Материал: Специальные вопросы микро- и нанотехнологий. Стогней О.В., Трегубов И.М

2.1. Получение полупроводникового материала

Технология ИМС предъявляет к полупроводниковому материалу достаточно жесткие и специфические требования. Этим требованиям удовлетворяют кремний, германий и целый ряд бинарных сплавов, например, арсенид галлия (GaAs), фосфат индия (InP) и др. До последнего времени ИМС изготавливаются в основном на кремнии, поэтому кремний называют базовым полупроводниковым материалом для ИМС.

Получение полупроводникового материала для ИМС рассмотрим на примере кремния. В массовом производстве кремний получают восстановлением песка (SiOz) в смеси с коксом (С) при высоких температурах. Полученный таким образом кремний называется металлургическим. Его чистота (~2% неконтролируемых примесей) и структура (поликристалл) не позволяют использовать этот материал для изготовления ИМС. Поэтому далее производится глубокая химическая очистка кремния в виде летучего соединения и его разложение в очищенном виде с выделением металлического кремния. Выделенный кремний может иметь очень высокую чистоту, однако его нельзя использовать для изготовления ИМС, так как он является поликристаллическим. Химически очищенный кремний необходимо превратить в монокристаллический слиток. Это реализуется выращиванием слитка из охлаждаемой затравки, вытягиваемой из тигля, где химически очищенный кремний находится в расплавленном состоянии (метод Чохральского). При выращивании монокристаллического кремния методом Чохральского происходит дополнительная (кристаллизационная) очистка материала от многих примесей. Однако материал тигля (кварц) вносит в растущий кристалл свои примеси. Поэтому разработан метод перекристаллизации кремния без использования тигля (бестигелъная зонная плавка). Выращенный этим методом кремний обладает самой высокой чистотой. При необходимости слитки кремния в процессе выращивания легируются донорными или акцепторными примесями. Так полу-

10

чают слитки с п- и p-типом проводимости, удельное сопротивление которых может изменяться в широких пределах.

Монокристаллические слитки кремния обычно имеют цилиндрическую форму.

2.2. Получение полупроводниковых пластин

Полупроводниковые слитки режут тонкими стальными дисками с алмазной кромкой на пластины, диаметр и площадь которых определяются диаметром слитка. Чем больше площадь пластины, тем больше элементов ИМС можно сформировать на пластине, тем на большее число чипов ее можно разделить, тем больше ИМС можно получить из о дной пластины. В настоящее время для массового производства ИМС выращивают кристаллы кремния диаметром до 300 мм. На пластине такого диаметра размещается более 1000 чипов, на каждом из которых можно сформировать до 109 схемных элементов. Таким образом, полученные из одной пластины 1000 ИМС могут содержать до 1012 активных элементов, что в 100 раз больше, чем нейронов в человеческом мозге (~1010 штук).

Пластина, вырезанная из слитка, не может использоваться для формирования на ней элементов ИМС, так как ее поверхность имеет геометрические и структурные дефекты. Их устраняют шлифовкой и полировкой до 14-го класса чистоты (оптическая полировка). После такой обработки на поверхности пластины сохраняются локальные впадины и выступы порядка 50 нм, и становятся эффективными последующие стадии формирования элементов ИМС методами планарной технологии.

2.3. Получение эпитаксиальных структур

При формировании планарной транзисторной структуры все элементы транзистора выполняются воздействием на полупроводниковую пластину с поверхности. Сначала вводятся донорные примеси, образующие изолирующие карманы n-

11

типа, затем акцепторные - для создания базы (p-типа), и снова доноры - для формирования эмиттера.

Любые примесные атомы нарушают структуру кристалла. Трехкратное введение примесных атомов искажает кристаллическую структуру в такой степени, что существенно снижается процент выхода годных транзисторов. Поэтому до 1965 г. выход годных ИМС на биполярных транзисторах не превышал 5 % (!). Процент выхода годных был увеличен до 50-70% переходом на формирование транзисторов в тонком слое монокристаллического кремния, наращенного на пластину. Такой слой называется эпитаксиальным. Совершенство эпитаксиального слоя не уступает совершенству монокристалла, из которого получена пластина. Если на пластине р-кремния вырастить эпитаксиальный n-слой, то в нем можно сформировать изолирующие карманы, структура кремния в которых значительно более высока, чем в кармане, полученном введением примесных атомов n-типа непосредственно в пластину p-типа с ее поверхности. Современные ИМС на биполярных транзисторах получают на эпитаксиальных структурах. Поэтому они называются базовыми полупроводниковыми структурами.

Эпитаксия - это ориентированное наращивание кристаллических слоев на монокристаллическую подложку. Если на подложке наращивается эпитаксиальный слой того же состава и структуры, то такой вид эпитаксии называется гомоэпитаксией; если иного состава - то гетероэпитаксией. При изготовлении ИМС на кремнии используют гомоэпитаксию (кремния на кремнии). Для получения гетеропереходов (гетероструктур) оптоэлектронного назначения используется гетероэпитаксия. Например, на подложке арсенида галлия (GaAs) наращивают эпитаксиальный слой трехкомпонентного соединения AlGaAs.

При любом способе эпитаксии имеются: источники атомов ростового вещества, среда, в которой эти атомы переносятся к подложке, и подложка. Если средой переноса является вакуум, то это - вакуумная эпитаксия. В вакууме атомы обычно переносятся в виде молекулярных пучков. Поэтому такой вид эпи-

12

таксии называется молекулярно-лучевой (МЛЭ) или молеку- лярно-пучковой (МПЭ). Если средой переноса служит газ или пар, то эпитаксия называется газофазной или парофазной. В настоящее время весьма распространена газофазная эпитаксия из паров металлоорганических соединений (МОС ГФЭ). Наконец, если атомы ростового вещества поступают на подложку из жидкой фазы, то это - жидкофазная эпитаксия (ЖФЭ).

Уже указывалось, что в нанотехнологии по принципу «снизу вверх» целесообразно использовать механизмы самоорганизации получаемых нанообъектов. Процесс эпитаксии обладает признаками самоорганизации. При эпитаксии упорядоченный объект (тонкий монокристаллический слой), один из размеров которого (толщина) может соответствовать наномасштабам или иметь внутреннюю наноструктуру, самоформируется по механизму «снизу вверх» из отдельных атомов, первоначально движущихся хаотически. Из газовой или жидкой среды беспорядочно движущиеся атомы ростового вещества попадают при эпитаксии на подложку, состоящую из атомов, располагающихся в строгом порядке, образуя кристаллическую структуру. Воздействие атомов подложки принуждает атомы ростового вещества из неупорядоченной среды (газовой или жидкой) занимать строго упорядоченные пространственные позиции, повторяя кристаллографическую структуру подложки. В микроэлектронике используются и другие процессы, обладающие признаками самоорганизации. В нанотехнологии подобные процессы должны стать доминирующими. В нанотехнологии находят применение слои, толщина которых лежит

внанодиапазоне (1-100 нм).

2.4.Методы формирования элементов ИМС

В полупроводниковых ИМС основным элементом является р-n-переход, например в составе транзистора. Для формирования р-п-перехода необходимо в полупроводник заданного типа проводимости вводить атомы примесного элемента, соз-

13

дающего проводимость противоположного типа. Методы легирования кристаллов различными примесями хорошо разработаны.

В технологии ИМС широко используются два метода легирования, диффузия и ионная имплантация.

Диффузия примесей - это процесс переноса примесных атомов из областей среды, где их концентрация велика, в области с меньшей концентрацией за счет теплового хаотического движения частиц вещества. Движущей силой диффузии является градиент концентрации. Поток диффундирующих примесей направлен в сторону, противоположную вектору градиента концентрации, и пропорционален его величине. Коэффициент пропорциональности (D) называется коэффициентом диффузии. Коэффициент диффузии в твердом веществе весьма резко (экспоненциально) зависит от температуры:

(2.1)

где D0 - предэкспоненциальный множитель, слабо зависящий от температуры, Ua - энергия активации процесса диффузии. Диффундирующий атом находится либо в узле кристаллической решетки, замещая собственный атом (примесь замещения), либо между узлами решетки (примесь внедрения). И в том, и в другом случае его положение соответствует минимуму потенциальной энергии (потенциальная яма). В этом положении примесный атом находится в течение некоторого времени (время оседлой жизни), совершая тепловые колебательные движения, как и другие атомы кристалла. Чтобы перейти в аналогичное соседнее положение, примесный атом должен преодолеть потенциальный барьер высотой Ua. Преодоление этого барьера доступно атому, который получил в процессе взаимодействия с соседями энергию, не меньшую Ua. Активированные за счет тепловой энергии перескоки примесных атомов из одного места закрепления в другое и лежат в основе диффузии. С ростом температуры частота диффузионных пе-

14