Logo GenDocs.ru

Поиск по сайту:  


Загрузка...

Лекции - Технология изделий интегральной техники - файл Конспект лекций_«Технология изделий интегральной техники».doc


Загрузка...
Лекции - Технология изделий интегральной техники
скачать (17097.2 kb.)

Доступные файлы (1):

Конспект лекций_«Технология изделий интегральной техники».doc18720kb.21.06.2006 09:24скачать

Конспект лекций_«Технология изделий интегральной техники».doc

1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   14
Реклама MarketGid:
Загрузка...
^

2.2. Системы, имеющие важное значение в микроэлектронике



Существует ряд материалов, которые полностью растворимы друг в друге. Примером может служить система их двух таких важных для микроэлектроники веществ, как кремний и германий. Система кремний – германий показана на рис. 2.6.





Рис. 2.6. Система кремний – германий


Диаграмма не имеет эвтектической точки. Подобная диаграмма называется изоморфной. Для того чтобы два элемента были изоморфными, они должны подчиняться правилам Хьюма – Ротери, т.е. иметь различие в значениях атомных радиусов не более чем на 15%, одинаковую вероятность, одинаковую кристаллическую решетку и, кроме того, приблизительно одинаковую электроотрицательность (электроотрицательность атома – это присущее ему семейство привлекать или захватывать лишние электроны, при ковалентных связях). Системы Cu – Ni, Au – Pt и Ag – Pd, также являются изоморфными.

Система Pb – Sn служит хорошим примером простой бинарной системы со значительной, хотя и ограниченной твердой растворимостью. Фазовая диаграмма состояний этой системы приведена на рис. 2.7. Точка пересечения солидуса и сольвуса называется граничной растворимостью, значение граничной растворимости как олова в свинце, так и свинца в олове будет большим. Данная система важна для микроэлектроники благодаря широкому применению оловянных-свинцовых припоев. Их двухфазной диаграммы этой системы видно, как изменение состава сплава меняет его температуру плавления. Когда при изготовлении микросхемы требуется провести несколько последовательных паек, то для каждой следующей пайки применяется припой с более низкой температурой плавления. Это делается для того, чтобы не потекли пайки, сделанные раньше.





Рис. 2.7. Фазовая диаграмма состояний системы свинец – олово


Для производства микросхем также важны свойства системы Au – Si, поскольку эвтектическая температура этой системы крайне мала по сравнению с температурами плавления чистого золота или чистого кремния (рис 2.9). Растворимости золота в кремнии и кремния в золоте слишком малы, чтобы их отобразить на обычной фазовой диаграмме состояний. Из-за низкой эвтектической температуры оказывается выгодно устанавливать кристаллы микросхем на золотые подложки, держатели или платы с золотыми контактными площадками, пользуясь эвтектической реакцией Au – Si в качестве основного механизма сварки (или пайки). Для пайки кремниевых кристаллов также используется золото, содержащее несколько процентов германия.

Комбинации элементов, образующих химические соединения, имеют более сложные диаграммы состояний. Их можно разбить на две (или несколько) более простых диаграммы, каждая из которых относится к определенной паре соединений или соединению и элементов. Например, AuAl2 образуется при соединении 33% (процент атомный) золота с алюминием при температуре менее 1060о (рис. 2.10). Слева от этой линии сосуществует AuAl2 и фаза чистого алюминия. Соединения, подобные AuAl2, называются интерметаллическими и образуются при соответствующем стехиометрическом соотношении двух элементов. Интерметаллические соединения характеризуются высокой температурой плавления, сложной кристаллической структурой и, кроме того, отличаются твердостью и хрупкостью.

Фазовая диаграмма состояний Au – Al может быть разбита на две или больше диаграмм, например на диаграмму Al – AuAl2 и диаграмму AuAl2 – Au.





Рис. 2.8. Система алюминий – кремний


Диаграмма системы Au – Al, показанная на рис. 2.10, имеет в микроэлектронике крайне важное значение, поскольку обычно золотые провода соединяются с алюминиевым слоем металлизации, расположенным поверх кремния. Здесь указано несколько важных интерметаллических соединений: AuAl2, Au2Al, Au5Al2 и Au4Al. В проводниках связей Au – Al они могут присутствовать все. Проблемы, связанные с этими фазами, их называют пурпурной или рыжей чумой, обсуждаются в гл. 13.





Рис. 2.9. Система золото – кремний





Рис. 2.10. Система золото – алюминий

^

2.3. Твердая растворимость



Граничная растворимость большинства легирующих примесей в кремнии крайне мала и в действительности не является максимальной растворимостью. На рис. 2.11 представлена типичная кривая солидуса для примеси без кремния. Заметьте, что растворимость растет с температурой до определенного значения, а затем убывает до нуля при температуре плавления кремния. Такая кривая называется ретроградной кривой растворимости. Уточненная версия этой диаграммы в окрестности точки плавления кремния показана на рис. 2.12.




Рис. 2.11. Ретроградная растворимость кремния

Рис. 2.12. Типичная фазовая диаграмма кремния


Если состав расплава кремния равен CM в процентах массы растворенного вещества, то кремний будет застывать с содержанием растворенного вещества kCM, где k – коэффициент сегрегации (k=CS/CL). Когда концентрация в твердом теле достигнет значения CM при замораживании, концентрация в жидком растворе будет равна CM/k, поскольку соотношение концентраций в жидком и твердом растрах должна быть равна k. Наклон линии солидуса, следовательно, равен


,


а наклон ликвидуса равен


.


Отношение наклонов ликвидуса и солидуса оказывается равным коэффициенту сегрегации


. (2.2)

2.4. Задачи



1. Свинцово-оловянный припой имеет весовую концентрацию свинца 70% при 300 оС. Определите концентрацию жидкой и твердой фаз при 200 оС. Найдите при той же температуре массы жидкости и твердого тела, если общая масса равна 5 г.

2. Раствор Pb – Sn с весовой концентрацией Pb 80% остывает от 300 до 150 оС.

а) Опишите процесс остывания подробно.

б) Найдите массы жидкой и твердой фаз, если общая масса равна 25 г.

3. Нарисуйте эвтектическую фазовую диаграмму состояний. Обозначьте все фазы и линии раздела. Подробно опишите, каким образом отвердения расплава приводит к трем различным концентрациям (эвтектическую точку следует рассматривать, а нулевую или стопроцентную концентрацию – нет).

4. Какова максимальная растворимость Si в Al? При какой температуре она достигается?

5. Какова минимальная температура пайка, необходимая для установки кристалла кремния на золотую подложку? Какова при этой оптимальной температуре концентрация Si в Al?





Рис. 2.13. Диаграмма состояния непрерывных

твердых растворов с максимумом или минимумом





Рис. 2.14. Важнейшие типы диаграмм состояния в бинарных системах


Диаграммы плавкости непрерывных твердых растворов могут иметь максимум или минимум (рис. 2.13). Причины возникновения того или иного вида диаграмм состояния рассмотрены на рис. 2.14. На рис. 2.14 приведены важные типы диаграмм состояния по В.А. Немилову.

О диаграммах состояния тройных систем. В случае тройных систем A – B – C можно пользоваться треугольными диаграммами Гиббса (рис. 2.15). Для определения точки Ф опускают перпендикуляры на стороны диаграммы (рис. 2.15, а). Высота перпендикуляра в долях высоты треугольника показывает концентрацию компонента, символ которого помещен в вершине треугольника. Значение свойства задается двумя способами: 1) высотой перпендикуляра (например, Е0Е5 на рис. 2.15, b) к данной точке; 2) кривыми, отражающими на диаграмме геометрические места точек с равными свойствами (так, например, на географической карте изображаются изогипсы). На рис. 2.15, с показана диаграмма плавкости системы Bi – Pb – Sn.





Рис. 2.15. Симметричная тройная диаграмма состояния по Гиббсу:

а – нахождение фигуральной точки;

b – диаграмма состояния в трех измерениях с построением поверхности свойства;

с – диаграмма плавкости для системы Bi – Pb – Sn с нанесенными на ней изотермами и эвтектическими линиями

На рис. 2.15, b компоненты B и C образуют дистектическую диаграмму с эвтектиками Е3 и Е4. Компоненты А и В, а также А и С образуют эвтектические диаграммы с эвтектиками Е1 и Е2 и, наконец, возникают тройные эвтектики Е5 и Е6. В случае, когда компоненты диаграммы А – В – С простые соединения, несимметричная диаграмма (рис. 2.16) никаких преимуществ перед симметричной не имеет. Но если это сложные соединения, то введение несимметричной диаграммы дат существенное преимущества.





Рис. 2.16. Несимметричная тройная диаграмма состояния для системы альбит – анортит – диопсид. На сторонах диаграммы отложено содержание каждого простого оксида в процентах:

a – общий вид диаграммы;

b – эквиконцентрационные линии на пяти простых оксидов.


