проволоке во время термоциклирования. Для вертикального
перемещения проволоки можно записать
УАп = (Т-Т0)(ар-аАи), (13.21)
где Т — температура, То — температура окружающей среды.
МЕТОДЫ СБОРКИ И ГЕРМЕТИЗАЦИЯ 365
В этом анализе не учтены любые напряжения сжатия в
материале проволоки, которые вызываются его охлаждением
от температуры литья до температуры окружающей среды.
Предположим, что проволока и пластмасса прочно соединены.
Для Т—TQ= 100 °C и ар—<xau = 10~s °C-1 деформация в прово-
локе будет равна приблизительно 0,1 %. Учитывая, что дефор-
мация 0,2% обычно рассматривается как предел текучести ме-
талла, материал проволоки при данной величине деформации
(0,1%) попадает в область, примыкающую к пластичной зоне.
В связи с этим материал проволоки должен подвергаться ана-
лизу на цикличную усталость в соответствии с классическим
подходом Коффина—Мэнсона [28], хотя величина экспонен-
ты m в уравнении усталости может быть значительно больше
2, что имеет место для припоя.
Для кристаллов большого размера и больших величин d
(рис. 13.25, а) деформация в боковом направлении в проволоке
также существенна. Если пластмасса не склеена с кристаллом,
боковое перемещение пластмассы относительно поверхности
кремния вызывает значительную деформацию в проволоке:
^ = d(ap-aAu)bT/l, (13.22)
где I — расстояние от поверхности кристалла (рис. 13.25,6).
Это уравнение действительно только для участка проволоки
над шариком припоя. Ситуация бывает более сложной, если
формовочная смола склеена с поверхностью кремния, однако
деформация при этом значительно меньше. Проведенный ана-
лиз ясно показывает, что выбор пластмассы с возможно низ-
ким коэффициентом линейного расширения помогает свести к
минумуму проблемы, связанные с термомеханической надеж-
ностью приборов в прессованных пластмассовых корпусах.
13.4.5. Высококачественные корпусы
Высококачественные корпусы разрабатывают с целью улуч-
шения одного или нескольких параметров, таких, как размеры
корпуса, число выводов, рабочая частота, термостойкость.
Описанные выше методы сборки и вопросы применения корпу-
сов (разд. 13.6) позволяют определить направление достижения
поставленных целей. Ниже описан один из вариантов высоко-
качественного корпуса.
На рис. 13.27 приведен корпус, отличающийся хорошими
рабочими характеристиками [38, 39]. При его изготовлении
была использована технология соединения матрицы контактных
площадок на ленточном носителе. На рисунке показана струк-
тура этого корпуса с матричным расположением выводов с
ИС, смонтированной на поверхности подложки методом пере-
366
ГЛАВА 13
вернутого кристалла; кристалл и корпус соединены металли-
зированным полимером. Корпус такого типа имеет ряд важ-
ных особенностей. Корпус с матрицей выводов является кор-
пусом с наиболее плотной упаковкой, его контакты располо-
жены в узлах решетки с шагом 2,54 мм. Использование при-
бора, смонтированного по методу перевернутого кристалла,
позволяет разрешить некоторые проблемы теплового рассея-
ния, однако выводы у матрицы имеют малую длину. Полимер-
ное межкомпонентное соединение имеет более низкое значение
Крышки
Прокладка
Область
теплоотвода
Рис. 13.27. Корпус с матричным расположением выводов с ИС, смонтирован-
ной методом перевернутого кристалла, и полимерным соединением между
кристаллом и корпусом [38, 39].
Уплотнитель
ное кольцо J
Кристалл
Многослойная
керамическая
подложка
диэлектрической проницаемости по сравнению с керамикой и
обладает меньшей емкостной нагрузкой. Полимерное межком-
понентное соединение должно иметь плоскости заземления
и питания для получения оптимальных электрических харак-
теристик.
13.5. СПЕЦИАЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ ГЕРМЕТИЗАЦИИ
В этом разделе обсуждаются четыре вопроса, связанные с
герметизацией, которыми завершается рассмотрение методоло-
гических вопросов сборки корпусов. К ним относятся очистка
поверхности кристалла, герметизация корпуса или крышки,
герметизирующее покрытие поверхности кристалла и защита
от а-частиц.
13.5.1. Очистка поверхности кристалла
Наиболее критичной стадией, которой подвергается кри-
стал, является очистка перед монтажом, герметизирующим по-
крытием и окончательной герметизацией крышки корпуса.
МЕТОДЫ СБОРКИ И ГЕРМЕТИЗАЦИЯ 367
Процесс очистки должен быть химически совместим с метал-
лическими слоями на поверхности кристалла. Алюминий имеет
очень узкий диапазон величин pH, в котором окисел предох-
раняет его от коррозии в водном растворе [40]. Реакции кор-
розии с растворением металла могут происходить как в основ-
ном, так и в кислом растворах. При очистке обычно пресле-
дуют две цели. Первая — удаление органических частиц, кото-
рые могут повлиять на качество соединения; для этого обычно
требуются органические растворители. Вторая — удаление
ионов, которые вызывают коррозию во время эксплуатации
прибора или приводят иногда к накоплению поверхностного
заряда. Вода является превосходным растворителем для ион-
ных частиц. Поскольку, по соображениям охраны окружаю-
щей среды, использование таких растворителей, как трихлор-
этилен, должно сокращаться, часто для удаления органических
частиц и ионов используют фреоны. В работе [40] проведено
исследование эффективности некоторых применяемых для очи-
стки комбинаций воды, фреона ТА (содержащего 11% ацето-
на) и кислородной плазмы в отношении коррозии алюминия
и надежности приборов с алюминиевой металлизацией во
влажной атмосфере.
Несмотря на то что установлены преимущества очистки в
кислородной плазме и отмывки водой над очисткой фреоном,
последовательный способ очистки, по-видимому, лучше подхо-
дит для очистки поверхностей кристалла, который должен по-
мещаться в герметичный корпус с низким содержанием влаги.
13.5.2. Герметизация крышки корпуса
Основной целью герметизации корпуса является защита от
внешних загрязнений во время функционирования прибора.
Любые загрязнения, присутствующие на поверхности кристал-
ла, должны быть удалены до приемлемого уровня перед гер-
метизацией или во время этой операции. Корпусы могут быть
герметизированы стеклом, металлами или полимерами. Исполь-
зованное здесь определение герметичности подразумевает не
только выдерживание испытаний корпусом на вакуумную»
утечку, но также исключение возможности загрязнения из окру-
жающей среды в течение длительного времени.
На рис. 13.28 показаны относительные данные некоторых
материалов по защите прибора от попадания влаги в течение
длительного времени [41]. Чисто органические герметики не
подходят для герметизации корпусов. Однако в некоторых слу-
чаях использование органических герметиков в конструкции
корпусов удовлетворяет рабочему определению герметичности,
приведенному выше [42]. Почти для всех высококачественных
368
ГЛАВА 13
корпусов герметизацию выполняют стеклом или металлом. Ра-
нее герметизацию стеклом использовали для керамических
плоских корпусов с двухрядным расположением вертикальных
выводов, где процесс герметизации в основном тот же, что и
при герметизации крышки корпуса. Многие металлы, приме-
няемые для монтажа кристалла, подходят и для герметизации
крышки корпуса. Герметизация вакуумно-плотным металлом,
Рис. 13.28. Время проникновения влаги через различные заливочные материа-
лы (прн достижении 50% влажности окружающей среды) для одной опре-
деленной геометрии корпуса [41]. (Проникающая способность влаги через
органические материалы на порядок величины больше, чем через материалы,
обычно используемые для герметизирующей заливки.)
исключающая влияние окружающей среды, может быть произ-
ведена без особых осложнений. Реальным затруднением яв-
ляется освобождение корпуса от загрязнений, особенно влаги,
перед процессом герметизации [43].
Определенные проблемы могут возникать при низких рабо-
чих температурах, когда происходит конденсация влаги внутри
корпуса [43]. Последующие реакции в присутствии небольшого
количества галогенов могут привести к коррозии алюминия:
6НС1 + 2А1 > 2А1С18 + 3Haf, (13.23)
А1С1а + ЗНОН --> А1(ОН)3 + ЗНС1, (13.24)
2А1(ОН)3 + старение > А1аО3 + ЗН2О. (13.25)
Отметим, что НС1 воспроизводится в этих реакциях до тех
пор, пока не прокорродирует весь алюминий. Для протекания
МЕТОДЫ СБОРКИ И ГЕРМЕТИЗАЦИЯ
369
этих реакций необходима относительная влажность 65%. Уро-
вень влаги в каждом частном случае разный, но ни один кор-
пус не должен подвергаться герметизации при содержании
влаги в его объеме более 0,6% (точка росы 0°С) [43].
Технология измерения такого уровня влажности тщательно
изучена [44]. Допустимым пределом для приборов, приме-
няемых в военной технике, является содержание влаги 0,5%
из-за технических трудностей измерения влажности в корпусах
малых размеров. Несмотря на то что эта величина является
допустимым значением, на операции сборки корпусов жела-
тельно иметь минимально возможное содержание влаги в кор-
пусе. Эффективный метод достижения низкого уровня влаж-
ности предлагается в работе [45]. В этом методе использована
способность кремния реагировать с влагой с образованием
SiC>2. Атомарный кремний образуется во время герметизации
крышки корпуса за счет плавления материала соединений
кристалла или дополнительной газопоглощающей таблетки.
Предполагаемой реакцией является следующая:
Si-|-H2O—> SiO2 + 2Н2. (13.26)
13.5.3. Герметизирующее покрытие поверхности
кристалла
Часто выполнение герметизации некоторых типов корпусов
не представляется возможным из-за высокой стоимости или
трудности исполнения. В этих случаях в дополнение к герме-
тизации крышки полимером для защиты алюминия от атмо-
сферных загрязнений, таких, как влага, может быть использо-
вано покрытие поверхности кристалла. Для этой цели очень
эффективны кремнийорганические соединения [46, 47]. Тонкий
слой кремнийорганического соединения (0,25 мкм) не является
диффузионным барьером для влаги, согласно рис. 13.28. Поли-
мер должен предотвращать конденсацию влаги на поверхности
кристалла и таким образом уменьшать токи утечки между
двумя соседними металлическими дорожками. В одном из воз-
можных механизмов, объясняющих этот эффект, предполагает-
ся, что частично ориентированные силоксановые диполи на по-
верхности подложки, действуя во взаимодействии с полярными
группами в подложке, могут в достаточной мере уменьшить
адгезию молекул влаги для предотвращения проникновения
влаги в область поверхности раздела [48].
Кремнийорганические герметики успешно используются в
электронной промышленности для приборов как с алюминие-
вой, так и золотой металлизацией. Однако этот метод не нашел
370
ГЛАВА 13
широкого применения из-за малого предела плотности прово-
дящих дорожек ИС, ниже которого эти материалы не эффек-
тивны.
13.5.4. Защита от а-частиц
В 1978 г. впервые было сделано сообщение о случайных
сбоях в схемах памяти из-за а-частиц, испускаемых материалом
корпуса [49]. С тех пор было опубликовано много работ, по-
священных этой проблеме, а-частицы испускаются при распаде
атомов урана и тория, содержащихся в качестве примесей в
материале корпуса.
Ужесточение принципов проектирования предполагает, что
новые приборы будут еще более чувствительны к воздействию
а-частиц [50]. Уровень испускания а-частиц материалом кор-
пусов, по-видимому, не будет ниже 0,001—0,01 частица/(см2-ч).
Поскольку а-частицы имеют низкую проникающую способность,
в твердых телах, в качестве покрытия кремниевого кристалла,
поглощающего а-частицы, предложены материалы с низким
уровнем испускания а-частиц. Уровень испускания а-частиц,
равный 0,001 частица/(см2-ч) (наименьший ожидаемый уро-
вень), достигнут при использовании в качестве покрытия кри-
сталла кремнийорганических соединений [51]. Этот уровень
испускания, возможно, будет реализован в корпусах из кера-
мики, стекла и металлов. Несмотря на то что удалось суще-
ственно уменьшить эмиссию а-частиц существующими материа-
лами корпусов, необходима коррекция случайных сбоев, вы-
званных а-частицами.
13.6. ВОПРОСЫ, СВЯЗАННЫЕ С ПРИМЕНЕНИЕМ
КОРПУСОВ
В этом разделе рассмотрены тепловые и электрические ха-
рактеристики корпусов и проблемы соединения корпусов на
плате с печатным монтажом. Так как многокристальные при-
боры имеют гораздо большие число выводов, рассеяние мощ-
ности и быстродействие, очень важно учесть эти факторы при
выборе типа корпуса и деталей конструкций. Этот круг про-
блем хорошо известен тем, кто проектирует ЭВМ [52]. Тем не
менее ни в одной конструкции корпуса не удается полностью
разрешить тепловые и электрические проблемы проектирования
и межкомпонентных соединений.
МЕТОДЫ СБОРКИ И ГЕРМЕТИЗАЦИЯ
371
13.6.1. Тепловые характеристики герметизированных
приборов
Целью проектирования тепловых характеристик герметизи-
рованных приборов является поддержание рабочих темпера-
тур переходов кремниевого кристалла достаточно низкими для
функционирования приборов без отказов. Только в простейшем
случае кремниевый герметизированный прибор может рассмат-
риваться изолированно от окружающих его элементов ИС.
Обычно необходимо принимать во внимание температуру пла-
ты с печатным монтажом, общее рассеяние мощности платой,
локальное рассеяние мощности ближайшими элементами, сте-
пень принудительного воздушного охлаждения, расстояние
между платами, теплопроводность платы с печатным монта-
жом, а также идеальные рабочие характеристики изолирован-
ного корпуса.
При расчетах обычно используют тепловое сопротивление
переход—окружающая среда или переход — корпус (оболочка
герметизированного прибора), измеряемое в градусах Цельсия
на ватт. Упомянутые сопротивления определяют при помещении
прибора в чистую воздушную среду или при его монтаже в спе-
циальном приспособлении с углублением. Для конструкций,
некритичных к температуре, величины этих тепловых сопро-
тивлений равны; при этом появляется возможность приблизи-
тельного расчета степени повышения температуры перехода,
основанного на ожидаемых температуре окружающей среды и
рассеянии прибором мощности. В данном разделе будут рас-
смотрены направления теплового потока в керамическом и
пластмассовом корпусах.
При анализе тепловых характеристик керамического корпу-
са принимается во внимание тепло, выделяемое переходом и
распространяемое через кремний к оболочке корпуса и в ко-
нечном итоге в окружающую среду. На рис. 13.29 показан гиб-
ридный модуль, содержащий кристалл, прикрепленный к кор-
пусу обратной стороной, и перевернутый кристалл [7]. Изоб-
раженный модуль соответствует случаю с внешним отведе-
нием тепла из-под корпуса, например при конвективном охлаж-
дении платы, на которой смонтирован корпус. Такие модули
обычно используются в военной технике, где поддерживается
конвективный воздушный тепловой поток от корпусов. Перевер-
нутый корпус, подобный изображенному на рис. 13.19, в,
с матричным расположением выводов соответствует обычным
системам, где создается поток воздуха над корпусами.
Для модуля, приведенного на рис. 13.29, существуют две
проблемы теплоотвода: 1) перенос энергии от перехода, вы-
деляющего тепло, к внешним поверхностям корпуса, опреде-
372
ГЛАВА 13
ляемый в терминах внутреннего теплового сопротивления;
2) удаление тепла от поверхностей корпуса путем конвектив-
ного обмена с окружающей средой (свободная или вынужден-
ная конвекция через воздух или жидкость) и через плату с
печатным монтажом, обычно через штыри выводов корпуса,
благодаря теплопроводности.
Охлаждающий поток
Кристалл, - Монтажпометоди
\ 4UKPer,neHHtllu перевернутого
\обратнои стороной кристалла
Переход L Переход
Подложка
ШШ222 Ш/Щ/Л UZZZZZZZA V77R
Охлаждающий поток ‘-Гибридная плата
Рис. 13.29. Гипотетический керамический модуль, содержащий смонтировав
ный перевернутый кристалл и кристалл, прикрепленный обратной стороной.
Охлаждающий поток может протекать над или под корпусом в зависимости
от конфигурации системы [7].
Общее выражение для трехмерного теплового потока опре-
деляется уравнением Фурье [7].
dQldt— — kAAT, (13.27)
где Q — общий тепловой поток; k (Вт/(см-°С)—теплопровод-
ность твердого тела; АТ (°C)—разность температур вдоль на-
правления распространения теплового потока АХ (см);
А (см2) —площадь, перпендикулярная к направлению распро-
странения теплового потока в твердом теле. Отрицательный
знак указывает на то, что тепловой поток распространяется в
направлении более низких температур. Для установившейся
теплопроводности в одном направлении уравнение (13.27) мо-
жет быть сведено к следующему уравнению:
АТ
= (13.28}
Для установившейся конвекции от поверхности аналогичное
МЕТОДЫ СБОРКИ И ГЕРМЕТИЗАЦИЯ 37$
выражение выглядит следующим образом:
Q' = (fe'/б) А'АТ = hA'AT, (13.29>
где Q' (Вт)—тепловой поток в единицу времени; k' — тепло*
проводность движущейся среды на расстоянии б от поверх-
ности с эффективной площадью А' (см2); h=k'!b (Вт/(см2-
•°C) —коэффициент конвективного теплопереноса.
По аналогии с электрическим сопротивлением может быть
определено тепловое сопротивление R для теплопроводности:
R = °С/Вт, (13.30>
и для конвекции:
/?=-~=-^*°С/Вт. (13.31>
Повышение температуры перехода кристалла может быть
записано в виде
T} = TO+ATM+RS_MPS^RC.SPCA Rj-ch, (13.32>
где Tj — температура перехода кристалла; Rj-c, Rc-s, Rs-м —
тепловое сопротивление переход—кристалл, кристалл — под*
ложка и подложка — охлаждающая среда соответственно; Pf,
Pc, Ps—мощность, рассеиваемая переходом, кристаллом и под-
ложкой соответственно; АТм — повышение температуры охлаж-
дающей среды; То — температура охлаждающей среды на входе.
В уравнение (13.32) входят три тепловых фактора, связан-
ные с конструкцией: перенос тепла к поверхности корпуса-
(внутренний); удаление тепла от поверхности корпуса (внеш-
нее) и особенности окружающей среды (То). Желаемая вели-
чина Tj может быть получена подбором этих факторов.
Сопротивление распространению тепла во внешнюю окру-
жающую среду подробно описано для корпусов с пластинча-
тым радиатором в условиях конвективного охлаждения [54].
Для определения теплового сопротивления корпуса в зависи-
мости от большинства параметров корпуса и скорости конвек-
тивного охлаждающего потока были проведены анализ на ЭВМ.
с использованием методики расчета функций Грина и экспери-
ментальные исследования. В дальнейшем конвективное охлаж-
дение корпуса рассматриваться не будет, но следует отметить,,
что тепловое сопротивление корпуса с пластинчатым радиато-
ром, охлаждаемого воздушным потоком, перемещающимся со-
скоростью 10 м/с, в пять раз меньше по сравнению с тепловым
сопротивлением корпуса без радиатора с охлаждением есте-
ственной конвекцией. Если предположить, что весь корпус
охлаждается за счет конвекции от ребер радиатора, а кри-
25—233
374
ГЛАВА 13
Кристалл Активная
Валичные или \ ~ сторона
проволочные \ / кристалла
выводы_________________________
' 'x^jcoeSuHe-! J
>• ние ( I
Направление кристалла г
теплоотвода с подложкой) ।
Подложка ) 1
Активная
сторона
кристалла
Подложка
Направление
теплоотвода
Рис. 13.30. Направления теплоотвода в кристалле.
га — распространение тепла от перехода; б — распространение тепла от кристалла, при-
соединенного обратной стороной к подложке (за эффективную зону распространения теп-
.ла в таком приборе принят усеченный конус, в котором тепло распространяется от ос-
нования прибора под углом 45° через подложку толщиной X); в — распространение теп-
ла от смонтированного перевернутого кристалла [71.
•сталл помещен в расположенной снизу корпуса из окиси алю-
миния полости, как показано на рис. 13.19, в, то возможно до-
стижение величины теплового сопротивления переход — внеш-
няя среда 5—10°С/Вт.
Для получения таких низких величин теплового сопротивле-
ния должно быть уменьшено внутреннее тепловое сопротивле-
ние герметизированного прибора. Внутреннее тепловое сопро-
тивление является суммой сопротивлений, которые последова-
тельно составляют общее сопротивление между переходом и
поверхностью корпуса.
Для теплового потока в кристалл тепловое сопротивление
•состоит из двух частей:
Rc = Rj+Rc', (13.33)
МЕТОДЫ СБОРКИ И ГЕРМЕТИЗАЦИЯ
375>
где R,—тепловое сопротивление между переходом и некоторой
эталонной точкой на кристалле; R'c—тепловое сопротивление-
кристалла.
На рис. 13.30, а схематически показан рассеивающий мощ-
ность переход. Переход эмиттер — база представлен в виде по-
лусферы в полуограниченной области кристалла, которая рас-
сеивает тепло в другой концентрической полусфере (область-
г2). Для прямоугольного перехода размером ab и при R2 = <x>
Ri определяется выражением
/?, = А-1п4-^, (13.34>
f nak b* ' '
где k — коэффициент теплопроводности области перехода.
Тепловые сопротивления перехода могут достигать величин:
в несколько сотен градусов Цельсия на ватт, однако каждый
переход редко рассеивает тепло более нескольких милливатт.
Учитывая, что кристалл состоит из многих рассеивающих,
тепло переходов, распределенных по его поверхности, тепловое
сопротивление кристалла определяется выражением
<13-35>
где ДА— длина пути теплового потока; А— площадь, перпен-
дикулярная направлению теплового потока; k — внутренняя
теплопроводность кристалла. Величины АХ и А значительно
различаются в зависимости от метода крепления кристалла
(рис. 13.30,6 и в).
Для кристалла, прикрепленного обратной стороной, АХ
равна толщине кристалла, а А — площади кристалла, тогда как.
