MASARYKOVA UNIVERZITA

Transkript

1 MASARYKOVA UNIVERZITA Přírodovědecká fakulta Ústav fyziky kondenzovaných látek DIPLOMOVÁ PRÁCE Příprava polovodičových součástek křemíkovou technologií Bc. Michal Truhlář Vedoucí diplomové práce: doc. RNDr. Petr Mikulík, Ph.D. Brno 2011

2 2 Oficiální zadání práce Téma/varianta: Příprava polovodičových součástek křemíkovou technologií Název anglicky: Preparation of semiconductor devices by silicon technology Vedení: RNDr. Petr Mikulík, Ph.D., učo 855 (vedoucí) RNDr. Luděk Bočánek, CSc., učo 1799 (konzultant) Oficiální zadání: Nově vybudovaná Laboratoř polovodičů - čisté prostory pro křemíkovou technologii a mikroelektroniku obsahuje zařízení, která umožňují vyrobit polovodičové součástky na křemíkové desce, jako např. rezistory, induktory, kondenzátory, diody a tranzistory. Cílem diplomové práce bude provést a zdokumentovat postup této přípravy (na základě doposud zpracovaných návodů do praktik) a optimalizovat postup přípravy. Na vyrobených součástkách bude analyzován vliv parametrů technologického procesu na jejich fyzikální vlastnosti pomocí elektrických měření. Tyto výsledky budou porovnány s počítačovými simulacemi součástek. Související webová stránka:

3 3 Michal Truhlář, Masarykova univerzita (Brno, Czech Republic) 2011

4 4 Prohlašuji, že jsem svou diplomovou práci napsal samostatně a výhradně s použitím citovaných pramenů. Souhlasím se zapůjčováním práce a jejím zveřejňováním. V Pršticích dne 10. ledna 2011 Michal Truhlář

5 5 Rád bych předně poděkoval vedoucímu své práce, doc. RNDr. Petru Mikulíkovi, Ph.D. za trpělivost, ochotu, konzultace a praktickou pomoc a rady, které mi poskytl. Dále bych rád poděkoval Ing. Milanu Kučerovi za praktickou pomoc a vedení v laboratoři čistých prostor, Ing. Jiřímu Špinkovi za rady a pomoc při sestavování návodu na měření v praktiku a Ing. Martinu Adámkovi, Ph.D. za poskytnutí fotografií a videí z praktika VUT. V neposlední řadě bych rád poděkoval všem studentům VUT, se kterými jsem spolupracoval při získávání výsledků měření. Na závěr bych chtěl poděkovat své snoubence, rodině a přátelům, bez jejichž pomoci a podpory by tato práce zajisté nevznikla.

6 6 ANOTACE: V předkládané práci se věnuji technologiím a procesům, používaným v Laboratoři polovodičů čistých prostorách pro křemíkovou technologii a mikroelektroniku na Ústavu fyziky kondenzovaných látek (ÚFKL) Masarykovy univerzity a dále pak strukturám a součástkám, které byly vyrobeny v této laboratoři. Osobně jsem připravil několik křemíkových desek se třemi fotolitografickými kroky. V návaznosti na výrobu součástek jsem zprovoznil stanici hrotového měření mimo oblast čistých prostor a vytvořil jsem návod měření na této stanici. Díky tomu bylo možné rozšířit výuku v Laboratoři polovodičů o další úlohu měření. Zprovoznění stanice umožňuje provést měření základních elektrických vlastností vyrobených součástek a vyhodnotit tak úspěšnost výroby. KLÍČOVÁ SLOVA: Čisté prostory, fotolitografie, polovodičové součástky, stanice hrotového měření

7 7 ABSTRACT: In the presented work I devote myself to study of technology and processes used in the Laboratory of Semiconductors Clean room for silicon device technology and microelectronics at the Department of Condensed Matter Physics (ÚFKL) at Masaryk University. I focus on structures and components that are developed in this laboratory. Using a process with three photolitography steps I have processed a number of silicon wafers with a predefined structure. Further I have commissioned a workstation for probe measurements of devices outside of the clean room and created a measurement manual for this workstation. This allowed us to enhance teaching in the Laboratory of Semiconductors by a new task the electrical measurement. Launching of the workstation enables the measurement of principal electrical properties (resistivity, capacity, V-A characteristics) of produced devices in order to evaluate the success of their production. KEYWORDS: clean room, photolithography, semiconductor devices, probe measurement workstation, electrical measurement

8 8 0 Obsah 0 Obsah Úvod Technologie používané v laboratoři polovodičů na ÚFKL Křemíková deska wafer Oxidace Termická oxidace Model procesu oxidace - Deal-Grove Simulace růstu oxidu Fotolitografie Fotorezist Rozlišení fotolitografie dle typu expozice Difúze příměsí Fyzikální popis driftu a difúze Distribuce příměsí v objemu polovodiče Tok příměsí Měření tlouštěk Měření spektrální závislosti Měření tloušťky neprůhledných vrstev Praktika v Laboratoři polovodičů Popis praktika Technologický postup Průběh praktika Popis základních součástek Standardní dioda s kruhovým designem

9 Dioda s velkým poměrem obvod/plocha Dioda s Gate nad PN přechodem Standardní kondenzátor s kruhovým designem Laterální tranzistor Difúzní rezistor Soupis ostatních součástek Klasická kelvinovská struktura pro měření kontaktního odporu Vertikální had Cross bridge pro měření vrstvového odporu Planární odpor kontaktovaný čtyřbodově Proužky pro konstrukční analýzu Optická mřížka Stanice hrotového měření Hroty Vícenásobný sonda tester AVT Podložní stolek Rameno s upevňovacím ringem Mikroskop Ovládací jednotka Charakteroskop TR Měřící jednotka TR Charakteroskopu TR Měření elektrických parametrů součástek Nastavení měření Rezistor Tranzistor

10 Dioda Kondenzátor Výsledky měření Výsledky měření na mých deskách Výsledky měření pořízených při měření desek VUT Závěr Příloha Obsah přiloženého CD Tabulka tříd čistoty Doporučené použití fosforových disků pro difúzy Ukázka naměřených hodnot na charakteroskopu Návod: Hrotové měření ÚFKL PF Seznamy Seznam obrázků Seznam tabulek Seznam grafů Seznam použitých zkratek Literatura

