Базовые технологии микро- и наноэлектроники. Учебное пособие

Воротынцев В.М., Скупов В.Д.

Возрастное ограничение: 0+ Жанр: Наука Издательство: Проспект Дата размещения: 16.06.2017 ISBN: 9785392257942 Язык: Объем текста: 439 стр. Формат: epub

Оглавление

Глава 1. Физико-химические основы технологических процессов получения высокочистых веществ и материалов для электронной техники

Глава 2. Технология абразивной и химической обработки полупроводниковых подложек

Глава 3. Базовые технологии формирования приборных структур

Глава 4. Структуры «Кремний на диэлектрике» и технологические методы их изготовления

Глава 5. Физические и технологические основы наноэлектроники

Глава 6. Структурные дефекты в материалах — компонентах приборных композиций

Для бесплатного чтения доступна только часть главы! Для чтения полной версии необходимо приобрести книгу

Глава 2.
Технология абразивной и химической обработки полупроводниковых подложек

2.1. Классификация полупроводниковых материалов

К полупроводникам относятся вещества, обладающие положительным температурным коэффициентом электропроводности, промежуточными между металлами и диэлектриками значениями электросопротивления при нормальных условиях, высокой чувствительностью физико-химических свойств к наличию примесей и дефектов, а также к различного рода внешним воздействиям.

По химическому составу полупроводниковые материалы делятся на простые (элементарные) и сложные. В число простых входят бор, кремний, германий, углерод (алмаз), серое олово, селен, сера, теллур. Наиболее широкое применение в электронной технике имеют кремний, германий и селен, а в последние годы внимание разработчиков новой термо- и радиационно стойкой элементной базы привлекает алмаз. Остальные элементы (бор, олово и др.) обычно используются в качестве легирующих добавок, вводимых в основной материал для модификации его свойств.

Большую группу сложных полупроводников образуют химические соединения из двух, трех и более элементов. В этой группе находятся окислы, сульфиды, селениды, теллуриды, арсениды, антимониды, фосфиды, интерметаллиды, органические полупроводники и т. д. Принято объединять сложные полупроводники по номеру группы Периодической системы элементов, к которой принадлежат компоненты данного соединения, и обозначать их латинскими буквами в последовательности алфавита с указанием цифровых индексов группы элемента (римские цифры над символом) и его стехиометрического коэффициента (арабские цифры под символом). Например, бинарные соединения: арсенид галлия — GaAs — обозначается AIIIBV, теллурид висмута — Bi2Te3 — AIIIBVI, силицид цинка и фосфора — ZnSiP2 — AIIBVI. Большое распространение на практике за последние годы получили также твердые растворы полупроводниковых веществ. В этом случае в обозначениях указывают атомную долю элементов в твердом растворе. Например, твердый раствор кремний-германий обозначается как Si1-xGex , а твердые растворы типа арсенида и фосфида индия InAs и InP — InAs1-xPx, где x — атомная доля компонента твердого раствора из интервала 0 ≤ x ≤ 1. Классификация полупроводниковых материалов представлена на рис. 2.1.

У каждого из полупроводниковых материалов есть свои специфические свойства, определяющие область его практического использования. В группе элементарных полупроводников по универсальности применения безусловно лидирует кремний и затем германий (табл. П. 1). Описанию свойств этих материалов и их практической значимости в современной микроэлектронике посвящено наибольшее число работ. Хорошо изученным элементом VI группы является также селен, имеющий две модификации: красный селен обладает свойствами изолятора и серый (гексагональный) — полупроводниковыми. Обе модификации фоточувствительны, а серый селен, кроме того, служит основой для изготовления выпрямителей. Его удельное электрическое сопротивление при 20 °С в зависимости от степени очистки от примесей может изменяться от 105 до 1012 Ом∙см. Серый селен — полупроводник с дырочной электропроводностью, что обусловлено, как предполагают, наличием структурных дефектов в его кристаллической решетке, концентрация которых существенно превосходит предел растворимости донорных примесей, используемых для легирования. При взаимодействии селена с металлами образуются соединения — селениды (ZnSe, CdSe и др.), нашедшие практическое применение по фоточувствительным свойствам. Из элементов VI группы Периодической системы следует отметить также теллур, который хотя и не используется самостоятельно в технике, но является одним из основных компонентов многочисленных соединений — теллуридов, применяемых, в частности, для изготовления термоэлектрических преобразователей.

За последнее время заметно активизировались исследования, ориентированные на практическое использование природных и синтетических алмазов в микроэлектронике не только в качестве уникального абразивного материала, но и как основы полупроводниковых приборов. Преимуществами последних перед традиционными являются более высокие рабочие температуры, электрическая мощность и радиационная стойкость. Кроме того, для задач микроэлектроники алмаз интересен такими свойствами, как предельные значения дрейфовой скорости носителей заряда, высокие напряжения электрического пробоя, рекордная твердость и т. д. Эти качества алмаза уже сегодня позволили создать на нем детекторы корпускулярного и ионизирующего излучения, дискретные приборы СВЧ-диапазона с рабочими температурами до 500 °С, фотоприемники для ультрафиолетовой части спектра и датчики физических величин, способные функционировать при высоких температурах и механических нагрузках.

