Методы получения полупроводниковых пластин реферат

Обновлено: 02.07.2024

Наибольшее распространение в полупроводниковой электроники получили четыре вида интегральных микросхем: тонкопленочные микросхемы, гибридные, твердые (монтажные) и совмещенные, основанием которых служит подложка выполненная из диэлектрического или полупроводникового материала (стекло, керамика, кварц, кремний, германий, сапфир, ситалл, анодированный алюминий и др.).

Подложкой принято называть изоляционный или полупроводниковый материал виде пластины, шайбы, бруска или диска, который служит общим основанием для расположения активных и пассивных элементов интегральной микросхемы.

Поверхность подложек, на которую наносят пассивные и активные элементы, подвергают специальной механической (шлифовка и полировка) и химической (травление и промывка) обработке.

Главной задачи механической обработки в производстве полупроводниковых приборов является получение заготовок необходимых размеров, формы и профиля с требуемым качеством поверхности. Эта задача решается путем разрезания слитков на пластины, шлифование и полирование пластин, профилирование их поверхности различными механическими, механохимическими и физическими методами.

Полупроводниковые пластины и их параметры

К качеству поверхности пластин и кристаллов в полупроводниковой технике предъявляют жесткие требования, к которым относятся следующие:

1. Толщина пластин не должна отличаться от номинала более чем на ±10 мкм при среднем значении толщины 500 мкм для Si пластин диаметром 100 мм, 675 мкм для диаметра 150 мм и 900 мкм – диаметром 200 мм. Соблюдение этого требования необходимо для нормальной работы оборудования практически на всех операциях технологического процесса.

Отклонение диаметра Si пластин диаметром 100 мм и 150 мм ±0,5 мм. Кремневая пластина имеет вид:

Рис.1. Вид кремниевой пластины.

2. Точность ориентации кристаллической плоскости пластины должна находится в пределах ±0,5º, так как от этого зависит воспроизводимость процессов окисления, диффузии, имплантации примесей и т.д. Наиболее часто используют кристаллы, вырезанные по плоскостям (111) в биполярной и (100) в МДП-технологии.

3. Плоскопараллельность пластин регламентируется отклонением от плоскости не более ±5 мкм по всему диаметру пластины.

4. Сведение к минимуму или полное отсутствие механически наружного слоя. Это требование связано с малой глубиной залегания диффузионных или имплантированных p-n переходов.

Полупроводниковые пластины. Методы их получения

Современные полупроводниковые приборы и интегральные микросхемы представляют собой чрезвычайно сложные устройства, отдельные компоненты которых имеют размеры не более доли микрометра. Изготовление таких устройств осуществляется на монокристаллических полупроводниковых пластинах с использованием фотолитографии. Полупроводниковые пластины, предназначенные для формирования изделий микроэлектроники, характеризуются сoвepшенной атомной структурой и высокой геометрической точностью обеспечения этих качеств разработана оригинальная технология механической, химической и химико-механической обработки моно-кристаллических материалов, создано прецизионное оборудование, зачастую не имеющее аналогов в других отраслях народного хозяйства. Обработка полупроводниковых пластин требует высокой квалификации операторов и обслуживающего персонала, неукоснительного соблюдения технологической дисциплины и обязательного поддержания особой чистоты применяемых материалов и вакуумной гигиены в производственных помещениях.

Фотолитографические процессы — важнейшая составная часть технологии изготовления микроэлектронных приборов. Именно они обеспечивают формирование элементов структур с субмикронными размерами и хорошую их воспроизводимость. На современном обо- рудовании достигается разрешающая способность, позволяющая получать несколько тысяч линий на миллиметр. Необходимым условием качественной фотолитографии является наличие бездефектных высокоточных фотошаблонов.

§ 1. ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ О ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССАХ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОРОВ И МИКРОСХЕМ

Общая схема технологического процесса

Возникновение современной технологии полупроводниковых приборов относится к 1957−1958 гг., когда были открыты локальная диффузия по оксидной маске и фотолитография. Сочетание этих методов заложило основу планарной ( plane — плоскоcть) технологии полупроводниковых приборов и интегральных микросхем (ИМС). В настоящее время она является доминирующей технологией полупроводникового производства.

