ТВЕРДОТЕЛЬНАЯ ЭЛЕКТРОНИКА

Электроника
ТВЕРДОТЕЛЬНАЯ ЭЛЕКТРОНИКА
Генератор сигналов специальной формы
Изучение статических характеристик
полевых транзисторов
Основные параметры полевого транзистора
Изучение оптоэлектронных приборов
оптопара (оптрон)
Вольтамперная характеристика
Классификация изделий микроэлектроники.
Эпитаксия
Нанесение тонких пленок.
Полевой транзистор с изолированным затвором
ФОТОЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ
Фоторезисторы

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОТЕХНИКИ

ИССЛЕДОВАНИЕ ТРЕХФАЗНЫХ ЦЕПЕЙ
Переходные процессы в линейных цепях первого порядка
Переходные процессы в RLC цепях.
Спектральное представление периодических процессов
Исследование характеристик линейных четырехполюсников
Аппаратно-программный комплекс PClab – 2000
Методика выполнения лабораторного практикума
в лаборатории электротехники
Исследование неразветвленной и разветвленной
электрических цепей постоянного тока
Исследование нелинейных цепей постоянного тока
Переходные процессы в электрических цепях

Эпитаксия

Это процесс наращивания монокристаллических слоев на полупроводниковую подложку, при котором кристаллическая структура наращиваемого слоя повторяет кристаллографическую ориентацию подложки. Эпитаксия обычно используется для получения тонких рабочих слоев однородного полупроводника на сравнительно толстых подложках, играющих роль несущей конструкции. Эпитаксия позволяет выращивать монокристаллические слои любого типа электропроводности и любого удельного сопротивления на подложке, обладающей также любым типом электропроводности и удельным сопротивлением. Граница между эпитаксиальным слоем и подложкой не получается идеально резкой, поэтому затруднено создание сверхтонких (менее 1 мкм) слоев и многослойных эпитаксиальных структур. Однако она позволила получить достаточно тонкие слои (1...10 мкм), которые невозможно получить другими средствами.

Возможна как газовая, так и жидкостная эпитаксия, при которых наращивание монокристаллического слоя осуществляется из газовой или жидкой фазы, содержащей необходимые компоненты - соединения кремния, бора (акцептор) или фосфора (донор).

Термическое окисление

Получаемая в этом процессе пленка двуокиси кремния (SiО2) выполняет несколько важных функций: функцию защиты поверхности; функцию маски, через окна которой вводятся необходимые примеси; функцию тонкого диэлектрика под затвором МДП-транзистора. Это стало одной из причин того, что кремний является основным материалом для изготовления полупроводниковых интегральных схем.

Следует заметить, что поверхность кремния всегда покрыта собственной окисной пленкой даже при самых низких температурах, но эта пленка имеет слишком малую толщину (около 5 нм). Поэтому ее нельзя использовать для выполнения перечисленных функций. Пленки SiО2 приходится получать искусственным путем.

Искусственное окисление кремния обычно осуществляется при высокой температуре (1000...1200°С) и называется термическим окислением. Оно может быть проведено в атмосфере кислорода (сухое окисление) и в смеси кислорода с парами воды (влажное окисление) или просто в парах воды. Сухое окисление идет в десятки раз медленнее влажного. Например, для выращивания пленки SiО2 толщиной 0,5 мкм в сухом кислороде при 1000°С требуется около 5 ч, а во влажном – 20 мин. С уменьшением температуры на каждые 100°С время окисления растет в 2...3 раза.

Легирование

Легирование – операция введения необходимых примесей в монокристаллический полупроводник. Основным способом легирования является диффузия примесных атомов при высокой температуре. Широкое распространение получил и другой способ – ионное легирование (имплантация).

Диффузионное легирование может быть общим (по всей поверхности, рис.2,а) и локальным (на определенных участках через окна в масках, рис.2, б).

Диффузию можно проводить однократно и многократно (двойная и трехкратная диффузия). Существует предельная растворимость примеси, которая зависит от температуры. При некоторой температуре концентрация примеси достигает максимального значения, а затем уменьшается. Это значение в кремнии для мышьяка составляет 20·1020 см-3 (1150°С), фосфора 13·1020 см -3 (1150°С), бора 5·1020 см-3 (1200°С) и сурьмы 0,6·1020 см-3 (1300°С). Источниками примеси могут быть их химические соединения в виде жидкости, твердого тела или газа.

Время проведения диффузии пропорционально квадрату необходимой глубины диффузии, поэтому получение глубоких диффузионных слоев требует большого времени: в интегральных схемах глубина рабочих диффузионных слоев обычно 1...4 мкм. Так как зависимость коэффициентов диффузии от температуры сильная (экспоненциальная), то предусматривается очень точная регулировка температуры. Допустимая нестабильность температуры составляет сотые доли процента.

