TECHNOLOGICKÉ PROCESY PŘI VÝROBĚ POLOVODIČOVÝCH PRVKŮ II.

Transkript

1 TECHNOLOGICKÉ PROCESY PŘI VÝROBĚ POLOVODIČOVÝCH PRVKŮ II.

2 1. OXIDACE KŘEMÍKU Oxid křemíku SiO2 se během technologického procesu užívá k vytváření: a) Maskovacích vrstev b) Izolačních vrstev (izolují prvky vzájemně mezi sebou nebo slouží jako nosná vrstva pro vodivé spoje) c) Funkčních dielektrických vrstev d) Povrchové úpravy pasivační (ochranné) vrstvy zlepšují kvalitu a stabilitu obvodu Podle uvedených účelů lze oxidové vrstvy vytvořit několika způsoby. Principem je buď přeměna (oxidace) křemíku nebo nanášení z plynné fáze. Oxid křemíku SiO2 má výborné maskovací vlastnosti proti difúzi většiny důležitých příměsových prvků vyjma Ga, Al, Zn a O2. Lze ho také dobře leptat. Oxid na Si však není nikdy úplně dokonalý. Vrstva oxidu se chová vůči Si jako by měla kladný náboj. To může ovlivnit vlastnosti polovodičového materiálu na povrchu, měnit vlastnosti přechodu.

3 Technologie provedení oxidové vrstvy: a) Suchý oxid (polní, termální) Vzniká při vysokých teplotách (okolo 1000 C, desítky minut) v peci vyhříváním desek Si v kyslíkové atmosféře (suchý proces). Vytvoří se izolační a maskovací oxid po ploše v poli mezi okénky a spoji v obvodu. Má nejvyšší hustotu a nejmenší poréznost. Roste částečně nad povrchem monokrystalu (56 %), částečně vzniká do křemíku (44 %), kterého tedy ubývá. b) Mokrý (hradlový) oxid Používá se tam, kde by předchozí vysoká teplota působila problémy. Teplota se sníží až o 150 C a oxidace se urychlí (asi desetkrát) malým přídavkem vodní páry. Stejné tloušťky oxidu se dosáhne při nižší teplotě, ale jeho hustota je nepatrně nižší. Tato metoda se používá k vytváření dielektrika u hradel MOS.

4 c) Ochranný (krycí) oxid Používá se na překrytí celého hotového obvodu jako ochrany před chemickými a mechanickými vlivy především při pouzdření obvodu. Oxid musí narůst i na metalizovaných plochách, technologické teploty nesmí narušit obvod. Proto se využívá rozkladu silikonových plynů na horké podložce (400 C, 60 minut): SiH4 + 2O2 SiO2 + 2H2O Tento oxid je nejméně kvalitní, ale k ochraně postačuje. Rychlost jeho růstu je ještě desetkrát rychlejší než u vodní páry. Oxid se někdy dotuje, rozlišujeme pak tři jeho druhy: čistý oxid, borsilikátové sklo převažuje příměs bóru k omezení praskání vrstvy, fosforsilikátové sklo převažuje příměs fosforu k omezení pnutí a snížení pohyblivosti Na+ iontů. 2. DEPOZICE VRSTVY NITRIDU KŘEMÍKU Je to použití nitridu křemíku Si3N4 místo oxidu křemíku SiO2. Někdy se nesprávně označuje jako nitridace. Nitrid má vyšší relativní permitivitu a více omezuje pohyb iontů než oxid. Obvykle se připravuje tepelným rozkladem směsi čpavku a SiH4 při teplotě cca 800 C.

5 3. DIFÚZE Řadíme ji mezi lokální dotace vytváření funkční oblasti v povrchové vrstvě Si destičky, kdy obvykle pětimocným fosforem vytváříme oblast vodivosti N a trojmocným bórem oblast vodivosti P. Jde o samovolný pohyb částic z místa o jejich větší koncentraci do místa s menší koncentrací. Pokud umístíme polovodičový materiál za dostatečně vysoké teploty (okolo 1000 C) do prostředí s vysokým sycením par jiného prvku, dochází k difúzi atomů tohoto prvku do polovodičového materiálu. Rozeznáváme dvě základní uspořádání pro difúzi: a) Difúze z tvrdého (neomezeného) zdroje příměsí Provádí se v difúzní peci difúze příměsí z plynu, udržuje se konstantní koncentrace nad destičkou.

