Термическое окисление полупроводниковых пластин

Получаемая при окислении пленка SiO2 выполняет следующие функции:

защита поверхностей вертикальных участков p-n переходов, выходящих на поверхность;

маски, через окна которой вводится необходимые примеси при легировании;

тонкого диэлектрика под затвором МОП транзистора;

для межслойной изоляции разводки;

Рис. 4. Схема МОП-транзистора

 

Методы получения слоев SiO₂:

 

 

Получаемые слои SiO₂ совершенны по равномерности толщины и структуре, а также обладают высокими диэлектрическими свойствами.

Существует две основные разновидности метода термического окисления кремния:

1) высокотемпературное окисление в атмосфере сухого кислорода или водяного пара при атмосферном давлении;

2) окисление в парах воды при высоком давлении и температуре 500¸800°С;

Процесс окисления кремния происходит в три этапа:

1) адсорбция окислителя поверхностью пластины, покрытой оксидом;

2) перенос окислителя через оксидный слой SiO₂;

3) реакция окислителя с кремнием на границе Si - SiO₂;

 

Толщина оксидной пленки определяется по формуле:

, где

k – коэффициент, зависящий от температуры и влажности кислорода;

t – время;

 

Особенности:

окисление при сухом кислороде в десятки раз медленнее влажного;

с уменьшением температуры на каждые 100° время окисления повышается в 2¸3 раза;

Различают толстые (0,7¸0,8 мкм) и тонкие (0,1¸0,2 мкм) слои.

Рис. 5. Однозонная высокотемпературная печь

 

В промышленности выполняется комбинированное окисление: сначала выращивается тонкий слой SiO₂ в сухом кислороде, толстый слой SiO₂ во влажном, а затем снова в сухом.

 

Недостатки метода термического окисления – трудноуправляемые физические явления:

возникновение зарядов в слое оксида;

невысокая стойкость к проникновению водяных паров и ионов щелочных металлов;

малый коэффициент теплопроводности;

Дальнейшим совершенствованием метода является освоение новых материалов. Одним из перспективных материалов является Si₃N₄.

Преимущества:

материал обладает лучшими маскирующими и защитными свойствами в меньших толщинах из-за более высокой плотности и термостойкости;

высокая скорость нанесения (до 10нм/мин);

электрическая прочность выше чем у SiO₂ (10⁷ В/см);

Для получения слоев используются методы:

1) осаждение продуктов при протекании реакции взаимодействия силана кремния (Si₃N₄) c аммиаком или гидразином (N₂H₄);

2) нанесение реактивным катодным распылением; высокочастотным реактивным распылением в плазме азота; плазмохимическим осаждением Si в присутствии азота.

 

Литография

Литография – процесс создания защитной маски на поверхности полупроводникового кристалла, необходимой для локальной обработки при формировании интегральной структуры И.C. по планарной технологии.

      В зависимости от длины волны применяемого облучения различают:

оптическую/ультрафиолетовую литографию (l=100¸450 нм);

рентгеновскую литографию (l=0,1¸1 нм);

электронную литографию (l=0,1 нм);

ионно-лучевую литографию (l=0,05¸0,1 нм).

Варианты методов литографии в зависимости от способов получения топологических конфигураций на шаблоне и поверхности полупроводниковой пластины приведены на рис. 6.

 

Ведущую роль в технологии ИС занимает фотолитография (см. главу 2). Разрешающая способность УФ фотолитографии характеризуют часто значением D - минимальной шириной линии, мкм. Принципиальным физическим фактором, ограничивающим D, является дифракция УФ-излучения, не позволяющая получить D меньше длины волны l. На практике D может быть более l по ряду причин, например, из-за рассеяния УФ-излучения в фоторезисте при экспонировании, набухания фоторезиста при проявлении и его последующей усадки при высушивании, несоответствия размеров отверстий в фоторезистивной и основной масках.

Литография с разрешающей способностью D<<1 мкм, необходимая для создания ИС с высокой степенью интеграции, основывается на применении излучений с меньшей длиной волны, чем в фотолитографии.

 

Электронолитография

Метод основан на нетермическом взаимодействии электрона с электронорезистами. Электронорезист – полимерный материал, который изменяет свои свойства при взаимодействии с электроном.                                                                                                    

На практике наибольшее распространение получила – обработка сфокусированным пучком электронов (сканирующая ЭЛ) и электронная проекция всего изображения (проекционная ЭЛ) на пластину с электронорезистом.

Методом достигается формирование топологических конфигураций с размерами элементов 0,1…0,2мкм. (Теоретически возможно получить 0,1нм). Особенность ЭЛ- отсутствие необходимости оригинала топологии в увеличенном масштабе.                            

 

Рентгенолитография

Метод основан на взаимодействии характеристического рентгеновского излучения (l = 0,1¸10нм) с рентгенорезистом, приводящим к изменению их свойств - увеличение или уменьшение стойкости к проявителям.

Проекционный метод (1:1): шаблон состоит из кремниевой подложки, тонкой мембраны из, пропускающей рентгеновское излучения и слоя материала (хром, золото) хорошо поглощающего рентгеновское излучение. Зазор между шаблоном и пластиной составляет порядка 3¸10 мкм, время экспонирования – 1 сек ¸ 20 мин.

Достоинства - высокая разрешающая способность, отсутствие влияния загрязнений, большой срок службы шаблона, относительная простота оборудования.  

 

Ионно-лучевая литография

Основана на использовании ионов гелия для экспонирования поверхности пластин, покрытых резистом.