Поясним сказанное на примере системы альбит – анортит – диопсид (соответственно Ab – An – Di, на рис. 2.16). Состав альбита: ; анортита: ; диопсида: . Таким образом, система слагается из пяти оксидов: Na2O, MgO, CaO, Al2O3, и SiO2. Химический анализ содержание именно простых оксидов, а не сложных соединений – компонентов тройной диаграммы. Поэтому, определив химический состав, приходится делать сложные пересчеты для нахождения фигуральной точки. Положение значительно упрощается с использованием метода несимметричной диаграммы по Ормонту (рис. 2.16, а).

Математический анализ показал, что концентрация любого простого оксида может быть представлена эквиконцентрационными углами к сторонам диаграммы (рис. 2.16, а). Отложив на сторонах последней концентрационный масштаб и используя шаблоны, стороны которых направлены под углами, отвечающими эквиконцентрационным линиям (рис. 2.17, а), можно без всякого расчета найти по положению точки ее состав в простых оксидах. Напротив, по химическому составу можно немедленно найти фигуральную точку (рис. 2.17, b). Для этой цели нужно, оказывается, знать содержание не всех (в нашем примере пять), а только некоторых (двух, для надежности трех) простых оксидов, ибо в идеальном случае все прямые должны пересечься в точке S. Можно установить надежность химического анализа (также графическим путем) и т.д.





Рис. 2.17. Построение и применение шаблонов для нахождения фигуральной точки по содержанию простых веществ и определение содержания простых веществ по положению фигуральной точки:

а – построение шаблонов; b – применение шаблонов для расчетных цепей.


Так как в производстве диэлектриков часто используются сложные составы, применение несимметричной диаграммы может облегчить работу и исследователя, и технолога. Возникает возможность непосредственно связать химический и фазовый состав с ходом температур плавления, механических, оптических, электрических и магнитных свойств фигуральных точек, значительно сократить количество аналитических определений.

^

2.5. Фазовые переходы



Переходы из одного фазового состояния в другое при изменении параметров системы.

Фазовые переходы первого рода (испарение, конденсация, плавление, кристаллизация, переходы из одной кристаллической модификации в другую).

Напомним, что кристаллическое состояние веществ классифицируется по семи сингониям (триклинная, моноклинная, ромбическая, тетрагональная, тригональная или ромб…., гексагональная, кубическая) при этом расположение атомов в этих сингониях характеризуется 14 типами решеток (решетки Браве). Степень упаковки атомов в этих решетках различна:


Простая кубическая

f = 0,52

Объемно центрировая кубическая

f = 0,68

Гранецентрированная кубическая

f = 0,74

Гексагональная плотная упаковка

f = 0,74

Из этих данных следует очень важный вывод, при полиморфных превращениях (изменение типа кристаллической решетки) происходит изменение объема и следовательно физико-химических свойств материалов.

При переходах первого рода в точке перехода сосуществует две фазы. AB

а) переход осуществляется при определенной температуре Tпер

б) при переходе изменяются скачком первые производные энергии: энтальпии, энтропии, объема (следовательно значит и плотности)





^ Фазовые переходы второго рода.

При переходах второго рода первые производные свободной энергии, энтальпии, энтропии, объема, плотности изменяются монотонно.

Титанат бария – кубическая структура –> тетрагональный типичный пьезоэлектрик.

MnO – антиферромагнетик при 117 К переходит в парамагнитную фазу.


1. Согласно классификации фазовых превращений, предложенной в 1933 г. Эрипреситом, превращения подразделяются на превращения (переходы) I и II родов.

Переходы первого рода характеризуются тем, что первые производные термодинамического потенциала по температуре и давлению изменяются скачкообразно


,


здесь S – энтропия, V – объем

Так как термодинамический потенциал при фазовых переходе меняется непрерывно определяется выражением





то энергия U также должна изменяться скачком. Так как , то теплота перехода





равна произведению температуры на разность энтропии фаз, т. е. скачкообразное изменение или поглощение теплоты.

Важным является непрерывное изменение термодинамического потенциала. Функция (Т) и (Т) не изменяют особенностей вблизи точки фазового перехода, при этом с обеих сторон точки фазового перехода имеются минимумы термодинамического потенциала.

Этой особенностью объясняется возможность перегрева или переохлаждения фаз в случае фазовых переходов в системе.

Определим взаимосвязи между скачками термодинамических функций и . После дифференцировании по температуре соотношение Функция (Р,Т) = (Р,Т) с учетом выражения для S, V и q получим


.


Эта известная формула Клайперона-Клаузиса. Она позволяет определить изменение давлений, находящихся в равновесии фаз при изменении температуры либо изменении температуры перехода между двумя фазами при изменении давления. Скачкообразное изменение объема приводит к отсутствию определенной связи между структурой и системой фаз, преобразующихся при фазовом переходе первого рода, которые в связи с этим изменяются скачком.

Типичными для фазовых переходов первого рода являются переходы между агрегатными состояниями вещества, аллотропическими превращения многие фазовые превращения в многокомпонентных материалах.

Принципиальное отличие фазовых переходов второго рода от фазовых переходов первого рода заключается в следующем: переходы второго рода характеризуются как непрерывностью изменения термодинамического потенциала, так и непрерывностью изменения производных термодинамического потенциала .


^ Химическое равновесие

Термодинамическая функция – функция состояния, определяющая изменение термодинамических потенциалов при изменении числа частиц в системе. Другими словами – есть функция, которая определяет направление и предел самопроизвольного перехода компонента из одной фазы в другую при соответствующих превращениях и условиях (T, P, V, S, ni).

Термодинамические потенциалы связаны с друг другом следующими соотношениями


F = U – TS

H = U + pV

G = F + pV


- количество вещества в граммах; - количества вещества в молях;



М – молекулярный вес соответствующего вещества.

Для теории твердых растворов, на которых работают все приборы микроэлектроники огромное значение имеет развитый Гиббсом метод химических потенциалов. Химическое равновесие можно определить с помощью химических потенциалов.

Химический потенциал характеризуется энергией, приходящейся на 1 атом





- химический потенциал; G – энергия Гиббса;

No – число Авогадро, NАL = моль-1





т. е. (Р,Т) = (Р,Т)


Обе кривые характеризуют монотонное убывание с температурой, определяя значение энтропии фаз


и .


^

2.6. Термодинамические диаграммы



Функцией состояния называется такая физическая характеристика системы, изменение которой при переходе системы из одного состояния в другое не зависит от вида соответствующего этому переходу термодинамического процесса, а целиком определяется значениями параметров начального и конечного состояний.

Важнейшие функции состояний:

1. ^ Внутренняя энергия E. Внутренней энергией E называется энергия системы, зависящая только от её термодинамического состояния


,


– полная энергия системы;

– кинетическая энергия макроскопического движения системы;

– потенциальная энергия, связанная с действием на систему внешних силовых полей.





^ Первый закон термодинамики.

Количество теплоты, сообщенное системе, расходуется на изменение её внутренней энергии и на совершение системой работы против внешних сил.


^ Второй закон термодинамики:

  1. невозможен процесс, единственным результатом которого является совершение работы, эквивалентной количеству теплоты, полученной от нагревателя;

  2. невозможен процесс, единственным результатом которого является передача энергии в форме теплоты от холодного тела к горячему.


Для изолированной системы, находящейся в равновесии, энтропия должна быть минимальной


.


Для неизолированной системы при постоянной температуре (изотермический процесс)


.


Напомним, что

Свободная энергия Гельмгольца (F)





– свободная энергия, изохорно-изотермический потенциал.

Свободная энергия Гиббса





– термодинамический потенциал, изобарно-изотермический потенциал.

Следствие.

При постоянных температуре и давлении свободная энергия Гиббса системы, находящейся в равновесии будет минимальной, а при отклонениях от равновесия


.


2. Энтальпия H (теплосодержание, тепловая функция) – это функция состояния термодинамической системы, равная сумме её внутренней энергии и произведения давления на объём системы


.


3. Энтропия ^ S. Энтропией называется функция S состояния системы, дифференциал которой в элементарном обратном процессе равен отношению бесконечно малого количества теплоты, сообщённого системе, к абсолютной температуре системы:


.


4. Изобарно-изотерический потенциал G. Характеристической функцией и термодинамическим потенциалом является функция состояния системы


.


Это изобарно-изотермический потенциал (изобарный потенциал, термодинамический потенциал Гиббса).


5. Изохорно-изотермический потенциал





Функция Гельмгольца (изохорный потенциал, свободная энергия)

^

2.6.1. Диаграмма состояния (диаграмма равновесия, фазовая диаграмма)



Любая термодинамическая система может в зависимости от условий находится в 4-х агрегатных состояниях: плазма, газ, жидкость, твёрдое тело.

Геометрическое изображение равновесных состояний термодинамической системы при различных значениях параметров (T, p, xi – концентрации компонентов, мольного объёма V и др.) называется диаграммой состояния.

Диаграмма состояния даёт информацию о фазовом составе системы в зависимости от параметров


O – равновесие трёх фаз, тройная точка;

OA – кривая возгонки или сублимации;

OK – кривая испарения;

OB – кривая плавления;

A, K, B – критические точки, в точке K исчезает различие G – L, в B – L – S, в A – S – G.


