Разработка конструкции и технологического процесса изготовления диффузионного резистора

Разработка конструкции и технологического процесса изготовления диффузионного резистора

Оглавление

1. Исходные данные для проектирования

. Описание и анализ конструкции диффузионного резистора

. Предварительный расчет полупроводникового диффузионного резистора

. Оптимизация конструкции диффузионного резистора

. Разработка основных этапов технологического процесса изготовления диффузионного резистора в составе ИМС

Заключение

Список использованной литературы

1. Исходные данные для проектирования

Разработать конструкцию и выбрать технологический процесс изготовления диффузионного резистора в составе ИМС. Программа выпуска - 50000 шт. в год. Выпуск ежемесячный.

Параметры резистора:

¾      номинал: 500 Ом;

¾      погрешность: ± 10 %;

¾      граничная частота не менее: 450 МГц;

¾      паразитная емкость не более: 0.1 пФ;

¾      выполнить оптимизацию конструкции резистора по критерию «минимальная площадь»;

¾      резистор должен иметь элементы связи с другими ИМС;

¾      материал: КДБ 10;

¾      минимальная ширина окна в окисле под резистор 14 мкм.

. Описание и анализ конструкции диффузионного резистора

Интегральные резисторы - группа резисторов с различными номиналами, изготовленных на общем основании (пассивной подложке, полупроводниковом кристалле) одновременно, в общем технологическом процессе, что осуществляется благодаря общему для всех резисторов резистивному слою, который может быть создан избирательно с помощью масок и трафаретов или нанесен в виде сплошной пленки с последующим избирательным травлением (фотолитографией). Среди интегральных резисторов выделяют следующие разновидности:

§ диффузионные резисторы;

§  эпитаксиальные резисторы;

§  пинч-резисторы;

§  эпитаксиальные пинч-резисторы;

§  другие.

Остановимся подробнее на диффузионных резисторах.

Рис.1. Структура (а) и топология (б) диффузионного резистора

Рис.2. Поперечный разрез диффузионного резистора на основе базовой области.

Диффузионные полупроводниковые резисторы формируются в результате диффузии примеси через предварительно вытравленные в оксиде кремния окна (оксидная маска), расположенные по поверхности кремниевой групповой пластины. Диффузионные резисторы изготовляют одновременно с базовой или, что реже, с эмиттерной областью. Это связано с требованиями интегральной технологии, в частности с необходимостью минимизировать число операций. Сопротивление диффузионного резистора представляет собой объемное сопротивление участка диффузионного слоя, ограниченного p-n-переходом. Оно определяется геометрическими размерами резистивной области и распределением примеси по глубине диффузионного слоя, которое, в свою очередь, характеризуется поверхностным сопротивлением R_сл. Значение R_сл является конструктивным параметром резистора, зависящим от технологических факторов (режима диффузии) и, к тому же, жестко предопределенным параметрами слоя транзистора, поэтому параметры резисторов улучшают не варьированием технологических режимов, а выбором конфигурации и геометрических размеров резистора.

. Предварительный расчет полупроводникового диффузионного резистора

На начальном этапе конструирования определяется поверхностное сопротивление R_сл базовой области. Сначала определяем условную дозу легирования Q_п, т.е. количество примеси, приходящееся на 1 см² в пределах от 0 до Х_б, где Х_б - толщина базовой области, которая для диффузионных резисторов обычно лежит в пределах от 2.5 до 3.5 мкм. Мы же для начала возьмем толщину базы 3 мкм. Формула для вычисления Q_п имеет вид:

Здесь N(x) - функция распределения примеси по глубине;

Q - полная доза легирования, установим ее значение 5.32*10¹⁴ см^-2;

D_p и t_p - соответственно коэф-т диффузии и время в процессе разгонки примеси (в нашем случае они соответственно равны 10^-12 см²/с и 4000 с).

После замены переменных  n и dх/(2×ÖD_p t_p) = dn приходим к выражению:

где erf v - функция ошибок, которая выбирается из таблицы:

В нашем случае , по таблице выбираем функцию ошибок: efr(2.4)=1-0.00069=0.999;

Подставляя в выражение для Q_п значения параметров, указанных выше, получим:

Q_п = 5.318*10¹⁴ см^-2

Среднее значение концентрации примеси в пределах 0…x_б равно

N_ср = 5.318*10¹⁴ см^-2/ 3*10^-4 см = 1.7726*10¹⁸ см^-3

Эффективная концентрация примеси, определяющая электропроводность области:

N_ср.эф. = N_ср - N_к = 1.7726*10¹⁸ см^-3 - 10¹⁶ см^-3 = 1.7626 см^-3,

где N_к - концентрация примеси в коллекторе(10¹⁶ см^-3).