Планарную технологию применяют для создания твердотельной структуры, содержащей полупроводниковый кристалл с определеннным распределением легирующих элементов ( p-n — переходов), систему внутренних соединений с диэлектрической изоляцией, а также для формирования внешних выводов этой структуры и ее защиты.

Общая технологическая схема процессов производства полупроводниковых приборов показана на рис. 1. Она включает комп лексы подготовительных процессов, процессов групповой и индивидуальной обработки.

В комплекс подготовительных процессов входят: инженерное проектирование схемы, разработка ее топологии и соответствующего комплекта фотошаблонов, а также ряд заготовительных операций — подготовка полупроводниковых подложек, корпусов приборов и др.

Фотолитографические процессы - важнейшая составная часть технологии изготовления микроэлектронных приборов. Именно они обеспечивают формирование элементов структур с субмикронными размерами и хорошую их воспроизводимость. На современном обо- рудовании достигается разрешающая способность, позволяющая получать несколько тысяч линий на миллиметр.
Необходимым условием качественной фотолитографии является наличие бездефектных высокоточных фотошаблонов.

§ 1. ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ О ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССАХ ИЗГОТОВЛЕНИЯ

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОРОВ И МИКРОСХЕМ

Общая схема технологического процесса

Возникновение современной технологии полупроводниковых приборов относится к 1957-1958 гг., когда были открыты локальная диффузия по оксидной маске и фотолитография. Сочетание этих методов заложило основу планарной ( plane - плоскоcть ) технологии полупроводниковых приборов и интегральных микросхем (ИМС). В настоящее время она является доминирующей технологией полупроводникового производства.

Планарную технологию применяют для создания твердотельной структуры, содержащей полупроводниковый кристалл с определеннным распределением легирующих элементов ( p-n - переходов ), систему внутренних соединений с диэлектрической изоляцией, а также для формирования внешних выводов этой структуры и ее защиты.

В комплекс подготовительных процессов входят: инженерное проектирование схемы, разработка ее топологии и соответствующего комплекта фотошаблонов, а также ряд заготовительных операций - подготовка полупроводниковых подложек, корпусов приборов и др.

Формирование самой структуры прибора происходит при групповой обработке, которая состоит из процессов окисления, диффузии примесей, эпитаксии, вакуумного напыления, фотолитографии и технохимической обработки. Развернутая схема групповой обработки пластины при формировании прибора на примере эпитаксиально-планарной структуры представлена на рис.
2. Показанная на схеме часть технологического процесса изготовления приборов связана с одновременным получением множества идентичных структур
(кристаллов) на одной полупроводниковой пластине. Цикл групповой обработки заканчивается получением межсоединений на поверхности кристаллов пластины.

В индивидуальную обработку входят сборочно-контрольные процессы
(разделение групповой пластины на отдельные кристаллы, монтаж кристаллов в корпусах, приварка выводов, герметизация, контроль, механические и климатические испытания,окраска, маркировка и упаковка). Отдельные этапы технологического процесса групповой обра

ботки - фотолитография, диффузия, контроль и др. - включают до

Рис. 1 Общая схема процессов производства полупроводниковых приборов

десяти операции, выполняемых по типовым операционным картам и технологическим инструкциям. Общее число операций изготовле- ния ИМС (без учета подготовительных операций) может достигать 150 ,а продолжительность полного цикла обработки составляет около 100 ч.

Особенностью конструкции полупроводниковых приборов является сверхминиатюрность их элементов. Толщина диэлектрических и металлических покрытий этих приборов обычно не превышает 1 мкм, а толщина активных областей структур составляет десятые доли микрометра. Так, толщина базы СВЧ- транзистора может составлять 0,1 , а эмиттера - О,15 мкм .

Рис.2 Схема технологического процесса изготовления эпитаксиально-планарной структуры ИМС (групповая обработка) с транзисторами n-р-n -типа

Следует также учитывать, что при изготовлении этих приборов производят большое число сложных последовательных операций над одним и тем же кристаллом, что сказывается на проценте выхода годных приборов. В полупроводниковом производстве суммарный процент выхода годных приборов зависит от процента их выхода на отдельных этапах технологического цикла:
Nсумм= (N0/100)n*100, где No - средний процент выхода годных структур на единичной операции технологического цикла, n - число oпераций цикла.

