книги из ГПНТБ / Моряков, О. С. Вакуумно-термические и термические процессы в полупроводниковом производстве учеб. пособие

терная и базовые области на поверхности кристалла защищены пленкой 5 двуокиси кремния, нанесенной на исходный кристалл, а к открытым участкам эмиттера и базы созданы невыпрямляющие контакты 6. Коллектором 3 служит исходный кремний дырочного

Рис. 48. Разрез транзисторной структуры:

/ —эмиттерная область, 2 —базовая область, 3 — коллектор, 4 — пленка ни­ келя, 5 — пленка двуокиси кремния, 6 — невыпрямляющий контакт

типа, невыпрямляющий контакт (пленка никеля) 4 к которому соз­ дается предварительно, перед началом процесса электроннолуче­ вой обработки.

§ 28. Изготовление электронно-дырочных, переходов методом элионной технологии

Рассмотрим схему технологического процесса изготовления по­ левого транзистора по элионной технологии.

На рис. 49, а и б показано получение электронно-дырочных пе­ реходов при помощи электронного и ионного пучков.

Источником электронов (рис. 49, а) служит раскаленный воль­ фрамовый катод /. Под действием ускоряющего напряжения (до

Рис. 49. Получение электронно-дырочных переходов при помощи пучков:

источник ионов, 12 — ионнооптическая фокусирующая система, 13 —ионный пучок, 14 - система магнитного отклонения, /5 — тормозящая система, 16 — маска, 17 — кассета

8 0

200^кВ), приложенного к аноду 3, электронный пучок 10, управляе­ мый модулятором, проходит через диафрагму 4, две линзы 6 и фо­ кусируется на полупроводниковой пластине 7, покрытой легирую­ щим веществом. Пластина расположена на рабочем столике 8 уста­ новки, который может автоматически перемещаться с заданным шагом в двух взаимно перпендикулярных направлениях.

В результате электронной бомбардировки происходит локальное сплавление и атомы легирующего вещества равномерно распределя­ ются в расплаве, после кристаллизации которого на границе данной области образуется электронно-дырочный переход, имеющий микросплавную или микродиффузионную структуру, что зависит от вре­ мени воздействия электронного пучка на пластину. Если время воз­ действия лежит в пределах нескольких секунд, заметной диффузии примеси в твердую фазу не происходит и структура перехода соотвествует микросплавной. При более длительной обработке получают микродиффузионные структуры. Процесс ведут в вакууме. Действие пучка можно наблюдать с помощью микроскопа.

При ионном легировании (рис. 49, б) пучок 13, состоящий из ио­ нов примесного вещества, проходит фокусирующую 12, отклоняющую 14 и тормозящую 15 системы и попадает на полупроводниковую пластину 7. Для локализации мест бомбардировки пластины, нахо­ дящиеся в кассете 17, могут быть частично закрыты маской 16.

Обладая большой кинетической энергией, ионы, сталкиваясь с поверхностью полупроводника, внедряются на определенную глу­ бину в его кристаллическую решетку, в результате возникает об­ ласть противоположного типа проводимости, на границе которой образуется электронно-дырочный переход. Этот процесс также ве­ дут в вакууме. Он поддается точному управлению, что обеспечи­ вает получение переходов с заданными параметрами и хорошую воспроизводимость.

На рис. 50 показана технологическая схема изготовления поле­

омические контакты (рис. 50, к), необходимые для присоединения электродных выводов.

Ознакомимся с использованием электронного пучка в техноло­ гии получения кремниевых диодов (рис. 51). После механической и химической обработки пластину н-кремния окисляют (рис. 51, а), удаляют е одной ее стороны окисел и напыляют на эту сторону

золото (рис. 51, б). Слой золота служит для создания невыпрям­ ляющего контакта с кремнием. На поверхность, покрытую окислом, напыляют слой борного ангидрида (рис. 51, в). Затем на электрон­ нолучевой установке производят локальное расплавление ангидри­ да (В20 3) и окисла, в результате чего кремний легируется бором и

образуется электронно-дырочный переход (рис. 51, а). Оставшийся борный ангидрид удаляют, а на площадки электродов перехода напыляют слой алюминия (рис. 51, д). Далее следуют обычные операции сборки прибора.