Ионное легирование осуществляется путем бомбардировки пластины ионами примеси, ускоренными в специальных установках (ускорителях частиц) до значительной энергии. На схеме установки ионного легирования (рис.3) ионы примеси из источника ионов 1 входят в анализатор по массе 2. Необходимость разделения ионов по массе вызвана тем, что вытягиваемый из источника поток ионов неоднороден по составу; в нем присутствуют ионы различных элементов и соединений и многозарядные ионы. Для разделения ионов по отношению массы к заряду применяют различные сепараторы, которые основаны на взаимодействии движущегося иона с магнитными и электрическими полями или с комбинацией этих полей. В большинстве установок сепараторами являются секторные магнитные системы, в которых происходит поворот пучка ионов на угол менее 180° (например, 45°, 60° или 90°).

Ионы с определенным отношением массы к заряду входят в электростатический ускоритель ионов 3, к электродам которого от отдельного высоковольтного источника 9 подводится напряжение, в отдельных установках до 200 кВ и выше. Ускоренные ионы через щель 4 поступают в фокусирующую систему 5, а затем в сканирующую систему 6, которая обеспечивает перемещение сфокусированного пучка ионов по полупроводниковой пластине 8, расположенной в приемной камере 7. В установке обеспечивается необходимый высокий вакуум. Получаемый ток пучка ионов в различных установках составляет от десятков микроампер до нескольких миллиампер. Сканирование пучка в одном поперечном направлении механическое, а в другом электростатическое, площадь сечения пучка 1 ...2 мм2. Число одновременно закладываемых в камеру пластин с диаметром 75... 150 мм в разных установках составляет 96...24. Следует заметить, что глубина проникновения ионов, зависящая от их энергии, составляет 0,1 ...0,5 мкм, т.е. очень мала и недостижима при диффузионном легировании. Это позволяет получать резкие профили (большие градиенты) распределения примеси.

Ионное легирование характеризуется универсальностью и гибкостью, позволяет с высокой точностью управлять количеством легирующей примеси (путем регулировки тока пучка ионов) и глубиной внедрения – изменением энергии (напряжения источника). Процесс ионного легирования может осуществляться при низких температурах, вплоть до комнатных, благодаря чему сохраняются исходные электростатические свойства кристаллов. Это большое преимущество метода перед диффузионным легированием. Низкая температура позволяет проводить ионное легирование на любом этапе технологического цикла. Однако недостатком метода (кроме необходимости сканирования пучка) является возникновение обилия радиационных дефектов в облученном полупроводнике, вплоть до образования аморфного слоя. Такие дефекты полностью удается устранить путем кратковременного отжига (в кремнии при 900...1100°С).

Травление

Мы уже упоминали о травлении как об одной из подготовительных операций, связанной с полировкой и очисткой поверхности полупроводника. Однако травление имеет более широкое применение.

Остановимся сначала на химическом травлении. Оно подразделяется на изотропное, анизотропное и селективное. Изотропное травление – это растворение полупроводникового материала с одинаковой скоростью по всем кристаллографическим направлениям. Такое травление позволяет равномерно стравливать тонкие слои и получать ровную поверхность. Такое травление называют также полирующим или химическим полированием. Анизотропное травление – растворение полупроводникового материала с неодинаковой скоростью по различным кристаллографическим направлениям позволяет вытравливать глубокие канавки и щели. Селективное (избирательное) травление – растворение полупроводникового материала с повышенной скоростью травления в местах выхода на поверхность структурных дефектов.

Анизотропным травлением получают углубление различных конфигураций на поверхности полупроводниковых пластин, разделительные канавки для диэлектрической изоляции и др. Обычно это травление является локальным, т.е. выполняется через окна и дорожки в маскирующих пленках SiO2 или нитрида кремния Si3N4, поэтому его скорость, форма углубления и боковое расширение (“подтравливание”) зависят от кристаллографического направления их сторон. Например, можно получить V-образный профиль углублений. Селективное травление применяют для выявления на поверхности пластин дислокаций, дефектов, микроцарапин. Для повышения избирательности действия в состав травителя вводят поверхностно-активные вещества, которые увеличивают разность между скоростью травления дефектного и бездефектного участков.

Перед травлением пластины обязательно обезжиривают, а после выполнения операции химической очистки или травления пластины промывают деионизованной водой. Применяется жидкостное и сухое травление. Сухое травление осуществляется путем ионно-плазменной и ионно-лучевой обработки. Сухое травление поверхности пластин, используемое в технологическом процессе изготовления ИС после фотолитографии для создания рельефа (канавок, углублений и др.), относится к классу анизотропного травления, но является более эффективным, чем жидкостное травление.

Литография

Литографией называют процесс получения требуемой конфигурации в диэлектрических и металлических пленках, нанесенных на поверхность полупроводниковых или диэлектрических подложек. Литография основана на использовании особых соединений – резистов, обладающих свойством изменять свои свойства под действием различных излучений: ультрафиолетового (фотолитография), рентгеновского (рентгенолучевая литография), потока электронов (электронная литография).

