Полупроводникаовые пластины. Методы их получения

В процессе изготовления приборов операции фотолитографии многократно  повторяют (до 10-12 раз в сложных  ИМС). При этом на каждом этапе изображение  используемого фотошаблона должно с высокой точностью совмещаться с рисунком на подложке, полученным на предыдущих операциях фотолитографии. Таким образом, создается геометрия планарного прибора, его активных областей, контактов, соединений и т. д.

Для проведения фотолитографии используют механическое, оптико- механическое и химическое оборудование, к которому предъявляют повышенные требования.

Диффузия примеси.

Целью проведения диффузии является внедрение атомов легирующего элемента в кристаллическую  решетку полупроводника для образования  р-n- перехода на глубине Xпер. В этом случае концентрация введенной примеси оказывается рав ной концентрации исходной примеси Nисх в полупроводнике. 
Раз меры диффузионной области в плане определяются размерами окна в слое диэлектрика, так как скорость диффузии примеси в SiO2 и Si3N4 на несколько порядков ниже, чем в полупроводнике.

Различные способы  диффузионного легирования различаются  фазовым состоянием легирующей примеси (газообразное, жидкое, твердое), подводом примеси к подложке и конструкцией установок. В большинстве случаев диффузию проводят в окислительной атмосфере. Температура диффузионного легирования кремния 1050- 1200°С.

Диффузия в  полупроводник в большинстве  случаев происходит за счет перемещения  диффундирующих частиц, по вакантным  узлам кристаллической решетки. Кроме этого, возможны прямой обмен атомов местами в узлах кристаллической решетки и перемещение атомов по междоузлиям.

В качестве легирующих примесей выбирают элементы, имеющие  достаточно высокую скорость диффузии и хорошую растворимость в  полупроводнике при температуре диффузии. Для кремния в каче стве диффузантов чаще всего используют элементы III и V групп таблицы Д. И. Менделеева. Основной донорной примесью является фосфор, который по сравнению с часто применяемыми сурьмой и мышьяком имеет более высокую скорость диффузии в кремний.

В качестве акцепторных  примесей используют алюминий, галлий, индий и бор. Бор применяют  наиболее часто, поскольку он обладает наиболее высокой предельной растворимостью.

Одним из эффективных  способов создания р-n-переводов является ионное легирование. Ионы легирующего вещества, обладающие высокой энергией, направляются на поверхность полупроводника и внедряются в его кристаллическую решетку. При этом ионы вызывают каскад смещений атомов полупроводника, приводя к образованию аморфизированных областей, в которых кристаллическая структура решетки нарушена.

Для получения  высокой концентрации активных примесей (помещения их в узлы кристаллической  решетки) и восстановления кристаллической  структуры полупроводника после  ионного легирования требуемся отжиг, который проводят при 400-700°С. Внедренные и смещенные атомы при этих температурах приобретают подвижность, достаточную для перехода в вакантные узлы и упорядочения структуры.

Процесс ионного  внедрения характеризуется энергией ионов, плотностью тока ионного пучка, дозой облучения. Изменяя пара метры ионного пучка, можно управлять профилем распределения концентрации внедренных ионов и с высокой точностью изменять концентрацию примесей в полупроводнике.

Эпитаксия.

Это технологический процесс выращивания тонких монокристаллических слоев полупроводника на монокристалличеcкиx подложках. Материал подложки в процессе выращивания играет роль затравочного кристалла, а получаемая пленка является продолжением ее структуры. Характерной особенностью эпитаксии является возможность формирования слоев с заданными электро- физическими свойствами и геометрическими размерами. Так, если в процессе эпитаксиального выращивания наряду с атомами полупроводника в росте пленки участвуют и атомы легирующего элементa, то на границе раздела пленка - подложка можно получить p-n-переход или изотопные переходы n + -n и р + 
-р. Таким образом, в тонких слоях (2-10 мкм) эпитаксиально-планарных структур создаются элементы ИМС, а подложка толщиной 500 мкм яв ляется несущей конструкцией.

При создании приборов диффузионным легированием число диффузионных процессов может быть ограниченно. Так, при проведении трех диффузионных процессов трудно получить нужную концентрацию примеси в нижнем слое, в особенности  если он должен иметь высокое удельное сопротивление, т. е. низкую концентрацию носителей.