82

Элионная технология изготовления полупроводниковых прибо­ ров в настоящее время успешно осваивается промышленностью.

Процесс ионного легирования осуществляется при комнатной температуре и по сравнению с обычной диффузией сравнительно быстро. Затем полупроводниковые пластины необходимо отжечь для устранения радиационных дефектов, возникающих под дейст­ вием ионной бомбардировки. Процесс отжига ведут кратковремен­ но при низкой температуре. Так, для кремния температура отжига составляет примерно 700° С,, а время —30 мин.

Для улучшения частотных свойств обычных транзисторов необ­ ходимо снизить толщину базового слоя. Термической диффузией можно получить транзисторы с минимальной толщиной базового слоя примерно 0,1 мкм; предельная частота усиления по току та­ ких приборов менее 1 ГГц. Ионным легированием удается изгото­ вить транзисторы с базой толщиной около 500 А; их предельная частота усиления по току достигает 6 ГГц. Методом двойного ион­ ного легирования (фосфором и бором) были получены электронно­ дырочные переходы в алмазе, а также в полупроводниковых соеди­ нениях типа арсенид галлия (ОаАэ), карбид кремния (ЭЮ) и др.

Элионную технологию применяют также для создания транзис­ торов со структурой металл — окисел — полупроводник (МОП-ти- па) и интегральных схем на их основе. МОП-транзисторы благо­ даря их особенностям можно использовать как в качестве актив­ ных, так и в качестве пассивных элементов интегральных схем. Ионное легирование позволяет свести к минимуму паразитные емкости транзисторов. Кроме того, оно нашло широкое примене­ ние в технологии МОП БИС (больших интегральных схем) —поз­ волило обеспечить более низкие пороговые напряжения, лучшую воспроизводимость и быстродействие таких схем, уменьшить их геометрические размеры и повысить процент выхода.

Одним из достоинств элионной технологии является возмож­ ность полной автоматизации производственного процесса. Регули­ руя энергию и дозы ионов, можно в широких пределах изменять глубину распределения примеси в легированном слое, что весьма существенно, так как от распределения примесей зависят его элект­ рические свойства перехода.

§ 29. Оборудование для процессов элионной технологии

Для изготовления электронно-дырочных переходов по элионной технологии используют электроннолучевые и ионнолучевые уста­

новки.

На рис. 52 показана ионнолучевая установка, которая состоит из источника и приемника ионов, электронного анализатора, систе­ мы управления пучком и вакуумной системы.

Примесный материал, предназначенный для легирования, загру­ жают в тигель 1 головки источника ионов (рис. 52, а) и нагревают до температуры испарения. В камере источника имеется катод 3, который, разогреваясь с помощью нити накала 2 до 2400—2500° С,

испускает электроны. В газоразрядной камере 4, куда поступают пары рабочего вещества 6, поддерживается дуговой разряд, для чего между катодом 3 и анодом 5 поддерживают необходимую раз­ ность потенциалов. Пары под ударами электронов ионизируются и образуют плазму.

Плазма — это состояние вещества (газа), находящегося в виде положительно и отрицательно заряженных частиц (электронов и ионов) при скомпенсированном общем заряде. Необычные свойства плазмы проявляются при воздействии сильных магнитных полей

Рис. 52. Ионнолучевая установка:

(молния, северное сияние, световая реклама, короткое замыкание электрической сети). Для получения плазмы необходимо оторвать хотя бы часть электронов от атомов вещества, т. е. ионизировать вещество. Ионизацию можно производить как при помощи излу­ чения электрического разряда (в нашем случае), так и другими методами.

Головка источника ионов расположена между полюсами вспо­ могательного магнита, который концентрирует поток частиц и на­ правляет их в среднюю часть электромагнитного анализатора 8 (рис. 52, б). При этом плазма вытягивается через щель газораз­ рядной камеры, ускоряется, а затем проходит пространство дрейфа, где на нее не действуют никакие электрические и магнитные поля кроме объемного заряда самого пучка. Это пространство простира­ ется от источников ионов до входной границы электромагнитного анализатора 8, а также от выхода из него до заземленного элект­ рода приемника ионов.

