Данилова - Процессы в микро и наноэлектронике. Т. И. Данилина, К. И. Смирнова Процессы микро и нанотехнологии
 Скачать 22.56 Mb.
|
Металлизация - процесс создания внутрисхемных соединений. В планарных структурах ИМС внутрисхемные соединения выполняют с помощью тонких металлических пленок, которые наносят на изоли- рующий слой оксида кремния. Так как эти пленки используют в каче- стве проводников внутрисхемной коммутации, они должны обеспечи- вать невыпрямляющий контакт с полупроводником, иметь хорошую адгезию с кремнием и оксидом кремния и низкое удельное сопротив- ление, давать возможность присоединения выводов ИМС. Для осуще- ствления металлизации можно применять золото, никель, хром, алю- миний, системы , Au Cr - , Au Ti - , Au Mo - Au Pt Ti - - и т.д. В кремниевых ИМС для создания металлизации наибольшее при- менение нашел алюминий, так как он обладает следующими положи- тельными качествами: а) позволяет изготовлять структуры с металлизацией одним ме- таллом, что упрощает технологию; 231 б) имеет высокую проводимость, близкую к проводимости объем- ного материала, и хорошую адгезию к кремнию и оксиду кремния; в) испаряется в вакууме; г) пленки алюминия хорошо обрабатываются при проведении фо- толитографии для получения нужной конфигурации проводников, они легко поддаются травлению, которое не действует на Si и 2 SiO ; д) вступает в реакцию с оксидом кремния 2 SiO , который частич- но остается на контактных площадках; е) образует низкоомные контакты с кремнием + n -типа и p -типа; ж) не образует хрупких химических соединений AlSi ; з) имеет проводимость, почти не уменьшающуюся за счет крем- ния, находящегося в нем в виде твердого раствора; и) допускает присоединение золотой и алюминиевой проволоки; к) выдерживает циклические изменения температуры (достаточно пластичен); л) стоек к окислению в атмосфере; м) является хорошим материалом для схем, стойких к радиации; н) имеет невысокую стоимость. После создания структур в объеме полупроводниковой пластины ее покрывают слоем 2 SiO . Методом фотолитографии в тех местах слоев 2 SiO , где должны быть контакты с кремнием, вскрывают окна соответствующих размеров. Затем методом термического испарения в вакууме наносят на пластину сплошную пленку алюминия толщиной около 1 мкм (в других случаях толщина пленки может быть от 0,5 до 2 мкм). При многослойной металлизации первый слой металла наносят более тонким, чем последующий слой диэлектрика и второй слой ме- талла. Алюминий испаряют из резистивных испарителей при давлении в камере 10 -3 -10 -4 Па. Осаждение ведется на подложки, нагретые до 200 о С. Пленка алюминия имеет удельное сопротивление около 3 ×10 -6 Ом ×см, т.е. на 10-20 % больше его сопротивления в объеме (1,7 ×10 -6 Ом ×см). Необходимый рисунок проводников и контактных площадок соз- дают методом фотолитографии. Ширина проводников и промежутков между ними 10-13 мкм. Однако уже доступно создание проводящих полосок шириной 2,5 мкм и возможно изготовление полосок алюми- ния шириной чуть более 1 мкм. После нанесения рисунка пластину подвергают термообработке для получения низкоомных контактов с кремнием. В обычном случае пластину нагревают до 550 о С и выдерживают несколько минут. Жид- 232 кая фаза при этом не образуется, так как эта температура лежит ниже температуры эвтектической точки. В результате этой операции проис- ходит восстановление алюминием 2 SiO , имеющегося на границе раз- дела после воздействия окружающей среды, и кремний растворяется в алюминии. Более высокая температура (выше температуры эвтектиче- ской точки 576 о С) приводит к появлению жидкой фазы на границе раздела, где оба материала растворяются в соответствующей пропор- ции. При повышении температуры может наступить момент, когда весь алюминий (пленка Al тонкая) будет растворен в кремнии. После отжига образуется рекристаллизационный слой на поверхности разде- ла с концентрацией алюминия около 5 ×10 18 атом/см 3 , а так как алюми- ний является для кремния акцепторной примесью, то полученный рек- ристаллизационный слой будет обладать электропроводностью p - типа. Таким образом, при образовании контакта к p -области кремния примесь Al только увеличит концентрацию этой примеси; при обра- зовании контакта к n -области кремния, если ее концентрация будет меньше 5 ×10 18 атом/см 3 , диффундирующий в кремний Al сменит элек- тропроводность кремния на p -тип, в данном месте образуется n p - переход, т.