книги из ГПНТБ / Кремниевые планарные транзисторы

процесс, но и, что очень важно, улучшает качество фотолитографии.

окисной маскировки. Локальная диффузия основана на свойстве не­ которых диффузантов проникать в кремний гораздо быстрее, чем в его окисел. Наиболее пригодным для планарной технологии явля­ ются бор (акцептор) и фосфор (донор). Эти диффузанты позволяют создавать диффузионные слои глубиной от долей микрона до не­ скольких десятков микрон в приемлемом (1000—1300° С) температур­ ном интервале. Высокая растворимость бора и фосфора в кремнии дает возможность получить необходимую концентрацию примесей (от 1018 до 1021 см - 3 ) . Кроме того, скорости диффузии бора и фосфора в окисел почти на два порядка меньше, чем в кремний. Обычно базо­ вый слой транзистора имеет величину порядка нескольких микрон. Область эмиттера несколько тоньше, но имеет тот же порядок (ис­ ключение составляют СВЧ планарные транзисторы, глубина эмит­

что снижает требования к маскирующим свойствам окисных пленок на кремнии.

В процессе локальной диффузии бор и фосфор реагируют с мас­ кой из окиси кремния, образуя примесно-силикатное стекло. Гра­ ница раздела стекло — окисел во время диффузии движется по на­ правлению к кремниевой подложке, при достижении границы крем­ ний — окись локализация диффузии нарушается, поскольку теперь диффузия будет идти по всей площади пластинки. Образование примесно-силикатного стекла в процессе диффузии определяется режимом диффузии, что обусловливает зависимость маскирующих свойств окисных пленок от температуры и времени диффузии (рис. 1.11).

Из сказанного следует, что для проведения локальной диффузии в каждом конкретном случае необходимо иметь окисную маску такой толщины, чтобы она гарантировала надежную защиту окисленных участков кремния от проникновения диффузанта.

Рассмотрим основные способы осуществления диффузии. Вве­ дение примесей, представляющее собой начальный этап диффузион­ ных процессов в планарной технологии и называемое также первой стадией диффузии, или «загонкой примесей», может быть осуществле­ но диффузией:

30

•— в потоке газа-носителя;

—«бокс-методом»;

—из поверхностного источника;

—из легированного окисла.

Наибольшее распространение для диффузии бора и фосфора к настоящему времени получил метод диффузии в потоке газа-носи­ теля, называемый иногда также «методом открытой трубы». Этот ме­ тод имеет три варианта в зависимости от типа источника.

При диффузии с использованием твердого диффузанта (борный ангидрид, пятиокись фосфора) метод предполагает применение двухзонной печи, одна зона которой служит для насыщения газа-носите­ ля парами диффузанта, а другая — для введения примеси в кремний.

При использовании жидкого (трехбромистый бор, хлорокись фосфора) или газообразного (смесь диборана или фосфина с аргоном) источника примеси применяется однозонная диффузионная печь. Примесь вводится в поток при прохождении газа-носителя над жид­ ким источником либо из газообразного источника. Токсичность и взрывоопасность большинства перечисленных выше жидких и газо­ образных диффузантов требуют применения строгих мер для обес­ печения безопасности работы персонала.

Диффузия бора и фосфора в кремний происходит из оседающих на поверхность окислов бора и фосфора, в связи с чем в качестве га­ за-носителя может быть использован инертный газ (аргон, азот, гелий) в случае диффузии из Р 2 0 5 в В 2 0 3 и инертный газ с примесью кислорода — в остальных приведенных выше способах.

Диффузия «бокс-методом» является вариантом диффузии в пото­ ке и отличается тем, что твердый источник примеси (борный ангид­ рид или специальное стекло) помещается в отдельный бокс в непосред-

а)

Рис. 1.11. Температурная зависимость минимальной толщины окисла, необ­ ходимой для маскировки при 30-мин диффузии фосфора (а) и зависимость минимальной толщины окисла при диффузии бора от времени и температуры диффузии (б) [1] .

