Технология "Изопланар"

Размещено на http://www.allbest.ru/

Курсовое проектирование по теме :

Технология "Изопланар"

Введение

изопланарный полупроводниковый интегральный эпитаксия

В основу изготовления полупроводниковых биполярных ИМС с комбинированной изоляцией положены процессы, обеспечивающие формирование элементов с изоляцией p-n переходами их горизонтальных участков и диэлектриком - вертикальных боковых областей .Частичная замена диодной изоляции диэлектрической в комбинированных методах изоляции позволяет снизить паразитные ёмкости и рассеиваемую мощность , увеличить быстродействие и пробивные напряжения , уменьшить геометрические размеры активных элементов ИС.

Основными процессами технологии биполярных ИМС с комбинированной изоляцией являются :

ИЗОПЛАНАРНАЯ ТЕХНОЛОГИЯ

ЭПИПЛАНАРНАЯ ТЕХНОЛОГИЯ

ПОЛИПЛАНАРНАЯ ТЕХНОЛОГИЯ

Локальное окисление кремния при наличии маскирующей плёнки нитрида кремния , непроницаемой для кислорода , было доработано применительно к биполярной конструкции транзистора одной американской фирмой. Её особенности были направлены на размещение локально окисленного кремния в объёме полупроводниковой подложки , а не над её поверхностью .Было предложено после формирования отверстий в маскирующей плёнке нитрида кремния часть кремния из подложки , свободной от маски , удалять на глубину , равную величине , на которую увеличится объём при окислении кремния .То есть , если известно , какую часть кремния надо локально окислить , то , зная соотношение объёмов кремния и полученного оксида кремния , легко определить величину удаляемого кремния . Такая последовательность действий позволила сформировать участки оксида кремния , лежащие в объёме подложки , практически не возвышаясь над её поверхностью. Технология изоляции элементов ИС с помощью « утопленного « локально окисленного кремния получила название

« ИЗОПЛАНАР «. Диэлектрическая изоляция разделяет эпитаксиальный слой , а от подложки изоляция обеспечивается p-n переходом .

На начальном этапе развития изопланарной технологии в качестве транзисторной была взята структура с эпитаксиальным слоем p-типа проводимости .

В подложке кремния р-типа диффузией формировались скрытые области n+-типа проводимости . Затем выращивались эпитаксиальные слои р-типа проводимости толщиной < 2мкм. Такая толщина выбиралась из необходимости ограничить время окисления ( 16 часов ) и обеспечить при данной толщине оксида удовлетворительные характеристики транзистора . При этом уменьшались и горизонтальные размеры изолирующих областей. Далее на поверхности АЭС формировались подслой SiO2 толщиной 40 - 60 нм и плёнка нитрида кремния. Толщина Si3N4 должна гарантировать отсутствие сквозных дефектов. Далее проводилась фотолитография и травление кремния в местах , где должна была располагаться изоляция соседних структур и изоляция между коллекторным контактом и базовой областью в одной структуре. Травление производилось на глубину , равную 2/3 толщины ЭС. Через маску нитрида кремния в этих же областях формировали SiO2 . В процессе окисления SiO2 распространялся до подложки. Однако в такой технологии избежать образования выступов на поверхности структуры не удавалось . Серьёзным дефектом формируемой структуры является «птичий клюв». Он образуется из-за горизонтального окисления кремния , облегчённого наличием подслоя SiO2 .Нитрид кремния служил маской для O2 , в то время ,как через оксид кремния легко проникает кислород.

Некоторые из методов устранения «птичьего клюва» состояли в специальном способе изготовления ИС или использовании поликремния . Один из способов предлагал создать на поверхности подложки тонкую плёнку оксида кремния , в которой вскрывали узкие канавки .Такие методы были в некоторой степени эффективны , однако требовали проведения дополнительных операций .

При формировании межэлементной изоляции полностью дефект устранить не удалось . Однако при снятии Si3N4 повторном окислении поверхности со вскрытием окон под контакты часть его может удалиться .

Cформированная межэлементная диэлектрическая изоляция непосредственно контактирует с изолируемым ЭС р-типа и скрытым слоем на границе с подложкой. Если сравнить положение области изоляции в такой структуре с положением изолирующей разделительной области в структуре с изоляцией обратносмешанным p-n переходом , то легко заметить , что подобная близость области изоляции для последней структуры приведёт к потере работоспособности транзисторной структуры. Значит , в изопланарной технологии из-за устранения гарантированных зазоров между областью изоляции и скрытым слоем и между областью изоляции и областью базы в 2-3 раза уменьшилась площадь транзистора по отношению к площади транзистора , изготовленного по планарно-эпитаксиальной технологии с одинаковыми проектными нормами.