е. выпрямляющий контакт. Эмиттерные области транзисто- ров типа + - - n p n в ИМС имеют концентрацию примесей обычно около 10 21 атом/см 3 , что значительно больше 5 ×10 18 атом/см 3 , поэтому контакт к этой области будет невыпрямляющим. В месте контакта к коллекторной области, где концентрация примеси n -типа может быть ниже 5 ×10 18 атом/см 3 , необходимо создавать локальный участок с элек- тропроводностью + n -типа. Операция вплавления должна выполняться при строгом соблюдении технологического режима, в противном слу- чае могут появляться разрывы токоведущих дорожек из алюминия. Для металлизации кристаллов полупроводниковых ИМС исполь- зуют также магнетронное распыление металлов и сплавов и соедине- ния кремния с металлами - силицидов алюминия, титана, тантала, пла- тины, молибдена, вольфрама и др. Для этих целей широко используют и сильнолегированные слои поликристаллического кремния. 233 13. ТИПОВЫЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ИМС 13.1. Классификация процессов В основу классификации процессов изготовления полупроводни- ковых ИМС положен тип и способ формирования транзисторных структур в кристалле. В связи с этим различают биполярную и МДП- технологию. Типовой технологический процесс изготовления полупроводни- ковой ИМС на биполярных транзисторах сводится к формированию в пластине кремния транзисторных структур + - - n p n типа (с одина- ковым распределением концентрации примесей и различными разме- рами в плане) в количестве, необходимом для реализации всех актив- ных и пассивных элементов, обеспечению изоляции между элемента- ми и созданию внутрисхемных соединений. Для классификации тех- нологических процессов изготовления биполярных интегральных схем используют два принципа: способ формирования транзисторной структуры и метод изоляции элементов [6]. Важной проблемой при проектировании и изготовлении биполяр- ных ИМС и особенно больших интегральных схем (БИС) является обеспечение надежной изоляции элементов при одновременной мак- симальной плотности их размещения. Выбор метода электрической изоляции во многом определяет порядок технологического процесса в производстве ИМС. Для обеспечения надежной работы биполярной ИМС каждый элемент схемы должен быть изолирован. В технологии для решения этой проблемы применяют следующие виды изоляции: - изоляция n p - переходом; - полная диэлектрическая изоляция; - комбинированная изоляция, одновременно использующая изоляцию n p - переходом и диэлектриком. Изоляция n p - переходом образуется путем проведения диффу- зионных процессов. При этом каждый элемент ИМС отделяется от остального объема пластины замкнутым n p - переходом. Изоляция элементов достигается за счет подачи на n p - переходы обратного смещения. Этот вид изоляции используется в диффузионно-планарной (рис.13.1) и эпитаксиально-планарной (рис.13.2) структурах. Для по- лучения обратного смещения в области подложки, разделяющей эле- менты, формируется омический контакт, связанный с наиболее низким 234 потенциалом источника питания, а к изолирующим областям резисто- ров с помощью контактов подводится высокий потенциал. Замкнутый n p - переход в эпитаксиально-планарной структуре получают с помощью разделительной диффузии акцепторной примеси на всю толщину эпитаксиальной пленки. Изоляция n p - переходом осуществляется технологически просто, но такие переходы обладают заметными токами утечки и емкостями. В результате уменьшается бы- стродействие схемы. Кроме того, учитывая боковую диффузию, рас- стояние между элементами приходится делать значительным, что уменьшает плотность размещения элементов. Наилучшую электрическую развязку элементов обеспечивает структура с диэлектрической изоляцией (рис.13.3). В такой структуре каждый элемент размещен в своеобразном "кармане", который пред- ставляет собой область монокристаллического кремния, ограниченную слоем оксида кремния. При этом расстояние между элементами может быть уменьшено до 8-10 мкм. p n + n + p n Рис. 13.1. Диффузионно-планарная структура с изоляцией элементов n p - переходом. Рис. 13.2. Эпитаксиально-планарная структура n n+ р р+ n+ n+ р р+ К Б Э 235 Однако структуры с диэлектрической изоляцией характеризуются высокой трудоемкостью, главным образом из-за необходимости меха- нического шлифования и полирования подложек. Нарушение моно- литности подложки (наличие толстого слоя поликристаллического кремния) вызывает внутренние механические напряжения, которые приводят к короблению подложки после снятия монокристаллического кремния. Коробление пластины затрудняет или делает невозможным использование фотолитографии для