11 11 1 Úvod V dubnu 2007 byla v prostorách Přírodovědecké fakulty Masarykovy Univerzity na Ústavu fyziky kondenzovaných látek ve spolupráci se společností ON Semiconductor Czech Republic otevřena Laboratoř polovodičů čisté prostory pro křemíkovou technologii a mikroelektroniku (pozn.: dále jen Laboratoř ). Laboratoř se nachází ve třech místnostech s celkovou rozlohou 120 m 2. Projekt Laboratoře počítal s třídou čistoty Class 1000 (ISO 6), naměřená hodnota třídy čistoty je Class 100 (ISO 5). Laboratoře jsou vybaveny technologicky a přístrojově tak, aby v nich bylo možné připravovat jednoduché polovodičové součástky. Tyto součástky jsou vyráběny i v rámci výuky v prakticích, které dle složitosti a časové náročnosti obsahují několik technologických procesů. Hlavním cílem mé práce bylo zmapovat nejčastěji používané technologie, procesy a součástky připravované a používané během výuky, která probíhá v čistých prostorách ve spolupráci s FEKT VUT v Brně. Druhým cílem mé práce bylo sestavit a zprovoznit stanici na hrotové měření a vytvořit návod pro měření, ke kterému je tato stanice využívána. Výsledkem zprovoznění této měřící stanice bylo rozšíření možnosti výuky v Laboratoři o proměřování vytvořených součástek a ověření jejich funkčnosti. Obsahem této práce je tedy i rozšířený návod na měření na této stanici. V rámci své práce jsem se opakovaně účastnil výuky výše zmíněných praktik VUT a vyrobil jsem několik křemíkových desek, na jejichž povrchu jsou vytvořené funkční a měřitelné součástky. Vyrobená deska je součástí této práce a je umístěna na zadním přebalu. Některé vybrané součástky byly následně mnou proměřeny. V rámci měření jsem zmapoval funkčnost několika typů součástek na mých deskách. Bylo vybráno několik jednotlivých čipů v různých místech desky a ověřena reprodukovatelnost výsledků měření. Tyto mnou naměřené výsledky byly následně porovnány s výsledky měření na deskách vyrobených studenty FEKT VUT v rámci jednoho ročníku. V této práci jsou dále obsaženy i hodnoty měření součástek na deskách studentů, kteří proměřovali stejné součástky ve druhém roce. Bohužel v době dokončování této práce ještě nebyly poskytnuty výsledky z většího

12 12 počtu měření, neboť termín pro odevzdání výsledků měření byl stanoven až po termínu odevzdání této práce. Díky možnosti získat data ze dvou po sobě jdoucích ročníků měření vyrobených součástek bylo možné ověřit nejen jejich funkčnost, ale i stabilitu postupu a parametrů vyrobených součástek. Porovnání těchto výsledků včetně jejich vyhodnocení je další součástí této diplomové práce. Součásti zadání bylo i vytvoření počítačových simulací vyráběných součástek. V rámci sbírání podkladů pro diplomovou práci jsem využil možnosti letní pracovní stáže u firmy ON Semiconductor v Rožnově pod Radhoštěm na oddělení výzkumu a vývoje detektorů. Zde jsem pracoval především na zadaných úkolech v rámci 2D procesních simulací vyvíjených struktur. Dále mi zde byl poskytnut jistý přístrojový čas na přípravu simulací využitelných pro tuto práci. Modelace a následná simulace jednotlivých součástek by vyžadovala 3D (či případně 2D) přístrojovou simulaci. Simulace tedy nebyla ve finále provedena z důvodu nároků na znalost jiných programovacích prostředků, nároků na přístrojové vybavení a přístrojový čas. Jedna 3D modelace jedné součástky vyžadovala zatížit výpočetní stanice v řádu desítek až stovek přístrojových hodin. Ve finále byla provedena pouze 2D simulace růstu oxidu na povrchu křemíkové desky. Tato simulace růstu oxidu a její srovnání s naměřenými hodnotami v prostorách Laboratoře čistých prostor na ÚFKL PřF MU jsou pak součástí této práce. Následující kapitola dále obsahuje fyzikální popis jednotlivých technologií používaných během přípravy součástek. V popisu technologií jsou uvedeny vždy jen základní informace, neboť podrobný popis každé z nich vydá na samostatnou knihu. Jejich využívání by si však určitě zasloužilo zpracovat v rámci jiných samostatných, úzce zaměřených prací. V další části práce se věnuji popisu většiny součástek vyráběných v rámci praktika VUT. Každá součástka je doplněna o fotografie, na kterých je demonstrováno její umístění v rámci čipu, případně zda je daná součástka funkční či nikoliv. Fotografiím a popisu součástek je věnována celá kapitola, fotografie jsou proto záměrně vyčleněny z přílohy a použity v textu.

13 13 Do přílohy jsem zařadil CD, na které jsem umístil jednak tuto práci v elektronické podobě, dále pak mnou dříve publikované materiály, zvětšené schéma struktury jednoho vyráběného čipu a několik dalších materiálů včetně fotografií.

14 14 2 Technologie používané v laboratoři polovodičů na ÚFKL 2.1 Křemíková deska wafer Pro výrobu polovodičových součástek se v dnešní době používá převážně křemíková technologie. Jako substrát pro výrobu jsou tedy použity křemíkové desky. Nejinak je tomu i v případě Laboratoře. Křemíkové desky jsou již nakupovány v podobě a kvalitě vhodné pro použití v Laboratoři. Základním dělením křemíkových desek (pozn.: dále jen deska") je dělení podle jejich průměru: od 25,4 mm (1") do 300 mm (11,8"). V čistých prostorách MU se používají 4" desky, pro jejichž zpracování je Laboratoř vybavena. Velikost desek se historicky stále zvětšuje s cílem zvýšit výtěžnost materiálu. Se vzrůstajícím počtem vytvářených čipů na jedné desce, tedy s klesající velikostí čipu, je pak možné dosáhnout větší výtěžnosti právě růstem průměru desky. V současnosti se již objevují návrhy na velikost dalšího standardu, a to 450 mm (18") desek. Jednotlivé standardní velikosti desek jsou uvedeny v tabulce 2.1. [28] Tabulka 2.1 Používané standardy výroby křemíkových desek [28] Průměr desky Tloušťka Hmotnost [mm] [inch] [µm] [g] 1 50, ,3 76, , , , , , , ,1

15 15 Hmotnost desky [g] Průměr desky [inch] Graf 2.1 Graf závislosti hmotnosti na průměru desky [28] Rozměry desky mají vliv nejen na výtěžnost čipů, ale i na požadavky na přístrojové vybavení a kvalitu jednotlivých procesů. Se vzrůstající velikostí nám tedy roste i velikost reakčního prostoru, na kterém je potřeba udržet homogenní podmínky. Hmotnost desky nás pak omezuje i při manipulaci: s rostoucí hmotností totiž roste také moment setrvačnosti desky. Dalším parametrem, který je potřeba se vzrůstající velikostí brát na vědomí, je i tepelná kapacita desky a nutnost hlídání případných teplotních gradientů. Technologické procesy použité během výroby také mohou se vzrůstající velikostí desky ovlivnit její rovinnost. 2.2 Oxidace Jedním ze základních postupů při výrobě polovodičových součástek je oxidace - proces, kdy se za přítomnosti kyslíku vytvoří tenká vrstva oxidu, nejčastěji oxidu křemíku (SiO 2 ) na povrchu desky. Oxid křemíku má několik využití: 1) Slouží jako krycí vrstva proti případné implantaci či difúzi dopantu do křemíku. 2) Používá se k pasivaci povrchu. 3) Izoluje mezi sebou jednotlivé součástky je dielektrickým izolantem. 4) Využívá se jako komponenta při výrobě MOS struktur.