На начальном этапе развития изопланарной технологии проблема воспроизводимости величины «птичьего клюва» не была решена. В этих условиях в конструкции транзистора не предполагалось контактирования области изоляции и двух противоположных сторон эмиттера. То есть область эмиттера при этом целиком вписывается в область базы. Даже при самых неблагоприятных условиях формирования области изоляции из-за образования «клюва» площадь эмиттерной области сохранится постоянной , a площадь области базы будет либо уменьшаться, либо увеличиваться в зависимости от используемых способов стабилизации величины «клюва».

Технология , с помощью которой формируется транзистор с вписанным в область базы эмиттером , называется «изопланар-1». При изготовлении структуры по такой технологии надо обращать внимание на возможные дефекты.

В дальнейшем изопланарная технология обеспечила воспроизводимость «клюва» , что дало возможность формировать транзисторную структуру с пристеночным эмиттером. Такая технология получила название « изопланар-2 «. По сравнению с изоляцией с помощью p-n переходов технология «изопланар-2» позволяет уменьшить площадь транзистора в 3-3,5 раза , а по сравнению с технологией «изопланар-1» - в 1,5-2 раза. В технологии «изопланар-2» были существенно повышены требования к качеству границы SiO2-Si , особенно в боковых областях , где располагался эмиттер. Следующий шаг на пути совершенствования изопланарной технологии состоял в переходе от ЭС р-типа проводимости к n-типа проводимости. Это позволило улучшить электрические характеристики транзисторных структур за счёт снижения ширины базы и повышения точности её изготовления. Также базовые и эмиттерные области стали формировать диффузией или ионным легированием.

Для предотвращения образования проводящего канала n-типа на границе между областью изоляции и р-подложкой подлегирование примесью р-типа проводят только в донную часть углублений , вытравливаемых под изоляцию. Это осуществляется с помощью ионного легирования. На боковые стенки углублений примесь при этом не попадает , так как их во время ионного легирования маскирует плёнка Si3N4 , консольно нависающая над углублениями после вытравливания кремния перед окислением.

Таблица

Обоснование технологической операции Эпитаксии

Эпитаксия-процесс ориентированного роста одного кристалла на поверхности другого таким образом , что растущий кристалл закономерно продолжает кристаллическую решётку имеющегося кристалла - подложки .При ориентированном нарастании вещества , гомотипного по структуре и незначительно отличающегося по составу от вещества подложки говорят об автоэпитаксии.

Качество автоэпитаксиальных слоёв кремния и экономичность процесса автоэпитаксии в целом определяются правильным выбором технологических условий - температуры, состава исходных компонентов , подаваемых в реактор , их количество .

Оптимальная концентрация SiCl4 в ПГС (m) составляет по экспериментальным данным 0,3 - 0,5 мольных % .Дальнейшее увеличение концентрации тетрахлорида кремния приводит к кристаллизации кремния в условиях больших пересыщений и формированию ЭС , имеющих высокую плотность дефектов кристаллической структуры .

В нашем случае возьмём m =0,4% .

Тогда соотношение гипотетических давлений неконденсирующихся атомов :

X=PCl / PH =4*m / [2*(100-m)] =4*0,4/[2*(100-0,4)]=8*10-3

Также по экспериментальным данным было установлено , что максимальный выход элементарного кремния из ПГС следует ожидать при температуре около Тэ=1473 К.

По разработанному в курсовой работе технологическому маршруту в процессе эпитаксии имеем систему Si - O - As .

T,K Температура эвтектики такой

1773 системы несколько ниже

1346 К , с концентрацией

1573 кислорода 8-12%(ат.) и

мышьяка в пределах 20-30%.

1373

1173

973

0 20 40 60 80 100

Si As,%(ат.) As

Анализ диаграммы фазовых равновесий на основе кремния, кислорода и мышьяка позволяет получить более чёткое представление о характере взаимодействия кремния с кислородом и мышьяком на поверхности нагретой подложки в процессе эпитаксии и представить физико-химическую природу образующихся фаз.

В нашем случае температура эпитаксии (1473 К) выше эвтектической (1346 К)

в системе Si-O-As и в условиях , близких к равновесным , имеют место следующие элементарные стадии :

диффузия реагирующих веществ к границе раздела фаз;

гомогенная реакция взаимодействия тетрахлорида кремния с водородом в СДС ;

диссоциативная адсорбция трихлорсилана ;

серия реакций на поверхности жидкой фазы ;

десорбция продуктов реакции и их диффузия в газовую фазу ;

растворение восстановленного кремния , легирующих добавок , примесей и кислорода в жидкой фазы ;

пересыщение жидкой фазы кремнием и сдвиг равновесия в сторону роста АЭС кремния на границе раздела фаз . Образующийся АЭС кремния содержит легирующую добавку и кислород в соответствии с эффективными коэффициентами распределения примесей между твёрдой и жидкой фазами ;

дальнейший рост АЭС кремния в результате диффузии кремния и примесей через слой жидкой фазы к поверхности монокристалла (подложки) .