Рис. 2.1. Классификация полупроводниковых материалов по составу и свойствам

Источник: «Базовые технологии микро- и наноэлектроники», В. М. Воротынцев, В. А. Перевощиков, В. Д. Скупов

В основу классификации сложных полупроводников, как отмечалось, заложены принципы: кристаллохимический (по структуре), по расположению компонентов в Периодической системе элементов (например, соединения типа AIIIBV или AIIBVI) и по названию анионообразователя (силициды, арсениды, фосфиды и т. д.). Необходимо отметить, что классификация соединений по названию анионообразователей относится лишь к веществам, состав которых удовлетворяет правилам валентности. Такие полупроводники, как ZnSb или CdSb, нельзя отождествлять с антимонидами цинка или кадмия, поскольку, согласно рациональной номенклатуре неорганической химии, ими являются соединения Zn3Sb2 и Cd3Sb2.

Из сложных полупроводников наиболее изучены свойства бинарных соединений, и прежде всего арсенидов, антимонидов и фосфидов индия и галлия (табл. П.2). Первенство среди этих материалов принадлежит арсениду галлия. По сравнению с Si и Ge у GaAs больше ширина запрещенной зоны и подвижность электронов, что обусловливает перспективность использования этого материала в СВЧ-технике и оптоэлектронике. Приборы на основе GaAs обладают также повышенной термо- и радиационной стойкостью.

Достоинства другой группы бинарных соединений типа AIIBVI также состоят в их широкозонности, что позволяет в приборах на основе этих полупроводников использовать большие диапазоны удельных электрических сопротивлений, фотопроводимости, токов, напряжений, мощностей, широкие спектры излучений и т. д. (табл. П.3). Большой практический интерес среди материалов AIIBVI представляют теллурид кадмия CdTe и соединение кадмий-ртуть-теллур CdxHg1-xTe. Непрерывный ряд твердых растворов, который образуют эти вещества, позволяет в широких пределах технологически управлять их электрофизическими и оптическими характеристиками. В настоящее время на основе полупроводников типа AIIBVI развиваются три приборных направления.

1. Приборы с высоко- и низковольтной катодолюминесценцией (кинескопы, индикаторы и пр.).

2. Приборы, в которых реализуются оптические, электрооптические и пьезоэлектрические свойства этих материалов (пространственно-временные модуляторы света, потенциометры, фотопреобразователи и др.).

3. Приборы — аналоги электронно-оптических преобразователей для ночного видения (визуализаторы), получения рентгеноизображений и других устройств интегральной оптики и функциональной электроники.

Следует отметить, что до сих пор получение подавляющего числа полупроводников (за исключением Si, Ge, GaAs и ряда соединений типа AIIIBV) в виде структурно совершенных монокристаллических слитков представляет собой сложную технологическую задачу. Отчасти поэтому в большинстве своем оксиды металлов, халькогениды (соединение металлов с S, Se и Te) и другие «нетехнологичные» полупроводники используются только в виде пленочных элементов приборов. В связи с этим в настоящем учебном пособии рассматриваются главным образом методы обработки поверхности достаточно структурно совершенных монокристаллов, на которых легко выделить и проследить основные закономерности процессов формообразования при взаимодействии внешней среды (абразивные частицы или химические травители) с материалом без экранирующего влияния кристаллографических несовершенств полупроводника на протекание таких процессов обработки. Вместе с тем роль исходного ПДС и его связь с результатами обработки поверхности подложек будет особо оговариваться в соответствующих разделах.

2.2. Основные требования к полупроводниковым материалам и подложкам

2.2.1. Полупроводниковые материалы в электронной технике

Как уже отмечалось выше, развитие полупроводниковой электронной техники характеризуется применением не только традиционных кремния и германия, но и таких материалов, как арсениды и фосфиды индия и галлия, антимонид индия, теллурид кадмия и твердые растворы на его основе, тройные и многокомпонентные соединения и аморфные вещества. В ряду известных структурных модификаций полупроводниковых материалов (аморфный, поликристаллический, монокристаллический) по-прежнему доминируют монокристаллы. Объемы и номенклатура применения монокристаллов неуклонно увеличиваются. Успехи микроэлектроники особенно связаны с использованием планарной (plane — плоскость) и эпитаксиальной технологий. Большое преимущество эпитаксии продемонстрировано при изготовлении чистых, однородных и сильнолегированных материалов, при получении тонких, субмикронных слоев и многослойных структур со сложным профилем распределения легирующих примесей. Массовое производство полупроводниковых приборов на первое место выдвигает требования точного и воспроизводимого управления широким набором параметров материала.

Ранее отмечалось, что материалом номер один по-прежнему остается кремний. Наиболее важными областями его применения являются: микроэлектроника (большие и сверхбольшие интегральные схемы), силовая электротехника (вентили, управляемые тиристоры, мощные транзисторы), солнечная энергетика (солнечные батареи), микросистемная техника и др. Для получения монокристаллов используют метод Чохральского и бестигельную зонную плавку. С помощью первого метода производят до 70% монокристаллов диаметром до 400 мм и длиной 1,5 м. Основным недостатком этого метода является загрязнение выращиваемых монокристаллов кислородом и примесями, содержащимися в кварцевых тиглях, из которых обычно производится вытягивание слитка.

Для получения наиболее чистых (содержание кислорода ≤1014÷1015 ат∙см–3) и обладающих высоким удельным сопротивлением (до 100 кОм∙см) монокристаллов используют процесс бестигельной зонной плавки; с его помощью получают монокристаллы диаметром до 300 мм и длиной более 1 м. Однако по однородности распределения электрофизических свойств в объеме слитка такие кристаллы уступают полученным в методе Чохральского.

