ВУЗ: Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники
Категория: Учебное пособие
Дисциплина: Электроника
Добавлен: 23.10.2018
Просмотров: 9083
Скачиваний: 23
66
удельным сопротивлением, вводя соответствующие примеси или
наращивая слои на поверхность. Проводники соединений, а в со-
вмещенных микросхемах резисторы и конденсаторы получают
нанесением на поверхность пластин пленок. Геометрия легиро-
ванных областей и тонкопленочных слоев задается масками,
формируемыми с помощью литографии. В результате на пласти-
нах образуется матрица одинаковых структур, каждая из которых
соответствует одной микросхеме, т.е. на данном этапе микросхе-
мы создаются групповыми методами.
Второй этап начинается с контроля функционирования мик-
росхем на пластине. Электрические контакты с отдельными мик-
росхемами осуществляются с помощью механических зондов —
тонких игл, устанавливаемых на контактные площадки микро-
схем. Зондовый контроль производится на автоматизированных
установках, дефектные микросхемы маркируются. Повышение
степени интеграции и разработка СБИС ставят задачу проверки
целостности связей и выявления всех дефектных элементов на
пластинах. Для этой цели разработаны более сложные и эффек-
тивные методы контроля: электронно-лучевое зондирование, ис-
следование поверхности пластин с помощью электронного мик-
роскопа и др. Для повышения процента выхода годных микро-
схем в некоторых СБИС предусматривают резервирование от-
дельных элементов или узлов. После выявления дефектных эле-
ментов или участков устраняют их связи со всей схемой, напри-
мер, пережиганием проводников с помощью остросфокусирован-
ного лазерного луча.
На следующем этапе пластины разрезают на кристаллы, со-
ответствующие отдельным микросхемам, и дефектные кристаллы
отбраковывают. Кристаллы устанавливают в корпус, соединяют
контактные площадки кристаллов с выводами корпуса (монтаж
выводов) и герметизируют корпус. Затем производят контроль и
испытания готовых микросхем с помощью автоматизированных
систем, работающих по заданной программе.
Различают тестовый контроль (проверка функционирова-
ния) и параметрический, заключающийся в измерении электриче-
ских параметров и проверке их соответствия нормам технических
условий. Контрольно-сборочные операции производятся индиви-
дуально для каждой микросхемы в отличие от групповых процес-
67
сов создания микросхем на этапе обработки пластин, поэтому
они в значительной степени (30...40 %) определяют трудоемкость
изготовления, стоимость и надежность микросхем.
10.2.
Эпитаксия
Эпитаксия — это процесс наращивания на пластину (под-
ложку) монокристаллического слоя (эпитаксиальной пленки), по-
вторяющего структуру подложки и ее кристаллографическую
ориентацию. В большинстве случаев материалы пленки и под-
ложки одинаковы, но могут применяться и разные материалы с
близкой кристаллической структурой, например пленка кремния
на сапфировой подложке. Эпитаксиальная пленка создается на
всей поверхности подложки, одновременно в неё вводятся при-
меси, распределяющиеся равномерно по объему пленки. На гра-
нице раздела пленки с подложкой можно сформировать р-n пе-
реход. Для создания многослойной структуры проводят несколь-
ко последовательных эпитаксий. В технологии кремниевых мик-
росхем распространена газофазная эпитаксия, осуществляемая в
эпитаксиальном реакторе (рис. 10.1).
4
H
2
+SiCl
4
3
2
1
Si
3
As
Al
Ga
Ma
1
4
2
GaAs
Рис. 10.1— Газовая эпитаксия Рис. 10.2 — Молекулярно-лучевая
эпитаксия
Пластины 1 на графитовом держателе 2 помещаются в квар-
цевую трубу 3 с высокочастотным нагревателем 4. Через трубу
пропускают поток водорода с небольшим (доли процента) содер-
жанием тетрахлорида кремния и газообразное соединение доно-
ров (например, РНз
,
РС
1
з) или акцепторов (
3
BBr
,
2
6
B H
). На по-
верхностях пластин, где устанавливается и поддерживается с
большой точностью высокая температура (около 1200 °С), про-
68
исходит реакция
4
2
SiCl
H
Si
HCl
+
→ ↓ +
↑
. Образующиеся атомы
кремния перемещаются (мигрируют) по поверхности, занимая
положения в узлах кристаллической решетки. Растущая пленка
продолжает кристаллическую структуру подложки. Атомы доно-
ров (Р) или акцепторов (В) образуются также в результате хими-
ческих реакций. Скорость роста пленки (0,1...1 мкм/ мин) зависит
от температуры, содержания
SiCl
4
скорости потока газа, а также
кристаллографической ориентации поверхности. Из-за высокой
температуры процесса примеси диффундируют из пленки в под-
ложку и обратно. Это затрудняет создание резких переходов и тон-
ких (менее 0,5 мкм) эпитаксиальных пленок. Толщина пленок ле-
жит в пределах 1…15 мкм. Более низкой температурой (1000 °С)
при сохранении достаточной скорости роста пленки характеризу-
ется процесс на основе реакции разложения силана
SiH
4
, но и он
не позволяет получить пленку тоньше 0,1…0,2 мкм. Для реализа-
ции очень тонких (до нескольких нанометров) пленок и резких
переходов, требуемых, например, в технологии арсенид-
галлиевых микросхем, используют молекулярно-лучевую эпитак-
сию. Она основана на взаимодействии молекулярных пучков с
подложкой, имеющей сравнительно невысокую температуру
(600...800 °С), в сверхвысоком вакууме (
7
5
10
10
−
−
−
Па). Рис. 10.2
поясняет
эпитаксию
пленки
арсенида
галлия-алюминия
1
X
X
Al Ga
As
−
на подложку арсенида галлия. Несколько тиглей 1
содержат составные элементы пленки (А
1, Ga, As
) и легирующие
примеси (
Si
— донор, М
n
— акцептор).
