METODE DOBIJANJA MASIVNIH I TANKOSLOJNIH MONOKRISTALA

PLANARNA INTEGRISANA KOLA

0707.1.122.20.201010..

ЕЕlektrotehnilektrotehniččki fakultet, Beogradki fakultet, Beograd

Materijali u elektrotehniciMaterijali u elektrotehnici

• Za izradu poluprovodničkih integrisanih kola i komponenata potrebna je primena poluprovodničkih monokristala u masivnoj i tankoslojnoj formi.

• Masivni monokristali mogu se dobiti na nekoliko načina, od kojih će najvažniji biti objašnjeni na primeru silicijuma (Si).

• Polikristalni Si dobija se od kvarcnog peska (SiO2), redukcijom ugljenikom na povišenoj temperaturi, čime se dobija Si čistoće 99%. Kako je ovakva čistoća nedovoljna za primenu u elektronici, Si se dodatno hemijski prečišćava, čime se postiže visoka čistoća od jednog primesnog atoma na milijardu atoma Si.

METODE DOBIJANJA MASIVNIH I TANKOSLOJNIH MONOKRISTALA

• Postupkom izvlačenja (Čohralski, Czochralski) izrađuje se monokristalni Si p-tipa. Polikristalni Si se rastopi u kvarcnoj posudi, korišćenjem VF-grejača, i rastop se zagreje na oko 5 oC višu temperaturu od temperature topljenja Si (1415 oC) u atmosferi inertnog gasa argona (Ar). Potom se u rastopljenu masu uroni monokristalna klica (komadić monokristala Si, odabrane kristalne orijentacije). Na nanetu klicu, koja se lagano okreće (15 - 150 obrta/min) i time rashlađuje površinski sloj rastopljenog silicijuma, počinju da se kondenzuju atomi silicijuma, tako da slede raspored atoma u monokristalnoj klici. Ovim postupkom moguće je načiniti monokristalne uzorke (ingote) silicijuma prečnika do 30 cm i težine do 50 kg. S obzirom da se u kvarcnoj posudi uvek nalazi trovalentna nečistoća bor (B), koji lako prelazi iz posude u rastopljeni silicijum, to se ovim postupkom dobijaju samo monokristali p-tipa, sa borom kao akceptorskom primesom.

• Postupkom lebdeće zone (Float Zone) izrađuju se silicijumski monokristali n-tipa, pri čemu se ne koristi nikakva posuda. Polikristalna šipka silicijuma postavlja se ispod klice, pa se korišćenjem VF-grejača rastopi deo klice i deo silicijumskog ingota u blizini grejača, pri čemu se obrazuje rastopljena zona (2 cm), koja ne otiče usled dejstva površinskog napona. Laganim podizanjem uzorka (brzinom oko 3 mm/min) kroz nepokretan prstenasti grejač, nastaje rast monokristalne klice.

• Oba opisana postupka mogu se koristiti za dobijanje ne samo poluprovodničkih monokristala već i monokristala izolatora i metala. Postupkom Čohralski dobijaju se poluprovodnički monokristali GaAs, GaP, InP... Kako GaAs i GaP imaju lako isparljive komponenete (As, odnosno P), to se njihovo isparavanje sprečava dovođenjem zaštitnog inertnog gasa pod visokim pritiskom (20-50 puta višim od atmosferskog), što zahteva specijalne mere zaštite zbog mogućnosti eksplozije.

• Tankoslojni monokristali izrađuju se na monokristalnim podlogama od istog materijala, ili drugog materijala koji ima istu kristalnu rešetku.

Vakuumsko naparavanje je najednostavniji postupak dobijanja tankih monokristalnih slojeva na odgovarajućoj podlozi. Sistem se najpre vakuumira na pritisak niži od 10-4 Pa. Zatim se materijal stavlja u Al2O3-posudu, koja se zagreva protokom struje kroz grejač. Ispareni materijal se kondenzuje na podlozi, koja se zagreva na 300-600oC kako bi prispeli atomi bili pokretljiviji i pravilno se ugrađivali u monokristalni sloj. Od brzine naparavanja zavisi i kvalitet dobijenog filma, i najkvalitetniji filmovi se dobijaju za brzine rasta do 1 μm/h.