Следствием монокристаллической структуры кремния является его высокая технологичность, стабильность и способность к обработке различными методами, которая выражается в пассивирующих, маскирующих и защитных свойствах собственного оксида. Пассивирующие свойства проявляются в резком снижении скорости окисления после образования плотной, тонкой и прочно удерживающейся на поверхности пленки собственного оксида (SiO2). Защитные свойства SiO2 проявляются в том, что для большинства примесей (за исключением ионов Na) пленка служит непроницаемым барьером. Кремний, покрытый тонкой пленкой оксида, надежно защищен от воздействия агрессивных газов, влаги, паров. Маскирующая способность — это следствие очень небольшой скорости диффузии примесей в SiO2, в сотни и тысячи раз меньшей, чем в кремнии. Поэтому пленка SiO2 с окнами в ней, соответствующими топологии схемы, служит маской при создании в Si планарных p-n-переходов различными способами. Во-вторых, наличие удобных для очистки и последующего восстановления (в том числе эпитаксии) исходных соединений SiCl4, SiHCl3, SiH4 и др. Первые два — тетрахлорид кремния и трихлорсилан представляют собой легкокипящие жидкости, неагрессивные по отношению к нержавеющей стали, что позволяет глубоко очистить их самым простым и эффективным методом ректификацией. SiH4 моносилан, непрочный гидрид кремния, представляет собой при комнатной температуре газ (Tкип= 161 К). Соединения с водородом образуют немногие элементы, поэтому уже при синтезе моносилана происходит глубокая очистка, которая дополняется низкотемпературной ректификацией. Именно моносилановый Si является наиболее чистым в отличие от всех остальных способов его получения, что и используется в технологии полупроводниковых приборов и ИС. Кремний образует прочное соединение с кислородом, что позволяет использовать диоксид кремния в виде плавленого кварца — термостойкого и высокочистого материала для изготовления тиглей и контейнеров, в которых проводится выращивание кремния. Нитрид кремния Si3N4 — одно из наиболее стойких химических соединений, и покрытия из него надежно защищают кремний от воздействия окружающей среды как при обычной, так и при повышенной (до 1473 К) температуре. Карбид кремния SiC образуется при высокотемпературном взаимодействии кремния с углеродом. Это также термостойкое соединение, которое используется для покрытия графитовых деталей, находящихся в рабочей камере, где обрабатывается кремний. Благодаря такому покрытию исключается загрязнение Si углеродом, повышается срок службы графитовых деталей при высокой температуре. Эпитаксия и гетероэпитаксия впервые были практически использованы именно в технологии кремния. Эпитаксия как доращивание монокристалла на подложке при температуре, меньшей температуры плавления, приобрела исключительно плодотворную роль в микроэлектронике. В то же время кремний — единственный материал, который удается наращивать эпитаксиально также на инородные подложки (гетероэпитаксия). Структуры КНС (кремний на сапфире) или КНИ (кремний на изоляторе) обладают значительными преимуществами как основа ИС, обладающих наименьшей энергоемкостью, быстродействием и радиационной стойкостью. Благодаря тетраэдрическому строению (наличие рыхлости и пустот) кремний нашел применение еще в двух своих разновидностях — поликристаллической и аморфной.

Кроме того, кремний — очень прочный и твердый материал, в монокристаллическом состоянии пригодный для изготовления чувствительных элементов прецизионных широкодиапазонных датчиков в виде консолей, мембран очень малой толщины (вплоть до 1÷3 мкм) в микросистемной технике.

Сырье для получения кремния практически неограниченно: его содержание в земной коре составляет около 26%. Кремний нетоксичен, экологически безопасен. Высокая чистота и совершенство структуры, технологичность и вполне очевидные перспективы развития кремниевой техники сделали этот материал уникальным и универсальным в производстве кремниевых БИС и микропроцессоров.

Благоприятные физико-химические свойства другого представителя этой группы — германия: невысокая температура плавления, инертность расплава по отношению к материалам контейнера (графит и кварц) также позволили получать его в виде высокочистых монокристаллов. Технология выращивания монокристаллов Ge оказалась проще, а аппаратура — совершеннее, чем у кремния. Благодаря этому удается получать монокристаллы Ge диаметром до 500 мм. На основе Ge первоначально бурно развивались полупроводниковые дискретные приборы — диоды и транзисторы. Но по мере совершенствования кремниевой технологии применение Ge все более сокращалось. Из-за сравнительно малой ширины запрещенной зоны предельная рабочая температура p-n переходов в Ge составляет 343÷353 К. Собственное удельное сопротивление Ge также мало, и он непригоден для быстродействующих p-i-n-приборов. Главный же недостаток Ge — неприменимость планарной технологии из-за низкой температуры плавления (а значит, и низкой скорости диффузии примесей) и отсутствие стабильного пассирующего собственного оксида. В настоящее время осталась одна область, где Ge находится вне конкуренции, это детекторы ядерных излучений и ИК-оптика (фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы), а также структуры GeSi.

Пригодность полупроводникового материала для использования его в различных твердотельных приборах определяется, в первую очередь, параметрами, зависящими от его фундаментальных физических свойств: зонной структуры, ширины запрещенной зоны и положения в ней примесных уровней, термических, термоэлектрических и др. свойств.

Электрические свойства полупроводникового материала: тип электропроводности, концентрация носителей заряда, их подвижность, а также удельное электрическое сопротивление, время жизни неосновных носителей заряда и их диффузионная длина существенно зависят от технологии обработки полупроводника. Они тесно связаны с характером вводимых в кристалл легирующих элементов и содержащихся в нем неконтролируемых посторонних примесей. Последние переходят в монокристалл из исходного сырья и окружающей среды в процессе производства и обработки.

