Технологический процесс изготовления кремниевой эпитаксиальной структуры

Министерство  образования Российской Федерации

Федеральное государственное  бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Новгородский государственный  университет имени Ярослава Мудрого»

Институт электронных  и информационных систем

___________________________________________________________________

Кафедра физики твердого тела и микроэлектроники

 

 

 

 

 

 

 

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ПРОЦЕСС ИЗГОТОВЛЕНИЯ

КРЕМНИЕВОЙ  ЭПИТАКСИАЛЬНОЙ СТРУКТУРЫ

Курсовая работа по учебной дисциплине

«Технология материалов электронной техники»

по направлению 210100 –  электроника и микроэлектроника

 

 

 

 

 

 

Руководитель 

Преподаватель кафедры ФТТМ

___________ Захаров М.А

«____»_____________2013 г.

 

Студент группы 0031

___________  Кудрявцев Р.Н

«____»_____________2013 г.

 

 

 

 

 

 

 

ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ

на курсовую работу по дисциплине

Технология материалов электронной техники

Студенту гр. 0031 _Р.Н. Кудрявцев_

Разработать и описать  технологический процесс изготовления

кремниевой эпитаксиальной структуры (КНК)

p⁺ - n_ - типа.

Номинальное удельное сопротивление  эпитаксиального слоя __0,5__Ом×см, удельное сопротивление подложки __0,008__ Ом×см.

Толщина эпитаксиального  слоя  ___8___ мкм,

диаметр подложки __80__ мм, ориентация (100).

Обосновать выбор метода получения эпитаксиальной пленки кремния, тип используемого реактора, режимы процесса.

Предложить материал и  структуру пьедестала, технологическую  схему реализации этой структуры.

Выбрать метод введения легирующей примеси, вид легирующей примеси.

Представить расчет легирования  эпитаксиальной пленки, рассчитать изменение  положения границы раздела между  областями эпитаксиальной структуры  за счет диффузии.

Обосновать выбор легирующей примеси в подложке.

Описать метод очистки  водорода (при использовании водорода в качестве технологического газа).

Представить марку полученной структуры.

Технологический процесс изготовления эпитаксиальной структуры должен начинаться с механической обработки подложки.

Срок сдачи законченной  работы руководителю – 24 мая 2013 г.

 

Преподаватель…………………..М.А. Захаров

Студент…………………………..Р.Н. Кудрявцев

 

 

 

 

 

Содержание

ВВЕДЕНИЕ………………………………………………………………….	4
Механическая обработка подложки………………………………...	6
Калибровка монокристалла…………………………………………	6
Резка слитка монокристалла на пластины…………………………	6
Шлифовка пластины…………………………………………………	11
Полировка пластины………………………………………………...	12
Межоперационная и финишная очистка пластины………………...	13
Эпитаксиальное наращивание……………………………………….	15
Метод получения эпитаксиальной пленки кремния…………........	17
Тип используемого реактора. Материал пьедестала……………...	21
Режимы эпитаксиального процесса………………………………...	23
Метод введения легирующей примеси и вид легирующей примеси…………………………………………................................	26
Метод очистки водорода………………………………………........	28
Расчет легирования эпитаксиальной пленки……………………….	29
Параметры процесса эпитаксии…………………………………	29
Расчет легирования переходного слоя пленка – подложка за счет диффузии………………………………………………………………	32
Марка полученной структуры……………………………………...	37
ЗАКЛЮЧЕНИЕ……………………………………………………………...	39
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ…………………………...	40

 

 

 

 

 

 

ВВЕДЕНИЕ

Развитие полупроводниковой  техники и элементной базы микросхем требует постоянного совершенствования технологии подготовки подложки.

Подложка – неотъемлемый элемент микро- и наноэлектроники. От ее качества во многом будут зависеть надежность, долговечность и рабочие характеристики изготовленных на ее основе приборов и структур. Современный технолог должен иметь представление о технологии изготовления, основных параметрах подложек и владеть широко распространенными методами их оценки.

 Требования к параметрам полупроводниковых подложек для изготовления микросхем и приборов постоянно возрастают, что стимулирует поиск новых методов и материалов для их обработки. Важнейшими параметрами являются диаметр и толщина, которые в значительной степени взаимосвязаны. Увеличивая диаметр подложки, можно снизить себестоимость одновременно изготавливаемых изделий. Однако при увеличении диаметра должна возрастать и толщина подложки для сохранения ее механической прочности и термомеханической стойкости.

Совершенствование технологических  процессов, оборудования и материалов создают предпосылки для полупроводниковых  приборов, в том числе механической и химической обработки полупроводниковых  пластин.

В современной технологии процессы эпитаксии занимают одно из ведущих мест в производстве ИМС и большинства типов дискретных полупроводниковых приборов. Благодаря применению эпитаксиальной технологии при выпуске планарных приборов увеличился выход годных изделий.

 

 

Цель работы

Целью данной работы является разработка и описание технологического процесса изготовления кремниевой эпитаксиальной структуры (КНК). Поэтапно, начиная с  механической обработки подложки и  заканчивая эпитаксией, описать все  методы, используемые при изготовлении структуры КНК.

Задачи

1. Механическая и химическая обработка подложки, методы и их описание;
2. Выбрать метод получения эпитаксиальной пленки кремния;
3. Выбрать тип реактора для эпитаксиального наращивания и материал для пьедестала;
4. Выбрать оптимальный режим процесса;
5. Выбрать метод введения и вид легирующей примеси;
6. Описать метод очистки водорода (газа – носителя);
7. Предоставить расчет легирования эпитаксиальной пленки, расчет изменения положения границы раздела между областями эпитаксиальной структуры за счет диффузии;
8. Представить марку полученной структуры.