16 16 5) Využívá se jako elektrický izolant při přípravě multivrstevných metalizačních systémů. Vlastní růst oxidu pak probíhá oběma směry od původní hranice křemíku. Atomy kyslíku difundují do krystalu křemíku, zároveň také atomy křemíku difundují do oxidu. Během procesu oxidace tedy dochází k mírnému poklesu tloušťky křemíkového substrátu. Procentuelní rozložení růstu je následující: 44 % tloušťky oxidu je pod původním povrchem křemíku, 56 % tloušťky oxidu se nachází nad původním povrchem. Tento poměr se dá také vyjádřit tak, že za každou ztracenou jednotku tloušťky křemíku [01] [26] naroste 2,27 jednotek tloušťky oxidu. Obrázek 2.1 Oxidace Si desek - kinetika termické oxidace [26] Rychlost růstu oxidu je dále ovlivněna několika faktory: teplotou procesu oxidace, tloušťkou již narostlého oxidu, složení atmosféry, za které k růstu oxidu dochází nebo např. přítomností dopantu. S rostoucí teplotou rychlost oxidace roste, již narostlý oxid naopak proces zpomaluje, protože atomy oxidu již nemají dostatečnou pohyblivost na průchod celou narostlou tloušťkou. Rychlost růstu se zvýší také pokud atmosféru čistého kyslíku vyměníme např. za vodní páru, protože atomy vodíku urychlují transport kyslíku k povrchu křemíku, nebo za přítomnosti dopantu (fosforu nebo boru). [1] Naopak přítomnost inertních plynů, jako je např. dusík, rychlost oxidace zpomaluje. Tloušťku oxidu lze měřit například interferometrickým spektrometrem. Další metodou měření či spíše odhadu tloušťky oxidu může být vizuální

17 17 pozorování oxidu na denní světle. Oxid se totiž jeví jako barevný, přičemž každé tloušťce přísluší jiná barva. Seznam barev a příslušné tloušťky jsou shrnuty v tabulce 2.2 [29]. Tabulka 2.2 Barevné spektrum tloušťky vrstvy SiO 2 vzniklé vysokoteplotní termickou oxidací [29] Tloušťka [μm] Barva Tloušťka [μm] Barva Tloušťka [μm] Barva 0,05 žlutohnědá 0,47 fialová 0,97 žlutá 0,07 hnědá 0,48 modrofialová 0,99 oranžová 0,10 tmavě fialová až 0,49 modrá 1,00 sytě růžová červenofialová 0,12 královská modř 0,50 modrozelená 1,02 fialovočervená 0,15 světle modrá až 0,52 zelená 1,05 červenofialová kovově modrá 0,17 kovově modrá až 0,54 žlutozelená 1,06 fialová světle žlutozelená 0,20 světle zlatá 0,56 zelenožlutá 1,07 modrofialová 0,22 zlatá 0,57 nažloutlá 1,10 zelená 0,25 oranžová 0,58 Světle oranžová až 1,11 žlutozelená růžová 0,27 červenofialová 0,60 sytě růžová 1,12 zelená 0,30 modrá až 0,63 fialovočervená 1,18 fialová fialovomodrá 0,31 modrá 0,68 namodralá 1,19 červenofialová 0,32 modrá až 0,72 modrozelená až 1,21 fialovočervená modrozelená zelená 0,34 světle zelená 0,77 nažloutlá 1,24 sytě růžová až lososová 0,35 zelená až žlutozelená 0,80 oranžová 1,25 oranžová 0,36 žlutozelená 0,82 lososová 1,28 nažloutlá 0,37 zelenožlutá 0,85 světle červenofialová 1,32 Nebesky modrá až zelenomodrá 0,39 žlutá 0,86 fialová 1,40 oranžová 0,41 světle oranžová 0,87 modrofialová 1,46 modrofialová 0,42 sytě růžová 0,89 modrá 1,50 modrá 0,44 fialovočervená 0,92 modrozelená 0,46 červenofialová 0,95 žlutozelená

18 18 Pro přípravu vrstev SiO 2 se používá několika rozdílných technologií: [26] 1) Depozice z plynné fáze buďto za atmosférického tlaku (tzv. APCVD Atmospheric Pressure Chemical Vapor Deposition), nebo za sníženého tlaku LPCVD (Low Pressure Chemical Vapor Deposition) 2) Plazmochemická depozice z plynné fáze (chemická depozice, kdy část potřebné energie pro reakci je dodávána ohřevem a část přítomností plazmatu) 3) Chemická nebo elektrochemická oxidace 4) Termická oxidace v atmosféře kyslíku nebo vodní páry zpravidla za atmosférického tlaku, případně zvýšeného tlaku dle následujících chemických rovnic: Si (solid) + 2H 2 O SiO 2 (solid) + 2H 2 Si (solid) + O 2 SiO 2 (solid) Laboratoř v prostorách ÚFKL MU je vybavena na přípravu oxidu termickou oxidací. Z tohoto důvodu se v další části budeme zabývat právě touto technologií Termická oxidace Termická oxidace je jednou ze základních metod, používaných pro růst oxidu křemíku SiO 2 na desce. Základem této metody je oxidace povrchu desky v atmosféře bohaté na kyslík. Obrázek 2.2 Vnitřní stavba oxidu křemičitého: (a) základní struktura SiO 2, (b) trojrozměrná reprezentace dvou sousedních SiO 4, (c) trojdimenzionální mřížka reprezentující sklovitý SiO 2 [24]

19 19 Oxid křemíku SiO 2 může mít dle stupně uspořádání několik základních forem: 1) krystalická (crystalline) forma 2) skelná (vitreous) forma tavenina 3) amorfní (amorphous) forma Tyto formy se od sebe liší především uspořádáním jednotlivých atomů křemíku a kyslíku. Krystalická a skelná forma vykazují perfektní krystalické uspořádání, skelná forma však na rozdíl od krystalické pouze na kratší vzdálenost. Amorfní forma pak, jak již napovídá název, nevykazuje žádný stupeň uspořádání. [14] Samostatných metod a procesů růstu jednotlivých forem oxidů je několik. V Laboratoři lze využít jen některé z nich. Skelná forma je např. typická pro termické oxidy, amorfní forma je pak typická pro depované oxidy rostlé za neoptimálních podmínek. [24] Oxid vzniká či může být vytvořen nejčastěji jedním z následujících procesů: Nativní oxid V případě, že je povrch křemíkové desky úplně čistý, naroste na něm za pokojové teploty oxid, který vzniká chemickou reakcí křemíku s kyslíkem nebo vodní párou obsaženou ve vzduchu. Takto narostlý oxid mívá standardně tloušťku v rozmezí 1 až 2 nm. Již takto tenká vrstva pak účinně brání průchodu dalšího oxidu a po jejím nárůstu se oxidace za pokojové teploty zastaví. V případě, že desku dále zahříváme, jsou molekuly a atomy kyslíku schopny projít tímto nativním oxidem až k povrchu křemíku. Tento proces se nazývá vysokoteplotní termická oxidace High Temperature Oxidation (HTO) a probíhá nejčastěji při teplotách 800 C až 1200 C. Dle způsobu přístupu kyslíku jej dělíme na: Mokrá oxidace wet oxidation Mokrou oxidací je nazýván proces, při kterém se jako reakční plyn používá vodní pára, vznikající hořením vodíku v kyslíku. Zápalná teplota tohoto hoření je zhruba 600 C. Jak již bylo uvedeno výše, přítomnost atomů vodíku rychlost růstu oxidu urychluje. Mokrá oxidace se proto používá pro

20 20 růst tlustých oxidů o tloušťkách v řádech stovek nanometrů. Reakci růstu mokrého oxidu lze vyjádřit chemickou rovnicí: Si (solid) + 2H 2 O SiO 2 (solid) + 2H Suchá oxidace dry oxidation Suchá oxidace je reakce, při které je reakčním plynem čistý kyslík. Rychlost růstu pomocí tohoto procesu je pomalejší a používá se na tvorbu tenkých vrstev oxidu v řádu desítek nanometrů. Vlastní reakce je pak vyjádřena chemickou rovnicí: Si (solid) + O 2 SiO 2 (solid) Obrázek 2.3 Nárůst tloušťky vrstvy oxidu křemíku SiO 2 v závislosti na typu, teplotě a druhu oxidace [11] Model procesu oxidace - Deal-Grove [09], [21], [30] [31] [32] Jedním z nejjednodušších modelů procesu oxidace je matematický model Deal-Grove. Tento model popisuje růst oxidové vrstvy na povrchu různých materiálů. Po zjednodušení nám pak tento model dává kvadratickou funkci pro vztah mezi dobou oxidace t a výslednou tloušťkou narostlého oxidu X 0 : t = X X B B A (2.1)