Šema uređaja za dobijanje tankoslojnih monokristala postupkom vakuumskog naparavanja

• Epitaksija molekularnim snopom (MBE) je veoma usavršeni postupak vakuumskog naparavanja, koji omogućava dobijanje izuzetno kvalitetnih filmova, precizno kontrolisanih debljina. Prikazani MBE sistem sastoji se od pet posebnih izvora koji se nalaze u izvakuumiranoj sredini (10-9 Pa), iz kojih se mogu naparavati Ga, As, Si, Al i Be. Podloga je od monokristalnog GaAs, na koji se mogu naparavati slojevi p i n tipa sastava Al1-xGaxAs, koji se dopiraju obično sa Si (za n-tip) i Be (za p-tip).

• Opisanim MBE postupkom mogu se načiniti veoma tanki poluprovodnički slojevi unapred željenih debljina. Rad ovog sistema kontroliše se računarom i moguće je kontrolisano naneti i samo nekoliko atomskih slojeva, debljine oko 1 nm. Brzina rasta ovakvih slojeva je dosta mala i iznosi oko 1 μm/h.

Principijelna šema MBE postupka

• Epitaksija iz parne faze (VPE) je komercijalno najšire korišćena metoda za izradu tankih slojeva u Si-mikroelektronici, kojom se na Si-pločici p-tipa (dobijenoj sečenjem Si-monokristalne šipke napravljene metodom izvlačenja) izrađuje tanak Si-monokristalni sloj n-tipa.

• U gasnoj atmosferi azota (N2) i vodonika (H2) unosi se silicijum-tetrahlorid (SiCl4), tako da se na povišenoj temperaturi (~1200C) odigrava hemijska reakcija SiCl4 + 2H2 ↔ Si + 4HCl. Reakcija je reverzibilna, ali pri određenim odnosima molarnih koncentracija SiCl4 i H2 ide s leva na desno, u pravcu dekompozicije SiCl4 i epitaksijalnog rasta Si na Si-podlozi. Da bi se dobio Si-sloj n-tipa, unosi se i gas fosfen (PH3), iz kojeg se pri reakciji sa površinom Si-pločice izdvaja fosfor (P) kojim se dopira Si-epitaksijalni sloj, postajući poluprovodnik n-tipa.

• Koncentracija primesa n-tipa u epitaksijalnom sloju zavisi od namene čipova. U logičkim kolima je n ~ 1016 cm-3 (što obezbeđuje probojni napon budućeg bazno-kolektorskog p-n spoja ~ 60 V), a u energetskoj mikroelektronici je n ~ 1015 cm-3 (što omogućava probojni napon bazno-kolektorskog spoja ~ 270 V).

• Širenje prelazne oblasti inverzno polarisanog bazno-kolektorskog p-n spoja unutar slabije dopiranog epitaksijalnog sloja nameće ograničenje na debljinu ovog sloja. Zavisno od veličine napona s kojim se radi, izrađuju se integrisana kola sa epitaksijalnim slojem debljine od 2-20 μm. Ove debljine se mogu postići za 2-20 min, imajući u vidu da je optimalna brzina rasta monokristalnog epitaksijalnog sloja ~ 1 μm/min.

• Ako se pođe od pločica dobijenih sečenjem masivnog monokristalnog ingota Si (najčešće p-tipa, koncentracije p ~ 1015 cm-3, jer je Si p-tipa znatno jevtiniji od Si n-tipa), integrisano kolo može se načiniti nizom planarnih tehnoloških postupaka.

• Pod "planarnom tehnologijom" se podrazumeva da se sve tehnološke operacije sprovode samo sa jedne strane Si-pločice, a pod planarnim postupcima podrazumevaju se:

epitaksijalni rast

oksidacija

litografija

ecovanje (nagrizanje)

difuzija ili jonska implantacija primesa

izrada električnih izvoda (kontakata)

Na jednoj Si-pločici prečnika 20 cm može biti načinjeno oko 5000 čipova (integrisanih kola) površine 5x5 mm2. Često su čipovi većih dimenzija (i do 15x25 mm2), kada na jednom čipu može biti smešteno čak 109 i više komponenata (tranzistora, dioda, otpornika i kondenzatora).

PLANARNA INTEGRISANA KOLA

• Ilustracija planarne tehnologije Si-integrisanih kola biće data na primeru bipolarnog integrisanog sklopa sa koji se sastoji od MOS kondenzatora (C), vertikalnog n-p-n tranzistora (T) i bazno-difuzionog otpornika (R).

PLANARNA INTEGRISANA KOLA

1

1

(M OS kondenzator) (n-p-n tranzistor)p 10 cm (podloga) 15 -3

(bazno-difuzioni otpornik)

p+n n

n+ n+

p+p

p+

2 (B ) (E ) (C )3 5 4

TC

A lSiO 2

R

(a)

(b)

2 3

0,5 m 0,5 m

m

m

4

5

• Pri izradi integrisanog kola težnja je da se koristi tehnološki postupak koji je najjednostavniji i najekonomičniji za izradu n-p-n tranzistora. Izrada svih ostalih komponenti (otpornika, kondenzatora, dioda) treba da se izvodi u toku izrade pojedinih oblasti samog tranzistora. Pri tome se vodi računa da se smanji broj postupaka litografije i difuzije, jer su ovi postupci najsloženiji. Takođe je značajno da se postupci pri kojima se Si-pločice zagrevaju (oksidacija i difuzija) do visokih temperatura svedu na najmanji mogući broj.

• Uočava se da se više puta ponavljaju procesi oksidacije površine pločice (u specijalnim pećima sa oksidacionom atmosferom, na temperaturi ~1200oC) i litografije za stvaranje otvora u oksidu na mestima gde treba da usledi difuzija primesa n- ili p-tipa, ili formiranje Al provodnih izvoda i veza.

Litografija je višestepeni postupak sa sledećim koracima:

1) Nanošenje rezista, tj. materijala osetljivog na specifično zračenje(UV - optička ili fotolitografija, X - rendgenska, e− - elektronska, joni - jonska litogtafija). Rastvorljivost u rastvaraču ozračivanjem raste (pozitivan rezist, npr smola sa aditivima) ili opada (negativan rezist).

2) Postavljanje maske sa višestruko ponovljenim motivima za selektivno ozračenje nekih delova rezista. Maska je staklena ploča sa fotoemulzijom na kojoj je eksponiranjem dobijen umanjen crtež motiva.

(3) Ozračivanje kroz otvore na maski.

(4) Uklanjanje maske i vlažno ecovanje (hemisjkom reakcijom) rastvorljivog dela rezista. Preostali deo rezista formira zaštitu u sledećem koraku.

(5) Ecovanje ogoljenih delova oksidnog sloja (suvo - fizički, jonskim bombardovanjem, ili vlažno - fluorovodoničnom kiselinom (HF)).

(6) Uklanjanje preostalog rezista (ozračivanjem ako je pozitivan, ili nagrizanjem pomoću H2SO4 ako je negativan).

(7) Difuzija (na 1000 - 1300 °C) ili jonska implentacija primesa. Jonska implantacija se vrši snopom jona energije ~ 300 keV, pri temperaturi od oko 500 °C. Jonska implantacija daje manju bočnu difuziju primesa i mogućnost preciznije kontrole dubine primesne oblasti.

Blok šema tehnoloških operacija procesa izrade bipolarnog integrisanog

• Za difuziju n+-džepa koristi se arsen (As), pošto mu je difuziona konstanta desetak puta manja od drugih korišćenih primesa, pa će zato u kasnijim visokotemperaturskim procesima oksidacije (~1200 oC) i difuzije (~1300 oC) nastati samo neznatno difuziono širenje n+-džepa. Uloga ovog džepa je da smanji kolektorsku otpornost i da smanji uticaj parazitnog p-n-p tranzistora (baza-kolektor-podloga).