84

В магнитном поле анализатора ионы движутся по криволиней­ ным траекториям, радиус которых при данных значениях напря­ женности поля и энергии ионов зависит от их массы, В результате в камеру приемника ионов попадает лишь вещество, предназначен­ ное для легирования. Посторонние примеси (с другими массами ионов) как бы отфильтровываются в анализаторе. Таким образом, по принципу действия электромагнитный анализатор аналогичен обычному масс-спектрометру и обеспечивает высокую чистоту ра­ бочего вещества, что является одним из достоинств ионного леги­ рования.

Изменяя величину кинетической энергии ионов, можно очень точно регулировать глубину их проникновения в полупроводник. Столик для закрепления пластин подвижен относительно пучка, что позволяет облучать их поочередно. Для охлаждения столика используют проточную воду.

Вакуумная система установки состоит из двух откачных агре­ гатов 12 и 13, подключенных соответственно к камерам приемни­ ка 11 и источника 15 ионов, фреоновой 14 и охлаждаемой жидким азотом 10 ловушек, вакуумной камеры 9, ротационных механиче­ ских насосов и кранов.

Ионнооптическая система включает три линзы: основную, про­ межуточную и фокусирующую.

Техническая характеристика ионнолучевой установки ИЛУ-3 приведена ниже.

из вакуумной камеры, системы управления электронным лучом и устройства для перемещения рабочего столика.

Внутри корпуса находятся камера электронной пушки 1 и рабо­ чая камера 12, в которых поддерживают вакуум 1-10~4—1 • 10_3мм рт. ст. В первой камере расположены электронная пушка, фокуси­ рующие электромагнитные линзы 4, стигматор и электростатиче­ ская (отклоняющая) система 5. Электронный луч 13, испускаемый вольфрамовым катодом 2, ускоряется под напряжением в несколь­ ко десятков киловольт и фокусируется на обрабатываемой пласти­ не б в виде пятна диаметром от 50 до 100 мкм; плотность мощности

в пятне 106—104 Вт/см2.

Пластина располагается во второй (рабочей) камере и ее мож­ но перемещать горизонтально в двух взаимно перпендикулярных направлениях. В рабочей камере имеются также оптическое окно и

85

детектор отраженных электронов (сканирующего электронного микроскопа) для контроля поверхности заготовки.

Рабочий столик 11 перемещается двумя приводными механиз­ мами с шаговыми двигателями 10, расположенными снаружи ва­ куумной камеры. Скорость перемещения можно изменять от 5,12 до 1,25-10~4 мм/с, причем каждый управляющий импульс (шаг) соответствует сдвигу столика на 10 мкм.

Рис. 53. Электроннолучевая установка:

Система управления электронным лучом обеспечивает установ­ ку необходимой длительности обработки изделия, регулирования тока и отклонения луча, а также характера пульсации.

При работе установки катод 2 электронной ¡пушки, изготовлен­ ный из вольфрамовой проволоки, нагревают до температуры 2400— 2500° С, а к аноду 8 подводят напряжение от высоковольтного трансформатора 14 через выпрямитель 15 (для различных систем от 20—30 до 100—150 кВ). Испускаемые катодом электроны под действием магнитного поля приобретают большую скорость и с помощью фокусирующих электростатических и электромагнитных

86

линз направляются в. виде луча на обрабатываемое изделие. В ре­ зультате электронной бомбардировки локальные участки поверх­ ности разогреваются до температуры 5000—6000° С.

Контрольные вопросы

1.Каково назначение электронных и ионных пучков'!1

2.Что такое элионная технология и каковы ее преимущества?

3.Какова последовательность операций при изготовлении диодов с исполь­ зованием электронного пучка?

4. Каков принцип действия электронно- и ионнолучевых установок?

Г Л А В А Ш Е С Т А Я

ТЕРМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ НАРАЩИВАНИЯ ЭПИТАКСИАЛЬНЫХ ПЛЕНОК

§ 30. Сведения об эпитаксиальных, пленках

ла из газовой фазы или в вакууме.

При изготовлении полупроводниковых приборов этим методом на кремниевые пластины, наносят кремний, а на германиевые — германий. Кроме того, можно, например, на германий наращивать арсенид галлия или получать пленки кремния на монокристаллических подложках из диэлектрика (сапфира, шпинеля, окиси бе­ риллия).