31

ственной близости от пластин при температуре диффузии. Поток га­ за — обычно азота или аргона — создает контролируемую атмос­ феру в боксе. В качестве источников примеси применяют борный ан­ гидрид, а также смеси борного и фосфорного ангидрида с окислами кремния или германия. Иногда источник располагают равномерно

внепосредственной близости от пластин, и необходимость примене­ ния бокса отпадает, однако этот метод еще нельзя назвать диффузией

впотоке газа-носителя, так как источник примеси не поступает из потока газа. Схематически варианты бокс-метода изображены на рис. 1.12.

Введение примеси может быть также осуществлено из поверх­ ностного источника, который представляет собой стекло определен­ ного состава, нанесенное на поверхность пластины. Стекло наносят по методике, аналогичной методике нанесения фоторезиста из рас­ твора, например, борного ангидрида в спирте либо эмульсий или суспензий, содержащих нужную примесь. В последнем случае нанесенный слой спекают при температуре 400—600° С перед диф­ фузией.

В последнее время получает распространение поверхностный источник примеси в виде легированного окисла [4]. Диффузия из легированного окисла позволяет в широких пределах варьировать концентрацию вводимых примесей и дает хорошо воспроизводимые результаты, что является главным преимуществом метода. Легиро­ ванный окисел может быть получен методом пиролиза силана в ат­ мосфере, содержащей нужную примесь, либо методом анодирования в растворах, обеспечивающих осаждение анодного окисла в задан­ ной концентрации примеси.

Сравнивая способы проведения диффузии в потоке газа-носи­ теля, следует отметить, что методы с использованием жидких и осо­ бенно газообразных диффузантов дают более воспроизводимые ре­ зультаты, однако техника их осуществления сложна и требует осо­ бых мер предосторожности.

Рассмотрим процесс перераспределения примесей, называемый также второй стадией диффузии или «разгонкой». Обычно в процессе

32

тируется; зонды настраиваются на крайнюю структуру, после чего установка в автоматическом режиме проводит измерения заданных параметров структур и маркирует (закрашивает) бракованные струк­ туры. Измерения проводят с помощью специального тестера, кото­ рый задает режим измерений и выдает результат на ЭВМ. ЭВМ сравнивает результаты измерений с имеющимися в ее памяти нор­ мами на каждый измеряемый параметр и выдает команду на испол­ няющее устройство, которое переводит зонды на следующую струк­ туру. При этом исполняющее устройство маркирует бракованные структуры.

Пластина после проверки поступает на операцию «разделение на кристаллы». Разделение производится скрайбированием с по­ мощью алмазного резца с последующим разламыванием пластины по линиям скрайбирования на специальных приспособлениях. Раз­ деленные кристаллы поступают на контроль по внешнему виду под микроскопом, в результате которого из общего количества кристал­ лов выбрасываются замаркированные бракованные структуры, а также структуры с явными механическими дефектами (царапинами, сколами и др.), случайно образовавшимися при скрайбировании и разламывании.

Годные кристаллы монтируются в корпус, контактные площад­ ки транзисторных структур соединяются при помощи термокомпрес­ сионной сварки с выводами корпуса, и прибор герметизируется. Все эти операции выполняются с помощью поточно-механизирован­ ных линий сборки, либо (для приборов специального назначения) на индивидуальных установках. Поточно-механизированные линии сборки для транзисторов широкого применения работают в автома­ тическом режиме. Кристаллы при этом загружаются через вибро­ бункер и, ориентированные контактными площадками в нужную сторону, помещаются на движущийся конвейер. Автоматические манипуляторы снимают каждый кристалл с конвейера и помещают его на основании корпуса, на которое перед этим другой манипуля­ тор кладет прокладку из золотой фольги. Далее производится на­ грев до плавления эвтектики кремний — золото, и кристалл припа-

34

уровень легирования диффузионных слоев и т. д. Контроль техно­ логического цикла проводится пооперационно. Принцип поопера­

получение окисной маски, фотолитографическая обработка и ло­ кальная диффузия. В соответствии с этим главными видами контроля при изготовлении кремниевых пленарных структур являются кон­ троль качества окисных пленок, фотолитографических операций и параметров диффузии.

При контроле качества окисных пленок принимается во внима­ ние толщина, плотность, однородность и величина поверхностного заряда, причем толщина окисла является важным параметром, по­ скольку от нее зависит маскирующая способность пленки при ло­ кальной диффузии.

