Технология изготовления интегральных логический микросхем на основе GaAs

Размещено на http://www.allbest.ru/

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего образования

Ивановский государственный химико-технологический университет

Кафедра технологии приборов и материалов электронной техники

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ ПО ПРОФИЛЮ

Микроэлектроника и твердотельная электроника

Тема Технология изготовления интегральных логический микросхем на основе GaAs

Выполнил Киселев С.О.

Проверил Мурин Д.Б.

Иваново 2017



Оглавление

инвертор транзистор шоттки имплантация

Введение

1. Инвертор GaAs ПТШ

2. Технологический маршрут создания инвертора на основе двух полевых транзисторов с барьером Шоттки

3. Технологии используемые в создание инвертора на основе GaAs

3.1 Очистка подложек

3.1.1 Обезжиривание в органических растворителях

3.1.2 Обработка в активных средах

3.2 Фотолитография

3.3 Газофазная эпитаксия

3.4 Пиролитическое осаждение

3.5 Химическое осаждение из газовой фазы при пониженном давлении

3.6 Диффузия

3.7 Ионная имплантация

3.8 Создание омических контактов

Список литературы



Введение

В настоящее время разработка и проектирование полупроводниковых и гибридных интегральных микросхем СВЧ диапазона с применением полевых транзисторов с затвором Шоттки (ПТШ) на основе арсенида галлия определились как самостоятельное направление развития СВЧ техники. Важнейшими качествами таких микросхем по сравнению с микросхемами на биполярных транзисторах являются более высокое быстродействие и лучшие шумовые характеристики. Именно эти параметры определили основные области их применения. Они широко используются в радиоприемной и измерительной аппаратуре СВЧ диапазона. Значительный интерес представляют различные технологические процессы, используемые для изготовления ПТШ и полупроводниковых интегральных микросхем на арсениде галлия, такие как парофазная эпитаксия, молекулярно - лучевая эпитаксия и ионная имплантация. Эта технология является важным элементом технологии GaAs ПТШ, не смотря на то, что исследования в этом направлении ведутся почти два десятилетия, электрические свойства полуизолирующего GaAs понятны еще не достаточно. Более того, во многих случаях технология остается «искусством» из - за отсутствия фундаментального понимания основ этого процесса. Полуизолирующие подложки используются как исходный материал для получения эпитаксиального GaAs, либо как материал для применения непосредственно ионной имплантации. Первоначально этот материал был получен путем тщательнейшей очистки GaAs. Позже его стали получать искусственным путем за счет введения в расплав кислорода или хрома.

Прогресс в изучении электрических свойств полуизолирующего GaAs сдерживается трудностями, связанными с проведением измерений и интерпретацией результатов для высокоомных материалов. Определенные трудности существуют в проведении анализа примесей, так как большинство электрически активных примесей можно обнаружить с помощью масс - спектрометрии.

К полуизолирующему арсениду галлия, используемому в качестве подложки при изготовлении ПТШ, предъявляются следующие требования:

1. термостабильность (высокое удельное сопротивление должно сохраняться после процесса эпитаксиального выращивания или отжига имплантированных слоев);

2. отсутствие нежелательных эффектов на границе активный слой - подложка (гистерезис характеристик, «управление со стороны подложки», чувствительность к свету);

3. отсутствие деградации свойств активного слоя из - за диффузии примесей из подложки при проведении термических примесей;

4. минимальная концентрация примесей;

5. минимальная плотность дефектов (дислокаций, дефектов упаковки, включений второй фазы).

Была предложена технология создания буферных слоев при использовании которой на полуизолирующей подложке выращивается относительно толстый эпитаксиальный слой с высоким удельным сопротивлением. Активный слой создается либо дальнейшим эпитаксиальным наращиванием, либо методом ионной имплантации в буферном слое. Данная методика позволяет маскировать нежелательные свойства подложки, но при этом усложняется процесс и увеличивается стоимость изготовления. Практической целью исследования полуизолирующего GaAs является возможность образования активного слоя непосредственно на (или в) подложке, удовлетворяющего всем пяти требования. Успехи, достигнутые за последние несколько лет как в исследовании этого материала, так и в технологии выращивания монокристаллов, подтверждают, что цель может быть достигнута в ближайшем будущем.