для перевернутого кристалла эти параметры не определяются
столь точно. В случае периферийных контактных площадок для
перевернутого кристалла тепло должно распространяться вниз
и наружу через кристалл, так как в конечном итоге оно долж-
но протекать через соединяющие столбики припоя. Если стол-
бики припоя расположены в виде матрицы, тепло распростра-
няется через кристалл подобно его распространению в кри-
сталле, прикрепленном обратной стороной.
Тепловое сопротивление соединения кристалла в обоих слу-
чаях может быть определено с использованием уравнения
(13.35). В случае крепления кристалла обратной стороной
тепловой поток рассеивается через тонкий слой эвтектики
Au—Si, припоя или эпоксидного клея. На рис. 13.31 приведена
зависимость теплового сопротивления соединения кристалла от
теплопроводности материала соединения для различных разме-
ров кристалла. Спаи столбиков припоя перевернутого кристал-
25*
376
ГЛАВА 13
ла с матрицей выводов могут быть представлены в виде мат-
рицы цилиндров.
Тепло, перенесенное через кристалл и соединение, должно
распространяться в подложку. Для прикрепленного обратной
стороной кристалла на определенную поверхность сопротивле-
ние растекания может быть определено выражением
Rs = —I- In 4 4-, (13.36)
«где а и b — размеры кристалла; ks — эффективная теплопро-
0,001 0.01 0,1 1
Теплопроводность материала соединения
кристалла, &т/(см-°с)
Фис. 13.31. Зависимость теплового сопротивления от теплопроводности мате-
риала соединения для кристаллов двух размеров [7].
водность монтажного основания. Обычно монтажная подложка
^является конечной деталью конструкции, и уравнение (13.35)
наиболее часто используется для расчета теплового сопротив-
ления распространения тепла к внешней поверхности корпуса.
За площадь А в уравнении (13.35) принимают среднюю пло-
щадь между источником и стоком тепла (эффективную пло-
щадь, определенную из рис. 13.30,6). Для прибора большого
размера, прикрепленного обратной стороной к керамической
подложке, тепловое сопротивление растекания через окись
алюминия к внешней поверхности является значительным вкла-
дом в тепловое сопротивление переход — внешняя поверхность
корпуса. Рассмотрение вопросов теплоотвода будет продолже-
но в разд. 13.6.3.
На рис. 13.32 показаны направления теплоотвода в пласт-
массовых плоских корпусах с двухрядным расположением вы-
гводов [55]. Теплоотвод в направлении, указанном на рис.
13.32, а, зависит в основном от выбора пластмассы с хорошей
МЕТОДЫ СБОРКИ И ГЕРМЕТИЗАЦИЯ
377
теплопроводностью. Вопросы, связанные с теплоотводом в этом
направлении, были рассмотрены выше. Теплоотвод в направ-
лении, указанном на рис. 13.32,6 и г, зависит от применения
выводной рамки и пластмассы с хорошей теплопроводностью.
Например, использование меди вместо сплава 42 уменьшает
Рис. 13.32. Схематическое изображение четырех основных направлений теп-
лоотвода в пластмассовом плоском корпусе с двухрядным расположением
16 выводов. Приведен разрез 1/8 части корпуса; детали, по которым отво-
дится тепло, выделены серым тоном, направления теплоотвода указаны
стрелками [54].
а— тепловой поток от кристалла к крнсталлодержателю, далее к пластмассе, находя-
щейся снизу и сверху кристаллодержателя; б —тепловой поток от кристалла к кристал-
лодержателю, далее к шнне вывода и к пластмассе снизу и сверху шнны вывода; в —•
тепловой поток от кристалла к крнсталлодержателю и шнне вывода, далее к пластмас-
се, выводам и пластмассе снизу и сверху вывода; г — тепловой поток от кристалла к
крнсталлодержателю н шине вывода, далее к пластмассе, выводам и спутнику-носителю.
тепловое сопротивление плоского корпуса с двухрядным распо-
ложением 16 выводов примерно в два раза (тепловое сопро-
тивление переход — окружающая среда равно 80 и 160°С/Вт
соответственно). Теплоотвод в направлении, указанном на рис.
13.32, в, определяется материалом выводной рамки.
13.6.2. Электрические характеристики
герметизированных ИС
Электрические характеристики ИС после помещения в кор-
пус сравнительно недавно стали привлекать к себе повсемест-
ное внимание [56]. В связи с увеличением быстродействия
современных схем и необходимостью снижения порога шума
конструкция корпуса должна разрабатываться более тщатель-
378
ГЛАВА 13
но. Представляют интерес некоторые критерии электрических
характеристик, а именно: низкое сопротивление заземления
(минимальное падение напряжения источника питания), ко-
роткие сигнальные выводы (минимальная индуктивность), ми-
нимальные скачки подводимой энергии из-за одновременного
переключения сигнальных линий, малая длина параллельных
Таблица 13.3. Электрические характеристики корпусов с числом
выводов 64—68 [8, 53, 61]
Параметр Тип корпуса Безвывод- иой кера- мический крнсталло- держатель Выводной пластмас- совый кри- сталлодер- жатель
.Керамиче- ский плоский корпус с двухрядным 'расположе- нием выво- дов Пластмас- совый пло- ский корпус с двухряд- ным распо- ложением выводив Корпус с матричным расположе- нием выво- дов
Максимальное сопро- тивление выводов R, Ом 1,1 о,1 0,2 0,2 0,1
Максимальная ем- кость выводов С, пФ 7 4 2 2 2
Максимальная индук- тивность выводов L, нГн 22 36 7 7 7
Теплоиое сопротивле- ние «переход — вы- вод» при температу- ре окружающей сре- ды Rj-P, °С/Вт 32 35 20 13 28
Площадь платы с пе- чатным монтажом, см2 18,7 18,7 6,45 6,45 6,45
Примечание. Для керамических корпусов емкость и индуктивность измерены для
проводящей дорожки в диэлектрике над плоскостью заземления на расстоянии 0,5 мм.
Емкость для пластмассовых корпусов измерена между проводящими дорожками.
участков линии сигнала (минимальные взаимная индуктивность
и наводки), малая протяженность линий сигнала вблизи плос-
кости заземления (минимальная емкостная нагрузка) и макси-
мальное использование согласованного полного сопротивления
для избежания отражения сигнала. Естественно, эти критерии
не являются взаимно независимыми. Они могут быть связаны
посредством простых геометрических переменных, таких, как
поперечное сечение и длина проводника, толщина диэлектрика
и диэлектрическая проницаемость материала корпуса. Эти во-
просы обычно учитываются теорией проводящих линий для
печатных плат, где наиболее критичным параметром является
МЕТОДЫ СБОРКИ И ГЕРМЕТИЗАЦИЯ
379
длина проводящих дорожек в схемы. Результаты исследова-
ний, приведенные в статьях и книгах, посвященных этим про-
блемам, а также описанные выше технологические методы
[57—60]| в основном применимы и для корпусов ИС.
В табл. 13.3 приведены основные характеристики различ-
ных типов корпусов. Предполагается, что все эти корпусы со-
держат кремниевые приборы с монтажом, выполненным про-
волокой диаметром 25,4 мкм и длиной 1,25 мм. Вклад в ин-
дуктивность, обусловленный этой проволокой, составляет вели-
чину 1,25 нГн [56]. Керамические корпусы изготавливают из
окиси алюминия по стандартной технологии обработки туго-
плавкой керамики. Здесь необходим компромисс между ин-
дуктивностью и емкостью вследствие того, что индуктивность
вблизи плоскостей заземления уменьшается, а емкость увели-
чивается.
Наиболее важной практической проблемой конструирования
корпусов ИС, имеющей отношение к обеспечению электриче-
ских характеристик, является уменьшение уровня шума. По су-
ществу при переключении линий напряжение, наведенное в ли-
нии заземления, определяется как
ЬЧу, (13.37)
где Vi—наведенное напряжение; Lg— индуктивность вывода
заземления; di/dt— производная тока по времени. Если пере-
ключается j линий, то V, равно
т- <1338>
Для того чтобы уменьшить Vt, необходимо использовать
многократное заземление для снижения величины Lg. При на-
личии т выводов заземления полная индуктивность примерно
равна Lg/m. Как показывает практика, до 25% выводов долж-
ны быть заземлены для управления уровнем шума. Эта высо-
кая величина оказывает большое влияние на плотность упаков-
ки корпуса и побуждает уменьшать Lg. Индуктивность может
быть значительно уменьшена, если использовать внутри кор-
пуса плоскости питания и заземления большой площади.
13.6.3. Соединение корпусов на плате
с печатным монтажом
Большинство герметизированных приборов, которые были
рассмотрены выше, сконструированы для установки на плате
с печатным монтажом или присоединения к ее поверхности.
Некоторые корпусы подходят также для гибридной сборки,
380
ГЛАВА 13
например держатель кристалла без выводов. Трудно опреде-
лить, какие корпусы обеспечивают лучший компромисс между
размерами, возможностью автоматизации производства и теп-
ловыми характеристиками. По этому поводу существует много
точек зрения. При последующих обсуждениях приведем неко-
торые технические аргументы выбора оптимальной конструк-
ции корпуса.
Рис. 13.33. Сопряжение стандартизованных Объединенным техническим со-
ветом по электронным приборам кристаллодержателей с обычной печатной
платой (шаг между отверстиями равен 2,54 мм). Расположенные уступами
контактные площадки необходимы для сопряжения с платой кристаллодер-
жателей с шагом выводов 1,27 мм.
Четырьмя основными конструкциями корпусов являются:
плоские корпусы с двухрядным расположением выводов; без-
выводные кристаллодержатели; кристаллодержатели, снабжен-
ные выводами; корпусы с матрицей выводов. Плоские корпусы
с двухрядным расположением выводов уступают другим кон-
струкциям в отношении герметизации с высокой плотностью
упаковки, поскольку имеют большие размеры. Расстояние
между выводами в трех последних типах корпусов может быть
различным, хотя в настоящее время для корпусов, устанавли-
ваемых на плату с печатным монтажом, стандартным является
расстояние 2,54 мм, а для корпусов, монтируемых на поверх-
ности платы, 1,02 и 1,27 мм.
На рис. 13.33 показаны стандартные типы кристаллодержа-
телей. Выводы, отстоящие друг от друга на 1,27 мм, могут
быть легко разведены на расстояние 2,54 мм, соответствующее
шагу сетки сквозных отверстий, которые должны быть исполь-
зованы для приборов, монтируемых на печатной плате.
Для приборов, монтируемых на поверхности платы, нет необ-
МЕТОДЫ СБОРКИ И ГЕРМЕТИЗАЦИЯ
381
ходимости в сквозных отверстиях, а требуются только углуб-
ления для выполнения соединений со слоями, лежащими под
поверхностными слоями. Таким образом, пространство, занятое
сквозными отверстиями для корпусов, монтируемых по разъем-
ному принципу, значительно больше, чем пространство, исполь-
зуемое для сквозных отверстий под кристаллодержатели.
Плотность соединений можно оценить с разных точек зре-
ния. На рис. 13.34 приведена оценка этой плотности на осно-
Число выводов
Рис. 13.34. Зависимость плотности выводов корпуса от их числа для некото-
рых корпусов СБИС [61].
вании плотности размещения выводов [62]. При этом не учи-
тываются такие аспекты, как возможность межкомпонентных
соединений, рассеяние мощности или стоимость. Как показано
на рис. 13.34, на основании плотности размещения выводов
предпочтительнее матрица выводов, а не выводы, расположен-
ные с шагом 1,02 мм, кристаллодержателя с 100—120 штыря-
ми, выводы с шагом 0,635 мм держателя с числом штырей бо-
лее 200. Для сравнения здесь взят корпус с менее плотной
концентрической сеткой выводов, поскольку он обладает боль-
шей возможностью рассеяния мощности (полость для помеще-
ния кристалла расположена снизу).
Плотность межкомпонентных соединений может быть также
рассмотрена исходя из плотности логических элементов [63].
Эмпирическим путем многими исследователями установлено,
что для произвольной логики число логических элементов и
сигнальных выводов корпуса определяется выражением
A’ = aG₽, (13.39)
г
382 ГЛАВА 13
где N — число сигнальных выводов, G — количество логических
элементов, а = 2—4,4 и ₽ = 0,5—0,7.
Используя это соотношение и значение плотности штырей
в различных корпусах, построены зависимости для корпусов
с выводами, расположенными по периметру, и корпусов с
матрицей выводов с шагом 2,54 мм (рис. 13.35). Корпусы с
расположением выводов по периметру имеют меньшую плот-
ность логических элементов при увеличении количества логи-
ческих элементов на кристалле, тогда как в корпусе с матри-
цей выводов плотность логических элементов увеличивается
для рассматриваемого диапазона величин р.
Из рис. 13.36 следует, что мощность рассеяния и плотность
логических элементов также взаимосвязаны. Рассеяние мощ-
ности кристаллами (5 Вт) выбрано до некоторой степени про-
извольно в качестве характерной величины рассеяния высоко-
качественных приборов. Значения удельной мощности рас-
сеяния (0,078 Вт/см2 при воздушном охлаждении и 1,08 Вт/см2
при жидкостном охлаждении) относятся к платам с печатным
монтажом большего размера. При принудительном воздушном
охлаждении изолированные корпусы могут рассеивать удель-
ную мощность выше 0,078 Вт/см2.
Для данного уровня интеграции (1500 логический эле-
мент/кристалл) оптимальным является корпус, позволяющий
разместить максимальное число логических элементов на еди-
нице площади [62], в результате чего максимальное число
логических элементов размещается в модуле или на плате с
печатным монтажом. Из рис. 13.36 следует, что при воздушном
охлаждении максимальная плотность логических элементов
для корпуса с расположением выводов по периметру с шагом
2,54 мм составляет ~ 12 логический элемент/см2, а для кор-
пуса с шагом выводов 1,27 мм или любого другого плотно-
упакованного корпуса — 36 логический элемент/см2, что лими-
тировано охлаждением. При воздушном охлаждении величина
рассеиваемой кристаллом мощности 5 Вт достигается при
большем числе логических элементов на кристалле, а следова-
тельно, меньшей величине мощности рассеяния логическим
элементом.
Рис. 13.35. Зависимость плотности логических элементов на единице площа-
ди корпуса от числа логических элементов на кристалле для корпусов с мат-
ричным расположением выводов с шагом 2,54 мм и корпусов с расположе-
нием выводов по периметру при [1=0,5 и 0,7 и а=2,2. Для корпусов с мат-
ричным расположением выводов число выводов, не задействованных в кри-
сталле, принято равным 4 [62].
L ] Область жидкостного охлаждения
I I Область воздушного охлаждения
Рис. 13.36. Зависимость плотности логических элементов на единице площа-
ди от числа логических элементов на кристалле для некоторых типов корпу-
сов СБИС с матричным расположением выводов и расположением выводов
по периметру [62].
Мощность, рассеиваемая кристаллом, составляет 5 Вт, углубление для кристалла —
0,635 см, зазор корпуса — 0,76 см, сс=2,2, р—0,6.
13.7. ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ
МЕТОДОВ СБОРКИ И ГЕРМЕТИЗАЦИИ
При возрастании функциональных возможностей кремние-
вых приборов число выводов корпуса будет продолжать увели-
чиваться. При выпуске высококачественных корпусов предпоч-
тение будет отдано керамическим корпусам на основе AhOg.
884
ГЛАВА 13
пока не произойдет переход к корпусам из ВеО, благодаря их
высокой диэлектрической постоянной и средней теплопровод-
ности. Если степень интеграции будет расти одновременно с
уменьшением размеров элементов (при определенном соотноше-
нии между размерами кристалла и области, занимаемой меж-
компонентными соединениями), то применяемые в настоящее
время методы межкомпонентных соединений кристалла, особен-
но соединение проволокой, могут быть использованы без значи-
тельных изменений. Метод проволочных соединений должен быть
усовершенствован для повышения производительности и точности
выполнения соединения, особенно при соединении выводов
корпуса. При разработке приборов, в которых для уменьше-
ния используемой площади кремниевого кристалла будут при-
менены элементы меньших размеров, возникнет ряд проблем,
связанных с межкомпонентными соединениями, а именно: пло-
щадь кристалла, отведенная межкомпонентным соединениям,
может значительно превысить площадь кристалла, занятую
активными элементами.
Автоматизированное соединение на ленточном носителе и
соединение методом перевернутого кристалла останутся спе-
циализированными методами сборки. Оба этих технологических
метода будут использоваться при сборке гибридных ИС, осо-
бенно автоматизированное соединение на ленточном носителе,
из-за возможности проведения предварительных испытаний
приборов. Преимуществами метода перевернутого кристалла
являются очень низкая величина индуктивности соединения
кристалла с корпусом и возможность повышения плотности
соединений (с использованием матрицы выводов) по сравне-
нию с проволочным монтажом и монтажом на ленточном носи-
теле. Сочетание монтажа методом перевернутого кристал-
ла с матрицей выводов и автоматизированного соединения на
ленточном носителе, подобно описанному в разд. 13.4.5, дает
возможность достижения лучших тепловых и электрических
характеристик и большей плотности элементов любых герме-
тизированных схем. Введение специальной металлургической
обработки пластин и лент сделает этот метод монтажа кри-
сталла высокотехнологичной операцией.
Проектирование систем все в большей степени будет зави-
сеть от системной оптимизации всей схемы межкомпонентных
соединений, что позволит реализовать преимущества возраста-
ния функциональных возможностей кремниевых приборов.
Оптимизация может способствовать появлению совершенно
новых требований к методам сборки и герметизации, но скорее
всего она приведет к отбору конкретных технологий сборки и
типов корпусов из тех, которые имеются в наличии.
МЕТОДЫ СБОРКИ И ГЕРМЕТИЗАЦИЯ 38&
ЗАДАЧИ
1. Дайте вывод уравнения (13.21).
2. Определите изменение зоны соединения при увеличении
вертикального напряжения и мощности вибрации для процес-
са ультразвуковой сварки. Представьте решение в графическом-
виде подобно примеру, приведенному на рис. 13.5.
3. Каково необходимое количество кремния (в граммах)*
для взаимодействия с влагой, содержащейся в полости корпуса
для размещения кристалла объемом 0,1 см3 с концентрацией
0,5% ? Расчет проведите для условий атмосферного давления
и комнатной температуры в полости.
4. Определите тепловое сопротивление растекания в крем-
ниевом кристалле, прикрепленном обратной стороной на под-
ложку из окиси бериллия или окиси алюминия; размеры кри-
сталла примите равными 1X1 мм и 7X7 мм.
5. Кремниевый кристалл с 68 сигнальными выводами имеет
время нарастания напряжения 5 В, равное 1 нс. Необходимо-
герметизировать этот кристалл так, чтобы наведенный уровень-
шум а в линии заземления составлял 0,2 В. Одновременно пе-
реключается 18 линий, индуктивность каждого вывода корпуса-
составляет 7 нГн. Выходные демпферы гасят 25 мА. Опреде-
лите необходимое число выводов корпуса, за исключением
выводов питания.
6. Определите оптимальную величину Nf для системы пере-
вернутого кристалла, предположив, что все параметры, кроме-
объема и массы, оптимизированы. Предположите, что величи-
ны го и б известны.
7. Каково минимальное расстояние между центрами кон-
тактных площадок при выполнении межкомпонентных соеди-
нений проволокой диаметром 25 мкм с учетом 30 %-ной дефор-
мации шарика (увеличения исходного диаметра проволоки э
3 раза)? Деформированный шарик должен располагаться на-
металлической части контактной площадки. Предположите, что
величина перекрытия пассивированной поверхности контактных
площадок равна 10 мкм, точность размещения шарика-
±12,5 мкм, а свободное пространство между контактными
площадками (металл к металлу) 25 мкм. При условии, что
кристалл имеет занятую активными элементами площадь 4,5Х
Х4,5 мм, а количество выводов равно 150, определите необхо-
димую величину дополнительной «неактивной» площади, ис-
пользуя принципы проектирования, сформулированные выше..
8. На рис. 13.36 завышено число логических элементов,,
содержащихся в отдельном корпусе, поскольку не учтено на-
личие выводов питания и заземления. В соответствии с рис.
13.36 определите число логических элементов, которые можно
-386
ГЛАВА 13
разместить в водоохлаждаемом корпусе с расположением вы-
водов по периметру на расстоянии 1,27 мм друг от друга.
•С учетом того, что 20% выводов прибора являются выводами
питания и заземления, определите плотность логических эле-
-ментов на 1 см2, которая практически может быть достигнута
® этом приборе.
ЛИТЕРАТУРА
1. Goddard Charles Т., The Role of Hybrids in LSI Systems, IEEE Trans.
Components, Hybrids, Manuf. Techol., 2, 367 (1979).
2. Cook Robert C., Madden Sandy, Williamson Harvey, New Approaches to
Sawing Microelectronic Materials, Semicond. Int., p. 65, Dec. (1980).
3. Stafford J. W., The Implications of Destructive Wire Bond Pull ana Ball
Bond Shear Testing on Gold Ball-Wedge Wire Bond Reliability, Semicond.
Int. p. 82, May (1982).
4. Dr. Keizer Alan, Brown Don, Bonding Systems for Microinterconnect Tape
Technology, Solid State Technol., p. 59, Mar. (1978).
5. White С. E. T., Slatery J., An Update on Preforms, Circuits Manufact.,
p. 78, Mar. (1978).
6. Olsen D. R., Berg H. M., Properties of Die Bond Alloys Relating to Ther-
mal Fatique, Proc. 27th Electronic Components Conf., p. 193 (1977).
7. Buchanan R. C., Reeber M. O., Thermal Considerations in the Design of
Hybrid Microelectronic Packages, Solid State Technol., p. 39, Feb. (1973).
8. Kyocera, Design Guidelines for Multilayer Ceramics, Publ. Number A-125E.
9. Planting Peter J., An Approach for Evaluating Epoxy Adhesives for Use
in Hybrid Microelectronic Assembly, IEEE Trans. Parts, Hybrids, Packag.,
11 305 (1975).
ilO. Aaams Clark N., A Bonding-Wire Failure Mode in Plastic Encapsulated
Integrated Circuits, Proc. Int. Rel. Phys. Symp., p. 41 (1973).
11. Licari James J., Perkins Kenneth L., Caruso Salvodore V., Evaluation of
Electrically Insulative Adhesives for Use in Hybrid Microcircuit Fabrication,
IEEE Trans. Paris, Hybrids, Packag., 9, 199 (1973).