Удельное объемное сопротивление базовой области

r_Б = 1/(q×m_p×N_ср.эф)

где q = 1,6×10^-19 Кл - заряд электрона;

Суммарная концентрация примеси в базовой области:

N_Σ = N_ср + N_к = 1.7726*10¹⁸ см^-3 + 10¹⁶ см^-3 = 1.7826*10¹⁸ см^-3,

Для кремния при Т = 300 К подвижность дырок определяем по формуле:

m_p = 47.7+447.3/[1+( N_S/6.3×10¹⁶)^0.76]

m_p =80 см²/Вс

Удельное объемное сопротивление базовой области:

ρ_б = 1/(q*μ_p*N_ср.эф.) = 1 /(1.6*10^-19Кл * 80см²/В*с * 1.7626*10¹⁸см^-3) = 0.0443 Ом*см

Удельное поверхностное сопротивление:

R_СЛ = r_Б/х_Б

R_СЛ = 148 Ом

Перейдем к проектированию геометрической конструкции резистора. Т.к. номинал резистора по условию задан с погрешностью 10 %, то выбираем ширину линейной части резистора:

a = 10x_б = 30 мкм.

Минимальная ширина окна в окисле также задана в условии:

L₁ = 14 мкм (14 х 14 мкм).

Взяв значения абсолютной предельной погрешности размеров элементов топологического рисунка на кремниевой пластине Δ_пл = 1 мкм и абсолютной предельной погрешности совмещения двух смежных топологических слоев Δ_с = 2 мкм производим дальнейшие расчеты.

Ширина металлического проводника:

L_п = L₁ +2 Δ_пл + 2 Δ_с

L_п = 14 мкм + 2 мкм + 4 мкм = 20 мкм

Размер контактной области:

L₂ = L_п +2 Δ_пл + 6 Δ_с

L₂ = 20 мкм + 2 мкм + 12 мкм = 34 мкм

Сопоставив размер контактной области и ширину резистора, выберем конфигурацию резистора, представленную на рис 3.

Из соотношений L₂ / a и L₁ / a с помощью специальной номограммы:

Рис.4. Нонограмма для определения коэффициента контактной области.

определяем К - коэффициент контактной области, он равен 0.3, и следующим шагом рассчитываем длину линейной части резистора:

L = (R - 2K*R_сл)* a / R_сл

L = (500 - 2*0.3*148)*30/148 мкм = 83.4 мкм

S = (L + 2*L₂)*L₂

S = 5147.6 мкм²

Это были лишь предварительные расчеты, являющиеся скорее примером расчета, нежели определением реальных параметров резистора, т.к. теперь нам предстоит провести оптимизацию конструкции диффузионного резистора с учетом критерия оптимизации - необходимости получения минимальной площади.

4. Оптимизация конструкции диффузионного резистора

Из-за тесной связи диффузионных резисторов с диффузионными транзисторами на этапе проектирования резисторы модернизируют изменением не технологических режимов, а геометрических параметров, поэтому оптимизацию конструкции будем вести с учетом влияния следующих параметров:

·        толщина слоя, Х_б

·        ширина линейной части резистора, a

·        размеры и форма контактной области, L₁, L_П, L₂

Также следует учесть, что разброс этих параметров ограничен, например, толщина слоя х_б диффузионных резисторов обычно лежит в пределах 2.5 … 3.5 мкм, ширина линейной части резистора должна быть больше 10х_б (при погрешности 10%, заданной в условии), и даже на длину резистора накладывается ограничение снизу: она не может превышать размеров активной области кристалла (1-5 мм). То есть, исходя из этого нам предстоит установить влияние различных параметров на площадь резистора и принять ту конструкцию, при которой габаритные размеры резистора минимальны.

Существует несколько методов проведения оптимизации, среди которых «метод Мотне-Карло», «метод наискорейшего спуска» и т.д. Мы же выберем один из самых несложных с точки зрения математики методов - «метод последовательных приближений», суть которого заключается в последовательном изменении параметров, т.е. в проведении множества итераций.

Чтобы не вести расчеты «с чистого листа» при проведении таких итераций будем отталкиваться от произведенного выше предварительного расчета.

