logistica productiei de placute de siliciu pentru circuite integrate_adrian vasilescu

7/25/2019 Logistica Productiei de Placute de Siliciu Pentru Circuite Integrate_Adrian Vasilescu

1/47

LOGISTICA PRODUCIEI DE PLCUE DE SILICIU PENTRU

CIRCUITE INTEGRATE

I. Procedee tehnologice: etape i filierePentru fabricarea unui circuit integrat tehnologia microelectronic pune n aplicare un

numar important de etape tehnologice elementare. Etapele pe care le vom studia n acest

curs fac posibil evoluia materiei din starea sa natural dezordonat (nisip) ctre o structur

de mare complexitate i ordonat pn la limita posibilului. Principalele etape ce vor fi

abordate n cele ce urmeaz sunt!

" purificarea siliciului#

" fabricarea cristalului de siliciu#

" fabricarea plachetelor de siliciu#

$igura %! Profesiile legate de semiconductori prezentate pornind de la o sinoptic simplificat a unui ciclu de

fabricaie.&ehnologia microelectronic este plasat n centrul unui mare numr de activiti diverse.

" epitaxia#

" procedeele de dopare! difuzie i implantare de dopant#

1


2/47

" oxidarea! aceast etap reprezint o specificitate a materialului 'iliciu#

" depunerile! depunerea de materiale semiconductoare#

depunerea de materiale izolante#

depunerea de materiale conductoare#

" gravarea ! gravarea chimic (umed)#

gravarea uscat#" fotolitogravura.

om numi *filiera tehnologic* un ansamblu de etape ai caror parametri i a cror

succesiune au fost stabilite de un fabricant i pe care acesta le va aplica pentru a fabrica

componente de mai multe tipuri. +cest demers este impus de complexitatea mare a unui

procedeu de fabricaie complet (care poate s conin peste ,-- de etape elementare).

Ciclul co!let "e fa#rica$ie poate fi schematizat dup cum se arat n figura .

Pornind de la materia prim (siliciu pur) se fabric un lingou# iar apoi plachete care sunt

supuse unui numr mare de etape tehnologice elementare. +ceste etape se aplic uneori

repetat# fluxul tehnologic formnd cicluri (bucle). 'pre exemplu etapa de fotolitografie# care

const n a transfera un motiv distinct de pe o masc pe plachet# poate interveni de un

numr mare de ori n cursul fabricaiei unui anumit circuit integrat. /n tehnologiile recente pot

interveni pn la %0 fotolitografii pe parcursul fabricrii unui circuit.

$igura ! 1iclul de fabricaie simplificat al unui circuit integrat.

2


3/47

1nd ciclul de fabricaie (constnd n parcurgerea unui numr de etape# uneori n mod

repetat) este ncheiat# plachetele sunt testate i apoi decupate. 2ecuparea# realizat dup

direcia axelor cristalografice# permite obinerea cipurilor (structuri semiconductoare avnd

forma de mici dreptunghiuri). 2e notat c# prin controlul proceselor i ameliorarea

randamentelor de fabricaie# cipurile au evoluat de la dimensiunea de % mm

n %34- la civacmn %330.

1ipurile sunt apoi ncapsulate (n capsule normalizate de circuit integrat)# care vor fi la

rndul lor montate pe circuite imprimate.

/n unele cazuri se monteaz mai multe cipuri n aceeai capsul i se interconecteaz

prin trasee interne. 'e limiteaz astfel numrul interconexiunilor externe. +cestea sunt numite

circuite hibride i pot avea mai multe sute de pini pentru conexiuni spre exterior. 1ircuitele

sunt apoi montate direct pe plci imprimate sau n conectori speciali (socluri).

II. Purificarea siliciului

II.1. Sursele de siliciu'iliciul exist n cantitate mare la suprafaa globului terestru. Este al doilea material ca

rspndire n scoara terestr!

5(,67)# 'i (87)# +l (87).

&emperatura sa de topire este de %,%091# adic destul de ridicat# iar afinitatea sachimic este puternic la temperaturi mari. 'ursele naturale de 'i sunt n principal silicaii

(nisip# etc...)# dar i zirconul# :adul# mica# ;uartzul# deci diverse materiale continand n esen

'i5 (silice). 'iliciul exist esenialmente sub form oxidat i necesit pe de o parte s fie

redus# iar pe de alt parte s fie purificat pn la stadiul numit *de calitate electronic* sau

E


4/47

cvasiperfect. =oiunea de dopa: ine cont de faptul c se poate controla concentraia atomilor

dopani la nivelul de %-%,cm>. 1hiar dac acest numr poate s par mare# el este de fapt

extrem de mic n raport cu numrul de atomi pe unitatea de volum din reeaua cristalin. /n

cazul siliciului# cristalul conine 0.%-atomi pe cm>. +ceasta nseamn c puritatea chimic

cerut trebuie s fie mai bun de %-3# adic de o parte la miliard (sau -#--% ppm).

2emersul va consta deci n a obine# ntro prim etap# siliciu de calitate numit*metalurgic* sau %GS (%etallurgic Grade Silicon)# iar apoi n a purifica materialul pn la

stadiul de puritate *electronic* sau EGS(Electronic Grade Silicon).

II.3. Reducerea silicei/ntro prim etap se efectueaz electroliza silicei topite ntrun cuptor cu arc electric.

'e folosete cuptorul cu arc pentru a putea atinge temperatura nalt de topire a silicei. 'i5

este amestecat cu carbon (crbune).Electrodul cuptorului cu arc este din grafit i se consum n timpul procesului (figura >).

?ilanul global al reaciei de reducere este urmtorul (n realitate rezultatul se obine n urma

unui numr mare de reacii chimice intermediare)!

'i1(lichid) @ 'i5(lichid) A 'i (lichid) @ 'i5 (gaz) @ 15 (gaz)

$igura >! Electroliza silicei permind obinerea siliciului topit de calitate metalurgic

4
http://www.microelectronique.univ-rennes1.fr/ro/ch2c.htm#fig%23fighttp://www.microelectronique.univ-rennes1.fr/ro/ch2c.htm#fig%23fig


5/47

2up aceast operaie siliciul obinut are puritatea de 387. Puritatea trebuie deci

mrit n continuare cu multe ordine de mrime# pn la a obine un material utilizabil n

microelectronic.

II.4. Faricarea plachetelor$abricarea plachetelor pornind de la siliciul purificat necesit parcurgerea unui numr

mare de etape. /n primul rnd se cere realizat un monocristal# n form de lingou# care va fi

decupat apoi n discuri subiri ce vor reprezenta plachetele.

a) polisiliciu ct mai pur posibil:

'iliciul purificat este folosit pentru a forma ar:ele cu care se ncarc reactorul de

cretere a monocristalului. Problema o constituie puritatea chimic a materialului care# n

ciuda valorii sale ridicate# este nc slab n raport cu gradul de dopare uzual.

+cest cristal de siliciu comport 0.%-atomi pe cm>. Ba o puritate de -#333333 (dificilde atins) dopa:ul neintenionat echivalent poate fi de 0.%-%6cm>.

b) pregtirea arjei ce va fi topit i transformat n lingou:

/n aceast ar: se pot introduce elemente dopante# dac se dorete obinerea de

plachete (substraturi) dopate. 'e adaug n acest caz dopant n proporie calculat n raport

cu ar:a.

c) tragerea i creterea cristalului:

Car:a# introdus ntrun creuzet din grafit# este topit. Pornind de la un germene decretere# se efectueaz tragerea progresiv a lingoului# asigurnd condiii de proces foarte

precise (temperatura creuzetului cu ar:a topit# a incintei# gradientul de temperatur#

transferul de cldur# viteza de tragere a germenului# etc...). /n funcie de viteza de tragere se

obin lingouri de diverse diametre.

%36,! 0 mm

%363! 0- mm

%34,! 40 mm

%348! %-- mm

%38! %0 mm

%380! %0- mm

%33-! -- mm

%338! >-- mm

5


6/47

$igura ,! Evoluia dimensiunilor substraturilor (plachetelor) din siliciu# de la nceputurile epocii circuitelor

integrate

$igura 0 ! &ragerea unui lingou prin tehnica 1zochralsDi. 2iametrul lingoului este determinat de

parametri fizici n timpul tragerii.