12. Mitchell Curtis, Berg Howard, Use of Conductive Epoxies for Die Attach,
Int. Microelectron. Symp., p. 52 (1976).
13. Phylofsky Elliot, Purple Plague Revisited, Solid State Electron., 13, 1391
(1970).
14. Harmon George G., Albers John, The Ultrasonic Welding Mechanism as
Applied to Aluminium- and Gold-Wire Bonding in Microelectronics, IEEE
Trans. Parts, Hybrids, Packag., 13, 406 (1977).
15. Mitchell Vern H., II, Berg Howard M., Enhancing Ultrasonic Bond Deve-
lopment, IEEE Trans. Components, Hybrids, Manuf. Technol., 1, 211 (1978).
16. Otsuka Kanji, Usami Tamotsu, Ultrasonic Wire Bonding Technology for
Custom LSI’s with Large Number of Pins, Proc. 31st Electronic Compo-
nents Conf., p. 350 (1981).
17. McShane Mike B., Device Design and Lead Frame Layout Techniques for
Automatic Wire Bonding, Semicond. Int., p. 85, June (1980).
48. Ahmed N., Svitak J. J., Characterization of Gold-Gold Trermocompression
Bonding, Solid State Technol.', p. 25, Nov. (1975).
19. Hill R., Lee E. H., Tupper S. J., A Method of Numerical Analysis of Plas-
tic Flow in Plane Strain and its Application to the Compression of a Duc-
tile Material Between Rough Plates, I. Appl. Meeh., 18, p. 46 (1951).
20. Dr. Liu Tien-Shih, Dr. Fraenkel Henry S., Metallurgical Considerations in
Tin-Gold Inner Lead Bonding Technology, Int. I. Hybrid Microelectron., 1,
.69 (1978).
МЕТОДЫ СБОРКИ И ГЕРМЕТИЗАЦИЯ
387
21. Cain Roger L., Beam Tape Carriers — A Design Guide, Solid State Technol.,
p. 53, Mar. (1978).
22. Unger Robert F., Kanz John W., BTAB’s Future — An Optimistic Progno-
sis, Solid State Technol., p. 77, Mar. (1980).
23. Dr. Liu T. S., Rodgrigues de Miranda W. R., Zipperlin P. R., A Review of
Wafer Bumping for Tape Automated Bonding, Solid State Technol., p. 71,
Mar. (1980).
24. Kowalski John L., Multichip Hybrid Assembly Using Tape Automated Bon-
ding, Electron. Packag. Prod., p. 107, Jan. (1979).
25. Totta P. A., Sopher R. P., SLT Device Metallurgy and its Monolithic Ex-
tension, IBM J. Res. Dev., 13, 226 (1969).
26. Goldman L. S., Geometric Optimization of Controlled Collapse Interconnec-
tions, IBM J. Res. Dev., 13, 251 (1969).
27. Norris К- C., Landzberg A. H., Reliability of Controlled Collapse Inter-
connections, IBM. J. Res. Dev., 13, 266 (1969).
28. Manson S. S., Thermal Stress and Low Fatigue, McGraw-Hill, New York,.
1966.
29. Gardner R. A., Nufer R. W., Properties of Multilayer Ceramic Green Sheets,
Solid State Technol., p. 38, May (1974).
30. Otsuka Kanji, Usami Tamatsu, Sekihata Mosai, Interfacial Bond Strength-
in Alumina Ceramics Metallized and Cofired with Tungsten Ceram. Bull..,
60, 540 (1981).
31. Arney Daniel I., The JEDEC Chip Carrier and LSI Standard: A Summary,.
Semicond. Int., p. 103, June (1981).
32. Howell J. R., Reliability Study of Plastic Encapsulated Copper Lead Frame
Epoxy Die Attack Packaging System, Proc. Int. Rel. Phys. Symp., p. 104=
(1981).
33. Levinthal Donald S., Semiconductor Packaging Trends, Semicond. Int.,
p. 33, Apr. (1979).
34. Melliar-Srnith С. M, Matsuoko S., Hubbauer P., Plastic Encapsulation ol
Integrated Circuits, Plast. Rubber Mater. Appl., 5, 49 (1980).
35. Heinle Preston J Flow Patterns in Thermoset Mold Compounds, SPE
ANTEC, p. 426 (1979).
36. Kaneda A. et al., Modifications of Flow Crannels in Multi-Cavity Mold Die-
for Resin Molding of IC Devices, Proc. Int. Conf. Polymer Processing,
p. 349 (1979).
37. Usell R. J., Smiley S. A., Experimental and Mathematical Determination ot
Mechanical Strains within Plastic IC Packages and Their Effect on De-
vices During Environmental Tests, Proc. Int. Rel. Phys. Symp., p. 65>
(1981).
38. Lyman J., Packaging VLSI, Electronics, p. 66, Dec. (1981).
39. Robbins M. A., VHSIC Packaging, Proc. Int. Electron. Packag. Soc., p. 483.
(1981).
40. lannuzzi Melanie, Development and Evaluation of a Preencapsulation Clea-
ning Process to Improve Reliability of HIC’s with Aluminum Metallized?
Chips, IEEE Trans. Components., Hybrids, Manuf. Technol., 4, 429 (1981).
41. Traeger R. K-, Hermeticity of Polymeric Lid Sealents, Proc. 25th Electro-
nics Components Conf., p. 361 (1976).
42. Memis Irving, Quasi-Hermetic Seal for IC Modules, Proc. 30th Electronics-
Components Conf., p. 121 (1980).
43. Thomas R. W., Moisture, Myths, and Microcircuits, IEEE Trans. Parts,
Hybrids, Packag., 12, 167 (1976).
44. Moisture Measurement Technology for Hermetic Semiconductor Devices,
March 22—23, 1978, NBS (National Bureau of Standards) Publ. 400—69->
(1981).
45 White M. L., Striny К. M., Sammons R. E., Attaining Low Moisture Levels-
in Hermetic Packages, Proc. Int. Rel. Phys. Symp., p. 253 (1982).
388
ГЛАВА 13
46. Wong Ching-Ping, Room Temperature Vulcanized (RTV) Silicone as Inte-
grated Circuit (IC) Coating, Proc. ISHM, p. 315 (1981).
-47. Mancke R. G., A Moisture Protection Screening Test for Hybrid Circuit
Encapsulants, IEEE Trans. Components, Hybrids, Manuf. Technol., 4, 492
(1981).
-48. Cvijanovich George, Active Protection of IC Surfaces, Semicond. Int., p. 57,
May (1979).
49. May T. C., Woods M. H., Alpha-Particle-Induced Soft Errors in Dynamic
Memories, IEEE Trans. Electron Devices, 26, 2 (1979).
30. May Timothy C., Soft Errors in VLSI: Present and Future, IEEE Trans.
Components, Hybrids, Manuf. Technol., 2, 377 (1979).
31. White M. S., Serpiello J. W., Striny К. M., Rosensweig W., The Use of Si-
licone RTV Rubber for Alpha Particle Protection on Silicon Integrated
Circuts, Proc. Int. Rel. Phys. Symp., p. 43 (1981).
32. Kanai Hisao, Low Energy LSI and Packaging for System Requirements,
IEEE Trans. Components, Hybrids, Manuf. Technol., 4, 173 (1981).
S3. Settle Capt. Roger E., Jr., A New Family of Microelectronic Packages for
Avionics, Solid State Technol., p. 54, June (1978). Ellison G. N., Thermal
Design of an LSI Single-Chip Package, IEEE Trans. Parts, Hybrids,
Packag., 12, 371 (1976).
34. Mitchell Curtis, Berg Howard M., Thermal Studies of Plastic Dual-In-Line
Packages, IEEE Trans. Components, Hybrids, Manuf. Technol., 2, 500
(1979).
55. Schaper Leonard W., The Impact of Inductance on Semiconductor Packa-
ging, Proc. Int. Rel. Phys. Symp., p_. 38 (1981).
56. Rainal A. J., Transmission Properties of Various Styles of Printed Wiring
Boards, Bell Syst. Tech. J., 58, 995 (1979).
"57. Grover Frederick W., Inductance Calculations: Working Formulas and
Tables, Van Nostrand, New York, 1949.
58. Hill Y. M., Reckford N. O., Winner D. R., A General Method for Obtaining
Impedance and Coupling Characteristics of Practical Microstrip and Triplate
Transmission Line Configuration, IBM J. Res. Dev., 13, 314 (1969).
39. DeFaico J. A., Reflections and Crosstalk in Logic Circuit Interconnections,
IEEE Spectrum, p. 44;, July (1970).
30. O’Neill T. G., VLSI Packaging Requirements and Trends, Semicond. Int.,
p. 43, Mar. (1981).
€1. Arney D. J., Integrated Circuit Package Selection: Pin Grid Array vs. Chip
Carriers, Proc. Int. Electron. Packag. Soc., p. 1 (1981).
32. Steele T. S., Terminal and Cooling Requirements for LSI Packages, IEEE
Trans. Components, Hybrids, Manuf. Technol., 4, 187 (1981).
14
ВЫХОД ГОДНЫХ ИС И ИХ НАДЕЖНОСТЬ
БЕРТРЕМ У.')
14.1. ВВЕДЕНИЕ
В предыдущих главах обсуждались научные и техиологиче-
ские вопросы, связанные с изготовлением СБИС. В данном
разделе рассматриваются два условия, которые должны быть
удовлетворены, чтобы изготовление СБИС оставалось перспек-
тивным направлением. Во-первых, их производство должно
носить массовый характер, а стоимость ИС должна быть срав-
нима со стоимостью схем, выполняющих те же функции и реа-
лизованных другими методами. Во-вторых, схемы должны
находиться в работоспособном состоянии на протяжении опре-
деленного для них срока службы. Для удовлетворения этих
требований необходимо знание причин повышения стоимости
и снижения надежности приборов. Понимание этих причин и их
количественная оценка позволяют разработать технологию, не-
обходимую для соблюдения указанных выше условий.
Оптимальные размеры ИС по отношению к числу выпол-
няемых схемой функций определяются несколькими взаимо-
связанными факторами: разделением системы (подсистемы)
на схемы, ожидаемым выходом годных схем, стоимостью гер-
метизации и сборки системы и общей надежностью полной
системы. Если система, подразделяется на большое количество
ИС, то процент выхода годных схем может быть очень высо-
ким. Однако суммарная стоимость герметизации большого ко-
личества этих кристаллов и сборки их на схемной плате мо-
жет оказаться выше, чем стоимость изготовления меньшего
числа больших схем, с меньшим процентом выхода, герметиза-
ции и сборки этих схем. Для того чтобы определить оптималь-
ное число ИС, на которое следует разделить полную систему,
необходимо иметь возможность прогнозировать выход годных
кристаллов и стоимость ИС в зависимости от размеров схемы.
Оптимизация является, довольно сложной задачей, поскольку
число требуемых функций схемы может увеличиваться по мере
разделения системы на все меньшие ИС. Кроме того, воз-
» Bertram W. J., Bell Laboratories, Allentown, Pennsylvania.
390
ГЛАВА 14
можно ухудшение харикте]>мсi ик по.'пюи системы за снег юго,
чао время передачи сигналов между различными компонента-
ми еисюмы, выполненными на отдельных кристаллах, больше
но сравнению с ley же параметром системы, все функции ко-
торой реализованы на одной ИС. Поэтому для оптимального
деления системы необходимо нрогпознрошп ь общую надеж-
ность системы в зависимости от числа ИС, обладающих изме-
няемыми размерами.
В этой главе обсуждаю!ся различные меюды оценки вы-
хода годных СВИС и их надежности. Рассматриваются факто-
ры, в значительной сгспспи ограничивающие эти характери-
стика. Описываются способы, обеспечивающие снятие ограниче-
ний иа выход годных ИС п их надежность.
14.2. ФАКТОРЫ, ВЛИЯЮЩИЕ НА ВЫХОД ГОДНЫХ СБИС
В идеальном случат- следует ожидать, что все схемы на
coo, веитвуюш.им образом изготовленной пластине будут функ-
ционирующими. На практике число годных схем может изме-
няться от величины, близкой к 100%, до одной или несколь-
ких схем иа пластину. Обычно причины снижения выхода год-
ных схем подразделяют иа три категории: технологические
факторы, факторы проектирования и случайные точечные де-
фекты па схеме. Рассмотрим каждую нз этих категорий.
14.2.1. Технологические факторы
Сели посмотреть па карту или фотографию подвергнутой
контролю пластины, то па ней можно выделить области с очень
высоким процентом содержания годных кристаллов и области
с очень низким процентом содержания таких кристал-
лов, иногда даже равным нулю (рис. 14.1). Данный раздел
посвящен технологическим факторам, обусловливающим появ-
ление областей с низким выходом годных кристаллов. К этим
факторам относятся: отклонения толщины слоев окисла и поли-
кристаллического кремния, отклонения сопротивления имплан-
тированных слоев, погрешности размеров элементов при лито-
графическом формировании топологии схемы и погрешности
совмещения фотошаблона с топологией схемы, сформированной
па предыдущих стадиях. Многие из этих факторов взаимосвя-
заны. Например, в области, где толщина слоя поликристалли-
ческого кремния меньше средней величины, глубина стравли-
вания слишком высока, если время травления пластин вы-
брано, исходя из толщины слоя поликристаллического крем-
ния, превышающей среднее значение. В областях с меньшей
ВЫХОД ГОДНЫХ ИС И ИХ НАДЕЖНОСТЬ
391
Рис. 14.1. Фотография пластины ИС, иа которой показаны области шлокого
и низкого выхода годных кристаллов.
кристаллы. ।>тмеченные черными точками, содержат дефек|ы. Крпе.ia.iлы, го.-i jiwiuii.ip
ИЗ 3—1 ЭЛСМС111 СВ, ЯВЛЯЮТСЯ 1СС1ОИЫ.МИ модулями.
толщиной слоя поликристаллического кремния затворы МОП-
приборов обладают меньшими размерами. Это приводит к
слишком малой длине канала МОП-транзистора, в результате
чего транзисторы не отключаются при приложении соответ-
ствующего напряжения к электроду затвора. Поэтому может
быть нарушено функционирование схем либо чрезмерно возра-
стут токи утечки.
Отклонения уровня легирования имплантированных слоев
могут привести к изменению сопротивления контакта к им-
плантированным слоям, а отклонение толщины диэлектриче-
ских слоев — к изменению размеров контактных окон. Оба этих
фактора могут стать причиной отказов функционирования
390
ГЛАВА 14
можно ухудшение характеристик полной системы за счет того,
что время передачи сигналов между различными компонента-
ми системы, выполненными на отдельных кристаллах, больше
ио сравнению с тем же параметром системы, все функции ко-
торой реализованы на одной ИС. Поэтому для оптимального
деления системы необходимо прогнозировать общую надеж-
ность системы в зависимости от числа ИС, обладающих изме-
няемыми размерами.
В этой главе обсуждаются различные методы оценки вы-
хода годных СБИС и их надежности. Рассматриваются факто-
ры, в значительной степени ограничивающие эти характери-
стики. Описываются способы, обеспечивающие снятие ограниче-
ний на выход годных ИС и их надежность.
14.2. ФАКТОРЫ, ВЛИЯЮЩИЕ НА ВЫХОД ГОДНЫХ СБИС
В идеальном случае следует ожидать, что все схемы на
соответствующим образом изготовленной пластине будут функ-
ционирующими. На практике число годных схем может изме-
няться от величины, близкой к 100%, до одной или несколь-
ких схем на пластину. Обычно причины снижения выхода год-
ных схем подразделяют на три категории: технологические
факторы, факторы проектирования и случайные точечные де-
фекты на схеме. Рассмотрим каждую из этих категорий.
14.2.1. Технологические факторы
Если посмотреть на карту или фотографию подвергнутой
контролю пластины, то на ней можно выделить области с очень
высоким процентом содержания годных кристаллов и области
с очень низким процентом содержания таких кристал-
лов, иногда даже равным нулю (рис. 14.1). Данный раздел
посвящен технологическим факторам, обусловливающим появ-
ление областей с низким выходом годных кристаллов. К этим
факторам относятся: отклонения толщины слоев окисла и поли-
кристаллического кремния, отклонения сопротивления имплан-
тированных слоев, погрешности размеров элементов при лито-
графическом формировании топологии схемы и погрешности
совмещения фотошаблона с топологией схемы, сформированной
на предыдущих стадиях. Многие из этих факторов взаимосвя-
заны. Например, в области, где толщина слоя поликристалли-
ческого кремния меньше средней величины, глубина стравли-
вания слишком высока, если время травления пластин вы-
брано, исходя из толщины слоя поликристаллического крем-
ния, превышающей среднее значение. В областях с меньшей
ВЫХОД ГОДНЫХ ИС И ИХ НАДЕЖНОСТЬ
391
Рис. 14.1. Фотография пластины ИС, на которой показаны области высокого
и низкого выхода годных кристаллов.
Кристаллы, отмеченные черными точками, содержат дефекты. Кристаллы, составленные
из 3—4 элементов, являются тестовыми модулями.
толщиной слоя поликристаллического кремния затворы МОП-
приборов обладают меньшими размерами. Это приводит к
слишком малой длине канала МОП-транзистора, в результате
чего транзисторы не отключаются при приложении соответ-
ствующего напряжения к электроду затвора. Поэтому может
быть нарушено функционирование схем либо чрезмерно возра-
стут токи утечки.
Отклонения уровня легирования имплантированных слоев
могут привести к изменению сопротивления контакта к им-
плантированным слоям-, а отклонение толщины диэлектриче-
ских слоев — к изменению размеров контактных окон. Оба этих
фактора могут стать причиной отказов функционирования
392
ГЛАВА 14
схем при наличии дорожек, характеристики которых опреде-
ляются величиной контактного сопротивления.
При проведении различных операций по обработке пласти-
ны происходят незначительные, но критичные изменения ее
размеров. Например, образованный в результате окисления
пластин слой SiO2 имеет объем, приблизительно в 2 раза пре-
вышающий объем кремния, затраченного иа получение слоя
окисла. Пластина после окисления состоит из внутреннего слоя 1
кремния, в котором существуют растягивающие напряжения, |
и слоев окисла на обеих поверхностях, находящихся под внут- I
ренним напряжением сжатия. Диаметр окисленной пластины
превышает диаметр исходной пластины. Если величина внут-
ренних напряжений превышает предел упругости материала,
то происходит его деформация. При удалении окисла с одной
стороны пластина прогибается в сторону поверхности со слоем ,
окисла.
При проведении технологических операций размер пластины
может изменяться более чем на 2-10~3%. Таким образом,
в пластине диаметром 125 мм возможно изменение его на
2,5 мкм, что значительно превышает допустимые отклонения
размеров пластины. Если такие отклонения размеров пластины
не будут скомпенсированы, то погрешности совмещения при-
ведут к появлению областей на пластине, занятых нефункцио-
нирующими схемами. Кроме того, из-за плохого качества очист-
ки на поверхности пластины могут присутствовать остаточные
загрязнения химическими реагентами, способствующие образо-
ванию окислительных дефектов упаковки. Эти дефекты могут
привести к чрезмерным токам утечки и последующим отказам
схемы. ।
С совершенствованием процессов и технологических опера-
ций влияние многих из этих факторов, ограничивающих выход
годных схем, может быть уменьшено или устранено, однако
возможно появление новых причин, вызывающих отказы схем. J
14.2.2. Факторы проектирования схем
Определенные области на пластине могут иметь низкий
выход годных приборов не только из-за превышения установ-
ленных допустимых отклонений параметров приборов, связан-
ного с технологией их изготовления, но и вследствие того, что
при проектировании схемы не учтены возможные отклонения
параметров приборов и соотношение между отклонениями раз-
личных параметров.
При проектировании МОП-схем наиболее важными пара-
метрами являются пороговое напряжение VT н длина канала
L МОП-транзисторов. Отклонения уровня легирования подлож-
i
i
ВЫХОД ГОДНЫХ ИС И. ИХ НАДЕЖНОСТЬ
393
ки, дозы ионной имплантации, толщины окисла затвора вызы-
вают изменения величины порогового напряжения. Отклонения
длины затвора и глубины перехода истока и стока приводят
к изменениям длины канала. Пороговое напряжение и длина
канала обычно не связаны друг с другом. Однако быстродей-
ствие схемы, как правило, увеличивается при уменьшении этих
параметров. Рабочие характеристики схем часто моделируют
для двух условий: высокого быстродействия (малые величины
VT и L) и низкого быстродействия (большие величины
VT и L). Кроме того, должно быть выполнено моделирование
характеристик схемы при малом значении VT и большой вели-
чине L и большом VT и малой L. При проектировании схемы
должны быть также учтены отклонения других параметров,
таких, как сопротивление имплантированных областей, емкость
между проводящим слоем и подложкой, контактное сопротив-
ление и токи утечки.
Две схемы с одинаковыми номинальными размерами и со-
ставом элементов, изготовленные по одной технологии, часто
значительно отличаются по проценту выхода годных изделий.
Низкий процент выхода годных схем в этом случае объясняет-
ся тем, что при проектировании схемы не учтена ее чувстви-
тельность к параметрам приборов. Для получения более вы-
сокого процента выхода годных схем необходимы совместные
усилия проектировщиков схем, определяющих конкретные пара-
метры приборов, к изменениям которых чувствительна схема,
и технологов, которые оптимизируют номинальные значения
и диапазон отклонения этих параметров. После определения
чувствительности схем к конкретным параметрам процесса их
изготовления повторное проектирование схем, направленное на
уменьшение этой чувствительности, приведет к повышению
процента выхода годных кристаллов и снижению их стоимости
при минимальном участии технологов.