• Za integrisani bipolarni sklop izolacija između komponenata na čipu ostvaruje se difuzionim p+-oblastima (p+~1020 cm-3), dobijenim difuzijom bora (B). Ove oblasti se dovode na najniži potencijal u kolu, pa izolaciju čine inverzno polarisani p+-n spojevi. Bor se koristi i pri difuzionom procesu izrade "baznih" p-oblasti (p~1018 cm-3), kada se izrađuje baza n-p-n tranzistora, ali i telo bazno-difuzionog otpornika. Za izradu "emiterskih" n+-oblasti (n+~1020 cm-3) koristi se fosfor (P) kao difuziona primesa, kada se izrađuju emiter n-p-n tranzistora, ali i donja ploča MOS-kondenzatora i kolektorski omski kontakt tranzistora. Izbor primesa B, P i As određen je i činjenicom da one difunduju u Si preko 1000 puta brže nego u SiO2, koji se ponaša kao efikasna površinska maska u tim procesima.

• Tehnološki parametri procesa difuzije se proračunavaju na osnovu zahtevanih širina emiterske i bazne oblasti.

• Treba istaći i neka tehnološka poboljšanja koja dovode do većeg stepena integracije integrisanih kola.

• Pre svega, sve više se primenjuju novi postupci litografije rentgenskim, elektronskim ili jonskim snopom, čime se dostiže definisanost linija u integrisanom kolu sa tačnošću do 0,01 μm, što je znatno preciznije od 0,05 μm fotolitografije sa ultraljubičastom svetlošću.

• Značajan napredak postignut je i u preciznosti dopiranja primesa u integrisanim kolima. Umesto difuzije, kojom su dobijene p+, p i n+ oblasti čiji poprečni presek ima formu krivouglih trapeza (umesto poželjnih pravougaonih formi) zbog efekata bočne difuzije primesa, danas se sve više koriste precizniji niskotemperaturski postupci jonske implantacije primesa. Energije primesnih jona < 300 keV omogućuju prodiranje primesa do relativno malih dubina ~ 0,5 μm, što je dovoljno za izradu savremenih integrisanih kola. Ova tehnika se posebno primenjuje u izradi silicijumskih unipolarnih MOS-integrisanih kola (logičkih kola, RAM i ROM memorija).

• Kao primeri integrisanih logičkih MOS-sklopova dati su prikazi NMOS-invertora i CMOS invertora.

Prikaz šeme i poprečnog preseka monolitnog NMOS invertora.

Prikaz šeme i poprečnog preseka monolitnog CMOS invertora.

• Uočavaju se neke specifičnosti unipolarne silicijumske MOS tehnologije. Vidi se da nema potrebe za izolacionim p+-oblastima, i da su n+-oblasti dobijene jonskom implantacijom veoma oštrih profila. To omogućava veći stepen minijaturizacije unipolarnih kola u odnosu na bipolarna, ali im zato niži radni napon i struje smanjuju brzinu pražnjenja parazitivnih kapacitivnosti i time brzinu rada i gornju graničnu radnu učestanost.

• Uočava se i korišćenje visokodopiranih Si-gejtova, koji u tehnološkoj fazi izrade služe i kao maska za n+-oblasti, zbog čega nema preklapanja gejta sa n+-oblastima sorsova i drejnova, što umanjuje parazitne kapacitivnosti i povećava brzinu rada ovih kola.

• Današnja silicijumska logička kola dostižu gornje granične učestanosti ~ 5 GHz (zamenom Al-veza na čipu sa Cu-vezama i SiO2-izolacionog sloja sa niskodielektričnim (εr~2) organskim slojem, uz smanjenje parazitnih efekata međuveza i smanjenje kašnjenja na čipu), a pojedinačni laboratorijski tranzistori ~ 250 GHz.

• Naziv MOS je ostao u upotrebi, iako se od 1980-ih gejt ovih tranzistora izrađuje od polisilicijuma, za koji se koristi naziv poli-Si, ili samo poli. Međupovrš Si/SiO2 ima relativno mali broj defekata u poređenju sa kontaktnim površima između metala i izolatora. Poli se nanosi postupkom hemijske depozicije iz gasovite faze pri niskom pritisku (LPCVD - Low-Pressure Chemical-Vapour Deposition) i najčešće je visoko dopiran.