5 alt tehnic poate fi folosit pentru realizarea lingourilor de mari dimensiuni. Ea

pornete de la un lingou de siliciu policristalin obinut n reactorul de reducere a

triclorosilanului. 1reterea cristalului se obine pornind de la un germene fixat la extremitatea

lingoului# prin deplasarea unei zone topite (figura 6). +ceast zon este nclzit pn la

limita fuziunii siliciului de ctre o bobin parcurs de curent de nalta frecven# care induce n

lingou cureni turbionari ($oucault).

6


7/47

$igura 6! 1ristalizarea lingoului i purificarea prin metoda fuziunii zonale.

+ceast metod este folosit totodat i pentru purificarea lingoului se exploateaz n

fapt fenomenul de difuzie a impuritilor ntrun solid# la temperatur nalt. /n acest caz se

pot monta pn la trei bobine parcurse de cureni de F$ n :urul lingoului. Este un mi:loc de

obinere a lingourilor cu dopa: rezidual slab# necesare n special la fabricarea de componenteelectronice de putere (realizarea de zone cvasiintrinseci# care permit creterea capabilitii

n tensiune).

/n fine# o a treia tehnic poate fi folosit pentru tragerea de lingouri. /n cazul

componentelor semiconductoare FFF lingoul se poate realiza ntrun bac paralelipipedic.

1ristalizarea se efectueaz progresiv# pornind de la una din extremiti aceasta este metoda

numit *?ridgman*.

$igura 4! &ragerea unui lingou prin metoda ?rigman.

d) tierea capetelor lingoului:

5peraia const n eliminarea extremitilor lingoului# care sunt fie imperfect

cristalizate# fie bogate n impuriti (n special dac sa folosit tehnica fuziunii zonale).

e) controlul rezistivitii la etremitile lingoului:

2atorit variaiei concentraiei de impuriti n timpul tragerii# rezistivitatea final

variaz dea lungul lingoului. 'e impune o verificare a acestui parametru n raport cu

7


8/47

specificaiile tehnologice (gama de variaie). &ehnica de msurare folosit este de tipul *cu

patru vrfuri*.

f) determinarea reperelor cristalografice ale lingoului printr!o metod de difracie a

razelor " i marcarea lingoului.

Este necesar s se cunoasc orientrile cristalografice# pentru a putea decupa

materialul dea lungul axelor cristalografice# la sfritul procesului de fabricaie. 2upreperarea planurilor cristalografice se creeaz o teitur care va servi ca referin (va indica

axa %-- spre exemplu).

g) polizajul cilindric:

/n cursul tragerii diametrul lingoului variaz uor# suprafaa fiind ondulat. Pentru a

obine plachete de acelai diametru este necesar o polizare cilindric.

#) polizarea unei teituri de referin cristalografic i geometric:

+cest reper va folosi ca referin n cursul procedeului de fabricaie (orientarea zonelor

de conducie n raport cu axele cristalului# reperarea motivelor n cursul fotolitografiei#

decuparea cipurilor dup axele cristalografice). 2e altfel se vor realiza suplimentar i alterepere# n funcie de tipul de dopa: al substratului i de orientarea sa cristalografic. 2e notat

c la plachetele de -- mm nu subzist dect un reper cristalografic n form de cresttur

natura substratului este indicat prin inscriptionare (realizat cu laser).

8


9/47

$igura 8! &esituri de identificare a plachetelor. 'e pot distinge usor tipurile de dopa: n si p si orientarile

cristalografice.

i) decuparea plac#etelor:2ecuparea se face cu a:utorul unui fierstru diamantat avnd grosimea de

aproximativ ,-- Gm.

fierstru! aproximativ ,-- Gm grosime

plachet! aproximativ ,-- Gm ... 6-- Gm brut# dup tiere

Bund n considerare i eliminarea capetelor de lingou i polizarea# se elimin n total

0-7 6-7 din lingou. /n practic# plachetele cu diametre superioare la %0- mm au cel puin

0-- Gm grosime# pentru a reduce fragilitatea mecanic n cursul etapelor tehnologice.

+ceast grosime este redus nainte de decuparea cipurilor la 0- >-- Gm (etapa de

subiere)# pentru a facilita schimburile termice (i electrice) cu suportul cipului.

j) tratament termic:

5peraia de tiere creeaz tensiuni mecanice n cristal. 'e cere relaxarea cristalului

printro cretere lent a temperaturii pn la 6--...4--91 (recoacere). Ba aceast temperaturatomii au suficient energie proprie pentru a se reaeza n siturile cristaline.

+cest tratament termic prezint totodat avanta:ul de a diminua efectul atomilor de

oxigen (de tip donor) i de a stabiliza rezistivitatea.

$) polizarea marginilor %debavurarea):

9


10/47

2up tiere# pe marginile plachetelor rmn bavuri ce se cer eliminate. 2e altfel se

realizeaz n acelai timp i o rotun:ire a muchiilor# pentru a uura manipularea plachetelor n

cursul procesului de fabricaie. Prin aceasta se evit degradarea dispozitivelor de prindere i

se suprim amorsele de fisuri.

l) trierea plac#etelor n funcie de grosime:

2up decupare grosimile plachetelor pot fi sensibil diferite. Pentru reducerea timpuluide polizare plachetele se triaz n game de grosime ce difer prin %-- Gm# spre exemplu.

m) acoperirea plac#etelor cu o suspensie de alumin i polizarea:

Pentru a ameliora starea suprafeelor# plachetele sunt polizate cu a:utorul unei mixturi

coninnd granule de alumin de dimensiuni micronice.

n) curirea:

+ceasta etap const n a elimina produsele abrazive i substanele contaminante#

prin spalare cu solveni i ap deionizat.

o) atacul c#imic al plac#etelor:

/n cursul diverselor etape precedente se formeaz la suprafaa plachetelor un strat de

oxid nativ coninnd impuriti. +cestea sunt sau metale i pot fi eliminate cu soluii acide# sau

substane organice ce pot fi eliminate folosind soluii bazice!

soluii acide! H=5># 1H>155H#

soluii bazice! I5H. =u se folosete sod (=a5H) pentru ca natriul este un poluant

violent al oxizilor# n particular pentru oxidul de gril al tranzistorilor J5'.

/n final oxidul nativ este atacat cu o soluie de acid fluorhidric (H$). 'e obine astfel o

suprafa chimic neutr# naintea polizrii *oglind*.

p) deteriorarea feei inferioare:

Partea util a plachetei (n care se vor creea componentele electronice) se gsete

foarte aproape de suprafaa superioar. 'e dorete realizarea unei caliti maxime a

materialului n acest zon# att sub aspectul gradului de puritate (atomi strini) ct i al

defectelor cristalografice (macle# dislocri# etc...). /n acest scop se creeaz intenionat defecte

pe faa inferioar# prin sabla: sau bombardament laser# ceea ce produce o cretere arugozitii i genereaz defecte locale. +plicnd ulterior un tratament termic# impuritile de pe

faa activ a plachetei vor migra prin substrat spre faa inferioar i vor fi captate de defectele

create aici# acestea oferind stri energetice favorabile fixrii atomilor.

10


11/47


12/47

+ceste ultime operaii sunt!

demontarea plachetelor de pe suporturile de polizare#

curirea final#

trierea final n functie de grosimi.

v) testarea rezistivitii plac#etelor( triajul final n funcie de rezistivitate:

$ormarea loturilor ce urmeaz s se livreze clienilor se face printrun tria: n funcie derezistivitate.

) reperarea ! marcarea:

'e marchaz lotul# lingoul# data cu a:utorul unui fascicul laser. +ceast reperare face

posibil urmrirea plachetei dea lungul ntregii linii de fabricaie.

) curarea final( n camera alb:

Pentru a demara ansamblul etapelor ce formeaz procedeul de fabricaie a circuitelor

integrate# plachetele trebuie s fie perfect curate (fr grsime# fr particule de praf# etc...).

5 curare final este necesar.