21 21 kde konstanty A a B charakterizují vlastnosti chemické reakce, konkrétněji konstanta B charakterizuje difúzi O 2 v SiO 2 a zlomek B/A chemickou reakci na rozhraní Si a SiO 2. Pokud křemíková deska obsahuje vrstvu oxidu, musí být rovnice (2.1) upravena. Tuto úpravu provedeme přidáním koeficientu τ udávajícího čas, který by byl potřebný pro růst tohoto již existujícího oxidu za podmínek nastavených pro růst nové vrstvy. Tento koeficient může být nalezen za použití rovnice pro t uvedené výše. Vyřešením kvadratické rovnice pro X 0 získáme: X 0 (t) = A+ A2 +4(B)(t+τ) (2.2) 2 Z vyjádření diskriminantu rovnice (2.2) můžeme získat dva různé mody procesu oxidace: t + τ A2 X 4B 0(t) = B (t + τ) (2.3) A t + τ A2 X 4B 0(t) = B(t + τ) (2.4) Protože v rovnicích (2.3) a (2.4) koeficient B vystupuje ve dvou různých variacích, B a B/A, jsou tyto často označovány jako kvadratická konstanta reakční rychlosti a lineární konstanta reakční rychlosti. Tyto dvě konstanty jsou pak závislé na teplotě reakce exponenciálně, konkrétně jako výraz (2.5) a (2.6): B = B 0 e E A kt (2.5) B = A B A 0 e E A kt (2.6) kde E A je výraz pro aktivační energii a k je Boltzmannova konstanta vyjádřená v elektronvoltech. Hodnota aktivační energie se liší podle druhého použitého procesu oxidace a také podle typu konstanty reakční rychlosti. Dostáváme tak čtyři různé hodnoty pro konstantu E A : Tabulka 2.3 Velikost aktivační energie pro různé druhy procesu oxidace mokrá oxidace suchá oxidace Lineární konstanta reakční rychlosti E A = 2,05 ev E A = 2,00 ev Kvadratická konstanta reakční rychlosti E A = 0,78 ev E A = 1,23 ev

22 Simulace růstu oxidu V rámci své letní pracovní stáže u firmy ON Semiconductor v Rožnově pod Radhoštěm jsem provedl několik základních simulací růstu oxidu na křemíkových deskách. Vstupními parametry pro simulaci byly údaje o krystalové orientaci, druhu příměsi a rezistivitě desky. Simulačním nástrojem byl program TCAD Sentaurus Process Simulation. Mým cílem bylo provést simulaci pro křemíkové desky, které jsou používány v Laboratoři. Záměrem bylo ověřit, zda pomocí počítačové simulace získám stejné výsledky, jaké jsou získávány měřením naoxidovaných desek v Laboratoři. Pro simulaci byly použity křemíkové desky s následujícími parametry: doping: Boron; orientace: {100}; rezistivita: 3 6 Ω cm doping: Boron; orientace: {100}; rezistivita: Ω cm doping: Boron; orientace: {100}; rezistivita: 6 12 Ω cm doping: Phosphorus; orientace: {100}; rezistivita: Ω cm doping: Phosphorus; orientace: {100}; rezistivita: 4 16 Ω cm doping: Phosphorus; orientace: {100}; rezistivita: Ω cm doping: Phosphorus; orientace: {111}; rezistivita: Ω cm doping: Phosphorus; orientace: {111}; rezistivita: 1 6 Ω cm doping: Phosphorus; orientace: {111}; rezistivita: Ω cm doping: Antimony; orientace: {100}; rezistivita: Ω cm V simulátoru byla následně ještě nastavena doba oxidace. Po zpracování jsem již získal výslednou tloušťku oxidu Požadovaná tloušťka 20 nm Simulovaná délka oxidace: 14, 5 min Orientace: {1 0 0} Doping: Boron rezistivita: 4,5 Ω cm výsledná tloušťka: 20,29 nm Doping: Boron rezistivita: 7,0 Ω cm výsledná tloušťka: 20,29 nm Doping: Boron rezistivita: 10,0 Ω cm výsledná tloušťka: 20,28 nm Orientace: {1 0 0} Doping: Phosphorus rezistivita: 0,04 Ω cm výsledná tloušťka: 20,29 nm Doping: Phosphorus rezistivita: 5,0 Ω cm výsledná tloušťka: 20,27 nm Doping: Phosphorus rezistivita: 10,0 Ω cm výsledná tloušťka: 20,28 nm

23 23 Orientace: {1 1 1} Doping: Phosphorus rezistivita: 0,01 Ω cm výsledná tloušťka: 26,60 nm Doping: Phosphorus rezistivita: 1,0 Ω cm výsledná tloušťka: 26,61 nm Doping: Phosphorus rezistivita: 5,0 Ω cm výsledná tloušťka: 26,59 nm Simulovaná délka oxidace: 13, 0 min Orientace: {1 1 1} Doping: Phosphorus rezistivita: 0,01 Ω cm výsledná tloušťka: 24,98 nm Doping: Phosphorus rezistivita: 1,0 Ω cm výsledná tloušťka: 24,97 nm Doping: Phosphorus rezistivita: 5,0 Ω cm výsledná tloušťka: 24,99 nm Orientace: {1 0 0} Doping: Phosphorus rezistivita: 0,04 Ω cm výsledná tloušťka: 19,07 nm Doping: Phosphorus rezistivita: 5,0 Ω cm výsledná tloušťka: 19,05 nm Doping: Phosphorus rezistivita: 10,0 Ω cm výsledná tloušťka: 19,06 nm Simulovaná délka oxidace: 10, 0 min Orientace: {1 1 1} Doping: Phosphorus rezistivita: 0,01 Ω cm výsledná tloušťka: 21,51 nm Doping: Phosphorus rezistivita: 1,0 Ω cm výsledná tloušťka: 21,52 nm Doping: Phosphorus rezistivita: 5,0 Ω cm výsledná tloušťka: 21,50 nm Orientace: {1 0 0} Doping: Phosphorus rezistivita: 0,04 Ω cm výsledná tloušťka: 16,41 nm Doping: Phosphorus rezistivita: 5,0 Ω cm výsledná tloušťka: 16,39 nm Doping: Phosphorus rezistivita: 10,0 Ω cm výsledná tloušťka: 16,40 nm Požadovaná tloušťka 100 nm Phosphorus; orientace: {100} rezistivita: 5 Ω cm výsledná tloušťka: 96,73 nm Phosphorus; orientace:{111} rezistivita: 5 Ω cm výsledná tloušťka: 116,25 nm Boron; orientace: {100} rezistivita: 5 Ω cm výsledná tloušťka: 96,74 nm Jak je vidět, výsledky simulovaného růstu oxidu se poměrně dobře shodují s tloušťkami oxidů, které byly po daných simulacích požadovány, a tedy se poměrně dobře shodují s oxidy rostlými v Laboratoři. Modelace růstu oxidu lze také provést pomocí některé z online kalkulaček, např: Některé kalkulačky umožňují zadat i další parametry simulace, jako je např. parciální tlak.