Область температур , удовлетворяющая условию Тэ>Т*е и соответствующих протеканию процесса по механизму паржидкостьЭС в условиях , близких к равновесным , является наиболее благоприятной для получения ЭС кремния с высоким совершенством кристаллической структуры .

По номограмме зависимости отношения Cl/H от температуры [рис.8 , лит-ра 3] находим отношение числа атомов кремния и хлора , находящихся в равновесной ПГС , y=nSi /nCl=0,04.

С помощью y можно рассчитать равновесный выход кремния :

=1-4*y =1-4*0,04= 0,84

В итоге имеем y <0,25 и >0 , что характеризует процесс осаждения кремния .

В нашей системе при X=8*10-3 процесс эпитаксии начинается при Т=950 К .В данном случае осаждается аморфный кремний . При Т=1173-1223К появляется ориентированный рост(область тетраэдрических нарастаний ) . Далее при Т=1223-1273 К появляется сплошной слой , но при этом имеет место очень большое количество структурных дефектов . При Т >1273 К количество дефектов уменьшается . И наконец при Т >Т*е качество слоёв кремния резко улучшается (наилучшие условия). При Т > 1553 К срывается процесс кристаллизации жидкой фазы .

Заключение

Использование изопланарного процесса для изготовления полупроводниковых ИМС расширяет функциональные возможности ИМС вследствие получения различных по структуре и параметрам транзисторов и резисторов . В таких ИМС достигается очень высокая плотность размещения элементов , так как уменьшаются вдвое по сравнению с планарно-эпитаксиальными размеры транзисторов и уменьшается площадь под изолирующие области . Кроме того , при изопланарной технологии ограничена диффузия в боковом направлении и обеспечивается самосовмещением фотошаблона с подложкой при фотолитографии . Поэтому изопланарный технологический процесс является наиболее перспективным и целесообразным для изготовления быстродействующих полупроводниковых ИМС и запоминающих устройств . По изопланарной технологии изготавливают быстродействующие биполярные ОЗУ и ПЗУ ёмкостью до 64 К бит и 16-разрядные микропроцессорные наборы. Её использование для изготовления инжекционных логических схем (И3Л-технология) позволило резко улучшить характеристики многоколлекторных транзисторов при сохранении малой занимаемой площади и высокой плотности размещения элементов .

Достоинством технологии ИЗОПЛАНАР является снижение в два -три раза паразитной ёмкости и улучшение частотных характеристик ИС .

Недостаток состоит в продолжительном процессе окисления (18 ч при Т=1000К или 14-16 ч при Т=1273 К), что нарушает концентрационные профили распределения легирующих примесей в структуре . При использовании комбинированной изоляции при толщине окисла 2 мкм значительно увеличивается тепловое сопротивление транзисторов ( до 373 К/ Вт). Электрическая прочность окисла не позволяет применять рабочее напряжение в полученных структурах боле 10 В.

При рассмотрении отдельно операции эпитаксии были получены результаты , которые удовлетворяли оптимальным условиям процесса автоэпитаксии кремния из ПГС [ SiCl4+H2+AsH3] . А оптимальные условия выглядят так :

Температура выше эвтектической в системе кремний - кислород - мышьяк ;

Cкорость роста ниже критической для заданной ориентации подложки , как правило , 0,017 мкм/с при концентрации SiCl4 в водороде до 1 мольного % .

Такие ЭС кремния имеют плотность дефектов роста и плотность дислокаций ниже 106 см -2 .

Хлоридный метод имеет большое значение в технологии МЭ , поскольку является в настоящее время единственным промышленным методом , позволяющим получать АЭС кремния с параметрами , удовлетворяющими современной МЭ. Широкое применение его связано с доступностью получения высокочистого SiCl4 и H2 , изученностью процесса восстановления кремния из тетрахлорида , cравнительно низкими затратами , относительной безопасностью процесса и возможностью управления его основными параметрами .

Литература

Физико - химические основы технологии микроэлектроники. Чистяков Ю. Д., Райнова Ю.П. : Учебное пособие для вузов.-М.: Металлургия ,2009.

Ефимов И.Е., Козырь И.Я., Горбунов Ю.И. Микроэлектроника. Физические и технологические основы , надёжность : Учеб. пособие для приборостроит.спец. вузов. -М.: Высшая школа , 2006

Акулёнок М.В. Методические указания для практических занятий по курсу «ФХОТМ». М.: МИЭТ, 2007.

Акулёнок М.В. Эпитаксиальные процессы в технологии микроэлектроники. Учебное пособие по курсу «ФХОТМ». -М.: МГИЭТ(ТУ) , 2008.

Глазова Г.И., Исакина C.Г., Ревелева М.А. Лабораторный практикум по курсу «Математическое моделирование технологических процессов»/ Под ред. М.А. Ревелевой . МГИЭТ(ТУ) , 2005.

Методы изоляции активных элементов п/п ИС. Матына Л.И., Щербинин , Чистяков Ю.Д., МИЭТ , 2007.

Размещено на Allbest.ru