получения рисунка. Все указанные недостатки обусловили поиск комбинированных методов изоляции элементов ИМС, по возможности исключающих недостатки первых двух. Разработаны два вида комбинированной изо- ляции - изопланарная и полипланарная изоляции. В этих случаях изо- ляция элементов в схеме осуществляется диэлектриком, а изоляция от подложки n p - переходом. Изопланарная изоляция обеспечивает изоляцию донной части коллектора от подложки n p - переходом, а боковые части толстым слоем диэлектрика 2 SiO (рис.13.4). K Б Э Рис. 13.3. Структура с диэлектрической изоляцией 1 - монокристаллический кремний - n типа; 2 - оксид кремния; 3 - поликристаллический кремний. p p n + n + К Б Э n Рис. 13.4. Структура с изопланарной изоляцией. 236 Технологическим недостатком изопланарной структуры является необходимость длительного окисления для образования разделитель- ных областей 2 SiO , что может вызвать нежелательное перераспреде- ление примеси из скрытого слоя в эпитаксиальный коллектор. Для со- кращения времени, затрачиваемого на окисление, уменьшают толщину эпитаксиального слоя и соответственно базы и эмиттера. На практике изопланарный процесс возможно осуществить при толщине эпитакси- ального слоя не более 3-4 мкм. Другой вид комбинированной изоляции используется в полипла- нарных структурах. Исходной пластиной является подложка с предва- рительно сформированными - + n и - n эпитаксиальными слоями, ориентированными в плоскости ( ) 100 . Ориентация пластины опреде- ляет возможность анизотропного травления, в результате которого образуются канавки V-образной формы с соотношением ширины ка- навки b и ее глубины H , равной 41 , 1 / = H b (рис.13.5). Специфическим недостатком описанной структуры является не- обходимость применять пластины с ориентацией в плоскости ( ) 100 , которые не являются наилучшими с точки зрения электрических ха- рактеристик транзистора, но удовлетворяют требованиям анизотроп- ного травления. Технологическим недостатком данного вида изоляции является введение в процесс трудоемкой операции полировки. Анализ рассмотренных методов изоляции структур на биполяр- ных транзисторах позволяет сделать вывод, что развитие привело к созданию совершенной изоляции, возможности более компактного размещения элементов ИМС и, в конечном счете, к улучшению элек- трических характеристик, в частности, к повышению быстродействия. 1 2 3 Рис. 13.5. Структура с полипланарной изоляцией 1 - поликристаллический кремний; 2 - нитрид кремния; 3 - оксид кремния. 237 Для технологии изготовления МДП ИМС характерны некоторые особенности, обусловленные конструкцией и структурой ИМС на МДП-транзисторах [6] а) весь процесс изготовления сводится к формированию МДП- транзисторов и соединений между ними, поскольку МДП-структуры используют не только в качестве транзисторов, но и как резисторы и конденсаторы, т.е. практически все схемные функции реализуются на одних МДП-структурах; б) в технологических процессах отсутствуют операции по изоля- ции структур, так как в МДП ИМС они не требуются из-за самоизоля- ции элементов; в) внутрисхемные соединения выполняются не только с помощью алюминиевых металлических слоев, но и высоколегированных диффу- зионных слоев кремния и материала затвора (молибдена, поликристал- лического кремния), значительно упрощая задачу многослойной раз- водки; г) сравнительно легко в одном кристалле можно создавать МДП- транзисторы с различным типом электропроводности канала, что по- зволяет изготовлять МДП ИМС с большими функциональными воз- можностями на комплементарных структурах (КМДП ИМС); д) отдельные технологические операции, особенно совмещение фотошаблонов при фотолитографии, диффузия, окисление и др., тре- буют прецизионного их проведения, поскольку размеры МДП- транзисторов значительно меньше биполярных, поэтому МДП ИМС можно формировать с высокой плотностью размещения элементов. Для классификации типовых технологических процессов созда- ния МДП ИМС используют различные признаки: тип электропровод- ности и вид МДП-структур, тип подложки, материал затвора и подза- творного диэлектрика, способы формирования основных областей МДП-структуры, технологические способы устранения возникающих при изготовлении проблем. Различают - p канальную, - n канальную и КМДП технологии. 13.2. Изготовление биполярных ИМС с изоляцией n p - переходом Изоляция обратно смещенным n p - переходом используется в диффузионно-планарных и эпитаксиально-планарных структурах. По- следовательность формирования кристалла полупроводниковой ИМС на примере самого сложного элемента транзистора по диффузионно- планарной технологии представлена на рис.13.6. 