Анизотропное травление

Исходные данные. 

1. Расчет  режимов термического окисления  кремния.

           Метод термического окисления  кремния позволяет получать маскирующие  пленки, равномерные по толщине  и структуре, позволяющие проводить локальную диффузию или ионную имплантацию. Термическое окисление кремния проводят в парах воды, в сухом и во влажном кислороде.

                                                          →

                                                    →

           Пленки, получаемые в атмосфере сухого кислорода, имеют более совершенную структуру, но низкую скорость роста. Пленки же, полученные в парах воды,  либо во влажном кислороде имеют менее совершенную структуру, но скорость роста при этом выше.

         Рассчитаем время окисления во влажном и сухом кислороде для толщин окислов ~ 0.1 мкм, ~1.6 мкм, при температуре окисления 1200ºС.

                                            , 

рассмотрим предельный случай, когда  , т.е. время окисления велико.

1) Константы  А, В для окисления во влажном  кислороде: А=0,05 мкм, В=0.720 мкм²/ч 

2) Константы  А, В для окисления в сухом  кислороде: А=0,04 мкм, В=0.045 мкм²/ч

 Таким образом,  видно, что скорость окисления  в сухом кислороде значительно  ниже скорости окисления во  влажном, а также чем больше  требуемая толщина окисла, тем  больше время окисления. 
 

2. Описание  процесса фотолитографии и травления окисла.

        Фотолитография является основным технологическим процессом при производстве интегральных микросхем и полупроводниковых приборов.

        Сущность фотолитографии заключается  в следующем: на поверхность пластины наносят тонкий слой светочувствительного материала – фоторезист, затем: первая сушка фр – пленкообразование (18º-20º, 90º-100º), экспонирование фоторезиста контактным способом, проявление фоторезиста, вторая сушка фоторезиста – полимеризация (18º-20º, 140º-200º), контроль рельефа рисунка в пленке фоторезиста, травление подложки, снятие пленки фоторезиста с поверхности подложки, контроль рельефа рисунка в пленке фоторезиста.

        Подготовка поверхности исходной  подложки к нанесению фоторезиста включает ряд последовательных обработок в химических растворах и растворителях с целью удалений различных загрязнений и адсорбированных газов.

       Основные параметры пленки фр: бездефектность, толщина, равномерность  толщины по всей поверхности, адгезия определяются способом нанесении на подложку слоя фр.

        Фоторезисты, по характеру протекающих  в них реакций, подразделяют  на: позитивные  - под действием  света образуются растворимые  участки за счет фотораспада,  оставшийся на поверхности слой фр в точности повторяет рисунок оригинала; негативные – под действием света образуют нерастворимые участки пленки за счет фотополимеризации, и после проявления остаются на его поверхности. К негативным относится поливинилциннамат,  циклокаучук с различными добавками; к позитивным – составы на основе новолака и светочувствительного нафтохинондиазида (растворители – спирты, кетоны, ароматические углеводороды, диоксан, ксилол и др.). Операция проявления пленки фр после экспонирования заключается в обработке подложки с пленкой в растворах с целью удаления определенных участков пленки: облученных – для позитивных и необлученных для негативных.

        Перенос изображения осуществляется  методом химического травления  локальных участков подложки  через открытые места в маске, роль которой выполняет пленка фр заданного рельефа. В процессе химической обработки происходит не только травление материала по глубине, но и подтравливание его под защитной пленкой фр (образуется клин травления).

        Для получения рельефа в пленках широко используют травитель следующего состава:

        Завершающим этапом фотолитографии  является снятие пленки фр  с поверхности подложки. Для этого используют физико-химические методы, основанные на предварительном набухании пленки фр в растворителях и кислотах и механическом удалении набухшего фр с поверхности подложки.

3. Расчет режимов диффузии.

Диффузия примеси  состоит из двух этапов:

1)   Диффузия  из бесконечного источника (загонка);

2. Диффузия из ограниченного источника (разгонка);

Расчёт режима разгонки:

Исходные данные:

- глубина залегания  p-n перехода X_p-n;

- поверхностная  концентрация примеси C_S;

- концентрация  примеси в подложке С_B; 

Из формулы

, где х – глубина залегания  p-n перехода

Находим концентрацию примеси в подложке, исходя из удельного  сопротивления пластины

;        ;       

;

;        

  ;

При условии  , находим произведение коэффициента диффузии на время разгонки.

Найдем коэффициент  диффузии

,       где 

Время разгонки

Расчёт режима загонки:

Доза легирования: 10е¹² см^-3

Зададим температуру  разгонки

Для данной температуры  найдем предельную растворимость в  кремнии, которая равна максимальной поверхностной концентрации при загонке (С_S = 10²¹см^-3).

По выбранному Т_З найдем коэффициент диффузии:

Время загонки:

Профиль распределения  легирующей примеси: 

5. Описание  процесса и режимов металлизации. Описание присоединения внешних  выводов.

       Металлизация - процесс создания металлических токопроводящих шин между электродами элементов (межсоединения) и контактных площадок. Требования к системе металлизации: система металлизации должна обеспечивать низкое сопротивление контактов, металл должен обладать хорошим сцеплением с диэлектриком, иметь высокое разрешение, должен быть металлургически совместимым со сплавами, которые применяются для присоединения внешних выводов.

