ВУЗ: Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники
Категория: Учебное пособие
Дисциплина: Электроника
Добавлен: 23.10.2018
Просмотров: 8994
Скачиваний: 15
76
температуре 1000…1300 °С. Скорость роста пленки в зависимо-
сти от температуры и содержания водяного пара в смеси изменя-
ется в пределах 0,05…1 мкм/час. Окисление влияет на концен-
трацию примесей у поверхности.
Во-первых, из-за высокой температуры происходит разгонка
примесей, — она может быть как полезной, так и нежелательной.
Во-вторых, происходит сегрегация (перераспределение) примеси
между кремнием и диоксидом кремния. Если растворимость
примеси в диоксиде значительно меньше, чем в кремнии, то рас-
тущий в глубь пластины диоксид «вытесняет» примесь и ее кон-
центрация у границы раздела повышается. Это характерно для
фосфора: происходит обогащение поверхностного слоя
n
-типа
атомами доноров и повышается проводимость. Для бора, наобо-
рот, растворимость в
SiO
2
больше, чем в кремнии, и растущий
диоксид поглощает примесь. В результате поверхностный слой
р
-типа обедняется акцепторами и его проводимость снижается.
Во многих микросхемах слои
SiO
2
необходимо выращивать ло-
кально, на определенных участках кристалла. Для этого исполь-
зуют маску нитрида кремния (рис. 10.8,
а
). Диоксид растет вверх,
вниз и в боковых направлениях (под маску) примерно с одинако-
вой скоростью (рис. 10.8,
б
). Прорастание диоксида в глубь кри-
сталла позволяет использовать его для изоляции соседних слоев.
n
SiO
2
SiN
4
SiN
4
p
p
p
a
б
в
Рис. 10.8 — Окисление подложки через маску
Например, если после окисления удалить маску
Si
3
N
4
и про-
вести неглубокое легирование донорами, то получим изолиро-
ванные друг от друга слои
n
-типа (рис. 10.8,
в
). Рост диоксида в
боковом направлении обусловливает характерную вытянутую за-
остренную форму на краях, препятствующую получению малых
77
расстояний между соседними изолированными областями, а рост
вверх приводит к неровностям поверхности. Для получения ров-
ной поверхности перед окислением вытравливают канавки глу-
биной в половину толщины диоксида, используя ту же маску
Si
3
N
4
.
10.6
Травление
Травление представляет собой удаление поверхностного
слоя не механическим, чаще всего химическим путем. Его при-
меняют для получения максимально ровной бездефектной по-
верхности пластин, не достижимой механическими способами
обработки, удаления
SiO
2
и других слоев с поверхности. Локаль-
ное травление используется для получения необходимого релье-
фа поверхности, формирования рисунка тонкопленочных слоев,
а также масок.
Жидкостное травление. В основе жидкостного травления ле-
жит химическая реакция жидкого травителя и твердого тела, в ре-
зультате которой образуется растворимое соединение. Подбором
химического состава, концентрации и температуры травителя обес-
печивают заданную скорость травления (порядка 0,1 мкм/мин)
и толщину удаляемого слоя. Локальное травление осуществляют
через маску. Оно может быть изотропным и анизотропным.
Изотропное травление идет с одинаковой скоростью во всех
направлениях — как вглубь, так и под маску. Примером такого
процесса служит травление слоя
SiO
2
через маску фоторезиста 1
(рис. 10.9). Основной компонент травителя — плавиковая кисло-
та НР. Размер W вытравленной области больше размера отвер-
стия W
0
в маске на величину, превышающую удвоенную толщи-
ну
d
слоя
SiO
2
(
0
2
W
W
d
>
+
). В связи с этим жидкостное изотроп-
ное травление не позволяет получить в слое
SiO
2
отверстия доста-
точно малых размеров. Так как этот слой в свою очередь является
маской при легировании, то не могут быть реализованы элементы
микросхем достаточно малых размеров. Жидкостное травление об-
ладает высокой избирательностью, количественно оцениваемой
отношением скоростей травления требуемого слоя (например,
SiO
2
)
и других слоев (например, кремния, фоторезиста).