1. Инвертор GaAs ПТШ

Инвертор - устройство для преобразования постоянного тока в переменный с изменением величины напряжения. Обычно представляют собой генератор периодического напряжения, по форме приближенного к синусоиде, или дискретного сигнала. Инверторы напряжения могут применяться в виде отдельного устройства или входить в состав источников и систем бесперебойного питания аппаратуры электрической энергией переменного тока.

Свойства инверторов:

· Инверторы напряжения позволяют устранить или по крайней мере ослабить зависимость работы информационных систем от качества сетей переменного тока. Например, в персональных компьютерах при внезапном отказе сети с помощью резервной аккумуляторной батареи и инвертора, образующих источник бесперебойного питания, можно обеспечить работы компьютеров для корректного завершения решаемых задач. В более сложных ответственных системах инверторные устройства могут работать в длительном контролируемом режиме параллельно с сетью или независимо от неё;

· Кроме самостоятельных приложений, где инвертор выступает в качестве источника питания потребителей переменного тока, широкое развитие получили технологии преобразования энергии, где инвертор является промежуточным звеном в цепочке преобразователей. Принципиальной особенность инверторов напряжения для таких приложений является высокая частота преобразования (десятки - сотни килогерц). Для эффективного преобразования энергии на высокой частоте требуется более совершенная элементная база;

· Как и любое другое силовое устройство, инвертор должен иметь высокий КПД, обладать высокой надежностью и иметь приемлемые массогабаритные характеристики. Кроме того, он должен иметь допустимый уровень высших гармонических составляющих в кривой выходного напряжения и не создавать при работе недопустимый для других потребителей уровень пульсации на зажимах источника энергии.

Работа инвертора напряжения основана на переключении источника постоянного напряжения с целью периодического изменения полярности напряжения на зажимах нагрузки. Частота переключения задается сигналами управления, формируемыми управляющей схемой, т.е. контроллером.

В качестве примера изучения нами будет рассмотрен инвертор на основе полевый транзисторов с затвором Шоттки.

Рис. 1 Схема инвертора на полевых транзисторах с непосредственными связями

Для создания инвертора, изображенного на (рис.1), используется два типа транзисторов. На входе такого инвертора находится нормально - закрытый транзистор, а в нагрузке нормально - открытый транзистор. Логическая схема такого типа функционирует следующим образом. Когда выходное напряжение U_вх, приложенное к затвору переключающего нормально - закрытого транзистора мало (меньше, чем пороговое напряжения этого транзистора), транзистор закрыт. В отсутствие разветвления по выходу, т.е. в случаях, когда ни один логический элемент не присоединен к выходу данной схемы, выходное напряжение U_вых равно E_c. Если к выходу присоединены другие логические элементы, то величина U_вых определяется входными характеристиками следующего за схемой каскада. Если используются арсенид - галлиевые транзисторы с затвором Шоттки, то величина U_вых ограничивается сверху напряжением, соответствующим открыванию затвора.

Когда входное напряжение велико, переключающийся транзистор открыт и выходное напряжение U_вых мало. ВАХ логического элемента, иллюстрирующие его работу, показаны на (рис. 2) Так как минимальное значение выходного напряжения в данной схеме равно нулю, величина выходного напряжения высокого логического уровня ограничивается высотой потенциального барьера затвора транзистора. Вследствие этого для схем с непосредственными связями присуща относительно небольшая величина напряжения перепада логических сигналов на выходе схемы и малый запас помехоустойчивости.