       Последовательность операций: напыление  металла (наиболее распространенный - алюминий), нанесение на полученную  пленку с помощью фотолитографии  требуемого рисунка и термообработка  или вжигание для образования  низкоомных контактов к кремнию.

       Металлизация алюминием получила  широкое распространение. Пленки  Al, полученные испарением в вакууме, нанесенные на поверхность являются поликристаллическими и легко обрабатываются методами фотолитографии. После полученного рисунка алюминиевое покрытие подвергают термообработке (Т~550º несколько минут) для получения низкоомного контакта к кремнию.

              Невыпрямляющие контакты характеризуются  сопротивлением и линейностью  в рабочем диапазоне температур. Сильное легирование поверхности полупроводника один из способов уменьшения сопротивления контакта. Наиболее удобным оказывается изготовление омического контакта с использованием сплава, содержащего примеси того же типа, что и содержащиеся в полупроводнике, с которым осуществляется контакт (доноры для электрического полупроводника и акцепторы для дырочного полупроводника). Для создания контактов на n-Si применяют золото.

                При соединении материала этого контакта к полупроводнику в приконтактной области образуется тонкий рекристаллизованный слой полупроводника, значительно обогащенный соответствующей примесью. Чаще всего для омических контактов используют: свинец, олово, их сплавы и  золото.

                  Поскольку активные области в  ИМС составляют единицы кв. мкм, и сделать электрические выводы к ним методами термокомпрессии, не повреждая  p-n –переход, очень трудно, поэтому создают контактную площадку. Контактные площадки выполняют с подслоем титана из Ti-Ni, Ti-Ag, Ti –Au, или из чистого Al.               Метод термокомпрессии основан на испарении материалов при нагревании в вакууме и конденсации их паров на холодных пластинах в виде тонких пленок. Этот метод обладает рядом преимуществ: отличается простотой оборудования и процесса, высокой производительностью. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

6. Составление маршрута изготовления тензорезистора с рисунками.   

1. Двустороннее  термическое окисление, в результате, толщина окисла с планарной  стороны ~0.1 мкм, с непланарной – 1.6 – 2 мкм. 

2. Двусторонняя  фотолитография (вскрываются окна  под анизотропное травление  (не  планарная сторона),  планарная  – окна под диффузию). 

3. Формирование тензорезистора посредством диффузии (загонка примеси из твердого источника и её последующая разгонка), или ионной имплантации.

4. Фотолитография  с использованием  шаблона для  контактных окон, вскрытие окон, удаление фоторезиста. 

5. Напыление  алюминия, фотолитография с шаблоном  для металлизации, травление алюминия  и удаление фоторезиста.

6. Нанесение защитного слоя диэлектрика SiO₂ . 

7. Вскрытие окон в защитном слое SiO₂ под внешние выводы. 

9. Формирование  внешних выводов. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

7. Расчет  режима анизотропного травления

Анизотропное травление (англ. Anisotropic wet etching) – обработка полупроводникового материала (кремния) травлением. При этом травление по различным кристаллографическим направлениям происходит с различной скоростью (анизотропия – зависимость свойств материала от направления). Анизотропные травители представ¬ляют собой многокомпонентные растворы,  состоящие из окислителя кремния до гидратированного диоксида, растворителя последнего и замедлителя или ускорителя процесса травления. В составе травителей используются системы: гидразин - вода; гидразин - изопропиловый спирт - вода; этилендиамин - пирокатехин-вода; едкое кали - пропиловый спирт - вода; едкий натр - вода; едкое кали - изопропиловый спирт - вода и др. В этих системах этилендиамин, гидразин и едкое кали выполняют роль окислителя; пирокатехин, пропиловый и изопропиловый спирт - комплексные агенты. Вода служит катализатором.Процесс анизотропного травления заключается в поэтапном удалении атом¬ных слоев (слой за слоем) с поверхности кристалла, т.е. в процессе травления на поверхности кристалла образуются микроскопические ступеньки. Поэтому анизотропное травление не дает зеркальных поверхностей и полученный элемент обрабатывают в течение 30 с в полирующем растворе изотропного травителя, состоящего из смеси плавиковой, уксусной и азотной кислот, взятых в пропорции 1  
: 1,2 : 6,2. Обработка в полирующем растворе сглаживает микронеровности, остающиеся после анизотропного травления. В результате повышается также предел прочности до разрушения ЧЭ в 3-4 раза. На скорость травления значительное влияние оказывают концентрация примесей и их тип в кремнии. Поэтому при травлении р- и n-кремния в составы анизотропных травителей вводят различные присадки. Разработаны также разнообразные самотормозящиеся виды травления. Комбинируя предварительные диффузии с анизотропными и изотропными травителями, можно получать с заданной размерной точностью весьма сложные объемные микроформы ЧЭ.Скорость травления диоксида кремния во всех применяемых травителях оказывается значительно ниже скорости травления кремния. Поэтому при локальном травлении защита поверхности кремниевой пластины от травления может быть осуществлена с помощью оксидной пленки.  
 

   Расчет  режима анизотропного травления в плоскости (100). Выбрать травитель. Толщина пластины кремния  h1=     мкм., h2=    мкм.,  a=5мм.    

   В качестве травителя возьмем.   Температура травления :    ^оС. Скорость травления :V= мкм/мин. 

Глубина травления t=h1-h2= мкм.

Время травления t0=t/V=  мин

W=  мкм. 
 
 
 

8. Описание технологического процесса и параметры соединения кремния и стекла