*) inspecia vizual:

5mul este la ora actual cel mai bun inspector. El poate detecta vizual i n scurt timp

variaiile de culoare# zgrieturile# particulele de praf cu dimensiuni mai mici de un micron. Kn

sistem automat de control cu baleia: optic al ntregii suprafee a plachetei nu ar fi nc

suficient de performant. ' considerm spre exemplu o suprafa de controlat avnd

dimensiunile de %- cm x %- cm. 'uprafaa ar trebui baleiat punct cu punct# punctul de

msur fiind de -#-0 Gm x -#-0 Gm. Kn astfel de punct necesit cel puin % Gs pentru a fi

analizat. /n acest caz timpul total de control pentru suprafaa considerat ar fi!

Este un timp enorm i deci nerealist. 2e fapt ochiul uman este mult mai performant

pentru ca trateaz informaia n mod paralel# graie milioanelor de celule de pe retinL

12


13/47

z) testul de planeitate:

Planeitatea este foarte important pentru litografie. Exist n prezent maini pentru

testarea planeitii bazate pe msuri optice (devierea unui fascicul laser).

2up parcurgerea ansamblului acestor etape placheta este pregatit pentru a suferi

etapele de fabricaie a circuitelor integrate (sau a componentelor electronice discrete).

III. !pita"ia

III.1. #efini$ie:Epitaxia este o etap tehnologic ce const n a crete un cristal peste alt cristal.

+ceast tehnic va utiliza deci un substrat pe post de germene cristalin i va face s creasc

un nou strat pe monocristalul de baz# prin aport de atomi din exterior. =oul strat obinut astfel

poate fi dopat sau nedopat.

om vorbi despre!

hooe!ita&ie# dac materialele sunt identice (exemplu! creterea prin epitaxie a

unui strat de siliciu n peste un strat de siliciu n@# implicat n :onctiunea colector baz a unui

tranzistor bipolar# permind creterea capabilitii n tensiune figura %%)

heteroe!ita&ie# dac materialele sunt diferite.

/n acest ultim caz creterea nu va fi posibil dect dac exist compatibilitate ntre

reelele cristaline ale celor dou materiale (aceeai geometrie a reelei i distane ntre atomi

ce difer cu cel mult %... 7).

$igura %%! exemplu de epitaxie n pe un substrat de tip n@ se va spune ca substratul a fost epitaxiat.

III.2. %ecanisme fi&ice de a&:&rebuie studiate posibilitile de fixare n reeaua cristalin a atomilor singulari ce a:ung

n proximitatea suprafeei. +tomii trebuie s se poat deplasa la nivelul suprafeei

13


14/47

cristalului# pentru a gsi un sit cristalin liber. Pentru aceasta trebuie s li se transfere energie.

/n funcie de punctul n care atomii ating suprafaa# pot apare diferite situaii nainte de

formarea legturilor chimice cu cristalul de baz. &rei mecanisme sunt preponderente!

un atom a:unge pe suprafa# dar o prsete imediat# legtura posibil n punctul

respectiv fiind prea slab pentru al reine (cazul +)#

un atom cade ntro *gaura* a reelei i stabilete imediat legturi suficient deputernice pentru a rmne definitiv fixat n reea (cazul ?)#

un atom se aga de o *treapt* a reelei i# ntro medie a cazurilor# se fixeaz n

reea (cazul 1).

$igura %! Jecanismele elementare ale creterii epitaxiale.

+tomii care a:ung n *guri* sau *trepte* ale reelei se fixeaz n reea.

+naliza acestor mecanisme (prezentate aici ntro manier simplificat) arat c# n

primul rnd# se vor umple *gurile* reelei i ca procesul de cretere a cristalului se va face

strat cu strat. +ceasta se ntmpl cu condiia ca aportul de atomi din exterior s fie binedozat i c aceti atomi s aib energie suficient pentru a se deplasa la suprafaa cristalului#

pentru a a:unge n puncte n care se pot *aga*. /ndeplinirea acestor condiii va depinde de

metoda utilizat.

III.3. %etodele practice:Exist n principal trei tipuri de metode practice!

epitaxia prin :et molecular J?E (Jolecular ?eam EpitaxM)# epitaxia n faz lichid BPE (Bi;uid Phase EpitaxM)#

epitaxia n faz de vapori PE (apor Phase EpitaxM).

Exist utila:e specifice pentru fiecare din aceste tehnici.

a) +pitaia prin jet molecular %,-+)

14
http://www.microelectronique.univ-rennes1.fr/ro/ch4c.htm#ejm%23ejmhttp://www.microelectronique.univ-rennes1.fr/ro/ch4c.htm#ejm%23ejmhttp://www.microelectronique.univ-rennes1.fr/ro/ch4c.htm#epl%23eplhttp://www.microelectronique.univ-rennes1.fr/ro/ch4c.htm#epl%23eplhttp://www.microelectronique.univ-rennes1.fr/ro/ch4c.htm#ejm%23ejmhttp://www.microelectronique.univ-rennes1.fr/ro/ch4c.htm#ejm%23ejmhttp://www.microelectronique.univ-rennes1.fr/ro/ch4c.htm#epv%23epvhttp://www.microelectronique.univ-rennes1.fr/ro/ch4c.htm#ejm%23ejmhttp://www.microelectronique.univ-rennes1.fr/ro/ch4c.htm#ejm%23ejmhttp://www.microelectronique.univ-rennes1.fr/ro/ch4c.htm#epl%23eplhttp://www.microelectronique.univ-rennes1.fr/ro/ch4c.htm#ejm%23ejmhttp://www.microelectronique.univ-rennes1.fr/ro/ch4c.htm#epv%23epv


15/47

+ceast tehnic const n a proiecta molecule la suprafaa substratului. Procesul are

loc n vid naintat# pentru a preveni orice ciocnire sau contaminare pe parcurs. 'ursele de

vapori pot fi de natur sau cu dopa:e diferite. Pentru fiecare element evaporat trebuie

adaptat puterea sursei de caldur a celulei# dar i a portsubstratului. Prin regla:ul celulelor

de vaporizare se creeaz un :et de molecule n direcia substratului se pot realiza astfel# strat

cu strat# structuri foarte complexe cum ar fi superreele# diode laser# tranzistori HEJ&. 'eobine astfel o foarte mare precizie a creterii epitaxiale# putnduse realiza :onciuni foarte

abrupte# dar procesul este foarte lent i nu poate fi aplicat dect unui singur substrat de

fiecare dat. iteza de cretere este de ordinul a % nmNminut. &ehnica aceasta este foarte

costisitoare i nu se aplic dect pentru realizarea de dispozitive cu valoare adaugat mare.

$igura %>! Fncinta de epitaxie prin :et molecular O J?E

b) +pitaia n faza lic#ida %P+)

+ceast tehnic const n a face s creasc cristalul prin punerea n contact a

suprafeei cu o surs lichid de atomi. 'e cer controlate foarte bine schimburile de cldur n

timpul procesului# pentru a evita lichefierea cristalului de baz. Jetoda prezint avanta:ul de a

fi foarte rapid# viteza de cretere putnd a:unge la ordinul unui micron pe minut dar#

bineineles# nu are precizia metodei J?E.

15


16/47

$igura %,! 2ispozitiv cu bi multiple pentru epitaxie n faz lichid. ?ile pot conine material de baz sau

dopani diferii# pentru a realiza heteroepitaxie (spre exemplu pentru realizarea unui hetereotranzistor bipolar).

c) +pitaia n faza de vapori %/P+)

+cest procedeu const n a crete cristalul prin aport de atomi coninui ntrun gaz. /n

reactor gazul se disociaz# furniznd atomi (de siliciu spre exemplu)# care se depun pe

suprafaa plachetelor. +cestea din urm sunt nclzite# pentru a asigura condiii bune de

cretere. om vedea n continuare c# n funcie de temperatur# reaciile ce se produc pot fi

foarte diferite# putnd conduce la efecte negative n unele cazuri. &otodat se cere controlat

echilibrul chimic prin in:ecia de gaz rezultat din descompunerea sursei de atomi.

$igura %0! ?anc pentru epitaxie in faza de vapori (PE).

I'. #ifu&ia

I'.1. Fenomenul difu&iei:2ifuzia este un fenomen foarte des ntlnit n natur. El corespunde tendinei de

dispersie (mprtiere) a substanelor# particulelor# atomilor sau moleculelor# sub aciunea

unei energii de excitaie# furnizat sub form de cldur. +ceast dispersie va fi mai mult sau

16


17/47

mai puin important# n funcie de caracteristicile mediului n care se afl substanele

respective.