238 Рис. 13.6. Последовательность формирования кристалла полупро- водниковой ИМС по диффузионно-планарной технологии 1 - подложка - p типа; 2 - оксид кремния; 3 - коллекторная область - n типа; 4 - базовая область - p типа; 5 - эмиттерная область - + n типа; 6 - металлизация. Вначале составляют партию пластин с одинаковыми геометриче- скими размерами и заданным удельным сопротивлением, обычно со- стоящую из 10-20 штук. В отечественной промышленности использу- ют пластины кремния диаметром 60-102 мм и толщиной 0,2-0,4 мм, с удельным сопротивлением 1-10 Ом ×см. Пластины подвергают очистке путем химической обработки поверхности с последующим ее травле- нием и промывкой в деионизованной или дистиллированной воде (этот процесс повторяют перед каждой последующей операцией). Затем осуществляют процесс окисления поверхности пластин (создание мас- кирующего оксида) в однозонной диффузионной печи в атмосфере сухого или влажного кислорода или паров воды при температуре 1150 о С (рис.13.6 а). После процесса фотолитографии с определенных участков поверхности пластины селективно удаляют слой оксида - формируют окна в маскирующем слое под коллекторную диффузию. В тех участках, с которых был удален оксид, путем диффузии фосфора в две стадии формируют коллекторные области всех транзисторов и изолирующие области для резисторов (рис.13.6 б). Первую стадию 239 проводят при более низкой температуре 1100 о С в течение 30-40 мин, вторую - при более высокой температуре (около 1200 о С) в атмосфере сухого кислорода в течение времени, необходимого для проникнове- ния фосфора на глубину залегания n p - перехода коллектор- подложка. Распределение примеси в коллекторных областях подчиня- ется закону Гаусса. Для создания базовых областей транзисторов, резисторов и дио- дов в коллекторные области - n типа проводят диффузию акцептор- ных примесей. Для этого в оксидном слое путем фотолитографии соз- дают окна с размерами, необходимыми для реализации элементов с требуемыми номиналами. Базовую диффузию проводят в две стадии. В качестве примеси используют бор. Первая стадия (загонка) осуществляется при температуре 900- 1000 о С (в зависимости от применяемого источника диффузанта) и начинается в среде аргона и кислорода, а заканчивается в инертной среде - подается один аргон без диффузанта. Загонку осуществляют также ионным легированием. После этого путем травления в азотной или фтористой кислоте с поверхности пластин удаляют боросиликат- ное стекло. Вторая стадия (разгонка) проводится при более высокой темпера- туре (1150 о С) в окислительной среде, в результате чего происходит перераспределение бора на определенную глубину. При этом создают- ся базовые области глубиной 2,5-3,5 мкм с удельным поверхностным сопротивлением 150-300 Ом/ , а на поверхности пластин - слой оксида кремния (рис.13.6 в). Затем формируют эмиттерные области - + n типа, которые слу- жат эмиттерами транзисторов, катодами диодов, обкладками конден- саторов, омическими контактами к коллекторным областям, а иногда и внутрисхемными соединениями. Для этого пластины подвергают фо- толитографии, за счет чего получают окна в оксидном слое под эмит- терные и контактные области к кремнию - n типа. Формирование эмиттерных областей - + n типа осуществляется диффузией фосфора в одну стадию. Диффузия фосфора проводится на глубину 0,8-2,0 мкм, при этом создаются высоколегированные области - + n типа, удельное поверхностное сопротивление которых составляет единицы ом на квадрат (рис.13.6 г). Распределение примеси в этих областях подчиня- ется функции erfc Заканчивается процесс получения полупроводниковых структур ИМС созданием внутрисхемных соединений и формированием защит- 240 ного покрытия. Для этого вначале с поверхности пластины удаляют фосфоросиликатное стекло, а затем поверхность пластин окисляют для получения защитного оксида толщиной около 1 мкм. Этот слой оксида является также маскирующим при создании омических контактов ме- талл-полупроводник. С этой целью методом фотолитографии вскры- вают окна в слое оксида под омические контакты, поверхность пла- стин тщательно очищают, а затем термическим испарением в вакууме на поверхность пластин наносят слой алюминия толщиной 1,0-1,5 мкм (рис.13.6 д). Алюминий наносят равномерно на всю поверхность пла- стины как на слой оксида, так и на участки, обработанные путем трав- ления при фотолитографии. Затем поверхность алюминия