При нагревании эти вещества испаряются, образуя молеку-
лярные пучки 2, переносятся на подложку 3 и конденсируются на
ней. Подбором температуры источников и подложки получают
пленки с нужным химическим составом. Время процесса и тол-
щина пленок регулируются заслонками 4, прерывающими попа-
дание пучков на подложку.
10.3
Диффузия
примесей
Диффузия примесей — это технологическая операция леги-
рования — введения примесей в пластину или эпитаксиальную
пленку. При высокой температуре (около 1000 °С) примесные
69
атомы поступают через поверхность и распространяются вглубь
вследствие теплового движения. Основной механизм проникно-
вения примесного атома в кристаллическую решетку состоит в
последовательном перемещении по вакансиям (пустым узлам)
решетки. Возможны также, хотя и менее вероятны, перемещения
по междоузлиям и обмен местами с соседними атомами.
С другой стороны, известно, что атом примеси электрически
активен, т.е. выполняет функцию донора или акцептора, только в
том случае, если он занимает место в узле. Следовательно, для по-
лучения сильнолегированных областей и (или) сокращения време-
ни диффузии необходимо иметь высокую концентрацию вакансий
в поверхностном слое пластины. При нормальной температуре она
очень мала (
7
3
10 см
−
), но при температуре 500...1200 °С достигает
21
3
10 см
−
за счет поверхностного испарения атомов, диффузии
атомов основного материала из глубины пластины к ее поверхно-
сти (что эквивалентно «диффузии» вакансий от поверхности
вглубь), а также смещения атомов в междоузлия вследствие теп-
ловых колебаний решетки. Как правило, легирование ведется че-
рез маску диоксида
2
SiO
или нитрида
2
4
Si N
кремния толщиной
около 0,5 мкм (рис. 10.3). Концентрация введенных примесей
(доноров
( )
Д
N
x на рис. 10.4) максимальна у поверхности и спа-
дает по направлению в глубь пластины. Расстояние
x
0
, на кото-
ром она равна концентрации исходной примеси (акцепторов
N
a
на рис 10.4), называют толщиной диффузионного слоя. Если вво-
дится примесь противоположного по отношению к подложке ти-
па, то
x
0
соответствует металлургической границе образующегося
р
-n
перехода.
X
0
SiO
2
доноры
p
n
Рис. 10.3 — Диффузия примесей
70
X
0
N
Д
x
N
Д
(х)
N
Рис. 10.4 — Распределение
концентрации примесей
Так как примесь диффундирует также под маску, то р
-n
пе-
реход на краях имеет форму, близкую к цилиндрической или
сферической с радиусом кривизны
0
r
x
=
, а размер диффузионно-
го слоя в горизонтальном направлении у поверхности больше
размера отверстия в маске на
2r
. Примеси характеризуются ко-
эффициентом диффузии
D
, определяющим плотность потока П
диффундирующих атомов, т.е. атомов, проходящих в единицу
времени через единицу поверхности, перпендикулярной направ-
лению диффузии:
П
DgradN
= −
. Чем больше
D
, тем быстрее рас-
пространяются примесные атомы и меньше время получения
слоя заданной толщины. Формирование слоев большой толщины
(около 10 мкм) — длительный процесс, который применяется
редко. Коэффициент диффузии существенно увеличивается с
ростом температуры — на порядок на каждые 100 °С.
С этим связана необходимость поддерживания температуры с
высокой точностью: ±(0,1...0,2) °С. Другой параметр примесей —
предельная растворимость (максимально достижимая концентра-
ция примесей
.
П ПРЕД
N
) в отличие от
D
незначительно увеличива-
ется с ростом температуры (в 2...3 раза на каждые 300 °С при
Т<
1300 °С). При
Т=
1100°С она составляет 10
20
...10
21
.
Если над пластинами избыток диффузанта, то у их поверх-
ности быстро устанавливается максимальная концентрация при-
месей, близкая к предельной растворимости, которая далее не
изменяется.
Распределение концентрации примесей при таком режиме
диффузии, называемом загонкой примесей, показано на рис. 10.5,
а