Планарный метод изготовления транзисторов

Последовательность операций при изготовлении транзистора по планарной технологии

Пример изготовления биполярного n-p-n транзистора представлен на рис. 5.10. В качестве подложки используется пластина монокристаллического кремния с избыточной электронной проводимостью (n-Si). На ней термическим окислением создают пленку SiO₂, в которой литографией формируют окна (создают маску) для введения (диффузии) акцепторной примеси (например, В). В результате образуется базовая область транзистора (р-Si). Затем пластину снова окисляют и во вновь образованной пленке SiO₂ повторной литографией создают окна для введения донорной примеси (например, Р ) в только что сформированную базовую область (для создания эмиттера) и в исходную пластину (для формирования невыпрямляющего контакта к коллектору). После третьего цикла окисление — литография в пленке SiO₂ вскрывают окна к областям базы, эмиттера и коллектора и на всю поверхность пластины наносят (напылением в вакууме) слой металла (чаще Al). Проводя четвертый раз литографию по пленке Al, формируют контакты к соответствующим областям транзистора, проводники и контактные площадки. После вжигания контактов (при температуре 500 0 ) и контроля параметров транзисторов пластину разрезают на кристаллы (чипы), каждый из которых содержит один транзистор. Чипы помещают в корпус и присоединяют к внешним выводам корпуса. Затем корпус герметизируют для защиты транзистора от внешней среды.

Рис. 5.10 . Изготовления биполярного n-p-n транзистора

Рассмотренный “ классический” метод планарной технологии не годится для изготовления мощных транзисторов из-за высокого сопротивления коллекторной области. Этот недостаток исключается при использовании планарно-эпитаксиальной технологии.

Планарно-эпитаксиальная технология

Планарно-эпитаксиальная технология включает операцию эпитаксиального наращивания на поверхности подложки тонкого (7 мкм) низкоомного Si-эпитаксиального слоя (n + -Si) с очень сильным легированием, который шунтирует менее легированный (высокоомный) коллекторный слой (n -Si). Таким образом, можно получить транзисторы с низким омическим сопротивлением коллекторной области (большой мощности) и с весьма тонкой базовой областью (высоким быстродействием).

. Изготовление полевых транзисторов по планарной технологии

Для изготовления полевых транзисторов на поверхности полупроводниковой подложки (с проводимостью р-типа и удельным сопротивлением

10 8 Ом х см) эпитаксиальным наращиванием создают канал (n-типа) толщиной

0,1-0,5 мкм и концентрацией электронов

10 17 1/cм 3 . Затвор формируют наращиванием нового эпитаксиального слоя или диффузией примеси. Сток и исток представляют собой омические контакты с эпитаксиальным слоем.

Функциональные возможности планарной технологии

Классическая планарная и планарно-эпитаксиальная технология используется в основном для изготовления дискретных приборов. При изготовлении интегральных микросхем возникают дополнительные проблемы, связанные с изоляцией элементов и необходимостью создания в одной микросхеме нескольких типов активных (транзисторов, диодов) и пассивных (резисторов, конденсаторов) элементов. В микросхемах эти элементы формируются путем комбинированного соединения транзисторов разных типов друг с другом. Такая комбинация обладает различными емкостными, резистивными или выпрямляющими свойствами. Часто запертые Р-n- переходы транзисторов используют как конденсаторы, а сами транзисторы — в качестве нагрузочных или гасящих резисторов. Функциональные возможности микросхем возрастают при включении транзисторов с общей базой, общим коллектором или с общим эмиттером. Такие приемы, однако, усложняют технологию и увеличивают разброс параметров. На рис. 5.11 представлены структуры навесного (дискретного “а”) и интегрального (б) транзисторов, а также некоторые пассивные элементы в поле микросхемы (в)

Рис. 5.11. Структуры транзисторов и пассивные элементы в поле микросхемы

Контактные области транзисторов создаются методом металлизации в вакууме путем напыления пленки толщиной

Источник

8.2.2. Групповой метод. Планарная технология

В основу получения полупроводниковых приборов (в т.ч. ИС) положены групповой метод и планарная технология, освоенные еще в доинтегральное время при производстве дискретных полупроводниковых приборов.

Групповой метод. Сущность группового метода состоит в том, на одной исходной кремниевой пластине (описанной ранее) одновременно изготавливаются множество транзисторов, регулярно расположенных по поверхности пластины. При этом все выводы всех транзисторов должны находиться на этой поверхности. Такую возможность обеспечивает особая планарная технология.

Планарная технология. Эта технология характерна тем, что все рабочие слои и все рабочие выводы (электроды) планарных приборов расположены на одной поверхности кристалла (чипа). Планарный транзистор приведен на рис. 1.2б. Однако на практике планарную технологию принимают более узко как технологический цикл создания кремниевых приборов и ИС с использованием локальной диффузии, эпитаксии и оксидных масок. Этот технологический цикл будет рассмотрен более подробно. После изготовления транзисторов кремниевая пластина – подложка разрезается по вертикали и горизонтали на множество отдельных кристаллов (чипов), содержащих по одному транзистору. Размеры чипов находятся в пределах от 1,5х1,5 мм до 6х6 мм и выше. По мере усовершенствования технологии размеры чипов имею тенденцию к увеличению. Чем больше площадь чипа, тем больше может быть размещено на нем транзисторов. Однако увеличение пощади чипа связанно с существенным увеличением трудностей в технологии [1]. После разрезания чип с транзистором помещают в отдельный герметизированный корпус с внешними выводами. Внешние выводы соединяют с контактной площадкой на чипе. Из готовых транзисторов получают электрическую схему функционального узла, соединяя транзисторы и другие компоненты схемы пайкой.

Идея интеграции состоит в том, что на исходной кремниевой пластине – подложке вместо множества отдельных транзисторов получают множество отдельных «комплектов». Каждый «комплект» содержит все компоненты (транзистора, диоды, резисторы и т.д.), необходимые для построения функционального узла. Эти компоненты соединяются между собой в электрическую схему при помощи напыления на туже поверхность чипа металлических полосок межсоединений (см. рис. 8.2г).вот это и есть интегральная микросхема. Все ИМС тоже регулярно расположены на поверхности подложки (см. рис. 8.2е). Пластина – подложка с ИМС тоже разрезается на множество чипов. Каждый чип содержит одну ИМС. Чип помещается в герметизированный корпус внешними выводами. Микросхема готова. Технология получения дискретных транзисторов и ИМС почти одинакова, за исключением операции нанесения межсоединений в ИМС.

8.3. Планарно – эпитаксиальный цикл.

Для получения микросхем наиболее удобными оказались тонкие слои кремния, полученные методом эпитаксиального наращивания. Такие слои (пленки) называют эпитаксиальными. При этом весь цикл изготовления микросхем, включая последующие операции, называют планарно – эпитаксиальным. В качестве примера далее рассмотрим цикл изготовления очень простой микросхемы. Электрическая схема этой ИМС приведена на рис. 8.2д.

Источник

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.

Источник