ПЛАНАРНАЯ И ЭПИТАКСИАЛЬНО-ПЛАНАРНАЯ ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ ИМС

Полупроводниковые ИМС на биполярных транзисторах наиболее часто изготовляют по планарной и планарно-эпитаксиальной технологиям, основанным на следующих технологи­ческих процессах создания транзисторных структур: окислении поверхности полупроводниковых подложек; литографии; эпитаксиальном наращивании полупроводниковых слоев; локаль­ном введении примесных атомов.

Особенностью планарно-эпитаксиальной технологии явля­ется то, что коллекторные области структур создают эпитаксиальным наращиванием слоя полупроводникового материала, главным образом кремния n-типа, на подложке р-типа, а базо­вые и эмиттерные — введением легирующих примесных атомов в эпитаксиальный слой. При этом эмиттерные области формиру­ют введением примесных атомов максимально возможной кон­центрации. Это обеспечивает создание транзисторных структур, обладающих высоким коэффициентом усиления по току. Фор­мируют элементы и соединения между ними только на одной стороне подложки (рабочей поверхности).

Примесные атомы вводят в полупроводниковые подложки ионным легированием и диффузией. Причем, как правило, сна­чала ионным легированием производят загонку атомов примеси, а затем диффузией их разгонку, в процессе которой формиру­ются слои, обладающие заранее заданными электрофизически­ми свойствами. Кроме того, в планарной технологии широко применяют нитридирование (выращивание слоев нитрида крем­ния).

Технологические процессы изготовления полупроводнико­вых биполярных ИМС классифицируют по способам формиро­вания транзисторных структур и изоляции элементов. Изоли­руют элементы ИМС в основном включением р-п-перехода в обратном направлении, формированием локальных полупровод­никовых областей, полностью разделенных слоем диэлектрика, или комбинируя эти способы. Как уже отмечалось, технологи­ческие процессы окисления, диффузии, фотолитографии и на­пыления при изготовлении ИМС на биполярных транзисторах проводятся так же, как при изготовлении дискретных планарных биполярных транзисторов. Однако при производстве ИМС на исходных подложках одновременно формируют различные типы активных и пассивных элементов, которые должны быть электрически изолированы, поэтому технологический маршрут изготовления их сложнее.

Кроме того, при изготовлении биполярных ИМС для повы­шения быстродействия транзисторов в их коллекторных облас­тях введением примесных атомов в исходную подложку непо­средственно перед эпитаксиальным наращиванием монокрис­таллического полупроводникового слоя формируют скрытые высоколегированные слои, что также усложняет технологию. Качество и процент выхода годных ИМС в значительной степени зависят от совершенства изоляции их элементов.

ПЛАНАРНАЯ И ЭПИТАКСИАЛЬНО-ПЛАНАРНАЯ ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ ИМС

При изготовлении современных полупроводниковых прибо­ров и ИМС по планарной технологии используют монокристал­лические полупроводниковые подложки определенного типа электропроводности, а при эпитаксиально-планарной - на такие подложки дополнительно наращивают эпитаксиальный слой про­тивоположного типа электропроводности толщиной 2,5-10 мкм. Так как при изготовлении планарных и эпитаксиально-планарных транзисторов отличие состоит только в используемых под­ложках, в дальнейшем будем называть оба типа этих транзисто­ров планарными.

Рассмотрим технологический процесс изготовления планар­ной транзисторной структуры полупроводниковой ИМС (рис. 9.1). Будем считать, что для получения транзисторной структуры в локальные области исходной подложки примесные атомы вводят только диффузией, а исходной является кремние­вая подложка р-типа с выращенным эпитаксиальным слоем п-типа, имеющим удельное сопротивление 5-10 Ом·см.

