Данилова - Процессы в микро и наноэлектронике. Т. И. Данилина, К. И. Смирнова Процессы микро и нанотехнологии
 Скачать 22.56 Mb.
|
|
13.3. Изготовление биполярных ИМС с диэлектрической изоляцией Технология изготовления биполярных ИМС с диэлектрической изоляцией предусматривает формирование кристаллов, в которых ка- ждый элемент (транзисторная + - - n p n структура) изолирован пол- ностью слоем диэлектрика. Для создания изолирующих областей ис- пользуют оксид и нитрид кремния, поликристаллический кремний, стекло и т.д. Рассмотрим технологию, основанную на получении изо- лированных областей из слоев оксида (нитрида) кремния и поликри- сталлического кремния. Последовательность формирования биполяр- ной ИМС с диэлектрической изоляцией представлена на рис.13.8. Рис. 13.8. Последовательность формирования биполярной ИМС с диэлектрической изоляцией. 1 - исходная пластина кремния - n типа; 2 – диффузионный скрытый слой - + n типа; 3 - оксид кремния; 4 - поликристаллический кремний. p n + p p p Si - n n + Si - n Si - n Si - n Si - n Si - n поликристаллический кремний поликристаллический кремний поликристаллический кремний К Б Э R n + n + n + n + n + n + n + n + n + n + n + Si - n а) б) в) г) д) е) 1 2 3 4 244 Вначале составляют партию кремниевых пластин - n типа с удельным сопротивлением 0,2-10,0 Ом ×см и подвергают их очистке. Затем по всей площади пластины методом двухстадийной диффузии сурьмы или мышьяка образуют высоколегированный скрытый - + n слой с глубиной залегания n p - перехода 2-3 мкм. Термически пластины окисляют со стороны скрытого слоя (рис.13.8 а). Методом фотолитографии в маске из оксида кремния вскрывают окна под изо- лирующие области, через которые травят кремний на глубину 8-15 мкм (рис.13.8 б). Для получения на рельефной поверхности пластины слоя оксида толщиной 1 мкм пластины вновь термически окисляют (рис.13.8 в). На поверхность кремния со стороны окисленных канавок осаждают поликристаллический кремний толщиной 0,2-0,25 мм путем разложения силана 4 SiH при температуре подложек 600-650 о С (рис.13.8 г). После этого с противоположной поверхности пластины (со сто- роны кремния - n типа) сошлифовывают слой монокристаллического кремния - n типа до оксидного слоя. Таким образом, получают облас- ти кремния - n типа со скрытыми - + n слоями, изолированные друг от друга слоем 2 SiO . В этих областях методами окисления, фотолито- графии, диффузии, напыления формируют базовые области (рис.13.8 д), эмиттерные и металлизацию (рис.13.8 е). Данный технологический процесс позволяет получить хорошую изоляцию между элементами как по постоянному, так и по перемен- ному току. По такой технологии целесообразно изготовлять микро- мощные и быстродействующие цифровые и высокочастотные анало- говые ИМС. Но стоимость технологического процесса высока по срав- нению с процессами изоляции n p - переходами. 13.4. Изготовление биполярных ИМС с комбинированной изоляцией В основу изготовления полупроводниковых биполярных ИМС с комбинированной изоляцией положены процессы, обеспечивающие формирование элементов с изоляцией n p - переходами их горизон- тальных участков и диэлектриком - вертикальных боковых областей. Основные технологии для получения комбинированной изоляции: изопланарная технология; полипланарная технология. 245 Изопланарная технология в качестве исходных пластин исполь- зует подложки - p типа с тонким (2-3 мкм) эпитаксиальным слоем - n типа. Последовательность формирования биполярной ИМС по изопланарной технологии представлена на рис.13.9. Рис. 13.9. Последовательность формирования биполярной ИМС по изопланарной технологии 1 - нитрид кремния; 2 - оксид кремния. Методом химического осаждения на пластины наносят пленку нитрида кремния в результате реакции между силаном 4 SiH и аммиа- ком 3 NH при температуре 900 о С (рис.13.9 а). В пленке нитрида крем- ния 4 3 N Si фотолитографией вскрывают окна под изолирующие облас- ти, через которые травят кремний на глубину, равную примерно поло- вине толщины эпитаксиальной пленки H (рис.13.9 б). Протравленные изолирующие области термически окисляют на всю толщину эпитак- сиальной пленки (рис.13.9 в). Поскольку, как уже указывалось, для К Б Э 246 получения оксида кремния толщиной H требуется 0,44 H кремния, то в результате