24 Fotolitografie Při tvorbě polovodičových součástek se používá soubor metod, které se souhrnně označují jako litografie. Tyto metody jsou určeny pro přesné chemicko-fyzikální opracování dílčích oblastí na povrchu substrátu a jsou nejčastěji založeny na elektronové či optické litografii. Laboratoř polovodičů - čisté prostory pro křemíkovou technologii a mikroelektroniku je vybavena druhou jmenovanou metodou, tedy optickou. Fotolitografie se tak v Laboratoři stává základním procesem při vytváření polovodičových součástek a struktur. Obrázek 2.4 Schematické znázornění procesu fotolitografie Jak už z názvu vyplývá, fotolitografie je technologie optického přenosu navrhovaného obrazce na podložku. Přenos vytvářené struktury (masky) na substrátovou desku je schematicky znázorněn na obrázku 2.4. Proces fotolitografie probíhá v několika základních krocích: [25] 1) Hydrofobizace 2) Lakování na odstředivce 3) Sušení po lakování 4) Orientace a expozice 5) Sušení (žíhání) po expozici 6) Vyvolání 7) Sušení po vyvolání 8) Vizuální kontrola Grafické znázornění tohoto procesu je zobrazeno na obrázku 2.5.

25 25 Obrázek 2.5 Schematické znázornění základních procesních kroků fotolitografie [25] Základním prvkem je právě osvit desky skrz fotomasku se vzorovou strukturou. Fotorezist musí být fotocitlivý, tzn. při průchodu záření skrz fotorezist musí dojít k absorpci fotonu záření molekulami fotorezistu. Během absorpce se molekula dostane do excitovaného stavu. Aktivační energie pro chemickou reakci je často v rozmezí 0,43 ev až 4,33 ev. Energie dopadajícího fotonu je pak dána vztahem: E = hc (2.7) λ kde λ je vlnová délka dopadajícího světla, h je Planckova konstanta a c je rychlost světla ve vakuu. Pro potřeby fotolitografie se používá nejčastěji záření s vlnovou délkou zhruba v rozsahu 150 nm až 450 nm. Tyto vlnové délky tedy patří do ultrafialové oblasti záření. Některé důležité vlnové délky pro expozici ve fotolitografii jsou vypsány v tabulce 2.4.

26 26 Tabulka 2.4 Vlnové délky používané ve fotolitografii [25] UV vlnová délka Energie Název vlnové délky UV emisní zdroj 436 nm 2,84 ev g-linie Rtuťová výbojka 405 nm 3,06 ev h-linie Rtuťová výbojka 365 nm 3,40 ev i-linie Rtuťová výbojka 248 nm 5,00 ev Deep UV (DUV) Rtuťová výbojka nebo krypton - fluoridový (KrF) epimer laser 193 nm 6,42 ev Deep UV (DUV) Argon - fluoridový (ArF) epimer laser 157 nm 7,90 ev Vakuum UV (VUV) Fluorový (F 2 ) epimer laser Obrázek 2.6 Schematické znázornění používaných vlnových délek při procesu fotolitografie [25] Pokud má světlo dopadající na povrch fotorezistu počáteční intenzitu záření rovnou I 0, pak můžeme vyjádřit podíl absorbovaného záření na jednotku tloušťky dx pomocí vztahu: I I 0 = α C dx (2.8) kde α vyjadřuje absorpční koeficient a C je počet absorbujících molekul na jednotku objemu.

27 27 Hodnota absorpčního koeficientu α je tedy závislá na tloušťce vrstvy fotorezistu a na vlnové délce dopadajícího záření. Tuto závislost pro různé druhy fotorezistu je možné dohledat. Graf závislosti pak bývá standardně vyjádřen jako optická hustota nebo absorbance v závislosti na vlnové délce, kde optickou hustotu můžeme definovat jako: optická hustota = log I 0 I a intenzitu záření I pak jako: (2.9) I = I 0 I 0 10 αcx (2.10) Fotorezist Základním prvkem pro fotolitografii je fotorezist fotosenzitivní a kyselinoodolná látka, která může být nanesená na desku a následně vyvolána pomocí osvitu ze zdroje. Fotorezist vhodný pro použití při výrobě polovodičových součástek musí mít několik základních vlastností: [10] 1) Roztíratelnost musí být schopný vytvořit tenkou, jednolitou vrstvu. 2) Přilnavost musí dobře přilnout k podkladovému materiálu a nesmí se během následných procesů odlupovat. 3) Fotocitlivost musí být fotocitlivý na určenou vlnovou délku záření, používaného pro vyvolání. 4) Rozlišovací schopnost musí být schopný rozlišit požadovanou minimální velikost vytvářených struktur. 5) Kontrast musí být schopný po vyvolání dobře rozlišit vyvolané a nevyvolané oblasti. 6) Procesní odolnost musí být odolný na procesy, které probíhají při následných úpravách. 7) Snadné smývání musí se dát dobře a jednoduše smýt z povrchu substrátu. 8) Teplotní stabilita musí vydržet teplotní procesy během sušení bez popraskání. 9) Stabilita musí být chemicky stabilní při uskladňování a používání v průběhu delšího časového úseku bez nutnosti zavádění složitých uskladňovacích podmínek. 10) Bezpečnost materiál používaný na přípravu fotorezistu musí být zdravotně nezávadný.

28 28 Fotorezist jako takový se nejčastěji skládá z několika hlavních stavebních prvků: základem je vybraný polymer, dalším prvkem ve fotorezistu je světlocitlivá složka (pozn.: photo active compound PAC). Třetím hlavním prvkem je rozpouštědlo, které udržuje fotorezist v tekutém skupenství. Podle použití rozlišujeme dvě základní skupiny fotorezistu: negativní a pozitivní. Toto základní dělení nám pak definuje samotný způsob použití a vyvolávání fotorezistu. V případě použití negativního fotorezistu nám po vyvolání a odleptání zůstane na substrátu ta část fotorezistu, která byla exponována, v případě použití pozitivního fotorezistu na substrátu zůstane ta část fotorezistu, která exponována nebyla. Vlastnosti obou typů jsou porovnány v tabulce 2.5. Tabulka 2.5 Srovnání negativního a pozitivního fotorezistu Negativní fotorezist Obraz na substrátu je opačný k obrazu na masce Exponovaný rezist se vytvrdí a je nerozpustný Vývojka odstraní neexponovaný rezist Pozitivní fotorezist Obraz na substrátu je stejný jako obraz na masce Exponovaný rezist změkne a je rozpustný Vývojka odstraní exponovaný rezist Obrázek 2.7 Základní rozdělení procesu fotolitografie za použití: (a) negativního a (b) pozitivního fotorezistu. [10]