Планарные транзисторы отличаются от других типов тран­зисторов рядом свойств. Так, их р-п-переходы база — коллек­тор и эмиттер - база выходят на поверхность кристалла в одной плоскости (плане). Области базы и эмиттера соответственно получают диффузией акцепторных и донорных атомов (обычно бора и фосфора) в эпитаксиальный слой. Для локализации

участков подложек, через которые проводят диффузию, ис­пользуют маски.

При производстве кремниевых планарных транзисторов наиболее широко применяют защиту, которая состоит в созда­нии сплошной маскирующей пленки диоксида кремния по всей поверхности будущей планарной структуры и последующем вы­травливании (вскрытии) окон в этой пленке, через которые за­тем проводят диффузию. Пленка диоксида кремния является маской для диффундирующих атомов бора, фосфора и некото­рых других элементов вследствие большого различия коэффи­циентов диффузии атомов этих веществ в диоксиде кремния и кремнии. Поэтому, вырастив пленку диоксида кремния нуж­ной толщины, можно при заданном режиме обеспечить локализа­цию процесса диффузии, т.е. в открытые участки кремниевой подложки примесные атомы при заданной их концентрации продиффундируют на необходимую глубину от поверхности, тогда как в маскирующую пленку они внедрятся весьма незначительно.

При таком способе проведения диффузии появляются иск­ривленные по периферии участки р-п- переходов. На границе диоксидной маски диффузия атомов примеси идет не только вглубь, но и вдоль поверхности подложки (под маску). Расстоя­ние, на которое примесные атомы проникают параллельно по­верхности ("боковая диффузия"), примерно равно глубине диффузии на открытых участках. Таким образом, р-п- переходы планарных транзисторов имеют искривленные участки, радиус кривизны которых примерно равен глубине залегания р-п- пе­реходов. На поверхности подложек такие переходы оказывают­ся защищенными маской.

Эта особенность планарных приборов имеет свои положи­тельные стороны, заключающиеся прежде всего в том, что р-п- переходы не загрязняются при проведении последующих техно­логических операций, так как оказываются скрытыми слоем диоксида кремния. Кроме того, на заключительных стадиях из­готовления планарных структур на основе слоя диоксида крем­ния обычно создают пассивирующий слой, обеспечивающий вы­сокую надежность планарных транзисторов и стабильность их параметров. Между тем искривления р-п-переходов, вызывае­мые "боковой диффузией", снижают пробивные напряжения планарных транзисторов и диодов.

При получении структур планарных транзисторов диффу­зию обычно проводят в две стадии. На первой стадии вводят примесные атомы, а на второй происходит их перераспределе­ние и одновременно окислением поверхности подложек форми­руют маску из диоксида кремния для проведения следующего диффузионного процесса.

Как уже отмечалось, при планарной технологии рельеф в пленке диоксида кремния создают с помощью фотолитографии, качество проведения которой оказывает существенное влияние на весь процесс формирования планарных структур.

Кроме того, в отличие от других р-п- переходы планарных транзисторов защищены пленкой диоксида кремния, образую­щейся непосредственно в процессе их создания. Так, при про­изводстве меза-диффузионных транзисторов сначала формируют структуры, которые затем тщательно очищают и на конечной стадии индивидуально пассивируют. В планарной технологии уже самая первая операция - окисление подложек — препят­ствует последующему загрязнению изготовляемых р-п- перехо­дов, так как места их выхода на поверхность формируются под пленкой диоксида кремния.

Окончательную пассивацию р-п- переходов проводят группо­вым методом на заключительных стадиях изготовления струк­тур и в большинстве случаев одновременно с перераспределени­ем атомов эмиттерной примеси. Это в значительной степени сни­жает трудоемкость изготовления структур и, кроме того, позво­ляет их контролировать по основным параметрам на подлож­ках, что обеспечивает высокий процент выхода годных ИМС.