Рис. 2 Вольтамперные характеристики ПТШ в режиме обогащения (U_{зи отс} = +0.15) (нормально - закрытый)



Рис. 3 Вольтамперные характеристики ПТШ в режиме обеднения (U_{зи отс} = - 0.8) (нормально - открытый)

Рис. 4 Вольтамперные характеристики инвертора на нормально - закрытых (НЗ) и нормально - открытых транзисторах (НО)



2. Технологический маршрут создания инвертора на основе двух полевых транзисторов с барьером Шоттки

Очистка подложки
диффузия донорной примеси n- - типа
Пиролитическое осаждение SiO2
Химическое осаждение из газовой фазы Si3N4 при пониженном давлении
Пиролитическое осаждение SiO2
ФЛ - №1 Нанесение фоторезиста
Совмещение шаблона, экспонирование, проявление и задубливание
Ионно - лучевое травление Si3N4 и SiO2
Ионная имплантация серы
Создание омических контактов для сток-истоковых областей из сплава Au-Ge-Ni
Удаление фоторезиста
ФЛ - №2 Нанесение фоторезиста
Совмещение шаблона, экспонирование, проявление и задубливание
Ионно - лучевое травление Si3N4 и SiO2
Ионная имплантация Ti-Pt-Au в объём GaAs
Совмещение шаблона, экспонирование, проявление и задубливание
Ионно - плазменное травление Si3N4 и SiO2
Осаждение сплава в окна фоторезиста Ti - Pt - Au и удаление фоторезиста
ФЛ - №3 Нанесение фоторезиста
Совмещение шаблона, экспонирование, проявление и задубливание
Травление изолирующего слоя в окнах фоторезиста
Удаление фоторезиста
Процесс завершен

На начальном этапе мы имеем очищенную подложку GaAs, по всей поверхности которой проводиться диффузия донорной примеси для формирования n^- слоя. После с помощью пиролитического осаждения на поверхность наноситься оксид кремния SiO₂. Данный слой будет служить защитой для дальнейшей операции нанесения нитрида кремния Si₃N₄ и предотвратить разрушение последним поверхности GaAs. Далее осаждают с помощью химического осаждения из газовой фазы нитрид кремния Si₃N₄. После вновь с помощью пиролитического осаждения наносят слой оксида кремния SiO₂ для дополнительной изоляции. В ходе первой фотолиграфии через окна фоторезестивной маски с помощью ионно-лучевого травления проводиться удаления слоя SiO₂ и Si₃N₄ на всю глубину. В получившиеся канавки проводят ионную имплантацию серы S для получения будущих сток - истоковых областей n+ проводимости. Далее не удаляя фоторезист, после первой фотолитографии по всей поверхности и в окна фоторезиста осаждают сплав Au - Ge - Ni. С помощью метода взрыва фоторезиста удаляют лишний слоя Au - Ge - Ni и фоторезист, благодаря этому мы получаем металлизационный слой, который точно совмещен в пределах диэлектрического окна. В ходе второй фотолитографии в получившееся окно фоторезиста вновь проводят операцию ионно - лучевого травления SiO₂ и Si₃N₄. В получившуюся канавку имплантируем ионы сплава Ti - Pt - Au в объем GaAs. Использовав другой рисунок шаблона с тем же фоторезистом проводим создание новых окон для осаждения Ti - Pt - Au, тем самым создаем области затвора. Ранее созданное углубление в одной из областей затвора позволит реализовать работу инвертора притом, что один транзистор будет работать в режиме обедненного заряда, а другой в режиме обогащения. Тем самым при нулевом напряжении транзистор с утоненным каналом будет закрыт. После проводят третью фотолитографию, в ходе которой в окна фоторезестивной маски методом ионно - лучевого травления удаляют лишние слои Si₃N₄ и SiO₂. После удаляют фоторезист, производят конечные операции очистки, процесс завершен.