29 Rozlišení fotolitografie dle typu expozice Dle způsobu expozice můžeme rozdělit fotolitografii do tří základních skupin: [25] 1) Kontaktní fotolitografie (Contact printing) 2) Fotolitografie se separační vzdáleností (Proximity printing) 3) Projekční krokovací fotolitografie (stepper) (Projection printing) Každá z výše uvedených technik má určité výhody i nevýhody. Kontaktní fotolitografie má poměrně dobré rozlišení, na druhou stranu se vyznačuje větší hustotou defektů. Toto z ní dělá dobrou metodu pro potřeby vývoje součástek, ale ne již pro samotnou výrobu. Fotolitografie se separační vzdáleností je vhodná pro tvorbu součástek, kde jsou na zobrazované masce útvary s tloušťkou pod 1 µm. V průmyslu pak v dnešní době dominuje poslední uvedená metoda projekční krokovací fotolitografie. Tato metoda poskytuje vysoké rozlišení při zachování nízké hustoty deformací. Metoda navíc využívá optický projekční systém s dvojnásobným až pětinásobným zvětšením. Součástí je pak také krokovací systém, který umožňuje daný motiv opakovat na větší ploše substrátu. Jednotlivé metody se od sebe liší také kvalitou rozlišení zobrazovacího systému, které lze definovat pomocí vztahu: rozlišení = k 1 přičemž NA lze definovat jako: λ NA (2.11) NA = n sin Θ (2.12) kde λ je vlnová délka světla, NA je numerická aparatura, k 1 je koeficient (> 0,25), n je index lomu zaostřovací čočky a Θ je poloviční úhel zobrazení. Srovnání jednotlivých metod expozice a kvality rozlišení lze najít na obrázku 2.8.

30 30 Obrázek 2.8 Srovnání rozlišení zobrazovacího systému dle jednotlivých metod expozice [25] 2.4 Difúze příměsí Během přípravy polovodičových součástek je potřeba pro výrobu některých z nich obohatit křemík (či jiný substrát) atomy příměsových prvků. Díky procesu obohacení pak v substrátu dochází ke vzniku oblastí s různou koncentrací dopantů, a tedy i k případnému vzniku PN přechodů. Děj, při němž atomy příměsové látky pronikají pod povrch v přesně daných oblastech, se nazývá difúze. Samotný proces se pak nejčastěji označuje jako sycení či legování. Difúzi vyvoláme tak, že celou desku vložíme do atmosféry s vysokým procentuálním zastoupením příměsové látky. Proces probíhá na povrchu celé desky. Základem pro proces sycení musí být tedy deska, na jejímž povrchu je již připravena oxidová vrstva s odleptanou strukturou. Průběh procesu lze rozdělit do dvou po sobě jdoucích etap: [09] 1) Sycení nadopování vybrané oblasti příměsovými atomy

31 31 2) Rozdifundování zvýšením teploty desky umožníme příměsovým atomům proniknout hlouběji do substrátu, takže dojde ke změně koncentračního profilu do hloubky i do stran Po rozdifundování a následném sleptání krycího oxidu získáváme desku, na které se nachází v námi přesně definovaných oblastech jiný typ dopantu. Velikost oblasti, hloubku, do které se příměsové atomy dostanou i tvar koncentračního profilu lze ovlivňovat nastavením teploty, délkou operace a chemickým složením reakční atmosféry. Průběh dopování příměsí je schematicky zakreslen na obrázku krok Oxidace Si Si SiO 2 SiO 2 2. krok Selektivní vyleptání SiO 2 Si vrstva příměsi SiO 2 3. krok Nanesení příměsi Si příměs SiO 2 4. krok Rozdifundování příměsi při T = o C Si příměs Obrázek 2.9 Schematický zákres postupu dopování příměsí [26] Fyzikální popis driftu a difúze [25] Pro potřebu popisu chování jednotlivých atomů ve strukturách polovodičových součástek je potřeba popsat atomy a jednotlivé částice pomocí vlnových funkcí, přičemž kmitočet a vlnová délka jsou provázány s energií a momentem hybnosti částic. Pro vlastní matematický popis vyjdeme z Maxwellových rovnic: H = J + D E = B D = ρ t t (2.13a) (2.13b) (2.13c)

32 32 a z výrazů pro materiálové vztahy: B = 0 (2.13d) D = ε E (2.14) B = μ H (2.15) kde značí D elektrickou indukci, B magnetickou indukci, E elektrické pole, H intenzitu magnetického pole, J proudovou hustotu, ρ hustotu volného náboje, ε permitivitu prostředí, μ permeabilitu prostředí a t čas. Jejich úpravou můžeme získat tzv. Poissonovu rovnici ve vhodném tvaru pro popis elektrostatického pole polovodičů: ( Ψ) = q (n p C) (2.16) ε kde Ψ je elektrický potenciál, p koncentrace kladně nabitých děr, n koncentrace záporně nabitých elektronů a C koncentrace pevného náboje příměsí v atomové mřížce polovodiče. Z Maxwellových rovnic můžeme také odvodit rovnici kontinuity ve tvaru zvlášť pro díry a zvlášť pro elektrony: J n q n = q t J p + q p = q R (2.17b) t kde R vyjadřuje četnost generace a rekombinace elektronů a děr. (2.17a) Pro vlastní popis fyzikálních parametrů polovodičových součástek je potřeba ještě zavést vztahy pro proudové hustoty elektronů a děr. J n = qnμ n E + qd n n J p = qpμ p E + qd p p (2.18a) (2.18b) kde μ n, resp. μ p je efektivní pohyblivost elektronů, resp. děr, a D n, resp. D p jsou Einsteinovy difúzní konstanty, které jsou definovány jako D n = μ n kt q, resp. D p = μ p kt q kde k je Boltzmannova konstanta a T je teplota. (2.19)

33 Distribuce příměsí v objemu polovodiče [25] Rozložení příměsí v objemu polovodiče nám přesně určuje geometrii a funkci polovodičové součástky. Z tohoto důvodu patří dotační profil rozložení příměsí mezi nejdůležitější parametry při výrobě. V praxi se nejčastěji setkáme s modelováním rozložení příměsí pomocí Gaussovy funkce: G(x) = ae (x b)2 2c 2 (2.20) kde x představuje prostorovou souřadnici, a, b, c jsou reálné konstanty a e je Eulerovo číslo. V předchozím textu jsme si zavedli koncentraci pevného náboje C, která odpovídá námi hledané distribuci příměsí v polovodiči. Za použití předpokladu Gaussova rozdělení, kdy konstanta a udává špičkovou koncentraci příměsi a b pozici aplikace technologického procesu je c úměrná difúzi příměsi do substrátu. Pak můžeme pro 1D případ rozložení příměsí v PN přechodu psát: C = N Di + N D G(x D, b D, c D ) N A G(x A, b A, c A ) (2.21) kde index A, resp. D označuje akceptory, resp. donory. N A, resp. N D tedy představuje koncentraci akceptorů, resp. donorů a N Di představuje koncentraci příměsi výchozího substrátu (za předpokladu, že je substrát ve výchozím stavu již částečně dotován donory) Tok příměsí [26] Samotný proces difúze, tedy přesun příměsových atomů z reakční atmosféry do objemu substrátu lze popsat pomocí Fickových zákonů, které vyjadřují závislost difúzního toku na gradientu koncentrace (dále jen spádu). Základem popisu je pak transportní rovnice, kterou můžeme z obrázku 2.10 vyjádřit jako: tedy jako: Přírůstek koncentrace difúzantu v objemu čas x C t = F in F out = F(x) F(x + x) (2.22)