Ba temperatura ambiant fenomenul de difuzie este foarte accentuat n mediu gazos#

mai puin accentuat n mediu lichid i practic inexistent n mediu solid. Pentru a obine o

difuzie sensibil n medii solide# respectiv n cristale# va trebui ca materialul sa fie nclzit la

temperaturi apropiate de %---91./n cele ce urmeaz ne vom ocupa cu prioritate de mecanismele difuziei n medii solide#

fr a uita ns de difuzia n lichide i gaze.

Pentru a nelege mai bine aspectele macroscopice ale difuziei# va trebui s ne formm

o imagine asupra fenomenelor i mecanismelor ce au loc la scar atomic.

I'.2. Procedee tehnologice pentru reali&area difu&iei

Procedeele pentru realizarea difuziei depind de natura surselor de dopant. Exist treimari tipuri de surse care permit furnizarea elementelor dopante ce urmeaz s penetreze n

substrat! surse gazoase# lichide sau solide.

$igura %6! ealizarea difuziei intrun cuptor# pornind de la surse gazoase.


18/47

$igura %4! 2ifuzia folosind surse lichide.

1hiar dac a priori aceste gaze sunt uor de obinut# ele sunt foarte periculoase#

concentraia letal pentru om fiind de cteva ppm (pri pe milion). 2in acest motiv se prefer

folosirea surselor lichide de dopant# cum ar fi P51l>sau ??r># substane care sunt n formalichid la temperatura ambiant# dar care se evapor uor pentru a fi introduse n cuptorul de

difuzie (figura %4).

Pot fi folosite i surse solide. +cestea sunt materiale de tipul sticlei# coninnd

substane dopante ca nitrura de bor sau sticla dopat cu fosfor. +ceste surse se prezint sub

form de plachete (discuri) i sunt introduse n cuptor printre plachetele de siliciu ce urmeaz

a fi dopate (figura %8). 'ticla dopat se evapor i se depune pe plachete. 'e retrag apoi

sursele solide.

$igura %8! Procedeu de dopare pornind de la surse solide.

18


19/47

/. Implantarea ionic

'.1. Introducere:5peraia const n a acelera atomi ionizai pn la energii suficient de mari pentru a

putea ptrunde n stratul superficial al plachetei. 5peraia este folosit cu precdere pentru

doparea semiconductorilor n timpul fabricrii dispozitivelor electronice. +tomii dopani sunt deobicei! ?# P# +s# Fn# etc...

Pentru accelerarea atomilor ionizai se folosesc energii de la > De la 0-- De. /n

funcie de natura materialului n care se face implantarea# de natura ionilor dopani i de

energia de accelerare# adncimea medie de ptrundere poate fi cuprins ntre %-- Q i % Rm.

'.2. Instala$ia de implantare ionic:Fnstalaia este n fapt un accelerator de ioni. Prile componente principale# vizibile n

figura %3# realizeaz funciile urmtoare ! generarea de ioni pornind de la o surs solid# lichid sau gazoas# ntro plasm

excitat la 0 D#

selectarea ionilor utili# prin separare n cmp magnetic (tria: n funcie de raportul

masNsarcin)#

accelerarea ionilor pn la energia de implantare dorit#

focalizarea fasciculului de ioni# printrun sistem de lentile electrostatice#

realizarea baleia:ului dupa axele x si M# pentru a implanta uniform placheta#

devierea fasciculului cu un mic unghi# pentru eliminarea ionilor neutralizai pe parcurs#

bombardarea cu ioni a suprafeei plachetei# n camera de implantare.

$igura %3! 'chema unei instalaii de implantare ionic cu energie de accelerare maxim de -- De.

19


20/47

'.3. %surarea do&ei implantate:2oza se exprim n numr de ioni incideni pe unitatea de suprafa. Jsurarea este

posibil ntruct fluxul de ioni corespunde unui curent electric. Jsurnd i integrnd n

funcie de timp valoarea curentului ce traverseaz o suprafa bine definit# pe ntreaga

durat a procesului# se obine sarcina electric total ce a traversat suprafaa. 2e aici poate

fi calculat cu precizie numrul de ioni incideni i apoi doza implantat (figura -).

$igura -! Jsurarea dozei prin integrarea curentului de ioni ce traverseaz o suprafa etalonat

'.4. Profilul concentra$iei de dopant:Fonii incideni i pierd progresiv energia# n urma ciocnirilor succesive cu atomii din

reeaua cristalin. +ceasta explic# pe de o parte# limitarea n profunzime a implantrii i# pe

de alt parte# dispersia traiectoriilor urmate de ioni. 'e definete statistic o adncime medie

de penetrare. 'tatistica ce convine suficient de bine n acest caz este cea gaussian. 'e

definesc doi parametri!adncimea medie de penetrare (range n engleza)! P#

abaterea (devierea) medie lateral (msurat perpendicular pe direcia de implantare)

'nainte "e i!lantare Du! i!lantatare

$igura %! Evoluia unui ion n interiorul cristalului.

20


21/47

/I. 0idarea

'I.1. Importan$a o"idrii siliciului:5xidarea este o etap tehnologic de mare importan n realizarea circuitelor

integrate pe siliciu.


22/47

'i solid@ 5S 'i5solid

'i solid@ H5 S 'i5solid@ H

Pentru a obine un oxid cu calitate electronic satisfctoare se prefer oxidarea

termic# fie cu oxigen# fie n prezena vaporilor de ap. /n general# oxidarea folosind oxigenul

pur d o cretere mai lent a stratului de oxid# care i confer bune caliti electronice (numr

mic de defecte electric active). 5xidarea cu vapori de ap d o cretere mai rapid# dar stratulde oxid va conine mai multe defecte electrice. +ceast metod va fi preferat pentru

realizarea straturilor groase de oxid (cteva mii de +ngstrTm)# folosite pentru izolare sau

mascare.

'tratul iniial de siliciu reacioneaz cu elementul oxidant pentru a forma 'i5 se va

consuma astfel siliciu. Fnterfaa 'iN'i5se va gsi deci *dedesubtul* suprafeei iniiale. Kn

calcul simplu arat c fraciunea din grosimea stratului ce se situeaz *dedesubtul* suprafeei

iniiale reprezint ,67 din grosimea total a stratului de oxid fraciunea situat *deasupra*

reprezint deci 0,7 (figura ).

$igura ! 5xidarea siliciului. /n timpul oxidrii se consum o parte din substrat

+ceast cretere de volum va avea consecine asupra planeitii suprafeei plachetei#

mai ales atunci cnd se realizeaz oxidri localizate. /ntradevr# creterea local de volum

va crea un relief ca cel reprezentat n figura >.

$igura >! Efectul oxidrii localizate a siliciului. 1reterea de volum creeaz un relief la suprafaa plachetei.

5peraiile de oxidare se realizeaz n general n cuptoare similare celor folosite pentru

difuzie# n care se face s circule oxigen# uscat sau umed# sau vapori de ap. (figura ,).

22


23/47

$igura ,! 5xidarea termic cu oxigen sauNi vapori de ap.

/II. 1epunerile

'II.1. Introducere:

+ceast operaie este necesar cnd trebuie realizat un strat conductor# izolant sau demascare n cadrul unui procedeu de fabricaie care nu utilizeaz direct materialul substratului.

'pre exemplu n cazul cnd se dorete obinerea unui strat de oxid de siliciu peste un strat de

baz care nu este din siliciu (acesta poate fi de exemplu un strat metalic sau un strat de

nitrur de siliciu)# singura soluie este cea de a depune oxidul. /ntradevr# n astfel de cazuri

oxidarea termic nu este posibil i trebuie efectuat o depunere. 5peraia se face ntrun

cuptor care conine toate elementele constituente ale stratului de realizat.

&ehnicile de depunere folosite pentru realizarea de straturi izolante sau de oxid vor fi

adesea foarte generale# permind realizarea i a depunerilor de alte materiale# cum ar fi

metalele sau semiconductorii.