Гораздо легче  получать слои с требуемым распределением примесей, если они вводятся в процессе выращивания эпитаксиальных пленок. Равномерное распределение примесей, которое неосуществимо в диффузионных слоях, легко достигается при эпитаксии. При совместном использовании эпитаксии и диффузии улучшаются эксплуатационные характеристики полупроводниковых приборов.

Процесс эпитаксиального  наращивания слоев полупроводника заключается в осаждении его атомов на подложку, в результате чего на ней вырастает слой, кристаллическая структура которого подобна структуре подложки. 
Эпитаксиальный слой обладает теми же структурными дефектами, что и подложка, поэтому для получения надежных полупроводниковых приборов первостепенное значение имеют чистота и структурное совершенство материала подложек.

Наибольшее распространение  в производстве полупроводниковых  приборов получили способы газофазной и жидкофазной эпитаксии. Способ газофазной эпитаксии, являющийся наиболее простым в условиях серийного и массового производства, используется для формирования тонких слоев кремния и сложных полупроводникор типа АIIIВV, а жидкофазной -в основном для получения этатакси- альных слоев арсенида галлия и гетероструктур на его основе (нап ример, GaAs-GaAlAs).

При формировании кремниевых эпитаксиальных пленок спосо  бом газофазной эпитаксии используют реакции восстановления тетрахлорида (SiCl4) или трихлорсилана (SiHCl3) над  кремниевыми подложками. Парогазовая  смесь соответствующего состава прохо дит над нагретой до определенной температуры подложкой, осаждаясь на ней в виде монокристаллического слоя. Обычно такие процессы осуществляют в кварцевых реакторах. При восстановле нии тетрахлорида в качестве газа-носителя используют водород. При этом происходит следующая реакция:

SiCI4+2H2 4HCI+Si

Для качественного  проведения процесса осаждения температура  подложек должна быть 1100-1300°С. При получении  эпитаксиальных слоев с заданными  свойствами в состав парогазовоя  смеси вводят легирующую добавку.

При формировании эпитаксиальных пленок арсенида галлия способом жидкофазной эпитаксии  сначала получают расплав полу проводникового материала с соответствующими легирующими  добавками, а затем подложку подводят к поверхности раствора-расплава. После установления теплового равновесия между ними их охлаждают по соответствующему закону для эпитаксиального осаждения пленки на подложку.

 
Металлизация полупроводниковых  структур.

Этот способ ис пользуется для формирования межсоединений  в ИМС, создания контактных площадок и состоит из двух этапов - металлизации и фотолитографии по металлической пленке. Нанесение металлизации в планарной технологии осуществляется либо термическим испарением, либо катодным распылением.

При вакуумном термическом  испареении металл нагревают электрическим током или бомбардируют его электроннонным лучом. Перенос потока испаряемых частиц в пространстве источник - подложка зависит от степени вакуума и определяется длиной свободного пробега молекул. При соударении атомов испаряемого вещества с поверхностью подложки происходит конденсация - процесс перехода вещества из газообразной в твердую или жидкую.

Качество напыленных пленок зависит от степени очистки, температуры  подложки, а также от скорости испарения, вакуума, геометрии системы и др.

Катодное распыление целесообразно  применять для получения пленок тугоплавких металлов (с высокой  температурой испарения) -титана, вольфрама, молибдена. Для этого в вакуумную  камеру напускают при небольшом  давлении ( 
1,0 Па ) газ и, подавая постоянное или переменное напряжение 3-5 кВ, между элек тродами зажигают тлеющий разряд. Образовавшиеся при этом положительные ионы газа ускоряются по направлению к катоду, выполненному из распыляемого материала, и бомбардируют его. Атомы распыляемого катода осаждаются на полупроводниковую подложку и образуют сплошную металлическую пленку.

Фотолитографией по металлической  пленке формируют требуемую конфигурацию проводников межсоединений и  контактные площадки для присоединения  схемы к внешним выводам корпуса .

После окончания групповой обработки пластины со сформированными структурами поступают на сборку приборов (индивидуальная обработка).

Сборка.

В процессе сборки разделяют  пластины на отдельные кристаллы, монтируют  кристалл в корпус, присоединяют электрические  выводы к контактным площадкам кристалла и выводам корпуса и герметизируют корпус.

Чтобы гарантировать надежную работу изготовленных приборов, их подвергают испытаниям, которые проводят согласно техни ческим условиям на каждый тип прибора. Испытания включают комплекс операций: измерение электрических параметров и классификацию приборов, определение механической и климатической стойкости приборов, проверку их герметичности и определение гарантийного срока службы.