14.2.3. Точечные дефекты
Как правило, процент выхода годных схем отличен от 100%
даже в тех случаях, когда отклонения всех технологических
параметров находятся в допустимых пределах. Причиной сни-
жения процента выхода годных схем обычно является наличие
на пластине точечных дефектов. Точечным дефектом называют
несовершенную область пластины, размер которой мал по срав-
нению с размерами кристалла. В качестве примера рассмот-
рим кристаллл 2000X2000 мкм с элементами, размеры кото-
рых равны 2 мкм. Частица пыли диаметром 3 мкм на поверх-
ности пластины может привести к разрыву металлического
проводника. Подобно этому, частица пыли диаметром 200 мкм
26-233
394
ГЛАВА М
может вызвать отслаивание большого участка металлического
слоя от кристалла. Обе эти частицы рассматриваются как
причины появления точечных дефектов. Область, пластины диа-
метром 1 см, содержащая 20—30 кристаллов, на которой от-
сутствует металлическая пленка, не является точечным дефек-
том.
К точечным дефектам относят многие виды технологических
дефектов. Одной из наиболее распространенных причин де-
фектов являются пыль и другие частицы из окружающей сре-
ды. Они могут попадать на поверхность пластин при переме-
щении пластин по технологической зоне или внедряться в>
пленку при осаждении последней. Твердые частицы могут так-
же присутствовать в растворах резистов и осаждаться на
пластине при проведении операции литографии. Кроме того,,
возможно прилипание к поверхности пластин кремниевых ча-
стиц, отколовшихся от пластин при манипулировании ими во
время технологических операций. Изолированные окислитель-
ные дефекты упаковки, вызывающие увеличение токов утечкв
и отказы схем, также могут рассматриваться в качестве при-
чин появления точечных дефектов, равно как и изолированные
бугорки на эпитаксиальных слоях или проколы в диэлектриче-
ских пленках.
Точечные дефекты могут присутствовать на литографиче-
ских шаблонах так же, как и на кремниевых пластинах. Пыль
и другие частицы, попадающие на заготовки шаблонов в про-
цессе их изготовления, могут привести к образованию постоян-
ных дефектов на шаблоне. Частицы, прилипающие к шаблону
в процессе его использования, вызывают постепенное увеличе-
ние плотности точечных дефектов, которые воспроизводятся на
пластинах. Эти дефекты удаляются при периодической очистке
поверхности шаблона.
Успешное производство ИС возможно при постоянном конт-
роле плотности точечных дефектов. Этот контроль может осу-
ществляться путем оценки качества схем на всех стадиях их
изготовления и выполняться визуально или с помощью растро-
вого электронного микроскопа. При обнаружении любых изме-
нений плотности дефектов во время конкретной операции долж-
ны быть приняты соответствующие меры для коррекции пара-
метров технологического процесса. Контроль плотности дефек-
тов можно выполнять и с применением специальных операций.
Пластины могут быть протравлены для удаления всех пленок,
а кремниевая подложка обработана для выявления дефектов
упаковки, плотность которых затем контролируется. На других
пластинах может быть сформирована топология с использова-
нием специальных шаблонов, что позволяет провести электри-
ческие измерения на наличие дефектов пробоя диэлектрика.
ВЫХОД ГОДНЫХ ИС И ИХ НАДЕЖНОСТЬ
395
С обнаружением новых типов дефектов, являющихся причиной
отказов схемы, следует вводить методы контроля этих дефек-
тов.
Кроме этого, должны контролироваться выход годных ИС
и причины отказов схем. Наиболее удобным является исполь-
зование таких кристаллов, как схемы памяти, отказы в кото-
рых могут быть связаны с конкретной областью кристалла
(например, с одним из шести транзисторов ячейки статической
памяти). Для успешного производства ИС необходимо по-
стоянно контролировать, регулировать и снижать плотность
точечных дефектов.
14.3. МОДЕЛИРОВАНИЕ МЕХАНИЗМОВ СНИЖЕНИЯ
ВЫХОДА ГОДНЫХ ИС
Моделирование выхода годных ИС с использованием. фун-
даментальных параметров, которые не 1 зависят от характе-
ристик ИС и параметров процесса изготовления и технологи-
ческой цепочки, играет важную роль по нескольким причи-
нам. С помощью точного моделирования выхода годных ИС
можно прогнозировать стоимость и возможности применения
будущих схем на основании их технологической и конструк-
тивной связи со схемами, использованными для разработки
параметров моделирования. Определив параметры моделиро-
вания, можно сравнивать качество различных технологических
цепочек изготовления ИС и таким образом выявлять области,
где необходимо введение улучшений. Параметры моделирова-
ния выхода годных ИС для данного процесса или технологиче-
ской цепочки, имеющие значительные вариации для конкретной
схемы, указывают на чувствительность схемы к параметрам
приборов. На основании дальнейших исследований можно пред-
усмотреть возможные изменения в конструкции схемы или
процесса, которые приведут к значительному повышению вы-
хода годных изделий.
Обычно выход годных ИС представляют в следующей
форме:
Y = Y^Y1(D0,A,ai), (14.1).
где Y — отношение числа годных кристаллов к общему числу
кристаллов на пластине, (1 — Ув)—доля дефектных кристал-
лов, обусловленная технологическими факторами или чувстви-
тельностью схемы к технологии; Yt — выход годных кристаллов
из оставшейся части кристаллов; Do — плотность точечных де-
фектов на единицу площади; А — площадь кристалла; щ —
параметры выбранной модели выхода годных кристаллов.
26’
396
ГЛАВА 14
Все модели, описанные в разд. 14.3.1—14.3.4, предсказывают
монотонное уменьшение выхода годных схем с увеличением
площади кристалла. Эти модели полезны для прогнозирования
выхода годных ИС при условии, что параметры моделируемой
системы не выходят за пределы заданного диапазона. При мо-
делировании выхода годных ИС заведомо недооценивается их
выход, поскольку производство ИС является постоянно разви-
Рис. 14.2. Сетка из 24 кристал-
лов с десятью дефектами, обо-
значенными символом х.
вающимся процессом. Моделирова-
ние выхода годных схем учитывает
те процессы и механизмы, которые
ограничивают выход годных совре-
менных ИС. После выявления фак-
торов, ограничивающих выход год-
ных ИС, технологический процесс
совершенствуют или при необходи-
мости исключают отдельные опера-
ции. Например, контактная литогра-
фическая печать была заменена
проекционной оптической печатью,
что привело к снижению плотности
дефектов; сухое травление пришло
на смену жидкостному, в связи
с этим повысилась точность воспро-
изведения размеров элементов; ион-
ная имплантация используется вместо диффузии, благодаря че-
му улучшилось управление сопротивлением и глубиной пере-
хода.
Моделирование выхода годных ИС не является методом
прогнозирования будущего развития, скорее, это инструмент
улучшения современных процессов и конструкций схем. В сле-
дующих ниже разделах рассматриваются особенности некото-
рых наиболее общих методов моделирования влияния точечных
дефектов на выход годных ИС.
14.3.1. Однородная плотность распределения
точечных дефектов
В области, где выход годных кристаллов определяется не
технологическими факторами или параметрической чувстви-
тельностью схем, причиной его снижения являются случайно
распределенные точечные дефекты. На рис. 14.2 показана сет-
ка из 24 кристаллов, на которых случайным образом распре-
делено десять точечных дефектов. В этом примере 16 из
24 кристаллов не содержат дефектов, т. е. являются годными
кристаллами. Из оставшихся восьми кристаллов шесть содер-
жат по одному дефекту и два имеют по два дефекта, ни один
ВЫХОД ГОДНЫХ ИС И ИХ НАДЕЖНОСТЬ
397
из кристаллов не содержит более двух дефектов. Проблема
определения выхода годных кристаллов идентична классиче-
ской статистической проблеме размещения п шаров в ДО ячей-
ках и подсчета вероятности того, что ячейка содержит k шаров
[1]. Если п дефектов распределены случайным образом в ДО
кристаллах, то вероятность того, что данный кристалл содер-
жит k дефектов, определяется биномиальным распределением
^ = ^^-^(^-1)-. (14-2)
В предельном случае при больших величинах ДО и п отно-
шение nlN = m имеет конечное значение и биномиальное рас-
пределение может быть аппроксимировано более простым рас-
пределением Пуассона
(!4-3)
Вероятность того, что кристалл не содержит дефектов, ко-
торая соответствует выходу годных кристаллов, определяется
выражением
Y0 = P0 = e~m, (14.4)
а вероятность того, что кристалл содержит один дефект, равна
Р1 = те~т. (14.5)
Если площадь кристалла есть А, то суммарная площадь
годных кристаллов равна ДОЛ, а плотность дефектов Do=n/NA.
Среднее число дефектов на кристалле т равно
m = n/N = D0NA/N = D0A, (14.6)
и, следовательно,
у1 = р0 = е-оол. (14.7)
Распределение Пуассона было использовано для прогнози-
рования выхода годных кристаллов на раннем этапе производ-
ства ИС. Однако реальный выход годных больших схем значи-
тельно выше, чем предсказанный с использованием величии
Do, определенных с применением формулы Пуассона для схем
с меньшей степенью интеграции. Действительно, получение
низких величин выхода годных кристаллов, определенных по
уравнению Пуассона, без сомнения, задержало проведение
разработок ИС на раннем этапе их развития.
398
ГЛАВА 14
14.3.2. Простые неоднородные распределения D
Противоречие между полученными и прогнозируемыми ве-
личинами выхода годных ИС на ранней стадии их развития
иривело к необходимости исследования влияния неоднородных
распределений Do по пластине на выход годных ИС, форми-
руемых из пластины. Выход годных ИС, получаемых на пла-
в
О
2 Do
Ял)

Рис. 14.3. Распределение плотности дефектов: а — дельта-фуикция; б —тре-
угольное распределение; в — прямоугольное распределение [3].
стине с неоднородным распределением дефектов Do, может
быть определен следующим образом [3]:
Y = ^e~DAf(D)dD, (14.8)
о
где ff(D)dD=i. Для трех распределений Do — дельта-функ-
ции, треугольного и прямоугольного распределений (рис. 14.3) —
выход годных ИС определяется согласно следующим выраже-
ниям:
дельта- функция: Y х = е-о<и ,
треугольное распределение: Y2 =
(14.9)
1__(,—DoA "|2
ВЫХОД ГОДНЫХ ИС И ИХ НАДЕЖНОСТЬ
399
1__е—WqA
прямоугольное распределение: Y3 — ——
При D0A > 1 эти выражения примут вид
e~Dt>A,
Y ~ 1
r2=(ZW’
Y ~ 1
з— 2D04 •
(14.П)
(14.12)
(14.13)
(14.14)
При решении уравнений (14.13) и (14.14) получаются зна-
чительно большие величины выхода годных ИС по сравнению
со значениями, определенными по уравнению Пуассона. Эти
уравнения широко используются; при этом значение Уз наибо-
лее точно отражает реальный выход годных больших ИС. Так
как описанные выше распределения носят абстрактный харак-
тер, в настоящее время усилия исследователей направлены на
получение распределений, более точно отображающих реаль-
ные условия.
14.3.3 . Гамма-распределение D
Гамма-распределение, которое можно использовать для рас-
чета выхода годных ИС, является более близким к встречаю-
щимся на практике распределениям [4—6]. Функция плотности
вероятности распределения этого распределения определяется
выражением
= (14.15)
где а и ₽ — параметры распределения, Г (а)—гамма-функция.
Величины D, а и ₽ больше нуля. В этом распределении средняя
плотность дефектов определяется как О0 = сф, дисперсия D как
var (£))=ар2 и коэффициент вариации равен yvar(£))/£>o= l/fa.
Вероятность того, что кристалл содержит k дефектов, равна
р = С е-т f(D)dD= Г ____________(14 161
\ k\ ft Г (а) (др+1)^а-
О
где
^f(D)dD=\.
о
400
ГЛАВА 14
Вероятность отсутствия дефектов на кристалле выражается
как
У4 = Р0 =-----?—- =--------?----— (14.17)
0 (A₽+l)® (l+SADo)'/5’ V ’
где
с var(D) 1
В уравнении (14.17) выход годных кристаллов является
функцией средней плотности дефектов Do, площади кристалла
А и параметра формы S, определяемого как квадрат коэффи-
циента вариации распределения D. Как правило, гамма-распре-
деление D представляет собой несимметричное распределение,
распространяющееся от нуля до бесконечности. На рис. 14.4 по-
казан вид функции распределения для различных величин па-
раметра формы S. В предельном случае S—>-0 гамма-распреде-
ление сводится к дельта-функции
f (D) = 6(D—D0), (14.18)
где S^O, р=SD0, и выход годных ИС определяется ожидаемым
ВЫХОД ГОДНЫХ ИС И ИХ НАДЕЖНОСТЬ
401
выходом годных ИС, рассчитанным по уравнению Пуассона:
= 5----> о. (14.19)
На рис. 14.5 приведена гамма-функция выхода годных ИС
с использованием уравнения (14.17). Для сравнения приведены
функции выхода годных ИС У2 и Уз. Функция выхода годных
ИС для однородной плотности дефектов Do У1 идентична гамма-
Рис. 14.5. Зависимость выхода годных кристаллов от DaA для гамма-функ-
ции (штриховые кривые), а также дельта-функции, треугольного и прямо-
угольного распределений (сплошные кривые).
функции выхода годных ИС при S = 0. Гамма-функция выхода
годных ИС, несомненно, является хорошим приближением к
функциям У2 и Уз в широком диапазоне величин D0A. Более
того, гамма-функция выхода годных ИС обладает довольна
большим диапазоном изменения формы кривой эксперименталь-
ного выхода годных ИС в зависимости от площади под кривой.
Поэтому гамма-функция является наиболее общей функцией,
представляющей выход годных ИС. Значения параметра формы
S в значительной степени изменяются для разных видов ИС,
изготавливаемых в различных технологических условиях.
На выход годных кристаллов оказывают влияние многие дефек-
ты, параметры Do и S для различных видов дефектов значитель-
но отличаются.
402
ГЛАВА 14
14.3.4 . Выход годных ИС с резервной компоновкой
Многие кристаллы больших МОП-схем памяти разрабаты-
вают с резервными компонентами, которые могут быть включе-
ны для замены дефектных компонентов схемы. Такая замена не
представляет затруднений для МОП-схем памяти, большинство
элементов которых продублировано. Замена дефектных компо-
нентов схемы обычно выполняется с использованием плавких
соединений. Расплавление этих соединений производится с при-
менением лазера или другими методами.
Если в кристалле памяти предусмотрена одна резервная
колонка, то любой кристалл с дефектом в колонке может быть
восстановлен путем замены дефектной колонки на резервную.
Выход годных кристаллов определяется в этом случае как
Г1 = РО+ПЛ, (14.20)
где Ро — вероятность отсутствия дефектов в кристалле; Pi —
вероятность того, что любой кристалл содержит один дефект;
т] — вероятность того, что кристалл, содержащий один дефект,
может быть восстановлен путем использования резервной ко-
лонки. Такая модель выхода годных ИС может быть распро-
странена на схемы с более сложной резервной компоновкой.
14.3.5 . Составные типы дефектов
На выход годных ИС оказывают влияние дефекты многих
типов. Дефекты каждого типа воздействуют на различные уча-
стки разных схем. Например, дефекты окисла затвора возни-
кают только в области затвора транзистора. Токи утечки, вы-
званные окислительными дефектами упаковки, могут появиться
и в области затвора, и в областях истока и стока. Короткие за-
мыкания между проводящими металлическими дорожками иг-
рают важную рбль только в области кристалла с высокой плот-
ностью близко расположенных металлических дорожек.
Поскольку выход годных ИС зависит от различных дефектов,
каждый тип дефектов должен рассматриваться независимо. Тип
дефектов должен быть охарактеризован плотностью дефектов
Dno, параметром формы распределения дефектов Sn и частью
общей площади кристалла А„, которая подвергается
воздействию дефектов данного типа. Используя гамма-функцию,
выход годных ИС для
лить по формуле
каждого типа дефектов можно опреде-
(1 + Sn4„Dno)’/s"
(14.21)
ВЫХОД ГОДНЫХ ИС И ИХ НАДЕЖНОСТЬ
403
Общий выход годных ИС является произведением выходов
годных ИС для каждого известного типа дефектов, т. е.
Y = П Yn = П (1 +5nHnDn0)-1/sn. (14.22)
/2 = 1 П — 1
Когда на выход годных ИС оказывают влияние несколько
основных типов дефектов, параметры S„, Ап и Dn0 должны
быть определены отдельно, а общий выход годных ИС — с ис-
пользованием уравнения (14.22) [7—9].
Для высококачественных ИС, получаемых на высокопроиз-
водительной автоматизированной линии, влияние всех основных
дефектов на выход годных ИС сведено к минимуму. Поэтому
выход годных ИС, описываемый уравнением (14.22), опреде-
ляется многими параметрами, каждый из которых близок к 1,
т. е.
SnAnDn0 < 1. Выход годных кристаллов равен
П = 1
1пУ = 2-^1п(1_д5пЛАо).
Поскольку SnHnDn0< 1,
Ih.O ~l~SnAnDn0)'^ SnAnDn0
и
5пУ = 2—
или
Y = ехр
s= exp (—AD),
(14.23)
(14.24)
(14.25)
где
— i N
р=-т2лЛо-
я=1
Таким образом, для совершенной ИС выход годных ИС
можно представить экспоненциальными независимыми от фор-
мы параметрами для каждого типа дефектов. Однако плот-
ность составных дефектов D связана с типом схемы и ее топо-
логией посредством параметра Ап. Величина D, полученная
404
ГЛАВА 14
для одной схемной структуры, неприменима для другой струк-
туры. Но выражение для выхода годных ИС (14.25) можно
использовать для определения выхода нескольких отдельных
ИС [7, 10, 11]. В этом случае следует ожидать, что выход год-
ных совершенных ИС равен
YM = e-^ADt (14.26)
где М— количество ИС, что и наблюдается во многих экспери-
ментах.
14.3.6 . Радиальное распределение дефектов
Ранее предполагалось, что плотность распределения дефек-
тов по пластине не однородна и, кроме того, изменяется от
пластины к пластине. В ряде работ представлены исследова-
ния причин, приводящих к изменению плотности дефектов для
конкретных процессов [8, 9, 12, 13]. Обнаружено, что плот-
ность распределения по пластине определенных типов дефектов
имеет сильную радиальную зависимость. Это в основном
справедливо для мелких дефектов, таких, как повреждения,
возникающие при манипулировании пластинами, ошибки со-
вмещения, островки неудаленного фоторезиста и т. д.
Радиальное изменение плотности дефектов может быть
представлено выражением
D(r) = D0+D^-WS (14.27)
где Do — плотность дефектов в центре пластины, Dr — увеличе-
ние плотности дефектов в краевых областях пластины, г — ра-
диальная координата, R— радиус пластины, L — характери-
стическая длина, связанная с дефектами краевой области.
Выход годных ИС на пластине с радиальной плотностью
распределения дефектов может быть получен при интегриро-
вании функции Пуассона для выхода годных ИС по площади
пластины:
R
Yr = Л- J*e~D А rdr. (14.28)
о
Уравнение (14.28) может иметь точное решение, выражен-
ное в неявной форме. В каждом конкретном случае расчет
должен выполняться На ЭВМ.
Радиальная плотность распределения дефектов по уравне-
нию (14.27) может быть также преобразована в функцию рас-
пределения D, т. е. f(D). Тогда выход годных ИС может быть
ВЫХОД ГОДНЫХ ИС И ИХ НАДЕЖНОСТЬ
405
рассчитан с использованием уравнения (14.9) или функция
f(D) может быть аппроксимирована гамма-распределением.
В последнем случае применимы положения разд. 14.3.3.
14.3.7 . Заключение
В предыдущих разделах рассмотрены некоторые причины
уменьшения выхода годных ИС. Основными причинами яв-
ляются зависимость выхода от технологических условий произ-
водства ИС, типа схемы, структуры схемы, степени совершен-
ства технологии и др. Характер воздействия этих факторов на
выход годных ИС изменяется во времени. После того как тех-
нология отработана, основные причины, влияющие на сниже-
ние выхода годных ИС, выявляются и устраняются. Подобно
этому, определив чувствительность схемы к параметрам техно-
логического процесса, совершенствуют управление процессом
и вносят изменения в структуру схемы для уменьшения ее
параметрической чувствительности. В конечном итоге, когда
оптимизированы и процесс, и структура схемы, оставшиеся
потери выхода годных ИС связаны с низким уровнем случай-
ных дефектов. Выявление и устранение механизмов, приводя-
щих к уменьшению выхода годных ИС, будет продолжено с
разработкой новой технологии их изготовления.
14.4. ТРЕБОВАНИЯ, ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫЕ К НАДЕЖНОСТИ
СБИС
Прежде чем перейти к анализу надежности, рассмотрим
несколько примеров, демонстрирующих влияние отказов при-
боров на функционирование системы. С помощью этих приме-
ров будут определены приемлемые значения интенсивности от-
казов приборов и показано негативное влияние отказов при-
боров на экономические показатели системы.
Исследования интенсивности и механизмов отказов полу-
проводниковых приборов были начаты вскоре после разработки
транзистора. Результаты этих исследований использовались
при проектировании больших твердотельных вычислительных
систем и электронных коммутирующих телефонных систем. Эти
ранние системы могли содержать по 100000 дискретных тран-
зисторов и другие компоненты. Если считать приемлемым
уровнем отказов приборов 1 отказ/мес, то интенсивность от-
казов прибора должна составить
А < 1 °JKa379n ' =14-10-9 отказ/прибор • ч. (14.2 9>
106прибор-720 ч г г
406
ГЛАВА 14
Примем за единицу интенсивности отказов (ЕИО)
1 отказ/109 прибор-ч. Таким образом, приемлемый уровень ин-
тенсивности отказов приборов гипотетической системы Z<
<14 ЕИО.
Отметим, что, поскольку в системах предусмотрены резерв-
ные компоненты, отказ единичного прибора скорее всего не
приведет к отказу системы. В течение ожидаемого времени
функционирования типичной системы (10 лет) 120 приборов
(~0,1% общего количества приборов системы) выйдут из
строя, т. е. 120 раз должен проводиться ремонт системы.
В табл. 14.1 показано влияние интенсивности отказов прибо-
Таблица 14.1. Влияние отказов транзисторов
на характеристики системы
Интенсив- ность отка- зов, ЕИО Число отказов за месяц для систе- мы, состоящей из 100 000 транзисторов Общая доля вы- шедших из строя транзисторов за 10 лет, %
10 0,7 о,1
100 7 1
1000 70 10
ров на число отказов в месяц и общее количество вышедших
из строя приборов за 10 лет функционирования системы. Вели-
чина интенсивности отказов прибора, равная 10 ЕИО, являет-
ся приемлемой, величина 100 ЕИО — удовлетворительной, а
1000 ЕИО — неприемлемой, если учесть, что потребуются ре-
монт до двух приборов в день (в зависимости от числа прибо-
ров на плате схемы) и замена всей платы схемы за все время
функционирования системы.