Таким образом, если технологический цикл изготовления прибора содержит 100 операций,то даже при N0=95 % Nсумм=1,6 %. Поэтому следует помнить , что процент выхода годных полупроводниковых приборов и их качество в значительной степени зависят не только от совершенства технологии, но и от мастерства рабочего, выполняющего ту или иную технологическую операцию.

§ 2. Характеристика технологических операций

Подготовка полупроводниковых подложек.

Эта операция относится к заготовительным процессам изготовления приборов, Слитки полупроводниковых материалов диаметром 100 мм и более режут перпендикулярно их продольной оси на пластины толщиной до 1 мм. После этого пластины шлифуют до устранения неровностей и нарушенного слоя. При шлифовке последовательно применяют более тонкие шлифовальные составы, чтобы свести к минимуму нарушения кристаллической структуры пластины. В планарной технологии все элементы полупроводниковых приборов создаютcя в приповерхностной области подложки, поэтому качество и состояние поверхности пластины имеют важное значение. Поверхность пластины полируют для окончательного снятия с нее дефектов и доведения ее до необходимой чистоты.
Для этого применяют различные способы полирования: механический, химический, химико-механический, электрохимический и плазмо-химический.
Для окончательной подготовки рабочей поверхности пластины служит химическая обработка, назначение которой заключается в удалении загрязнений, о статков оксидов и в обезжиривании. В технологическом процессе изготовления приборов химическую обработку подложек используют многократно. Подготовка подложек, как правило, не связана с выпуском конкретных приборов и практически не влияет на длительность периода запуска прибора в производство, однако во многом определяет возможности технологии.
Особенностью планарной технологии является повторение одно-типных технологических операций, которые можно проследить по технологической схеме процесса, приведенного на рис. 2. Изменение количества таких последовательностей дает возможность производить любые планарные приборы
(от простых диодов до сложных интегральных схем). При этом основа операций часто остается неизменной, а изменяются только технологические режимы и фото-шаблоны, используемые для фотолитографии. Каждая последовательность формирует определенную часть структуры: базовую или эмиттерную область, контакты и т. д. Последовательность изменения структуры полупроводникового кристалла при формировании энитаксиально-планарного n- р-n - кремниевого транзистора показана на рис. 3. Исходная эпитаксиальная структура представляет собой кремниевую пластину 2, на поверхности которой выращен эпитаксиальный слой кремния 1

[pic]
Рис. 3. Технологическая схема изготовления n-р-n-эпитаксиально-планарного кремниевого транзистора: а - исходная эпитаксиальая структура, б - структура с защитной оксидной пленкой, в - фотолитография и диффузия базы, г - окисление, фотолитография и диффузия эмиттера, д - формирование металлических контактов; 1 - эпитаксиальный слой, 2 - кремниевая пластина, 3 - защитная пленка оксида кремния, 4 - р-область базы. 5 - n
-область эмиттера, 6 - металлические контакты

Рекомендуем скачать другие рефераты по теме: реферат этикет, план конспект урока, реферати українською.

При изготовлении большинства полупроводниковых приборов применяют монокристаллические материалы. Это объясняется тем, что подвижность и время жизни свободных носителей заряда в монокристаллах выше, чем в поликристаллическом материале, который к тому же обладает и значительной неоднородностью свойств.

Процент выхода годных полупроводниковых приборов, их характеристики зависят от степени очистки, однородности исходного материала, степени его легирования и др. Наиболее жесткие требования к полупроводниковым материалам предъявляют при производстве транзисторов и интегральных схем. В таких приборах, как фото- и терморезисторы, допускается использование поликристаллических аморфных веществ.

Основными методами получения монокристаллов полупроводников являются: выращивание из расплава, метод зонной перекристаллизации и выращивание из газообразной фазы. В ряде случаев применяют метод выращивания из раствора и другие методы.