Полиморфные превращения (алмаз – графит) усложняют диаграмму состояния. У SiO2 – 11 полиморфных превращений в технологическом варианте синтеза изделий микроэлектроники, при этом изменяется не только тип кристаллической решётки, но и мольный объём V.

2.6.2. Растворимость



Концентрация вакансий от 1 до 1023. 1023 – число атомов в единице объёма.

S – энтропия, увеличивается значительно.

При равновесии





В результате можно показать, что число вакансий увеличивается с температурой.




Равновесные состояния физически однородной системы и совершаемые ею равновесные процессы можно изображать графически соответственно точками и кривыми на плоскости с прямоугольными декартовыми координатами, вдоль осей которых откладываются параметры состояния системы, или однозначно связанные с ними функции состояния. Наиболее распространённые диаграммы V – P, S – T, S – H (первый символ – ось абсцисс, второй – ось ординат).

^

2.6.3. Международная система единиц СИ (метр, килограмм, секунда, градус, Кельвин, моль)



Кельвин, К, единица термодинамической температуры, 1/273,16 – части термодинамической температуры тройной точки воды.

Моль – единица количества вещества, равная количеству вещества системы, в которой содержится столько структурных элементов (молекул, атомов, ионов, электронов, других частиц или специфицированных групп частиц), сколько атомов содержится в 0,012 кг нуклида 12C (изотопа углерода с атомной массой 12).


Прежде, чем перейти к рассмотрению диаграмм состояния вспомним некоторые определения. (У каждой науки свой язык, …)

Фаза – в термодинамике, не путать с радиотехникой, совокупность частей системы, тождественных по химическому составу и термодинамическим свойствам и находящихся между собой в термодинамическом равновесии.

Гомогенная система однофазна, в ней отсутствуют внутренние границы раздела.

Гетерогенная система содержит как минимум две фазы. Вода в тройной точке содержит три фазы: лед, жидкость, пар. Фаза отделена друг от друга поверхностями раздела. Вещество может существовать в виде различных фаз (напр. агрегатных состояний, полиморфных модификаций).

В отсутствии внешних полей и химических реакций состояние фазы, содержащей k – компонентов, определяется k+1 независимыми переменными (температура, давление) и (k-1) мольными долями компонентов.

В общем виде правило фаз определяется соотношением


,


где - число компонентов;

- число фаз;

- число параметров, определяющих равновесие;

- число степеней свободы, т.е. число независимых способов, которыми можно изменить состояние системы, при изменении параметров системы.

Иногда используется для определения термин вариантность системы.

Обычно состояние системы определяется двумя параметрами T и P. В этом случае правило фаз определяется соотношением Гиббса.


,


при - нонвариантная (инвариантная система ();

и - моновариантная система;

и - дивариантная система.

Многие вещества при постоянном давлении имеют определенную температуру плавления. При этом жидкая и твердая фаза таких веществ в определенном температурном интервале будут находиться в равновесии.

Для двойных сплавов (A, B) свободная энергия на 1 моль фазы при P=const, полностью определяется температурой системы и ее составом. Зависимость молярной свободной энергии от состава можно изобразить графически.

Для жидкой фазы значение свободной энергии ниже, чем для твердой фазы при температуре ^ T, независимо от соотношения компонентов A, B.

Если система состоит из твердой или жидкой фазы состава NB(2) свободная энергия системы может быть понижена превращением системы в твердую фазу состава NB(1) или жидкую фазу состава NВ(3).

Значение свободной энергии смесей состава NB(1) и NB(3) должно лежать на пунктирной линии, зависимости G от NB.





Рис . Зависимость молярной свободной энергии жидкой и твердой фаз от атомной доли компонента B(NB) для температуры T1(а).


Диаграмма состояния (б).

Диаграмма состояния показывает, что при температуре выше T1 сплавы всех составов будут представлять собой равновесную жидкую фазу. Сплав NВ(3) до температуры T2 находится только в жидком состоянии, после T3 – только в твердом состоянии. В промежутке от T2 до T3 в обоих (жидкость + твердое тело) фазах.


Зависимость молярной свободной энергии жидкой и твердой фаз от атомной доли компонента B(NB) для температуры T2(в).


^

2.6.4. Метод построения диаграмм состояния



Твердые растворы двойных сплавов AB могут иметь в зависимости от концентрации разные кристаллические решетки, т.е. разные фазы. AB – гексагональная, A3B – кубическая и т. д.

Термодинамический потенциал



, тогда

.

- свободная энергия Гельмгольца.


То же. Показано равновесие жидкой и твердой фаз при температуре T3





Кривые свободной энергии для жидких и твердых растворов в системе с неограниченной растворимостью компонентов в жидком и твердом состоянии. Показано равновесие жидкой и твердой фаз при температуре T4.





Равновесная диаграмма состояния, соответствующая кривым свободной энергии при температуре T1, T2, T3, T4





Составы твердой и жидкой фаз находящихся в равновесии друг с другом, определяются точками касания общей касательной к обеим кривым свободной энергии. Условие равновесия имеет вид в точке X



T2 – температура, при которой кристаллизуется или плавится компонент A;

Tn – температура, при которой кристаллизуется или плавится компонент B.


При этих температурах соответственно для A и B твердая и жидкая фаза имеют одну и ту же свободную энергию.

Состав твердой и жидкой фаз, находящихся в равновесии друг с другом при различных температурах, можно нанести на диаграмму в координатах температура – состав. При таком построении получается фазовая, или равновесная, диаграмма состояния, которая обобщает все сведения, вытекающие из проведенного анализа кривых свободной энергии.

При температурах выше кривой ^ MNO, называемой кривой ликвидуса, сплавы различного состава находятся в жидком состоянии.

При температурах ниже кривой MPO, называемой кривой солидуса, все сплавы находятся в твердом состоянии и представляют собой твердые растворы.

В области ^ MNOP система представляет собой смесь жидкой и твердой фаз, находящимся в равновесии друг с другом.

В области MNOP – система характеризуется одной термодинамической степенью свободы. Области MNO и MPO система характеризуется двумя термодинамическими степенями свободы.


^

2.6.5. Системы с ограниченной взаимной растворимостью компонентов в твердом состоянии



A и B имеют различную кристаллическую структуру. Они неограниченно растворяются друг в друге в жидком состоянии и ограничено в твердом.





Кривые свободной энергии при температуре T1 для систем с ограниченной растворимостью компонентов в твердом состоянии

а – минимум для кривой свободной энергии жидкой фазы находится между минимумами свободной энергии для твердых фаз A и B.

б – интервалы для минимумов свободной энергии в твердом и жидком состояниях не совпадают.

В результате построения свободных энергий для различных температур для случая а получим






Равновесная диаграмма состояния с ограниченной растворимостью компонентов в твердом состоянии:

а – система эвтектического типа;

б – система перитектического типа.

Сплав состава точки ^ E называют эвтектическим. Жидкость этого состава кристаллизуется при эвтектической температуре TE, образуя смесь кристаллов двух твердых растворов составов p2t2.

Отношение весовых количеств этих твердых фаз измеряется отношением отрезков .

Для диаграмм второго типа, где минимум для свободной энергии жидкой фазы находится за пределами интервала для минимумов свободной энергии для твердых фаз. Имеется особая температура Tp, при которой в равновесии находятся три фазы: жидкая, состава p0 и твердые растворы α- и β-состава p2 и t2 соответственно.

Система состоящая из трех фаз, находящихся в равновесии друг с другом, не имеет степеней свободы, т. е. является нонвариантной.

Точку p называют перитектикой. Значение этой диаграммы состояния заключается в том, что при температуре Tp жидкость состава p0 реагирует с кристаллами α-твердого раствора состава p2, в результате чего образуются кристаллы β-твердого раствора состава t2.

В равновесных условиях температура остается постоянной и равной Tp до тех пор, пока не закончится перитектическая реакция; такая система является нонвариантной (три фазы находятся в равновесии и нет степеней свободы).

^

3. Структура твердотельных интегральных микросхем

3.1. Введение

3.1.1. Основные понятия и определения



Твердотельная интегральная микросхема – это законченный функциональный электронный узел, элементы которого конструктивно не разделены и изготавливаются в едином технологическом процессе, в объеме и на поверхности полупроводникового кристалла.

Процесс создания полупроводниковой микросхемы сводится к формированию в приповерхностном слое полупроводниковой пластины элементов (транзисторов, диодов, резисторов) и к последующему их объединению в функциональную схему пленочными проводниками по поверхности пластины (межсоединения).

Для характеристики типа применяемых в ИМС транзисторов, а также технологических методов их изготовления пользуются понятием структура ИМС. В общем случае структура ИМС определяет последовательность слоев в составе микросхемы по нормали к поверхности кристалла, различающихся материалов, толщиной и электрофизическими свойствами. Так, в практике производства ИМС используют структуры на биполярных транзисторах (в частности, диффузионно-планарные, эпитаксиально-планарные и др.) на МДП-приборах, структуры И²Л и т. д. Заданная структура ИМС позволяет установить состав и последовательность технологических методов обработки пластины и определить технологические режимы для каждого метода.