Эпитаксиальный метод производства полупроводниковых при­ боров отличается от диффузионного тем, что здесь не происходит проникновения конденсируемых атомов в основной материал. Пользуясь эпитаксиальной технологией, можно создать на одной подложке несколько поверхностных слоев, толщину и сопротивле­ ние которых легко регулируют.

Рассмотрим получение кремниевых эпитаксиальных пленок, так как германиевые эпитаксиальные пленки не получили широко­ го распространения. Достоинствами кремния по сравнению с гер­ манием является повышенная устойчивость к воздействию высоких температур и легкость его окисления.

Использование эпитаксиальных ¡пленок при производстве крем­ ниевых полупроводниковых приборов существенно увеличивает вы­ ход годных изделий, улучшает их параметры и значительно сокра­ щает по времени технологический процесс. При эпитаксиальной технологии применяют низкоомный исходный материал, на кото­ рый наносят пленку с большим удельным сопротивлением толщи­

ной в несколько микрон.

Для сравнения на рис. 54, а и б показаны планарная на кремнии н-типа и планарно-эпитаксиальная на кремниевой эпитаксиальной пленке п—п+-типа структуры транзистора.

87

Планарную структуру получают методом двойной диффузии: вначале в высокоомный я-кремний вводят акцепторную примесь для создания базовой ^-области, а затем диффузией донора формируют я-область эмиттера. Защитную пленку двуокиси кремния и омиче­ ские контакты получают обычными способами.

Как известно, транзистор должен обладать высоким пробивным напряжением в цепи коллектор—■база и низким напряжением на­ сыщения в цепи коллектор — эмиттер. Для удовлетворения этих

я+-области — малое последовательное сопротивление. Планарно­ эпитаксиальные приборы по сравнению с планарными отличаются быстродействием, линейностью характеристик и более высокой гра­ ничной частотой.

§ 31. Технологические методы эпитаксиального наращивания

Эпитаксиальные пленки получают осаждением вещества из га­ зовой фазы или напылением его в вакууме.

В первом случае исходным материалом служат различные соеди­ нения кремния, например тетрахлорид (БКЛ^), тетрабромид (31Вг4), трихлорсилан (БИ-Юз) и другие, которые в процессе осажжения восстанавливают водородом, одновременно выполняющим роль газа-носителя. Процесс ведут при определенной температуре. Например, при 1100° С происходит следующая реакция:

51С14+ 2 Н 2->51+4НС1

Образующийся кремний осаждается на подложке в виде пленки, а газообразный хлористый водород удаляют из установки.

Для получения пленок электронного или дырочного типа прово­ димости полупроводниковые пластины легируют в процессе эпитак­ сии, вводя в реактор соединения элементов V или III групп перио­ дической системы Д. И. Менделеева. Так, при восстановлении водо­ родом тетрахлорида кремния (SiCl4) к водороду в качестве легирующих примесей добавляют газообразные диборан (В2Н6), арсин (AsH3) или фосфин (РН3). При этом возникают слои р- и

Рис. 55. Схема установки для наращивания эпитаксиальных пленок:

1 — индукторы, 2 — подставки, 3 и 4 —вертикальные реакторы, 5 —горизон­ тальный реактор, 6 — источник тетрахлорида германия, 7, 8 и 9 — источники соединений кремния, 10 — устройство для очистки водорода, 11 —емкость с БШ4 ( и л и веН*), 12 — баллон с водородом, 13 — резервуары с легирующими веществами, 14 —емкость с хлористым водородом, 15 — питатель

д-типа проводимости с концентрацией примеси от 5 -10й до Ы 0 20 см^3, что соответствует их удельному сопротивлению 0,001—

ками), расположенные в реакторах, нагревают токами высокой час­ тоты с помощью индукционных катушек. В вертикальных реакторах подставки могут вращаться.

Газовая система установки включает баллон с водородом 12, устройство для его очистки 10, источники соединений кремния (БЩСП и 51СЦ) 7, 8 и 9 я германия (йеСЦ) 6 легирующих веществ (АэНз, РН3 или В2Н6) 13. Кроме того, предусмотрены дополнитель­ ные емкости 11 с кремнистым водородом БШ4 (или ПеН4) и пита­ тель 15, предназначенный для насыщения водорода парами хлорис­

89