ВУЗ: Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники
Категория: Учебное пособие
Дисциплина: Электроника
Добавлен: 23.10.2018
Просмотров: 9001
Скачиваний: 15
81
2 мм/с. На краях слой поликремния 4 контактирует с монокри-
сталлической пластиной 1 и после плавления и рекристаллизации
превращается в монокристалл с той же ориентацией, что и пла-
стина. По мере движения нагревателя происходит плавление сло-
ев, расположенных над диоксидом. После прохода нагревателя
они превращаются в монокристаллические, которые повторяют
структуры крайних участков. Полученная пленка кремния
по сравнению с пластиной имеет повышенную плотность дефек-
тов, особенно на границе раздела с диоксидом, поэтому подвиж-
носгь носителей в ней в 1,5...2 раза ниже, чем в монокристалле. По
мере усовершенствования метода подвижность носителей будет
повышаться. Принципиально отличающимся методом создания
структур типа
Si-SiO
2
-Si
является метод ионного легирования ис-
ходной кремниевой пластины кислородом (рис. 10.12,
б
) с после-
дующим прогреванием. В результате на малом расстоянии от по-
верхности (0,1 мкм) получается слой
SiO
2
толщиной около 0,5 мкм
(рис. 10.12,
в
). Тонкий приповерхностный слой сохраняет струк-
туру монокристалла, поэтому, применяя эпитаксию, его толщину
можно увеличить. Такой метод обеспечивает лучшее качество
пленки, в том числе высокую подвижность носителей.
Рис. 10.12 — Получение структур Si-SiO
2
-Si
2
3
1
O
+
Si
Si
SiO
2
Si
4
а
1
б
в
82
10.8
Проводники
соединений
и
контакты
в
полупроводниковых
микросхемах
Элементы в микросхемах соединяются тонкопленочными
проводниками. Предварительно в слое
SiO
2
, покрывающем по-
верхность пластины, вытравливают контактные отверстия. Про-
водящую пленку наносят на всю поверхность, а затем ее травят
через маску и формируют рисунок соединений. Материал пленки
должен обеспечивать омический контакт с кремнием, иметь низ-
кое удельное сопротивление, хорошую адгезию к кремнию и ди-
оксиду, без разрушения выдерживать высокую плотность тока.
Он должен быть механически прочным, не повреждаться при из-
менениях температуры (из-за разных ТКР пленки, пластины
и слоя
SiO
2
), а также не подвергаться коррозии и не образовывать
химических соединений с кремнием.
Металла, удовлетворяющего всем этим требованиям, не су-
ществует. Наиболее полно им отвечает алюминий, имеющий от-
носительно невысокое удельное сопротивление. Он наносится
термическим вакуумным испарением. При толщине 0,5...1 мкм
сопротивление слоя равно 0,025...0,05 Ом/
É. После создания ри-
сунка соединений производится вжигание контактов при темпе-
ратуре 550 С в течение 5—10 мин. При этом имеет место реакция
Al+SiO
2
–Al
2
O
3
+Si
, улучшающая адгезию пленки к слою
SiO
2
.
В местах контактных отверстий удаляются возможные остатки
SiO
2
, и алюминий внедряется в кремний. Алюминий является ак-
цептором, поэтому контакт к областям
p
-типа всегда омический.
Для получения омического контакта к области
n
-типа концентра-
ция доноров в ней должна быть выше, чем алюминия. При низ-
кой концентрации доноров произойдет перекомпенсация поверх-
ностного слоя акцепторами (
А1
), изменение его типа проводимо-
сти с
n
на
р
и образование
р-n
перехода. При формировании оми-
ческого контакта к
n
-слою с низкой концентрацией доноров
необходимо предварительно создать сильнолегированную кон-
тактную
n
+
-область (рис. 10.13) с концентрацией доноров поряд-
ка 10
20
см
–3
. В БИС (СБИС) недостаточно одного слоя соедине-
ний, так как не удается осуществить разводку проводников без
пересечений. Поэтому создают два или три слоя проводников,
83
разделенных слоями диэлектрика (обычно
SiO
2
), получаемыми
методом осаждения из газовой фазы. В слое
SiO
2
делают отвер-
стия для контактов между проводниками соседних слоев. Алю-
миний имеет ряд существенных недостатков, особенно как мате-
риал первого слоя. Например, в случае неглубоких
р-n
переходов
(0,5...1 мкм) диффузия алюминия в кремний при термообработке
может приводить к их разрушению (замыканию). Высокая плот-
ность тока вследствие малых толщины и ширины проводников
вызывает эффект электромиграции—переноса атомов
Аl,
нару-
шающего однородность пленки вплоть до разрывов.