окисления получается гладкий рельеф. Пленка нитрида кремния 4 3 N Si является надежной маской при окислении. Далее нит- рид кремния стравливают, а пластины вновь окисляют для получения маски для диффузии (рис.13.9 г). Фотолитографией вскрывают окна под базовую диффузию бора, которую проводят в две стадии (рис.13.9 д). После этого фотолитографией, диффузией и напылением последо- вательно формируют эмиттерные области, окна под контакты и метал- лизацию (рис.13.9 е). Изопланарная технология позволяет создавать тонкие базовые области и небольшие коллекторные области с оксидными боковыми стенками и тем самым обеспечивает получение транзисторных струк- тур малых размеров и высокого быстродействия. Полипланарная технология использует вертикальное анизо- тропное травление кремния с ориентацией ( ) 100 , что позволяет фор- мировать в эпитаксиальном слое - V образные разделительные облас- ти для межэлементной изоляции. Последовательность формирования биполярных ИМС по полипланарной технологии представлена на рис.13.10. Используют партию двухслойных пластин - p типа с эпитакси- альным слоем - n типа и скрытым слоем - + n типа. Методом локаль- ной диффузии бора в две стадии создают базовые области (рис.13.10 а). С помощью фотолитографии удаляют слой оксида для создания изоляции. Через окна в оксиде в кремнии вытравливают - V образные канавки на всю толщину эпитаксиальной пленки (рис.13.10 б), которые покрывают термически выращенным оксидом кремния и химически осажденным нитридом кремния (рис.13.10 в). Для повышения механи- ческой прочности канавки заращивают поликристаллическим кремни- ем (рис.13.10 г), лишнюю часть которого удаляют полированием до слоя нитрида кремния. Далее формируют эмиттерные области (рис.13.10 д) и металлизацию (рис.13.10 е), как по обычной технологии .Полипланарная технология обеспечивает создание ИМС, кото- рые по удельной плотности размещения элементов и электрическим характеристикам аналогичны ИМС, изготовленным по изопланарной технологии, но имеют меньшую площадь изоляции. Однако эти про- цессы более трудоемки. 247 Рис. 13.10. Последовательность формирования биполярной ИМС по полипланарной технологии 1 - оксид кремния; 2 - нитрид кремния; 3 - поликристаллический кремний. 13.5. Изготовление МДП ИС Существенное повышение плотности размещения элементов и упрощение технологии имеет место в МДП ИМС. Это обусловлено, прежде всего, тем, что при изготовлении МДП ИМС на транзисторах с каналами одного типа проводимости не требуется дополнительных мер изоляции. Действительно, области истоков и стоков всегда огра- ничены n p - переходами, смещенными в обратном направлении, а перенос основных носителей заряда происходит в тонком приповерх- ностном слое полупроводника между истоком и стоком. Однако широ- ко используются структуры, содержащие МДП-транзисторы обоих типов, которые позволяют на 2-3 порядка по сравнению с - n или - p МДП-структурами снизить мощность, потребляемую устройством 248 в статическом режиме. Такие структуры получили название структур на дополняющих МДП-транзисторах или комплементарных МДП- структурах. Для создания транзисторов с каналами разного типа про- водимости необходимо создавать две области монокристаллического кремния - n и - p типов. Для МДП ИС на транзисторах с каналами одного типа проводи- мости разработаны - n канальная и - p канальная технологии. На рис.13.11 приведена последовательность изготовления МДП ИС по - p канальной технологии. Рис. 13.11. Последовательность изготовления МДП ИС по - p канальной технологии. В качестве исходного материала используются кремниевые пла- стины - n типа с удельным сопротивлением 2,5-10,0 Ом ×см. После очистки поверхности пластин термическим окислением получают мас- кирующий окисел 2 SiO (рис.13.11 а), в котором методом фотолито- графии формируют окна под области истока и стока. Затем проводят двухстадийную диффузию бора, создавая высоколегированные облас- ти глубиной 1-2 мкм (рис.13.11 б). Далее проводят фотолитографию под тонкий диэлектрик (под затвором) и тщательно очищают поверх- ность. Затем в сухом кислороде наращивают оксид кремния толщиной 0,1-0,12 мкм (рис.13.11 в). Методом фотолитографии вскрывают окна под контакты к истоку и стоку и напыляют пленку алюминия термиче- а) б) в) г) д) е) 