METODE DOBIJANJA MASIVNIH MONOKRISTALA I TANKIH SLOJEVA

MATERIJALA

PLANARNA INTEGRISANA KOLA

Еlektrotehnički fakultet, Beograd, 2016.

Materijali u elektrotehnici

Za izradu poluprovodničkih integrisanih kola i komponenti potrebno je dobiti poluprovodničke monokristale u masivnoj i tankoslojnoj formi, kao i razne polikristalne i nekristalne materijale u formi tankih slojeva. Masivni monokristali mogu da se dobiju na nekoliko načina, od kojih su najvažniji postupak izvlačenja i postupak lebdeće zone, koji će biti objašnjeni na primeru silicijuma. 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, silicijum se dodatno hemijski prečišćava, čime se postiže visoka čistoća od jednog primesnog atoma na milijardu atoma Si (tzv. 9N čistoća, od engleskog nine nines purity 99.9999999%).

METODE DOBIJANJA MASIVNIH MONOKRISTALA I TANKIH SLOJEVA MATERIJALA

Postupkom izvlačenja (Čohralski, Czochralski) izrađuje se monokristalni Si koji se označava kao Cz-Si. Polikristalni Si se rastopi u kvarcnoj posudi, korišćenjem VF grejača, i rastop se zagreje na temperaturu nešto višu od temperature topljenja Si (1415°C) u atmosferi inertnog gasa argona (Ar). Potom se u rastopljenu masu uroni monokristalna klica (komadić monokristala Si, odabrane kristalne orijentacije tj. kristalnog pravca koji će biti paralelan osi ingota). Na klici, koja se okreće i time rashlađuje površinski sloj rastopljenog silicijuma, kondezuju se atomi silicijuma iz rastopa, tako da slede raspored atoma u klici. Pri tome se klica lagano izvlači iz rastopa (brzinom od oko 3 mm/min), uz istovremenu rotaciju klice (brzinom 15-150 obrta/min) i posude (2-15 obrta/min) u suprotnim smerovima, čime se obezbeđuje ravnomernije hlađenje rastopa. Ovim postupkom moguće je načiniti monokristalne šipke (ingote) prečnika do 30 cm i težine do 50 kg. Na prečnik ingota utiče se brzinom izvlačenja.

S obzirom da je u zidovima kvarcne posude uvek prisutan bor, koji lako prelazi iz posude u rastopljeni silicijum, to se ovim postupkom dobijaju monokristali p-tipa, sa borom kao akceptorskom primesom. Da bi se uticalo na tip ingota i da bi koncentracija dopanata bila precizno definisana, rastopu silicijuma kontrolisano se dodaju odgovarajuće primese (fosfor za n-tip, bor za p-tip).

Protok argona

Grejački namotaj pobuđen visoko frekventnim (VF) naponom

○○○○

○ ○ ○ ○

KVARCNA

POSUDA

Da bi se metodom Čohralskog dobio silicijum n-tipa, koncentracija primesnih atoma fosfora mora da se učini znatno većom od koncentracije već prisutnih nečistoća bora, što dovodi do prevelike koncentracije obe vrste primesa i obrazovanja defekata u kristalu, zbog čega se pokretljivost elektrona smanjuje. Iz ovog razloga Cz-Si je najčešće p-tipa.

Ilustracija Čohralski postupka dobijanja masivnih monokristala

Komercijalno korišćen Si je najčešće Cz tipa, zbog visoke otpornosti na termička naprezanja, kao i zbog brze i jevtine proizvodnje. Standardni monokristalni ingoti se izrađuju sa prečnicima između 7,5 i 30 cm, dugi oko 1 m i sa <100> kristalografskom orijentacijom duž ose ingota. Postupkom Čohralski, pored silicijuma p-tipa, dobijaju se poluprovodnički monokristali GaAs, GaP, InP... Kako GaAs i GaP imaju lako isparljive komponenete (As i 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 komore.