Схема типового технологического процесса и последователь­ность выполнения операций при изготовлении биполярного n-p-n-транзистора по эпитаксиально-планарной технологии пока­заны на рис. 9.2, а-е. При этом диаметр подложек составляет 100 мм, их толщина — 400—450 мкм, а толщина эпитаксиального слоя n-типа, выращенного на кремниевой подложке р-типа, — 5—10 мкм.

Для получения эпитаксиального слоя заданного удельного сопротивления (определенного распределения примесных ато­мов) подложки при эпитаксиальном наращивании легируют. При этом, используя трехбромистый бор ВВг₃ и треххлористый фосфор РС1₃, соответственно получают слои р- и п-типов. Эти химические соединения обладают близкой к используемому в качестве источника осаждаемых атомов тетрахлориду кремния упругостью паров, что существенно облегчает контроль роста эпитаксиального слоя.

Поверхность кремниевых подложек с выращенным эпитаксиальным слоем перед термическим окислением полируют алмаз­ным порошком с размером зерен до 0,5 мкм или шлифуют ок­сидом алюминия А1₂О₃, а затем обрабатывают в кислотном по­лирующем травителе. При изготовлении транзисторов специаль­ного назначения часто применяют электрохимическую полиров­ку, позволяющую получать высокое качество поверхностей подложек.

Затем тщательно удаляют всевозможные загрязнения. При этом подложки обезжиривают в органических растворителях, окисляя остатки органических загрязнений в азотной или сер­ной кислоте, пергидроли и промывают деионизованной водой. Если необходимо, чтобы обратный ток транзисторов был не бо­лее нескольких наноампер, выполняют дополнительную очистку подложек комплексообразующими веществами, способными связывать загрязнения в виде ионов в легко удаляемые комп­лексы. Очищенные подложки либо сушат на центрифуге, либо погружают в чистый, легко испаряющийся растворитель, удаляе­мый затем потоком горячего газа непосредственно в момент загрузки подложек в реакционную камеру для термического окисления.

Термическое окисление (рис. 9.2, б) проводят при темпера­туре около 1200 °С в течение 2-3 ч в сухом кислороде, после этого — в атмосфере увлажненного кислорода и вновь — в су­хом кислороде. Образующаяся на поверхности подложек плен­ка диоксида кремния имеет толщину 0,5-1 мкм.

Первая фотолитография (рис. 9.2, в) предназначена для вскрытия в слое диоксида кремния окон под последующую диф­фузию атомов бора для создания базовой области. Травление слоя диоксида кремния производят в растворе плавиковой кислоты и фторида аммония. Затем подложки очищают хими­ческим способом от остатков органических соединений и прово­дят диффузию атомов бора. В зависимости от необходимости получения заданных параметров формируемого диффузионно­го слоя первую стадию диффузии ведут при 900—1000 °С в течение 20-60 мин. При этом образуется слой р-типа толщиной менее 1 мкм с поверхностной концентрацией примесных атомов, равной предельной растворимости бора в кремнии при темпе­ратуре диффузии. Так как загонка атомов бора проводится в окислительной атмосфере, то на поверхности открытых участ­ков (окон) подложки образуется пленка боросиликатного стекла, которую стравливают в растворе плавиковой кислоты. Затем подложки промывают деионизованной водой и проводят вторую стадию диффузии в сухом или увлажненном кислороде для перераспределения атомов бора и одновременно окисления поверхностей (при 1050—1250 °С в течение нескольких часов). После окончания второй стадии диффузии контролируют элект­рофизические параметры полученного диффузионного слоя.

При второй фотолитографии (рис. 9.2, г) локализируют бу­дущие эмиттерные области, совмещая маску с рисунком на под­ложке, нанесенном при первой фотолитографии. По окончании фотолитографического процесса выполняют выборочный конт­роль пробивного напряжения р-п- переходов и отбраковывают некачественные подложки.