В предыдущем примере была рассмотрена система, содер-
жащая 100000 дискретных транзисторов. В табл. 14.2 пред-
ставлены аналогичные данные для двух современных систем:
устройства сопряжения, содержащего от 150 до 225 ИС, и ча-
стной телефонной системы, содержащей 5000 и более ИС. При-
емлемый уровень интенсивности отказов приборов для обеих
систем такой же, как в первом примере.
Следующим вопросом является доказательство того, что
приборы действительно имеют приемлемую интенсивность от-
казов, равную <10 ЕИО. В табл. 14.3 приведены величины
времени наработки на отказ для 100 проверенных приборов.
В табличной форме представлена также расчетная интенсив-
ность отказов, если проверке подвергнуто 500 приборов в те-
чение 6 мес и не обнаружено отказов. В обоих случаях для
ВЫХОД ГОДНЫХ ИС И ИХ НАДЕЖНОСТЬ
407
Таблица 142. Влияние отказов ИС
на характеристики современных систем
а) Устройство сопряжения (150—225 ИС)
Интенсив- ность отка- зов. ЕИО Среднее время на- работки на отказ, г Доля ячеек, отка- завших за 10 лет, %
10 51 0,16
100 5 1,6
1000 0,5 16
б) Частная телефонная система (5000—10 000 ИС,
50 000 ИС)
Интенсив- ность отка- зов, ЕИО Число отказов системы за месяц Доля модулей, от- казавших за 10 лет, %
10 0,07 1
100 0,7 10
1000 7 65
Таблица 14.3. Характеристики надежности
а) для 100 испытанных приборов
Интенсивность отказов, ЕИО Время наработки на отказ, лет
10 114
100 11
1000 1
б) для 500 приборов, функционирующих в течение
6 мес без отказов
Доверительный уровень, % Интенсивность отказов, ЕИО
Лучшая оценка 325
60 430
90 1100
95 1400
99 2100
408
ГЛАВА 14
того, чтобы доказать, что приборы обладают приемлемой вели-
чиной интенсивности отказов 10 ЕИО, необходимо проверить
функционирование большого количества приборов на протяже-
нии довольно длинного и потому неприемлемого промежутка
времени по разработанному для прибора или системы графику.
Доказательство достаточной надежности прибора занимает
много времени и обходится довольно дорого, однако послед-
ствия недостаточной надежности прибора стоят значительно
дороже.
В следующем разделе обсуждаются методы количественной
оценки и прогнозирования интенсивности отказов приборов,
выявление и устранение причин отказов.
14.5. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ РАСПРЕДЕЛЕНИИ
ОТКАЗОВ, НАДЕЖНОСТИ И ИНТЕНСИВНОСТИ ОТКАЗОВ
Понятие «надежность» имеет несколько общепринятых зна-
чений. Для математического описания надежности необходимо
прежде всего дать точное определение этого понятия. Обычно
за надежность принимают вероятность того, что объект выпол-
няет требуемую функцию при определенных условиях в тече-
ние заданного интервала времени.
Термин «требуемая функция» подразумевает как удовлетво-
рительное, так и неудовлетворительное функционирование, или
отказ. Для ИС требуемая функция обычно определяется по
программе испытаний тестовой ячейки. Выходными результата-
ми программы являются простые положения: годная или не-
годная ИС. Однако во многих случаях исходные тестовые про-
граммы не являются полными, так как схема испытывается
не при всех требуемых условиях эксплуатации. После выявле-
ния причин отказов нового прибора соответствующие испыта-
ния включают в более поздние программы испытаний.
Термин «определенные условия» означает полную физиче-
скую характеристику окружающей среды, включающую ожи-
даемые механические, тепловые и электрические условия экс-
плуатации объекта, в том числе периоды простоя, такие, как
хранение и т. д.
Под термином «заданный интервал времени» имеют в виду
время, в течение которого требуется удовлетворительное функ-
ционирование объекта. Оно может меняться в широких преде-
лах в зависимости от способа эксплуатации объекта. В некото-
рых случаях временной интервал может быть относительно
коротким, как, например, при использовании прибора в борто-
вом аварийном передатчике. Однако часто период эксплуата-
ции занимает длительный промежуток времени. Ряд систем
ВЫХОД ГОДНЫХ ИС И ИХ НАДЕЖНОСТЬ
409»
обладает непрерывным действием. Для таких постоянно дей-
ствующих систем применяется другое понятие надежности..
Надежностью в этом случае называют вероятность того, что-
объект будет функционировать в определенный момент време-
ни, или средний промежуток времени, в течение которого, как.
ожидается, система будет находиться в состоянии функциони-
рования.
В следующих ниже разделах представлены основные поня-
тия, связанные с надежностью, которые выражены в терминал
математических функций. Более строгое описание этих функ-
ций содержится в работе [5].
14.5.1. Интегральная функция распределения
Предположим, что прибор или система функционирует в
момент времени 1 = 0. Вероятность того, что прибор выйдет из>
строя в момент времени t или до этого момента, определяете®
функцией F(t). Эта интегральная функция распределения об-
ладает следующими свойствами:
F(0 = 0
0 < F (0 < F (Г)
t <0,
0^ / </',
(14.3О>
F® 1
t ---* сю.
14.5.2. Функция надежности
Функцией надежности R(t) является вероятность того, что*
прибор будет функционировать без отказа в течение времени-
t. Эта функция связана с F(t) соотношением
R (/) = 1—F(t). (14,31)»
14.5.3. Функция плотности распределения вероятности
Производную от F(t) по времени называют функцией плот-
ности распределения вероятности и обозначают как f(t). Эта-
функция связана с интегральной функцией распределения сле-
дующим образом:
= (14.32)»
или
t
F (/) = j / (х) dx. (14.33>
о
27—233
4 ГО
ГЛАВА 14
Подобно этому
f (х) dx
(14.34)
ai
/(0 = __А W). (14.35)
i4.5.4. Интенсивность отказов
Наиболее часто используемой количественной оценкой при
рассмотрении надежности является мгновенная интенсивность
отказов, которую называют интенсивностью риска. Термином
«интенсивность отказов» всегда обозначают мгновенную, а не
среднюю интенсивность отказов.
Доля приборов, которые были годными в момент времени/
41 вышли из строя в момент Н-Д, определяется выражением
F(/4-A) — — — 7?(/ + Д). (14.36)
Средняя интенсивность отказов в течение времени Д равна
^ (/)-/?(<+ А)
Д R(t)
(14.37)
В предельном случае при Д-*-0 мгновенная интенсивность отка-
зов равна
(14.38а)
=-w <14-386»
= -Т^ё~ (14.38b)
= --^-1п7?(/). (14.38г)
Используя уравнение (14.38г), можно выразить функцию надеж-
ности следующим образом:
R (/) = ехр
t
J X (х) dx
о
(14.39)
ВЫХОД ГОДНЫХ ИС И ИХ НАДЕЖНОСТЬ
411»
14.5.5. Среднее время наработки на отказ
Общей мерой надежности служит среднее время наработки
на отказ (СВНО) прибора или системы, которое определяется?
выражением
СВН0=(‘О)Л- (14.40).
о
Параметр СВНО используется для приборов или систем,
надежность которых представлена функцией R(t) с функцией.»
плотности распределения вероятности f(t).
14.6. ОБЩИЕ ФУНКЦИИ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ
Для исследования надежности приборов или систем необ-
ходимо иметь простую математическую модель, которая пред-
ставляет интенсивность отказов приборов в течение всего вре-
мени функционирования. Интенсивность отказов ИС, а также-
наиболее общие параметры, как правило, являются функцией
Рис. 14.6. Зависимость интенсивности отказов от времени для типичной ИС.’.
времени (рис. 14.6). На ранней стадии эксплуатации прибора
интенсивность отказов высока, но со временем она уменьшает-
ся. Отказы, происходящие в течение этого периода, называют
«ранними отказами». Причиной отказов такого рода являются»-,
производственные дефекты. Во многих приборах период ран-
них отказов играет важную роль вследствие очень высокой-
интенсивности отказов в течение упомянутого периода. В разд.
14.7.4 обсуждаются методы исключения или сокращения перио-
да ранних отказов.
В течение среднего периода эксплуатации прибора, или*
периода устойчивого состояния, интенсивность отказов в основ-
ном ниже, чем в ранний период, и почти постоянна во времени..
27*
•412
ГЛАВА 14
•Отказы приборов происходят по самым разнообразным и не-
зависимым причинам.
Наконец наступает заключительный период эксплуатации
прибора, или период старения. Этот период характерен для
эксплуатации таких объектов, как, например, лампы накали-
вания. Что касается ИС, то для большинства из них механиз-
мы старения при эксплуатации приборов не проявляются.
Однако для ИС низкого качества некоторые механизмы отка-
зов, например перемещение подвижных ионов, коррозия и
электромиграция, могут действовать в период старения.
Общие функции распределения, которые будут рассмотрены
«иже, недостаточно полно отражают эти три периода эксплуа-
тации прибора. В большинстве случаев одна функция распре-
деления может быть использована для представления двух
периодов. Отметим, что функции распределения более подробно
исследованы в работах [5, 6].
14.6.1. Экспоненциальная функция распределения
Наиболее простая функция распределения — экспоненциаль-
ная функция — характеризует постоянную интенсивность отка-
зов в течение всего срока эксплуатации прибора. Эта функция
«используется для описания прибора, у которого все механизмы
ранних отказов и старения устранены. Экспоненциальное рас-
пределение характеризуется следующими функциями:
К (t) = = const, R (t) =
= ;(^ = xue-w, (14.41)
CBHO = J dt = 1/XO.
о
44.6.2. Функция распределения Вейбулла
В функции распределения Вейбулла интенсивность отказов
пропорциональна степенной функции времени эксплуатации
прибора и представлена в виде
X (/) = А /₽-1, (14.42)
srде а и ₽ — константы. При Р<1 интенсивность отказов умень-
шается с увеличением времени функционирования прибора и
распределение Вейбулла может быть использовано для описа-
ния периода ранних отказов прибора. При р>1 интенсивность
отказов увеличивается со временем и распределение Вейбулла
ВЫХОД ГОДНЫХ ИС И ИХ НАДЕЖНОСТЬ
413
отражает период старения прибора. Если 0 = 1, то интенсив-
ность отказов является постоянной величиной, а экспоненциаль-
ное распределение представляет собой частный случай распре-
деления Вейбулла при 0=1. Из уравнения (14.42) можно по-
лучить следующие функции:
Z?(/) = expJ—
F (t) = 1 —exp
— fl',
а 9
Г—
(14.43)
В некоторых случаях при использовании функции распреде-
ления Вейбулла можно дать более точное описание интенсив-
ности отказов, полученной экспериментальным путем, если вве-
сти третий параметр. В уравнениях (14.42) и (14.43) время за-
меняется на
Х = /—у.
(14.44)
Параметр у является некоторой долей времени функциони-
рования прибора, приходящейся на производство прибора, ис-
пытания на принудительный отказ (разд. 14.7.4) или измере-
ния характеристик прибора.
При описании экспериментальных данных предполагаемой
функцией распределения для установления степени соответ-
ствия распределения экспериментальным данным и определе-
ния параметров распределения необходимо построить график
распределения на вероятностной бумаге^. Экспериментальные
данные расположатся на прямой линии, если они могут быть
представлены предполагаемым распределением. Такой метод
применим при использовании распределения Вейбулла, для ко-
торого
1—F(/) = exp^—flj (14.45)
и
In fin ~ P ln —1° a- (14.46)
Уравнение (14.46) носит линейный характер: у=тх-^-Ь.
На рис. 14.7 приведен пример графика Вейбулла, на кото-
ром по оси ординат отложен интегральный процент отказав-
ших приборов F(t), а по оси абсцисс — Int. Если эксперимен-
тальные данные представлены распределением Вейбулла с уче-
’> Вероятностной бумагой в данном случае является координатная сет-
ка с двойным логарифмическим масштабом по оси ординат и логарифмичес-
ким масштабом по оси абсцисс. — Прим, перев.
414
ГЛАВА 14
том двух параметров, то они располагаются на прямой линия
(рис. 14.7). Наклон прямой линии соответствует параметру р.
Распределением Вейбулла может быть представлена интен-
сивность ранних отказов многих ИС, а график Вейбулла обыч-
но используется для исследования надежности ИС.
Рнс. 14.7. График распределения отказов Вейбулла, построенный на вероят-
ностной бумаге, для типичной ИС.
14.6.3. Построение графика Дуана
В некоторых областях, особенно в тех, которые связаны с
проектированием систем, можно анализировать данные по от-
казам ИС с использованием метода, известного как построение
графика Дуана [14]. Этот метод графического анализа позво-
ляет быстро прогнозировать интенсивность отказов ИС, когда
количество отказов невелико, и наиболее часто используется
для оценки прототипных систем.
Метод состоит в построении графика зависимости логарифма
средней интенсивности отказов (СИО) от логарифма времени.
Средняя интенсивность отказов определяется как доля отка-
завших приборов в момент времени t, деленная на время:
^(0
Средняя интенсивность отказов = —~• (14.47)
Часто на таком графике данные располагаются на прямой
линии с отрицательным наклоном S, т. е.
1п СИО = —S Inf-j-lnK,
ВЫХОД ГОДНЫХ ИС И ИХ НАДЕЖНОСТЬ
415
ИЛИ
СИО = -^- = К/-5, (14.48)
где К.—константа. Если это так, то
f(0 = K(l-S)/'-s
41
1 /f\ f (0 К (1 /14 491
л(г)— i — — i_Kt-s ’ (14.49)
Если отказала лишь небольшая часть ИС, то F (/) 1 и
Х(1М(1- S)t~s, (14.50)
или
Х(/) = (1—5)СИО. (14.51)
Уравнение (14.50) соответствует распределению Вейбулла
при ₽=(1—S) и а=1/К. Таким образом, график Дуана являет-
ся частным случаем графика Вейбулла для анализа, данных
при F(7)<C1.
Недостатком использования графика Дуана является то,
что не всегда может быть установлено существование ограни-
чения Е(/)<С1, а для прямой экстраполяции \(t) чаще при-
меняют уравнения (14.50) и (14.51), а не уравнение (14.49).
Кроме того, экстраполяция \(t) периода ранних отказов на
период устойчивого состояния может привести к недооценке
долгосрочной интенсивности отказов.
14.6.4. Функция логарифмического нормального распределения
Функция логарифмического нормального распределения
успешно применяется для описания статистики отказов полу-
проводниковых приборов в течение длительного промежутка
времени. В зависимости от величины параметров распределе-
ния эта функция может представлять любой из трех периодов
эксплуатации прибора.
Функция плотности распределения вероятностей логариф-
мического нормального распределения описывается выраже-
нием
t ... 1 Г 1 / 1п/— и \а1
f (t) =---=- exp —д-1------1— =
' v ' at 1 2 ( a ) ]
1 Г 1 I 1 i t VI
—-------7= exp------I — In ,
at "|/2n [ 2 ( a ti0 ] J
(14.52)
где медианное время наработки на отказ, т. е. время, в течение
416
ГЛАВА 14
которого 50% приборов вышло из строя, связано с р соотно-
шением
= (14.53>
Среднее время наработки на отказ
7=ехрГр4-^-1, (14.54)
L z 1
а параметр масштаба а примерно равен
(14.55)
г1з
где /.16 — время, в течение которого отказало 16% приборов
(точнее, 15,866%).
Интегральная функция распределения определяется выра-
жением
F(f) =—f—ехрГ—(14.56)
aV2n J * L 2 \ CT /J
о
и интенсивность отказов равна
И)—т^Г (14.57>
Использование логарифмического нормального распределе-
ния не сопровождается простыми числовыми расчетами. Анализ
большинства данных логарифмического нормального распреде-
ления выполняется либо графически, либо на цифровой вы-
числительной машине. На рис. 14.8 приведены зависимости
значения интегральной функции и интенсивности отказов для
логарифмического нормального распределения от времени для
различных величин параметра масштаба б. Логарифмическое
нормальное распределение может представлять периоды ран-
них отказов, устойчивого состояния и старения при эксплуата-
ции прибора.
На рис. 14.9 приведена зависимость нормированной интен-
сивности отказов логарифмической нормальной функции рас-
пределения от нормированного времени. Нормированная ин-
тенсивность отказов X(t)/ti0 является функцией только t/ti0 и
параметра масштаба б. На этом рисунке приведено также ме-
стоположение постоянной интенсивности отказов в данный мо-
мент времени. Если постоянная интенсивность отказов в дан-
ный момент времени to равна Ло, то
^оо — (\Ао) Uo/^o) ~ (\/о)/(^о/4о)«
1
ВЫХОД ГОДНЫХ ИС И ИХ НАДЕЖНОСТЬ
417
В графическом виде это уравнение представляет собой пря-
мую линию с наклоном—1 (рис. 14.9).
В качестве примера рассмотрим частный случай распреде-
ления отказов при а = 2. Для короткого промежутка времени
интенсивность отказов мала, но увеличивается со временем.
Когда нормированное время
t'=tltso равно приблизительно
3-10~3, интенсивность отказов
составляет величину 10 ЕИО,
а срок эксплуатации — 40 лет.
Отсюда медианный срок служ-
бы равен 1-Ю8 ч. Если меди-
анный срок службы больше
1-Ю8 ч, то интенсивность отка-
зов для а=2 меньше 10 ЕИО.
Для о=4,5 нормированная
интенсивность отказов имеет
максимальное значение 2-Ю12
при f~2-10-9. Если принять
максимальное значение интен-
сивности отказов за 10 ЕИО,
то медианный срок службы
равен 2-10й ч, а максималь-
ная интенсивность отказов до-
стигается за i/=400 ч. Если ме-
дианный срок службы при
о = 4,5 меньше 2-1011 ч, то мак-
симальная интенсивность от-
казов более 10 ЕИО.
В табл. 14.4 приведены зна-
чения максимального медиан-
ного срока службы, необходи-
мого для достижения максимальной интенсивности отказов за
40 лет.
Рис. 14.8. Интегральная функция
распределения F(t) н интенсивность
отказов !(/) для логарифмического
нормального распределения.
Экспериментальные данные могут быть описаны функцией
логарифмического нормального распределения путем нанесе-
ния их на стандартную вероятностную бумагу (рис. 14.10).
Величину сг распределения оценивают по пересечению линии,
параллельной линии экспериментальных данных и проходящей
через точку А, со шкалой а с правой стороны графика.
14.6.5. Две совокупности отказов
Исследование интенсивности отказов приборов часто ослож-
нено действием большего количества механизмов отказов. Ста-
тистика отказов каждого индивидуального механизма может
418
ГЛАВА 14
быть определена с помощью логарифмического нормального
распределения, но параметры распределения аир различны
для каждого механизма. Очень часто один из видов отказов!
характеризуется коротким медианным сроком службы и яв-
ляется небольшой частью от общей совокупности. Эту малую
Рис. 14.9. Зависимость нормированной интенсивности отказов от нормиро-
ванного времени для логарифмического нормального распределения отка-
зов [15].
На этом графике прямые линии с наклоном —1 являются местоположением данной ин-
тенсивности отказов в данный момент времени для различных величин <7 и для трех
величин интенсивности отказов за 40 лет.
часть отказов обычно называют аномальной совокупностью.
Отказы аномальной совокупности относятся к ранним отказам.
Оставшаяся часть совокупности имеет значительно большую
величину медианного срока службы и представляет период
устойчивого состояния. В реальных условиях аномальная сово-
купность может быть преобладающим механизмом отказов при
эксплуатации приборов.
На рис. 14.11 приведены комбинированные данные отказов,
нанесенные на вероятностную бумагу. Используя метод проб
и ошибок, кривую распределения можно разделить на два
компонента распределения. Определив параметры каждого
г
ВЫХОД ГОДНЫХ ИС И ИХ НАДЕЖНОСТЬ 419
Таблица 14.4. Параметры логарифмического
нормального распределения
а) для минимального медианного срока службы,
который соответствует максимальной интенсив-
ности отказов, достигаемой за 40 лет
ХУ 10 ЕИО, ч 100 ЕИО. ч 1000 ЕИО, ч
0 3,5-105 3,5 10s 3,5-Ю3
0,5 2- 10е 1 - 10е 7-105
1 7.10е З-Ю6 * В 8-Ю3
2 ЫО» 1,3.10’ 1,3-Ю6
3 1-Ю9
б) для минимального медианного срока службы,
который соответствует максимальной интенсивно-
сти отказов, достигаемой менее чем за 40 лет
да ( 10 ЕИО, ч 100 БИО, ч 1000 ЕИО. ч
3 1-108 1-10’
4 З-Ю10 * З-Ю9 3-108
5 2-Ю12 * * *. 2-10й 2-Ю16
распределения, интенсивность отказов можно выразить сле-
дующим образом:
Xr(/) = XS(Z) хДоля аномального распределения -{-
(0 хДоля основного распределения. (14.58)
14.7. УСКОРЕННОЕ ИСПЫТАНИЕ
В предыдущих разделах было показано, что требуемая ин-
тенсивность отказов ИС составляет величину порядка 100 ЕИО
или меньше. Из табл. 14.3 и 14.4 ясно, что при нормальных
условиях функционирования с интенсивностью отказов 100 ЕИО
время наработки на отказ равно — 100 000 ч. Требуемый ме-
дианный срок службы составляет величины порядка 105—10й ч
в зависимости от параметра масштаба о. Несомненно, что ис-
следование характеристик отказов приборов с необходимой
надежностью при нормальных условиях функционирования
420
ГЛАВА 14
Рис. 14.10. Пример логарифмического нормального распределения отказов
приборов дли трех температур.
Рис. 14.11. График бииомодального распределения отказов, состоящего из
двух компонентов логарифмического нормального распределения [29].