3. Технологии используемые в создание инвертора на основе GaAs

3.1 Очистка подложек

Рис. 5 Блок-схема процессов очистки

3.1.1 Обезжиривание в органических растворителях

Процесс основан на удалении с поверхностей молекул жиров, остатков силиконов и органики при их взаимодействии с горячими органическими растворителями (диметилкетон, метилциклогексан, фтор-бутилацетат). При этом молекулы не разрушаются, а распределяются по всему объему отмывочных ванн. Необходимо постоянно регенерировать растворитель или добавлять новые его порции, чтобы избежать повторной адсорбции загрязнений на очищенную поверхность. Скорость процесса зависит от температуры и времени обработки. Такая очистка высокоэффективна, но многостадийна, требует большого расхода растворителей, дорогостоящая и в большинстве случаев токсична



3.1.2 Обработка в активных средах

Процесс основан на химическом разрушении молекул жира или других загрязнений обычно горячим (75-80 °С) перекисно-аммиачным раствором (ПАР) Н₂О₂+NH₄OH. Выделяющийся в результате разложения перекиси водорода атомарный кислород обладает высокой окислительной способностью по отношению к органическим (жиры, масла, силиконы) и некоторым неорганическим загрязнениям.

Иногда очистку поверхности пластин от жиров выполняют в мыльных растворах или в растворах поверхностно-активных веществ (ПАВ), используя, например, водные растворы синтанола.

В промышленности очистка на основе активных сред ведется в установках ванной отмывки или в автоматизированных кислотных процессорах, реализуя, при этом, принцип спреевой отмывки. В качестве рабочих жидкостей помимо перекисно-аммиачного раствора (ПАР) используют также кислотные растворы, например, Н₂O₂+HCl и H₂O₂+Н₂SO₄ и так называемый буферный раствор (HF+NH₄F).

Особенности процесса спреевой отмывки и возможный экономический эффект от его использования:

· рециркуляция растворов с целью повышения чистоты и экономии реактивов;

· использование инфракрасного нагревателя для растворов - существенно экономит расход электроэнергии;

· генератор озона в составе установки кислотного процессора позволяет заменить H₂SO₄ на деионизованную воду с О₃, что приводит к экономии химикатов;

· более быстрый технологический процесс приводит к экономии электроэнергии;

· применение термостатированного химического контейнера приводит к меньшим потерям тепла на производстве.

Травление полупроводников - это процесс, основанный на удалении приповерхностного слоя материала, в данном случае с имеющимися на поверхности загрязнениями, под действием химических реагентов или травителей. Однокомпонентные травители, такие как щелочи, кислоты и их соли в технологии используют редко. В основном применяют травящие составы, включающие в себя несколько компонентов.

Кинетика процесса травления состоит из нескольких этапов:

· диффузии реагента к поверхности из основного потока травителя;

· адсорбции реагента на поверхности;

· поверхностной химической реакции;

· десорбции продуктов реакции;

· диффузии продуктов реакции от поверхности и их удаление с потоком травителя.

Различают химическое и электрохимическое травление полупроводников. Согласно химической теории поверхностные химические реакции при травлении протекают в два этапа: окисление поверхностного слоя и перевод оксида в растворимую соль.

3.2 Фотолитография

Фотолитография - метод получения определённого рисунка на поверхности материала, широко используемый в микроэлектронике и других видах микротехнологий, а также в производстве печатных плат. Один из основных приёмов планарной технологии, используемой в производстве полупроводниковых приборов.

Суть процесса фотолитографии сводится к тому, что вначале на обрабатываемую поверхность наносится тонкая фоточувствительная полимерная пленка (фоторезист). Затем эта пленка засвечивается через фотошаблон с заданным рисунком. Далее проэкспонированные участки удаляются в проявителе. Получившийся на фоторезисте рисунок используется для таких технологических этапов планарной технологии, как травление, электроосаждение, вакуумное напыление и другие. После проведения одного из этих процессов оставшийся, не удаленный при проявлении, фоторезист также удаляется.

Принципиальное отличие фотолитографии от других видов литографии заключается в том, что экспонирование производится светом (видимым или ультрафиолетовым), тогда как в других видах литографии для этого используется рентгеновское излучение (рентгеновская литография), поток электронов (электронно-лучевая литография) или ионов (ионно-лучевая литография) и другое.

Наименьшие размеры деталей рисунка, достижимые в фотолитографии (разрешение), определяются: длиной волны используемого излучения, качеством применяемой при экспонировании оптики, свойствами фоторезиста и достигают 100 нм. Применение специальных методов (иммерсионная литография) теоретически позволяет получить разрешение до 11 нм.