Кроме того, в процессе изготовления приборов постоянно проводится межоперационный контроль, позволяющий следить за ста бильностью технологического процесса. При необходимости коррек тируют режимы обработки 
(температуру, концентрацию, время). По данным межоперационного контроля партия пластин может оказаться забракованной и снятой с дальнейшей обработки.

Даже при нормальном протекании процесса часть кристаллов групповой  пластины оказывается дефектной (из-за проколов в за щитных масках, локальных  загрязнениях и пр.). Эти кристаллы  обнаруживаются лишь на завершающем этапе групповой обработки - после получения межсоединений и периферийных контактов, когда осуществляется контроль прибора на правильность функционирования. В дальнейшем эти кристаллы отбраковываются и не поступают на сборочные линии.

§ 3. Общие сведения об изготовлении подложек

Для получения качественных приборов и иатегральнх схем необходимы однородные пластины с поверхностью, свободной от дефектов и загрязнений. 
Приповерхностные слои пластин не должны иметь нарушений кристаллической структуры. Оченьа жесткие требования предъявляют к геометрическим характеристикам пластин, особенно к их плоскостности. Плоскосткость поверхности имеет определяющее значение при формировании структур приборов методами оптической литографии. Важны и такие геометрические параметры пластина как прогиб, непараллельность сторон и допуск по толщине.

Для обеспечия требуемых  параметров разработаны различные  технологические варианты изготовления пластин. В зависимости от характеристик  обрабатываемого материала варианты изготовлениян имеют свои особенности, но, как правило, состоят ят из одних и тех же базовых операций, применяемых в различных сочетананиях. К базовым операциям относят предварительную подготовку разделение его на пластины, шлифование пластины, свободным или связанным абразивом, формирование фасок, химческое травление пластин, их полирование и очистку.

Предварительная подготовка слитка заключается в калибровке его наружного диаметра до заданного  размера, стравливании нарушенного  слоя, изготовлении базовых и дополнительных срезов, подготовке торцовых поверхностей с заданной кристаллографической ориентацией. Затем разделяют слиток на пластины определнной толщины. Целью последующего шлифования явля ется выравнивание поверхности отрезанных пластин, уменьшение разброса их толщин, формирование однородной поверхности. Фаски с острых кромок пластин снимают для того, чтобы удалить сколы, образующиеся при резке и шлифовании. Кроме того, острые кромки пластин являются концентраторами напряжений и потенциальными источниками структурных дефектов, которые могут возникнуть при перекладывании пластин и прежде всего при термических обработках (окислении, диффузии, эпитаксии).

Химическим травлением удаляют  нарушенные приповерхностные слои, после  чего полируют обе стороны пластин  или ту сторону, которая предназначена для изготовления структур приборов. После полирования пластины очищают от загрязнений, контролируют и упаковывают.

При изготовлении приборов способами  наиболее распространенной планарной  технологии и ее разновидностей используют только одну, так называемую рабочую сторону пластины. Учитывая значительную трудоемкость и высокую стоимость операций по подготовке высококачественных пластин с бездефектной поверхностью, некоторые варианты изготовления пластин предусматривают несимметричную, т. е. неодинаковую, обработку их сторон. 
На нерабочей стороне пластины оставляют структурнодеформированный слой толщиной 5-10 мкм, который обладает свойствами геттера, т. е. способностью поглощать пары и газы из корпуса полупроводникового прибора после его герметизации за счет очень развитой поверхности.

Дислокационная структура  слоя, обращенная к рабочей по верхности  пластины, обладает способностью притягивать  и удерживать структурные дефекты  из объема полупроводникового кристалла, что значительно повышает надежность и улучшает электро-физические параметры приборов. Однако несимметричная обработка сторон пластин создает опасность их изгиба. 
Поэтому глубину нарушений на нерабочей стороне следует строго контролировать.

Использование в полупроводниковом производстве пластин стандартизованных размеров позволяет унифицировать оборудование и оснастку на всех операциях, начиная от их механической обработки и заканчивая контролем параметров готовых структур. В отечественной и зарубежной промышленности нашли применение пластины диаметром 40, 60, 76, 100, 125, 
150 и 200 мм. Для получения пластины заданного диаметра осуществляют калибровку выращенного проводникового монокристаллического слитка.