Диффузию атомов фосфора для получения эмиттера прово­дят во вскрытые окна также в две стадии соответственно при температуре 870-1050 и 1000-1150 °С. Выбирают режим в зависимости от требований, предъявляемых к электрическим параметрам транзисторов. Технологический процесс диффузии атомов фосфора для получения эмиттера отличается от про­цесса диффузии атомов бора для получения базы меньшей дли­тельностью.

После диффузии атомов фосфора образуются готовые структуры, к которым необходимо создать омические контак­ты. Для этого прежде всего третьей фотолитографией вскрывают окна в слое диоксида кремния под контактные площадки (рис. 9.2, д). Особенности третьей фотолитографии связаны с тем, что адгезия наносимого фоторезиста к слою диоксида кремния невелика из-за наличия пленки фосфорно-силикатного стекла, образовавшейся на первой стадии диффузии, и различ­ной скорости травления примесносиликатных стекол над областями эмиттера и базы. При этом для исключения растравливания (травления под резистивную маску) необходимо особо тщатель­но поддерживать режим, а иногда даже принимать специальные меры, вплоть до раздельного вскрытия окон под контакты к базовой и эмиттерной областям.

Металлизируют структуры обычно напылением в вакууме пленки алюминия толщиной 0,5—1,2 мкм, лишние участки ко­торой удаляют при четвертой фотолитографии (рис. 9.2, е), про­водимой по типовым режимам с использованием в качестве травителя щелочи или ортофосфорной кислоты. Нанесенную плен­ку алюминия вжигают при 500—550 °С в течение нескольких минут в инертной атмосфере, что обеспечивает высокую адгезию между пленкой металла и кремнием.

Особое внимание необходимо уделять межоперационной транспортировке подложек, их хранению в процессе производ­ства и соблюдению требований технологической дисциплины. Это обусловлено высокой чувствительностью создаваемых структур к неконтролируемым загрязнениям, которые могут привести к появлению дефектов и резкому снижению процента выхода годных ИМС.

Основным условием для получения бездефектных структур является использование в технологическом цикле их производ­ства контролируемых сред. Поэтому химическую и фотолито­графическую обработку подложек проводят в обеспыленных боксах (скафандрах), применяя высокочистые реактивы. Обес­пыленную среду, содержащую не более трех-четырех пылинок размером до 0,5 мкм в 1 л воздуха, создают постоянной фильт­рацией очищенного воздуха в рабочем объеме скафандра. Лами­нарный поток чистого воздуха в скафандре препятствует попа­данию загрязнений из окружающей среды.

Применяемые в производстве реактивы должны поступать на рабочие места для дополнительной финишной тонкой фильт­рации. Это прежде всего относится к реактивам, используемым для химической обработки подложек и фотолитографии, а так­же к деионизованной воде и газам, используемым при терми­ческих процессах. Передача подложек после химической обра­ботки на термические операции, а также после диффузионных процессов на фотолитографию осуществляется в герметизиро­ванных контейнерах. Загружать подложки в контейнеры и разг­ружать из них следует в обеспыленной атмосфере.

Длительное хранение подложек после химической обработ­ки не допускается. Разрабатывают процессы химической обра­ботки, как правило, так, чтобы в течение нескольких часов под­ложки обязательно передавались на следующую операцию. В случае задержки подложки подвергают дополнительной (обычно менее сложной) химической обработке и только после этого продолжают технологический цикл.

Современное производство планарных приборов и ИМС требует жесткого графика перемещения обрабатываемых под­ложек по всем технологическим операциям. Обусловлено это тем, что адгезия фоторезистов максимальна к свежеотожженной пленке диоксида кремния, и только в этом случае можно до­биться воспроизводимых результатов при процессе фотолито­графии. Большое значение имеет также сокращение разрыва между первой и второй стадиями диффузии, поскольку опе­рации введения примесных атомов иногда сопровождаются осаждением излишнего количества диффузанта на маскирую­щую пленку диоксида кремния, что с течением времени ухудша­ет ее качество.