Postupkom lebdeće zone (Float Zone) izrađuju se silicijumski monokristali n-tipa (FZ-Si). Kod ove metode nema potrebe za posudom koja bi sadržala rastop silicijuma. Polikristalna šipka silicijuma postavlja se iznad klice, pa se korišćenjem prstenastog VF grejača rastope deo klice i deo polikristalnog Si u blizini grejača. Tako obrazovana rastopljena zona (visine nekoliko cm) ne otiče zahvaljujući dejstvu površinskog napona. Maksimalan prečnik FZ-Si ingota je oko 15 cm, jer je za šipke šire od toga površinski napon nedovoljan da spreči oticanje rastopa. Ceo proces se, kao i Cz, odvija u komori sa protokom inrertnog gasa (nije prikazana na slici). Laganim pomeranjem polikristalnog uzorka naniže kroz nepokretan prstenasti grejač (brzinom od oko 3 mm/min), uz neprekidnu rotaciju, rastopljena zona se pomera kroz šipku, koja njenim prolaskom očvršćava u monokristalnu formu.

Oba opisana postupka mogu da se koriste za dobijanje ne samo poluprovodničkih monokristala, već i monokristala metala i izolatora. Za razliku od poluprovodnika, međutim, provodni materijali su uglavnom polikristalne, a dielektrični materijali amorfne strukture, pa se monokristali ovih materijala izrađuju pre svega u istraživačke svrhe. Ranije primenjivani postupci za dobijanje masivnih monokristala, koji su vremenom zamenjeni metodama Cz i FZ, uključuju metodu Bridžmana, metodu Vernijea i metodu plivajuće zone. Od novijih postupaka značajne su metoda mikro-spuštanja (eng. micro-pulling-down) i FZ metoda sa laserskim zagrevanjem.

Ingot se precizno opseca do željenog prečnika. Zatim se odsecaju pljosni koje služe za naznačavanje kristalografske orijentacije i tipa (slika dole levo). Potom se ingot seče na tanke pločice (vejfere), debljine 300-800 μm. Pločice se sa obe strane glačaju do glatkoće od 2-3 µm, hemijski nagrizaju (ecuju) da bi se uklonio oštećen površinki sloj nastao sečenjem i glačanjem, pa se hemo-mehanički poliraju sa jedne strane do visokog sjaja. Tako obrađeni vejferi služe kao podloga za izradu planarnih integrisanih kola.

Kristalografski pravac duž kog leži zasek

Kristalografski pravac normalan na površinu vejfera

Tanki slojevi (filmovi) materijala izrađuju se postupcima depozicije (nanošenja, taloženja) na pogodnu podlogu (supstrat). Dobijeni sloj može da bude monokristalan, polikristalan ili amorfan. Deponovani slojevi mogu da imaju različite uloge. U optici, na primer, tanki slojevi se izrađuju sa željenim reflektivnim i refraktornim osobinama. U mikro- i nano-elektronici se izrađuju tanki slojevi poluprovodnika, dielektrika i provodnika, sa određenim funkcijama u integrisanom kolu. Prevlačenje materijala i komponenti tankim slojevima može da ima za cilj i zaštitu od različitih spoljašnjih uticaja. Depozicija tankog sloja materijala može da se odvija putem hemijske reakcije ili fizičkog procesa. U grupu metoda depozicije zasnovanih na hemijskim reakcijama ubrajaju se: • elektrodepozicija • termalna oksidacija • hemijska depozicija iz parne faze (eng. Chemical Vapor Deposition, CVD) • depozicija atomskih slojeva (eng. Atomic Layer Deposition, ALD) • epitaksija iz parne faze (eng. Vapor-Phase Epitaxy, VPE) U grupu metoda depozicije zasnovanih na fizičkim procesima ubrajaju se: • naparavanje • depozicija raspršavanjem ili "spaterovanje" (eng. sputter deposition) • epitaksija molekularnim snopom (eng. Molecular Beam Epitaxy, MBE) Kod većine metoda fizičkog deponovanja filmova, uključujući tri pobrojane, polazne supstance od kojih se dobija tanak sloj su u gasovitom stanju. Ova klasa fizičkih metoda nosi jedinstveni naziv fizička depozicija iz parne faze (eng. Physical Vapor Deposition, PVD).