/n producia industrial sunt utilizate mai multe tehnici de depunere!

evaporare termic#

pulverizare catodic#

tun de electroni#

depunere chimic n faz de vapori# 1..2. (1hemical apor 2eposition)#

depuneri la :oas presiune# B.P.1..2.( BoU Pressure 1hemical apor 2eposition)#

depunere asistat de plasm# P.E.1..2. (Plasma Enhanced 1hemical apor

2eposition)#

23
http://www.microelectronique.univ-rennes1.fr/ro/chap8b.htmhttp://www.microelectronique.univ-rennes1.fr/ro/chap8c.htm#cathodiquehttp://www.microelectronique.univ-rennes1.fr/ro/chap8c.htm#canonhttp://www.microelectronique.univ-rennes1.fr/ro/chap8c.htm#canonhttp://www.microelectronique.univ-rennes1.fr/ro/chap8d.htmhttp://www.microelectronique.univ-rennes1.fr/ro/chap8d.htmhttp://www.microelectronique.univ-rennes1.fr/ro/chap8f.htmhttp://www.microelectronique.univ-rennes1.fr/ro/chap8f.htmhttp://www.microelectronique.univ-rennes1.fr/ro/chap8e.htmhttp://www.microelectronique.univ-rennes1.fr/ro/chap8e.htmhttp://www.microelectronique.univ-rennes1.fr/ro/chap8b.htmhttp://www.microelectronique.univ-rennes1.fr/ro/chap8c.htm#cathodiquehttp://www.microelectronique.univ-rennes1.fr/ro/chap8c.htm#canonhttp://www.microelectronique.univ-rennes1.fr/ro/chap8c.htm#canonhttp://www.microelectronique.univ-rennes1.fr/ro/chap8d.htmhttp://www.microelectronique.univ-rennes1.fr/ro/chap8d.htmhttp://www.microelectronique.univ-rennes1.fr/ro/chap8f.htmhttp://www.microelectronique.univ-rennes1.fr/ro/chap8f.htmhttp://www.microelectronique.univ-rennes1.fr/ro/chap8e.htmhttp://www.microelectronique.univ-rennes1.fr/ro/chap8e.htm


24/47

'II.2. !(aporarea termic:&ehnica evaporrii termice este foarte simpl i constn a nclzi n vid# prin efect

Voule# pn la vaporizare# materialul ce urmeaz a fi depus. aporii vor migra n incinta i se

vor condensa pe substrat# realiznd depunerea. Car:a de material se plaseaz ntrun creuzet

(din Uolfram). $igura 0 prezint principiul acestei tehnici.

$igura 0! ?atiu pentru depunere prin evaporare termic n vid.

'II.3. #epunerea prin pul(eri&are catodic sau cu tun de electroni:5 int# realizat din materialul ce urmeaz a fi depus# este bombardat cu ioni

accelerai ntrun cmp electric. 2e pe suprafaa intei se detaeaz particule de dimensiuni

atomice# care sunt proiectate pe suprafaa substratului# unde se depun. $igura 6 prezint nform simplificat principiul acestei tehnici. Winta (conectat la catod) este bombardat cu

atomi de argon# ionizai i accelerai n cmpul electric de nalt tensiune stabilit ntre anod i

catod. +ceti ioni detaeaz din int particule care se vor depune pe suprafaa substratului.

$igura 6! Fnstalaie de pulverizare catodic.

24


25/47

&ehnica tunului de electroni const n a bombarda inta (din material refractar) cu

electroni accelerai# formnd un fascicul bine focalizat. Electronii sunt pui n libertate prin

efect termoelectric# dintrun catod nclzit. 'unt apoi accelerai i diri:ai pe traiectorii ce

vizeaz inta# prin aciunea con:ugat a unei diferene de potenial electric i a unui cmp

magnetic. Electronii de mare energie smulg particule din int i le proiecteaz pe suprafaa

substratului# realiznd depunerea. $igura 4 prezint ntro manier simplificat principiulacestei metode.

&ehnicile de pulverizare catodic i cu tun de electroni permit realizarea depunerilor de

straturi izolante# dar i de straturi metalice (aluminiu# Uolfram# titan# crom# etc...). 'unt folosite

n principal la realizarea straturilor de interconexiune n circuitele integrate.

$igura 4! Fnstalaie de depunere cu tun de electroni.

&ehnicile 1..2. sunt specifice pentru depunerea de siliciu policristalin sau de straturi

izolante. Ele se realizeaz n general n cuptoare n care se intoduc substanele reactive.

1alitatea depunerii (proprietile structurale i electrice) este influenat de presiunea din

cuptor. &ehnicile de :oas presiune (B.P.1..2.) permit depunerea de siliciu policristalin# a

crui utilizare n tehnologia microelectronic a permis creterea net a gradului de integrare

(prin tehnici de autoaliniere a grilelor tranzistorilor J5' i a emitorilor tranzistorilor bipolari#

prin realizarea de interconexiuni de dimensiuni extrem de mici# prin realizarea local de surse

de dopant# etc.). /n cazul depunerii de straturi izolante# randamentul reaciilor chimice dincuptor poate fi ameliorat prin activarea moleculelor participante ntrun cmp electromagnetic

de nalt frecven. $recvena folosit este de %>#06 JHz# valoare autorizat de administraia

telecomunicaiilor. +ceast tehnic este numit P.E.1..2.

25


26/47

'II.4. #epunerea chimic )n fa& de (apori asistat de plasm *P!+'#,:/n tehnica PE12 substanele sau elementele ce urmeaz a fi depuse sunt generate

la :oas temperatur# prin aport de energie electromagnetic (furnizat de o surs de

radiofrecven). &ehnica evit deci nclzirea la temperaturi nalte# care poate avea

consecine nedorite uneori (spre exemplu! redistribuirea dopanilor). &otui# pentru a obine o

bun calitate a straturilor depuse# este necesar o nclzire uoar a substraturilor pe care serealizeaz depunerea. (cteva sute de grade# eventual). /n fabricaia industrial se folosesc

dou tipuri de cuptoare (reactoare)# principiile lor fiind prezentate n figurile 8 i 3!

reactor cu plac portsubstrat orizontal#

reactor cu *perete cald*.

$igura 8! eactor cu plasm# cu plac portsuport orizontal

$igura 3! 'chema unui reactor cu plasma cu *perete cald*.

1u a:utorul acestor reactoare se realizeaz urmtoarele tipuri de depuneri izolante!

oxid de siliciu# 'i5#

nitrur de siliciu# 'i>=,.

26


27/47

FF.0. 2epunerea chimic n faz de vapori la :oas presiune (BP12)!

+ceast tehnic const n realizarea depunerii chimice n faz de vapori# la :oas

presiune. 2epunerea se obine ntrun cuptor cu *perei calzi*# la temperaturi de 0--...6--91.'e in:ecteaz n incinta cuptorului gazele active care vor reaciona# sintetiznd materialul ce

urmeaz a fi depus. /n exemplul prezentat n figura >- se realizeaz depunerea de siliciu

policristalin (polisiliciu) dopat cu fosfor. /ntruct stratul depus este dopat n cursul elaborrii

sale# aceast tehnic se numete dopare in!situ.

$igura >-! eactor BP12 pentru depunerea de polisiliciu dopat cu fosfor in!situ

Pentru realizarea acestui gen de depuneri parametri cei mai importani sunt presiunea#

temperatura i tipul gazului dopant utilizat. 2e aceti parametri va depinde morfologia stratului

depus# de care depind proprietile lui electrice. ezultatele unor cercetri recente

asupra acestei tehnici arat c este preferabil s se depun siliciul sub form amorf

(temperatura de depunere 00-91)# iar cristalizarea stratului astfel format s se realizeze

ulterior printrun tratament termic# fie convenional# fie rapid cu laser.

/III. 2ravura

'III.1. Pre&entare:2ou tehnici sunt folosite n mod curent !

gravura pe cale umed

27
http://www.microelectronique.univ-rennes1.fr/ro/chap9b.htmhttp://www.microelectronique.univ-rennes1.fr/ro/chap9b.htm


28/47

gravura uscat.

1ele dou tipuri de gravur intervin de un numr mare de ori pe parcursul unui

procedeu modern de fabricaie. Ele permit gravarea de manier selectiv a straturilor sau

peliculelor# pentru a crea motive (zonele active ale dispozitivelor electronice# grilele

tranzistorilor# traseele de interconexiune# etc...)