Чтобы уменьшить попадание неконтролируемых загрязне­ний на подложки, их загружают в диффузионные печи через специальные обеспыленные шлюзы или предварительно устанав­ливают в рабочие лодочки, затем транспортируемые к диффу­зионной печи в герметичном контейнере, который в момент загрузки стыкуют с ее рабочей камерой. Уменьшению дефектов в значительной степени способствует соблюдение правил подго­товки рабочих камер печей, в которых проводят диффузию, отжиг держателей подложек непосредственно перед проведени­ем диффузионных процессов, чистота приспособлений для конт­роля температуры, загрузки лодочек и др.

ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ БИПОЛЯРНЫХ ИМС С ИЗОЛЯЦИЕЙ р-п- ПЕРЕХОДАМИ

При изготовлении ИМС на биполярных транзисторных структурах, изолированных р-п-переходами, включенными в обратном направлении, наибольшее распространение в зави­симости от способа формирования изолирующих областей получили следующие технологические процессы:

стандартный эпитаксиально-планарный с использованием разделительной диффузии (стандартная технология);

коллекторной изолирующей диффузии (КИД-технология), заключающейся в получении изолированных областей проведе­нием диффузии примесных атомов для формирования кол­лектора;

базовой изолирующей диффузии (БИД-технология), заклю­чающейся в получении изолированных областей проведением диффузии примесных атомов для формирования базы;

с использованием трех фотошаблонов;

с использованием двойной диффузии примесных атомов.

Рассмотрим последовательность выполнения технологичес­ких операций формирования структур ИМС, содержащих тран­зистор, диод, резистор и конденсатор при различных типовых технологических процессах. В качестве исходной выберем кремниевую подложку р-типа.

Стандартная технология. Эта технология наиболее распро­странена и состоит в том, что транзисторные структуры форми­руют локальной диффузией в эпитаксиалыюм слое n-типа, выращенном на подложке р-типа, а изолирующие области соз­дают разделительной диффузией на всю глубину эпитаксиального слоя.

Последовательность формирования транзистора, диода, ре­зистора и конденсатора, а также внутрисхемных соединений полупроводниковой ИМС по стандартной эпитаксиально-планарной технологии показана на рис. 9.3, а-з. Поверхность исходных кремниевых подложек подвергают химической очистке с после­дующим травлением и промывкой деионизованной водой, а за­тем окисляют в атмосфере влажного кислорода при температу­ре 1150°С. Первую фотолитографию проводят для вскрытия в маскирующем слое диоксида кремния окон, через которые на глубину 0,8—1,2 мкм проводят в две стадии диффузию атомов сурьмы или мышьяка. Атомы этих веществ имеют срав­нительно малые коэффициенты диффузии в кремнии. В резуль­тате диффузии формируется высоколегированная n-область, которая располагается под коллектором будущей транзистор­ной структуры (рис. 9.3, а).

После этого с поверхности подложек удаляют слой диокси­да кремния и наращивают эпитаксиальный слой кремния n-типа (рис. 9.3, б). Как правило, эпитаксиальное наращивание вы­полняют хлоридным методом в эпитаксиальных вертикальных реакторах при температуре около 1200°С, получая слои крем­ния толщиной 8—10 мкм, обладающие удельным объемным со­противлением 0,1-1 Ом·см. Повторным термическим окисле­нием на поверхности подложек с эпитаксиальным слоем созда­ют слой диоксида кремния толщиной около 0,5 мкм. На опре­деленных участках этого слоя второй фотолитографией форми­руют окна (рис. 9.3, в) и разделительной диффузией атомов бо­ра создают в две стадии изолирующие области р-типа. Первую стадию диффузии проводят при более низкой температуре, чем вторую, в течение достаточно короткого промежутка времени. Продолжительность второй стадии диффузии определяет­ся временем, необходимым для проникновения атомов бо­ра на всю глубину эпитаксиального слоя. Так создают кол­лекторные области n-типа с лежащими под ними скрыты­ми высоколегированными областями того же типа электропроводности, изолированными областями р-типа (рис. 9.3, г).