Elektrodepozicija (elektrohemijsko taloženje ili galvansko prevlačenje, eng. electroplating) se koristi za formiranje metalnih filmova na površini provodnih materijala. Provodna podloga se potapa u rastvor elektrolita, nakon čega se željeni sloj obrazuje spontano ili provođenjem struje kroz taj provodnik (sa ulogom jedne elektrode), rastvor i drugu elektrodu (koji onda zajedno formiraju elektrolitički element). Joni metala koji se deponuje dodaju se rastvoru u vidu soli tog metala ili proticanjem struje prelaze u rastvor sa druge elektrode. Elektrodepozicija se najčešće koristi za prevlačenje provodnika filmovima bakra, nikla ili zlata mikrometarskih debljina. Cilj elektrodepozicije je izmena površinskih osobina metalnog predmeta, npr. povećanje površinske tvrdoće, zaštita od korozije, smanjenje kontaktne električne otpornosti i sl. Proces srodan elektrodepoziciji je elektroforetička depozicija. Za razliku od elektrodepozicije, kod koje se iz rastvora deponuju joni metala, elektroforetičkom depozicijom na provodnoj podlozi izrađuju se mikrometarski polimerni, keramički ili metalni slojevi, taloženjem relativno velikih čestica praha prisutnih u rastvoru.

Neki poluprovodnici mogu direktno da oksidišu i da pri tome formiraju površinski sloj oksida, kao što je to slučaj sa Si. Ovaj proces se naziva rast termalnom oksidacijom. Od Si se na ovaj način stvara amorfni SiO2, bilo u atmosferi obogaćenoj kiseonikom (suva oksidacija) ili u prisustvu vodene pare (vlažna oksidacija). U oba slučaja potrebna je visoka temperatura (između 850 i 1200°C). SiO2 izrađen termalnom oksidacijom stvara izvesno mehaničko naprezanje na SiO2-Si međupovrši, što može da dovede do pojave tačkastih defekata ili dislokacija na spoju. Ovaj unutrašnji mehanički napon se smanjuje time što se oksidacioni proces odvija na visokim temperaturama. Bilo koji dopant prisutan u Si podlozi pre oksidacije tokom oksidacionog procesa se preraspodeljuje. Stepen redistribucije zavisi od tipa dopanta koji je prisutan. Na primer, B će težiti da pređe u sloj oksida, dok će P i As težiti da se udalje od spoja oksid-poluprovodnik.

Hemijska depozicija iz parne faze (CVD) podrazumeva hemijsku reakciju gasovitih reaktanata u blizini površine zagrejane podloge, pri čemu se jedan od produkata reakcije deponuje na podlozi. Ovom metodom mogu se proizvesti jednoslojni, višeslojni, kompozitni i nanostrukturni materijali, sa precizno kontrolisanim dimenzijama i strukturom, na temperaturama nižim od onih koje zahteva termalna oksidacija (~ 600°C). CVD je, pored termalne oksidacije, jedna od najpopularnijih tehika za depoziciju tankog oksidnog filma. U slučaju SiO2, koristi se gas nosilac SiH4 (silicijum hidrid = silan). Kada se gasnoj smeši doda O2, hemijska reakcija rezultuje formiranjem SiO2 i vodene pare. Da bi se obezbedila glatka površina oksida i uniformno pokrivanje supstrata, često se koristi pritisak niži od atmosferskog, kada metoda nosi naziv Low-Pressure CVD (LPCVD) ili Ultra-High Vacuum CVD (UHVCVD). CVD omogućava dopiranje tokom oksidacionog rasta, što menja osobine oksidnog sloja. Na primer, dodavanjem PH3 (fosfor trihidrid = fosfan) spomenutoj gasnoj smeši tokom depozicije SiO2 formira se fosfosilikatno staklo (eng. phosphosilicate glass, PSG), koje ima ulogu glatkog pasivizacionog (zaštitnog) sloja. Slojevi Si3N4 na podlogama od GaAs ili Ge se takođe formiraju korišćenjem CVD. U ovom slučaju u gasnoj smeši se koristi NH3 umesto O2 (dakle SiH4 + NH3) i oslobađa vodonik umesto vodene pare. U cilju poboljšanja osobina dobijenih filmova ili sâmog procesa izrade, razvijene su mnoge podvarijante hemijske depozicije iz parne faze. Često se, u cilju smanjenja temperature depozicije, smeša gasovitih reaktanata jonizuje strujom električnog pražnjenja, koja je praćena emisijom svetlosti iz pobuđenih jona. Emitovana svetlost može da aktivira reaktante i da poveća stepen hemijske reakcije, čak i pri temparaturama ~ 300°C. Ovaj postupak se naziva hemijska depozicija iz parne faze potpomognuta plazmom (eng. Plasma-Enhanced Chemical Vapor Deposition, PECVD).

