Формирование слоев с заданными свойствами

Окисление кремния — один из основных процессов, используе­мых при изготовлении ИМС. Диоксид кремния Si0₂ — очень ста­бильный материал, он почти повсеместно применяется в качестве маски при формировании рисунка ИМС. Выращивается Si0₂ в ат­мосфере кислорода или водяного пара по реакциям:

Si+0₂ Si0₂

Si+2H₂0 Si0₂+2H₂.

Эти реакции протекают в кварцевой трубе при температуре 950... 1250 С.

Схема установки для окисления пластин:

1 — предохранительный клапан; 2 — камера реактора; 3 — охлаждающая рубашка; 4 —трехзонная печь; 5 —кварцевая труба; 6 —инжектор; 7—отражатель инжектора; 8 — лодочка; 9 — пластина; 10 — нагревательный элемент; 11 — тепловая пробка; 12 — загрузочный люк; 13— торцевая крышка

Следует отметить большую длительность процесса окисления. Это связано с тем, что молекулам кислорода или воды, проника­ющим к поверхности кремния, препятствует появившийся и все увеличивающийся в результате реакции слой оксида. Поэтому для получения слоев заданной толщины требуется значительное время.

Высокие температуры процессов окисления вызывают пере­распределение ионов примесей, что вредно влияет на качество структур ИМС. Для снижения температуры окисления увеличи­вают давление, повышение которого на 1,01 • 10⁵ Па позволяет снизить температуру на 150... 250°С. Кроме того, высокое давле­ние дает возможность сократить время окисления.

Эпитаксия — это процесс ориентированного выращивания мо­нокристаллического материала на подложке с той же ориента­цией кристалла. Для того чтобы осаждаемый монокристаллический слой на атомном уровне соединился с поверхностью пласти­ны и фактически стал ее идентичным продолжением, необходимо, чтобы поверхность пластины обладала достаточным числом за­травочных центров, способствующих зарождению монокристалли­ческого кремния. Эти центры создаются предварительной обра­боткой поверхности пластины газообразным хлористым водородом НС1 и вытравливанием в ней слоя кремния толщиной от 0,2 до 1,0 мкм вместе с любыми дефектами кристалла, способными на­рушить процесс эпитаксии.

Для осаждения кремния используются два основных метода: пиролиз силана

SiH₄ Si+2H₂

и восстановление водородом тетрахлорида кремния

SiCl₄+2H₂ Si+4HCl.

В процессе эпитаксии в газовую смесь вводят легирующие га­зы — диборан и фосфин, чтобы добиться желаемого уровня леги­рования. По окончании процесса пластины охлаждают и удаляют из реактора.

Процесс диффузии в классическом смысле состоит в однород­ном распределении частиц в каком-то фиксированном объеме про­странства в соответствии с известными физическими законами. При изготовлении ИМС обычно применяют диффузию для создания требуемой концентрации носителей заряда (легирования) не­сколькими элементами. С целью получения заданных профилей концентраций и р —n переходов, составляющих основу полупро­водниковых приборов, проводится серия процессов диффузии. Основными этапами являются: предварительное осаждение примеси и собственно диффузия.

Задача первого этапа — ввести определенное количество леги­рующего вещества в (на) поверхность полупроводника. Этот этап начинается с очистки пластин для удаления любых загрязнений, которые могут проникнуть в кристаллическую решетку кремния и в дальнейшем вызвать нежелательные электрические эффекты. После очистки пластины загружаются в кварцевую «лодочку» и помещаются в специальную печь для «загонки» примеси.

Легирующее вещество вводится в печь в твердой или газо­образной форме. В первом случае оно наносится на пластину в виде соответствующего стеклянного слоя, содержащего фосфор или бор. В качестве газа-носителя служит азот. Наряду с азо­том иногда применяется кислород с целью окисления легирующей примеси, увеличения однородности ее распределения и улучшения других функциональных характеристик. Области, предварительно защищенные диоксидом кремния (толщиной около 1 мкм), оста­ются нелегированными.