ВЫХОД ГОДНЫХ ИС И ИХ НАДЕЖНОСТЬ 42Й
нерационально. Для исследования характеристик отказов,
должны быть выбраны некоторые средства для ускорения дей-
ствия механизмов, приводящих к отказу прибора.
Существует пять основных видов нагрузок, используемых,
для ускорения действия механизмов отказов ИС: температура,,
напряжение, ток, влажность и термоциклирование. Термоцик-
лирование используют для ускорения появления дефектов, при-
водящих к механическому отказу кристалла или герметизиро-
ванной ИС (см. гл. 13).
При любых исследованиях, проводимых в условиях ускорен-
ного старения, различные механизмы отказов могут быть,
ускорены путем приложения разной величины нагрузки. ИС’
может отказать при нормальных условиях функционирования
вследствие действия двух совершенно различных механизмов*
отказов. При приложении нагрузки один из этих механизмов^
отказов может быть ускорен в значительно большей степени,,
чем другой. Таким образом, если в условиях ускоренного ста-
рения определить причину одного вида отказов, то его можно-
исключить. Однако при нормальных условиях функционирова-
ния интенсивность отказов прибора уменьшилась бы только в»
два раза.
Ускоренное старение является действенным методом только-
при знании механизмов отказов ИС и зависимости ускорения-
этих механизмов от приложенной нагрузки. Для того чтобы--
убедиться, что не осталось механизмов отказов, которые не-
были бы ускорены при приложении нагрузки, необходимо про-
вести соответствующие испытания при нормальных условиях,
функционирования. Окончательным испытанием надежности!
ИС является ее многочасовое функционирование при ожидае-
мых нормальных условиях эксплуатации.
14.7.1 . Ускорение при повышении температуры
В основе многих механизмов, приводящих к отказам ИС,,
лежат химические или физические процессы, протекание кото-
рых ускоряется при повышении температуры. Скорость проте-
кания этих процессов во многих случаях определяется уравне-
нием Аррениуса
R = Roexp[-Ea/kT], (14.59>
где Еа — энергия активации процесса, эВ; k — константа Больц-
мана, равная 8,6-10~5 эВ/K; Т — абсолютная температура, К.
Рассмотрим некоторый параметр ИС, величина которого-
меняется со временем. Этот параметр имеет некоторое исход-
ное значение, и отказ ИС происходит, когда значение парамет-
ра превышает некоторую величину, называемую критерием от-
•422
ГЛАВА 14
каза. На рис. 14.12 показано увеличение параметра с различ-
ной скоростью при двух температурах h и Т2, где T2>Ti.
.Для двух температур отказ происходит в моменты времени Ь
и t2 соответственно, при этом Величина этого произволь-
но выбранного параметра имеет линейную зависимость от вре-
мени.
Предполагая, что процесс, вызывающий изменение парамет-
ра, описывается уравнением Аррениуса, можно определить
Время
Фис. 14.12. Изменение величины параметра со временем при разных темпе-
ратурах.
отношение двух периодов времени наработки на отказ:
Ы=вр[т(хЧ)]- (1460)
Фактор ускорения за счет повышения температуры функ-
ционирования прибора равен отношению двух промежутков
^времени наработки на отказ:
Ускорение = A- = exp | -ф- ( -=J-YI. (14.61)
Ч | й \ Ч 1 2 / j
Отказ ИС происходит тогда, когда значение параметра до-
стигнет величины критерия отказа. Произведение скорости
процесса на время наработки на отказ tp является постоян-
•ной величиной. Таким образом, время наработки на отказ
•при различных температурах определяется уравнением
Константа j^QHCTaHTa х еХр (EJkT), (14.62)
шли
In tF — Константа -\-EJkT. (14.63)
Обоснованность применения уравнения Аррениуса и вели-
чина энергии активации для данного механизма отказа могут
быть определены путем построения зависимости натурального
логарифма времени наработки на отказ от обратной величины
ВЫХОД ГОДНЫХ ИС И ИХ НАДЕЖНОСТЬ
423
абсолютной температуры. Если в применяемом температурном:
диапазоне наблюдается линейный характер этой зависимости,
то справедлива обратная экстраполяция величины времени
наработки на отказ к рабочей температуре. Отметим, что тем-
пература кремниевого кристалла выше, чем температура кор-
пуса, и разница определяется рассеиваемой кристаллом энер-
гией и тепловым сопротивлением.
В приведенном примере предполагалось линейное протека-
ние процесса отказов во времени. Некоторые процессы могук
Рис. 14.13, График Аррениуса для экспериментальных данных отказов, пред*-
ставленных на рис. 14.10. (Медианный срок службы для каждой температу-
ры представлен как функция 1/Г.)
иметь другую функциональную зависимость от времени!.
В основном к их описании? применим тот же подход [16].
Для того чтобы проиллюстрировать ускорение механизмов»
отказов под действием температуры, обратимся к рис. 14.10,.
на котором приведено распределение отказов группы дискрет-
ных транзисторов, функционирующих при различных темпера-
турах. При всех трех температурах распределения отказов яв-
ляются логарифмическими нормальными распределениями. Ве-
личина параметра масштаба во всех трех случаях равна 2,0,
что подтверждает предположение о преобладании одинаковых
механизмов отказов при всех трех температурах. Это предпо-
ложение должно быть проверено детальным анализом отказав-
ших приборов.
На рис. 14.13 показаны значения медианного времени нара1-
ботки на отказ при трех температурах. Три точки эксперимен-
тальных данных лежат на прямой линии, наклон которой со-
ответствует энергии активации 1,0 эВ. Медианный срок служ-
бы, экстраполированный к рабочей температуре 40°C, равен,
примерно 2«108 ч. Экстраполяция медианного времени наработг-
424
ГЛАВА 14
жи на отказ от точки, соответствующей 175 °C, к рабочей тем-
пературе дает разницу во времени 105! С учетом данных j
табл. 14.4 медианное время наработки на отказ 2-Ю8 ч с па- ;
раметром масштаба а=2,0 соответствует интенсивности отка-
зов при рабочей температуре, равной 10 ЕИО после 40 лет
эксплуатации. j
В табл. 14.5 приведены значения фактора ускорения при |
повышении температуры для двух величин энергии активации, i
® таблице также приведены значения времени функциониро- '
Таблица 14.5. Фактор ускорении при повышении температуры и времи,
эквивалентное 40 г. функционирования прибора при температуре
окружающей среды 60 °C
.Повышенная температу- ра. “С Фактор ускорения Время, эквивалентное 40 годам функционирования, ч
Еа-1.0 эВ Еа=>0,5 эВ Еа =1,0 эВ Еа=|0,5 эВ
300 2,2-10’ 1500 0,2 233
-250 3,2-Ю6 570 1,1 616
.200 3.1-104 176 11 2000
’.150 1700 41 200 8526
Я 25 300 17 1200 20 200
-85 11,5 3,4 30000 103000
вания при повышенной температуре, эквивалентного работе
шри температуре окружающей среды 60 °C в течение 40 лет.
Для механизмов отказов с , энергией активации 1,0 эВ функ-
ционирование в течение 11 ч при температуре 200 °C эквива-
лентно эксплуатации прибора в течение 40 лет при темпера-
туре 60 °C.
В проведенном выше анализе предполагается, что энергия
активации положительна, т. е. отказы приборов происходят
интенсивнее при более высоких температурах. Однако для
нескольких известных механизмов отказов интенсивность отка-
зов уменьшается при повышенных температурах. Один из этих
•механизмов [17] заключается в том, что горячие электроны,
генерированные в кремнии, захватываются окислом затвора,
вызывая смещение порогового напряжения во времени. Эти
захваченные электроны частично возвращаются в кремний, при
этом, чем выше температура, тем больше интенсивность осво-
бождения электронов. При высоких температурах смещения
порогового напряжения не наблюдается, поскольку интенсив-
ность освобождения электронов равна или больше интенсив-
ВЫХОД ГОДНЫХ ИС И ИХ НАДЕЖНОСТЬ 425
ности захвата. При низких температурах обнаружено очень
большое смещение порогового напряжения, так как интенсив-
ность освобождения становится значительно меньше интенсив-
ности захвата электронов. Интенсивность отказов прибора
должна быть исследована при всех экстремальных температу-
рах эксплуатации.
14.7.2 . Ускорение при повышении напряжения или тока
Напряжение или ток являются эффективными ускоряющи-
ми нагрузками для многих общих механизмов отказов, наблю-
даемых в ИС. Напряжение (или в некоторых случаях элект-
рическое поле) вызывает ускорение отказов ИС вследствие
пробоя диэлектрика, накопления заряда на поверхности разде-
ла, инжекции заряда и коррозии. Для большинства ИС нель-
зя менять величину приложенного напряжения в очень широ-
ком диапазоне. ИС, спроектированная для работы под напря-
жением 5 В, обычно нормально не функционирует, если при-
ложенное напряжение выходит за пределы диапазона 4—7 В.
Естественно, некоторые ИС эксплуатируются в значительно
более широком интервале приложенного напряжения.
В большинстве исследований показано, что интенсивность
отказов /? является степенной функцией приложенного напря-
жения. Показатель функции обычно зависит от температуры,
т. е.
/?(7’,У) = ^0(7)Ут(П. (14.64)
Коэффициент Ro(T) обычно является функцией Аррениуса
от температуры, а параметр у(Т) изменяется от 1 до 4,5. Та-
ким образом, если к данной ИС приложено напряжение 7 В
(а не номинальное значение 5 В), то можно ускорить ее отказ
только на 40—400%.
Появление отказов типа пробоя диэлектрика можно уско-
рить разными способами [18]. Для данной величины прило-
женного электрического поля определенная часть ИС отказы-
вает в течение очень короткого промежутка времени (порядка
нескольких секунд). В дальнейшем количество дополнитель-
ных отказов очень невелико. При последующем увеличении на-
пряженности электрического поля происходят дополнительные
отказы в течение относительно короткого промежутка вре-
мени. В данном случае функционирование прибора при повы-
шенном напряжении является скорее методом отбора или
испытания на принудительный отказ, чем методом ускорения
механизмов отказов. (В разд. 14.7.4 этот аспект обсуждается
более подробно.)
28—233
426
ГЛАВА 14
Работа прибора при повышенном уровне тока используется
в основном в качестве метода ускорения интенсивности отка-
зов, вызванных электромиграцией в металлических проводни-
ках. В результате экспериментальных исследований показано,
что интенсивность отказов вследствие электромиграции являет-
ся функцией температуры и плотности тока:
7?(Т,/) = 7?О(Т)Л(Г). (14.65)
И в этом случае коэффициент Ro(T) является функцией Арре-
ниуса от температуры, тогда как параметр у(Т) изменяется в
диапазоне 1—4.
Обычно нельзя независимым образом изменять ток в ИС,—
это определено структурой схемы [19]. Большинство исследо-
ваний ускорения отказов, связанных с электромиграцией, про-
водится с использованием специальных тестовых структур [19].
Эти структуры применяют для определения максимально до-
пустимой плотности тока, при которой интенсивность отказов
проводников составляет приемлемую величину. Эти величины
максимальной плотности тока затем используют в качестве
конструктивных ограничений в топологии ИС.
14.7.3 . Ускорение под действием влажности
и температуры
Обычно современные ИС заключены в герметичные корпу-
сы, что позволяет проводить оценку и изучение исходной на-
дежности при оптимальных условиях. Однако стремление к
снижению стоимости серийно выпускаемых ИС приводит к ис-
пользованию дешевых негерметичных корпусов. Из-за присут-
ствия влаги в окружающей атмосфере кристалла появляется
новая разновидность возможных механизмов отказов ИС.
Обнаружено, что пары воды быстро проникают через
пластмассовые герметизирующие материалы [20]. На первой
стадии проникновения влаги пары воды переносят загрязнения
с поверхности корпуса через пластмассу и выщелачивают при-
меси из самого пластмассового герметизирующего материала.
Поверхность кристалла очень быстро подвергается воздействию
влаги и различных загрязнений.
Второй стадией является диффузия загрязненных паров
воды через пассивирующий слой кристалла. Обычно этот про-
цесс обладает относительно низкой интенсивностью. Однако
если пассивирующий слой содержит дефекты или трещины, то
пары воды проникают через него со значительно большей ско-
ВЫХОД ГОДНЫХ ИС И ИХ НАДЕЖНОСТЬ
427
ростью. Проникновение влаги через пассивирующий слой опре-
деляет интенсивность действия механизмов отказов [20].
Когда пары воды достигнут уровня металлизации кристал-
ла, может протекать процесс электрохимической коррозии.
Ионы, необходимые для коррозии металла, могут поступать из
двух источников. Как показано выше, ионы могут диффунди-
ровать в качестве загрязнений через пассивирующий слой вме-
сте с парами воды. Если же промежуточный диэлектрический
Таблица 14.6. Характеристики отказов, вызванных повышенной
влажностью [20]
Биполярный транзистор МОП-транзистор л-типа
Пассивирующий слой Промежуточный диэлект- рический слой Механизм отказа а Еа Фактор ускорения (125— 60 °C) Время, эквивалентное 40 г. функционирования Слой SiOa, полученный методом ионного рас- пыления Слой S1O2, полученный методом ионного рас- пыления Коррозия с участием ионов С1 из загрязнений 0,43 1,1 эВ 300 1200 ч Нитрид кремния Слой фосфорсодержаще- го стекла Коррозия с участием ионов Р из фосфорсо- держащего стекла 1,34 0,3 эВ 5,5 7,3 лет
слой кристалла выполнен из стекла, легированного фосфором,
пары воды могут захватывать фосфор из промежуточного ди-
электрика. В любом случае электрохимическая коррозия яв-
ляется очень быстрым процессом, вызывающим отказы вслед-
ствие нарушения металлизации. Действие этого механизма
отказов может быть ускорено при увеличении парциального
давления паров воды в окружающей атмосфере. Увеличение
температуры окружающей среды также ускоряет диффузию
паров воды через пассивирующий слой. В табл. 14.6 обобщены
некоторые результаты анализа ускорения отказов для двух
типов приборов [20]. Фактор ускорения в значительной степе-
ни отличается для каждого типа ИС.
Как и при других видах нагрузки, использование фактора
ускорения, определенного для одного механизма отказов в
данной ИС, для другой ИС может быть связано со значитель-
ными погрешностями. Для каждой ИС и каждого механизма
отказов в этой ИС ускоряющее воздействие температуры,
влажности и напряжения должно определяться индивидуально.
28
423
ГЛАВА 14
14.7.4 . Испытание на принудительный отказ
При производстве серийных ИС и СБИС в массовом коли-
честве значительные усилия направляют на определение и
исключение преобладающих механизмов отказов, выявляемых
при первоначальных исследованиях надежности. Интенсивность
отказов в период устойчивого состояния при эксплуатации при-
бора, как правило, удовлетворяет требованиям проектирова-
ния. Возможные механизмы старения устраняют путем или
модификации процесса, или изменения структуры прибора.
Тем не менее для изготовленных ИС характерны ранние от-
казы.
Такие отказы вызываются главным образом дефектами из-
готовления: проколом окисла; дефектами фоторезиста или
травления, приводящими к разрывам и короткому замыканию;
загрязнениями на кристалле или в корпусе; царапинами, раз-
рушением соединений внутри кристалла или проволочных сое-
динений; трещинами в кристаллах или корпусах.
Вклад разных отказов в общую интенсивность отказов мо-
жет быть смоделирован как совокупность аномальных отка-
зов с использованием логарифмической нормальной или какой-
либо другой функции распределения. Если интенсивность от-
казов периода устойчивого состояния очень низкая, то интен-
сивность ранних отказов можно наиболее просто смоделиро-
вать с использованием распределения Вейбулла без ссылки на
любую совокупность. В этом случае общая интенсивность отка-
зов определяется уравнением
= (14.66)
где Х(7)— интенсивность отказов прибора, р и а — параметры
ранних отказов и Xss— интенсивность отказов устойчивого со-
стояния.
Целью испытаний на принудительный отказ является экс-
плуатация ИС в течение промежутка времени, за которое
большинство ИС, подверженных ранним отказам, действитель-
но отказывают. Отказ ИС во время испытаний на принуди-
тельный отказ предпочтительнее, чем отказ после установки
ИС в системе или поступления заказчику. Наиболее успешно
при испытаниях на принудительный отказ ускоряются действия
механизмов, которые вносят вклад в ранние отказы. Испыта-
ния на принудительный отказ могут заключаться в эксплуата-
ции ИС в условиях повышенной температуры, напряжения или
(если возможно) тока.
В результате исследований ранних отказов при повышен-
ных рабочих температурах [21] показано, что механизмы
ВЫХОД ГОДНЫХ ИС И ИХ НАДЕЖНОСТЬ
429
этих отказов имеют энергию активации Еа в диапазоне 0,37—
0,42 эВ. Обнаружено ускорение механизмов ранних отказов
при повышении рабочего напряжения.
Если ИС функционируют в условиях испытаний на прину-
дительный отказ в течение некоторого времени /ипо, при ко-
тором ускорение ранних отказов равно Дипо, то интенсивность
отказов ИС, когда они поступят в эксплуатацию, составит
^•эфф (0 = Н- *о)= ~т ^ипо Ди по). (14.67)
На рис. 14.14 показано влияние испытаний на принудитель-
ный отказ на интенсивность отказов ИС. Если энергия актива-
Без испытаний на
принудительный отказ
С испытаниям
на принудительный
отказ LA3?,0(t)=A(t+to)]
Логарифм времени функционирования
Рис. 14.14. Зависимость интенсивности отказов от времени при эксплуатации
ИС с проведением и без проведения испытаний на принудительный отказ.
ции механизма ранних отказов равна 0,4 эВ, то испытания на
принудительный отказ в течение 168 ч при температуре 150 °C
эквивалентны 4 мес эксплуатации при 60 °C. В результате мо-
жет быть значительно повышена надежность системы.
Другим способом исключения ранних отказов ИС, постав-
ляемых заказчику, является применение циклических испыта-
ний герметизированных ИС в расширенном диапазоне темпе-
ратур для устранения некачественно выполненных проволочных
или межкомпонентных соединений кристалла и частично трес-
нувших кристаллов и корпусов. Как показано в разд. 14.7.2,
во время функционирования ИС при напряжении выше номи-
нального отсортировывают ИС с дефектами окисла, которые
могут привести к отказу, когда ИС подвергается электриче-
ским перегрузкам в реальных условиях эксплуатации.
14.8. МЕХАНИЗМЫ ОТКАЗОВ
В предыдущих разделах рассматривались методы оценки и
прогнозирования надежности и интенсивности отказов ИС.
Наряду с оценкой надежности в равной степени важно и ее
430
ГЛАВА 14
повышение. Надежность СБИС сильно зависит от идентифика-
ции механизмов отказов, которые вводятся при переходе к из-
готовлению высококачественных схем с повышенной степенью
интеграции, и исключения причин их возникновения.
В табл. 14.7 указаны механизмы отказов, снижающие на-
дежность ИС. Многие из соответствующих процессов описаны
ранее. Более подробная информация о специфических процес-
сах отказа приведена в нескольких обзорных статьях по на-
дежности кремниевых ИС [22, 23].
В табл. 14.7 приведены также те факторы, которые вносят
вклад в каждый процесс отказа и могут ускорить выход из
строя ИС. При исследовании надежности ИС применяют раз-
личные ускоряющие факторы или используют различные по-
вышенные нагрузки при испытаниях на принудительный отказ.
В табл. 14.7 включены значения энергии активации Еа про-
цессов, ускоряемых при повышении температуры, и показа-
тели степени у для процессов, ускоренных путем приложения
электрического поля или использования повышенной плотности
тока. В таблице приведены не частные значения величин Еа и
у для отдельного процесса, а диапазоны изменения этих па-
раметров. Точное значение Еа и у должно определяться для
каждого процесса и каждого прибора, изготовленного в этом
процессе.
Кроме механизмов, указанных в табл. 14.7, для кремниевых
ИС существуют и другие механизмы отказов, два из которых
обсуждаются ниже.
14.8.1. Отказы, связанные с действием
электростатического разряда
Толщина окисла затвора в современных СБИС в настоя-
щее время составляет величину порядка 25 нм и впоследствии
будет значительно уменьшена. Напряжение диэлектрического
пробоя SiCh равно ~8-106 В/см. Таким образом, окисел
затвора толщиной 25 нм не выдерживает напряжения, превы-
шающего 20 В. Эта величина больше нормального рабочего
напряжения СБИС. Однако при эксплуатации прибора на схе-
му может быть подано напряжение выше напряжения диэлект-
рического пробоя окисла затвора.
Основным источником чрезмерного повышения напряже-
ния является действие трибоэлектричества — электричества,
возникающего при трении двух материалов. Человек, передви-
гающийся по комнате или просто вынимающий ИС из ее пласт-
массовой упаковки, может генерировать напряжение в диапа-
зоне 15 000—20 000 В. Разряд трибоэлектрически генерирован-
ного заряда в ИС может вызвать значительное повреждение
Таблица 14.7. Механизмы отказов, зависящие от времени,
для кремниевых полупроводниковых приборов [30]
Компонент /схемы Механизм отказов Существующие факторы Факторы ускорения Кажущаяся энергия актива- ции механизма ускорения для соответствую- щей температу- ры Еа
Окись кремния Накопление по- Подвижные т £„=1,0—1,05 эВ
и поверхность раздела крем- ний — ОКИСЬ кремния верхностного заряда ноны, V, Т (в зависимости от концентра- ции ионов)
Диэлектрический пробой 8, Т S. т £„=0,2—1,0 эВ у(Т) = 1— 4,4
Инжекция за- ряда Т, Qf S, т £а=1,3 эВ (медленный за- хват), Еа — =—1 эВ (ин- жекция горячих электронов)
Металлизация Электромигра- ция Т, 1, А, гради- енты Т и J, размер зерен т, J £„=0,5—1,2 эВ, JV, ^(Т) = 1—4
Коррозия хими- ческая, электро- литическая Разрушение контактов Загрязнение, Н, V, Т Т, металлы, примеси Н, V, т Различные факторы Сильное влия- ние Н, Еа— = 0,3—1,1 эВ (для электро- лиза), V мо- жет иметь ог- раничения
Соединения и Образование Т, примеси, Т Al—Au: Еа=
другие механи- ческие поверх- ности раздела интерметалли- ческих соедине- ний Усталостное разрушение прочность свя- зи Прочность свя- зи, термопик- лирование Экстремаль- ные темпе- ратуры при термоник- лировании = 1,0—1,05 эВ
Материалы, обеспечиваю- щие герметич- ность Натекание че- рез уплотнение Разность давле- ний, атмосфера Давление
Примечание. V — напряжение, Т — температура, £ — напряженность электрического
поля, J — плотность тока, Л — площадь, И — влажность.