Senzor pritiska

Prozor za unošenje

vejfera na nosaču

Ulaz za gasove

Grejač

Vejferi (postavljeni uspravno i poređani jedan iza drugog)

Pumpa

Kvarcni zid komore

Šema (bočni poprečni presek) i izgled CVD reaktora

Depozicija atomskih slojeva (ALD) i epitaksija iz parne faze (VPE) su metode izvedene iz osnovnog CVD postupka. Depozicija atomskih slojeva koristi reaktante u gasovitom stanju, koji se na podlogu nanose jedan za drugim, pa se hemijska reakcija odvija na površini supstrata, čime se dobija tanak sloj željenog sastava. ALD je sporija od CVD, ali se sprovodi na nižim temperaturama i pruža mogućnost izrade tanjih slojeva. Razdvajanje gasova koji se deponuju postiže se propuštanjem gasa za ispiranje reakcione komore (najčešće N2 ili Ar) pre svakog uvođenja sledećeg gasa reaktanta, čime se sprečava odvijanje CVD procesa (u komori iznad supstrata), koji je u ovom slučaju neželjen. Metodom ALD debljina filmova može da se kontroliše sa preciznošću od jednog atomskog (ili molekularnog) sloja (~ 10 pm), zahvaljujući samoograničavajućem karakteru hemijskih reakcija na površini podloge, koje se spontano okončavaju nakon obrazovanja novog sloja, nezavisno od trajanja koraka postupka.

Šematski prikaz dvostepenog ALD postupka na primeru izrade tankog sloja Al2O3, pri čemu se hemijska reakcija odvija na površini podloge (supstrata). Ponavljanjem procedure dobija se film željene debljine.

Al(CH3)3

Ispiranje

Ispiranje

Uvođenje vodene pare

Uvođenje tri-metil-aluminijuma

U hemijskoj reakciji izdvaja se gas metan

Sloj Al2O3

Podloga

Epitaksija je hemijska ili fizička depozicija tankog monokristalnog sloja na površini monokristalne podloge. Epitaksijalni filmovi mogu da se dobijaju od gasovitih ili tečnih reaktanata. Podloga ima ulogu "klice" koja zadaje kristalografsku orijentaciju epitaksijalnog sloja. Epitaksijani sloj (epi sloj) zauzima jednu od kristalografskih orijentacija podloge. Ako formiran sloj zauzme proizvoljan kristalografski pravac u odnosu na podlogu, ili ne ispoljava monokristaličnost, rast se ne smatra epitaksijalnim. Moguć je epitaksijalni rast sloja na podlogama od istog materijala (homoepitaksija), ili drugog materijala koji ima istu kristalnu rešetku (heteroepitaksija). Homoepitaksijom se dobija sloj istog materijala veće čistoće ili različitog nivoa dopiranja od podloge (tzv. homoepi sloj). Od hemijskih epitaksija po značaju se izdvaja epitaksija iz parne faze (VPE), dok je od fizičkih epitaksija značajna epitaksija molekularnim snopom (MBE).