Для управления электрофизическими свойствами монокристаллов широко используют процессы легирования электрически активными примесями. Основными легирующими примесями при получении монокристаллов n-типа являются P, As, Sb, а при получении монокристаллов p-типа — B и Al. Эти примеси образуют в Si твердые растворы замещения и обладают достаточно высокой растворимостью (1018 ÷ 1020 ат×см–3). В то же время повысился интерес к таким нетрадиционным легирующим добавкам, как Ga, In, Tl, S, Se, Te, Mg и др. Легирование осуществляют как непосредственно в процессе выращивания слитков монокристаллов, так и на стадиях их последующей обработки методами диффузии, ионного легирования (ионной имплантации), импульсного радиационного воздействия (лазерное облучение).

Основными требованиями, предъявляемыми к полупроводниковым материалам, являются высокое совершенство монокристаллической структуры, однородность распределения легирующих и неконтролируемых (фоновых) примесей в объеме (по длине и сечению) монокристалла. Полупроводник должен обладать достаточно большим временем жизни неосновных носителей заряда (исключение составляют материалы для импульсных диодов); требуемое удельное сопротивление достигается за счет введения определенных примесей (уровень легирования) после предварительной очистки исходного материала. Наряду с электрофизическими свойствами высокие требования предъявляются к механическим и физико-химическим свойствам полупроводника. Он должен иметь высокую механическую прочность при небольшой толщине, твердость, износостойкость и стабильность размеров; стойкость против химических воздействий атмосферы, высокую физическую и химическую устойчивость при нагревании до нескольких сотен градусов (для обеспечения свободы выбора реагентов при обработке подложек). Коэффициент теплопроводности должен обеспечить отвод тепла от внутренних частей кристалла, а температурные коэффициенты линейного расширения подложки и осаждаемых слоев должны быть по возможности близкими, чтобы исключить появление напряжений в пленках. Кроме того, материал должен хорошо обрабатываться в процессе получения подложек с зеркально гладкой поверхностью и с малыми отклонениями от плоскопараллельности (для достижения однородности осаждаемых пленок и хорошего совмещения при литографических операциях).

Из бинарных соединений типа AIIIBV арсенид галлия и твердые растворы на его основе прочно вышли на второе место (после кремния) по своему значению в электронной технике. Основными методами получения монокристаллов GaAs являются вытягивание по методу Чохральского (АГЧ) из-под слоя жидкого флюса (борного ангидрида) и горизонтальная направленная кристаллизация (АГНК) на ориентированную затравку в кварцевом контейнере. Первым методом вытягивают монокристаллы массой до 10÷12 кг и диаметром до 100 мм в атмосфере инертного газа и при значительных давлениях (до 20 атм). Вторым методом получают монокристаллы массой до 5 кг с эллипсообразным поперечным сечением площадью до 50 см2. Оба метода позволяют получать нелегированные кристаллы n-типа с концентрацией носителей заряда 1015÷1016 см–3 и подвижностью электронов до (5÷6)×103 см2/(В×с), а также монокристаллы с полуизолирующими свойствами. Основными остаточными примесями в монокристаллах АГНК являются кремний и кислород в концентрациях 1015÷1016 ат×см–3, а в монокристаллах АГЧ Si (~1015 см–3), С (до 1×1016 см–3) и В (до ~2.1017 см–3). Содержание собственных точечных дефектов в монокристаллах из-за сложности поддержания стехиометрического состава достигает 1018÷1019 см–3 (АГЧ) и 1017÷1018 см–3 (в случае АГНК).

Рис. 2.2. Диаграмма состояния In-As

Источник: «Базовые технологии микро- и наноэлектроники», В. М. Воротынцев, В. А. Перевощиков, В. Д. Скупов

Полупроводниковые соединения AIIIBV образуют гомологический ряд, в котором наблюдается закономерное изменение многих свойств при изменении атомных номеров компонентов.

Диаграммы состояния систем AIIIBV имеют однотипный эвтектический характер (рис. 2.2). Полиморфизма не наблюдается вплоть до точки плавления. В большинстве случаев эвтектика вырождена в сторону легкоплавкого компонента.

Точки плавления лежат выше соответствующих температур плавления элементов, из которых состоит соединение (за исключением InSb).

Все соединения AIIIBV, за исключением антимонидов, разлагаются при нагревании, причем разложение происходит по схеме:

AIIIBV → AIII (ж)+ 1/2 B2V(газ).

Равновесное давление насыщенного пара, состоящего практически из молекул компонента BV, растет с повышением температуры и в точке плавления достигает значений 104 ÷105 Па для арсенидов и 106÷107 Па для фосфидов.

Внутри каждой группы соединений-аналогов наблюдается уменьшение ширины запрещенной зоны с ростом суммарного атомного номера и атомных масс, входящих в соединение элементов. Это объясняется более сильным размытием электронных облаков ковалентных связей по мере движения вниз по Периодической системе, благодаря чему усиливается металлический характер связи. Одновременно с ослаблением ковалентных химических связей снижаются Tпл и твердость материала, т. е. полупроводник становится более пластичным, приближается по своим механическим свойствам к металлам.

Для управления электрофизическими свойствами монокристаллов AIIIBV также используются процессы легирования электрически активными примесями: в случае n-типа примеси Te, Se, S, Sn и Si; при получении p-типа Zn, Cd и Ge; полуизолирующего материала примеси Cr, O2, Fe и In. Предел достигнутой чистоты GaAs составляет ~5×1013 см–3.

