Маршрутный процесс формирования диффузионно-планарной структуры

Проводя сравнительную оценку различных типов структур интегральных микросхем, обычно рассматривают ряд конструктивно-технологических показателей, к которым можно отнести следующие:

• качество межэлементной изоляции, определяемое удельной емкостью (пФ/мкм²);

• площадь, занимаемая типичным функциональным элементом ИМС-вентилем;

• количество циклов легирования;

• количество циклов фотолитографии.

Среди планарных структур исторически более ранней является диффузионно-планарная. Ее последовательность представлена на рисунке 6.

Рис. 6 – Последовательность формирования диффузионно-планарной структуры

В данной структуре функции межэлементной изоляции выполняют p-n переходы, смещенные в обратном направлении и ограничивающие области отдельных активных элементов. Для получения обратно смещенного p-n перехода в области подложки, разделяющей элементы, формируется омический контакт, который связан с наиболее низким потенциалом источника питания. К изолирующим же областям резисторов с помощью контактов подводится, наоборот, высокий потенциал.

Как исходная заготовка используется пластина монокристаллического кремния, равномерно легированная акцепторной примесью (дырочная электропроводность). Далее на слое, на который нанесен оксид кремния SiO_2, используя фотолитографию, избирательно вытравливают участки в форме прямоугольников. Эти участки именуются окнами, и через них путем термической диффузии вводятся атомы примеси донора. Процесс диффузии обычно происходит совместно с термическим окислением кремния, результатом которого является вновь образование на поверхности сплошного слоя SiO₂ (рис. 6 – а, б, в).

Таким образом, коллекторные области всех транзисторов, а также изолирующие области всех диодов и резисторов для всех кристаллов партии пластин создаются одновременно.

В ходе дальнейших действий вновь вскрывают окна меньших размеров в оксиде и последующей диффузией акцепторной примеси создают базовые области транзисторов р-типа проводимости, а также области р-типа проводимости анодов диодов и резисторов (рис. 6 – г, д).

В результате очередного (третьего) цикла фотолитографии, диффузии и окисления получают области эмиттеров, катодов диодов, а также высоколегированные области для последующего создания омических контактов к высокоомным коллекторным изолирующим областям (рис. 6 – е, ж).

Далее, чтобы создать межэлементные связи в слое оксида кремния, окна вновь вскрывают и наносят на пластину металлическую пленку (обычно алюминиевую). При этом в местах, свободных от SiO₂, образуется контакт с соответствующими областями кремния (рис. 6з).

Заключительный (четвертый) цикл фотолитографии по пленке алюминия (рис. 6 – и, к) позволяет создать систему токоведущих дорожек (межсоединений), а также контакты по периферии кристаллов. Полученные контакты будут использованы для коммутации кристаллов с внешними выводами корпуса.

Планарный транзистор независимо от типа структуры имеет коллекторный контакт в одной плоскости с базовым и эмиттерным контактами. Следствием этого является то, что коллекторный ток преодолевает протяженный горизонтальный участок дна коллекторной области (под дном базы), имеющий малые поперечные размеры.

В диффузионном коллекторе концентрация активной примеси распределена по глубине неравномерно. Она имеет максимальные значения на поверхности и равна нулю – на дне коллектора. Поэтому слой коллектора под базой имеет высокое сопротивление, что увеличивает напряжение насыщения и время переключения транзистора. По толщине коллектора примесь равномерно распределить можно, но для этого необходимо провести эпитаксиальное наращивание кремния с дозированным количеством донорной примеси. Данный процесс применяют при создании эпитаксиально-планарной структуры.

Маршрутный процесс формирования технологии будет выглядеть следующим образом:

1. Формирование партии пластин (рабочих и контрольных) 76 КБД-03.

2. Химическая обработка, которая предназначена для удаления с поверхности механических и органических загрязнений. Для этого используется перекисно-аммиачный раствор (H₂O₂+NH₄OH+HF) при Т=75°С, t=12 мин, затем каскадная промывка до ρ_H2O>5 МОм∙см с последующей сушкой на центрифуге V=1000 об/мин, t=12 мин. на линии «Лада-1».

3. Контроль качества химической обработки, осуществляемый на трех пластинах из партии по диаметру, который проходит перпендикулярно базовому срезу под микроскопом ММУ-3 в темновом поле при ув.≥250*. Допускается не более пяти дефектов.

4. Высокотемпературная обработка с одновременным окислением для формирования под скрытый n⁺-слой предназначена для наращивания слоя SiO₂ и осуществляется по следующим этапам:

№ п/п	Изменение температуры °С	Время, мин.	Расход газа, литр/час	Оборудование
1	700–1000	10–30	О2/HCL(25)+N2(250)	Диффузионная печь СДО-125/3-15 или др.
2	1000–1150	10–30	N2(250)
3	1150	30	О2(100)
4	1150–700	30–50	N2(250)

h = 0.45-0.55 мкм, загрузка 100 пластин.

В результате проведенных мероприятий получаем пластину, отображенную на рисунке 6а.

5. Фотолитография для создания рельефа требуемой конфигурации. Обработка пластин в парах ГМДС (гексаметилдисилозан). Затем нанесение фоторезиста h=1,1 мкм на установке «Лада-Электроника». Далее идет сушка при температурах - Т₁=80°С, Т₂=90°С, Т_з=105°С, t=10 мин. Затем экспонирование на установке совмещения и экспонирования ЭМ-576. Проявление в 0,9%-ном растворе КОН в течение 40 с. И задубливание ф/р от Т=85°С до 105°С в течение 8 мин.

6. Травление диоксида кремния в течение 10 минут в установке с химической обработки пластин «Лада-1» в травителе: H₂O+HF+HN₄F.