Al
SiO
2
n
+
n
Рис. 10.13 — Вжигание контактов
В полупроводниковых микросхемах широко применяются
диоды со структурой металл — полупроводник, при создании ко-
торых ставится обратная задача: получить выпрямляющий
(но не инжектирующий) контакт. Он может быть образован толь-
ко к слаболегированным областям при концентрациях примесей
не более 10
18
см
–3
. Практически все применяемые металлы (в том
числе и алюминий) образуют контакты с лучшими выпрямляю-
щими свойствами к областям
n
-типа, чем к областям
р
-типа. При
использовании алюминия температура должна быть невысокой
(менее 300 °С), в противном случае образуется
р-n
переход при
контакте с
n-
слоем или омический контакт при контакте с
p
-слоем.
10.9
Литография
Литография — это процесс формирования отверстий в мас-
ках, создаваемых на поверхности пластины, предназначенных для
локального легирования, травления, окисления, напыления и дру-
гих операций. Ведущую роль в технологии микросхем занимает
84
фотолитография. Она основывается на использовании светочув-
ствительных полимерных материалов — фоторезистов, которые
могут быть негативными и позитивными. Негативные фоторези-
сты под действием света полимеризуются и становятся нераство-
римыми в специальных веществах — проявителях. После ло-
кальной засветки (экспонирования) растворяются и удаляются не
засвеченные участки. Наибольшая чувствительность негативных
фоторезистов соответствует длине волны света 0,28 мкм (ультра-
фиолет), поэтому экспонирование осуществляют с помощью
кварцевой лампы. В позитивных фоторезистах свет разрушает
полимерные цепочки: растворяются засвеченные участки. Мак-
симальная чувствительность соответствует более длинным вол-
нам (до 0,45 мкм). Позитивные фоторезисты обеспечивают более
резкие границы растворенных (проявленных) участков, чем нега-
тивные, т. е. обладают повышенной разрешающей способностью,
но имеют меньшую чувствительность и требуют большего вре-
мени экспонирования. Рисунок будущей маски задается фото-
шаблоном. Он представляет собой стеклянную пластину, на од-
ной из сторон которой нанесена тонкая непрозрачная пленка (
Cr,
Cr
2
O
3
, Fe
2
O
3
и др.) требуемой конфигурации. В связи с группо-
выми методами создания микросхем на шаблоне имеется матрица
одинаковых рисунков, соответствующих отдельным микросхе-
мам в масштабе 1:1 (рис. 10.14).
Рассмотрим основные этапы процесса фотолитографии на
примере получения маски
SiO
2
. На окисленную поверхность
кремниевой пластины наносят несколько капель раствора фото-
резиста. С помощью центрифуги его распределяют тонким (около
1 мкм) слоем по поверхности пластины, а затем высушивают.
На пластину накладывают фотошаблон (ФШ) рисунком к фото-
резисту (
ФР
) и экспонируют (рис. 10.15,
а
), затем его снимают.
После проявления образца негативный фоторезист удаляется
с незасвеченных участков (рис. 10.15,
б
), а позитивный — с за-
свеченных. Получается фоторезистивная маска, через которую
далее травят слой
SiO
2
, после чего фоторезист удаляют
(рис. 10.15,
в
).
85
70 мм
1 мм
SiO
Фр
Фр
Фш
свет
Si
Si
Si
а
б
в
Рис. 10.14 — Матрица Рис. 10.15 — Изготовление
рисунков резистивной маски
Фотошаблоны. При создании полупроводниковых микро-
схем фотолитография проводится многократно, для чего требует-
ся комплект фотошаблонов. Каждый из них задает рисунок тех
или иных слоев (например, базовых и эмиттерных областей тран-
зисторов, контактных отверстий, проводников и т. д.). Созданию
фотошаблонов предшествует топологическое проектирование
микросхемы с помощью систем автоматизированного проектиро-
вания на основе электрической принципиальной схемы. Процесс
изготовления фотошаблонов для микросхем с малой и средней
степенями интеграции начинается с вычерчивания фото оригина-
лов. Послойный топологический чертеж одной микросхемы вы-
полняется в увеличенном масштабе (например, 500:1) с большой
точностью с помощью специальных устройств — координато-
графов, работающих в автоматическом режиме в соответствии
с управляющей программой, задаваемой компьютером. Чертеж
вырезается в непрозрачной пленке, нанесенной на прозрачную
подложку (стекло, пластик). Размер фотооригинала доходит
до 1 м при точности вычерчивания линий ±25 мкм. Оригинал