Достаточно широко применяется и фосфид индия. Монокристаллические пластины InP используются в качестве подложек при выращивании гетероструктур четверного твердого раствора Gax In1-x Asy P1-y, на основе которого созданы эффективные источники излучения (инжекционные лазеры, светодиоды и быстродействующие фотоприемники и др). Фосфид индия в технологическом отношении является еще более сложным материалом, чем GaAs. Синтез InP ведут в 2–3-зонных печах в запаянных кварцевых ампулах при P = 28 атм, а после синтеза проводят зонную либо направленную кристаллизацию расплава стехиометрического состава.

Из других полупроводников группы AIIIBV представляют интерес также InSb, InAs и GaP. Фосфид галлия является одним из основных материалов для изготовления светодиодов, излучающих в видимой области спектра (зеленый свет). Арсенид индия весьма перспективен для инфракрасных фотоприемников и лазеров. Антимонид индия представляет интерес для создания криогенных устройств (работающих при охлаждении жидким азотом или жидким гелием, т. е. в области температур 4÷100 К).

В тех случаях, когда не удается изготовить монокристаллический материал с требуемыми электрофизическими параметрами, используют эпитаксиальное наращивание. В технологии создания совершенных по структуре эпитаксиальных слоев полупроводника критерием пригодности материала подложки также служит дислокационная структура. Это связано с тем, что, как отмечалось ранее, нарастающий эпитаксиальный слой наследует дефекты структуры подложки: скопления, связанные с выделением второй фазы; линии скольжения; малоугловые границы и т. п. Для улучшения электрофизических свойств полупроводника, связанных с интегральным по толщине влиянием его дислокационных дефектов, толщина слоя полупроводника должна быть минимально допустимой. Ограничение по толщине может быть вызвано требованиями механической прочности и условием согласования других слоев: например, в структуре «МДП — жидкий кристалл» (МДП — ЖК) с толщиной слоя ЖК.

В последние годы повысился интерес к созданию приборов на основе поликристаллических и аморфных полупроводников. Во-первых, по сравнению с монокристаллами и эпитаксиальными структурами получение полупроводника в виде поликристаллических слитка или пленки является более простым и производительным процессом, не требует применения прецизионной ростовой аппаратуры и дорогостоящих монокристаллических подложек. Это существенно удешевляет полупроводниковый материал и приборы на его основе. Во-вторых, границы зерен в таких полупроводниках обладают специфическими и рекомбинационными характеристиками, которые могут быть интересно реализованы в ряде приборных применений. В-третьих, граница зерен может играть роль эффективного внутреннего геттера, способствующего очистке основного объема материала от остаточных примесей и СТД. Широкое применение в приборостроении находят пока поликристаллические слои Si. Их используют для изготовления таких элементов интегральных схем, как резисторы, диоды, полевые и биполярные транзисторы, а также для создания дешевых солнечных батарей наземного применения. Для получения поликристаллических слоев обычно используют традиционные методы кристаллизации из газовой фазы с применением в качестве летучих кремнийсодержащих веществ моносилана, дихлорсилана и др. При низкотемпературном термическом разложении моносилана получают тонкие пленки (десятки мкм) с размерами зерна 0,5÷1 мкм. Поликристаллические пленки Si большой толщины (сотни мкм) обычно получают в процессе высокотемпературного восстановления хлорсиланов.

Поликристаллические слои GaAs и других соединений AIIIBVI получают в МОС-гидридных процессах на подложках из металлов, графита и кварцевого стекла.

Не меньший интерес проявляется и к аморфным полупроводникам, в особенности к аморфному Si. Оказалось, что при введении водорода в аморфный кремний он замыкает на себя свободные связи в Si (насыщает их), в результате чего в таком гидрированном материале, названном (в отличие от обычного аморфного) α-Si: H, можно легировать традиционными донорными (P, As) и акцепторными (B) примесями, придавая ему n- или p-тип проводимости. При этом величину проводимости можно воспроизводимо изменять в пределах десяти порядков. Создавая в таком материале p-n переходы, можно изготавливать, например, тонкопленочные солнечные батареи с высоким КПД (~18÷20%), что существенно приближает их к солнечным батареям на монокристаллах, но зато много проще и дешевле последних. Основными подложечными материалами для аморфных полупроводников являются пластины из кварцевого стекла, а также пластины и ленты из нержавеющей стали. Гидрированный Si является также прекрасным материалом для светочувствительных элементов.

2.2.2. Требования к полупроводниковым подложкам

Для изготовления большинства твердотельных приборов используются полупроводники в виде пластин или дисков, вырезанных из монокристаллов, называемых подложками. Причем под термином «пластина» (Slice) подразумевается полуфабрикат после резки монокристаллического слитка и механической шлифовки и полировки, а под термином «подложка» (Wafer) имеется в виду готовая продукция, т. е. окончательно обработанная и подготовленная пластина, пригодная для проведения на ней любых технологических операций. Подложка полупроводника является основной конструкционной базой (матрицей) в производстве приборов и микросхем. В ее объеме и на поверхности методами химического травления, окисления, диффузии, эпитаксии и другими способами и операциями формируются заданные активные элементы интегральных схем, приборов и устройств. Подложка является обязательным участником всех технологических процессов, гетерогенных по своей природе.