Итерация 1

Установим влияние толщины базового слоя на площадь резистора. Для этого, не изменяя прочих параметров, примем х_б = 2.5 мкм.

х_б = 2.5 мкм

Q_п = 5.295*10¹⁴ см^-2

N_ср = 2.118*10¹⁸ см^-3

N_{ср. эф.} = 2.108*10¹⁸ см^-3

N_Σ = 2.128*10¹⁸ см^-3

μ _р = 76.5 см²/ В*с

ρ_б = 0.0388 Ом*м

R_сл = 155 Ом

a = 30 мкм

L₁ = 14 мкм

L₂ = 34 мкм

L = 78.8 мкм

S = (L + 2*L₂)*L₂ = 4999.1 мкм²

Площадь резистора при уменьшении размера х_б уменьшилась.

Теперь попробуем рассчитать резистор при х_б = 3.5 мкм

Итерация 2

Примем х_б = 3.5 мкм

х_б = 3.5 мкм

Q_п = 5.319*10¹⁴ см^-2

N_ср = 1.520*10¹⁸ см^-3

N_{ср. эф.} = 1.510*10¹⁸ см^-3

N_Σ = 1.530*10¹⁸ см^-3

μ _р = 84.1 см²/ В*с

ρ_б = 0.049 Ом*м

R_сл = 141 Ом

a = 30 мкм

L₂ = 34 мкм

L = 88.4 мкм

S = (L + 2*L₂)*L₂ = 5317.6 мкм²

С помощью двух итераций и предварительного расчета мы установили, что площадь резистора пропорциональна толщине базового слоя. С учетом этого принимаем окончательное решение по этому параметру:

х_б = 2.5 мкм

Итерация 3

Затем при уже определенной толщине базового слоя оценим влияние ширины линейной части резистора на его геометрию. Для начала возьмем минимально возможные 25 мкм.

х_б = 2.5 мкм

R_сл = 155 Ом

a = 25 мкм

L₁ = 14 мкм

L₂ = 34 мкм

L₂/a = 1.36₁/a = 0.56= 0.4= 60.6 мкм

S = (L + 2*L₂)*L₂ = 4372.4 мкм²

Уменьшение ширины линейной части резистора привело и к уменьшению ее длины и к уменьшению площади всего резистора. Проверим, случайно ли это. Пусть a = 34 мкм

Итерация 4

х_б = 2.5 мкм

R_сл = 155 Ом

a = 34 мкм

L₁ = 14 мкм₂ = 34 мкм₁/a = 0.41= 0.35 = 85.8 мкм

S = (L + 2*L₂)*L₂ = 5229.2 мкм²

Наше предположение верно: при увеличении ширины длина резистора, его габариты и площадь, им занимаемая, действительно увеличиваются, поэтому принимаем окончательное решение:

a = 25 мкм

Дальнейшие итерации должны помочь нам установить зависимость площади, занимаемой резистором, от формы и размеров контактных областей. Сначала увеличим размеры окна в окисле L₁, оставив L₂ неизменным:

Итерация 5

х_б = 2.5 мкм

R_сл = 155 Ом

a = 25 мкм

L₁ = 20 мкм

L₂ = 34 мкм

L₂/a = 1.36₁/a = 0.8= 0.25= 68.1 мкм

S = (L + 2*L₂)*L₂ = 4627.4 мкм²

По сравнению с итерацией 3 площадь резистора увеличилась, следовательно увеличивать размеры окна в окисле бессмысленно.

Итерация 6

Остался последний путь возможного уменьшения площади - изменение размера L₂. Исходя из анализа всевозможных конструкций контактных областей, приходим к следующему выводу - L₂ не может быть меньше a (конструкция, приведенная на рис.4):

х_б = 2.5 мкм

R_сл = 155 Ом

a = 25 мкм

L₁ = 14 мкм₂ = 25 мкм ₁ / a = 0.56 = 0.3

L = 65.6 мкм

S = (L + 2*L₂)*L₂ = 2890 мкм²

Следовательно, вопрос уменьшения площади диффузионного резистора упирается в технологию. Чем она совершеннее, тем меньше допуск на номинал резистора: например, если в нашем случае допуск был бы равен 5%, то ширину линейной части резистора можно было бы принять равной 12.5 мкм. Улучшением технологии можно добиться уменьшения размера L₁, ведь нормативный минимум, равный 5 мкм, почти в 3 раза меньше заданных в условии, т.е. имеющимися в распоряжении разработчика технологиями, 14 мкм. Не стоит забывать также и о погрешностях Δ_пл и Δ_с, которые также находятся в непосредственной зависимости от того, в каких условиях, на каком оборудовании и каким методом ведется изготовление ИМС.

