ПЛАНАРНО-ЭПИТАКСИАЛЬНАЯ ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ИМС

Процесс осаждения молекул вещества на моно­кристаллическую пластину (подложку) с образовани­ем пленки, повторяющей ее структуру, называют эпитаксией. Процесс эпитаксии может быть прямым и непрямым. При прямом процессе полупроводниковый материал распыляют и его атомы осаждаются на под­ложке. В непрямом процессе распыляют химические соединения полупроводникового материала, молекулы которого диссоциируют, и ионы полупроводника осе­дают на подложке, повторяя ее кристаллическую структуру.

В практике распространены два метода сознания кремниевого эпитаксиального слоя: восстановление кремния из его тетрахлорида водородом и термическое разложение соединений кремния (пиролиз).

Водородное восстановление тетрахлорида кремния осуществляют при температуре 1500 К по следующей реакции: SiCU + 2H2-»-Si+-4HCI. Этот метод легко управляем и дает возможность получить эпитаксиальный слой с заданными параметрами.

В процессе наращивания эпитаксиальный слой кремния можно легировать донорными и акцепторны­ми примесями. При этом в кварцевый реактор, где размещена ионокристаллическая подложка, вместе с парами SiCl₄ и молекулярным Н₂ подают газообраз­ные соединения водорода с мышьяком (AsH₃), фос­фором (РНз) или бором (В₂Н₆). Подложки в квар­цевом реакторе крепят на графитовом основании. Нагрев осуществляют индукционными токами высокой частоты.

Процесс термического разложения соединений кремния протекает при температурах на 150—200 К меньших, чем восстановительный процесс. В реакции пиролиза SiH₄—»-Si + 2Н₂ выделяется атомарный крем­ний, оседающий на монокристаллической подложке. Для повышения качества эпитаксиальных слоев кремния применяют комбинацию методов восстанов­ления и пиролиза.

Различают однослойные и многослойные структуры, эпитаксиальные структуры кремния. Однослойные
структуры диаметром 25—40 мм представляют собой кремниевую монокристаллическую пластину толщиной
0,2 мм, покрытую эпитаксиальной кремниевой пленкой толщиной от 8 до 15 мкм. У многослойных структур
плёнка наращивается с двух сторон пластины. Наша промышленность изготовляет также гетероэпитаксиальные структуры, в которых кремниевый слой наращивается на монокристалли­ческую сапфировую подложку.

Применение эпитаксии в технологии интегральных схем более чем в десять раз увеличило выход годной продукции, значительно сократило время технологиче­ского процесса и улучшило экономические показа­тели.

Планарную технологию изготовления полупровод­никовых приборов начали внедрять в 60-х годах. Основу планарной технологии составляют уже известные процессы:

1. окисление кремниевой подложки с целью защи­ты ее поверхности пленкой двуокиси кремния (иногда
в качестве защитной пленки используют другой ди­электрик, например нитрид кремния Si₃N₄);

2. превращение защитной пленки в маску задан­ной конфигурации с помощью фотолитографии;

3. диффузия легирующих примесей в верхний слой подложки через окна в маске.

Планарная технология позволяет получать в под­ложке или в эпитаксиальном слое легированные области, измеряемые единицами микрометров. Изготовление полупроводниковой интегральной микросхемы начинается с формирования в подложке изолированных областей («карманов»). Существуют различные способы получения и изоляции таких обла­стей. Рассмотрим один, наиболее распространенный, способ — диффузию примеси в эпитаксиальный слой с последующей изоляцией кармана с помощью р-n-перехода (рис. 21.9).

Технологический процесс состоит из десяти этапов:

1) на монокристаллическую кремниевую пластинку р-типа толщиной 0,2—0,4 мм наращивают эпитак­сиальный слой кремния n-типа толщиной 15—20 мкм;

2) при нагревании в кислородной среде на по­верхности эпитаксиаль­ного слоя образуется пленка диоксида кремния SiQ;

3) в центрифуге или с помощью пульверизатора на поверхность оксидной пленки наносят фоторе­зист;

4) на высушенную мно­гослойную пластину на­кладывают стеклянный фотошаблон с заданным микрорисунком и осущест­вляют экспозицию фото­резиста в ультрафиолетовом свете;

5) фотошаблон снимают, засвеченный фоторезист имеет измененную структуру;

6) специально подобранным растворителем засвеченные участки фоторезиста и расположенную под ними пленку диоксида кремния растворяют, обнажая эпитаксиальный слой;

7) растворителем, не действующим на пленку диоксида кремния, смываются остатки фоторезиста;

8) в газовой среде осуществляют диффузию акцепторной примеси в открытые участки эпитакислаьного слоя;

9) под действием акцепторной примеси обнаженные участки эпитаксиального слоя изменяют тип электропроводности ( n-тип на p-тип); участки, защищенные пленкой диоксида, сохранили электропроводность n-типа.;

10) смывают защитную пленку диоксида кремния.

Пластина со сформированными «карманами» поступает на последующие операции.

Pиc. 21.9. Этапы процесса обра­зования изолированной области ;п-типа