Epitaksija iz parne faze (VPE) je komercijalno najšire korišćena metoda za izradu tankih poluprovodničkih slojeva u Si-mikroelektronici, kojom se na Si pločici p-tipa (dobijenoj sečenjem Si monokristalne šipke napravljene metodom izvlačenja) izrađuje tanak monokristalni sloj silicijuma n-tipa. Kao što je već rečeno, VPE pripada klasi CVD metoda. U gasnu atmosferu azota (N2) i vodonika (H2) uvodi se silicijum tetrahlorid (SiCl4), tako da se na povišenoj temperaturi (~ 1200°C) 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 silicijumskoj podlozi. Da bi se dobio Si sloj n-tipa unosi se i gas fosfan (PH3), iz kog se pri reakciji sa površinom Si pločice izdvaja fosfor (P) kojim se dopira epitaksijalni sloj silicijuma. Koncentracija primesa n-tipa u epitaksijalnom sloju zavisi od namene čipova. U logičkim kolima je n ~ 1016 cm−3 (što obezbeđuje probojni napon p-n spojeva ~ 60 V), a u energetskoj mikroelektronici je n ~ 1015 cm−3 (što obezbeđuje probojni napon p-n spojeva ~ 270 V).

Vakuumsko naparavanje, koje spada u PVD metode, je najjednostavniji postupak dobijanja tankih monokristalnih slojeva na odgovarajućoj podlozi. Sistem se najpre vakuumira na pritisak niži od 10−4 Pa. Zatim se materijal stavlja u posudu od alumine (Al2O3) ili volframa, koja se zagreva protokom struje. Ispareni materijal se kondenzuje na podlozi, koja se takođe 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, a najkvalitetniji filmovi se dobijaju za brzine rasta do 1 μm/h.

Sistemi za vakuumsko naparavanje razlikuju se prema načinu zagrevanja materijala koji isparava. Ovaj materijal može da se zagreva snopom elektrona ili otporno. Kod već spomenutog otpornog isparavanja, prikazanog na slici, materijal koji isparava nalazi se u posudi koja se zagreva putem Džulovih gubitaka, zbog proticanja jake struje kroz nju. Kod isparavanja elektronskim snopom, snop elektrona se usmerava na materijal, koji se lokalno zagreva i isparava.

Materijal koji se naparava Posuda od alumine ili volframa koja se greje proticanjem

struje

Spaterovanje je postupak depozicije koji pripada klasi PVD metoda.

Materijal mete (sputtering target) se bombarduje jonima gasa za spaterovanje (sputtering gas) koji se uvodi u obliku plazme (na slici: Ar+). Joni uvedenog gasa ubrzavaju u električnom polju između elektroda u komori i sudaraju se sa metom, izbacujući iz nje atome. Izbačeni atomi mete stižu do podloge smeštene iznad mete i deponuju se na njoj. Samo mali broj atoma izbačenih iz mete je jonizovan, dok je većina u atomskom obliku. Oni se od mete do podloge kreću balistički (pavolinijskim putanjama, ako im je kinetička energija velika) ili difuziono (sudarajući se tokom difuzije sa atomima trećeg gasa uvedenog u komoru). Za nanošenje sloja jedinjenja na podlogu, treći gas u komori se bira tako da atomi mete reaguju sa njim na putu ka podlozi (kao na desnoj slici). Debljina filma može da se kontroliše trajanjem postupka i rastojanjem između mete i supstrata.

Spaterovanje se koristi za deponovanje slojeva materijala koji imaju visoke temperature topljenja, zbog čega je naparavanje nepraktično ili neprimenljivo. Filmovi izrađeni naparavanjem ili spaterovanjem su generalno manje kvalitetni (tj. sa većom koncentracijom defekata) nego slojevi dobijeni CVD postupcima.