подвергают фотогравировке с помощью шестой фотолитографии, чтобы получить внутрисхемные соединения необходимой конфигурации и контактные площадки; термообработка пластин дает хорошие контакты. На за- ключительном этапе наносят защитный слой оксида кремния и фото- литографией в нем вскрывают окна к контактным площадкам. На этом этапе заканчивается процесс формирования кристаллов ИМС. Струк- тура готового кристалла ИМС показана на рис.13.6 е (защитный слой не показан). В производственных условиях после каждого этапа формирова- ния ИМС осуществляют контроль. Так после фотолитографии, очист- ки, окисления пластины подвергают 100 %-ному контролю визуально. Диффузионные области контролируют после фотолитографии путем измерения удельного поверхностного сопротивления или снятия вольтамперной характеристики на образцах-свидетелях либо по тесто- вым ячейкам. Пластины с готовыми микросхемами контролируют на функционирование с помощью зондовых установок. Забракованные микросхемы метят магнитной краской. После такого контроля пласти- ны поступают на разделение на кристаллы, разбраковку, годные из них - на сборку. При изоляции обратно-смещенным n p - переходом в эпитакси- ально-планарных структурах изолирующие области создаются путем проведения разделительной диффузии на всю глубину эпитаксиально- го слоя. Транзисторные структуры формируются локальной диффузи- ей в эпитаксиальном слое - n типа. Последовательность формирова- ния структуры на примере транзистора со скрытым слоем представле- на на рис.13.7. 241 5 5 n n+ р р+ n+ n+ р р+ К Б Э 6 р+ n+ р р+ р р+ n+ n р+ р 7 р n+ р+ р+ n+ n+ n р 8 р n+ n+ n+ р р+ р+ n 4 р n+ 3 р 1 2 n+ д) е) ж) а) б) в) г) Рис. 13.7. Последовательность формирования кристалла полупро- водниковой ИМС по эпитаксиально-планарной технологии. 1 - подлож- ка; 2 - оксид кремния; 3 - скрытый слой - n типа; 4 - эпитаксиальный слой - n типа; 5 - разделительная область - + p типа; 6 - базовая об- ласть - p типа; 7 - эмиттерная область - + n типа; 8 - металлизация. 242 Партию пластин - p типа очищают, а затем окисляют по комби- нированной технологии для получения маски для формирования скры- того слоя (рис.11.7 а). Быстродействие транзистора, его частотные свойства тем лучше, чем меньше величины сопротивления тела кол- лектора и емкости перехода коллектор-база. Если снижать сопротив- ление коллектора повышением степени его легирования, то уменьша- ется напряжение пробоя коллекторного n p - перехода. Чтобы ре- шить эту проблему, под коллектором формируют высоколегированный скрытый - + n слой. В качестве легирующей примеси используют мышьяк или сурьму - элементы с низкой скоростью диффузии, что позволяет уменьшить влияние эффекта автолегирования. Диффузию As или Sb проводят в две стадии (рис.13.7 а). После этого удаляют оксид кремния со всей поверхности, очищают пластины и осуществ- ляют эпитаксиальное наращивание слоя кремния - n типа (рис.13.7 б). Эпитаксию чаще всего проводят путем восстановления четыреххлори- стого кремния 4 SiCl водородом при температуре 1000-1200 о С. При этом получают слой кремния толщиной 5-10 мкм с удельным сопро- тивлением 0,1-1,0 Ом ×см. На поверхности пластины с эпитаксиальным слоем повторным термическим окислением создают слой оксида кремния толщиной 0,5-1,0 мкм. С помощью процесса второй фотоли- тографии с определенных участков поверхности пластины селективно удаляют слой оксида - формируют окна в маскирующем слое под раз- делительную диффузию. В тех участках, с которых был удален оксид, путем диффузии бора в две стадии формируют изолирующие области - p типа. Первую стадию проводят при более низкой температуре (примерно 1000 о С) в течение нескольких десятков минут, а вторую стадию - при температуре 1150-1250 о С в атмосфере сухого кислорода в течение времени, необходимого для проникновения бора на всю глу- бину эпитаксиального слоя (рис.13.7. в). Тем самым создают коллек- торные области - n типа, изолированные областями - p типа, причем распределение примеси в коллекторных областях равномерное, а в изолирующих областях - p типа оно подчиняется закону Гаусса. Да- лее в термическом окисле, полученном на второй стадии разделитель- ной диффузии, методом фотолитографии вскрывают окна под базовую диффузию бора, которую, как уже указывалось выше, проводят в две стадии (рис.13.7 г). Затем формируют эмиттерные области (рис.13.7 д), металлизированные соединения (рис.13.7 е) и защитный слой. Готовая эпитаксиально-планарная структура без защитного слоя представлена на рис.13.7 ж. |