Рис. 6 Схема основных этапов процесса фотолитографии

Фоторезисты - это светочувствительные материалы с изменяющейся под действием света растворимостью, устойчивые к воздействию травителей и применяемые для переноса изображения на подложку.

Фоторезисты являются многокомпонентными мономерно-полимерными материалами, в состав которых входят:

· светочувствительные вещества (поливинилциннаматы в негативные фоторезисты и нафтохинондиазиды в позитивные);

· пленкообразующие вещества (чаще всего - это различные фенолформальдегидные смолы, резольные и новолачные смолы);

· растворители (кетоны, ароматические углеводороды, спирты, диоксан, циклогексан, диметилформамид и др).

В процессе фотолитографии фоторезисты выполняют две функции: с одной стороны, являясь светочувствительными материалами, они позволяют создавать рельеф рисунка элементов, а с другой, обладая резистивными свойствами, защищают технологический слой при травлении.

В основе создания рельефа в пленке негативных фоторезистов лежит использование фотохимической реакции - фотополимеризации, а в пленке позитивных фоторезистов - реакции фоторазложения (фотолиза). Для негативных фоторезистов освещенные при экспонировании участки не растворяются в проявителе и остаются на поверхности подложки. При этом рельеф представляет собой негативное изображение элементов фотошаблона. Для позитивных фоторезистов, соответственно все наоборот.

Рис. 7 Последовательность формирования позитивного (1) и негативного (2) изображения на подложке

3.3 Газофазная эпитаксия

Методы газофазной эпитаксии основаны на осаждении из газовой фазы вещества, полученного в результате следующих химических реакций:

· восстановления хлоридов Si или Ge водородом
(например, SiCl₄ + 2H₂ = Si + 4HCl - т.н. хлоридный процесс);

· пиролитического разложения силана (SiH₄ = Si + 2H₂);

· диспропорционирования дихлоридов Si и Ge (например, 2SiCl₂ = Si + SiCl₄) и др.

Процессы осуществляются в установках «Эпиквар». Газовая система обеспечивает подачу в реакторную ростовую камеру газовой смеси требуемого состава. Добавляя к газовой смеси соединения легирующих элементов, выращивают эпитаксиальные слои n- или p-типа соответственно. Температура процесса определяется кинетикой химических реакций и обычно находится в пределах 800-1250 °С. На (рис. 8) показана обобщенная схема установки газофазной эпитаксии.

Рис. 8 Схема установки газофазной эпитаксии: 1 - вентили; 2 - реактор; 3 - ВЧ индуктор для нагрева; 4 - подложки; 5 - держатели подложек; 6 - источник легирующей примеси (питатель); 7 - нагреватель резистивного типа; 8 - источник (питатель)

Процесс эпитаксиального роста следует рассматривать как последовательность гетерогенных стадий:

1) Переноса реагирующих веществ через газовую фазу к поверхности подложки и их адсорбции.

2) Реакции или серии реакций на поверхности с выделением атомов кремния и легирующей примеси.

3) Миграции атомов кремния по поверхности подложки и их присоединения к ступенькам роста.

4) Десорбции и переноса газообразных продуктов реакции к основному потоку газа и их удаление.

3.4 Пиролитическое осаждение

Рассмотрим пиролитический метод формирования пленок (метод химического осаждения из газовой фазы). Метод химического осаждения из газовой фазы основан на использовании явления пиролиза или химических реакций при формировании пленок поликристаллического кремния или пленок различных изолирующих материалов.

Рис. 9 Установка формирования пленок методом химического осаждения из газовой фазы при нормальном давлении

Процесс пиролитического осаждения слоев SiO₂ проводят в потоке газа-носителя (аргона или азота) при пониженном давлении или нормальном давлении на установках типа «Изотрон». Пленки SiO₂, полученные пиролитическим осаждением, имеют более высокую пористость, чем при термическом окислении, однако в них ниже уровень механических напряжений. Отличительным признаком пленок SiO₂, полученных этим методом, является более высокая скорость их травления.