Состояние и качество поверхности полупроводниковой подложки, ее толщина, геометрические параметры, структурное совершенство в значительной мере определяют качество, стабильность и надежность изготовляемых приборов, их долговечность и эксплуатационные характеристики.

Качество поверхности подложек характеризуется шероховатостью и глубиной структурно нарушенного слоя.

Шероховатость поверхности оценивается тремя параметрами: Ra, Rz и Rmax (рис. 2.3). Параметр Ra характеризуется средним арифметическим отклонением высоты профиля от базовой линии в пределах базовой длины l:

, (2.1)

где x — абсцисса профиля, отсчитываемая по базовой линии; l — базовая длина, в пределах которой производится интегрирование.

. (2.2)

Параметр Rmax — наибольшая высота неровностей профиля, представляющая собой расстояние между линией выступов и линией впадин профиля в пределах базовой длины l.

Геометрическими параметрами полупроводниковых пластин являются:

Толщина — расстояние по оси измерения между нижней и верхней поверхностями пластины нормально к касательной плоскости в точке измерения (рис. 2.4а).

Изменение (разброс) толщины — разнотолщинность, измеряется в центре пластины и в четырех точках по окружности. Определяется наибольшая разность толщин в измеряемых точках (рис. 2.4а).

Рис. 2.3. К определению параметров шероховатости поверхности пластин

Рис. 2.4. Геометрические параметры полупроводниковых пластин: а — толщина h и разнотолщинность ∆h; σ — неплоскостность ∆; в – прогиб F

Источник: «Базовые технологии микро- и наноэлектроники», В. М. Воротынцев, В. А. Перевощиков, В. Д. Скупов

Неплоскостность — полное изменение толщины, т. е. разность между максимальным и минимальным значениями толщины, измеренными при непрерывном сканировании всей поверхности пластины (рис. 2.4б).

Прогиб определяется как максимальное отклонение центральной точки поверхности пластины вверх или вниз относительно эталонной плоскости (рис. 2.4в), при этом пластина должна находиться в свободном состоянии.

Параллельность сторон пластины — максимальное и минимальное отклонение толщины от фактического значения.

Данные табл. 2.1 иллюстрируют связь параметров, характеризуемых качеством и линейными размерами пластин Si, со свойствами структур. Основные требования к готовым пластинам Si представлены в табл. 2.2. Из нее видно, что требования, предъявляемые к подложкам полупроводников, являются весьма высокими. Постоянное совершенствование полупроводниковой техники обусловливает в ряде случаев еще более жесткие требования к качеству и параметрам подложек.

Например, все большее применение находят так называемые сверхрешетки — многослойные эпитаксиальные структуры, толщина слоев в которых составляет менее 0,01 мкм. Наблюдается также резкое уменьшение размеров микросхем и приборов функциональной микроэлектроники, повышение степени интеграции. Все это требует создания элементов субмикронных и нанометровых размеров на структурах большой площади. Для этого необходимы подложки высокоточных геометрических размеров с весьма гладкой поверхностью (высота неровностей, Rz ≤ 0,01 мкм) и максимальной степени физико-химической чистоты. Концентрация металлических примесей на поверхности подложек не должна превышать 1 · 1011 см–3, а в объеме кристалла ≤ 5 · 1010 см–3, плотность микродефектов должна быть ниже 5 см–2.

Таблица 2.1

Контролируемые параметры, допуски и последствия отклонений от допуска

Таким образом, качество поверхности, характеризуемое ее микрорельефом (шероховатостью), кристаллическим совершенством поверхностных слоев и степенью чистоты (отсутствие фазовых пленок и других загрязнений), является важнейшим показателем полупроводниковой подложки. От правильной обработки поверхности подложек зависят не только структура, свойства наносимых слоев и электрические характеристики элементов, но и их воспроизводимость, выход годных элементов, т. е. в конечном счете стоимость и качество электронных изделий.

Наряду с собственными объемными несовершенствами монокристалла, дефекты и примеси, образующиеся при обработке и подготовке поверхности и проникающие внутрь кристалла, также влияют на свойства полупроводника. Особенно ощутимы перестройки примесно-дефектных скоплений на поверхности полупроводника при повышенных температурах в процессе производства приборов, что может привести к неконтролируемому выходу их из строя.

При подготовке подложек к проведению фотолитографических операций необходимо контролировать помимо геометрических параметров и состояние рабочей поверхности. Кроме шероховатости качество поверхности подложек определяется числом различных дефектов: светящихся точек (в темном поле металлографического микроскопа) от остатков загрязнений и включений микропримесей; структурных дефектов нарушений поверхности, связанных с дефектами, возникающими внутри кристалла при его выращивании (дислокации, двойники), дефектов эпитаксиальных пленок (дислокации, дефекты упаковки, царапины, ямки, пирамидальные выступы, «апельсиновая корка», дымка); дислокаций, структурных дефектов, появляющихся после травления или как результат влияния остаточных загрязнений на подложке, или под действием локальных напряжений в растущем слое. Даже тщательно очищенная поверхность подложек в обычных условиях покрыта тонким (до 10 нм) слоем оксидов, гидроксидов и гидрокарбонатов, а также органическими веществами. Все эти поверхностные дефекты подложек существенно снижают выход годных изделий и их надежность. Например, может происходить деградация таких важных параметров ИС, как коэффициент усиления по току и напряжению, пробивное напряжение, обратные токи p-n переходов, время жизни неосновных носителей заряда и др.

Переход к субмикронным и нанометровым размерам элементов ИС ужесточил требования к качеству поверхности подложек. В настоящее время необходимо обнаруживать дефекты поверхности или загрязняющие частицы на ней размером менее 0,1 мкм.

