Разработка конструкции и технологии планарной структуры совмещенной интегральной микросхемы 113-ой серии К1ТР131 с диэлектрической изоляцией и скрытым n+-слоем коллектора

Второй вариант ЭПИКпроцесса используется для формирования транзистора с низкоомным коллектором (рис. 4). Исходной служит пластина p+кремния без эпитаксиального слоя. Первоначально осуществляются операции, аналогичные операциям, изображенным на рис. 3, (а — и) первого варианта, в результате которых получается структура, показанная на рис. 4, а. Профиль вытравленной канавки зависит от ориентации кремниевой пластины и состава выбранного травителя. Для улучшения характеристик диэлектрической изоляции слой SiO2 иногда заменяют слоем Si3N4, двойными слоями SiO2 – Si3N4 или SiO2SiC. Нитрид и карбид кремния обладают лучшими диэлектрическими свойствами, что ещё в большей степени уменьшает токи утечки и паразитные емкости и увеличивает пробивные напряжения. Карбид кремния, кроме того, отличается высокой твёрдостью, что облегчает механическое удаление кремния pтипа, так как позволяет легко фиксировать момент сошлифовки до уровня слоя карбида. ЭПИКпроцесс наиболее распространён среди методов полной диэлектрической изоляции.Рис. 4. Изменения кремниевой подложки p+типа при изготовлении микросхем по второму варианту ЭПИКпроцесса после:а) – операций окисления, травления канавок, осаждения поликремния и сошлифования монокристаллической пластины p+типа; б) – окисления и фотолитографии; в) – травления канавок в монокристаллических участках кремния; г) – выращивания коллекторных pслоев локальной эпитаксией (на пленке окисла растет поликремний); д) – удаления плёнок в SiO2 и ППК и получения планарной структуры; е) – формирования базовой эмиттерной областей транзисторов, нанесения термическим окислением пассивирующего окисла, создания разводки и нанесения защитного диэлектрика.Структура планарно-эпитаксиального биполярного транзистора со скрытым слоем представлена на рисунке 5.Рис. 5. Структура планарно-эпитаксиального биполярного транзистораОбщая схема технологического процессаПодготовка пластин кремния.1. Получение металлургического и электронного кремния2. Получение кремния методом зонной плавки3. Выращивание кремния по методу Чохральского4. Механическая обработка слитка.отделение затравочной и хвостовой части слитка;обдирка боковой поверхности до нужной толщины;шлифовка одного или нескольких базовых срезов (для облегчения дальнейшей ориентации в технологических установках и для определения кристаллографической ориентации);резка алмазными пилами слитка на пластинышлифовка. На абразивном материале SiC или Al2O3 удаляются повреждения высотой более 10 мкмполирование. Используют смесь полирующей суспензии (коллоидный раствор частиц SiO2 размером 10 нм) с водой.5. Химическое полирование.производят съём приповерхностного слоя материала с обработкой поверхности на глубину 20-30 мкм6. окисление6.1. Термическое окисление кремниевой пластины для формирования изоляционной канавки на поверхности кристалла. Здесь и далее этап проводится в диффузионной печи «ThermcoSystems 2400» при температуре 920-1200˚С в три стадии: 6.2 Окисление в сухом кислороде (O2), при котором у слоя двуокиси кремния формируются хорошие электрофизические свойства. Время проведения процесса - 5 минут. 6.3 Окисление во влажном кислороде(O2+H2O+Cl2), при котором удаляются атомы щелочных металлов, формируется нужная толщина окисла, качество слоя ухудшается. Время проведения процесса – 20 минут. 6.4 Окисление в сухом кислороде (O2), в ходе которого восстанавливается качество SiO2. Время проведения процесса – 10 минут Суммарная толщина двуокиси кремния – не менее 0,5 мкм. 7. фотолитография. Фотолитография в слое двуокиси кремния для создания изолированной структуры. После фотолитографии фоторезист не удаляется, производится дополнительное задубливание при 150˚С, t=30 мин для формирования дополнительного защитного барьера. Фотошаблон для формирования изолированных областей приведен в приложении 5. 