Достоинством пиролитического осаждения является возможность осаждать оксидные пленки кремния на подложку практически из любого материала. Другим важным преимуществом данного способа является то, что он позволяет свести к минимуму перераспределение примесей, которые были ранее введены в подложку на предыдущих этапах, то есть сохранить геометрические размеры и электрические параметры активных и пассивных областей микросхемы. Третьим достоинством способа является низкая температура процесса. Недостатком же является высокая вероятность загрязнения растущих пленок продуктами разложения и высокая пористость пленок.

Температура по всей поверхности пластин во время окисления должна поддерживаться одинаковой. Поэтому установки снабжаются устройствами для вращения подставки, а также используются системы подачи газа в соответствии с выбранной формой пьедестала.

В качестве химически активного газа применяют моносилан SiH₄ и кислород, а в качестве буферного газа - азот (обычно пьедестал и пластины соприкасаются и разогреваются). Внутри пьедестала имеется полость, предназначенная для предотвращения рассеяния тепла во внешнее пространство и обеспечения равномерности температуры на пьедестале. Однако, поскольку пластины неплотно прилегают к пьедесталу, то температура их поверхности неодинакова и воспроизводимость результатов ухудшается. Кроме того, по мере увеличения диаметра пластин их число в составе одной партии уменьшается, что препятствует организации их массового производства и является существенным недостатком данного метода.

3.5 Химическое осаждение из газовой фазы при пониженном давлении

Стехиометричный Si₃N₄ используют для пассивирования поверхности полупроводниковых приборов (предохраняет от диффузии воды и ионов натрия, маска при локальном окислении кремния).

Химическое осаждение:

· при атмосферном давлении и температуре 700 - 900 °C: 3SiH₄ + 4NH₃ Si₃N₄ +12H₂

· при пониженном давлении и температуре 700 - 800 °C: 3SiH₂Cl₂ + 4NH₃ Si₃N₄ + 6HCl + 6H₂

Рис. 10 Схема установки химического осаждения из газовой фазы при пониженном давлении

Широко применяется преимущественно для получения пленок поликристаллического кремния и нитридов кремния. При попытках использования этого метода для формирования других пленок возникает ряд проблем. Так, например, в случае формирования защитных пленок фосфорсиликатного стекла (применяющихся для защиты поверхности ИС) приходится считаться с зависимостью диаметра пластин от диаметра камеры, в которой производится обработка, при получении пленок, содержащих фосфор и мышьяк, в камеру наряду с моносиланом необходимо вводить в малых количествах фосфин и арсин, что приводит к существенному снижению скорости формирования пленок и ухудшению их равномерности по толщине.

Поскольку в любом из вариантов метода осаждения из газовой фазы осуществляется пиролиз химически активных газов, то формирование пленки должно проводится при довольно высокой температуре по сравнению с методом термического напыления. В частности, при формировании пленок поликристаллического кремния пластина должна быть разогрета до 600 - 650 °С, а пленок нитрида кремния до 750 - 800 °С. Если нагрев пластин до указанных температур по каким-либо причинам нежелателен, то используют альтернативные методы получения пленок (например, плазмохимический метод).

3.6 Диффузия

В этом случае пластины помещаются совместно с некоторым количеством примеси в кварцевую ампулу, которая откачивается до давления 10-⁴-10-⁵ мм рт. ст. и запаивается. Иногда ампула заполняется чистым инертным газом. Далее ампулу выдерживают при высокой температуре определенное время, в течение которого идет процесс диффузии газообразной примеси в полупроводник.

Давление паров примеси, устанавливающееся над поверхностью полупроводника, определяет величину поверхностной концентрации, поэтому, изменяя концентрацию примеси в газовой фазе, можно менять в широких пределах поверхностную концентрацию примеси. Возможность такого управления процессами диффузии является существенным достоинством данного способа. Для изменения давления паров можно использовать конструкцию ампулы, представляющую собой замкнутую систему с отростком (рис. 11). Изменением температуры примеси, находящейся в отростке, можно регулировать давление паров диффузанта.