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Механическая обработка подложки
1. Калибровка монокристалла

Первая операция технологического процесса изготовления подложек –  калибровка монокристаллов полупроводниковых  материалов. Она необходима для придания им строго цилиндрической формы и  заданного параметра, так как  применяемое в технологии оборудование рассчитано на работу с монокристаллами  наиболее распространенных полупроводников  стандартного диаметра 60, 76, 100, 125 мм.

Калибровку монокристаллов полупроводника проводят способом наружного  круглого шлифования алмазными кругами  на металлической связке. При шлифовании периферией круга (рисунок 1, а) используют круглошлифовальные станки, а торцом круга (рисунок 1, б) – специализированные [1].

Рисунок 1 – Схема калибровки слитка (1) круглым шлифованием периферией (а) и торцом (б) шлифовального круга (2)

 

2.  Резка слитка монокристалла на пластины

Резка слитка монокристалла  на пластины – очень важный этап в подготовке подложек, поскольку  она обуславливает четыре основных параметра подложек: ориентацию поверхности, толщину, плоскопараллельность и прогиб [2]. Ориентацию поверхности отрезаемых пластин определяется рентгеновским методом после отрезания нескольких подложек от слитка. Затем положение слитка относительно пилы корректируется, пока не будет достигнута точная ориентация. Подложки с ориентацией (100) обычно отрезают точно по этой ориентации. Также существует еще два метода ориентации монокристаллических слитков: рентгеновский и оптический.

Рентгеновский способ основан  на изменении интенсивности отражения рентгеновских лучей от поверхности полупроводникового материала в зависимости от плотности упаковки атомов в данной плоскости. Чем больше эта плотность, тем интенсивнее отражение рентгеновских лучей.

В практике для ориентации слитков большее применение находит оптический метод. Он заключается в том, что если торец слитка предварительно отполировать и обработать в селективном травителе, то вследствие различной скорости травления по разным кристаллографическим направлениям на поверхности торца будут выявлены в зависимости от ориентации затравки наиболее развитые грани плоскостей (100), (110), (111).

При последующем освещении  торца слитка параллельным пучком света по характеру фигуры, образуемой отраженным лучом, и положения ее центра на экране прибора судят об ориентации слитка.

 

1 – осветитель; 2 – конденсатор; 3 – диафрагмы; 4, 10, 11, 15, 20 – зеркала; 5 – перегородка; 6 – светозащитный  корпус; 7, 8 – зубчатые пары для  юстировки фокусного расстояния  и подбора размера диафрагмы; 9 – фокусирующий объектив; 12 –  стопор; 13 – кристаллодержатель; 14 – угломерная головка; 16 – подвижная плита; 17 – матовый экран; 18 – ползун; 19 – винт; 21 – привод; 22 – отсек для размещения электрического блока

Рисунок 2 – Схема установки  ориентации слитков оптическим методом.

 

Основной задачей процесса резки является создание подложек с  высокой степенью плоскопараллельности по всей их поверхности. Резку монокристаллических слитков осуществляют алмазными кругами с наружной и внутренней режущей кромкой (рисунок 3, а, б). Однако основным методом резки монокристаллов является резка алмазным кругом с внутренней режущей кромкой (рисунок 3, б). Большая производительность и высокое качество поверхности пластин являются основными аргументами при выборе этого метода.

 

1 – шпиндель станка; 2 – алмазный диск с внешней  режущей кромкой; 3 – втулка; 4 –  пластина полупроводника; 5- барабан  для крепления алмазного диска; 6 – алмазный диск; 7 – внутренняя  режущая кромка; 8 – держатель  слитка; 9 - слиток

Рисунок 3 – Резка слитков  и пластин алмазными кругами  с внешней (а) и внутренней (б) режущими кромками

 

Диск алмазного отрезного  круга изготавливают из тонкой (50 – 120 мкм) высококачественной хромоникелевой нержавеющей стали ацетенитного класса, иногда с присадками молибдена, титана и/или ванадия. Сталь должна обладать высоким временным сопротивлением и пределом текучести, а также высоким остаточным удлинением после разрыва. На периферии диска расположены отверстия, служащие для закрепления и равномерного натягивания его на барабан. Режущая кромка создается на краю отверстия в центре диска алмазным шлифпорошком, закрепленным электрохимическим осаждением металла – связки. Для этого используют никель, кобальт, их сплавы, хром и другие материалы.

Следует отметить, что при  резке слитка частоту вращения барабана (5) нужно выбирать равной 3000 – 5000 об/мин. При частотах вращения менее 3000 об/мин  производительность падает, а при  частотах выше 5000 об/мин возрастает вибрация станка, которое вызывает биение диска, это в свою очередь  приводит к снижению чистоты обработки  поверхности пластин и резкому увеличению расхода полупроводникового материала [3].

Основным факторов, ограничивающим повышение скорости резки, является повышение температуры в зоне резки. Для этого используют охлаждающие  жидкости, качество процесса резки  сильно зависит от выбора жидкости и ее расхода. Рекомендуется использовать воду 3,5 % - ный водный раствор кальцинированной соды или жидкости НИИАЛМАЗа. Наилучшим способом подачи охлаждающей жидкости в зону резки является подача сверху вниз на режущую кромку алмазного диска, который рассекает струю пополам, тогда диск равномерно охлаждается с обеих сторон. Рекомендуемый расход жидкости 2 – 4 л/мин [3].