Epitaksija molekularnim snopom (MBE) je usavršen postupak vakuumskog naparavanja, koji omogućava dobijanje izuzetno kvalitetnih monokristalnih filmova, precizno kontrolisanih debljina. Monokristaličnost deponovanog sloja obezbeđena je sporim rastom (oko 3000 nm/h). Spor rast filma zahteva da u komori postoji znatno kvalitetniji vakuum (10−9 Pa) nego kod ostalih metoda depozicije, kako bi se postigla jednako niska koncentracija nečistoća u filmu. MBE sistem sastoji se od izvora (Knudsenovih efuzionih ćelija) koji se nalaze u izvakuumiranoj komori, iz kojih mogu da se naparavaju različiti elementi (npr. Al, Ga, As, Si i Be). U efuzionim ćelijama, čvrsti uzorci materijala se zagrevaju i sublimišu, tj. prelaze iz čvrstog stanja u paru. Efuzija je proces izlaska gasa kroz mali otvor, pri čemu brzina izlaska zavisi od veličine otvora. Kontrolisanim otvaranjem i zatvaranjem efuzionih ćelija pare izabranih elemenata se ispuštaju u komoru i dospevaju do podloge, na kojoj međusobno reaguju i formiraju sloj željenog sastava. Pojam "snop" u nazivu metode ne znači da se atomi elemenata ubrzavaju u izvorima, već samo da međusobno ne reaguju pre nego što dospeju do podloge, zavaljujući velikim srednjim dužinama slobodnog puta, koje obezbeđuje visoki vakuum. Za dodatno uklanjanje nečistoća iz vakuuma unutar komore, ona se hladi tečnim azotom (eng. liquid nitrogen, LN2) na temperaturu od 77 K, zbog čega se nečistoće kondenzuju po zidovima komore, dok se podloga zagreva i rotira, kako bi depozicija sloja po njenoj površini bila homogena. MBE se koristi za izradu višestrukih heterospojeva, superrešetki, kvantnih žica i tačaka. Podloga može, na primer, da bude od monokristalnog GaAs, na koji se mogu naparavati slojevi sastava Al1-xGaxAs, koji se obično dopiraju silicijumom (za n-tip) ili berilijumom (za p-tip). Za kontrolu rasta filma koristi se refleksiona visokoenergetska elektronska difrakcija (RHEED, eng. Reflection High Energy Electron Diffraction). Varijanta ove metode kod koje su polazni materijali u izvorima već u gasovitom obliku na sobnoj temperaturi (tj. nema zagrevanja i sublimacije čvrstih uzoraka u izvorima) zove se hemijska epitaksija snopom (CBE, eng. Chemical Beam Epitaxy).

Šematski prikazi i spoljašnji izgled komore za MBE

Ako se pođe od pločica dobijenih sečenjem masivnog monokristalnog ingota Si (najčešće p-tipa, koncentracije p ~ 1015 cm-3, jer je masivni Si p-tipa jevtiniji za izradu 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 na jednoj površini Si pločice (vejfera). U postupke izrade planarnih kola ubrajaju se:

izrada tankih slojeva litografija difuzija ili jonska implantacija primesa izrada električnih izvoda (kontakata)

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

PLANARNA INTEGRISANA KOLA

Litografija je višestepeni postupak sa sledećim koracima: 1) Nanošenje rezista preko oksida. Rezist je materijal osetljiv na specifično zračenje (UV - optička ili fotolitografija, X - rentgenska, e− - elektronska, joni - jonska litografija). Rastvorljivost ozračenih oblasti rezista u pogodnom rastvaraču raste (pozitivan rezist) ili opada (negativan rezist). 2) Postavljanje maske preko rezista, za selektivno osvetljavanje/ozračivanje samo pojedinih delova rezista. Maska je staklena ploča prevučena slojem fotoemulzije ili drugog materijala nepropusnog za zračenje koje se koristi pri litografiji. Pri izradi maske, u ovom sloju se na osnovu zadatog crteža prave "prorezi" u obliku željenog motiva. 3) Osvetljavanje/ozračivanje kroz proreze na maski. U jednom litografskom koraku motiv sa maske se umanjuje (sočivom) i višestruko ponovlja za sve čipove na vejferu. 4) Uklanjanje maske i vlažno ecovanje (nagrizanje) rastvorljivog dela rezista (putem hemijske reakcije sa tečnim rastvaračem). Preostali nerastvoreni deo rezista formira zaštitu oksida u sledećem koraku. 5) Ecovanje ogoljenih delova oksidnog sloja kroz otvore na rezistu (suvo ecovanje - fizički, jonskim bombardovanjem, ili vlažno ecovanje - hemijski, fluorovodoničnom kiselinom (HF)). 6) Uklanjanje preostalog rezista (neselektivnim ozračivanjem i vlažnim ecovenjem ako je rezist pozitivan, ili samo nagrizanjem pomoću H2SO4 ako je negativan).