Широко используются легирующие примеси в газообразной форме, так как источниками газа легче управлять, чем источни­ками твердых примесей. Как и в первом случае, в качестве газа-носителя применяется азот. Однако при данном методе диффузии может возникнуть ряд проблем: токсичность газов, их химическая нестабильность, недостаточная концентрация для получения же­лаемых уровней легирования и т. п. Независимо от вида легиру­ющей примеси законы диффузии ее в кристалле будут одина­ковы.

Скорость диффузии существенно зависит от температуры. По­вышение температуры увеличивает скорость движения атомов ле­гирующей примеси, что способствует их более быстрому проник­новению через поверхность пластины. Поскольку примеси имеют различные скорости диффузии, являющиеся функциями темпера­туры, то эти соотношения (или коэффициенты диффузии) заранее табулированы для каждой легирующей примеси.

Концентрация примеси зависит от температуры и длительно­сти «загонки». При малой длительности процесса концентрация примеси на поверхности может быть достаточной, однако она быстро падает по глубине пластины. Увеличение времени «за­гонки» повышает концентрацию примесей под поверхностью, а концентрационный профиль делает более пологим. По мере того как легирующая примесь проходит через поверхность пластины, может наступить насыщение. Точка насыщения кристаллической решетки пластины легирующей примесью (точка максимальной концентрации) называется границей твердого раствора. Значения концентрации твердого раствора, выражаемые числом атомов в кубическом сантиметре (ат/см³), для широко распространенных примесей (бора, фосфора, мышьяка, галлия, алюминия, золота и сурьмы) откладываются на графике в зависимости от температу­ры (в диапазоне 700... 1400°С). Эти данные служат для контроля уровня легирования пластины.

После «загонки» проводится этап «разгонки», при котором ле­гирующие примеси разгоняются на заданную глубину залегания р — n -перехода. При этом используют такую комбинацию темпе­ратуры и времени, при которой обеспечивается заданный профиль легирующих примесей. Процесс осуществляется в диффузионной печи в окислительной атмосфере кислорода без добавки допол­нительного количества легирующих примесей.

После проведения операции диффузии измеряются глубина за­легания р— - n -переходов и поверхностное сопротивление пластин. Поскольку при изготовлении ИМС диффузия применяется много­кратно, а глубина залегания примесей увеличивается с каждой стадией диффузии, то требуется тщательный анализ влияния этих многократных стадий. Одним из методов уменьшения глубины залегания при каждой новой стадии «разгонки» является прове­дение в первую очередь наиболее высокотемпературной диффу­зии. При этом сначала используются примеси с самым высоким показателем растворимости и малым коэффициентом диффузии (например, мышьяк), а затем менее растворимые примеси с большим значением коэффициента диффузии (например, фосфор).

Ионная имплантация применяется для внедрения ионов леги­рующих примесей в слои полупроводника на различные заданные глубины. Главное достоинство этого метода заключается в дости­жении высокой точности глубины проникновения легирующей примеси благодаря хорошей управляемости процесса. С помощью ионного легирования удается добиться высокой однородности распределения примесей (неоднородность по пластине не превы­шает 1%) при высокой воспроизводимости результатов (разброс от пластины к пластине и от партии к партии менее 2%).

В качестве маски для пучка ионов используются толстые слои диоксида кремния или фоторезиста. Число (доза) легирующих ионов, достигающих пластины, подсчитывается при прохождении их через детектор, что позволяет осуществлять точный контроль за концентрацией легирующих примесей.

Глубина внедрения определяется полной энергией ионов, кото­рая регулируется ускоряющим напряжением. Управление энер­гией ионов легирующей примеси дает возможность точно управ­лять глубиной р — n -перехода, что недостижимо с помощью обыч­ных методов термической диффузии.