Итак, оптимизация конструкции диффузионного резистора по критерию минимальной площади проведена. В итоге были установлены следующие значения геометрических параметров:

х_б = 2.5 мкм

a = 25 мкм₁ = 14 мкм

L_П = 18 мкм

L₂ = 25 мкм= 65.6 мкм

S = 2890 мкм²

Проверим, удовлетворяет ли резистор условию по паразитной емкости и граничной частоте:

C_R ~ (2 ... 4)*10^-4 пФ / мкм² * S_R = 0.57 пФ

Паразитная емкость равна по порядку заданной в условию, что удовлетворительно.

Граничная частота равна:

f_ГР = 1/(2πR C_R)

f_ГР = 558.4 МГц ( > 450 МГц по условию)

. Разработка основных этапов технологического процесса изготовления диффузионного резистора в составе ИМС

Опишем базовый процесс формирования диффузионного резистора:

Исходным материалом служит пластина кремния р-типа.

К пластинам предъявляют следующие требования:

. Совершенная кристаллическая решетка, плотность дислокаций не более 10 см^-2

. Шероховатость поверхности пластины не ниже 14б - 14в классов (R_z = 0.05 - 0.032 мкм)

. Прогиб пластин не более 8 - 10 мкм

. Неплоскостность и неплоскопараллельность в пределах ± 10 мкм

. Разориентация поверхности относительно заданной кристаллографической плоскости не хуже ± 1º

6. Разнотолщинность пластин в пределах партии не больше ± 8 мкм, отклонение по диаметру ± 0.5 мм

. Наличие базового среза и фаски

Последовательность операций планарно-эпитаксиальной технологии производства биполярных полупроводниковых ИМС:

. Стравливание окисла и подготовка поверхности перед процессом эпитаксиального наращивания.

. Формирование эпитаксиальной структуры п-типа.

Эпитаксия - это процесс осаждения атомарного кремния на монокристаллическую кремниевую пластину, при котором получают пленку, являющуюся продолжением структуры пластины. При различных типах примеси в пластине и в выращиваемой пленке на границе их раздела образуется p-n-переход. В зависимости от агрегатного состояния источника атомов полупроводника и примеси для растущей пленки различают эпитаксию из газовой, жидкой и твердой фаз.

Мы будем использовать газофазную эпитаксию, как более простой в условиях серийного и массового производства метод, обеспечивающий высокое качество эпитаксиального слоя в кремниевой структуре.

Условия, обеспечивающие совершенство структуры эпитаксиального слоя:

1.          химические реакции выделения атомов кремния и примеси должны быть гетерогенными;

2.      необходимы высокая температура пластины и ограниченная скорость осаждения атомов, обеспечивающие высокую подвижность адсорбированных атомов на пластине;

.        с поверхности пластины должны быть устранены механические повреждения и различного рода загрязнения.

При газофазной эпитаксии атомы кремния и примеси выделяются на пластине в результате химических реакций из соединений кремния и легирующего элемента.

Для выделения кремния из его соединений будем использовать реакцию восстановления:

SiCl₄ + H₂ → Si↓ + HCl

При осаждении примеси, т.е. атомов фосфора, используем PCl₃:

PCl₃ + H₂ → P↓ + HCl

Реакцию, протекающую на границе газообразной и твердой фаз, можно условно представить в виде следующих стадий:

. Перенос веществ, участвующих в реакции, к поверхности пластины

. Адсорбция поверхностью реагирующих веществ

. Реакции на поверхности пластины

. Десорбция молекул побочных продуктов

. Перенос побочных продуктов в основной поток газа

. Занятие атомами узлов кристаллической решетки

Реализуем эту схему в установке с непрерывной подачей рабочей смеси через реактор - методом открытой трубы.

- Реактор; 2 - Держатель; 3 - Индуктор

Источники кремния SiCl₄ и фосфора PCl₃ - жидкие. Устройство газораспределения обеспечивает подачу газов, необходимых для выполнения полного цикла обработки. Водород играет роль реагента, а также газа-носителя для транспортировки паров SiCl₄ и PCl₃. Азот применяется для продувки системы. Хлористый водород применяется для травления пластин. Углекислый газ применяется для получения пленки SiO₂ на поверхности эпитаксиальной пленки. Каждый из газов подается из баллона по отдельной магистрали, содержащей фильтр, регулятор давления, запорный вентиль, манометр, ротаметр (для измерения расхода газа) и клапан с электромагнитным управлением.