Метод выращивания монокристаллов из расплава (метод Чохральского), как правило, обеспечивает высокие скорости выращивания и получение больших по размеру кристаллов. Сущность метода заключается в том, что в тигель с расплавленным материалом 9 опускают монокристаллическую затравку 7 (рис.3.27). После оплавления затравки, которое обеспечивает хорошее ее смачивание расплавом, затравку медленно поднимают. Жидкость, тянущаяся за затравкой, попадая в область более низких температур, затвердевает, продолжая кристаллическую структуру затравки.

При вытягивании кристалла затравку или тигель вращают, чтобы не происходил преимущественный рост кристалла в какую-либо сторону из-за возможной боковой разности температур. Кроме того, вращение кристалла относительно тигля производит размешивание расплава в тигле.

При выращивании из расплава монокристаллов полупроводниковых соединений пользуются методом Бриджмена-Стокбаргера. Нагреватель в этой установке устроен таким образом, что по его длине создается определенный градиент температуры (рис. 3.28).

При выращивании кристаллов разлагающихся соединений тигель с веществом помещают в запаянную ампулу, в которой поддерживается необходимое давление паров летучего компонента. В положении 1 содержимое тигля расплавлено. По мере дви

жения тигля вдоль печи в область более низких температур происходит постепенное охлаждение расплава и направленная его кристаллизация.

Метод зонной перекристаллизации (плавки) для получения монокристаллов состоит в том, что плавление поликристаллического слитка, помещенного в тигель, осуществляется с помощью нагревателя, создающего короткую зону, температура которой выше, чем температура плавления вещества.

Схема установки приведена на рис. 3.29. Если на одном конце слитка поместить монокристалическую затравку и перемещать нагреватель от этого конца к другому, то остальная часть слитка, последовательно расплавляясь в зоне и затем кристаллизуясь, будет продолжать структуру затравки.

Метод зонной плавки широко применяют прежде всего как один из эффективных методов очистки полупроводниковых материалов от примесей. Очистка полупроводников этим методом основана на том, что примеси неодинаково растворимы в твердой и жидкой фазе основного вещества. Наиболее распространен случай, когда растворимость примеси в жидкой фазе больше, чем в твердой. Тогда расплавленная зона при движении будет захватывать примесь и переносить ее в конец слитка. Этот процесс движения зоны (в том же направлении) можно повторять несколько раз, сгоняя примесь в конец слитка. Подобный результат может быть достигнут, если создать сразу несколько зон. Каждая из них на своем пути захватит определенное количество примеси и перенесет ее в конец слитка, который затем обрезается.

Обычно в качестве материала тигля используют плавленый кварц, графит, тугоплавкие оксиды алюминия или магния. Однако для таких реакционноспособных полупроводников, как кремний, зонная перекристаллизация оказалась эффективной лишь при бестигельной зонной плавке, которая в настоящее время осуществляется несколькими способами. Наиболее распространенным является метод плавающей зоны, который состоит в том, что расплавленная зона удерживается силами собственного поверхностного натяжения между двумя вертикальными твердыми заготовками, расположенными строго по одной линии (возможна поддержка индуцированным током и др.).

Из газообразной фазы выращивают главным образом монокристаллы полупроводниковых соединений. Существует несколько таких способов.

Для выращивания монокристаллов бинарных полупроводниковых соединений из газовой фазы используется метод взаимодействия исходных компонентов (рис. 3.30). Выращивание монокристалла производится в потоке нейтрального газа или водорода. При этом применяют трехсекционную печь, причем две крайние секции используют для испарения компонентов. Средняя печь предназначена для поддержания необходимой температуры в реакторе, где происходит смешивание паров компонентов и их реакция. Температура в реакторе ниже, чем температура плавления образующегося соединения. Это вызывает конденса

цию соединения на стенках реактора в виде кристаллов.

Другим распространенным способом выращивания из газовой фазы является метод сублимации (рис. 3.31). В тигель помещают исходный материал, который затем испаряется. Пары вещества переносятся в зону роста кристаллов (зона 3) транспортирующим газом.

Качество и состав кристаллов, выращенных из газообразной фазы указанными методами, зависят от выбора температурных режимов испарителей и реактора.

Срочно?
Закажи у профессионала, через форму заявки
8 (800) 100-77-13 с 7.00 до 22.00

Читайте также: