Экспериментальное получение оксидных слоев

Выбор режимов окисления определяется спецификой по­следующего функционирования слоев оксида. Относительно тон­кие пленки и слои, для которых важно получение минимального заряда на границе раздела SiО₂-Si, обычно выращиваются в су­хом кислороде. При Формировании толстых оксидных пленок (> 0,5 мкм) используется окисление во влажном кислороде. Плен­ки, полученные в атмосфере сухого кислорода, отличаются более высокой стабильностью свойств, и поэтому именно такие слои используются в наиболее ответственных случаях, например, в ка­честве диэлектрика в приборах со структурой металл-диэлектрик-полупроводник. Главным недостатком окисления в сухом кисло­роде является малая скорость окисления, вследствие чего за­труднено получение слоев значительной толщины, необходимых при осуществлении процессов локальной диффузии и для защиты поверхности приборов.

Значительную толщину оксидного слоя можно получить проведением процесса в увлажненном кислороде (или парах во­ды), однако получающиеся в таких условиях слои пористые и по маскирующим свойствам уступают пленкам, полученным в атмо­сфере сухого кислорода. Наилучший эффект достигается в ре­зультате окисления по комбинированной схеме: окисление в су­хом кислороде до толщины порядка 0,1 мкм, затем окисление во влажном кислороде до требуемой толщины и повторное окисле­ние в сухом кислороде. Во время последней стадии толщина ок­сида изменяется мало, скорее осуществляется термообработка в атмосфере сухого кислорода, способствующая значительному улучшению всех электрических свойств оксидного слоя. В ре­зультате первой стадии окисления на поверхности кремния фор­мируется плотный, совершенный по структуре слой оксида. Это благоприятно сказывается на свойствах тех слоев оксида, кото­рые растут затем в атмосфере влажного кислорода.

Схема лабораторной установки приведена на рис.3.3.

Рис. 3.3. Схема установки для термического окисления кремния

Процесс осуществляется в однозонной печи 1. Выбор тем­пературы окисления для получения слоев оксида кремния должен обеспечивать ряд заданных свойств и толщину пленки, кроме то­го, он определяется и удобством реализации процесса. Температуры выше 1250–1300°C используются редко, так как при Т > 1300^оС начинается перекристаллизация кварца, являющегося основным конструктивным материалом для кассет и труб, в кото­рых проводится окисление. Типичные температуры окисления лежат в интервале 800–1200^оC и поддерживаются в процессе окисления с точностью ± 1^оС.

В стандартном технологическом процессе пластины крем­ния 2 перед окислением подвергают очистке, сушке, размещают в кассете 3 и автоматически вдвигают в печь, нагревают до 800–900^оC, после чего температуру постепенно повышают. Это необходимо для исключения коробления пластин. При окислении необходимо предотвратить попадание пылевидных частиц в ра­бочую зону печи. Образование пыли возможно при трении кассеты 3 о трубу 4, изолирующую рабочий объем от внешней атмо­сферы. Поэтому в современных конструкциях лодочка вводится в трубу, не соприкасаясь с ее стенками, и лишь потом опускается на поверхность трубы.

Осушенный кислород подводится по специальной магист­рали 5 в таком количестве, чтобы скорость истечения газа из от­крытого конца трубы составляла несколько единиц или десятков см/с. Такая скорость достаточна для предотвращения неконтро­лируемого натекания нежелательных газов из атмосферы. Тре­буемое давление паров воды создается пусканием части потока кислорода через барботер с деионизованной водой 6, расположен­ный на нагревателе 7. Температура воды контролируется термо­метром 8. Краны 9 позволяют подавать в рабочую зону пары во­ды, кислорода или их смесь. Расходы газов измеряются с помо­щью ротаметров 10.

Контроль влажности поступающего кислорода может осу­ществляться прибором для измерения точки росы 11. Для изме­рения температуры в зоне пластин используется термопара 12. На производстве состав газовой смеси, температура и время окисления, скорость введения и извлечения подложек и др. регу­лируются автоматически в соответствии с программой микропро­цессора.