Реализуем процесс на установке наращивания эпитаксиальных слоев УНЭС-2П-КА, полный цикл работы которой состоит из следующих этапов:

. Загрузка пластин и герметизация реактора

. Продувка реактора азотом, затем водородом для вытеснения атмосферного воздуха

. Нагрев и выдержка в атмосфере водорода (восстановление окислов)

. Газовое травление с помощью HCl на глубину 1 - 2 мкм для удаления нарушенного и загрязненного слоя. По окончании - продувка водородом

. Снижение температуры до рабочего значения (1200 ºС), подача смеси H₂, SiCl₄ и PCl₃ для наращивания слоя: скорость осаждения ~ 0.5 мкм / мин, время 10 - 15 мин. По окончании - продувка водородом

. Подача смеси CO₂, SiCl₄, H₂ и осаждение окисной пленки SiO₂. По окончании - продувка водородом

. Охлаждение в потоке водорода (плавное снижение мощности ВЧ-генератора)

. Продувка азотом, разгерметизация, выгрузка

. Окисление поверхности эпитаксиального слоя для создания защитной маски при разделительной диффузии.

Процесс окисления заключается в образовании окиси кремния, который получается при нагревании его поверхности в присутствии кислорода. Термически выращенный окисел SiO₂ обладает наилучшими маскирующими свойствами и высокими электрическими параметрами. Склонность окиси кремния к стеклообразованию способствует получению беспористой плёнки. Хорошо растворяясь в плавиковой кислоте, SiO₂ в то же время практически стабильна по отношению к смесям HF+HNO₃ , что позволяет эффективно использовать её в качестве маски при селективном травлении кремния.

Процесс окисления выполняют в эпитаксиальных установках или в однозонных диффузионных печах со специальными газораспределительными устройствами. При окислении образуются химические связи между атомами и ионами поверхностного слоя кремния и атомами кислорода, в результате чего плотность поверхностных состояний уменьшается на несколько порядков по сравнению с атомарно-чистой поверхностью.

. Фотолитография для вскрытия окон под разделительную диффузию.

Разработка конструкции фотошаблонов. Фотошаблон представляет собой плоскопараллельную стеклянную пластину с нанесенным на поверхность непрозрачным рисунком элементов топологического слоя ИМС. Стеклянная основа фотошаблона при толщине до 10 мм не должна заметно поглощать ультрафиолетовое излучение и вызывать изменений размеров элементов рисунка и их относительного расположения в результате нагрева. В качестве материала основы используют оптические марки К-8 или кварцевые оптические марки КУ-1 и КУ-2 стекла, имеющие высокую прозрачность в ультрафиолетовой области спектра. Покрытие должно быть износостойким, чтобы выдерживать большое число циклов контактной печати без возникновения дефектов рисунка. Толщину покрытия выбирают в пределах 0.08-0.12 мкм

При разделительной диффузии нам необходимо ограничить область резистора от соседних элементов ИМС. Как следует из геометрического расчета, габаритные размеры резистора:

(L + 2L₂) х (a) = (65.6 мкм + 2*25 мкм) х 25 мкм = 115.6 х 25 мкм

Внутренний размер же фотошаблона (при использовании негативного фоторезиста это будет та область, в которую проводится диффузия) должен быть несколько больше (см. рис.). Внешний размер фотошаблона возьмем на 10 мкм больше внутреннего. В результате получится конструкция следующего вида:

Рис.8. Часть шаблона под разделительную диффузию.

Причем это не весь фотошаблон, а только тот его участок, который предназначен для изолирования именно этого диффузионного резистора, т.к. процесс изолирования областей под отдельные элементы ИМС должен проходить в один этап.

При диффузии примеси р-типа и вскрытии контактных окон размеры фотошаблона должны строго совпадать с размерами резистора, так как именно диффузия акцепторной примеси определяет реальные размеры резистора:

Рис.9. Часть шаблона под диффузию р-примеси.

Фотошаблон для вскрытия контактных окон:

Рис.10. Часть фотошаблона для вскрытия контактных окон.

Технология процесса

Перенос рисунка фотошаблона в поверхностный слой пластины происходит в три стадии: экспонирование фотослоя через фотошаблон и образование скрытого изображения; проявление и задубливание рисунка, т.е. формирование защитной фотомаски; травление поверхностного слоя пластины на незащищенных участках.