На рис. 1 представлен фрагмент ИМС с диффузионно-планарной структурой, включающий биполярный транзистор и резистор. Для одновременного формирования транзистора и резистора необходимо, чтобы р-область резистора и изолирующая его n-область имели глубину и электрофизические свойства, одинаковые с областями соответственно базы и коллектора транзистора. Аналогичное соответствие должно обеспечиваться для всех элементов, входящих в состав ИМС. Оно является главным признаком и непременным условием применения интегральной технологии и позволяет минимизировать число технологических операций, составляющих цикл обработки.

Таким образом, интегральная технология представляет собой совокупность методов обработки, позволяющую при наличии структурного подобия (технологической совместимости) различных элементов ИМС формировать их одновременно в едином технологическом процессе.

Важно отметить, что выпускаемые в составе той или иной серии ИМС различного функционального назначения имеют единую структуру и, следовательно, единую базовую технологию. Для базовой технологии характерны не только определенная технологическая последовательность обработки и определенный комплект оборудования, но и постоянная, отработанная настройка оборудования, т. е. жесткие технологические режимы. Последнее является существенным для экономичности и эффективности процесса производства ИМС.

Очевидно, что базовая технология не зависит от размеров элементов в плане, их взаимного расположения и рисунка межсоединений. Все эти свойства конкретной ИМС




Рис. 1. Фрагмент ИМС с диффузионно-планарной структурой:


T — транзистор; R — резистор


определяются в процессе топологического проектирования, а обеспечиваются фотолитографией — процессом избирательного травления поверхностных слоев с применением защитной фотомаски.

Топология микросхемы — чертеж, определяющий форму, размеры и взаимное расположение элементов и соединений ИМС в плоскости, параллельной плоскости кристалла. Поскольку элементы и соединения формируются путем последовательного.

отдельных слоев (коллекторный слой, базовый слой и т. д.), различают общую и послойную топологию (рис. 2 в соответствии с рис. 1). По чертежу базового слоя, например, может быть разработан чертеж фотошаблона, с помощью которого создают окисную маску для избирательной диффузии примеси р-типа.





Рис. 2. Фрагменты общей (а) и послойной (базового слоя) (б) топологии ИМС:


1 — дефекты, возникшие на этапе металлизации;

2 — дефекты, возникшие на этапе диффузии примеси


При заданном наборе элементов топология ИМС (точнее, рисунок межсоединений) определяет ее функциональные свойства. Можно представить себе кристалл, содержащий некоторый универсальный набор элементов (очевидно, с некоторой избыточностью) и сплошной слой металлизации. Такие кристаллы в составе общей пластины могут быть «доработаны» по желанию заказчика до конкретных функциональных ИМС в зависимости от рисунка межсоединений, выполненного с помощью соответствующего фотошаблона. Описанная универсальная пластина-заготовка, получившая название базового кристалла, позволяет обеспечить экономичность производства ИМС более узкого, специального применения, выпускаемых в небольших количествах.

^ Гибридные и совмещенные интегральные микросхемы. Применение полупроводниковых интегральных микросхем, однако, ограничено рядом причин. Одна из них заключается в том, что производство полупроводниковых ИМС оказывается целесообразным лишь в крупносерийном и массовом производстве, когда становятся экономически оправданными значительные затраты на подготовку производства (главным образом на проектирование и изготовление комплекта фотошаблонов). Другая причина лежит в ряде ограничений на параметры элементов и ИМС в целом: невысокая точность диффузионных резисторов (±10%) и отсутствие возможности их подгонки, невозможность получать конденсаторы достаточно больших емкостей, температурные ограничения, ограничения по мощности и др.

Наряду с полупроводниковыми ИМС поэтому разрабатывают и выпускают комбинированные гибридные интегральные микросхемы. Технологической основой таких ИМС являются процессы нанесения резисторов, конденсаторов, проводников и контактов в виде пленок соответствующих материалов на диэлектрическую пассивную подложку. Поскольку активные элементы - транзисторы, диоды - не могут быть изготовлены по пленочной технологии, их изготовляют по известной полупроводниковой технологии, а затем монтируют на общей подложке (рис. 3).





Рис. 3. Фрагмент гибридной ИМС:


R — резистор, С — конденсатор, ПП — кристалл полупроводникового прибора


^ Гибридная пленочная интегральная микросхема — ИМС, которая наряду с пленочными элементами, полученными с помощью интегральной технологии, содержит компоненты, имеющие самостоятельное конструктивное оформление. В зависимости от метода нанесения пленочных элементов на подложку различают тонкопленочные (напыление в вакууме) и толстопленочные (трафаретная печать) гибридные ИМС.

Гибридные ИМС имеют худшие технические показатели (размеры, массу, быстродействие, надежность), чем полупроводниковые ИМС. В то же время они позволяют реализовать широкий класс функциональных электронных схем, являясь при этом экономически целесообразными в условиях серийного и даже мелкосерийного производства. Последнее объясняется менее жесткими требованиями к фотошаблонам и трафаретам, с помощью которых формируют пленочные элементы, а также применением менее дорогостоящего оборудования. В составе пленочных ИМС возможно получить резисторы с точностью ±5%, конденсаторы ±10%, а с применением подгонки — до десятых долей процента. Гибридно-пленочная технология позволяет реализовать практически любые функциональные схемы.

Стремление расширить область применения полупроводниковых ИМС привело к созданию другого типа комбинированных микросхем (рис. 4). При их изготовлении полупроводниковую технологию совмещают с тонкопленочной технологией для создания некоторых пассивных элементов, к которым предъявляются повышенные требования по точности и температурной стабильности.

^ Совмещенная интегральная микросхема — это комбинированная интегральная полупроводниковая микросхема, в которой некоторые элементы (обычно пассивные) наносят на поверхность пластины (кристалла) методами пленочной технологии.





Рис. 4. Фрагмент совмещенной ИМС:


Т — транзистор, R — пленочный резистор.


^ Степень интеграции. Известно, что полупроводниковые интегральные микросхемы по сравнению с аналогичными печатными схемами с навесными элементами имеют лучшие технико-экономические показатели: размеры и массу, надежность, быстродействие, стоимость. Известно также, что эти показатели улучшаются с повышением функциональ­ной сложности ИМС, т. е. с увеличением числа элементов, полученных с помощью интегральной технологии, с возрастанием степени интеграции.

Степень интеграции — это показатель степени сложности ИМС, характеризуемой числом элементов, полученных с помощью интегральной технологии на общем кристалле. Для характеристики степени интеграции используют показатель К=lgN, где N — число элементов ИМС. В зависимости от значения К условно различают ИМС малой степени интеграции, средней степени интеграции, большие интегральные схемы (БИС) и сверхбольшие (СБИС).

Повышение степени интеграции ИМС является, таким образом, важнейшей задачей микроэлектроники, в значительной мере определяющей основные тенденции схемотехнических и конструкторско-технологических разработок.

^ Факторы, ограничивающие степень интеграции. Среди факторов, ограничивающих степень интеграции, важное место занимает технологический фактор. В полупроводниковой интегральной микросхеме нельзя заменить или даже исправить дефектный элемент. При наличии хотя бы одного дефектного элемента ИМС целиком бракуется. Плотность дефектов в свою очередь -определяется качеством технологического процесса и прежде всего процесса фотолитографии.

Качество защиты пластины окисной пленкой, с помощью которой избирательно вводят примеси для получения р- и n-областей (рис. 5), зависит от ее однородности, сплошности. При наличии в слое окисной маски микроотверстий («проколов») примесь проникает через них, образуя в полупроводнике незапланированные легированные микро-области, которые (в зависимости от их расположения) могут вывести соответствующий элемент из строя.









Рис. 5. Формирование окисной маски:


а — окисление поверхности пластины;

б — нанесение фотослоя (1 — «прокол» в фотослое);

в — экспонирование через фотошаблон (2 — непрозрачный дефект на фотошаблоне);

г — проявление и образование фотомаски (3 — «проколы» в фотомаске);

д — травление окисла и снятие фотомаски (4 — «проколы» в окисной маске)


Причинами образования «проколов» могут явиться неоднородности в светочувствительном слое (частицы пыли, пузырьки и т. п.), а также дефекты в рисунке фотошаблона («проколы» на непрозрачных участках рисунка или светонепроницаемые точечные дефекты на прозрачных участках). Элемент (а следовательно, и вся схема) выходит из строя при попадании дефекта в некоторую критическую зону. Например, в процессе эмиттерной диффузии примесей через проколы в окисной маске могут образоваться высоколегированные микрообласти n+-типа. Такие области, если они приходятся на граничную зону коллекторных и базовых областей, приводят к возникновению токов утечки через переход и пробою перехода (дефекты 2, см. рис. 2). Проколы в окисной маске, образующиеся при вытравливании в окисном слое окон под металлические контакты, приводят на этапе металлизации пластины к образованию паразитных контактов (дефекты 1, см. рис. 2) и к коротким замыканиям областей эмиттер — база, база — коллектор, резистор—изолирующая область и т. д.