249 ским испарением (рис.13.11 г), в которой формируют рисунок межсо- единений (рис.13.11 д). По такой же схеме осуществляется - n канальная технология с той лишь разницей, что используются пластины - p типа, а для фор- мирования областей истока и стока проводят диффузию фосфора. Для изготовления МДП ИС на комплементарных транзисторах для получения двух монокристаллических областей - n и - p типа создают "карман" - p типа в кремнии - n типа с помощью локаль- ной диффузии. На рис.13.12 приведена технологическая схема изго- товления КМДП ИС. Рис. 13.12. Последовательность формирования КМДП ИС. Партию пластин - n типа очищают и окисляют для получения маскирующего окисла для диффузии "кармана". В две стадии проводят диффузию бора на необходимую глубину для получения диффузион- ного "кармана" - p типа с низкой (10 17 см -3 ) концентрацией (рис.13.12 а). Затем проводят фотолитографию и диффузию, поочеред- но формируя области истока и стока - p канальных и - n канальных транзисторов. Диффузию бора проводят в две стадии (рис.13.12 б), а диффузию фосфора в одну стадию (рис.13.12 в). Затем проводят фото- литографию под тонкий диэлектрик, окисление в сухом кислороде 250 (рис.13.12 г), фотолитографию контактных окон и металлизацию (рис.13.12 д). Сравнительно простая технология изготовления МДП ИС имеет ряд технологических проблем, которые сказываются на качестве ИМС и стабильности их параметров. 1. Наличие в оксиде под затвором положительных и отрицатель- ных зарядов, обусловленных кислородными вакансиями, ионами ще- лочных металлов или водорода, приводит к нестабильности парамет- ров МДП-транзисторов в случае приложения к структуре электриче- ского поля вследствие дрейфа зарядов. 2. При определенных значениях потенциалов на шинах металли- зированной разводки возможны образования паразитных МДП- транзисторов, что приводит к образованию каналов проводимости под слоем оксида, расположенным под шиной разводки, и тем самым к возникновению токов утечки между диффузионными областями. Кро- ме того, для МДП ИМС опасным является короткое замыкание метал- ла затвора или разводки на подложку, особенно на высоколегирован- ные области истока и стока, вследствие "проколов" оксидного слоя. 3. Существенной проблемой изготовления МДП ИМС является совмещение затвора с областями истока и стока. Так, отсутствие пере- крытия канала металлом затвора приводит к неработоспособности МДП-транзистора, а слишком большое перекрытие (расположение металла затвора над диффузионными областями) - к образованию больших емкостей затвор-исток и затвор-сток, что снижает быстро- действие ИМС. Для решения этих проблем разработаны различные технологиче- ские приемы. Так, для стабилизации параметров ИМС на МДП- транзисторах применяют специальные методы обработки (очистки) поверхности кремния перед созданием оксида под затвор, наносят фосфоро-силикатное стекло на поверхность оксида под затвором, а также производят низкотемпературный отжиг кристаллов в восстано- вительной среде. Эффективным методом очистки поверхности пластин перед окис- лением является обработка в плавиковой кислоте с последующим дли- тельным кипячением в воде для удаления фтора, который включается в решетку кремния и приводит к образованию дополнительного заря- да. Фосфоро-силикатное стекло, создаваемое при нагреве окисленной пластины в парах при температуре около 1000 о С, геттерирует ионы натрия из оксида и является хорошим барьером против проникновения примесей из металла в оксид. Важен при этом режим создания оксида, требующий подачи окислителя (кислорода) в строго контролируемом 251 дозированном количестве и предварительно очищенном состоянии при температуре, близкой к температуре процесса окисления. С целью предотвращения образования паразитных МДП- транзисторов под шинами разводки металлизацию выполняют по слою оксида с относительно большой толщиной (порядка 1,5 мкм), который получают при первичном окислении. Процесс изготовления МДП ИМС с использованием толстого оксида называют МТОП- технологией (металл-толстый оксид-полупроводник). Последова- тельность изготовления МДП ИС с использованием толстого оксида представлена на рис.13.13. Рис. 13.13. Последовательность изготовления МДП ИС с толстым оксидом 1 - нитрид кремния; 2 - толстый оксид