Самые высокие требования к качеству подложек и их геометрическим параметрам предъявляет эпитаксиальная технология. При эпитаксии на поверхности монокристаллической подложки формируется

Таблица 2.2

Основные требования к параметрам пластин кремния

эпитаксиальный слой, который имеет прочную кристаллохимическую связь с подложкой и не может быть отделен от нее без разрушения слоя или поверхности подложки. Именно монокристаллическая подложка является одним из основных источников дефектов в эпитаксиальных структурах.

По природе возникновения можно выделить следующие дефекты кристаллической структуры в эпитаксиальных слоях:

— дислокации и точечные дефекты, унаследованные от подложки; наиболее распространенными дефектами в монокристаллических подложках являются краевые и винтовые дислокации; дислокации подложки либо прорастают в эпитаксиальный слой, либо меняют направление и идут по границе между подложкой и слоем; использование бездислокационных подложек позволяет существенно уменьшить эффект наследования дислокаций;

— напряжения и дислокации несоответствия, возникающие из-за различия периодов кристаллических решеток пленки и подложки;

— дефекты, обусловленные загрязнениями подложки; загрязнения на поверхности подложки приводят также к возникновению дефектов упаковки, дислокаций, пирамид и т. д.; при увеличении концентрации примесей на поверхности эпитаксиальный слой оказывается полностью покрытым дефектами роста и процесс эпитаксии переходит в процесс роста поликристалла.

Особенно существенную роль играют СТД монокристаллической подложки в эпитаксиальных структурах соединений AIIIBV, AIIBVI и др., где основным их источником являются отклонения от стехиометрического состава.

Высокие требования предъявляются и к обратной стороне (нерабочей) подложек. Неодинаковая и неравноценная обработка рабочей и нерабочей сторон подложки приводит к дополнительным механическим напряжениям и деформациям кристалла, в частности к изгибу пластин.

При оценке параметров и дефектности поверхности подложек не учитывается краевая (периферийная) зона пластин шириной 2 мм для подложек диаметром до 76 мм и шириной 3–5 мм для подложек диаметром свыше 100 мм.

Серьезной проблемой остаются вопросы, связанные с сохранением чистоты и качества подложек после их изготовления, в течение межоперационного времени хранения, упаковки и транспортировки. При хранении готовых подложек даже в чистой комнате на их поверхности осаждаются частички пыли, неконтролируемым образом меняется состояние поверхности. Тем более подвергаются воздействию пыли, влаги и окружающей технологической среды подложки при их хранении в нормальных условиях и в негерметичной таре. Для исключения процессов повторного загрязнения и деградации поверхности подготовленные подложки должны храниться и транспортироваться между операциями только в специально упакованном виде в герметичных кассетах. Конструкциям кассет и тары для хранения и транспортировки подложек уделяется такое же большое внимание, как и хранению и обращению с интегральными схемами.

2.3. Методы исследования и контроля качества подложек

Ранее отмечалось, что электрические характеристики готовых приборов и ИС в существенной мере определяются совершенством подготовленной поверхности подложек и их геометрическими параметрами. Структурные нарушения и отклонения от геометрически заданной формы подложек предопределяют невоспроизводимость результатов всех последующих технологических операций. Именно с недостаточным качеством подложек зачастую связан низкий процент выхода годных приборов и нестабильность их функциональных параметров. Поэтому после проведения различных этапов обработки готовые подложки подвергаются контролю по таким критериям, как геометрические размеры и форма, чистота обработки поверхности, а также степень дефектности и глубина остаточного нарушенного слоя.

Ниже рассматриваются основные принципы и методы контроля подложек в технологическом маршруте их изготовления.

2.3.1. Контроль кристаллографических и геометрических параметров подложек

Перечень основных контролируемых параметров подложек приведен в п. 2.1–2.2. Исходные слитки монокристаллов полупроводников, предназначенные для изготовления пластин, проходят входной контроль на соответствие их параметров технической документации (ТД). Сюда относится:

— визуальный и инструментальный контроль внешнего вида, линейных размеров (диаметра, длины базовых и иных срезов) и массы слитка;

— измерение типа электропроводности и величины удельного сопротивления;

— определение плотности ростовых дислокаций;

— контроль кристаллографической ориентации базовых срезов на слитке.

Геометрические размеры слитка контролируются с помощью штангенциркуля, его масса — с помощью циферблатных весов типа ВНЦ-2, а тип проводимости и удельное сопротивление — с помощью соответственно двухзондового и четырехзондового методов на серийных установках типа ИУС-1. Плотность дислокаций оценивается по картинам селективного травления с помощью микроскопов ММР-2 или МИМ-7 на торцах слитка или контрольных пластинах. Кристаллографическую ориентацию контролируют рентгенодифрактометрическим методом на установках типа УРС-50ИМ или дифрактометрах нового поколения ДРОН-2, ДРОН-4. В ряде случаев применяется оптический метод ориентации по отклонению световых лучей от протравленной поверхности слитка.

Технологический процесс изготовления пластин кремния состоит из следующих операций.

1. Ориентированное закрепление слитка на оправке, с помощью которой он устанавливается на станке.

2. Резка слитка на пластины заданной толщины.

3. Химическая очистка пластин после резки.

4. Контроль пластин после химической очистки.

5. Закрепление пластин на держателе (шлифовальной головке).

6. Шлифование нерабочей стороны (НРС) пластин.