34 34 Pro případ, kdy x 0: F(x) F(x + x) x platí tedy: F x C = F t x (2.23) Pro difúzní tok F lze použít Flickovu teorii difúze. Pro 1D případ pak máme vztah: Obrázek 2.10 Přírůstek koncentrace difúzantu v objemu [17] J = D C(x,t) x (2.24) kde D je tzv. difúzní koeficient. Záporné znaménko poukazuje na fakt, že ve směru poklesu koncentrace je difúzní tok pozitivní. Dosazením vztahu (2.24) do (2.23) získáme po úpravách vztah: C(x,t) t = D 2 C(x,t) x 2 (2.25) V praxi se pak setkáme se dvěma hlavními řešeními vztahu (2.25), konkrétně pro okrajové podmínky, které nám definují (2.26a) tzv. nekonečný zdroj povrchová koncentrace je konstantní, stejně jako (2.26b) množství příměsi. C(x, t) = C s erfc x 2 Dt C(x, t) = Q πdt exp x2 4Dt (2.26a) (2.26b)

35 35 Obrázek 2.11 Difúze: (a) z nekonečného zdroje, (b) za podmínky konstantního celkového množství příměsí [26] 2.5 Měření tlouštěk Při výrobě i po ní lze provést několik různých měření tlouštěk vrstev, které byly během procesu vyhotoveny. Mezi takováto měření patří např. proměřování tloušťky vrstvy fotorezistu, případně měření tloušťky vrstvy oxidu. Oba tyto materiály jsou průhledné. Díky tomu jsme schopni změřit a určit tloušťky těchto vrstev měřením spektrální odrazivosti ve viditelném světle. Ostatní zhotovované vrstvy, jako je například metalizace a jiné neprůhledné vrstvy je potřeba měřit za pomocí profilometru, případně za pomocí rentgenové reflektivity Měření spektrální závislosti [11] Pokud známe alespoň index lomu substrátu, jsme schopni díky měření spektrální odrazivosti zjistit index lomu krycí vrstvy i její tloušťku. Vycházíme z reálné části indexu lomu, jehož spektrální závislost je možné popsat pomocí Cauchyho vztahu:

36 36 n(λ) = A + B λ 2 + C λ 4 (2.27) V našem případě je substrátem křemík. Ve viditelné oblasti spektra nad 400 nm je pak možné pro tento substrát zanedbat absorpční koeficient. Vztah (2.27) pak můžeme vyjádřit pro křemík ve tvaru: n (Si) = 3, , , (2.28) λ 2 λ 4 pro hodnoty vlnové délky v nanometrech. Pokud světlo dopadá na proměřovanou vrstvu kolmo, můžeme spektrální závislost intenzity vyjádřit vztahem R(λ) = (r 1r s ) 2 4r 1 r s sin 2 φ (1+r 1 r s ) 2 4r 1 r s sin 2 φ (2.29) kde φ = 2πdn 1 a udává nám fázový posun v proměřované vrstvě. λ Fresnelovy koeficienty odrazivosti na rozhraní substrátu a krycí vrstvy a na povrchu jsou: r s = n 1 n s n 1 +n s (2.30a) r 1 = 1 n 1 1+n 1 kde n 1 a n s jsou index lomu vrstvy a index lomu substrátu. (2.30b) Měřením ovšem nezískáme absolutní hodnotu odrazivosti R(λ). Je proto nutné získat odrazivost srovnávacího vzorku, v našem případě ideálně z vyleštěné strany desky křemíku, substrátu R Si (λ) = r s 2. Díky tomu, že spektrální závislost indexu lomu křemíku je přesně tabelovaná, můžeme vztah pro spektrální přepsat do tvaru: R(λ) = R měřená (λ) R Si (λ) R měřená Si (λ) (2.31) Měření tloušťky neprůhledných vrstev [11] Vzhledem k tomu, že u neprůhledných vrstev, jako je například metalizace, nelze použít výše uvedený postup, je potřeba proměřit tyto vrstvy mechanickou cestou. Toto lze provést například mechanickým profilometrem, který s využitím diamantového hrotu nasnímá profil celého povrchu desky. Snímání probíhá tak, že je hrot přímo položen na měřenou

37 37 vrstvu a během pohybu je snímána výška hrotu. Jedná se tedy o kontaktní způsob měření, při němž může dojít k poškrábání. Pokud je určitá část povrchové vrstvy odstraněna, uvidíme na naměřené křivce schodovitý profil. Z velikosti tohoto schodu je pak možné přímo odečíst tloušťku povrchové vrstvy. Laboratoř je pro toto měření vybavena profilometrem Dektak 150 firmy Veeco (zobrazen na obrázku 2.12). Diamantový hrot profilometru má tvar polokoule o průměru 12,5 µm a jeho přítlačná síla je 10 mg. Obrázek 2.12 Profilometr Veeco Dektak 150 Zdroj obrázku:

38 38 3 Praktika v Laboratoři polovodičů V Laboratoři probíhá standardně výuka studentů Přírodovědecké fakulty Masarykovy univerzity. Mimo to jsou prostory nabízeny i jiným školám s nabídkou několika druhů praktik. Ve výuce, která probíhá jako součást speciálních praktik studentů Fyziky kondenzovaných látek na PřF MU, jsou zařazena dvě krátká jednodenní praktika: 1) Základy práce v čistých prostorách a princip fotolitografie 2) Technologie přípravy polovodičových součástek rezistor, kondenzátor a induktor na křemíkové desce Mezi další praktika probíhající v Laboratoři je zařazena i úloha s názvem Výroba polovodičových prvků, vedená v rámci výuky předmětu Výroba součástek a konstrukčních prvků (dále jen MVSK) na FEKT VUT v Brně. Toto praktikum je vícedenní, probíhá vždy jednou za 14 dní a střídá se s přednáškami k danému předmětu. Celkem má tato úloha pět dílčích částí. Oproti praktikám vedených PřF MU obsahuje tato úloha několik litografických kroků a umožňuje tak vyrobit složitější součástky jako jsou diody, tranzistory, struktury pro měření odporu aj. V této kapitole se nachází popis zmíněného praktika a výčet součástek vyrobených na desce. V další kapitole pak naleznete popis mnou vytvořeného rozšíření tohoto praktika o proměřování na stanici hrotového měření. 3.1 Popis praktika Praktikum a vlastní výroba součástek obsahují několik časově oddělených částí: čtyři samostatné technologické části probíhající v čistých prostorách a jednu část zaměřenou na proměřování vytvořených součástek. V mezičase je pak provedeno několik déletrvajících fází procesu, které z časových důvodů zpracovávají zaměstnanci ÚFKL PřF MU. Pořadí jednotlivých procesů je uvedeno v části Technologický postup.

39 Technologický postup Substrát: základem pro výrobu součástek je křemíková čtyřpalcová deska s dotací příměsí typu p s Wcm. Mytí a popis: prvním krokem pro přípravu desky na výrobní proces je její mytí, případně popis jednotlivých desek pro jejich další rozpoznání. Oxidace: na desce je vytvořen krycí oxid. Oxidace probíhá při teplotě 1050 C. Maskování zadní strany Maskování difúze: během tohoto fotolitografického kroku je na desce vytvořena první maska, sloužící pro následné vytvoření oblastí, v nichž bude probíhat difúze. Leptání oxidu: po vyvolání masky je v tomto kroku odleptána ta část krycího oxidu, kterou je nutné odstranit pro potřebu difúze. Resist stripping: po odleptání oxidu je provedeno smytí fotorezistu, který byl použit pro vytvoření masky. Mytí: mytí desky s vyleptanou strukturou a odstranění nečistot, které se na desku dostaly během manipulace. Difúze fosforu: probíhá v difúzní peci při teplotě 1050 C na všech připravovaných deskách současně. Dochází k difúzi fosforových atomů z keramických desek na desky křemíkové. Rozdifundování: po difúzi následuje rozdifundování atomů fosforu při teplotě 1050 C, při němž dochází k rozšíření oblasti výskytu příměsových atomů do hloubky i do šířky. Reoxidace: v tomto kroku je vytvořen nový krycí oxid. Oxidace tentokrát probíhá při teplotě 950 C, je tedy vytvořen oxid s menší tloušťkou. Žíhání v dusíku: probíhá žíhání v inertní atmosféře dusíku při teplotě 850 C těsně před maskou kontaktů. Maskování kontaktů: vznik v pořadí druhé masky a tedy druhý fotolitografický krok. Dochází ke vzniku struktury, která bude sloužit pro vytvoření kontaktů.