431
432
ГЛАВА 14
Вход О
оЗатвор а
Вход D
оЗатвор б
Вход Q
---------о ^пв
ji
----------оЗатвор
----------о <<55
Вход О
г
Рис. 14.15. Некоторые типы схем защиты затворов ИС: а — с использовани-
ем диода, б — стабилитрона, в — транзистора, г — искрового промежут-
ка [23].
ИС, что приводит к немедленному отказу схемы. Возможно
также возникновение небольшого повреждения, которое тем
не менее приводит к отказу ИС при эксплуатации в начальный
период.
Испытания на принудительный отказ не исключают появле-
ния отказов, вызванных электростатическим разрядом (ЭСР).
В действительности дополнительные манипулирования с прибо-
ром при проведении испытаний на принудительный отказ могут
привести даже к увеличению интенсивности ранних отказов
приборов, если не приняты соответствующие меры для предот-
вращения возникновения статического электричества. Для ис-
ключения этого механизма отказов разработаны теория ЭСР,
модели отказов ЭСР и методы предотвращения отказов за
счет ЭСР [24].
ВЫХОД ГОДНЫХ ИС И ИХ НАДЕЖНОСТЬ
433
Даже при соблюдении мер предосторожности при манипу-
лировании с ИС может возникнуть ЭСР в несколько сотен
вольт. Входные и выходные контакты ИС проектируют со
схемой защиты на кристалле, которая обеспечивает отвод тока
разряда и предотвращает появление чрезмерного напряжения
на окисле затвора прибора. На рис. 14.15 показано несколько
типов схем защиты затворов. В схеме на рис. 14.15, а при по-
явлении положительного напряжения разряда на входном кон-
такте верхний диод смещается в прямом направлении и ток
разряда протекает через диод к контакту Vdd прибора, в ре-
зультате чего избыточное напряжение не попадает на затвор.
Подобно этому, при отрицательном напряжении разряда на
входном контакте в прямом направлении смещается нижний
диод и ток протекает к контакту Vss- В схеме на рис. 14.15,6
при появлении разряда на входном контакте один из стаби-
литронов смещается в прямом направлении, а другой в на-
правлении обратного потенциала пробоя и ток разряда про-
текает на контакт Vss- При использовании схемы на рис.
14.15, в ток разряда протекает к контакту Vss либо через диод
истока, либо при включении транзисторов с высоким порого-
вым напряжением. Искровой промежуток на схеме рис. 14.15, г
обеспечивает дополнительный канал для тока разряда к кон-
такту VSs. Во всех рассмотренных схемах резистор ограничи-
вает максимальный уровень тока разряда. Диоды и другие
пути прохождения тока в схемах защиты должны быть спро-
ектированы для функционирования при больших величинах
тока и мощности, возникающих при типичном ЭРС. Тело че-
ловека, первоначально заряженное до потенциала 2000 В, вы-
зовет максимальный ток в несколько ампер и максимальное
рассеяние мощности в несколько киловатт при разряде на ИС.
14.8.2. Случайные сбои, вызываемые а-частицами
В качестве примесей в материалах, используемых при гер-
метизации ИС, естественно, присутствуют и радиоактивные
элементы, такие, как уран и торий, а-частицы, испускаемые
этими элементами, могут вызвать случайные сбои функциони-
рования ИС [25, 26]. Термин «случайный сбой» означает слу-
чайный отказ, не связанный с физической дефектностью при-
бора. Проникновение а-частиц в кремний приводит к генера-
ции электронно-дырочной плазмы вдоль траектории частицы.
Генерированные носители заряда могут вызвать потерю ин-
формации, накопленной в ячейках памяти или в областях
обеднения стока приборов, на базе которых смонтированы та-
кие схемы, как динамический сдвиговый регистр или другие
логические элементы. При поглощении а-частиц . с энергией
434
ГЛАВА 14
4 МэВ может быть генерировано 106 электронно-дырочных пар
[27], заряд которых равен или больше заряда, накопленного в
ячейках динамической памяти. Типичная интенсивность слу-
чайных сбоев в системе памяти [22], содержащей 1000 схем
памяти емкостью 16К, может быть порядка 1 сбой/1000 ч, что
соответствует интенсивности отказа 1000 ЕИО.
Вероятность случайных сбоев может быть уменьшена окру-
жением или покрытием кристалла ИС материалом, имеющим
очень низкую концентрацию радиоактивных загрязнений [28].
Например, а-частицы с энергией 8 МэВ полностью поглощают-
ся слоем силиконовой резины толщиной 50 мкм, а сам мате-
риал не испускает значительного количества а-частиц.
14.9. ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ
Как показано в предыдущих разделах, в современной тех-
нологии СБИС весьма актуальными являются проблема повы-
шения выхода годных ИС и обеспечение их надежности. Про-
гресс в технологии СБИС достигается за счет уменьшения
размеров элементов, увеличения площади кристалла, примене-
ния более сложных процессов и введения новых материалов.
Все это неизбежно ведет к увеличению плотности дефектов.
Идентификация и устранение причин отказов схем и тем са-
мым повышение выхода годных ИС являются неотъемлемой
частью разработки новой технологии.
Результатом усложнения СБИС явится функционирование
схем при больших величинах напряженности электрического
поля, плотности тока и рассеяния мощности. Эти факторы бу-
дут ускорять появление отказов приборов вследствие действия
описанных выше механизмов. Кроме того, при внедрении новых
материалов возникают новые типы отказов ИС. Успешная раз-
работка новых технологических процессов должна включать
идентификацию и определение природы механизмов отказов.
Объединенные попытки разработки технологии и анализа вида
потерь выхода годных ИС и отказов приведут к созданию
технологии, необходимой для производства СБИС, примени-
мых в экономически жизнеспособных системах.
ЗАДАЧИ
1. На пластине, показанной на рис. 14.1, содержится
266 кристаллов, из них 99 годных. Если пластину разделить
на сетку, каждая ячейка которой содержит 2, 3 или 4 кристал-
ла, то получится 126, 83 и 58 сдвоенных, строенных и счетве-
ренных кристаллов соответственно. Число годных кристаллов
ВЫХОД ГОДНЫХ ИС И ИХ НАДЕЖНОСТЬ
435
соответственно равно 29, 14 и 7. При контроле пластины не
обнаружено годных кристаллов в области ~ 46,6 % площади
пластины, что соответствует величине У =53,4%.
а) Используя значение выхода годных кристаллов, оцените
величину О0А на основании функций распределения Пуассона,
треугольного и прямоугольного распределений D.
б) Используя значения D0A, предскажите величину выхода
годных кристаллов для учетверенной площади кристалла.
Сравните полученное значение с наблюдаемой величиной вы-
хода годных счетверенных кристаллов.
2. Используя данные предыдущей задачи для эксперимен-
тальной величины выхода годных составных кристаллов, опре-
делите, какое распределение даст лучшее приближение к экс-
периментальным данным: уравнение (14.26) или уравнение
(14.17).
3. Группа из десяти приборов подвергнута ускоренным ис-
пытаниям при температуре 150 °C в течение 3000 ч. Каждые
100 ч испытания прерывались и проводился контроль электри-
ческих характеристик приборов. Приборы отказывали через
200, 800, 1000, 1700, 2800 и 2900 ч. После 3000 ч четыре при-
бора остались годными. Опишите полученные данные с ис-
пользованием функции логарифмического нормального рас-
пределения и функции распределения Вейбулла. При построе-
нии графика принято использовать следующий параметр для
доли отказавших приборов: число отказавших приборов/(чис-
ло испытанных приборов +1).
а) Какое распределение точнее описывает эксперименталь-
ные данные?
б) определите медианный срок службы и о логарифмиче-
ского нормального распределения.
в) Определите медианный срок службы распределения
Вейбулла.
г) Определите время для двух указанных распределений,
за которое откажут 99% приборов.
д) Вторая группа из десяти приборов той же промышлен-
ной партии подвергнута аналогичным испытаниям. Отказы
были обнаружены через 200, 1600, 1700 и 2400 ч. После 3000 ч
остались годными шесть приборов. Проанализируйте эти дан-
ные согласно пп. а, б, в, г.
е) Объедините результаты двух экспериментов и оцените
медианный срок службы и о этих приборов, подвергнутых ис-
пытаниям при 150 °C.
4. Третью группу 20 приборов той же промышленной пар-
тии, что и в предыдущей задаче, подвергают испытаниям при
температуре 200 °C. Приборы контролируют по истечении каж-
дых 10 ч функционирования. Приборы отказывали по проше-
436
ГЛАВА 14
ствии 10,30,40,50,80,100 и НО ч, при этом число отказов в
моменты 50 и 100 ч равно двум, а в остальных случаях —
единице. Испытания в это время прерывались.
а) Оцените лучшие значения медианного срока службы и
о с помощью логарифмического нормального распределения.
б) В предположении, что механизм отказов приборов оди-
наков при 150 и 200°C и, следовательно, применимо уравнение
Аррениуса, рассчитайте энергию активации и оцените среднее
время наработки на отказ при рабочих температурах 70 и
50 °C.
в) Оцените приемлемую погрешность определения медиан-
ного срока службы при 200 и 150°C и укажите, какова прием-
лемая минимальная величина медианного срока службы при
170 °C.
5. а) Определите минимальную интенсивность отказов при-
бора, функционирующего при температуре 70°C в течение
4 мес, 1 года и 10 лет.
б) Используя минимальную величину среднего срока служ-
бы при 70°C из задачи 4, определите худшую ожидаемую ве-
личину интенсивности отказов за 4 мес, 1 год, 10 лет.
в) Какова минимальная интенсивность отказов, если рабо-
чая температура уменьшена до 50°C?
Используйте результаты решения задач 3 и 4.
6. Для значения медианного срока службы, равного 4-106 ч,
и о = 1,3
а) Определите долю приборов, которые откажут после
10 лет эксплуатации при температуре 70 °C.
б) Если система включает 100 приборов, определите долю
систем, которые откажут за 10 лет. Используйте аппроксима-
цию Пуассона для биномиальной вероятности, уравнение (14.4)
и тот факт, что в данной системе не обнаружено отказавших
приборов.
в) Какова ожидаемая доля отказавших приборов в системе
после 10 лет эксплуатации с учетом низшего предела медиан-
ного срока службы 1,8-106 ч?
г) Какова ожидаемая доля отказавших систем?
д) Какова ожидаемая доля отказавших приборов и систем
после 10 лет эксплуатации при температуре 50 °C, если ожи-
даемый средний срок службы равен 4-Ю7 ч?
7. Двадцать приборов, аналогичных рассмотренным в за-
дачах 3—4, но из другой промышленной партии, эксплуатируют-
ся при температуре 150 °C. Предполагается, что некоторые
приборы из этой партии в результате нарушения технологии
их изготовления загрязнены натрием. Эти приборы контроли-
ровались по истечении 2, 4, 8, ..., 4096 ч работы. Отказы были
обнаружены после 32 (1 отказ), 64 (три отказа), 128 (1 от-
ВЫХОД ГОДНЫХ ИС И ИХ НАДЕЖНОСТЬ
437
каз), 512 (1 отказ), 1024 (два отказа), 2048 (три отказа), и
4096 (два отказа) ч работы. Распределение представьте в гра-
фическом виде.
а) Оцените на основании анализа точки перегиба графика
распределения дефектов долю загрязненных или аномальных
приборов в совокупности приборов.
б) Разделите приборы на аномальные и нормальные. По-
стройте график, аналогичный приведенному на рис. 14.11, для
определения медианного срока службы и о каждой совокуп-
ности приборов.
8. Предположите, что аномальные приборы, загрязненные
натрием, составляют 25% совокупности приборов и что медиан-
ный срок службы при 150°С равен 60 ч, о=0,7 и энергия ак-
тивации составляет 1,0 эВ. Медианный срок службы основной
совокупности приборов составляет 4800 ч при 150°C, ст=1,3,
а энергия активации равна 1,10 эВ.
а) Постройте зависимость интенсивности отказов от време-
ни при эксплуатации при температуре 70°C для указанных
выше приборов.
б) Может ли испытание на принудительный отказ в тече-
ние 150 ч при 150 °C служить эффективным методом уменьше-
ния интенсивности отказов ИС этих приборов при нормальной
эксплуатации при температуре 70 °C?
ЛИТЕРАТУРА
1. Feller W., An Introduction to Probability Theory and Its Applications,
3d ed., Wiley, New York, 1968.
2. Schuster S. E., Multiple Word/Bit Line Redundancy for Semiconductor Me-
mories, IEEE J. Solid State Circuits, SC13, 698 (1978).
3. Murphy В. T., Cost-Size Optima of Monolithic Integrated Circuits, Proc.
IEEE, 52, 1537 (1964).
4. Stapper С. H., Jr., On a Composite Model to the I. C. Yield Problem, IEEE
J. Solid State Circuits, SCIO, 537 (1975).
5. Hines W. W., Montgomery D. C., Probability and Statistics in Engineering
and Management Science, Wiley, New York, 1972.
6. Bury К- V., Statistical Models in Applied Science, Wiley, New York, 1975.
7. Murrman H., Kranzer D., Yield Modeling of Integrated Circuits, Siemens
Forsch. Entwicklungs Ber., 9, 38 (1981).
8. Stapper С H, LSI Yield Modeling and Process Monitoring, IBM J. Res.
Dev., 20, 228 (1976).
9. Gupta A., Porter W. A., Lathrop J. W., Defect Analysis and Yield Degra-
dation of Integrated Circuits, IEEE J. Solid State Circuits, SC9, 96 (1974).
10. Stapper С. H., Yield Model for 256K RAMs and Beyond, IEEE Int.
S.S.C.C. Digest of Tech. Papers, 12 (1982).
11. Ansly W. G., Computation of Integrated Circuit Yields from the Distribu-
tion of Slice Yields for the Individual Devices, IEEE Trans. Electron De-
vices, ED15, 405 (1968).
12. Gupta A., Lathrop J. W., Yield Analysis of Large Integrated Circuit Chips,
IEEE J. Solid Slate Circuits, SC7. 389 (1972).
438
ГЛАВА 14
13. Yanagawa Т., Yield Degradation oi Integrated Circuits Due to Spot Defects,
IEEE Trans. Electron Devices, ED19, 190 (1972).
14. Duane J. T., Learning Curve Approach to Reliability Monitoring, IEEE
Trans. Aerosp., 2, 563 (1964).
15. Goldthwaite L. R., Failure Rate Study for the Lognormal Lifetime Model,
IEEE Proc. 7th Symposium on Reliability and Quality Control, 1961, p. 208.
16. Weston R. E., Schwartz H. A., Chemical Kinetics, Prentice-Hall, Englewood
Cliffs, N. J, 1972.
17. Sun R. C., Clemens J. T., Nelson J. T., Effects of Silicon Nitride Encapsu-
lation on MOS Device Stability, Reliability Physics, 18th Annual Pro-
ceedings, 1980, pp. 244—251.
18. Anolick E. S., Cren L.-Y., Application of Step Stress to Time Dependent
Breakdown, Reliability Physics, 19th Annual Proceedings, 1981, pp. 23—27.
19. Vaidya S., Fraser D. B., Sinha A. K-, Electromigration Resistance of Fine-
Line Al for VLSI Applications, Reliability Physics, 18th Annual Proceedings,
1980, pp. 165—170.
20. Gunn J. E., Malik S. K., Highly Accelerated Temperature and Humidity
Stress Test Technique (HAST), Reliability Physics, 19th Annual Proceedings,
1981, pp. 48—51.
21. Peck D. S, New Concerns About Integrated Circuit Reliability, Reliability
Physics, 16th Annual Proceedings, 1978, pp. 1—6.
22. Bailey С. M., Basic Integrated Circuit Failure Mechanisms, L. Esaki, Ed.,
Large Scale Integrated Circuits: State of the Art and Prospects, Lange
Voorkout, The Hague, 1982.
23. Wood J., Reliability and Degradation of Silicon Devices and Integrated
Circuits, M. J. Howes, D. V. Morgan, Eds., Reliability and Degradation,
Wiley, New York, 1981.
24. Unger B. A., Electrostatic Discharge Failures of Semiconductor Devices,
Reliability Physics, 19th Annual Proceedings, 1981, pp. 193—199.
25. May T. C., Woods M. H., A New Physical Mechanism for Soft Errors in
Dynamic Memories, Reliability Physics, 16th Annual Proceedings, 1978,
pp. 33—40.
26. May T. C., Woods M. H., Alpha-Particle-Induced Soft Errors in Dynamic
Memories, IEEE Trans. Electron Devices, ED26, 2 (1979).
27. Hsieh С. M., Murley P. C., O’Brien R. R., Dynamics of Charge Collection
from Alpha Particle Tracks in Integrated Circuits, Reliability Physics, 19th
Annual Proceedings, 1981, pp. 38—42.
28. White M. L. et al., The Use of Silicone RTV for Alpha Particle Protection
of Silicon Integrated Circuits, Reliability Physics, 19th Annual Proceedings,
1981, pp. 43—47.
29. Peck D. S., The Analysis of Data from Accelerated Stress Tests, Reliability
Physics, 9th Annual Proceedings, 1971, pp. 69—77.
30. Peck D. S., Practical Applications of Accelerated Testing-Introduction, Re-
liability Physics, 13th Annual Proceedings, 1975, pp. 253—254.