'III.2. -ra(ura umed:


29/47

2ac electrozii nu sunt polarizai# atacul este n general izotrop# adic identic dup

toate direciile. 2ac ns materialele de gravat au direcii prefereniale# cum este spre

exemplu cazul cristalelor semiconductoare# gravarea poate fi fcut preferenial dup

planurile reticulare sau dup axele cristalografice.

$igura >%! eactor de gravare cu plasm# cu plac portsuport orizontal.

Principiul procedeului reprezentat n figura > poate fi rezumat astfel! generarea n plasm a substanelor reactive capabile s atace chimic straturile de pe

suprafaa plachetelor#

transferul substanelor reactive spre suprafaa de gravat#

absorbia substanelor reactive i atacul suprafeelor#

reacii cu materialul de pe suprafa. Produii de reacie trebuie s fie volatili# pentru

a putea dega:a suprafaa.

desorbia reactivilor# difuzia n mediul gazos.

2ac toate aceste condiii sunt ndeplinite# se poate spera ntrun bun rezultat al

gravurii cu plasm. 2e notat c# pentru punerea la punct a acestei etape tehnologice#

dificultatea const n a genera produi volatili dup reacia la suprafa.

29


30/47

$igura >! 'chema de principiu a mecanismului gravurii cu plasm.

/n funcie de reactivii introdui n reactor i n funcie de natura stratului de gravat#

viteza de gravare va fi diferit. Kn bun control al gravrii se poate face speculnd diferenele

dintre vitezele de gravare pentru diverse substane.

I". 3otolitogravura

I.1. #efini$ie:Procedeul de transfer al motivelor de pe o masc (fizic sau virtual) spre plachet se

numete fotolitografie. Este vorba deci despre un procedeu fotografic care permite gravarea

de motive ntrun strat solid subire (cum ar fi nitrura# oxid# metal# etc.)# urmrind un desen

binedefinit.

I.2. Principiul fotolitografiei:

$igurile >>i >, explic principiul procedeului de fotolitografiere scopul urmrit estetransferarea unui motiv reprezentat pe o masc (de exemplu un dreptunghi care corespunde

unei zone de surs) spre stratul de suprafa al plachetei.

30
http://www.microelectronique.univ-rennes1.fr/ro/ch10b.htm#fig1%23fig1http://www.microelectronique.univ-rennes1.fr/ro/ch10b.htm#fig2%23fig2http://www.microelectronique.univ-rennes1.fr/ro/ch10b.htm#fig1%23fig1http://www.microelectronique.univ-rennes1.fr/ro/ch10b.htm#fig2%23fig2


31/47

$igura >>! Jasca pentru fotolitografiere.

$igura >,! Principiul fotolitografiei! prin insolare (expunere la lumin) se transfer spre plachet motivul definit pe

masc

I.3. Reali&area unui moti( pe plachet:/n exemplul urmtor se prezint procedeul de realizare prin implantare ionic a unei

zone cu dopa: de tip p# ntrun substrat de tip n. 'e prezint n detaliu diversele etape

elementare parcurse.

1a i n tehnica fotolitografiei# se pot utiliza dou tipuri de rin fotosensibil!

rin pozitiv#

31


32/47

rin negativ.

/n cazul folosirii unei rini pozitive motivul de pe masc se va regsi exact sub

aceeai form n stratul gravat de pe plachet.

ina este ntins pe plachet prin centrifugare. Pentru aceasta se folosete un disc

turnant (figura >0). Placheta se fixeaz pe disc prin aspirare. Prin reglarea vitezei de rotaie i

a acceleraiei se obine ntinderea uniform a rinii pe plachet.

$igura >0! 2isc turnant pentru ntinderea rinii fotosensibile.

'tratul depus este apoi uscat (se elimin produsele cele mai volatile)# apoi este expus

(insolat) prin masc. Jotivele sunt apoi puse n eviden folosind un revelator. 2up o

cltire# se aplic un tratament termic (coacere) prin care rina se durific# pentru a rezista

atacului chimic ulterior (cu acid fluorhidric# spre exemplu). Prin gravarea umed cu H$ este

atacat stratul de oxid neprote:at de rin solidificat. /n continuare rina este ndeprtat de

pe suprafa folosind un solvent puternic (aceton# spre exemplu).

FY.,. Expunerea (insolarea) i limitele ei!

Expunerea (insolarea) plachetei se poate realiza n diverse moduri!

prin contact#

prin proximitate#

prin proiecie#

$iecare din aceste procedee are avanta:e i inconveniente. 'pre exemplu# tehnica de

insolare prin contact asigur# teoretic# cea mai bun definiie a motivelor# dar conduce la

deteriorarea progresiv a mtii dup fiecare operaie de mascare datorit frecrii deplachet# cu consecine grave la scar microscopic. Proiecia conduce la o definiie optic

mai puin bun# dup cum se arat n figura >6# datorit efectului de difracie a luminii. /n

schimb permite efectuarea unei micorri a motivului pe cale optic n acest ultim caz

fabricarea mtii este mai simpl# ntruct nu pretinde realizarea unei definiii pe masc egal

cu definiia motivului ce se va realiza pe plachet.

32


33/47

$igura >6! Fntensitatea luminoas la nivelul rinii fotosensibile la insolarea (expunerea) prin contact# prin

proximitate sau prin proiecie

+parent# proiecia constituie cazul cel mai defavorabil. 2ar# exploatnd faptul c

rspunsul rinii la lumin nu este liniar (figura >4)# se poate ameliora definiia motivelor

reglnd cantitatea de fotoni transmis (intensitatea luminoas# timpul de expunere).

$igura >4! Efectul de neliniaritate a polimerizrii rinii sub influena luminii.

Procedeele fotolitografice clasice folosind lumina vizibil (aproapiat de ultraviolet) nu

permit obinerea definiiei cerute de noile tehnologii n curs de dezvoltare# limitarea fiind

cauzat n principal de fenomenul de difracie. +stfel# reducerea dimensiunilor motivelor cere

punerea la punct de noi procedee# cum ar fi cel al litografiei cu raze Y sau al litografiei cu

fascicul de electroni.

Bitografia cu fascicul de electroni este un procedeu foarte interesant# dar care are

limitri ce trebuie cunoscute. Bungimea de und asociat electronilor poate fi suficient demic# ea fiind legat n mod simplu de energia de accelerare. Pata de difracie asociat poate

scdea deci pn la cteva zeci de +ngstrTmi. Pe de alt parte trebuie avut n vedere faptul

c ntreaga suprafa a plachetei trebuie baleiat# prin pilotarea fasciculului de electroni

(figura >8).

33


34/47

$igura >8! Principiul gravrii directe rnd cu rnd prin fascicul de electroni. $asciculul este modulat prin Uehnelt

baleia:ul este realizat electronic.

". Procedee de fabricaie

.1. Pre&entare:2up ce am studiat ansamblul etapelor tehnologice elementare# capitolul de fa

prezint cteva procedee complexe tipice# cum ar fi! realizarea diodelor# a tranzistorilor

bipolari i a tranzistorilor J5'.

.2. /ecesitatea cur$eniei asolute: camera al *clean room 0 )n engle&salle lanche 0 )n france&,

Principala gri: n timpul fabricaiei este curenia. Kn singur fir de praf de dimensiuni

micronice care se depune pe o plachet poate face inutilizabil un cip coninnd cteva

milioane de tranzistori.

+stfel# ntregul proces de fabricaie se efectueaz ntro camer alb (n francez! sale

blanche# n englez! clean room)# sal a crei atmosfer are temperatura i umiditatea strict

controlate i n care numrul de particule de praf trebuie s fie ct mai mic posibil.'e cere evitat ptrunderea prafului n sala de producie# n particular prin intermediul

personalului. 2in acest motiv# toate persoanele care intr n camera alb trebuie s poarte

mbrcminte complet special conceput# realizat din materiale care nu dega: scame#

mnui# glugi# nvelitori pentru nclminte sau nclminte special# etc... Este evident c

ntreg echipamentul pe care se prelucreaz plachetele este instalat n camera alb.

34


35/47

.3. +ur$area sustraturilor i a plachetelor:5peraia de curare este indispensabil naintea fiecrei etape tehnologice principale.

Ea nsi presupune o lung succesiune de operaii elementare. +stfel# dac o plachet sau

un substrat a stat n asteptare ntre dou etape importante# trebuie efectuat o degresare i o

decapare a suprafeei pentru eliminarea impuritilor depuse i suprimarea stratului de oxid

de siliciu nativ care se formeaz inevitabil dac suprafaa plachetei nu a fost acoperit cu un

strat de protecie.

