ВУЗ: Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники
Категория: Учебное пособие
Дисциплина: Электроника
Добавлен: 23.10.2018
Просмотров: 9086
Скачиваний: 23
81
но 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 дефектов,
особенно на границе раздела с диоксидом, поэтому подвижносгь
носителей в ней в 1,5...2 раза ниже, чем в монокристалле. По мере
усовершенствования метода подвижность носителей будет повы-
шаться. Принципиально отличающимся методом создания струк-
тур типа
Si-SiO
2
-Si
является метод ионного легирования исходной
кремниевой пластины кислородом (рис. 10.12,
б
) с последующим
прогреванием. В результате на малом расстоянии от поверхности
(0,1 мкм) получается слой
SiO
2
толщиной около 0,5 мкм (рис.
10.12,
в
). Тонкий приповерхностный слой сохраняет структуру
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/а. После создания ри-
сунка соединений производится вжигание контактов при темпе-
ратуре 550 С в течение 5 — 10 мин. При этом имеет место реак-
ция
Al+SiO
2
—Al
2
O
3
+Si
, улучшающая адгезию пленки к слою
SiO
2
.
В местах контактных отверстий удаляются возможные ос-
татки
SiO
2
, и алюминий внедряется в кремний. Алюминий явля-
ется акцептором, поэтому контакт к областям
p
-типа всегда оми-
ческий. Для получения омического контакта к области
n
-типа
концентрация доноров в ней должна быть выше, чем алюминия.
При низкой концентрации доноров произойдет перекомпенсация
поверхностного слоя акцепторами (
А1
), изменение его типа про-
водимости с
n
на
р
и образование
р-n
перехода. При формирова-
нии омического контакта к
n
-слою с низкой концентрацией доно-
ров необходимо предварительно создать сильнолегированную
контактную
n
+
-область (рис. 10.13) с концентрацией доноров по-
рядка 10
20
см
–3
. В БИС (СБИС) недостаточно одного слоя соеди-
нений, 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 А1, 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 только 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
84
других операций. Ведущую роль в технологии микросхем зани-
мает фотолитография. Она основывается на использовании све-
точувствительных полимерных материалов — фоторезистов, ко-
торые могут быть негативными и позитивными. Негативные фо-
торезисты под действием света полимеризуются и становятся не-
растворимыми в специальных веществах — проявителях. После
локальной засветки (экспонирования) растворяются и удаляются
не засвеченные участки. Наибольшая чувствительность негатив-
ных фоторезистов соответствует длине волны света 0,28 мкм
(ультрафиолет), поэтому экспонирование осуществляют с по-
мощью кварцевой лампы. В позитивных фоторезистах свет раз-
рушает полимерные цепочки: растворяются засвеченные участки.
Максимальная чувствительность соответствует более длинным
волнам (до 0,45 мкм). Позитивные фоторезисты обеспечивают
более резкие границы растворенных (проявленных) участков, чем
негативные, т.е. обладают повышенной разрешающей способно-
стью, но имеют меньшую чувствительность и требуют большего
времени экспонирования. Рисунок будущей маски задается фо-
тошаблоном. Он представляет собой стеклянную пластину, на
одной из сторон которой нанесена тонкая непрозрачная пленка
(
Cr, Cr
2
O
3
, Fe
2
O
3
и др.) требуемой конфигурации. В связи с груп-
повыми методами создания микросхем на шаблоне имеется мат-
рица одинаковых рисунков, соответствующих отдельным микро-
схемам 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 фоторези-
сту (
ФР
) и экспонируют (рис. 10.15,
а
), затем его снимают. После
проявления образца негативный фоторезист удаляется с незасве-
ченных участков (рис. 10.15,
б
), а позитивный — с засвеченных.
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 вы-
резается в непрозрачной пленке, нанесенной на прозрачную под-
ложку (стекло, пластик). Размер фотооригинала доходит до 1 м
при точности вычерчивания линий ±25 мкм. Оригинал фотогра-