Таким образом, для конкретной ИМС на каждом этапе обработки можно говорить о некоторой критической площади, обусловливающей вероятность выхода из строя интегральной микросхемы. Если обозначить Sкр критическую площадь кристалла ИМС, просуммированную по всем циклам фотолитографической обработки, d среднее число проколов на единицу площади, а распределение числа проколов, приходящихся на кристалл ИМС, принять пуассоновским, то вероятность получения годного кристалла ИМС после всех операций обработки:

(3.1)


Из соотношения (1) прежде всего следует, что повышение степени интеграции уменьшает вероятность выхода годных ИМС, если площади элементов и качество процесса фотолитографии остаются на неизменном уровне. Таким образом, повышение степени интеграции ИМС должно сопровождаться уменьшением площади элементов и совершенствованием процесса формирования защитных фотомасок. Высокое качество фотомаски предполагает прежде всего отсутствие в фотослое пылевидных частиц, газовых (воздушных) включений, остатков растворителя, а также высокое качество фотошаблонов (низкую плотность дефектов). В свою очередь, при изготовлении фотошаблонов также используются фотомаски, к которым предъявляются еще более жесткие требования.

Для повышения качества фотолитографических процессов в производственных помещениях создают обеспыленную атмосферу, а для производственного персонала устанавливают определенные правила производственной гигиены.

С другой стороны, из выражения (3.1) видно, что повышение степени интеграции при неизменном качестве технологического процесса возможно за счет уменьшения площади, занимаемой элементами ИМС, и, следовательно, площади критических зон. К этому же результату приводит и сокращение числа циклов фотолитографии. Этот второй путь реализуется разработкой новых типов структур либо с уменьшенной площадью, либо таких, для произ­водства которых требуется меньшее число фотолитографических циклов обработки (либо то и другое одновременно).

На рис. 6 представлены структуры ИМС (на примере инвертора). Сокращение площади структуры S в случае КМДП достигнуто заменой коллекторного резистора дополняющим (нагрузочным) МДП-транзистором, а в случае И²Л — многоколлекторным биполярным транзистором, причем благодаря применению n-р-n- и р-n-р-транзисторов достигается совмещение отдельных областей переключательного транзистора и транзистора-инжектора. Во всех трех случаях сохраняется свойство универсальности структур: каждая из них пригодна для построения широкого класса функциональных электронных устройств.




Рис. 6. Реализация инвертора с помощью различных структур:


а — эпитаксиально-планарной с питанием через резистор;

б — КМДП-структуры; в — с инжекционным питанием (И²Л)


Для создания устройств более узкого функционального класса могут быть использованы специальные структуры, позволяющие достичь высокой степени интеграции ИМС. Примером могут служить структуры на приборах с зарядовой связью (ПЗС), на которых могут быть построены сдвиговые регистры, запоминающие устройства и некоторые логические элементы.

Для выбранной структуры ИМС минимальные размеры элементов ИМС в целом зависят от возможностей фотолитографического процесса, которые характеризуются тремя основными параметрами: 1) минимальным размером элемента, надежно воспроизводимым на полупроводниковой пластине, которым оценивается разрешающая способность процесса; 2) предельными отклонениями размеров элементов рисунка одного топологического слоя от номинальных; 3) предельным смещением рисунка одного топологического слоя относительно предыдущего (например, базового слоя относительно коллекторного, эмиттерного относительно базового и т. д.). Все эти параметры имеют характер технологических ограничений и учитываются при определении размеров областей в плане, т. е. при топологическом расчете. Основной тенденцией развития литографических процессов является повышение разрешающей способности этапа экспонирования рисунка.

Важнейшей причиной, ограничивающей минимальные размеры элементов при экспонировании через фотошаблон, является дифракция света. Поэтому стремятся использовать излучения с более короткими, чем световые, длинами волн (электронные, рентгеновские). В связи с этим все большее развитие получают электроно- и рентгенолитография.

Для реализации высоких потенциальных возможностей, заложенных в электроно и рентгенолитографии, "необходимы и более совершенные методы. травления, с тем чтобы уменьшить разброс в размерах элементов на полупроводниковой пластине. Применение химических растворов для избирательного травления, например окиси кремния, становится неприемлемым из-за бокового подтравливания, размеры которого нестабильны по площади пластины. Здесь перспективным является распыление ионной бомбардировкой при наличии защитной маски (вакуум-плазменное травление).

Наконец, для уменьшения погрешности совмещения топологических слоев ИМС требуются методы и средства совмещения шаблонов с подложкой, обладающие повышенной точностью, а также специальные приемы структурно-топологического проектирования, позволяющие достичь эффекта самосовмещения. Технологически самосовмещение достигается за счет естественных физико-химических механизмов, для чего необходимо расширять круг технологических методов обработки (осаждение из газовой фазы, электролитическое окисление и наращивание, ионное легирование и т. п.).

Повышение качества маскирующих пленок, разработка структур малой площади, совершенствование процессов литографии — все это прямой, естественный путь повышения степени интеграции ИМС. Он отражает непрерывный эволюционный процесс совершенствования производства ИМС, постепенного накопления условий и возможностей для повышения степени интеграции.

Однако требования разработки сложных функциональных устройств в миниатюрном исполнении опережают возможности интегральной технологии и заставляют прибегать к компромиссным конструктивно-технологическим решениям. Одно из таких решений — объединение ряда кристаллов ИМС средней степени интеграции с помощью пленочных межсоединений на общей диэлектрической подложке и в общем корпусе [создание так называемой микросборки (рис. 7)].





Рис. 7. Микросборка цифрового устройства:


а — общий вид (со снятой крышкой);

б — кристалл ИМС и участок межсоединений.


В общем случае микросборка представляет собой изделие типа большой гибридной интегральной микросхемы, включающее элементы, компоненты и (или) интегральные микросхемы (корпусные и безкорпусные). Микросборки позво­ляют в малых размерах реализовать устройства со сложными функциями. Их разрабатывают и изготовляют применительно к конкретной радиоэлектронной аппаратуре с целью улучшения показателей ее миниатюризации. Типовой элемент замены (ТЭЗ) современных ЭВМ обыч­но выполняют на основе многослойной печатной платы (МПП) и набора ИМС в индивидуальных корпусах. Освобождая кристаллы ИМС от корпусов и заменяя печатный монтаж пленочными микросоединениями, получают микросборку, выполняющую функции ТЭЗ, но обладающую малыми размерами и массой. Этот пример иллюстрирует общую тенденцию в развитии конструкций ЭВА, сопровождающую процесс повышения степени интеграции ИМС (передачу ей функций ТЭЗ, передачу ТЭЗ функций панели или блока и т. д., в том числе замену печатными платами трудоемкого .проводного монтажа) и состоящую в проникновении ИМС на все более высокие уровни функциональной иерархии ЭВА. Это объективно приводит к повышению технологичности конструкций ЭВА.

Использование микросборок дает возможность преодолеть и еще одно противоречие, порождаемое требованием повышения степени интеграции, а именно: сужение области применения функционально сложных ИМС, увеличение их номенклатуры и связанные с этим трудности стандартизации. Поскольку микросборка представляет собой набор кристаллов ИМС средней степени интеграции, производство которых обособлено от производства собственно микросборок, появляется возможность изготовлять микросборки по единой типовой технологии независимо от состава кристаллов ИМС и функционального назначения микросборки.

Высокий процент выхода годных БИС может быть достигнут за счет элементной избыточности. При проектировании топологии функциональную схему БИС расчленяют на ряд составных функциональных частей (ячеек), каждую из которых дублируют в пределах кристалла БИС несколько раз, образуя группы. После формирования структур создают первый уровень межсоединений и периферийных контактов в пределах каждой ячейки. В результате контроля на функционирование определяют дефектные ячейки.

Второй уровень межсоединений (а при необходимости и третий) объединяет группы ячеек в общую систему, причем дефектные и неиспользуемые годные ячейки отключают от общей схемы путем' разрыва проводников с помощью лазера или фотолитографии.

Микросборки и метод элементной избыточности — это компромиссное решение задачи повышения степени интеграции, так как оба метода основаны на использовании экономически целесообразной степени интеграции ячеек — составных частей БИС. В.первом случае дефектные ячейки-кристаллы отбраковываются на ранних стадиях процесса и не пропускаются на сборку, во втором — сохраняются в составе кристалла, увеличивая его площадь. Однако во втором случае обеспечиваются более высокие быстродействие и надежность.

Конструкторско-технологические возможности для повышения степени интеграции ИМС далеко не исчерпаны. Однако уменьшение размеров элементов требует и снижения потребляемой ими мощности, что влечет за собой снижение быстродействия, помехоустойчивости, надежности. Уменьшение объемов, занимаемых элементами, приводит к тому, что флуктуации электрофизических свойств полупроводникового материала в микрообъемах снижают воспроизводимость параметров элементов даже в пределах одного кристалла.