Po okončanju litografije, kroz otvore u oksidu sprovodi se difuzija (na temperaturi od 1000 - 1300°C) ili jonska implantacija 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.

Ako je cilj litografije izrada provodnih veza, umesto difuzije/implantacije primesa sprovodi se naparavanje metala (Al) i potom njegovo selektivno ecovanje.

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

1 TC

R

2 3

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 sâmog 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 do visokih temperatura (oksidacija i difuzija) svedu na najmanji mogući broj. Tokom izrade kola više puta se ponavljaju procesi temalne oksidacije površine pločice (u specijalnim pećima sa oksidacionom atmosferom, na temperaturi ~ 1200oC) i litografije za pravljenje otvora u oksidu na mestima gde treba da usledi difuzija primesa ili formiranje provodnih izvoda i veza.

Blok šema tehnoloških operacija procesa izrade bipolarnog integrisanog sklopa

a)

b)

c)

d)

e)

f)

g)

h)

As

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) doći do samo neznatnog difuzionog širenja n+-džepa. Uloga ovog džepa je da snizi kolektorsku otpornost i tako 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 između elemenata kola 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, donja ploča MOS-kondenzatora i kolektorski omski kontakt tranzistora (sendvič struktura p+-n+-n, videti prezentaciju "04 - Provodnici.pdf").

Izbor primesa B, P i As određen je i činjenicom da one difunduju u Si preko 1000 puta brže nego u SiO2, koji se zato ponaša kao efikasna površinska maska u tim procesima!

Tehnološki parametri procesa difuzije (npr. temparatura i trajanje izlaganja) se proračunavaju na osnovu zahtevanih širina emiterske i bazne oblasti.

Osim kao MOS strukture, kondenzatori se u bipolarnoj tehnologiji izrađuju i u vidu inverzno polarisanih p-n spojeva.

Kod n-p-n tranzistora otpornici se izrađuju kao p oblasti (istovremeno sa izradom baze tranzistora, pa se zato nazivaju "bazno difuzioni") ili kao n+ oblasti (emitersko difuzioni), u zavisnosti od željene otpornosti.

Izgled Si vejfera nakon tretiranja planarnim postupcima i pre sečenja na "kockice" (čipove).

Po završetku planarnih postupaka, Si pločica se seče na čipove ili "kockice" (eng. wafer dicing), koji se potom pričvršćuju na nosače od keramike.

U narednom koraku se ostvaruju kontakti između provodnih veza na čipu (Al) i tankih Al ili Au žica. U slučaju žica od aluminijuma, ovo vezivanje se izvodi ultrazvučnim zavarivanjem, dok se u slučaju zlatnih žica primenjuje termokompresija.

Na kraju se Al ili Au žice povezuju sa izvodima (pinovima) keramičkog nosača i cela struktura stavlja u kućište.

Kućišta čipova mogu da budu sa nožicama ili za površinsko montiranje. Čip sa nožicama se na štampanu ploču montira tako što se nožice čipa provlače kroz rupe na ploči i leme sa suprotne strane ploče (eng. through-hole technology). Kod čipa za površinsko montiranje (eng. Surface-Mount Device, SMD) izvodi su takvog oblika da omogućavaju direktno lemljenje ili lepljenje na površinu štampane ploče.