ПРИЛОЖЕНИЕ А
Свойства кремния (при 300 К)
Свойство Si
Число атомов в 1 см’ 5,0-1028
Атомный вес 28,09
Напряженность поля пробоя, В/см ~3105
Кристаллическая структура Плотность, г/см3 Типа алмаза
твердое состояние 2,33
жидкое состояние (1412 °C) 2,53
Диэлектрическая проницаемость И.9
Эффективная плотность состояний в зоне прово- димости JVC, см~3 2,8-Ю19
Эффективная плотность состояний в валентной зоне JW, см-3 Эффективная масса т*!та 1,04-Ю19 т;* = 0,98, т(*=0,19
электронов дырок т*;ь=0,16, т*ьл=0,49
Электронное сродство, В 4,05
Ширина запрещенной зоны, эВ Теплоемкость, кал/(г-М°С) 1,12
твердое состояние 4,78
жидкое состояние (1412 °C) 6,76
Коэффициент преломления 3,42
Концентрация собственных носителей, см-3 1,45-1010
Длина дебаевского экранирования в собственном материале, мкм 24
Удельное сопротивление собственного материа- ла, Ом см 2,340s
Постоянная решетки, нм 0,543095
Термический коэффициент линейного расшире- ния &LIL&T, °C-1 2,6-10-"
433
440
. ПРИЛОЖЕНИЕ А
Продолжение
Свойство Si
Точка плавления, °C Время жизни неосновных носителей заряда, с Подвижность (дрейфовая), см2/(В-с) электронов pt„ дырок gp Энергия оптических фононов, эВ Средняя длина свободного пробега фоионов, им электроны дырки Отношение Пуассона Удельная теплоемкость, Дж/(г-°С) Коэффициент теплопроводности, Вт/(см-°C) твердое состояние жидкое состояние (1412 °C) Коэффициент температуропроводности, см2/с Модуль сдвига, кгс/мм2 Давление насыщенного пара, Па 1412 2,5 • 10-3 500 475 0,063 7,6 5,5 0,42 0,7 1,5 4,3 0,9 4050 1 при 1650 °C 10-е прн 900 °C
Модуль Юига, кгс/мм2 10 890
ПРИЛОЖЕНИЕ Б
Список обозначений
Символ Физическая величина Единица измерения
а Постоянная решетки ИМ
3 Магнитная индукция Вб/м2
с Скорость света в вакууме см/с
с Емкость ф
d Электрическая индукция Кл/см2
D Коэффициент диффузии см2/с
Е Энергия эВ
Е? Энергия Ферми эВ
Eg Ширина запрещенной зоны эВ
S Напряженность электрического поля В/см
Напряженность максимального поля В/см
f Частота Гц
h Постоянная Планка Дж-с
hv Энергия фотона эВ
I Ток А
J Плотность тока А/с2
k Постоянная Больцмана Дж/К
kT Тепловая энергия эВ
L Длина см или мкм
mo Масса покоя электрона кг
tn* Эффективная масса кг
n Показатель преломления
n Концентрация свободных электронов см~3
nt Собственная концентрация см~3
N Концентрация легирующей примеси см~3
na Концентрация акцепторной примеси СМ-3
Nd Концентрация доиориой примеси см-3
P Концентрация свободных дырок см~3
29—233
441
442
ПРИЛОЖЕНИЕ Б
Продолжение
Символ Физическая величина Единица измерения
р Давление Н/м2
я Заряд электрона Кл
Qu Плотность поверхностных состояний см-2
R Сопротивление Ом
t Время С
Т Абсолютная температура к
V Скорость носителей см/с
Vs Скорость насыщения см/с
V Напряжение В
vbt Встроенный потенциал В
vB Напряжение пробоя В
w Толщина СМ или мкм
X Ось х
VT Градиент температуры К/см
8o Диэлектрическая постоянная вакуума Ф/см
es Диэлектрическая проницаемость полупроводника Ф/см
8/ Диэлектрическая проницаемость изолятора Ф/см
8s/8o ИЛИ Относительная диэлектрическая проницаемость
8i/6o
T Время жизни или время задержки с
e Угол рад
X Длина волны МКМ или нм
V Частота светового излучения Гц
go Магнитная проницаемость вакуума Гн/см
gn Подвижность электронов см2/В • с
gp Подвижность дырок см2/В-с
P Удельное сопротивление Ом • см
Ф Высота барьера В
Работа выхода электрона из металла В
to Круговая частота (2л/ или 2nv) Гц
Q Сопротивление Ом
ПРИЛОЖЕНИЕ В
Международная система единиц
Параметр Единица Символ Размерность
Длина Метр м
Масса Килограмм кг
Время Секунда с
Температура Кельвин к
Ток Ампер А
Частота Герц Гц с-1
Сила Ньютон Н кг • м/с2
Давление Паскаль Па Н/м2
Энергия Джоуль Дж Н-м
Мощность Ватт Вт Дж/с
Электрический заряд Кулон Кл А-с
Потенциал Вольт В Дж/Кл
Проводимость Сименс См А/В
Сопротивление Ом Ом В/А
Емкость Фарада Ф Кл/В
/Магнитный поток Вебер Вб В-с
Магнитная индукция Тесла Тл Вб/м2
Индуктивность Генри Гн Вб/А
29
443
ПРИЛОЖЕНИЕ Г
Физические константы
Величина Символ Значение
Нанометр НМ 1 нм=10-3 мкм = 10~9м
Число Авогадро Wavo 6,02204-1023 М-‘
Боровский радиус йв 0,052917 нм
Постоянная Больцмана k 1,38066 • 10-23 Дж/К (R/NavoJ
Элементарный заряд Я 1,60218-10—19 Кл
Масса покоя электрона тй 0,91095-10-30 кг
Электрон-вольт эВ 1 эВ= 1,60218-10~19 Дж— = 23,053 ккал/М
Газовая постоянная R 1,98719 кал-М-1 К“‘
Магнитная проницаемость ва- куума Ио 1,25663-10-8 Гн-см-‘ (4л-10-9)
Диэлектрическая постоянная вакуума во 8,85418-10-1* ф.см-1 (1/1*0 с2)
Постоянная Планка h 6,62617-10-3‘ Дж-с 1
Редуцированная постоянная Планка ft. 1,05458-10-3< Дж-с (й/2л)
Масса покоя протона мр 1,67264-10-27 кг
Скорость света в вакууме Стандартная атмосфера с 2,99792-IO10 см/с 1,01325-10s Н/м2
Напряжение, соответствующее температуре 300 К Длина волны кванта света с энергией 1 эВ kT/q X 0,0259 В 1,23977 мкм
444
ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ»
АвтолегИрование 81, 82, 83, 90, 98,
111,117, 118
Анализ химический 287
Анизотропия роста 97
Апертура числовая 366, 145, 147, 274
Ьете-скорость рассеяния энергии 152
Больцмана— Матано анализ 236, 237
Больцмана уравнение переноса 120
Брэгга уГОл 309
Бугорки Ю2, 81
Вакансии 318, 324
Варактор 293
Вейбулла распределение 412, 414, 428
Вентиль логический И—НЕ 207, 233
Волластона призма 275
Воспроизведение ступенчатого релье-
фа 149, 150, 81
Выход Годных изделий 358, 203, 390
Вязкость газа 74
Галлия арсенид 18, 66
Гамма-излучение 291
Гамма-раСпределение 399
Гаусса распределение 234
Генри закон 177
Германий 18, 199
Герметизация 366
— стеклом 357
Герметичность 367
Герца-Кнудсена уравнение 71
Гетероэпитаксия 72 [
Геттерирование 45, 62, 266, 340
— внутреннее 64, 343
— лазерное 62
Гомоэпитаксия 72
Граница раздела Si/SiO2 47
Границы зерен 27
Грасгофа число 76
Графит 39, 86
Гуммеля число 194
Давление пара 71
Дебая длина экранирования 251
Дефекты двумерные (поверхностные)
27
— линейные 25
— объемные 25, 28
— радиационные 315
— структур с окисной изоляцией 220
— точечные 25, 30, 239, 335, 393
— третичные 336
— упаковки 45, 98, 99, 217, 336
-----окислительные 283, 205, 392
— эпитаксиальные 98
Дивакансии 244, 316
Дислокации 26, 28, 63, 100, 217, 336,
204
— краевые 26
Диссоциация молекулярная 21
Дифракция 367, 230, 308
Диффузия 8, 36, 227—287, 331, 128—
135, 193, 194, 196
— вакансий 229, 239, 131
— высококонцентрациониая 263
1) Номера страниц, набранные полужирным шрифтом, относятся ко второй
книге
445
446
ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ
— по границам зерен 277
-----междоузлиям 229—230
— ускоренная окислением 279
Длина канала минимальная 255
— свободного пробега 103, 150, 70,
84
Доза 296
— критическая 319
Допуск 362, 8
— на совмещение 250
Ду ан а график 414
Единица интенсивности отказов 406,
419, 424, 434
Емкости паразитные 188
Загрязнения примесные 48
Задержка распространения сигнала
201
Закон действия масс 239
Замедление диффузии 279
Запоминающие устройства (ЗУ) ди-
намические 62, 189, 202, 227
-----оперативные 12, 73, 189, 223,
227—231
----- постоянные 224
----- статические 227
Заряд 207—210
— поверхностных состояний 207
— подвижных ионов 208 209, 102
— связанный 102
— фиксированный (постоянный) 102
Затвор 220
Затухание 302
Защелкивание 274, 275, 388, 76, 170,
292
Зона бездефектная 64
Зонд ртутный 87
Излучение синхротронное 390
Измерение толщины 69
Изображение пространственное 142
Изоляция 193, 213, 241
— окислом 188
— р—«-переходом 188
ИК-поглощение 157
ИК-спектроскопия 78, 156, 243
Имплантация ионная 105, 292
Инвертор 231
Ингибитор фотоактивный 148
Инжекция горячих носителей 256
Интегрально-инжекционная логика
(И2 Л) 199
Интенсивность отказов средняя 410,
429
— распыления 28, 29
Интерферометрия 158
Искажение топологического рисунка
94, 95
Испарение взрывное 73
— резистивным нагревом 73
— электронно-лучевое 74
Испаритель планетарный 172, 173
Испытания ускоренные 426
Источники ионов 298
— рентгеновские 389
Камеры вакуумные 65
Каналирование ионов 311, 126
Карбиды тугоплавкие 37
Киркендала полости 337
Кластеры 130
КМОП ИС (комплементарные МОП
ИС) 15, 73, 111, 310, 337, 112, 184,
231—248, 261
---- статические 233
----динамические 234
КМОП-технология «двухкарманная»
238
Кнудсена источник 105
Комплексы вакансиоиио-примесные
318
Константа скорости окисления 179—
183
---- роста параболическая 180
— химической реакции 177
Контакты 64
ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ
447
Контраст 369
Контроль качества поверхности 1’4,
118
— размеров элементов 10
Концентрация вакансий 25, 195, 136
— носителей собственная 242
Корпус высококачественный 365
— из окиси бериллия 355
-----тугоплавкой керамики 355
— керамический 353, 379, 368
— пластмассовый 358
— с двухрядным расположением вы-
водов 333, 357
-----матрицей выводов 362, 380
Коррозия 106
Коффина — Мэнсона уравнение 349
Коэффициент аккомодации 105
— диффузии 178, 212, 228, 238
-----в газовой фазе 76
-----собственный 242, 259
— массопереноса 177
— неидеальности 219
— преломления 115, 159, 145
----- силицидов 99
— сегрегации 32, 33, 212
— термический линейного расшире-
ния 332, 361
Кремний металлургический 19, 20
— на изоляторе 66, 109, 112
-----сапфире (КНС) 110
-* поликристаллический см. Поли-
кремний
Кристаллодержатели 356, 380
«Лазер 62, 113
Лампа кварцевая галогенная 88
— ксеноно-ртутная 391
Лауэ-рентгенограммы 308—309
Легирование канала 217
Литография взрывная 85, 86
— в глубокой УФ-области 391
— ионно-лучевая 396, 162
— оптическая 364, 141
— рентгеновская 382
— электронно-лучевая 373, 151
Логика транзисторная объединенная
199
ЛШШ (Линдхарда, Шарфа, Шиот-
та)-теория 305, 119
Магнетрон 78
Майксельсона интерферометр 116
Маркировка лазерная 67
Масс-спектроскопия 78
— вторичных ионов (МСВИ) 213,
254, 311, 125, 296
Масштабирование 253
Межсоединения 379
Металлизация многоуровневая 256
Метод дифференциальной проводимо-
сти 252
— интерферометрический 247
— конечных разностей 116
— обратных конечных разностей 140
— пирогенный 201
— переноса рисунка аддитивный 6
----- — субтрактивный 6
— растрового сканирования 380
Механизм межузельный 229
— вытягивания кристалла 40
Микроанализ рентгеновский 298
Микропроцессор 41, 89, 201
Микроскопия растровая электронная
(РЭМ) 151, 152, 154, 50, 92, 93, 168,
169, 170, 277, 296
— электронная просвечивающая 138,
320, 324, 282, 298, 314
Миниатюризация СБИС 248
Миллера индексы 24
Модель струны 166
Модуль упругости 332
Монтаж кристаллов 330
методом перевернутого кристалла
347
Монте-Карло метод 120, 151, 159, 162
МОП-транзистор 9, 12, 114, 133, 227.
269, 293, 315, 339, 345, 5, 48, 49, 54,
63, 67, 95, 106, 174, 176, 184, 206—
223, 254, 255, 261, 262
— «-канальный 111, 52, 175, 183, 184,
231, 237, 238, 255
448
ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ
— р-каиальиый 206, 231, 237, 255
Морфология 273
Навье — Стокса уравнение 137
Нагрев индукционный 86, 75
Нагреватель полосковый 114
Надежность 409
Наполнители 360
Напряжение плоских зои 208, 102
— пороговое 105, 217, 243, 245, 256,
392
Напряжения 210
— термические 65
— термомеханические 362
— упругие 156, 159, 162, 101, 306, 351
Несимметричность 302
Носители заряда неосновные 339
— ленточные 342
Обработка пластин индивидуальная
36
Образование канавок 44
Оборудование для роста кристаллов
35
Оже-спектроскопия электронная 288
Окисление 175—205, 135
— в сухом кислороде 201
— во влажном кислороде 201
— локальное 213
— плазменное 204, 222
— при повышенном давлении 189, 201
— с добавлением НС1 201
— термическое 174, 136
Окислы легированные 146
Ориентация поверхности подложек 95
Осаждение из парогазовых смесей 21,
65, 102, 104, 174, 215, 78, 211
— вольфрама 78
— плазменное 162
— плазмохимическое 162
— повторное 45
— полимеров 46
— при пониженном давлении 127,
138, 51
— силицидов 95
— физическое из парогазовых смесей
65
Освещение когерентное 369, 145
— иекогереитиое 369, 144
Отжиг 321
— быстрый 333
— изотермический 328
— изохронный 323, 325
— лазерный 333—336
Отражение лазерное 305
Очистка воды 257
— поверхности подложек 200
Пары ионные 340
Перемешивание иоиио-лучевое 345
Перенос изображения 357
Переохлаждение химическое 35
Перераспределение примеси диффузи-
онное 235
Пересыщение 44
Период полураспада 291
Печать контактная 364
— проекционная 364, 368
Пирометр оптический 88
Пирсона приближение для четырех
параметров 302, 310
Плазма 15
Планаризация 82
Плотность газа 74
— дислокаций 109
— поверхностных состояний 212
Подвижность 249
— электронов 114
— эффективная 249
Подложки кремния 48
Подложкодержатель горизонтальный
86
— цилиндрический 37
Поле пробоя 167, 254
Полиимид 168, 389, 333
Поликремний 23, 86, 114, 133—143,
275, 278, 53, 95, 96, 219, 220
— полуизолирующий 169
Полирование 58
ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ
449
Полициды 53, 220
Последовательность совмещения 250
Правила проектирования 248, 337
Предел прочности 24
— текучести 43
Прессование 361
Преципитаты кислорода 28, 45, 64, 66
Приближение трех параметров ЗС1
Приборы, работающие в режиме обед-
нения (нормально открытые) 207
-------— обогащения (нормально
закрытые) 207
— с зарядовой связью ПЗС 286
— со скрытым каналом 220
Примеси быстродиффуидирующие 275
— металлические 28
Припои 331
Пробеги атомов отдачи 314
— ионов 300
Проводимость подпороговая 217
Произведение быстродействия иа
мощность 201, 253
Производительность 355, 397
Прокол перехода 88, 95
Профиль края элемента 41, 43
Проявление фоторезиста 149
-«Птичий клюв» 137, 194, 206, 222
Пуассона отношение 27’305
— распределение 397
«Пурпурная чума» 106, 337
Пучки ионные 295
Работа выхода 208, 243, 280
Разделение пластин 329
Размеры элемента минимальные 10,
248
Разрешающая способность 376
Разрешение 355, 366, 397
— рентгеновской литографии 383
Разряд газовый 15, 21
— при постоянном токе 17
— электростатический 430
Распределение биномиальное 397
— дефектов радиальное 404
— неоднородное 397
Распыление ионно-лучевое 76
— магиетроиибе 77, 84
Рассеяние боковое 300
— резерфордовское 257, 278
— электронов 379, 151, 273, 278
Раствор кислорода 41—45
Растворимость 28, 276
— кислорода 44
— резиста 360
Рауля закон 240
Реакции ядериые 258
Реактор «с горячими стенками» 88, 79
— — параллельными электродами 25
— «с холодными стенками» 88, 79
Режим наведенного тока 339, 315, 318
— потенциального контраста 315
Резервирование 230, 402
Резерфорда потенциал 306
— экранирования формула 151
Резисты 355, 359, 384, 392, 395, 148,
153, 157, 159, 164, 165, 176
— многослойные 392
— неорганические 394
— оптические 366
— рентгеновские 384
— трехслойные 394
— электронные 375
Резка слитков иа пластины 50
Резонанс электронный парамагнитный
243
Рейнольдса число 74, 76
Рекомбинация 37, 42
Решетка алмаза 24
Рида камера 308, 312
Ричардсона постоянная 64
Сбои случайные 370, 434
Сварка методом шарика — клина 333
— — клина — клина 334
— термокомпрессиоииая 339
Себестоимость 187
Секко травитель 118
Сенсибилизатор 366
Силицид вольфрама 96, 104, 105
Силициды 345, 63, 54, 80, 89, 96—105,
192, 220, 222, 223
450
ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ
— тугоплавких металлов 54, 63
Сиртла травитель 46, 118
Системы машинного проектирования
357
— планетарные 82, 171, 172
Сканирование векторное 380
Скольжение 100
Скорость вытягивания 30, 32, 34
— насыщения 193
— окисления 189, 191
— осаждения 69
— роста 30
— течения газа 74
— травления 12, 28, 36, 40, 156, 167,
430
Слой пограничный 74, 76
— скрытый 94, 189, 193
— углеродный 87, 88
— эпитаксиальный 115—118
Смещение 73, 94, 96
Смолы эпоксидные 332, 359
Соединение автоматизированное на
ленточном носителе 338
— кристалла полимерным клеем 332
----проволокой 333
----эвтектикой 330, 342
Сопротивление поверхностное 156,
247, 193, 195, 223
— растекания 116, 117, 252, 376
— тепловое 371, 374
— удельное 46, 47, 139, 99
---- контактное 64
Сортировка пластин 329
Спектроскопия нестационарная глубо-
ких уровней 243, 339
— рентгеновская фотоэлектронная
303
Спектрофотометрия отраженного све-
та 158
Сплавы А1—Си 54, 84, 92
— Al—Si 54, 89
Срез боковой 50, 51
Стекло боро-фосфорно-силикатиое 167
— плавленое кварцевое 183
— свинцово-силикатное 167
— фосфорно-силикатное 126, 146, 153,
211,222,240
Степень анизотропии 9
— пересыщения 28
Температура перехода 373
Теория газов кинетическая 70
— роста кристаллов 29
Теплопроводность 333
Технология биполярная 90, 227, 188
— запоминающих устройств 223
Течение вязкое 210, 216
Тиристор 235
Ток утечки эмиттер-коллектор 203
----р—п-перехода 319
Толщина эпитаксиального слоя 115
Томаса—Ферми функция экраниро-
вания 307, 122
Топографирование электрическое 272,.
314
Торможение ионное 305
—- ядерное 305
Точность совмещения 355, 397
Травление 55, 165
— анизотропное 8, 41, 81
— газофазное 84
— изотропное 8, 81, 169
— ионное 169
— ионио-лучевое 24
— ионно-плазменное 24
— плазменное 5, 25
— плазмохимическое 5
— реактивное ионное 394, 27, 42
Транзистор биполярный 9, 17, 254,
269, 183, 184, 188—206, 253
— паразитный 213
Трибоэлектричество 430
Трипирамиды 102
Туннелирование 64
Увеличение горизонтальное коэффи-
циента диффузии 284
Угол каналирования критический 312
— падения ионов 28
---- частиц 150
ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ
451
Уплотнение 159
Уровень легирования 116
Ускорение диффузии 279
— термического окисления 198
Фаска 54, 55
Фика закон 178
— уравнение 231, 232, 333
Флюоресценция рентгеновская 302
Формирование изображения 142
— истока/стока 220
— эмиттера 196
Фоторезист 355
Фотоштамп 366
Френкеля дефект 25
Функция близости 142, 159
— логарифмического нормального
распределения 415, 417
— надежности 409
— ошибок дополнительная 233
— передачи модуляции 369, 395, 144
— плотности распределения вероят-
ности 409
— распределения интегральная 409
----- экспоненциальная 412
Фг/рй^-уравнение 372
Характеристики вольт-фарадные (С—
V) 117, 251
— тепловые герметизированных при-
боров 371
Колла эффект 253, 322
Число случайное 122
Чохральского метод 23
Чувствительность 377, 300
Шаблон 354
— переносной конформный 394
Шоттки-барьер 66, 90, 318
— диод 117, 252, 192, 202
— эффект 25
Шпинель 111
Шунтирование диодами Шоттки 198
Электромиграция 91
Электронография на просвет 312
Эллипсометрия 158
Экспонирование бесконтактное 364,
368
— фоторезиста 148
Энергия критическая 318
— иона 28
— пороговая 359
— смещения атомов 318
— ядерного торможения 318
Эпитаксия газофазная 74, 113—116
— жидкофазная 335
— молекулярно-лучевая (МЛЭ) 83,
102—109, 299
— при пониженном давлении 93
— твердофазная 293, 325, 334, 339
Эффект близости 380
— выдавливания 193
— загрузочный 38, 53
— полевой при диффузии 261
— эмиттерного выдавливания 269, 135
Юнга модуль 27, 65, 305
ОГЛАВЛЕНИЕ
8. СУХОЕ ТРАВЛЕНИЕ. Могэб К.................................. 5
8.1. Введение............................................. |
8.2. Перенос рисунка...................................... °
8.3. Газовые разряды при низком давлении..................15
8.4. Методы плазменного травления.........................23
8.5. Факторы, определяющие скорость и селективность травления 28
8.6. Контроль вытравливаемого профиля края элемеита ... 41
8.7. Побочные эффекты.....................................46
8.8. Процессы сухого травления в технологии СБИС .... 49'
8.9. Заключение и перспективы развития....................56
Задачи....................................................57
Литература...............................................51>
9. МЕТАЛЛИЗАЦИЯ. Фрейзер Д........................................62
9.1. Введение..................................................62
9.2. Методы физического осаждения из парогазовых смесей . . 71
9.3. Проблемы, возникающие при металлизации....................86
9.4. Отказы, вызванные металлизацией...........................88
9.5. Силициды для затворов или межкомпонеитиых соединений 96
9.6. Коррозия и образование соединений................ 106
9.7. Тенденции развития металлизации..........................107
Задачи...................................................108
Литература....................................................109
10. МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ. Фичтнер У. 112
10.1. Введение................................................112
10.2. Эпитаксия...............................................113
10.3. Ионная имплантация......................................119
10.4. Диффузия и окисление....................................128
10.5. Литография..............................................140
10.6. Травление и осаждение...................................165
10.7. Моделирование приборов .................................174
10.8. Выводы и перспективы развития...........................177
Задачи........................................................178
Литература....................................................180
11. ИНТЕГРАЦИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ИЗГОТОВЛЕНИЯ
СБИС. Паррильо Л..............................................183
11.1. Введение................................................183
11.2. Общие закономерности технологии ИС......................185
11.3. Технология биполярных ИС............................188
11.4. Технология n-МОП ИС.....................................206
11.5. Технология КМОП ИС......................................231
ОГЛАВЛЕНИЕ
11.6. Миниатюризация СБИС...................................2^8
11.7. Производство современных ИС..........................2i>/
11.8. Выводы и перспективы развития.......................< 261
Задачи......................................................,62
Литература.................................................
12. МЕТОДЫ КОНТРОЛЯ И ДИАГНОСТИКИ. Маркус Р................271
12.1. Введение..............................................271
12.2. Исследование морфологии..............................
12.3. Химический анализ.....................................287
12.4. Изучение кристаллографической структуры и механических
свойств.....................................................287
12.5. Телеграфирование......................................314
12.6. Заключение и перспективы развития.....................322
Задачи......................................................323
Литература..................................................325
13. МЕТОДЫ СБОРКИ И ГЕРМЕТИЗАЦИЯ. Стейдел К......................328
13.1. Введение.......................................328
13.2. Разделение пластин и их сортировка.............329
13.3. Монтаж кристаллов..............................330
13.4. Типы корпусов и технология их производства .... 352
13.5. Специальные вопросы герметизации...............366
13.6. Вопросы, связанные с применением корпусов .... 370
13.7. Заключение и тенденции развития методов сборки и гермети-
зации .......................................................382
Задачи..................................................... 385
Литература....................................................386
14. ВЫХОД ГОДНЫХ ИС И ИХ НАДЕЖНОСТЬ. Бертрем У.............389
14.1. Введение...................................... . 389
14.2. Факторы, влияющие на выход годных СБИС .... 390
14.3. Моделирование механизмов снижения выхода годных ИС 395
14.4. Требования, предъявляемые к надежности СБИС . . . 405
14.5. Математическое описание распределений отказов, надежно-
сти и интенсивности отказов ........................... 408
14.6. Функции распределения.............................411
14.7. Ускоренное испытание..............................419
14.8. Механизмы отказов.................................429
14.9. Заключение и теиденции развития...................434
Задачи..................................................434
Литература..............................................437
ПРИЛОЖЕНИЕ А.............................................439
ПРИЛОЖЕНИЕ Б.............................................441
ПРИЛОЖЕНИЕ В.............................................443
ПРИЛОЖЕНИЕ Г.............................................444
ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ........................................445