ЗАДАНИЕ

1. Ознакомиться с конструкцией установки для термическо­го окисления кремния, установить указанные преподавателем Teмnepaтуру печи, состав атмосферы и расходы газов. Провести расчет времени окисления для получения заданной толщины ок­сида. Для оценок толщины оксида при окислении в атмосфере су­хого кислорода или паров воды при атмосферном давлении мож­но пользоваться графиками рис. 3.2 или формулами 3.14, 3.15.

2. Загрузить подготовленные (протравленные) пластины кремния в специальной кассете в печь. Провести процесс окисле­ния. По окончании выдвинуть кассету из печи и охладить.

3. Определить толщину образовавшегося оксида, пользуясь таблицей цветов (или интерферометром). Сравнить с расчетными данными.

4. Провести расчеты и ответить на вопросы (пп. 1–8), пред­ложенные преподавателем.

Вопросы к зачету

1. Покажите, что уравнение х_о² + Ах_о = В (t+τ) упрощается до х_о² = Bt при большом времени окисления и до х_о² = В/А (t+τ) при малом времени окисления.

2. Рассчитайте время окисления в сухом кислороде, парах воды при Т = 1000 ⁰С для толщины SiО₂ заданной преподавате­лем. Сравните полученные результаты.

3. Постройте кривые зависимости толщины окисла от вре­мени окисления в сухом и влажном кислороде при 1000 ⁰С, поль­зуясь таблицами, приведенными в дополнительном описании и предполагая τ = 0.

4. Пользуясь данными плотности и молекулярного веса Si и SiО₂ , покажите, что на формирование слоя SiО₂ толщиной d рас­ходуется слой Si толщиной 0,45d. Плотность SiО₂ составляет 2,27 г/см³ , а плотность кремния – 2,33 г/см³.

5. Какие потоки собственных точечных дефектов возможны на границе Si-SiО₂? Чем они обусловлены?

6. Какие условия необходимы для того, чтобы при окисле­нии свести к минимуму вероятность: а) образования окислитель­ных дефектов упаковки, б) инверсию типа проводимости поверх­ности подложки Si?

7. Каковы особенности слоев SiО₂, полученных в атмосфере паров воды и сухом кислороде?

8. Какие факторы необходимо учитывать при выборе режи­мов окисления кремния?

ЛИТЕРАТУРА

1. Технология СБИС / Под ред. Зи С. М.: Мир, 1986, т.1. С.174–226.

2. Курносов А.И., Юдин В.В. Технология производства полу­проводниковых приборов. М.: Высш. шк., 1979. 367 с.

3. Колобов Н.А., Самохвалов М.М. Диффузия и окисление полупроводников М.: Металлургия, 1975. 456 с.

Лабораторная работа № 4

Фотошаблоны и последовательность изготовления структур биполярных ИС

Цели работы

· Изучение конструкции биполярного транзистора ИС и технологической последовательности его изготовления.

· Ознакомление с комплектом фотошаблонов и их структурой, топологией рабочих и тестовых модулей, меток совмещения.

· Ознакомление с реальными конструкциями элементов биполярной ИС, технологическими рисунками отдельных слоев, конструкцией ее элементов и их размерами.

· Восстановление принципиальной электрической схемы ИС или ее фрагмента.

Интегральная микросхема (ИС) – это конструктивно законченное микроэлектронное изделие, выполняющее определенную функцию преобразования информации. Основным типом современных ИС являются монолитные ИС, изготовляемые на основе монокристаллического кремния. Со схемотехнической точки зрения монолитная ИС представляет собой совокупность связанных системой проводников отдельных элементов (транзисторов, резисторов и т.п.), которые тем или иным способом изолированы от подложки. По типу используемых основных активных элементов полупроводниковые микросхемы подразделяют на биполярные и полевые (на МДП-транзисторах). Выпускаются также комбинированные биполярно-полевые полупроводниковые микросхемы.

В конструктивно-технологическом отношении каждый из элементов состоит из ряда областей полупроводника, различающихся по электрофизическим свойствам (типу и концентрации примесей), системы проводников и изолирующих слоев.