7. Снятие фоторезиста в смеси H₂SO+H₂O₂ в соотношении 3:1 в двух ваннах по 2 мин при Т=60°С для одного объема. В одном объеме обрабатывают 300 пластин. Затем каскадная промывка в деионизированной воде до ρ >3 МOм*см. А затем сушка в центрифуге при V=1000 об/мин, t=5 мин. Линия «Лада-1». Результатом служит пластина, изображенная на рисунке 6б.

8. Контроль пластин после фотолитографии осуществляется под микроскопом МИИ-4 в светлом поле микроскопа при ув. 250*. Не допускается более 18 дефектов. Из них: не должно быть пятен, подтеков, остатков проявителя. Кроме того, контролируется качество травления SiO₂ во вскрытых окнах. Не должно быть проколов и растрав SiO₂. Линейные размеры измеряются на соответствие КД и заносятся в память ЭВМ.

9. Химическая обработка пластин (см. п. 2).

10. Контроль качества химической обработки. Допускается не более восьми дефектов по диаметру пластины, проходящему перпендикулярно базовому срезу. На трех пластинах при ув. 250*на микроскопе ММУ-3.

11. Наращивание эпитаксиального слоя осуществляется в установке эпитаксиального наращивания «Лада-1» силановым методом:

SiH₄+H₄ → Si + 3H₂↑

предварительно для очистки поверхности Si используется газовое травление в НСl.

Si+2HCl → Si + H₂+ Cl₂

В процессе эпитаксиального наращивания слой легируется путем введения ПГС легирующей примеси: смесь фосфина с водородом (PH₃+ H₂).

T=1100°C, t=15 мин, hэ.с.= 1.8 – 2.2 мкм, R=0.4-0.5 Oм/□.

12. Измерение толщины эпитаксиального слоя осуществляется на установке «Шар-Шлиф» с последующим травлением в хромовом травителе в течение 10 с. Хромовый травитель: HNО₃+HF+ H₂O+Cr(NО₃)₂.

13. Определение плотности дефектов упаковки в эпитаксиальном слое осуществляется обработкой в хромовом травителе. Плотность дефектов упаковки σ_x≤1×10²см^-2. Плотность дислокаций σ_y≤5×10²см_-2.

14. Определение коэффициента заполнения эпитаксиальных структур линиями скольжения проводится путем травления в смеси HF+H₂О. При этом выявляются дефектные области, возникающие по краям пластины в процессе эпитаксии. Коэффициент заполнения структур линиями скольжения К ≤ 0,5.

15. Контроль пластин после эпитаксии осуществляется по следующей схеме: во-первых, 100% визуально, не должно быть: пятен, цветопобежалости, трещин; сколов на расстоянии 3 мм от края; завалов, загибов на расстоянии более 3 мм от края. Во-вторых, количество светящихся точек по диаметру, перпендикулярному базовому срезу не должно быть более 30 штук. Далее повторяются пункты 4 – 10, и в результате получается пластина, изображенная на рисунке 6г.

16. Высокотемпературная обработка – формирование слоя p-проводимости с одновременным окислением для формирования под скрытый n⁺-слой (см. рис. 6д).

17. Повторение пунктов 5 – 10 (см. выше).

18. Высокотемпературная обработка с окислением перед легированием сурьмой. Загрузка не более 100 пластин. Реализуется в следующих технологических режимах, при этом толщина SiO₂ не контролируется:

N п/п	Изменение температуры °С	Время, мин.	Расход газа, литр/час	Оборудование
1 2 3	700–900 900 900–700	10–15 21 15–30	О2(100) О2(100) О2(100)	диффузионная печь СДО-125/3-15

19. Ионное легирование сурьмой. Предназначено для формирования скрытого n⁺-слоя. Имплантация осуществляется на установке «Везувий-5», источник примеси – металлическая Sb.

20. Контроль качества химической обработки.

21. Высокотемпературная обработка для разгонки примеси в скрытом n⁺-слое. Загрузка не более 100 пластин при следующий показателях: R=30 Oм/□, h=2,4 мкм.

N п/п	Изменение температуры °С	Время, мин.	Расход газа, литр/час	Оборудование
1 2 3 4	700–1000 1000–1220 1220 1220–700	10–30 10–30 90 40–60	О2/HCl(100)+ О2(25) О2(100) О2(100) О2(100)	диффузионная печь СДО, СДОМ или др.

22. Снятие SiО₂. Осуществляется в травителе HF+H₂O+ HN₄F в течение трех мин на установке химической обработки пластин.

23. Химическая обработка и контроль ее качества (см. п. 2, 10).

24. Высокотемпературная обработка для формирования слоя SiO₂. Загрузка не более 100 пластин.

N п/п	Изменение температуры °С	Время, мин.	Расход газа, литр/час	Оборудование
1 2 3	700–1000 1000 1000–700	10–30 30 25–45	О2/HCl+N2(250) О2(100)+ N2O N2(250)	диффузионная печь СДО-125/3

Вновь повторяется пункт 5, и результатом становится пластина, изображенная на рисунке 6з.

25. Нанесение металлов осуществляется на установке вакуумного напыления «Оратория-5» – магнетронное распыление.

26. Контроль блока металлизации под микроскопом МИИ-4. Допускается не более двух дефектных модулей (контролируют одну пластину из 10) 100% – визуально. Не должно быть пятен, разводов, вспучивания Ме, пятна Ме, капель Me, отслаивания Me. Адгезия оценивается методом царапания с последующим контролем под микроскопом ММУ-3 (ув. 12О*). Толщина на МИИ-4.

27. Химобработка пластин – обработка в изопропиловом спирте t=720 c, T– комнатная.

28. Заключительная фотолитография на линии «Лада-электроника».