кремния; 3 - тон- кий оксид кремния (подзатворный диэлектрик). Партия пластин - p типа очищается и методом химического осаждения из газовой фазы на пластину осаждается маскирующий слой нитрида кремния (рис.13.13 а). После фотолитографии через окна в нитриде кремния проводится диффузия фосфора в одну стадию - формируются области истока и стока (рис.13.13 б). Следующей фото- литографией удаляют нитрид кремния со всей пластины кроме облас- тей над каналом. Затем проводят окисление по комбинированной тех- нологии, используя повышенное давление окислителя. Наращивают окисел толщиной 1,5 мкм (рис.13.13 в). Стравливают нитрид кремни и 252 после тщательной очистки пластин получают подзатворный диэлек- трик 2 SiO термическим окислением в сухом кислороде (рис.13.13 г). Далее проводят фотолитографию, создавая контактные окна (рис.13.13 д) и металлизацию (рис.13.13 е). Для обеспечения совмещения затвора с областями истока и стока разработана технология с молибденовыми затворами (рис.13.14). Рис. 13.14. Последовательность изготовления МДП ИС по самосовмещенной технологии с молибденовым затвором 1 - толстый оксид кремния; 2 - тонкий оксид кремния; 3 - молибден; 4 - фосфорно-силикатное стекло; 5 - алюминий. Процесс начинают с создания оксида на очищенной поверхности пластины кремния - p типа. По комбинированной технологии выра- щивают защитный оксид кремния толщиной 1,3 мкм (рис.13.14 а). С помощью фотолитографии проводят селективное удаление оксида в местах формирования областей истока, стока и затвора. В полученных окнах термическим окислением в сухом кислороде получают оксид толщиной 0,1 мкм (рис.13.14 б), после чего на пластину осаждают сплошной слой молибдена. Затем проводят фотолитографию и травле- ние молибдена, в результате чего формируют металлические затворы и 2 3 4 1 p n + n + 5 p n + n + а) б) в) г) д) 253 первый слой соединительной металлизации над толстым слоем оксида (рис.13.14 в). После этого на пластину наносят слой легированного фосфором стекла, из которого при температуре порядка 1000 о С про- водится диффузия. Фосфор диффундирует только через тонкий слой оксида (рис.13.14 г). Толстый оксид и молибденовый затвор служат масками при диффузии. Тем самым достигается самосовмещение за- твора с легированными областями - истоком и стоком. На последнем этапе с помощью фотолитографии осуществляют одновременное вскрытие контактных окон к молибдену и диффузион- ным областям, напыляют алюминий и фотогравировкой по алюминию формируют завершающий слой соединений (рис.13.14 д). Аналогичная технология используется при формировании затвора из поликристаллического кремния. Самосовмещение истока и стока с затвором достигается также при использовании ионного легирования (рис.13.15). Рис. 13.15. Последовательность изготовления МДП ИС по само- совмещенной технологии с использованием ионного легирования. 1 - толстый оксид кремния; 2 - тонкий оксид кремния; 3 - алюми- ний. а) б) в) е) д) г) 254 На пластинах кремния - n типа выращивают оксид кремния толщиной 1,0-1,3 мкм (рис.13.15 а), по которому проводят фотолито- графию для вскрытия окон под исток и сток. Диффузией бора в две стадии формируют области истока и стока транзисторных структур (рис.13.15 б). Затем проводят фотолитографию окон под тонкий ди- электрик и после тщательной очистки проводят окисление в сухом кислороде для получения оксида кремния толщиной 0,1 мкм (рис.13.15 в). Далее вскрывают окна под контакты и напыляют алюминий (рис.13.15 г). Проводят фотогравировку по алюминию (рис.13.15 д). На последней стадии применяют ионное легирование. Ионы бора прохо- дят через тонкий диэлектрик в промежутке между истоком и затвором и между стоком и затвором, осуществляя тем самым их совмещение. По рассмотренным технологическим процессам изготавливают подавляющее большинство цифровых и аналоговых ИМС массового потребления. Дальнейшее совершенствование процессов технологии ИМС направлено на уменьшение геометрических размеров элементов и повышение их быстродействия, что особенно актуально при созда- нии БИС и СБИС. ЗАКЛЮЧЕНИЕ Микроэлектроника, основанная на комплексном использовании физических, химических, технологических, кибернетических и других исследований, за сравнительно короткий исторический период прошла большой