кремния, напыляют отражающий слой (чаще всего слой алюминия) и измеряют высоту полученной ступеньки окисел — поверхность исходного кремния. Существуют и более.точные методы определения толщины окисла, например эллипсометрия —• метод, основанный на измерении интенсивности отражения линейно-поляризованного све­ тового луча. Однако на практике в большинстве случаев достаточно определить порядок толщины окисла по цветовой таблице, исполь­ зующей соответствие интерференционной окраски окисной пленки при рассмотрении в белом нормальном свете.

Плотность окисных пленок кремния контролируют с помощью

нии их в темном поле металлургического микроскопа. Более нагляд­ но дефекты обнаруживаются при помощи травления пластин с окис­ лом в атмосфере хлора при 700° С. При этом хлор проникает сквозь поры в окисле и образует ямки травления в кремнии, хорошо видимые под микроскопом.

Плотность поверхностного заряда окисных пленок на кремнии измеряется С — U методом, основанным на измерении емкости структур металл — окисел — полупроводник (МОП структур). Сущность метода состоит в том, что дифференциальная емкость МОП

36

заряда в кремнии, зависящая от величины и полярности постоянного напряжения смещения U на структуре. Сняв зависимость от напря­

ные состояния на границе раздела Si — Si0 2 не влияют на величину

мерно 1 мм на исследуемую пленку, созданную на не слишком низкоомном кремнии (р > 1 Ом-см). Измерения проводятся с помощью мостов Л2-7 и Л2-8 на частотах 1 или 10 МГц соответственно.

При фотолитографической обработке контролируют толщину слоя фоторезиста, качество проявления и линейные размеры полу­ ченного рельефа в окисной маске. Этот контроль необходим для получения повторяемых результатов процесса при неизменных ре­ жимах термообработки и экспонирования. Толщина слоя может быть измерена с помощью интерференционного микроскопа МИИ-4 так же, как это делается в случае окисных пленок.

Контроль качества проявления проводится для коррекции режимов цикла термообработка — экспонирование — проявление и заключается в периодических замерах «клина проявления» и ли­ нейных размеров элементов. (Под клином проявления понимают ширину переходного участка от защищенной фоторезистом поверх­ ности подложки к незащищенной.) При оптимальных режимах клин минимален.

Качество травления также во многом зависит от режимов фото­ литографических операций. При плохой обработке поверхности пластин или плохом качестве окисла наблюдается «растравливание» рельефа за счет ухудшения адгезии фоторезистивного слоя. К тако­ му же результату могут привести неправильное задубливание слоя фоторезиста, а также чрезмерное увеличение времени травления. Линейный размер элементов зависит не только от линейного размера элементов защитного рельефа, но и от режимов травления.

Контроль качества проявления и травления удобно проводить с помощью того же микроскопа МИИ-4, позволяющего с большей точностью измерять как величину «клина», так и линейные размеры элементов.

Контроль параметров диффузии заключается в определении глубины залегания р-п переходов и замеров поверхностей концен­ трации легированных областей по методике, используемой для кон­ троля в технологии любых диффузионных приборов. Как и в других случаях, в планарной технологии необходим входной контроль при-

37

меняемых материалов и химических реактивов. Он заключается в систематической проверке используемого кремния (удельное сопро­ тивление и толщина), а также всех применяемых химических реак­ тивов на соответствие техническим условиям.

При рассмотрении процессов окисления, диффузии и фотоли­ тографии мы отмечали, что немаловажным условием получения со­ вершенных планарных структур с высоким выходом годных являет­ ся отсутствие неконтролируемых загрязнений, которые могут при­ вести к образованию дефектов в планарных структурах. В связи с этим важным видом контроля, которым ни в коем случае нельзя пре­ небрегать, является общий контроль чистоты и производственной дисциплины всего технологического цикла изготовления планарных транзисторов.

Узловыми моментами такого контроля является контроль за­ пыленности среды, в которой находятся кремниевые пластины при хранении и передаче с одной операции на другую, контроль за со­ стоянием применяемой технологической оснастки, контроль марш­ рута и графика движения рабочих партий и др.