Существуют:

сканирующая ИЛЛ (разрешающая способность – 0,3¸0,03мкм);

проекционная ИЛЛ с (разрешающая способность – 0,5мкм);

 

Для формирования рисунка топологии ИС возможно воздействие на пленку               электронного, ионного и лазерного пучка с высокой плотностью энергии, достаточной для термического испарения материала.Для этого необходимы плотность мощности больше >10⁶ Вт/см² и время @ 1мкс. Применение ограничено возможным возникновением дефектов из-за механического напряжения и ударных волн.                                                                                                   

 

Для сравнения эффективности методов литографии используются обобщенные оценки. В качестве критерия выбран показатель качества, определяемый как:

Производительность

(1+0,15´плотность дефектов) ´ стоимость оборудования ´ (ширина линий)          

 

Сравнение эффективности методов литографии приведено в таблице 1.

Таблица 1

Метод литографии	Мин. ширина линии, мкм	Плот-ность дефектов на 1 см	Производитель-ность, пластин/ч	Стоимость оборудования, отн. ед.	Эффектив- ность ´ 10
Контактная фотолитография	3	2,5	50	1	14
Проекционная фотолитография	2	1	65	6	29
Проекционная фотолитография с применением коротковолнового УФ-излучения	1	1	50	7	82
Проекционная фотолитография с использованием повторителей	1	1	20	12	19
Электронолитография	0,5	0,5	10	50	15
Рентгенолитография	0,3	1	20	10	218
Ионно-лучевая литография	0,5	-	30	-	-

 

Травление

1. Химическое травление – химическая реакция жидкого травителя с кремниевой пластиной с последующим образованием растворимого соединения. Процесс состоит из следующих стадий:

1) диффузия реагента к поверхности;

2) адсорбция реагента;

3) поверхностная химическая реакция;

4) десорбция продуктов реакции;

5) диффузия продуктов реакции от поверхности;

 

Пример реакции для изотропного травления кремния:

Si + 4HNO3 ® SiO2 +4NO3 +2H2O

SiO2 + 4HF ® SiF4­ + 2H2O

Для большей равномерности травления ванну с раствором и пластиной кремния вращают в наклонном положении (динамическое травление) или вводят в ванну ультразвуковой вибратор.

 

Для травления кремния используют анизотропное и изотропное травление. Изотропное травление происходит во всех направления с приблизительно одинаковой скоростью. Для травление используются фосфорная, азотная и уксусная кислоты.

Анизотропное травление основано на том, что скорость химической реакции зависит от кристаллографического направления: минимальная скорость травления в направлении [111], а максимальная – в [100] (скорость травления в направлении [100] в 600 раз больше чем в направлении [111]). В качестве анизотропного травителя используются калиевая кислота и вода.

При использовании анизотропного травления скорость зависит от кристаллографического направления и боковые стенки лунок приобретают рельеф или огранку, углы под которыми вытравливаются боковые стенки лунок строго определены. плоскость [111] является как бы непроницаемой для травителя, что дает возможность при использовании маски избежать подтравливания.

 

Эпитаксия

Эпитаксия – это ориентированный рост полупроводниковых слоёв на полупроводниковой подложке, при котором кристаллографическая ориентация повторяет ориентацию подложки.

Если подложка и плёнка – одно и тоже вещество то процесс автоэпитаксиальный, иначе гетероэпитаксиальный.

Методы этого наращивания делят на прямые и косвенные.

1. Прямые – частицы полупроводника переносятся без промежуточных химических реакций (испарение, сублимация, реактивное распыление).

2. Косвенные – полупроводниковые плёнки получают путём разложения паров полупроводниковых соединений (методы восстановления в H₂ хлоридов, бромидов кремния, а также метод разложения органических соединений кремния).

Недостаток прямого метода – сложность точного дозирования примеси в плёнке. Поэтому чаще используют косвенный метод - восстановление из хлоридов кремния SiCl₄

 

Рис. 12. Схема установки используемой для восстановления из хлоридов кремния

 

1. Загружаются пластины Si в реакционную камеру (пластины обработаны)

2. Продувка H₂

3. Заполнение HCl для стравливания SiО₂

4.  Нагрев камеры до 1200⁰ и подача SiCl₄ + H₂, происходит реакция восстановления SiCl₄ + H₂= SiCl₂+2HCl­

Скорость роста порядка 0,5-5 микрон в минуту. Толщина плёнки 10-20 микрон.            В процессе выращивания возможно легирование В₂Н₆ или РН₃, создающего дырочную (р) или электронную (n) проводимость.

 

 

Скорость роста пленки зависит от температуры в камере, кристаллографической ориентации кристалла в подложке (быстрее в [110], медленнее в [100]), от скорости потока газа-носителя, концентрации SiCl₄ в H₂, равномерности потока газа из поверхности кремния.

При невысоких температурах и больших содержаниях SiCl₄ в H₂ образуются рыхлые аморфные слои кремния, при повышении температуры структура кремния ухудшается и появляется поликремний.

Для всех процессов требуется высокая степень чистоты исходных элементов. Поддержание определенного технологического режима позволяет получить постоянство параметров пленки кремния в пределах 5¸10%.

В процессе выращивания слоя кремния возможно легирование соединений бора B206 (диборан) – получается р-тип кремния или фосфора PH3 (фосфин) – получается n-тип кремния, задающих дырочную или электронную проводимость.

 

Легирование

В современной технологии микроэлектроники процесс легирования является одним из базовых процессов. Степень интеграции ИС увеличивается за счет совершенствования методов локального легирования и разрешающей способности методов литографии.

 

Методы легирования можно разделить на группы:

1. Высокотемпературная диффузия.

1) в замкнутой системе

2) в открытой системе

3) из твёрдой фазы на поверхности

2. Ионная имплантация

1) внедрение ионов

а) температурная обработка

3. Радиационностимулированная диффузия

1) обработка частицами высокой энергии

2) обработка частицами низкой энергии