8. локальная диффузия примесичерез маску из двуокиси кремния9. фотолитография для вскрытия окон в окисле перед операцией локального травления кремния;10. Травление кремнияВ смеси плавиковой, азотной и уксусной кислот, приготовленной в пропорции 1:4:3, или раствора щелочей натрия производится травление поверхности Si.Промывка в деионизованной и бидистиллированной водеВ окончательном виде кремний представляет собой пластину диаметром 15 - 40 см, толщиной 0.5 - 0.65 мм с одной зеркальной поверхностью.11. снятие окисла или Удаление пленки фоторезиста, на автоматической установке «Spinprocessstation» . 12. нанесение окисла, нитрида или карбида кремнияполученной структуры кремниевых пластин. Требуемая толщина изоляционного окисла -1 мкм. 13. осаждение из парогазовой фазы слоя высокоомного поликристаллического кремния толщиной ~ 200 мкм; Процесс происходит в два этапа: первый – на малых скоростях осаждения (Т=850˚С), для хорошего заращивания канавок, второй – на высоких скоростях осаждения (Т=650˚С, для формирования требуемой толщины поликремниевого слоя и абсолютного заполнения изоляционных канавок). 14. сошлифовывание монокристаллического кремния до получения изолированных диэлектриком карманов и получение рабочей поверхности высокого класса чистоты;15. окисление рабочей поверхности16. фотолитография для вскрытия окон под базовую диффузию Фотолитография в слое SiO2. В ходе процесса в слое двуокиси кремния вытравливаются окна для локальной диффузии примеси с целью создания базовых областей транзисторов и диффузионных резисторов. Фотошаблон для формирования данных областей приведен в приложении 5. 17. формирование базового слоя17.1 Загонка бораЗагонка проводится в диффузионной печи «ThermcoSystems 2400» (диффузантом является трехбромистый бор BBr3 ГОСТ 19604-74 в потоке аргона) при температуре Т=980˚С в течение 50 минут. В ходе процесса в области окон формируется тонкий слой кремния р-типа, на всей поверхности пластины образуется слой боросиликатного стекла, препятствующий диффузии кремния в атмосферу. 17.2 Стравливание боросиликатного стекла. Стравливание боросиликатного стекла необходимо, поскольку оно значительно влияет на перераспределение примеси в кремнии на второй стадии диффузии, ухудшает качество выращиваемой на поверхности двуокиси кремния, препятствует нормальному процессу фотолитографии в слое SiO2. Процесс стравливания происходит в растворе плавиковой кислоты. 17.3 разгонка бораПроводится на установке «ThermcoSystems 2400» при температуре Т=1160˚С в течение 31 минуты. В ходе процесса происходит перераспределение примеси в р-области базы и диффузионных резисторов. Разгонка бора производится в окислительной атмосфере, благодаря чему не возникает эрозия кремния и выращивается двуокись кремния над диффузионными областями и слоем поликремния. Режимы диффузии бора приведены в таблице 1. 18. фотолитография для вскрытия окон под эмиттерную диффузию в слое SiO2. В ходе процесса в слое двуокиси кремния вытравливаются окна для локальной диффузии примеси с целью создания эмиттерных областей транзисторов и контактного слоя коллекторов. Фотошаблон для формирования данных областей приведен в приложении 1. 19. – формирование эмиттерного слоя;19.1 загонка фосфорапроводится в диффузионной печи «ThermcoSystems 2400» (диффузантом является треххлористый фосфор PCl3 ГОСТ 19670-74 в потоке аргона) при температуре Т=1020˚С в течение 15 минут. В ходе процесса в области окон формируется тонкий n+слой кремния, на всей поверхности пластины образуется слой фторосиликатного стекла, препятствующий диффузии кремния в атмосферу. 19.2 Стравливание фторосиликатного стекла. Стравливание фторосиликатного стекла необходимо, поскольку оно значительно влияет на перераспределение примеси в кремнии на второй стадии диффузии, ухудшает качество выращиваемой на поверхности двуокиси кремния, препятствует нормальному процессу фотолитографии в слое SiO2. Процесс стравливания происходит в растворе плавиковой кислоты. 