Процесс формирования рельефа в поверхностном слое пластины будем проводить с помощью негативного фоторезиста ФН-106. Схема этого процесса представлена на рис.11.

Рис.11. Процесс формирования: 1 - УФ излучение; 2 - Фотошаблон; 3 - Слой фоторезиста; 4 - Поверхностный слой на пластине; 5 - Пластина

Этапы подготовки пластины перед нанесением фотослоя:

1)  удалить молекулы воды (прогревом пластин при 700 - 800 ºС в сухом инертном газе)

2)      повысить гидрофобность (путем погружения пластин в 10%-й раствор диметилдихлорсилана в обезвоженном трихлорэтилене на 1 мин и последующей промывки пластин в трихлорэтилене в течение 1 мин и термообработки при 400 ºС в течение 30 мин)

)        провести эффективную и безопасную очистку в эмульсии «фреон - вода - ПАВ» на первом этапе и в чистом фреоне на втором

Нанесение и сушка фотослоя. Для осуществления этого процесса в помещении необходимо обеспечить обеспыленную атмосферу 1-го класса. Для нанесения фотослоя применяем метод распыления, осуществляемый на полуавтомате для нанесения фоторезиста распылением ПНФ-1Р, схема которого представлена на рис.12.

Рис.12. Схема компоновки полуавтомата ПНФ-1Р: 1 - Основание; 2 - Подвижный стол с пластинами; 3 - Подвижная форсунка; 4 - Внутренний защитный кожух; 5 - Общий защитный кожух

В качестве инжектирующего газа используем пары фреона-113, которые из-за своей большой молекулярной массы позволяют существенно снизить давление.

Просушивать нанесенный фотослой в нашем случае целесообразно инфракрасной сушкой, источником теплоты при которой является полупроводниковая пластина, поглощающая ИК-излучение, тогда как окружающая среда сохраняет примерно комнатную температуру благодаря непрерывной продувке. При данном методе качество сушки существенно выше, чем при конвективной сушке, но в то же время она значительно дешевле и технологичнее, чем СВЧ-сушка.

Время сушки - 10 мин, допустимая температура - не более 120 ºС, высушенный слой экспонировать не позднее чем через 10 ч.

Совмещение рисунков фотошаблонов и пластины выполняют в два этапа:

. Грубое совмещение осуществляют в пределах всего поля пластины с помощью контрольных модулей - пустых кристаллов, что позволяет практически исключить разворот пластины относительно фотошаблона.

. Точное совмещение производят в пределах модуля с помощью специальных знаков совмещения.

Рис.13. Совмещение фотошаблона с пластиной: 1 - Групповой фотошаблон; 2 - Контрольный модуль; 3 - Групповая пластина; 4 - Базовый срез пластины; 5 - Знак совмещения в модуле пластины; 6 - Знак совмещения в модуле шаблона

Предельная погрешность совмещения:

Δ_с = ± (Δ_п + Δ_ш + Δ_и + Δ_t) = ± 1.5 мкм

где Δ_п - погрешность знака совмещения на пластине, ± 0.4 мкм

Δ_ш - погрешность знака совмещения на шаблоне, ± 0.35 мкм

Δ_и - инструментальная погрешность совмещения, ± 0.5 мкм,

Δ_t - погрешность шага, возникающая в процессе изготовления групповых фотошаблонов, ± 0.25 мкм

Для выполнения этих операций необходимо использовать установку полуавтоматического совмещения и экспонирования УПСЭ-4.

Проявление и термообработка фотомаски. В процессе проявления избирательно растворяются участки фотослоя - в нашем случае при использовании негативного фоторезиста - неэкспонированные. Будем использовать особенно эффективный способ проявления - пульверизационный (струйный) (рис.14), который облегчает автоматизацию процесса и позволяет объединить его с последующими операциями отмывки и сушки в едином агрегате. Для проявления: температура 20 ºС, рН 12.4, для сушки: время 1ч, максимальная температура 150 ºС, повышение температуры проводить ступенчато в три этапа.