• Prelazak sa aluminijuma na poli bio je uslovljen mogućnošću formiranja samoporavnjavajućih gejtova koju pruža polisilicijum, jer je kompatibilan sa visokotemperaturskim planarnim postupcima zastupljenim tokom izrade ovakvih gejtova. Pri visokim temperaturama karakterističnim za ove postupke izrade neki metali bi se topili, što ograničava izbor metala koji bi mogli da se koriste za gejt. Samoporavnjavajući gejt podrazumeva postupak izrade MOSFET-a pri kom se sâm visoko dopiran gejt koristi kao maska za difuziju oblasti sorsa i drejna oko njega. Na ovaj način poboljšana je preciznost čitavog procesa izrade integrisanih kola. U ranijoj varijanti postupka, najpre su izrađivane oblasti sorsa i drejna, pa je tek onda nanošen materijal gejta preko oksida. Oblast gejta ponekad ne bi dosezala oblasti sorsa i drejna, što je rezultovalo nefunkcionalnim tranzistorom.

• Objedinjavanje dobrih strana bipolarnih i unipolarnih kola ostvareno je u tzv. BiCMOS kolima, koja predstavljaju kombinaciju ultrabrzih bipolarnih n-p-n tranzistora i unipolarnih CMOS-invertora ekstremno niske disipacije (~ 105 puta niže od NMOS invertora) i zato ekstremno visokog stepena integracije.

• Uočava se da je u CMOS tehnologiju integrisana tehnologija za bipolarne (Šotkijeve) n-p-n tranzistore. Time se uz povećanje složenosti postupka za 10 do 20% (kao i cene), smanjuje za 30% vreme pristupa RAM memoriji, i povećava za 40% radna učestanost kola. Korišćenjem BiCMOS tehnologije integrisane su brze bipolarne ECL i TTL logike sa kompaktnijim CMOS logikama i memorijama, u izradi memorija, logičkih kola i mikroprocesora.

• BiCMOS tehnologija se razlikuje u odnosu na klasičnu CMOS tehnologiju po sledećim specifičnostima: (1) ukopani n+-džep; (2) epitaksijalni sloj (n-epi); (3) duboka kolektorska n+-oblast; (4) relativno plitka bazna p–-oblast; (5) plitka emiterska n+-oblast; (6) izolaciona p–oblast; (7) bazni p+-izvod.

• Treba spomenuti i novu SIMOX tehnologiju (Separated by IMplanted OXigen), kojom se pre difuzuje ili jonske implantacije, za n- ili p-oblast u integrisanom kolu, implantiraju joni O+ na dubinu ~ 0,5 μm, gde dolazi do formiranja izolacionog sloja SiO2. Posle toga pločica se odgreva dok se ne uklone defekti u površinskom sloju Si-pločice. Zatim se unutar gornjeg sloja Si debljine ~ 0,5 μm mogu jonskom implantacijom formirati n- ili p-oblasti, po potrebi. Ovako dobijeni SIMOX tranzistori imaju znatno manje parazitne uticaje, jer praktično nema negativnog delovanja Si-podloge debljine ~150 μm. Drugim rečima, sa SIMOX konstrukcijom smanjuju se parazitne kapacitivnosti prema Si-podlozi, jer se između aktivnog dela Si i podloge (koja ima debljinu oko 150 μm) nalazi izolatorski sloj SiO2 bez primesa.

• Proizvodi načinjeni SIMOX tehnologijom za sada su skuplji od onih rađenih klasičnom tehnologijom, ali se očekuje dalje pojevtinjenje SIMOX tehnologije.

• Posebno treba naglasiti da naprave načinjene SIMOX tehnologijom imaju veću brzinu rada i otpornije su na dejstvo zračenja, a mogu da se koriste na znatno višim temperaturama u poređenju sa silicijumskim napravama načinjenim klasičnim tehnologijama.