Etapele elementare ale unei operaii de curare uzuale sunt urmtoarele!

> minute ntro baie de tricloretilen cald (degresare)#

> minute ntro baie de aceton (pentru a ndeprta tricloretilena)#

> minute n alcool etilic (pentru a ndeprta acetona)#

0 minute cltire n ap deionizat# %- minute fierbere n soluia bazic '1% (> =H,5H @ 4H5 @ >H5)

(elimin impuritile organice# dar creeaz oxid nativ)#

0 minute cltire n apa deionizat#

%- minute fierbere ntro soluie acid (H1l @ 6 H5 @ H5) (elimin

impuritile metalice# dar creeaz oxid nativ)#

0 minute cltire n ap deionizat#

% minut n acid fluorhidric (elimin oxidul nativ)# 0 minute cltire n ap deionizat.

+cest ansamblu de operaii este parcurs ori de cte ori este necesar n cursul unei

proceduri complete de fabricaie.

Y.,. ealizarea unei diode!

om indica etapele principale care permit fabricarea unei diode cu :onciune pn!

35


36/47

$igura >3! ealizarea unei diode

curarea substratului#

oxidare umed groas# pentru realizarea unei mti de difuzie#

fotolitografie%# pentru realizarea deschiderii anodului#

implantare de ?or difuzierecoacere dup implantare#

oxidare termic umed#

fotolitografie# pentru deschiderile contactelor#

depunere de +luminiu#

fotolitografie># realizarea contactelor#

recoacere forminggaz#

depunere de sticl de ?or acoperire de pasivizare#

fotolitografie pentru realizarea deschiderilor pentru contacte prin stratul

de pasivizare (aceasta etap nu sa reprezentat n figura >3).

.. Procedeul de faricare a unui tran&istor ipolar:ealizarea unui tranzistor bipolar necesit un numr mai mare de etape fa de cazul

unei diode ntruct se cer realizate trei zone! de emitor# de baz i de colector# dar mai ales

din necesitatea de a obine parametri electrici cerui la nivelul microstructurii.

Principalele etape de fabricaie sunt urmtoarele !

curarea substratului

realizarea stratului =@ reprezentnd colectorul ngropat aceasta presupune!

36


37/47

oxidarea# fotolitografia# implantarea de dopant =# recoacerea dup implantare#

-gravarea oxidului

realizarea prin crestere epitaxial a zonei de baz cu dopa: slab

realizarea B515'urilor (se foloseste un strat de nitrur ca barier de difuzie)

realizarea bazei intrinseci prin implantare ionic (oxidare# fotolitografie# implantare de

bor# gravarea oxidului# recoacere dup implantare) realizarea puului de acces la colector i a emitorului# prin implantare ionic

oxidarea de izolare

realizarea deschiderilor pentru contacte# prin fotolitografie

depunerea de aluminiu#

fotolitografia aluminiului.

/n aceast enumerare nu au fost detaliate toate etapele. Enumerarea lor exhaustiv#

chiar pentru acest procedeu considerat ca nvechit# ar cere enunarea a aproape -- deetape elementare. Procedeele tehnologice mai recente ating uor ntre ,-- i 0-- de etape

elementare. 'e explic astfel de ce durata de fabricaie a unui circuit integrat actual este de

> luni# n funcie de gradul de complexitate.

.. Procedeu de faricare a tran&istorilor ipolari cu grad mare deintegrare:

Procedeul prezentat anterior nu permite realizarea de structuri submicronice. Evoluia

tehnologiilor ce folosesc autoalinierea pentru realizarea emiterului i a bazei extrinseci prin

folosirea straturilor de siliciu policristalin# a permis atingerea dimensiunii de emitor de

-#0 microni. $igura de mai :os prezinta schematic seciunea printro structur de acest fel.

$igura ,-! 'tructura bipolar integrat dublupoli (polisiliciu n i polisiliciu p)

37


38/47

'tratul de siliciu policristalin dopat p@ servete ca surs de dopant pentru baz

extrinsec. +cest strat# fotogravat si apoi oxidat# face posibil realizarea de distantori care vor

permite autoalinierea emitorului. +cesta din urm e realizat prin difuzie cu dopant provenind

din stratul de siliciu policristalin dopat n@.

.. Procedeu de faricare a tran&istorilor %5S:Exista patru tipuri principale de tranzistori J5'. Principiile constructive# simbolurile i

caracteristicile electrice de ieire i de transfer ale acestora sunt prezentate n continuare.

Este vorba despre tranzistorii =J5' cu mbogire i cu srcire# care sunt respectiv

normalblocai sau normalconductori i despre tranzistorii PJ5' cu mbogire i cu srcire

$igura ,%! eprezentarea schematic a unui tranzistor =J5' cu mbogire (sau normalblocat). &ensiunea de

prag e pozitiv.

$igura ,! eprezentarea schematic a unui tranzistor =J5' cu srcire (sau normalconductor). &ensiunea de

prag e negativ.

38


39/47

$igura ,>! eprezentarea schematic a unui tranzistor PJ5' cu mbogire (sau normalblocat). &ensiunea de

prag e negativ.

$igura ,,! eprezentarea schematic a unui tranzistor PJ5' cu srcire (sau normalconductor). &ensiunea de

prag e pozitiv.

.6. Procedeu de farica$ie al unui tran&istor %5S cu canal /:/n acest caz este vorba despre realizarea mai multor tranzistori pe un substrat comun.

om urmri pentru nceput un procedeu simplificat de realizare a tranzistorilor J5' cu canal

=# cu mbogire. +ceasta presupune realizarea ntrun substrat de tip p# care va reprezenta

zona de canal# a celor dou zone puternic dopate de tip n# reprezentnd sursa i drena.

5xidul de gril de deasupra zonei de canal va trebui s aib foarte bune caliti electrice. /n

finalul procedeului de fabricaie se vor realiza zonele de contact pentru gril# surs i drena.

/ntro a doua etap vom vedea un procedeu de fabricaie mai elaborat# i deci mai

complex# pentru realizarea de tranzistori =J5' i PJ5' n tehnologie 1J5'.

'uccesiunea principalelor etape tehnologice este urmtoarea!

curarea substratului#

oxidare groas de mascare# pentru doparea sursei i drenei#

fotolitografie pentru realizarea deschiderilor sursei i drenei#

39


40/47

dopare cu fosfor (prin difuzie sau implantare ionic)#

fotolitografie pentru realizarea deschiderii zonei de canal#

oxidare fin (realizarea oxidului de gril)#

a:ustarea tensiunii de prag# prin implantare ionic de bor#

fotolitografie pentru deschiderile contactelor de surs i dren#

depunere de aluminiu# fotolitogravarea aluminiului#

recoacere final# n forminggaz (amestec de azot i hidrogen %-7)# pentru

mbuntirea calitii contactelor.

+cest procedeu foarte simplu permite realizarea de tranzistori J5' el corespunde

primelor procedee J5' aplicate n practica industrial la nceputul anilor 4-. 'e remarc

existena diferitelor etape de mascare necesitnd alinierea mtilor. Pentru a reduce

dimensiunile tranzistorilor a fost necesar s se gseasc metode ce permit poziionarea

automat a sursei i drenei n raport cu grila. +ceste tehnologii se numesc deci *autoaliniate*.

Procedeul 1J5' prezentat n continuare ilustreaz aceast nou tehnologie.

.7. Procedeu de faricare a tran&istorilor %5S cu canal / i P )ntehnologie +%5S:/n acest caz se cer realizai simultan pe acelai substrat tranzistori J5' cu canal = i

tranzistori J5' cu canal P. Pentru a avea o vedere complet asupra posibilitilor de

fabricaie# vom considera c se realizeaz i condensatori integrai# n cursul aceluiai

procedeu tehnologic.

a trebui astfel s avem n vedere# pe de o parte# c zonele de canal ale tranzistorilor

aparinnd celor dou tipuri au dopa: diferit i# pe de alt parte# c tranzistorii trebuie s fie

izolai electric unul fa de altul# n cadrul aceluiai substrat. +ceasta necesit realizarea

40


41/47

n substratul principal a unui *cheson* de dopare pentru zona de canal a unuia din tranzistori.