Рис. 11 Установка для диффузии в замкнутом объеме:
1, 2 - трубчатые печи; 3 - кварцевая труба; 4 - кварцевая кассета с пластинами; 5 - диффузант; 6 - кварцевая ампула

Основным недостатком такого способа является относительно высокая стоимость, ввиду того, что ампула является одноразовой и после использования разбивается.

При диффузии по способу открытой трубы пластины кремния подвергаются высокотемпературной обработке в потоке инертного газа, несущего пар примеси. При этом в качестве источников диффузантов могут использоваться твердые, жидкие и газообразные вещества. Схемы установок для диффузии в потоке газа-носителя для твердых, жидких и газообразных источников примеси представлены на (рис. 12)



Рис. 12 Установки для диффузии в потоке газа-носителя а - с использованием твердого источника примеси, б - газообразного источника примеси, в - жидкого источника примеси: 1, 2 - трубчатые печи; 3 - кварцевая труба; 4 - кварцевая лодочка с пластинами кремния; 5 - твердый источник примеси; 6 - газовые потоки; 7 - сосуд с жидким источником примеси (испаритель)

При использовании твердых источников примеси установка состоит из открытой кварцевой трубы, проходящей через две трубчатые печи с независимой регулировкой температуры, обеспечивающие две зоны постоянной температуры и плавное монотонное изменение температуры от первой зоны ко второй (рис. 12, а). В одну зону помещаются пластины кремния, в другую - источник примеси. Диапазон рабочих температур составляет в зоне источника примеси 400-1000 °С, в зоне диффузии - 1000-1250 °С. Через трубу пропускается поток газа, основной функцией которого является перенос испаряющихся молекул источника примеси в зону диффузии. Обычно используют азот, аргон, иногда газы с примесями кислорода или водорода. В зоне диффузии происходят химические реакции, приводящие к образованию элементарной примеси и двуокиси кремния.

Поверхностная концентрация примеси при диффузии в двухзонных печах зависит от температуры источника, его насыщенности водяными парами, состава газа-носителя, скорости и характера его потока. Присутствие воды в источнике увеличивает разброс поверхностной концентрации примеси, что является основным недостатком диффузии из твердых источников диффузантов.

3.7 Ионная имплантация

При ионном внедрении (имплантации, легировании) заряженные частицы управляемого потока вещества, бомбардируя твердое тело, внедряются в него, изменяя его электрофизические, оптические и другие свойства. В отличие от диффузии ионное внедрение обеспечивает контролируемое (от 10¹¹ до 10¹⁶ ион/см²) введение легирующих атомов в полупроводниковые подложки, что является его основным достоинством.

Кроме того, к достоинствам ионного внедрения относят:

· его полную совместимость с процессами планарной технологии;

· однородность легирования, обусловленную электростатическим, механическим и комбинированным сканированием ионного пучка;

· особо чистые условия процесса, исключающие загрязнение подложек посторонними примесями.

Наиболее существенным недостатком ионного внедрения является нарушение кристаллической структуры кремния и диоксида кремния - появление дефектов в результате первичных или вторичных соударений внедряемых ионов с атомами обрабатываемого материала. Для устранения образовавшихся нарушений, а также стабилизации свойств легированных слоев и активации примеси, имплантированные подложки отжигают при низкой (400-600 °С) или высокой (900-1000 °С) температуре. При термической обработке выше 1000 °С одновременно с отжигом происходит разгонка имплантированных атомов примеси.

При ионной обработке МОП - структур на границе раздела кремний-диоксид кремния образуется фиксированный положительный заряд, и возникают быстрые поверхностные состояния. С увеличением дозы имплантации эти явления усиливаются, а затем происходит насыщение. Фиксированный положительный заряд устраняют отжигом подложек при температуре до 500 °С с одновременной обработкой ультрафиолетовым излучением. Быстрые поверхностные состояния снимаются обработкой подложек в атмосфере азота при температуре 400-500 °С. Ионную имплантацию применяют в технологии изготовления биполярных и униполярных транзисторов в основном на тех стадиях технологического процесса, когда использование высокотемпературной диффузии становится критичным из-за дополнительной разгонки ранее внедренной примеси. Кроме того, точное управление концентрацией и толщиной p- и n-слоев биполярных структур позволяет создавать малошумящие и мощные транзисторы с высокими и воспроизводимыми параметрами. Такая технология полностью применима в производстве БИС и СБИС. В настоящее время ионная имплантация является одним из основных технологических процессов изготовления полупроводниковых приборов и ИМС. Причем в производстве СБИС отдельных типов, количество операций ионной имплантации может достигать 8-11.