Рис.14.Схема центрифуги для струйного проявления: 1 - Полый ротор; 2 - Днище камеры с отверстием для сброса реактивов; 3 - Струйная форсунка сушки; 4 - Пневматические форсунки проявления и промывки; 5 - Платформа с пластинами; 6 - Съемная крышка

Травление слоя окиси кремния - в буферном травителе, содержащем плавиковую кислоту (40%) для реакции:

SiO₂ + 4HF → SiF₄ + 2H₂O

Выделяющийся при этом газообразный четырехфтористый кремний связывается в SiF₆ и не приводит к растрескиванию и отслаиванию фотомаски по контуру рисунка благодаря наличию в составе травителя фтористого аммония NH₄F (48%). Оставшаяся доля в травителе - вода. Использовать автомат химической обработки полупроводниковых пластин АФОП, позволяющий проводить травление, отмывку и сушку.

Удаление фотомаски проводим воздействием концентрированной серной кислотой при 160 ºС. При этом имеет место химическая деструкция фоторезиста. Для удаления фоторезистивных масок использовать полуавтомат «Плазма-600» или подобные.

. Вскрытие окон в окисле под разделительную диффузию примеси.

Изолирующая диффузионная область состоит из кольцевых участков р⁺-типа, простирающихся от поверхности кремния через эпитаксиальный слой п-типа к подложке исходного материала р-типа. По завершении изолирующей диффузии эпитаксиальные слои п-типа будут отделены друг от друга областями р-типа: подложкой р-типа снизу и изоляционной р⁺- областью по сторонам. Изолирующая диффузия обычно протекает в два этапа: на первом осуществляется ввод примеси (бора) и формирование области ее высокой концентрации. На втором - продолжительный цикл перераспределения примеси, в результате которого бор, образующий р-п переход, должен проникнуть на достаточную глубину.

. Окисление поверхности для базовой диффузии.

. Фотолитография для вскрытия окон под базовую диффузию.

. Формирование базового слоя диффузией примеси р-типа.

Цель проведения диффузии - внедрение атомов легирующего элемента в кристаллическую решетку полупроводника для образования области с противоположным по отношению к исходному материалу типом проводимости.

В качестве легирующего элемента выберем бор, т.к. этот элемент имеет достаточно высокую скорость диффузии и хорошую растворимость в полупроводнике при температуре диффузии.

Температура диффузии: 1150 ºС, коэффициент диффузии - количество примесных атомов, проходящих через площадку 1 см² за 1 с при градиенте концентрации атомов примеси, равном 1 см^-4, иначе говоря, плотность потока при единичном градиенте концентрации: 10^-12 см² / с.

Так как бор является тугоплавким элементом и при температуре диффузии имеет ничтожно малую упругость пара, то в качестве источника примеси применяют различные соединения (ангидриды, галогениды, гидриды и т.д.), называемые диффузантами.

В нашем случае целесообразно использовать жидкий диффузант BBr₃. Это связано с тем, что при использовании твердых диффузантов трудно регулировать давление паров, кроме того, для их испарения требуется высокая и стабильная температура, а газовые диффузанты высокотоксичны, поэтому их использование требует дополнительных затрат на герметизацию элементов установки, контроль производственной атмосферы и т.д. Жидкие же диффузанты подобных недостатков лишены. Они обладают высокой упругостью пара при невысоких температурах, для них применяют простые однозонные печи (например диффузионную однозонную печь СДО-125/ 3-12):

Рис.15. Схема однозонной диффузионной печи: 1 - Источник жидкого диффузанта; 2 - Кран; 3 - Ротаметр; 4 - Кварцевая труба; 5 - Газосмеситель; 6 - Нагреватель; 7 - Кварцевая кассета с пластинами

Для транспортировки паров диффузанта в зону диффузии будем использовать аргон: он не взаимодействует с кремнием и практически не диффундирует в него.

Операционный цикл диффузии включает в себя следущие переходы:

. Промывка реактора аргоном с расходом до 150 дм³ / ч

. Вывод реактора на заданный температурный режим (2 -3 ч)

. Загрузка (через бокс) кассеты с пластинами и прогрев ее в течение 10 мин с подачей аргона для удаления десорбирующихся газов

. Подача аргона с парогазовой смесью (диффузант, кислород)

. Выдержка при постоянной температуре в течение контролируемого времени (собственно процесс диффузии)

. Прекращение подачи смеси и извлечение кассеты с пластинами

Сам процесс диффузии состоит из следующих стадий:

. Взаимодействие диффузанта с кислородом в газовой фазе с выделением ангидрида легирующего элемента:

BBr₃ + O₂ → B₂O₃ + Br₂

. Диффузия ангидрида через растущий окисел к границе раздела SiO₂

. Взаимодействие молекул ангидрида с кремнием и выделение атомарной примеси:

B₂O₃ + Si → SiO₂ + B

. Диффузия атомов легирующего элемента в кристаллической решетке кремния

. Окисление поверхности.