Выход из положения — отказ от традиционных методов построения функциональных схем как совокупности простейших эле­ментов (транзисторов, диодов, резисторов) и разработка элементов с более широкими функциональными возможностями. Такие возможности открывает функциональная микроэлектроника. В функциональной микроэлектронике носителем информации яв­ляется многомерный сигнал, параметрами которого управляют динамические неоднородности среды, возникающие под действи­ем управляющего сигнала. Например, в оптоэлектронных ИМС носителем информации является оптический сигнал, который мо­жет быть промодулирован по интенсивности (амплитуде), фазе, поляризации иди длине волны (частоте). Поскольку в качестве управляющих (в частности выходных) сигналов удобнее исполь­зовать электрические сигналы, функциональная ИМС может включать в себя несколько звеньев «фотон-электронного» и «электрон-фотонного» преобразования.





Рис. 8. Фрагмент структуры оптоэлектронной ИМС


На рис. 8 приведен фрагмент монолитной оптоэлектронной ИМС где происходит преобразование типа «электрон-фотон-электрон». Для модуляции оптического сигнала в ней могут быть использованы электрооптический (изменение показателя преломления), магнитооптический (поворот плоскости поляризации) и другие эффекты.

Развитие различных направлений функциональной микроэлектроники базируется на исследованиях новых материалов (прежде всего полупроводниковых) и новых методах их обработки. Подобно тому, как основой микроэлектроники в начале ее развития был опыт производства полупроводниковых приборов, в функциональной микроэлектронике используется весь арсенал технологических методов и средств современной микроэлектроники.

^

3.2. Технология полупроводниковых интегральных микросхем

3.2.1. Общая характеристика технологического процесса



Особенности производства ИМС. В зависимости от структуры ИМС и конструкции корпуса общее количество операций технологического процесса может достигать 200. Процесс охватывает разнообразные по физическим принципам, методам контроля и технологическому оснащению методы обработки, причем характер связей между отдельными операциями во времени и пространстве также весьма различен. Таким образом, процесс производства ИМС представляет собой систему, оптимальная организация которой имеет первостепенное значение для ее эффективного функционирования. Изменения в процессе производства, связанные, например, с изменением структуры ИМС, увеличением диаметра полупроводниковых пластин, увеличением выхода годных ИМС, изме­нением объема выпуска ИМС и т. д., различным образом влияют на отдельные стадии производства ИМС. При этом с учетом непрерывного прогресса микроэлектроники организация производства ИМС по предметно-замкнутому принципу не является эффективной даже в условиях массового производства.

По своему назначению и месту, занимаемому в общем процессе производства ИМС, все операции объединяются в самостоятельные (частные) технологические процессы, которые, в свою очередь, могут быть подразделены на три группы (рис. 9).





Рис. 9. Классификация частных технологических процессов производства полупроводниковых ИМС


^ Первая групп включает заготовительные процессы, имеющие целью получение монокристаллических полупроводниковых слитков определенного типа электропроводности и заданного удельного сопротивления, резку слитков на пластины, обработку их поверхностей с заданной микро- и макрогеометрией, а также качеством поверхностного слоя, изготовление отдельных деталей и узлов корпуса ИМС.

^ Вторая групп процессов — обрабатывающая — объединяет все операции, необходимые для формирования структур ИМС в групповых пластинах и их контроля на функционирование. Сюда входят процессы окисления, диффузии примесей, эпитаксии, ионной имплантации, вакуумного напыления, фотолитографии, технохимической обработки.

В третью группу процессов — сборочно-контрольную - входят разделение групповой пластины на отдельные кристаллы, монтаж кристаллов в корпусах, разварка выводов, герметизация, контроль и классификация, механические и климатические испытания, окраска, маркировка и упаковка.

Из схемы видно, что первая группа процессов является обеспечивающей для процессов второй и третьей групп и по своему характеру близка к приборостроительному производству. Специфичность методов обработки и оборудования этой группы, а также независимость их от конкретной структуры ИМС делает целесообразным передачу заготовительных процессов специализированным предприятиям, связанным с предприятиями, составляющими вторую и третью группы процессов, по линии кооперации.

Третья группа процессов также характеризуется специфическими методами обработки и оборудованием, но имеет более тесную связь с процессами второй группы. В большинстве случаев целесообразной формой организации процессов третьей группы является создание специализированных цехов или участков (в зависимости от масштабов производства) в пределах одного предприятия.

Наиболее полно особенности структуры ИМС и главные черты интегральной технологии отражаются второй группой процессов. Несмотря на разнообразие физико-химических принципов, лежащих в основе процессов этой группы, их объединяет ряд характерных признаков, требующих концентрации этих процессов на различных участках одного предприятия. Важнейшие из этих признаков следующие:

1) взаимосвязь производственных участков, обусловленная цикличностью технологического процесса (групповые пластины многократно возвращаются на участки для формирования очередного слоя);

2) ограниченное время межоперационного хранения групповых пластин;

3) высокие требования к производственной гигиене (1-2-й классы помещений по климатическим параметрам и 1-2-й классы по запыленности воздушной среды).

Характер и последовательность операций, составляющих процессы второй группы, полностью определяются типом структуры ИМС. Режимы обработки на отдельных операциях зависят от толщины и. электрофизических свойств слоев и областей структуры.

^ Типы структур ИМС. При сравнительной оценке различных типов структур целесообразно учитывать ряд конструктивно-технологических показателей:

1) качество межэлементной изоляции, которое можно характеризовать удельной емкостью (пФ/мкм2);

2) площадь, занимаемую типичным функциональным элементом ИМС-вентилем;

3) количество циклов избирательного легирования;

4) количество циклов фотолитографии.

Среди планарных структур, в которых использованы биполярные транзисторы, исторически более ранней является диффузионно-планарная структура (см. рис. 1). Функции изоляции в ней выполняют р-n-переходы, ограничивающие области отдельных элементов и смещенные в обратном направлении. Для получения обратного смещения в области подложки, разделяющей элементы, формируется омический контакт, связанный с наиболее низким потенциалом источника питания, а к изолирующим областям резисторов с помощью контактов подводится высокий потенциал.

В качестве исходной заготовки используют пластину монокристаллического кремния, равномерно легированного акцепторной примесью (дырочная электропроводность). После того как на заготовку нанесен слой окиси кремния SiO2, методом фотолитографии (рис. 10) в этом слое избирательно вытравливают участки прямоугольной формы и через образовавшиеся окна путем термической диффузии вводят атомы примеси-донора. Процесс диффузии совмещают с термическим окислением кремния, в результате которого на поверхности вновь образуется сплошной слой окисла. Таким образом, одновременно создаются коллекторные области всех транзисторов, а также изолирующие области всех диодов и резисторов для всех кристаллов групповой пластины. Вторичным вскрытием окон меньших размеров в окисле и последующей диффузией примеси-акцептора формируют р-области, выполняющие роль базовых областей транзисторов, анодов диодов и резисторов. В результате очередного (третьего) цикла фотолитографии, диффузии и окисления получают области эмиттеров, катоды диодов, а также высоколегированные области для последующего создания омических контактов к высокоомным коллекторным и изолирующим областям.





Рис. 10. Последовательность формирования диффузионно-планарной структуры:


а исходная пластина;

б, г, е вскрытие окон в окисле перед диффузией примеси в коллекторные, базовые и эмиттерные области соответственно;

в, д, ждиффузия примеси в коллекторные, базовые и эмиттерные области соответственно и окисление поверхности;

з — вскрытие окон под контакты к диффузионным областям;

и — металлизация поверхности;

к — избирательное травление металлической пленки и образование межсоединений.


Для создания межэлементных связей в слое окисла вновь вскрывают окна и плоскость пластины покрывают сплошной металлической пленкой (обычно алюминиевой). При этом в местах, свободных от окисла, образуется контакт с соответствующими областями кремния. Заключительный цикл фотолитографии (по пленке алюминия) позволяет создать систему межсоединений, а также контакты по периферии кристаллов. Эти контакты будут использованы для коммутации кристаллов с внешними выводами корпуса.

Планарный транзистор (независимо от типа структуры) имеет коллекторный контакт в одной плоскости с базовым и эмиттерным контактами. Вследствие этого коллекторный ток преодолевает протяженный горизонтальный участок дна коллекторной области (под дном базы), имеющий малые поперечные размеры.

В диффузионном коллекторе концентрация активной примеси распределена по глубине неравномерно: она максимальна на поверхности и равна нулю — на дне коллектора, — поэтому слой коллектора под базой имеет высокое сопротивление, что увеличивает напряжение насыщения и время переключения транзистора.

Равномерное распределение примеси по толщине коллектора может быть получено с помощью процесса эпитаксиального наращивания кремния с дозированным количеством донорной примеси. Такой процесс применяют для создания эпитаксиально-планарной структуры.