Ионы высоких энергий, попадая внутрь совершенной кристал­лической решетки пластины, выбивают атомы из ее узлов и пере­водят часть верхнего слоя монокристалла толщиной 0,1 мкм в аморфное состояние, что резко изменяет его электрические свойства и делает непригодным для изготовления ИМС. Устра­нение повреждений кристаллической решетки и активация ионов легирующих примесей достигаются отжигом пластин. Отжиг про­водится при температурах 1000... 1200 К. Эта операция помогает атомам кремния снова сгруппироваться в кристаллическую ре­шетку. Структура отожженного кристалла становится близкой к первоначальной.

До недавнего времени отжиг пластин осуществлялся в печи. При этом пластины загрязнялись различными посторонними при­месями, подвергались короблению, возникала нежелательная диф­фузия в боковом направлении и т. п. Поэтому в последние годы отжиг впечи стал заменяться импульсным лазерным отжигом.

При лазерном отжиге практически не происходит коробления пластины, так как он производится только в тех областях, кото­рые подвергались ионному легированию. В установках лазерного отжига используются аргоновые лазеры с длиной волны 488 нм, которые нагревают поверхность пластины до температуры 1400...... 1500 К (ниже температуры плавления кремния). Этот процесс (эпитаксия в твердой фазе) позволяет получить более совершен­ную решетку кристалла, т. е. более высокого качества, чем при отжиге в печи. При лазерном отжиге применяется также эпи­таксия в жидкой фазе: ИК лазеры нагревают поверхность пла­стины до температуры 1700... 1720 К; при этом происходит по­вторный рост монокристалла кремния от нижерасположенной границы раздела фаз к поверхности примерно так же, как при выращивании монокристалла из расплава.

Главное достоинство этого метода состоит в том, что ионы примесей как бы «вмораживаются» в узлы кристаллической ре­шетки, что бывает трудно обеспечить при отжиге в печи.

Металлизация — процесс создания омических контактов и межсоединений в ИМС алюминиевыми пленочными дорожками. С целью повышения плотности размещения межсоединений в ИМС формируют не только один, но два, три и более слоев алюминие­вой металлизации. Алюминий практически не имеет конкурентов среди металлов для создания межсоединений, поскольку отвечает следующим функциональным требованиям, предъявляемым к ме­таллизации: возможность получения многослойной металлизации; коррозионная стойкость; свариваемость; устойчивость к электромиграции; качественное травление (малое подтравливание); вы­сокая адгезия к оксидам и кремнию; хорошее покрытие ступенек рельефа на поверхности пластины; высокая проводимость; ста­бильный омический контакт с кремнием; относительная простота создания рисунка. При использовании многослойной металлиза­ции наиболее важным параметром становится степень покрытия ступенек рельефа.

Кроме чистого алюминия, для создания межсоединений в ИМС применяются различные алюминиевые сплавы с целью улучше­ния качества и надежности ИМС. Слои алюминиевой металлизации напыляются в вакууме термическим испарением, ионным рас­пылением или химическим осаждением.

Термическое испарение основано на испарении материалов при нагревании в вакууме и конденсации их паров на холодных пла­стинах (подложках) в виде тонких пленок. Этот метод обладает рядом преимуществ: не вызывает радиационных повреждений ИМС; отличается простотой оборудования и процесса, высокой производительностью.

Ионное распыление производится путем ионизации инертного газа в электрическом поле (т. е. создание газовой плазмы). Воз­никшие ионы направляются на источник или мишень, где, отда­вая свою энергию, физически распыляют материал мишени (алю­миний или другой металл). Этот метод является универсальным, поскольку с его помощью могут распыляться любые материалы. Для создания разряда применяются источники ВЧ и постоянного напряжения. Типичная толщина напыляемого слоя составляет 1 мкм.

Большое внимание в последние годы уделяется внедрению магнетронного распыления материалов, так как этим методом можно добиться высокой скорости напыления металлов, но, од­нако, меньшей, чем при термическом испарении.