Čipovi sa nožicama za through-hole montiranje

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 nanometarskom tačnošću, 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 snopova primesnih jona (< 300 keV) omogućavaju precizno prodiranje primesa do dubina od svega desetak ili par desetina nanometara.

SMD čipovi za površinsko montiranje

Prikaz šeme i poprečnog preseka NMOS invertora.

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

Prikaz šeme i poprečnog preseka 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 naponi i struje smanjuju brzinu pražnjenja parazitivnih kapacitivnosti, a 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 (tzv. samoporavnavajući gejt), zbog čega nema preklapanja gejta sa n+-oblastima sorsova i drejnova, što umanjuje parazitne kapacitivnosti i povećava brzinu rada ovih kola.

Naziv MOS je ostao u upotrebi, iako se od 1980-ih gejt ovih tranzistora izrađuje od polikristalnog silicijuma, za koji se koristi naziv poli-Si, ili samo poli. Međupovrš poli-Si/SiO2 ima relativno mali broj defekata u poređenju sa kontaktnim površima između metala i izolatora.

Poli se nanosi postupkom hemijske depozicije iz parne faze pri niskom pritisku (LPCVD) i najčešće je visoko dopiran (n+ tipa).

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 (slika a). 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 (slika b). Oblast gejta ponekad ne bi dosezala oblasti sorsa i drejna, što je rezultovalo nefunkcionalnim tranzistorom.

Kod tehnologije nazvane SOI (eng. Silicon On Insulator) koristi se struktura silicijum-izolator-silicijum. Komponente kola se izrađuju u gornjem sloju silicijuma. SOI konstrukcijom smanjuju se parazitne kapacitivnosti prema Si-podlozi, jer se između aktivnog gornjeg dela kola i podloge nalazi izolatorski sloj. Kao izolator se najčešće koristi safir (SOS struktura, eng. Silicon On Saphire) ili silicijum dioksid (SIMOX struktura, eng. Separation by IMplantation of OXygen). U slučaju SIMOX strukture, pre difuzuje ili jonske implantacije za n- ili p-oblasti u integrisanom kolu, na izvesnu dubinu unutar Si-podloge se implantiraju joni kiseonika (O+), gde potom dolazi do formiranja sloja SiO2 (tzv. ukopani oksid ili BOx, eng. Burried Oxide). Posle toga pločica se odgreva na visokoj temperaturi dok se ne otklone defekti u Si-sloju iznad oksida. Osim implantacijom, ukopan izolatoski sloj može da se formira i drugim metodama, kao što su: • vezivanje vejfera (eng. wafer bonding: na površini Si-podloge se formira sloj

izolatora, na njega se onda sa gornje strane vezuje druga Si-podloga, koja se potom uklanja, tako da njeni ostaci iznad izolatorskog sloja čine površinski Si-sloj) i

• metoda klice (eng. seed method: na površini Si-podloge se formira sloj oksida na kom se litografijom načine mali otvori, nakon čega sledi epitaksijalni rast Si-sloja iznad oksida, pri čemu kao klica za gornji homoepi sloj služi Si-podloga kroz otvore na oksidu).

Tipična debljina ukopanog izolatorskog sloja je stotinak nm, a gornjeg Si-sloja desetak do par desetina nm. Nakon što se formira ukopan sloj izolatora, unutar gornjeg Si-sloja mogu da se obrazuju n- ili p-oblasti, kako bi se dobili SOI tranzistori. Naprave načinjene u SOI tehnologiji imaju veću brzinu rada i otpornije su na dejstvo jonizujućeg zračenja, a mogu i da se koriste na znatno višim temperaturama u poređenju sa silicijumskim napravama načinjenim klasičnim tehnologijama.

Uporedni prikaz klasičnog MOS tranzistora (levo) i SOI tranzistora (desno) sa naponom polarizacije dovedenim na gejt i strujom od drejna ka sorsu

+ +

G G

D S S D

Ukopan izolatorski sloj

Struja curenja prema podlozi

Si-podloga Si-podloga Površinski Si-sloj