Чтобы получить простейшую эпитаксиально-планарную структуру, в качестве исходной заготовки по-прежнему надо использовать монокристаллическую пластину кремния, равномерно легированную акцепторной примесью. Для нанесения эпитаксиального слоя на одну из сторон пластины ее освобождают окисла и тщательно очищают (рис. 11), после чего проводят осаждение монокристаллического слоя кремния n-типа. Далее поверхность пластины окисляют и методом фотолитографии вскрывают окна в виде узких замкнутых дорожек, соответствующих контуру коллекторных и изолирующих областей ИМС. Проводя через окна диффузию акцепторной примеси до смыкания ее с р-областью, получают таким образом изолированные друг от друга островки равномерно легированного эпитаксиального n-кремния. Рассмотренный процесс диффузии называют изолирующей или разделительной диффузией. В полученной на данной стадии заготовке (рис. 11) в дальнейшем формируют базовые и эмиттерные об­ласти (диффузионным методом), а также контакты и межсоединения (так же как в диффузионно-планарной структуре).

Концентрация легирующей примеси в эпитаксиальных пленках может изменяться в широких пределах. Однако с повышением концентрации примеси в эпитаксиальном коллекторе снижается пробивное напряжение перехода база – коллектор (рис. 12).





Рис. 11. Последовательность формирования эпитаксиально-планарной структуры:


а — исходная пластина;

б — стравливание окисла, подготовка поверхности;

вэпитаксиальное наращивание n-слоя, окисление поверхности;

г — вскрытие окон в окисле под изолирующую (разделительную) диффузию примеси;

д диффузия акцепторной примеси, окисление поверхности;

е готовая структура после формирования диффузионных базовых и эмиттерных областей, а также получения межсоединений.




Рис. 12. Характер зависимости проводимости  эпитаксиального слоя и напряжения пробоя uпр перехода от концентрации легирующей примеси N


Компромиссное решение удается получить в эпитаксиально-планарной структуре со скрытым слоем (рис. 13). Здесь эпитаксиальный коллектор легируют умеренно (необходимую концентрацию примеси рассчитывают из условия пробоя перехода база — коллектор), а малое сопротивление коллектора обеспечивают параллельно включенным скрытым слоем (n+), имеющим высокую концентрацию примеси.

Начальные стадии технологического процесса получения эпитаксиально-планарной структуры со скрытым слоем приведены на рис. 13. В поверхностном окисном слое пластины р-типа вскрываются окна, через которые проводят диффузию примеси с высокой концентрацией. Для того чтобы избежать значительного проникновения примеси в эпитаксиальный коллектор при последующих циклах высокотемпературной обработки (разделительная диффузия, базовая диффузия и т. д.), подбирают примесь с малым коэффициентом диффузии (например, мышьяк). Далее поверхность освобождают от окисла и наращивают эпитаксиальный слой кремния n-типа. После окисления поверхности процесс обработки протекает по той же схеме, что и для структуры без скрытого слоя.





Рис. 13. Последовательность формирования эпитаксиально-планарной структуры со скрытым n+-слоем:


а — исходная пластина;

б — вскрытие окон под диффузию скрытого слоя;

в — диффузия n+-примеси, окисление поверхности;

г — стравливание окисла, подготовка поверхности;

д —эпитаксиальное наращивание n-слоя, окисление поверхности;

е — готовая структура после разделительной диффузии, формирования базовых и эмиттерных областей, а также межсоединений


Для И²Л-структуры (см. рис. 6) используют описанные ранее технологические приемы обработки, последовательность которых нетрудно установить.

В диффузионно- и эпитаксиально-планарных структурах межэлементная изоляция обеспечивается, как было отмечено ранее, обратносмещенными переходами. Напряжение смещения, однако, не велико и ограничено единицами вольт (напряжение питания). Такие переходы обладают заметными токами утечки и емкостями. В результате уменьшается быстродействие схемы, а расстояние между элементами приходится делать значительным. Наилучшую электрическую развязку элементов обеспечивает структура с диэлектрической изоляцией (рис. 14). В такой структуре каждый элемент размещен в своеобразном «кармане», который представляет собой область монокристаллического кремния, ограниченную слоем окиси кремния. При этом расстояние между элементами может быть уменьшено до 8—10 мкм.





Рис. 14. Последовательность формирования изолированных

областей в структуре с диэлектрической изоляцией:


а — исходная пластина;

б — избирательное травление окисла, глубокое травление кремния, окисление поверхности;

в — осаждение поликристаллического кремния;

г — шлифование в полирование обратной стороны пластины;

д — окисление поверхности;

е — готовая структура после базовой и эмиттерной диффузии и получения межсоединений


На рис. 14 представлена последовательность формирования структуры с диэлектрической изоляцией. В исходной пластине кремния n-типа методом фотолитографии вытравливают участки окиси кремния, а затем и кремния по контуру будущих элементов. В результате образуются канавки по замкнутому контуру. Полученную рельефную поверхность окисляют. Далее эту поверхность покрывают толстым слоем кремния методом осаждения. Вследствие дезориентирующего влияния окисного слоя осажденный кремний имеет поликристаллическую структуру и служит конструкционным основанием будущей ИМС. Обратную сторону шлифуют, удаляя монокристаллический слой до вскрытия окиси кремния по границам областей, и производят доводку (для удаления нарушенного слоя). После протравливания и отмывки поверхности ее окисляют. Далее в образовавшихся изолированных областях монокристаллического кремния л-типа диффузионным методом формируют элементы (базовые области, резисторы, эмиттеры, области под контакты). Обычным путем получают и межсоединения на поверхности пластины. Если исходная пластина содержит эпитаксиальный n+-слой, то транзисторы получаются со скрытым слоем.

Структуры с диэлектрической изоляцией характеризуются высокой трудоемкостью главным образом из-за необходимости шлифования и полирования подложек. Нарушение монолитности подложки (толстый слой поликристаллического кремния) вызывает внутренние механические напряжения, которые приводят к короблению пластины после снятия монокристаллического слоя. Коробление пластины, в свою очередь, затрудняет или делает невозможным использование фотолитографии.

Все это обусловило поиск комбинированных методов изоляции элементов ИМС. На рис. 15, е представлена изопланарная структура транзистора, в которой донная часть 2 коллектора изолирована от монокристаллической пластины р-n-переходом, а боковая 1 - толстым слоем окисла, полученным сквозным локальным окислением эпитаксиального слоя. По существу эта структура аналогична эпитаксиально-планарной, при изготовлении которой разделительная диффузия заменена сквозным окислением.




Рис. 15. Последовательность формирования

изолированных областей в изопланарной структуре:


а — пластина с эпитаксиальным и скрытым слоями;

б — нанесение слоя нитрида кремния;

в — избирательное травление нитрида кремния по контуру будущих элементов;

г — глубокое окисление кремния;

д — стравливание нитрида кремния и окисление поверхности;

е — готовая структура после формирования базовых и эмиттерных областей, а также межсоединений

Начальные стадии процесса получения изопланарной структуры следующие (рис. 15). На поверхность пластины, содержащей эпитаксиальные n+- и n-слои, осаждают (из газовой фазы) слой ни­трида кремния Si3N4. Методом фотолитографии в этом слое обра­зуют защитную маску с окнами по контуру коллекторных областей. В процессе окисления нитридная маска сохраняется. Затем ее стравливают и всю поверхность окисляют. Далее проводят диф­фузию для формирования базы и эмиттера, формируют контактные окна и межсоединения.

Технологическим недостатком изопланарной структуры является необходимость длительного окисления для образования разделительных областей SiO2, что может вызвать нежелательное перераспределение примеси из скрытого слоя в эпитаксиальный коллектор. Для сокращения времени, затрачиваемого на окисление, уменьшают толщину эпитаксиального слоя и соответственно базы и эмиттера. На практике изопланарный процесс возможно осуществить при толщине эпитаксиального слоя не более 3—4 мкм.

Усовершенствованным вариантом рассмотренной структуры является структура с изолирующими V-канавками (рис. 16, е). При ее формировании вместо сквозного окисления проводят сквозное протравливание эпитаксиального слоя с последующим окислением полученных канавок и заполнением их поликристаллическим кремнием. Такая структура получила название полипланарной.

На начальных этапах получения полипланарной структуры (рис. 16) заготовку с предварительно сформированными n+- и n-эпитаксиальными слоями окисляют. Затем методом фотолитографии в слое окисла вскрывают окна, замкнутые по контуру будущих элементов. Далее методом анизотропного травления получают канавки строго определенной (V-образной) формы. Ширина канавки l и ее глубина d связаны соотношением l/d=1,41. Для надежного разделения элементов ИМС глубина канавки должна быть немного больше толщины эпитаксиального слоя. При использовании специального травителя бокового подтравливания практически не происходит.

Затем поверхность окисляют и на ней осаждают кремний (поликристаллический). Слой кремния должен иметь минимальную толщину, необходимую для полного заращивания всех канавок. Путем шлифования с последующим полированием снимают излишки кремния до вскрытия окисной пленки. После окисления поверхности окончательно формируют структуру транзисторов и других элементов ИМС.