40 40 Leptání oxidu: po vyvolání masky je v tomto kroku odleptána ta část krycího oxidu, kterou je nutné odstranit pro potřebu naprašování metalu. Resist stripping: po odleptání oxidu je opět provedeno smytí fotorezistu, který byl použit pro vytvoření masky. Mytí: mytí desky s vyleptanou strukturou a odstranění nečistot, které se na desku dostaly během manipulace. Naprašování metalu: v tomto kroku dojde k naprašování metalu, který bude sloužit jako kontakt na vytvořených polovodičových součástkách. V tomto případě se jedná o hliník Al. Maskování metalu: v pořadí již třetí maska slouží pro vytvoření struktury kontaktů. Opět probíhá celý proces fotolitografie. Leptání metalu: po vytvoření struktury kontaktů je potřeba odleptat přebytečný metal. Resist stripping: po odleptání oxidu je opět provedeno smytí fotorezistu, který byl použit pro vytvoření masky. Mytí: mytí desky s vyleptanou strukturou a odstranění nečistot, které se na desku dostaly během manipulace. Žíhání Al: na závěr je ještě provedeno žíhání metalu. Po provedení všech předchozích kroků jsou součástky hotové a mohou být proměřeny Průběh praktika Jak již bylo výše řečeno, studenti projdou celkem čtyřmi samostatnými částmi laboratorního cvičení v prostorách Laboratoře První část praktika V první části jsou seznámeni s technickým vybavením Laboratoře a jejího zázemí. Jsou také seznámeni se základy oblékání kombinéz a se zásadami práce v čistých prostorách. Dále je jim přidělena deska, kterou bude každý z nich samostatně zpracovávat. Každý student si svou desku podepíše za pomoci diamantového hrotu na zadní (matné) straně desky. Během podepisování se

41 41 studenti seznámí s technologií manipulace s deskou, a to jak za pomoci vakuové pinzety, tak za použití speciálních teflonových pinzet. Následuje měření rezistivity jednotlivých desek na automatické čtyřbodovce. Postup měření rezistivity na čtyřbodovce lze nalézt v literatuře. Na závěr cvičení jsou desky vloženy do pece a připraveny na růst krycího oxidu Růst mokrého oxidu Následuje proces oxidace, který je proveden mimo běh praktika zaměstnancem ÚFKL PřF MU. Oxidace probíhá současně na všech deskách v oxidační peci. Je tak zajištěn shodný či podobný průběh procesu. Tento první krycí oxid (dále jen LOCOS) se používá jako maska pro následující operace. V tomto případě se jednalo o vysokoteplotní termickou mokrou oxidaci, která probíhala dle oxidačního schématu popsaného v tabulce 3.1. Tabulka 3.1 Průběh první, mokré, oxidace Interval Teplota Množství reakčních plynů Fáze [min] [ C] N 2 O 2 H 2 Stand by Založení desek [l min] [l min] [l min] Náběh teploty Oxidace Oxidace ,5 Pokles teploty Vytažení desek Stand by 850

42 42 Z daného popisu průběhu oxidace lze také vypočítat dle rovnic (2.5) a (2.6) při známé teplotě i tloušťku rostlého oxidu. Pro zadané parametry lze vypočíst parametry B a B A: B = 0,44 µm 2 h (3.1) a tedy i parametry A: B A = 3,55 µm h (3.2) A = B = 0,44 B A 3,55 = 0,124 µm (3.3) Ze znalosti příslušných parametrů pak již můžeme přímo z rovnice (2.1) vyjádřit vztah pro tloušťku rostlého oxidu X: Po dosazení pak již získáváme: X 2 + AX = Bt (3.4) X 2 + 0,124X = 0,44 0,75 X 2 + 0,124X 0,33 = 0 X = 0,52 µm (3.5a) (3.5b) (3.5c) V druhé části praktika studenti provedou na desce první fotolitografický krok. Tento krok obsahuje: 1) Nanesení fotorezistu na odstředivce na zadní stranu desky 2) Vytvrzení fotorezistu Druhá část praktika V druhé části praktika bylo cílem vytvoření oblastí pro následnou difúzi. Toho je docíleno za pomocí prvního fotolitografického kroku. Konkrétněji tedy dojde k nanesení fotorezistu na desku s LOCOS oxidem a jeho následnému vyvolání. Dále je odleptána ta část oxidu, která není krytá fotorezistem. V oxidu se tak vytvoří oblasti (díry), do kterých budou difundovány atomy fosforu. Přesný postup po jednotlivých krocích je následující:

43 43 Hydrofobizace povrchu desky: hydrofobizace je provedena umístěním desky na několik minut do desikátoru s HMDS (hexametyldisilazan). Lakování zadní strany: nanesení fotorezistu na zadní stranu desky probíhá na rotační lakovce. Desku nejprve vycentrujeme v přístroji a upevníme pomocí vakua. Po uzavření naneseme do středu desky kapku fotorezistu a zapneme přístroj. Tloušťka výsledné vrstvy fotorezistu závisí na rychlosti rotace a na době, po kterou rotace probíhá. V tomto případě byla použita rychlost 5000 ot. min po dobu 30 s. Hard bake: zapečení naneseného fotorezistu při teplotě 110 C po dobu 4,5 min s následným pomalým chlazením na laboratorní teplotu po dobu 3 min. Lakování přední strany: nanesení fotorezistu na přední stranu desky. Lakování probíhá stejným postupem jako při lakování zadní strany. Soft bake: zapečení naneseného fotorezistu při teplotě 90 C po dobu 2 min s následným pomalým chlazením na laboratorní teplotu po dobu 3 min. Expozice: probíhá na expozičním zařízení Perkin-Elmer (PE 340 HT) se rtuťovou výbojkou. Je použita první maska se vzorem pro oblasti difúze. Vyvolání fotorezistu: probíhá mechanickou cestou (ručním máčením ve vývojce). Postup je složen z několika částí, kdy je deska promývána ve třech samostatných vaničkách s různým poměrem vývojky a vody. V prvním kroku je deska ponořena 2 3 minuty v neředěném roztoku vývojky, následuje třicetisekundový oplach v roztoku vývojky s vodou ředěném v poměru 1: 1 a v poslední části je deska opláchnuta pod sprchou demineralizovanou vodou. Pozn.: Vyvolávání je nejchoulostivější částí průběhu výroby součástek. Je totiž ovlivněno jednak lidským faktorem (rychlostí máčení, technikou, zkušeností) a jednak stářím vývojky (ve vývojce se postupně rozpouští fotorezist z předchozích máčení, čímž jeho vyvolávací schopnost klesá a je nutno prodlužovat dobu vyvolávání).