Во избежание случайного брака, появившегося на какой-либо операции, проводят промежуточный контроль отдельных параметров структур после основных операций. Этот вид контроля состоит в оценке пробивных напряжений коллекторного р-п перехода после второй фотолитографии и в оценке коэффициента усиления струк­ тур после диффузии эмиттерной примеси и снятия окисла под кон­ такты на третьей фотолитографии.

Оценка проводится на зондовой установке. По выбранной мето­ дике проверяется, как правило, 100% пластин, при этом замеряют не менее десяти структур в разных местах пластины. Оценка пробив­ ных напряжений может быть заменена измерением обратных то­ ков при рабочих напряжениях. Коэффициент усиления £?с т обычно измеряют в режимах, при которых еще не наблюдается его спад при больших токах. Эти режимы могут отличаться от режимов, предусмотренных техническими условиями на прибор.

Полезно также перед маркировкой готовых структур еще раз выборочно проконтролировать пробивные напряжения и коэффи­ циент усиления структур на пластине после создания металлизиро­ ванных контактных площадок. Режимы измерений в этом случае могут быть для маломощных приборов близки к техническим условиям.

1.8.Проблемы и перспективы планарной технологии

Планарная технология к настоящему времени является наиболее распространенной и универсальной. С помощью планарной техно­ логии на кремнии можно получить, как уже отмечалось, практичес­ ки любой прибор вплоть до сложных интегральных схем,содержа­ щих сотни и тысячи элементов в одном кристалле. Преимущество планарной технологии по сравнению с технологией сплавных и

38

меза-диффузионных приборов очевидно, однако и она не лишена недостатков. Одним из них является подверженность планарных структур дефектам статистического характера. Если при изготовле­ нии маломощных транзисторов с размерами активных областей порядка ЮОмкмпри плотности дефектов 0,5—1 м м - 2 выход годных приборов достигает 80%, то при изготовлении мощных и особенно мощных СВЧ транзисторов, а также интегральных схем с большой степенью интеграции в тех же условиях выход получается на одиндва порядка меньше.

Растущие требования к параметрам транзисторов специально­ го назначения, а также все большая сложность интегральных схем выдвигают перед технологами задачи по реализации микронных и субмикронных размеров активных областей планарных структур. В этих условиях приходится заменять окисную маскировку нитридной, разрабатывать методы пассивации, применять специальные приемы фотолитографической обработки.

С увеличением степени интеграции твердых схем, а также с уве­ личением мощности и частоты планарных транзисторов резко повы­ шаются требования к надежности планарных структур. Это диктует необходимость разработки и применения в планарной технологии новых, более совершенных методов пассивации активных элементов приборов. Наконец, ведутся работы по устранению некоторых недо­ статков планарной технологии по сравнению с меза-диффузионной. В мезаструктурах р-п переход расположен геометрически выгоднее, чем в планарных, поскольку он плоский, не искривлен по пери­ ферии и имеет поэтому более высокие пробивные напряжения. В последнее время появились варианты технологии (LOCOS [61), сочетающие в себе преимущества как планарной, так и меза-диф­ фузионной технологии.

Кроме того, совершенствуются также отдельные операции: раз­ рабатывается методика получения чистой поверхности пластин в кислородной плазме, совершенствуется диффузия, автоматизиру­ ются сборочные и контрольно-испытательные операции технологи­ ческого процесса производства планарных транзисторов.

Рассмотрим в заключение перспективы дальнейшего развития планарной технологии. В области создания окисных масок перспек­ тивным является применение наряду с более совершенными окисными масками масок из нитрида кремния и металлов. С помощью нитрида кремния можно создать маску для проведения локальной диффузии из более широкого набора диффузантов [7]. Это дает воз­ можность применять при необходимости не только бор и фосфор, но и, например, галлий, мышьяк, сурьму и другие примеси, что иногда более целесообразно при разработке специальных приборов и ин­ тегральных схем. Более тонкие слои нитрида кремния 500—1000 А, применяемые для маскировки, способствуют увеличению разре­ шающей способности фотолитографических процессов, что облегча­ ет задачу получения структур микронных и субмикронных разме-

39