Рис. 1. Последовательность формирования

изолированных областей в полипланарной структуре:


а — пластина с эпитаксиальным и скрытым слоями, покрытая окисью кремния;

б — избирательное травление окиси кремния и анизотропное травление кремния;

в — стравливание окиси и окисление всей поверхности;

г осаждение поликристаллического кремния;

д — шлифование, полирование и окисление поверхности;

е готовая структура после формирования базовых и эмиттерных областей, а также межсоединений


Специфическим недостатком описанной структуры является необходимость применять пластины с ориентацией по плоскостям {100}, которые не являются наилучшими с точки зрения электрических характеристик транзистора, но удовлетворяют требованиям анизотропного травления. Технологическим недостатком структуры является введение в процесс операций трудоемкого шлифования и полирования.

При изготовлении структур с диэлектрической и комбинированной изоляциями можно применять пластины–заготовки с заранее сформированным сплошным скрытым слоем, серийно выпускаемые специализированными предприятиями. Примером таких заготовок являются пластины диаметром 60 и 75 мм с толщиной основания из р-Si 300—550 мкм (ρ=10 Ом∙см), эпитаксиального n-слоя 2,5–20 мкм (р=0,15…7 Ом∙см), скрытого n+-слоя 3–15 мкм (удельное поверхностное сопротивление 10–50 Ом).

Анализ рассмотренных структур на биполярных транзисторах позволяет сделать вывод, что их развитие привело к созданию совершенной изоляции, возможности более компактного размещения элементов ИМС и в конечном счете к улучшению электрических характеристик, в частности к повышению быстродействия. При этом площадь транзистора, а следовательно, и типового элемента — вентиля практически не изменилась. Особый случай представляет структура И²Л, в которой резисторы, занимающие обычно большую площадь, заменены транзисторами, что позволило уменьшить размеры вентиля.

Существенное уменьшение площади под вентиль с одновременным упрощением технологии имеет место при использовании структур «металл — диэлектрик — полупроводник» (МДП-структуры). Основным элементом функциональных схем на МДП-структурах является МДП-транзистор с индуцированным каналом n- или р-типа.

МДП-транзистор имеет симметричную структуру (рис. 17, е), включающую область истока, область стока и изолированный затвор, с помощью которого можно индуцировать канал и управлять его проводимостью. Так как переходы, ограничивающие области истоков и стоков, всегда смещены в обратном направлении и перенос основных носителей заряда происходит в тонком приповерхностном слое полупроводника между истоком и стоком каждого транзистора, то дополнительных мер для взаимной изоляции приборов с одноименным типом электропроводности канала не требуется. Во избежание образования паразитных каналов вводят охранные (каналоограничивающие) области.





Рис. 17. Последовательность формирования КМДП-структуры:


а исходная пластина;

б — последовательное получение р-, р+ и n+-областей методом диффузии;

в избирательное травление SiO2;

г — термическое окисление кремния (получение подзатворного диэлектрика);

д избирательное травление SiO2 под контакты к истокам и стокам;

е — готовая структура после получения межсоединений


Структура, содержащая МДП–транзисторы обоих типов, позволяет на 2–3 порядка по сравнению с n– или р–МДП–структурами снизить мощность, потребляемую устройством в статическом режиме (что важно для систем с ограниченным ресурсом питания). Такие структуры получили название структур на дополняющих МДП-транзисторах или комплементарных МДП-структур (КМДП-структуры).

Для взаимной изоляции МДП-транзисторов n- и р-типа в КМДП-структуре необходимо сформировать дополнительную область. Из технологических соображений целесообразно КМДП-структуры формировать в пластине n-типа и все приборы с n-каналами объединять в одной р-области.

Последовательность получения КМДП-структуры представлена на рис. 17. Методом диффузии формируют р-область, далее р+-области истоков и стоков р-канальных приборов, а также охранные области, а затем в р-области — n+-области истоков и стоков n-канальных приборов. Для формирования областей затворов методом фотолитографии вытравливают участки SiO2, а затем методом термического окисления кремния получают в них тонкие слои SiO2 расчетной толщины (диэлектрик под будущим затвором). Далее вскрывают в окисле окна под контакты и формируют межсоединения (включая затворы).

Полная изоляция МДП-транзисторов обеспечивается при формировании их в виде островков на монокристаллической изолирующей пластине (рис. 18, д). В качестве изолирующей пластины обычно используют синтетический сапфир, имеющий достаточно хорошее кристаллографическое сопряжение с кремнием. Поэтому эти структуры получили название «структур кремний на сапфире» или сокращенно КНС. Эпитаксиально выращенный на сапфире кремний имеет высокую плотность структурных нарушений (дислокации), что заметно снижает подвижность носителей заряда. Вследствие этого структуры на биполярных транзисторах оказались не эффективными и наиболее широкое применение нашли МДП-КНС-структуры, особенно КМПД-КНС-структуры. В отличие от структур, изолированных р-n-переходом, когда используется высокоомная (слаболегированная) пластина, структуры на изолирующей пластине устойчивы к температурным и радиационным воздействиям.




Рис. 18. Последовательность формирования КМДП-КНС-структуры:


а — исходная пластина «сапфир — эпитаксиальный кремний — окись кремния»;

б — избирательное анизотропное травление кремния с помощью оксидной маски (образование островков);

в — избирательная диффузия акцепторной примеси;

г — снятие маски с островков;

д — маскирование островков с помощью SiO2;

е — избирательное покрытие фосфорсиликатным стеклом (ФСС) р-островков и общее покрытие боросиликатным стеклом (БСС);

ж — структура после диффузии примесей и стравливания БСС, ФСС и SiO2;

з — готовая структура после нанесения SiO2 и формирования межсоединений


В процессе формирования КМДП-КНС-структуры (рис. 18) методом эпитаксиального наращивания (процесс гетероэпитаксии) создают сплошной слой высокоомного n-Si. После маскирования окисью кремния и анизотропного травления получают отдельные изолированные островки n-Si. Проведя повторное маскирование окисью кремния, методом диффузии часть островков легируют акцепторной примесью на всю глубину, превращая их в островки р-Si. Предварительно защитив маской из окиси кремния участки будущих каналов, избирательно покрывают р-островки фосфоро-силикатным (SiO2*P2O5), а n-островки — боросиликатным (SiO2*B2O3) стеклами. Последующим нагревом диффундируют донорную (Р) и акцепторную (В) примеси из легированных стекол в области стоков и истоков. В дальнейшем стекло и участки SiO2 стравливают, наносят слой окиси кремния, вытравливают участки окисла под затвор, выращивают тонкий слой диэлектрика и формируют затворы, а также межсоединения. Гетероэпитаксиальные слои, полученные в таких структурах, имеют небольшую толщину (~1мкм), что обусловлено относительным несовершенством кристаллической структуры, выращиваемой на сапфире: с увеличением толщины пленки плотность дислокации увеличивается.

МДП-приборы, в которых в качестве канала используется тонкий приповерхностный слой, вполне могут быть реализованы в тонких эпитаксиальных слоях порядка десятых долей микрометра. Однако тонкие эпитаксиальные слои практически исключают возможность многократного образования окиси кремния за счет термического окисления, так как толщина слоя SiO2, необходимого для защиты при термической диффузии, соизмерима с толщиной такого эпитаксиального слоя. Поэтому обычно слои окиси кремния получают методом осаждения из газовой фазы, что, кстати, позволяет использовать относительно низкие температуры.

Для производства КМДП ИМС на основе КНС целесообразно применять сапфировые пластины с эпитаксиальным слоем кремния, выпускаемые специализированными предприятиями. Слой кремния n-типа имеет ориентацию {100} и толщину 0,6; 0,8 и 1,2 мкм; подвижность носителей в гетероэпитаксиальном слое толщиной 1,2 мкм не менее 300 см2/(В-с).

Сравнительная характеристика рассмотренных структур приведена в табл. 1. Описанные структуры не исчерпывают всех типов и модификаций, которые используются в серийном производстве ИМС или исследуются как перспективные.

Табл. 1. Сравнительная характеристика некоторых типов структур ИМС

Основные типы структур микросхем

Емкость изоляции 10-4, пФ/мкм²

Площадь на один вентиль, мм²

Число циклов избирательного легирования

Число циклов литографии

Диффузионно-планарная

2

0,025

3

5

Эпитаксиально-планарная













без скрытого слоя

1,5

0,025

3

5

со скрытым слоем

1.5

0.02

4

6

С инжекционным питанием (И²Л)

1

0,003

3

5

С диэлектрической изоляцией

0,03

0,02

2

5

Изопланарная

0,2

0.02

2

5

Полипланарная

0,15

0,02

2

5

n-МДП

1,5

0,0036

2

5

р-МДП

1,5

0,0068

2

5

КМДП

1,5

0.012

3

6

КМДП-КНС

0,002

0,01

3

8
1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   14



Скачать файл (17097.2 kb.)

Поиск по сайту:  

© gendocs.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации
Рейтинг@Mail.ru