19.3 разгонка фосфораПроводится в «ThermcoSystems 2400» при температуре Т=1170˚С в течение 33 минут. В ходе процесса происходит перераспределение примеси в области эмиттера и n+ слоя контактной области коллектора. Разгонка фосфора производится в окислительной атмосфере, благодаря чему не возникает эрозия кремния и выращивается двуокись кремния над областями эмиттеров и контактными областями коллекторов. Режимы диффузии фосфора приведены в таблице 1. 20 – фотолитография для вскрытия контактных окон в слое SiO2. В ходе процесса в слое двуокиси кремния вытравливаются контактные окна для коммутации элементов кремниевых пластин. Фотошаблон для формирования данных областей приведен в приложении 1. 21 – напыление пленки алюминия.Материал шин коммутации – алюминий Al 99 ГОСТ 11070-74, толщина слоя – 0,9 мкм. Материалом шин коммутации выбран алюминий, поскольку он сравнительно легко напыляется на подложки любыми методами распыления в вакууме, обладает хорошей адгезией к двуокиси кремния, обладает высокой электропроводностью, обеспечивает хорошие омические контакты, качественные соединения проволочных выводов к контактным площадкам интегральной микросхемы. 22. фотолитография для создания рисунка разводки и нанесение слоя защитного диэлектрикаМетоды контроля и диагностики.Исследование морфологии пленокИзучение кристаллографической структурыИсследование химического состава пленокМетоды сборки и герметизацииОдин из основных методов монтажа кристаллов является соединение его с корпусом твердыми припоями (или эвтектикой).Ультразвуковая сварка С помощью пуансона проволока прижимается к контактной площадке подложки, при этом к пуансону прикладываются УЗ колебания перпендикулярно направлению приложения давления с частотой 20...60 кГц.Соединение проволокой может быть выполнено золотой проволокой методом термокомпрессии, ультразвуковым и термозвуковым методами или алюминиевой проволокой ультразвуковым методом.Для герметизации ИС обычно используют эпоксидные смолы и кремнийорганические соединения.Основной целью герметизации корпуса является защита от внешних загрязнений во время функционирования прибора. Почти для всех высококачественных корпусов герметизацию выполняют стеклом или металлом.ЗаключениеВ ходе выполнения курсового проекта была разработана планарная структура интегральной микросхемы, рассчитаны режимы основных технологических процессов, сделано краткое описание технологического процесса изготовления планарной структуры микросхемы. Результатом проектирования является микросхема 113-ой серии К1ТР131 с комбинированной изоляцией типа «Полипланар», размещенная на кристалле с габаритными размерами 1500х1500 мкм2. Требования, изложенные в ТЗ и прилагаемых исходных материалах, соблюдены. Литература1. Скворцов А.М., Халецкий Р.А. Литография в микроэлектронике – Учебное пособие. СПб: СПбГУИТМО (ТУ), 2003. 2. Скворцов А.М., Халецкий Р.А. Легирование в микроэлектронике – Учебное пособие. СПб: СПбГУИТМО, 2009. 3. Готра З.Ю. Технология микроэлектронных устройств. Справочник. – М.:Радио и связь, 1991. ПРИЛОЖЕНИЯ1. Приложение 1 – Схема электрическая функциональная. Чертеж ПБКС 5155.2.3030 Э2. 2. Приложение 2 – Схема электрическая принципиальная. Чертеж ПБКС 5155.2.3030 Э3. 3. Приложение 3 – Общий топологический чертеж кристалла (М 200:1). 4. Приложение 4 – Чертеж ступенчатого сечения кристалла (М 5000:1). 5. Приложение 5 – Чертежи фотошаблонов для изготовления микросхемы (М 100:1). Приложение 1Штрих ШеффераRS-триггер Штрих ШеффераПриложение 2 1, 2, 3, 4, 5 – входы; 9 - напряжение питания, +4В; 6, 7, 8 – свободные выводы; 10, 11, 12, 13- выходы; 14 - общий вывод. Приложение 3Приложение 4М 1:1000координаты точек, мкм12345678910111213141516171819202122x2045288521176884417941147337545785884417941147120396672984122411601330y1001001001003203203203206856856859059059059051270127012701270127013901390Приложение 5