Базовые области транзисторов, а также резисторы и диоды создают диффузией в изолированные области n-типа атомов ка­кой-либо акцепторной примеси (обычно — бора). Для этого в слое диоксида кремния третьей фотолитографией получают ок­на, размеры которых зависят от требуемых номинальных зна­чений параметров элементов. Базовую диффузию также прово­дят в две стадии, получая области базы глубиной 2,5—3,5 мкм, обладающие удельным поверхностным сопротивлением 150— 300 Ом/ٱ. Одновременно на поверхности подложек образуется слой диоксида кремния (рис. 9.3, д).

Затем формируют высоколегированные эмитгерные облас­ти, которые служат эмиттерами транзисторов, катодами диодов, электродами конденсаторов, омическими контактами к коллек­торным областям, а иногда и внутрисхемными соединениями. Для этого проводят четвертую фотолитографию, в результате которой в слое диоксида кремния получают окна под эмиттерные области и контактные площадки к высокоомному коллек­торному слою n-типа. Формируют высоколегированные эмиттерные области n⁺-типа диффузией атомов фосфора, которую проводят в одну или две стадии в среде кислорода на глубину 0,8-1 мкм. Такие высоколегированные области обладают удельным поверхностным сопротивлением 2—5 Ом/ٱ (рис. 9.3, е).

Заканчивается процесс создания структур полупроводнико­вых ИМС формированием внутрисхемных соединений и защит­ного покрытия. Для этого вначале удаляют с поверхности под­ложек пленку фосфоросиликатного стекла, которая вырастает при проведении диффузии атомов фосфора в окислительной ат­мосфере, и проводят окисление, получая защитный слой диок­сида кремния толщиной около 1 мкм. Этот слой одновременно является маскирующим при создании пятой фотолитографией омических контактов металл — полупроводник. После вскрытия в слое диоксида кремния окон под омические контакты (рис. 9.3, ж) поверхность подложек тщательно очищают, а затем термическим испарением в вакууме наносят на нее слой алюми­ния. Алюминий должен равномерно покрывать как слой диок­сида кремния, так и участки, обработанные травлением при фотолитографии.

Для получения внутрисхемных соединений необходимой конфигурации и контактных площадок проводят шестую фото­литографию. На заключительном этапе технологического про­цесса наносят защитный слой диоксида кремния и с помощью седьмой фотолитографии вскрывают в нем окна к контактным площадкам. Структура кристалла полупроводниковой ИМС (без защитного слоя диоксида кремния) показана на рис. 9.3,

В производственных условиях после каждого этапа форми­рования элементов ИМС проводят контроль. Так, после очист­ки, окисления и фотолитографии подложки подвергают 100%-ному визуальному контролю. Диффузионные области контро­лируют, измеряя их удельное поверхностное сопротивление или снимая вольт-амперные характеристики образцов-спутни­ков. Подложки с готовыми ИМС контролируют на функциони­рование на зондовых установках. Забракованные ИМС маркиру­ют краской. После контроля подложки с ИМС поступают на опе­рацию разделения на кристаллы (скрайбирование). Годные кристаллы направляются на операцию сборки.

Основным недостатком такого типового технологического процесса изготовления ИМС является перераспределение в не­которых случаях примесных атомов в сформированных облас­тях при проведении последующих высокотемпературных опера­ций. Это необходимо учитывать при расчете и проектировании ИМС, параметры элементов которых не должны выходить за установленные пределы. Кроме того, получаемые при этом технологическом процессе изолирующие р-п-переходы облада­ют паразитными емкостями и токами утечки, что отрицатель­но влияет на характеристики быстродействующих цифровых и высокочастотных аналоговых ИМС.

15