3.8 Создание омических контактов

При изготовлении приборов и интегральных схем на основе эпитаксиальных структур и гетероструктур арсенида галлия омических контакты формируются с использованием процесса фотолитографии.

Непосредственно перед напылением металла омического контакта пластины обрабатываются в кислородной плазме, и производится удаление собственного окисла в (HF) или (HCl) слабом растворе.

Изготовление сплавных контактов включает обработку поверхности перед нанесением фоторезиста. В начале пластины промываются в органических растворителях, затем их промывают деионизованной водой. Осаждение металла обычно производится при комнатной температуре напылением в вакууме. Сплав (AuGe) напыляют из эвтектического состава (88%_вес (Au) и 12 %_вес (Ge)). Сверху осаждается слой (Ni), который облегчает вплавление эвтектической пленки и повышает растворимость (GaAs). Напыление металла в вакууме производится методом термического (резистивного или электроннолучевого) испарения. В случае резистивного термического испарения (Au - Ge) напыляется из одного молибденового испарителя, выполненного в виде сферического углубления, в которое кладутся навески (Au) и (Ge), а (Ni) напыляется из вольфрамового испарителя. Наиболее удобны для напыления металлов омических контактов установки, в которых находится «карусель» испарителей. Избыточное количество никеля приводит к деградации свойств контакта из-за его диффузии в (GaAs). Для уменьшения поверхностного сопротивления металла омического контакта можно сверху напылить более толстый слой зо- лота. Обычно толщина пленки (Au -Ge) составляет 100 - 150 (нм), а толщина никелевой пленки 10 - 50 (нм).

Типичный процесс вплавления состоит из быстрого нагрева (400 є С\мин) до 450 - 470 є(С), а затем после выдержки в течение 30 - 40 сек быстро охлаждают. Весь цикл проводится в атмосфере водорода или азота. В процессе вплавления образуются вакансии (Ga). В случае контакта (Au - Ge) эти вакансии занимаются диффундирущими атомами (Ge), которые в подрешетке (Ga) играют роль доноров. Эффективная плотность легирующей примеси в сплавном слое может достигать 5·10¹⁹ (см^-3).Также используется лазерный или электроннолучевой нагрев при вплавлении ОК. Хорошие омические контакты к (n - GaAS), обладают малым контактным сопротивлением (< 10^-6 ОмЧсм²) и высокой надежностью. Напыление металла омического контакта производится на полученную маску фоторезиста, который затем удаляется в растворителе и в окнах фоторезиста остается металл омического контакта.



Список литературы

1. Полевые транзисторы на арсениде галлия. Принципы работы и технология изготовления / пер. с англ. ; под ред. Д.В. Ди Лоренцо, Д.Д. Канделуола. М.: Радио и связь, 1988. 496 с.: ил.

2. Козырь, И. Я. Технология полупроводниковых изделий микроэлектроники. В 10 кн.: Учебник для ПТУ. Кн 1. Общая технология / И. Я. Козырь, Ю. И. Горбунов. М.: Высш. шк., 1989. 223 с.: ил.

3. Шмелев, С. С. Оборудования и технологически процессы для производства наногетероструктурных СВЧ монолитных интегральных схем: Учебное пособие / С. С. Шмелев ; Томский государственный университет систем управления и радио - электроники. Томск: ТГУ, 2010. 103 с.: ил.

4. Технология и конструкции микросхем, микропроцессоров и микросборок: Учебник для вузов. М.: Радио и связь, 1989. 400 с.: ил.

Размещено на Allbest.ru

...