78
d
Si
w
0
w
1
травитель
Рис. 10.9 — Травление под маску
Сухое анизотропное травление. Такое травление произво-
дят в вакуумной установке в плазме газового разряда. Различают
ионное травление, основанное на физическом распылении мате-
риала при бомбардировке его ионами инертных газов, плазмохи-
мическое травление, основанное на химическом взаимодействии
активных частиц плазмы (ионов, атомов, молекул) с материалом,
подвергающимся травлению, и комбинированное реактивное
ионное травление.
w
0
011]
[100]
[100]
SiO
2
[013]
[113]
[113]
[113]
[113]
[113]
d
Рис.10.10 — Размеры канавок и их формы
от ориентации поверхности
79
Важнейшим достоинством сухого травления является его
анизотропия: травление идет преимущественно в вертикальном
направлении, в котором движутся частицы. Размер вытравленной
области весьма точно соответствует размеру отверстия в маске.
На рис. 10.11 показано травление слоя диоксида кремния
через маску фоторезиста 1. Процесс позволяет получать отвер-
стия в слое
SiO
2
меньших размеров, чем при жидкостном травле-
нии. Количественно анизотропия оценивается отношением ско-
ростей травления в вертикальном и горизонтальном направлени-
ях Ионное травление практически не обладает избирательностью.
Поэтому, несмотря на максимальную анизотропию, использовать
его для локального травления затруднительно.
SiO
2
1
Si
Рис. 10.11 — Пример сухого
анизотропного травления
Ионное травление применяется в основном для очистки по-
верхности от загрязнении. Плазмохимическое травление произ-
водится при давлении порядка 500 Па в плазме высокочастотного
газового разряда. На поверхность пластин попадают ионы с ма-
лыми энергиями (100 эВ) и нейтральные химически активные
атомы и молекулы. Анизотропия в этом случае мала (7—5), но
обеспечиваются высокая избирательность (до 50) и скорость
травления 2…10 нм/с. Наиболее широкие возможности имеет ре-
активное ионное травление. Оно производится при меньших дав-
лениях (около 1 Па) и больших энергиях ионов (до 500 эВ).
Скорость химических реакций нейтральных атомов и моле-
кул с материалом, подвергаемым травлению, возрастает вслед-
ствие бомбардировки его ионами. При низких давлениях средняя
длина свободного пробега молекул намного больше глубины
травления, а скорость взаимодействия газа с горизонтальной по-
верхностью пластины больше, чем с боковыми стенками углуб-
лений. С другой стороны, химические реакции, ослабляя связи
атомов на поверхности, способствуют физическому распылению
80
материала ионами. Все это обусловливает высокую анизотропию
процесса (до 100) при хорошей избирательности (до 30) и доста-
точно высокой скорости (0,3...3 нм/с).
10.7
Методы
получения
структур
типа
Si-SiO
2
-Si
В полупроводниковых микросхемах широко применяются
пленки поликристаллического кремния, легированные донорами
или акцепторами, нанесенные на поверхность кремниевой пласти-
ны, покрытой диоксидом кремния. Такие пленки формируются
обычно химическим осаждением из газовой фазы. В отличие от
монокристаллического кремния в поликристаллических пленках
малы подвижность электронов и дырок и время жизни неосновных
носителей. Это объясняется наличием большого числа дефектов
структуры, являющихся центрами рассеяния и рекомбинации. По-
этому параметры транзисторов, сформированных в поликристал-
лической пленке, значительно хуже, чем в монокристалле. Терми-
ческая обработка (отжиг) позволяет значительно повысить по-
движность носителей заряда в пленке, что делает возможным со-
здание в ней полевых (в частности, МДП) транзисторов с удовле-
творительными параметрами. В результате плавления поликремни-
евой пленки при отжиге и последующей рекристаллизации при
охлаждении монокристаллические зерна кремния укрупняются,
и параметры пленки приближаются к параметрам монокристалла.
Известны методы отжига с помощью лазерного луча, сканирующе-
го по поверхности пластин, а также движущегося ленточного гра-
фитового нагревателя. Последний способ позволяет получать пла-
стины со структурой типа
Si-SiO
2
-SiO
большого диаметра (более
75 мм), по своим параметрам не уступающие дорогостоящим пла-
стинам со структурой типа кремний на сапфире, получаемым с по-
мощью гетероэпитаксии. При отжиге с помощью движущегося
ленточного графитового нагревателя слой толщиной 0,4...1 мкм
наносится на кремниевую пластину всюду, за исключением ее
крайних участков, а слой поликремния толщиной 0,5 мкм — на всю
поверхность. Пластина (рис. 10.12,
а
) помещается на неподвижный
нагреватель 2, повышающий ее температуру до 1200 С.
Подвижный графитовый нагреватель 3 расположен на рас-
стоянии около 1 мм от поверхности, имеет температуру свыше
1700 °С и перемещается от края пластины со скоростью примерно