6 V peci musí být udržovány přísné stabilní technologické podmínky. Teplota mezi začátkem a koncem pece se může lišit max. o 1 C, časové kolísání nesmí být větší než 0,5 C za týden. Jako zdroje příměsí při difúzi neslouží jen elementární prvky, ale také jejich slitiny a sloučeniny. Lze využít také nepřímých zdrojů skel, která obsahují fosfor nebo bór. Okénko na křemíku se pokryje tímto sklem a po potřebné době difúze se toto sklo odleptá. b) Difúze z měkkého (omezeného) zdroje příměsí Probíhá při tzv. zpětné difúzi, kdy částice přechází z oblasti N+ v substrátu do oblasti N. Z oblasti N+ částice postupně ubývají oblast se stává měkkým difúzním zdrojem. Měkký zdroj může ležet uvnitř polovodičové struktury nebo na jejím povrchu. Při difúzi se dostávají částice částečně pod okraje masky:

7 4. IONTOVÁ IMPLANTACE Je to bombardování povrchu pevné látky urychlenými ionty. Část iontů se od povrchu odráží, část proniká pod povrch látky do určité hloubky. Celková dráha se nazývá dolet. Základní jevy při iontové implantaci: Zdrojem iontů je komůrka, ve které se dotační látka převede teplem na páry, které se elektrickým výbojem ionizují. Ionty se magnetickým polem uspořádají do svazku a ten se Urychlí elektrickým polem o energii 100 až 500 kev, někdy až nad 1 MeV. Všechno probíhá Ve vakuu. Urychlené ionty dopadají na terč (implantovanou desku) buď rozmítané po ploše Nebo řádkované při koordinovaném vychylování paprsku a posuvu stolu..

8 Zařízení pro iontovou implantaci: V praxi se implantace provádí bombardováním nezamaskovaného povrchu Si desky ionty fosforu nebo bóru, u GaAs ionty teluru, selenu apod. Masky jsou buď z rezistu, tlustého oxidu Si nebo nitridu Si. Tlustý oxid musí mít tloušťku aspoň 1 mikrometr, u nitridu postačí tloušťka 0,15 mikrometru. Řez boční stěnou masky při difúzi a iont.implantaci:

9 5. LEPTÁNÍ Je to častá operace při výrobě integrovaných obvodů. Pomocí ní se přes vhodné masky tvarují izolační, polovodičové i kovové vrstvy. Leptají se tedy nanesené oxidové, nitridové či napařené vodivé hliníkové vrstvy i základní polovodičový materiál. Jedná se o prostorově selektivní leptání, to znamená, že oblast, která bude leptána, je vymezena pomocí masek z fotorezistu. a) Mokré leptání Křemíková deska se vkládá do leptací lázně, která chemicky napadá křemík nebo jeho oxid nebo jiný povlak určený k leptání, ale které odolává rezist. Leptání se provádí pomocí: - křemík: kyselina fluorovodíková s přídavkem kys.dusičné a octové - oxid Si: roztok kys.fluorovodíkové s fluoridem amonným - GaAs: směs kys.sírové a peroxidu vodíku Mokré leptací postupy jsou však pro jemné motivy velmi hrubé, často dochází k podleptávání, nelze vytvářet struktury detailů pod 2 mikrometry. Mokré leptání vyžaduje následné operace mytí, oplachování, sušení. Chemikálie jsou zdraví škodlivé. b) Suché leptání Využívá buď chemické procesy (chemická reakce v nízkotlakém výboji) nebo fyzikální

10 procesy při působení urychlených iontů. Podle toho rozlišujeme: - Plazmochemické leptání Plynná leptací látka je přivedena do ionizovaného stavu (plazma). Plazmové leptání probíhá v uzavřené nádobě (reaktoru), kterou protéká směs leptacích plynů při nízkém tlaku (pod 10 Pa). Vhodnou úpravou podmínek dojde jen k minimálnímu podleptání. Jako leptadla se používají zpravidla fluorované uhlovodíky. Po vyleptání žádaných útvarů se použitá maskovací vrstva rezistu může odstranit v kyslíkové plazmě. - Iontové leptání Atomy leptaného materiálu se odstraňují bombardováním povrchu urychlenými ionty nebo atomy. Vznikají struktury s mikrometrovými a submikrometrovými rozměry. Iontové leptání lze provádět jako vymýlání iontovým svazkem nebo leptání vf odprašování. Pracovním plynem je obvykle argon. Zařízení pro leptání argonovými ionty:

11 Iontové leptání zaručuje vysokou přesnost bez podleptávání a rovnoměrnost. Maskovací materiál není napadán chemicky, ovšem je napadán mechanicky, protože iontové leptání je materiálově neselektivní. Změna geometrie masky při leptání iontovým svazkem: - Reaktivní iontové leptání Od leptání vf odprašováním se liší tím, že pracovní plyn při reaktivním leptání chemicky reaguje s opracovávaným materiálem. Tato metoda se používá tam, kde je potřeba vyleptávat hluboké útvary se svislými stěnami a tam,kde je potřeba používat velmi tenké rezistové vrstvy. Porovnání mokrého chemického, plazmochemického a reaktivního iontového leptání:

12 Zdroje: Ižo a kol, Elektrotechnické materiály Strakoš V., PN přechod, dioda Szendiuch a kol., Výroba součástek a konstrukčních prvků Szántó L., Integrované obvody Wikipedia Archiv autora Zpracoval ing. František Stoklasa