. Фотолитография для вскрытия контактных окон.

В структуре кремния необходимо сформировать омические контакты алюминия с кремнием. С этой целью вскрываются окна под контакты, и проводится диффузия в соответствующие области. Фотолитография контактных окон - наиболее ответственная фотолитографическая операция при изготовлении структур ИМС. В этой операции одинаково важную роль играют и точная передача размеров окон, и качество совмещения, и наличие дефектов - проколов в слое оксида. При этом размеры контактных окон и зазоры при их совмещении всегда меньше, чем размеры и зазоры на других операциях фотолитографии. Размеры проколов, опасных при фотолитографии контактных окон, также очень малы - доли микрометра. Дефекты, возникшие на стадии фотолитографии контактных окон, проявляются после формирования контактов. Алюминий, например, проникает сквозь проколы в оксидной пленке толщиной около 0.3 мкм. Поэтому отсутствие дефектов - важнейшее требование, предъявляемое к фотолитографии контактных окон.

. Процесс формирования межсоединений.

Процесс формирования межсоединений в ИМС складывается из двух этапов - металлизации и фотолитографии по металлической пленке.

Металлизация - это нанесение на кремниевую пластину, на которой уже сформированы структуры, сплошной металлической пленки для получения качественных омических контактов с элементами ИМС, а также электропроводящего покрытия, надежно сцепляющегося с пленкой SiO₂.

Фотолитография по металлической пленке обеспечивает требуемую конфигурацию проводников межсоединений, а также формирует по периферии кристалла контактные площадки, необходимые для присоединения ИМС к внешним выводам корпуса.

К металлу, используемому для этих целей, предъявляется ряд требований по проводимости, по технологичности при нанесении, коррозионной стойкости, адгезии к пленке SiO₂ и другие требования.         

Наиболее полно им отвечает высокочистый алюминий марки А99 (ГОСТ 11069 - 64), который мы и будем использовать для металлизации поверхности нашего резистора. Для этого необходимо применить метод термического вакуумного испарения из резистивных испарителей при температуре на пластине 200 - 400 ºС и невысоких скоростях осаждения (0 - 15 нм / с).

При фотолитографии по алюминиевой пленке будем также использовать негативный фоторезист.

Рис.16. Фотошаблон для фотолитографии по металлической пленке.

После фотолитографического процесса, с помощью которого формируют рисунок межсоединений, проводят вжигание контактов. Цель этой операции - повышение адгезии пленки за счет взаимодействия алюминия с изолирующим окислом:

SiO₂ + Al → Al₂O₃ + Si

и внедрения алюминия в кремний через контактные окна.

Рекомендуемый режим вжигания - нагрев до температуры 550 ºС с выдержкой 5 - 10 мин.

. Местная фотолитография и травление участков металлической пленки.

диффузионный резистор полупроводниковый интегральный

Выводы

Цель данного курсового проекта - научиться проектировать отдельные элементы твердотельных интегральных микросхем, реализуемых в условиях серийного производства по планарной технологии. При выполнении курсового проекта я ознакомился со способом проектирования диффузионного резистора, который входит в состав интегральной микросхемы, реализуемой в условиях серийного производства по планарной технологии, приобрёл опыт самостоятельного решения инженерных задач в области проектирования элементов интегральных устройств РЭС, а также опыт работы со стандартами и справочниками, методиками проектирования. В ходе выполнения курсовой проект, я применял на практике теоретические знания по общеинженерным и специальным дисциплинам, различные методы расчета. В итоге выполнения данной работы я выбрал технологию, спроектировал процесс и технологическую оснастку для изготовления диффузионного резистора.

Список использованной литературы

1.   Данилов И.И. Методические указания к курсовому проектированию по курсу «Интегральные устройства РЭС». М.: Издательство МГТУ. 2003. 7 с.

2.      Парфенов О.Д. Технология микросхем: учебное пособие для вузов по специальности «Конструирование и производство ЭВА». - М.: Высшая школа, 1986. - 320 с., ил.

.        Парфенов О.Д. Расчет и конструирование интегральных резисторов: Методические указания по курсовому проектированию по курсу «Микроминиатюризация электронно-вычислительных средств». М.: Издательство МГТУ. 1994. 28 с., ил.