путь. Основным достижением микроэлектроники является создание принципиально новых технологических процессов на основе применения прецизионного технологического и контрольно- измерительного оборудования и различных полупроводниковых, ди- электрических и проводящих материалов, обеспечивающих промыш- ленное производство широкой номенклатуры интегральных микро- схем различного конструктивно-технологического исполнения и функционального назначения. Изделия микроэлектроники - инте- гральные микросхемы, БИС, в том числе микропроцессоры, микро- ЭВМ и др., стали основной элементной базой современной микроэлек- тронной аппаратуры, отличающейся высокими надежностью и техни- ко-эксплуатационными характеристиками, низкой стоимостью. Основной тенденцией развития современной микроэлектроники является схемотехническая и технологическая интеграция, обеспечи- вающая создание БИС и СБИС высокой степенью интеграции элемен- тов. 255 Определяющим в создании современных БИС и СБИС наряду с достижением физики и схемотехники является технология, основанная на групповых методах локальной обработки твердотельных материа- лов (литография, легирование, нанесение пленок и др.) с целью созда- ния в материалах локальных областей в виде статических неоднород- ностей и последующего объединения этих областей в законченную конструкцию, выполняющую определенную схемотехническую функ- цию, причем полупроводниковая технология является базой для изго- товления массовых ИМС и БИС на основе биполярных и МДП- транзисторов, а гибридная - на основе тонких и толстых пленок - для специализированных ИМС, БИС и МСБ. Создание высоконадежных и дешевых БИС и СБИС, сфера при- менения которых в различных областях непрерывно расширяется, вы- двинуло микроэлектронику в число ведущих отраслей науки и техни- ки, определяющих ускорение научно-технического прогресса. 256 ЛИТЕРАТУРА 1. Ефимов И.Е., Козырь И.Я., Горбунов Ю.И. Микроэлектроника. Физические и технологические основы, надежность. - М.: Высшая школа, 1986. -464с. 2. Парфенов О.Д. Технология микросхем. - М.: Высшая школа, 1986. -315с. 3. Радионов Ю.А. Литография в производстве интегральных микро- схем. - Минск: Дизайн ПРО, 1998. -95с. 4. Технология полупроводниковых приборов и изделий микроэлек- троники. В 10 кн.: Учеб.пособие для ПТУ. Кн.8. Литографические процессы / В.В.Мартынов, Т.Е.Базарова. - М.: Высшая школа, 1990. -120с. 5. Гимпельсон В.Д., Радионов Ю.А. Тонкопленочные микросхемы для приборостроения и вычислительной техники. - М.: Машино- строение, 1976. -328с. 6. Данилина Т.И. Перспективные технологии производства СБИС. - Томск: ТМЦ ДО, 2000. -99с. 7. Технология тонких пленок. Справочник под ред. Л.Майссела, Р.Глэнга. - М.: Сов.радио, 1977. Т.1. -662с. 8. Данилина Т.И., Смирнов С.В. Ионно-плазменные технологии в производстве СБИС. - Томск: Томск. ун-т систем управления и ра- диоэлектроники. 2000. -140с. 9. Данилин Б.С., Киреев В.Ю. Ионное травление микроструктур. - М.; Сов.радио, 1979. -104с. 10. Матсон Э.А., Крыжановский Д.В. Справочное пособие по конст- руированию микросхем. - Минск, Вышейшая школа, 1982. -224с. 11. Данилина Т.И., Смирнова К.И. Физические основы технологии микросхем. - Томск: Изд-во Томского государственного универси- тета, 1984. -86с. 12. Готра З.Ю. Технология микроэлектронных устройств. Справоч- ник. - М.: Радио и связь, 1991. -528с. 13. Технология и аппаратура газовой эпитаксии кремния и германия. - М.: Энергия, 1978. -134с. 14. Технология СБИС. Под ред. С.Зи. - М.: Мир, 1986. Т.1,2. 15. Основы технологии кремниевых интегральных схем. Окисление, диффузия, эпитаксия. Под ред. Г.Бургера, Р.Донована. -М.: Мир, 1969. -690с. 16. Курносов А.И., Юдин В.В. Технология произвдства полупровод- никовых приборов и интегральных схем. -М.: Высшая школа, 1986. -386с. 257 17. Аброян И.А., Андронов А.Н., Титов А.И. Физические основы электронной и ионной технологии. -М.: Высшая школа, 1984. - 320с. 18. Мейер Дж., Эриксон Л., Дэвис Дж. Ионное легирование полупро- водников (кремний и германий) / Пер. с англ. - М.: Мир, 1973. - 296с. 19. Броудай И., Мерей Дж. Физические основы микротехнологии / Пер. с англ. - М.: Мир, 1985. -494с. 20. Арсенид галлия в микроэлектронике / У.Уиссмен и др. / Под ред. Н.Айнспрука, У.Уиссмена: Пер. с англ. -М.: Мир, 1988. -555с. |