7. Контроль поверхности НРС пластин после шлифования.

8. Полирование НРС пластин.

9. Контроль поверхности НРС пластин после полирования.

10. Снятие пластин с держателя.

11. Отмывка после полирования НРС пластин.

12. Закрепление пластин на шлифовальную головку для обработки рабочей стороны (РС).

13. Шлифование РС пластин.

14. Контроль поверхности РС пластин после шлифования.

15. Финишное полирование РС пластин.

16. Суперфинишное полирование РС пластин.

17. Контроль пластин после полирования.

18. Снятие пластин с держателя.

19. Отмывка пластин после полирования.

20. Очистка поверхности пластин на кистевых мойках.

21. Окончательный контроль параметров пластин.

22. Защита поверхности нанесением полимерной пленки ПАН-лака.

Полный перечень контрольно-измерительных операций, используемых в описанном процессе, представлен в табл. 2.3. Из этой таблицы видно, что для получения высококачественных подложек кремния, предназначенных, например, для эпитаксиального наращивания, необходимо выполнить по меньшей мере 30 контрольных операций.

При создании современных приборов зачастую оказывается недостаточным указанных в табл. 2.3 контрольных операций и средств, которыми они осуществляются. В настоящее время для контроля геометрических параметров подложек все шире применяются бесконтактные методы измерения, которые наряду с прецизионностью не вносят неконтролируемых погрешностей, связанных с возможным загрязнением,

Таблица 2.3

Контрольные операции при изготовлении кремниевых пластин

* неисчезающие риски — риски, которые видны на поверхности независимо от угла падения света на пластину.

** исчезающие риски — риски, которые видны только при определенных углах падения света на исследуемую поверхность.

повреждением или деформированием пластин. К числу таких методов относятся интерферометрический, емкостной, акустический, лазерный и оптоэлектронный на ИК-излучении. Созданы различные установки для реализации этих методов как в режиме поштучных измерений, так и полностью автоматизированные с транспортировкой пластин из кассеты в кассету и сортировкой их по заданным параметрам. Например, используется универсальная измерительная система для контроля параметров пластин в производственных условиях, в которой использован емкостной метод. Система состоит из блоков измерения толщины, плоскостности, типа проводимости, удельного сопротивления, лазерной маркировки и контроля поверхности визуально. Контролироваться могут пластины диаметром от 76 до 150 мм и более. При этом осуществляется микропроцессорное управление установкой, ориентации и закрепления пластин, а также процессом измерения их геометрии.

Для контроля дефектности поверхности пластин применяются методы на основе эффекта рассеяния света. Возможности традиционной оптической микроскопии визуального контроля существенно расширились за счет применения новых оптических элементов и более мощных источников света. При 100-процентном контроле пластин контрольно-измерительное оборудование должно обеспечивать:

— быстродействие и стабильность сканирующих систем;

— эффективность оптической системы сбора рассеянного света, дающей высокую разрешающую и обнаружительную способность;

— автоматизацию транспортировки и сортировки пластин по их параметрам;

— минимум загрязнений и дефектов, вносимых оборудованием.

Для этих целей используются в качестве источников излучения гелий-неоновые и полупроводниковые лазеры, а сбор и обработка информации осуществляется оптическими блоками и фотоэлектронными умножителями волоконно-оптических линий связи. Для этого разработаны установки, предназначенные для контроля поверхности подложек и фотошаблонов.

2.3.2. Методы исследования и контроля структурно нарушенных слоев полупроводников

Методы, применяемые для определения глубины структурно нарушенных слоев (НС) кристаллов, разделяют на прямые и косвенные, разрушающие и неразрушающие. Эти признаки характеризуют способность методов непосредственно выявлять и идентифицировать структурные дефекты либо судить об их наличии по изменению некоторых интегральных свойств материала, зависящих от его реальной структуры.

На основании имеющихся экспериментальных данных строение нарушенных абразивной обработкой слоев можно представить как последовательность (рис. 2.5):

— рельефной приповерхностной зоны с эффективной толщиной (t1);

— зоны с трещинами и скоплениями дислокаций (t2);

— области отдельных дислокаций и дислокационных петель, образовавшихся в результате конденсации неравновесных СТД (t3);

— зоны комплексов СТД (t4 и t5) с различными значениями подвижности элементарных дефектов (на рис. 2.5 показан случай μ1 < μ2);

— области упругой деформации (t6).

Наука Воротынцев В.М., Скупов В.Д. Базовые технологии микро- и наноэлектроники. Учебное пособие

Наука Воротынцев В.М., Скупов В.Д. Базовые технологии микро- и наноэлектроники. Учебное пособие

Учебное пособие разработано в соответствии с государственным образовательным стандартом высшего профессионального образования по направлению подготовки дипломированных специалистов 11.04.04 «Электроника и наноэлектроника». Впервые технологии микро- и наноэлектроники рассмотрены неразрывно с технологиями высокочистых веществ и материалов в основополагающем ключе «высокая чистота материала — высокое качество продукции». Рассмотрены основные процессы получения высокочистых веществ и материалов на их основе, процессы и технологии получения эпитаксиальных структур кремния, арсенида галлия и др., технологии их обработки при переходе к компонентам электронной техники.<br /> Пособие может быть использовано студентами всех форм обучения, в том числе и по смежным специальностям, как для самостоятельной работы, так и выполнения курсовых проектов, а также в качестве конспекта лекций по курсу «Технология материалов электронной техники». Содержит перечень контрольных вопросов для оценки усвоения студентами материала.