/n cazul prezentat aici# substratul de baz este de tip P (aici se realizeaz tranzistorul

=J5')# iar chesonul va fi de tip = (n el se realizeaz tranzistorul PJ5'). 2oparea zonelor

de canal# care are influen important asupra tensiunilor de prag ale tranzistorilor J5'# sunt

a:ustate precis n cursul fabricaiei# prin implantare ionic (cu ? n cazul tranzistorului PJ5'#

respectiv cu +s n cazul tranzistorului =J5').Fzolarea lateral a componentelor se realizeaz prin oxizi localizai (B515'). &otui#

pentru a evita eventuale scurtcircuite sub aceste B515'uri se vor realiza subdopa:e care

s blocheze formarea de canale nedorite. Fmpuritile din oxizii termici fiind esenialmente

de sarcin pozitiv# blocarea acestor tranzistori fictivi se va obine prin realizarea de zone

puternic dopate cu bor# plasate sub interfaa B515'Nsubstrat. 'e spune c se realizeaz

astfel un *anticanal*.

Pentru a realiza tranzistori avnd lungimea canalui foarte mic procedeul folosete

autoalinierea. +ceasta devine posibil graie utilizrii siliciului policristalin pentru realizarea

grilelor.

Pentru aceste structuri de foarte mici dimensiuni traseele metalice de interconexiune i

contactele devin din ce n ce mai importante. Ba trecerile peste praguri abrupte trasele de

conexiune din aluminiu se pot fisura. +ceasta se evit rotun:ind muchiile diverselor praguri

traversate de traseele de conexiune. otun:irea muchiilor se face folosind sticla (B&5 BoU

&emperature 5xide)# suficient de vscoas la temperaturi nu prea mari (0--...6--91) pentru a

rotun:i muchiile microreliefurilor. 2up depunerea acestor sticle i dup un

tratament de recoacere aprox. la 6-- 91# se obine o bun continuitate a stratului de aluminiu

depus pe suprafaa plachetei i# deci# trasee de conexiune fiabile# dup fotolitografie.

Y.%-. &ranzistor J5' de putere!

Pentru a suporta tensiuni mari# trebuie ca distana dintre zona de canal i dren s fie

suficient de mare pentru a permite zonei de sarcin spaial s se ntind# pentru a evita

fenomenul de avalan (prin multiplicarea purttorilor de sarcin prin ionizare prin impact).Zona de sarcin spaial poate fi extins fie lateral# ca n cazul tranzistorilor 2J5'

avnd contactul de dren mult decalat# fie vertical# ca n cazul tranzistorilor J5'. /n ambele

variante# 2J5' i J5'# zonele n de mari dimensiuni sunt capabile s suporte tensiuni

considerabile. &rebuie notat ns c# dei se pun n paralel un numr mare de canale#

41


42/47

curentul dispozitivului este relativ mic n comparaie cu cel al structurilor bipolare de

putere sau al tiristorilor.

$igura ,0! eprezentarea schematic a unui tranzistor J5' de putere de tip 2J5'.

$igura ,6! eprezentarea schematic a unui tranzistor J5' de putere de tipul J5'.

"I. 4meliorarea procedeelor te#nologice

I.1. Pre&entare:1omplexitatea circuitelor integrate crescnd odat cu reducerea dimensiunilor# este

necesar a se realiza din ce n ce mai multe interconexiuni ntre componentele circuitului.

=umrul nivelelor (straturilor) de interconexiuni a crescut i el inexorabil n ultimii ani. Ctiind

c fiecare nivel de interconexiuni necesit un strat izolant i un strat conductor gravate# dup

realizarea mai multor straturi relieful suprafeei ncepe s fie att de accidentat nct devine

imposibil realizarea n continuare de trasee conductoare fr defecte. 'au pus deci la puncttehnici pentru reducerea neregularitilor. 'copul lor este de a planariza suprafaa pe care se

va realiza un nou nivel de conexiuni. 'e propun dou metode principale# una constnd n a

umple adnciturile prin depunere de material# iar cealalt n a suprim vrfurile prin gravare.

42


43/47

I.2. Planari&area straturilor:a) ,etoda '502' :

+cronimul '5< provine de la *'pin5n


44/47

+ceast tehnic# mai greu de pus n practic# conduce n general la rezultate mai bune

dect metoda '50N%338

>. 2umitru Patriche# Fon 'tanescu# Jihai


45/47

%. ?.E. 2eal and +.'. . ?.E. 2eal # * &hermal oxidation Dinetics of silicon in pMrogenic H5 and 07

H1lNH- mixture*# V. Electrochem. 'oc. vol. %0# %348

%,. +.'. #

'o Paulo# ?rXsil# %336#

%3. 5. ?onnaud# *+nalMse du gain des transistors bipolaires Xmetteur en silicium

polMcristallin*# &hXse d`Etat n98,-4# KniversitX de BMon F# %38,

45


46/47

Cuprins

I. Procedee te#nologice: etape i filiere...............................................................................................1

II. Purificarea siliciului.............................................................................................................................3FF.%. 'ursele de siliciu..........................................................................................................................3FF.. Puritatea chimic cerut.............................................................................................................3FF.>. educerea silicei.........................................................................................................................4FF.,. $abricarea plachetelor................................................................................................................5

III. +pitaia..............................................................................................................................................13FFF.%. 2efiniie!.....................................................................................................................................13FFF.. Jecanisme fizice de baz!.....................................................................................................13FFF.>. Jetodele practice!....................................................................................................................14

I/. 1ifuzia................................................................................................................................................16

F.%. $enomenul difuziei!..................................................................................................................16

F.. Procedee tehnologice pentru realizarea difuziei.................................................................17/. Implantarea ionic............................................................................................................................19

.%. Fntroducere!................................................................................................................................19.. Fnstalaia de implantare ionic!................................................................................................19.>. Jsurarea dozei implantate!...................................................................................................20.,. Profilul concentraiei de dopant!..............................................................................................20

/I. 0idarea...........................................................................................................................................21F.%. Fmportana oxidrii siliciului!...................................................................................................21F.. Principiul oxidrii......................................................................................................................21

/II. 1epunerile.......................................................................................................................................23

FF.%. Fntroducere!..............................................................................................................................23

FF.. Evaporarea termic!...............................................................................................................24FF.>. 2epunerea prin pulverizare catodic sau cu tun de electroni!........................................24FF.,. 2epunerea chimic n faz de vapori asistat de plasm (PE12)!.............................26FF.0. 2epunerea chimic n faz de vapori la :oas presiune (BP12)!................................27

/III. 2ravura...........................................................................................................................................27FFF.%. Prezentare!.............................................................................................................................27FFF.. .


47/47

I". 3otolitogravura.................................................................................................................................30FY.%. 2efiniie!.....................................................................................................................................30FY.. Principiul fotolitografiei!...........................................................................................................30FY.>. ealizarea unui motiv pe plachet!.......................................................................................31FY.,. Expunerea (insolarea) i limitele ei!......................................................................................32

". Procedee de fabricaie.....................................................................................................................34Y.%. Prezentare!.................................................................................................................................34

Y.. =ecesitatea cureniei absolute! camera alb (clean room n englez# salle blanche n francez)........................................................................................................................................34Y.>. 1urarea substraturilor i a plachetelor!..............................................................................34Y.,. ealizarea unei diode!.............................................................................................................35Y.0. Procedeul de fabricare a unui tranzistor bipolar!.................................................................36Y.6. Procedeu de fabricare a tranzistorilor bipolari cu grad mare de integrare! .....................37Y.4. Procedeu de fabricare a tranzistorilor J5'!........................................................................37Y.8. Procedeu de fabricaie al unui tranzistor J5' cu canal =! ...............................................39Y.3. Procedeu de fabricare a tranzistorilor J5' cu canal = i P n tehnologie 1J5'!........40Y.%-. &ranzistor J5' de putere!....................................................................................................41

"I. 4meliorarea procedeelor te#nologice..........................................................................................42

YF.%. Prezentare!................................................................................................................................42

YF.. Planarizarea straturilor!...........................................................................................................42+i#liografie,..........................................................................................................................................44

logistica productiei de placute de siliciu pentru circuite integrate_adrian vasilescu

Documents