Наиболее широкое применение в производстве интегральных схем получила фотолитография. Чувствительные к свету соединения (фоторезисты) наносятся на поверхность подложки и подвергаются воздействию света через специальные стеклянные маски с прозрачными и непрозрачными участками (фотошаблоны). Это обеспечивает воздействие излучения на фоторезист на определенных участках. При последующем воздействии соответствующих химикатов происходит удаление с подложки отдельных участков пленки фоторезиста, освещенных или неосвещенных в зависимости от типа использованного фоторезиста (проявление). Таким образом, из пленки фоторезиста создается защитная маска с рисунком, повторяющим рисунок фотошаблона.

В зависимости от типа фоторезиста его растворимость после облучения может либо возрастать (позитивные фоторезисты), либо падать (негативные фоторезисты). Пленка позитивного фоторезиста под действием излучения становится неустойчивой и растворяется при проявлении (рис.4, а), а пленка негативного фоторезиста, наоборот, под действием излучения становится нерастворимой, а растворяются при проявлении неосвещенные участки (рис.4, б). На этом рисунке ФШ – фотошаблон, ФР – фоторезист, ЗП – защитная пленка фоторезиста на полупроводниковой подложке (двуокись кремния, боросиликатное стекло, фосфоросиликатное стекло, алюминий и др.). Слои фоторезиста имеют толщину от 2,5 до 20 мкм.

В настоящее время практическое применение нашли контактноe и проекционное экспонирование. При контактном экспонировании размер изображения после проявления совпадает с размером окон на фотошаблоне с точностью до дифракционного рассеяния на краях. При серийном производстве контактная фотолитография обеспечивает в слое фоторезиста минимальный размер 0,8 мкм. Проекционное экспонирование позволяет уменьшить этот размер до 0,4 мкм. При этом способе размеры рисунка на фотошаблоне могут превышать заданные, так как проецирование на фоторезист осуществляется с помощью оптической системы в масштабе 10:1, 4:1 и др.

Фотошаблоны представляют собой прозрачные пластинки с рисунком, состоящим из сочетания непрозрачных и прозрачных для света определенной длины волны участков, создающих топологию одного из слоев структуры прибора или элемента интегральной схемы, многократно повторенной в пределах поля пластинки для одновременного изготовления большого числа ИС. Обычно используют металлостеклянные фотошаблоны, в которых рисунок создается тонкой металлической пленкой, нанесенной на стеклянную подложку. Для изготовления фотошаблонов применяют в основном два метода. Первый состоит в механическом вырезании первичного оригинала - увеличенного в 200... 500 раз рисунка, фотографическом уменьшении рисунка и его мультипликации. Второй – метод генерации изображений или метод фотонабора – основан на разделении топологической структуры фотошаблона на элементарные прямоугольники различной величины и последовательной фотопечати этих прямоугольных элементов на фотопластинку, на которой образуется промежуточный фотошаблон с 10-кратным увеличением рисунка по сравнению с его окончательным размером. Работа на фотонаборных установках осуществляется с помощью ЭВМ. Технические характеристики микрофотонаборных установок следующие: размер пластин 70×70 мм, дискретность перемещения 2,5 мкм, точность позиционирования ±1,5 мкм, производительность 900 экспозиций в час.

Мы уже отмечали, что при контактной фотолитографии в серийном производстве минимальный размер элемента 0,8 мкм, а при проекционной – 0,4 мкм. Поскольку минимальный размер элемента интегральной схемы определяет плотность упаковки, надежность, стоимость и такие важные параметры, как быстродействие и потребляемая мощность, то получение субмикронных размеров элементов является одной из основных задач БИС, СБИС и УБИС. Для борьбы с дифракционным рассеянием, препятствующим уменьшению размера элементов, перспективным является использование коротковолнового УФ-излучения, рентгеновского излучения, а также электронных пучков.

При рентгеновской литографии поток мягких рентгеновских лучей с длиной волны 0,4...1,4 нм направляется на шаблон, под которым располагается подложка, покрытая резистом, чувствительным к рентгеновскому излучению. Время экспонирования составляет несколько минут. Для изготовления шаблона можно использовать кремний с толщиной несколько микрометров, прозрачный для рентгеновского излучения. Для получения маски используется пленка золота (0,3 мкм), наносимая на тонкий слой кремния. В качестве источников рентгеновского излучения могут быть использованы рентгеновские трубки с ускоряющим напряжением около 8 кВ. Минимальный размер элемента, получаемый при рентгеновской литографии, 0,1 мкм.

В электронной литографии используются электронные пучки. Длина волны при энергии электронов 15 кэВ около 10-15 мкм, т.е. примерно на четыре порядка меньше, чем у светового излучения, и на два порядка меньше, чем у рентгеновского излучения. Однако вследствие рассеяния электронов и образования вторичных электронов с достаточно высокими энергиями размер области резиста, которая экспонируется электронами, превышает размеры сечения электронного пучка и позволяет по оценкам получить разрешающую способность лишь 0,2 мкм. Общий недостаток всех систем электронной литографии состоит в необходимости помещения подложки в вакуум, что усложняет технологию процесса литографии. От этого недостатка свободна рентгено-лучевая литография; при этом используется более простое и дешевое оборудование.