ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ПРОИЗВОДСТВА

МИКРОПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ

Технология полупроводниковых ИС впитала в себя весь предшествующий опыт микроэлектроники. Поэтому чтобы разбираться в технологических циклах изготовления ИС, необходимо ознакомиться с типовыми технологическими процессами, из которых эти циклы складываются.

В качестве исходной заготовки для изготовления микропреобразователей давления и ускорения используются стандартные, монокристаллические кремниевые пластины диаметром 76, 100, 120, 200 мм и толщиной 0,2...0,4 мм, обычно с кристаллографической ориентацией <100>.

Полупроводниковые резисторы. Первоначально в полупроводниковых ИС применялись только диффузионные резисторы, основу которых составлял диффузионный слой, расположенный в изолированном кармане. В настоящее время большое распространение получили также ионно-имплантированные резисторы.

Для диффузионных резисторов чаще всего используется полоска базового слоя с двумя омичес­кими контактами (рис. 20).

Рис.20. Диффузионный резистор: а – с полосковой конфигурацией; б – с зигзагообразной конфигурацией

Для такой полосковой конфигурации сопротивление ТР записывается в виде

,

где ρ_s – удельное поверхностное сопротивление слоя, (Ом/см²);

a и b – длина и ширина полоски ТР.

И длина, и ширина полоскового ТР ограничены. Длина ТР а не мо­жет превышать размер кристалла, т. е. лежит в пределах 1-5 мм. Ширина b ограничена возможностями фотолитографии, боковой диффузией, а также допустимым разбросом (10-20)%. Практически, минимальная ширина составляет 5—15 мкм. Температурный коэффи­циент сопротивления ТР, вы­полненного на основе базово­го слоя, составляет 0,15 – 0,30 %, в зависимости от значения ρ_S. Разброс сопро­тивлений относительно рас­чётного номинала составляет ± (15–20)%. При этом со­противление резисторов, рас­положенных на одном кри­сталле, изменяются в одну и ту же сторону. Поэтому отно­шение сопротивлений со­храняется с гораздо меньшим допуском (±3% и менее), а температурный коэффициент для отношения сопро­тивлений не превышает ± 0,01 %. Эта особенность ДР играет важную роль и ши­роко используется при разра­ботке ИС. Подставляя в (12) значения ρ_s = 200 Ом/см² и a/b =100, получаем типичное значение максимального сопротивления R_макс = 20 кОм. Это значение можно повысить в 2-3 раза, используя не полосковую, а зигзагообразную конфигурацию ТР.

Способ объединения ТР в мостовые схемы зависит от многих факторов: характера распределения механических напряжений, условий связи с другими мосто­выми схемами, выделенной площади. Если топология рассчиты­вается из условий минимизации, например из минимизации поперечной чувствительности в акселерометрах, то расположение ТР подчи­нено этим условиям.

Формирование ТР. Основные этапы изготовления диффузионного ТР:

1. Окисление исходной кремниевой пластины с требуемыми механическими и геометрическими параметрами (001), n-типа проводимости.

2. Двусторонняя фотолитография.

3. Создания ТР путём p-диффузии.

4. Вскрытие окон под контакты.

5. Металлизация.

6. Фотолитография для изготовления межсоединений и контактных площадок.

Внедрение примесей в исходную пластину (или в эпитаксиальный слой) путём диффузии при высокой температуре является исходным и до сих пор основным способом легирования полупроводников с целью создания ТР. Примеси, вводимые путём диффузии, называют диффузантами (бор, фосфор и др.). Внедрение примесей обычно осуществляется с помощью газотранспортных реакций. Глубина рабочих диффузионных слоёв обычно лежит в пределах 1-4 мкм.

Контактные площадки. Контактные площадки, располагаемые обычно по периферии полупроводникового кристалла, служат для соединения полупроводниковой схемы, расположенной на кристалле с выводами корпуса микросхемы. Соединение осуществляется с помощью золотых или алюминиевых проволочек методом термокомпрессии. Для контактных площадок используют тот же материал, что и для создания разводки (чаще всего алюминий). Контактные площадки формируют одновременно с созданием разводки. Для предотвращения замыканий площадки на подложку в случае нарушения целостности окисла при термокомпрессии, под каждой площадкой формируют изолированную область (за исключением площадок, соединённых с проводниками, имеющими контакт с подложкой).

Процесс металлизации обеспечивает омический контакт со слоями полупроводника, а также для создания рисунка межсоединений и контактных площадок. Основным материалом для металлизации служит алюминий. Он оказался оптимальным в силу своих положительных качеств. При создании металлической разводки сначала на всю поверхность ИС напыляют сплошную плёнку алюминия толщиной около 1 мкм. Эта плёнка контактирует со слоями кремния в специально сделанных (с помощью предыдущей фотолитографии) окнах в окисле. Основная же часть плёнки лежит на поверхности окисла. Покрывая плёнку алюминия фоторезистом, экспонируя его через соответствующий фотошаблон и проявляя, получают фоторезистивную маску, которая защищает будущие полоски металлизации и контактные площадки от травителя. После вытравливания алюминия с незащищённых участков и удаления фоторезиста остаётся запланированная металлическая разводка. Ширина полосок в обычных ИС составляет 10-15 мкм, а в больших ИС до 5 мкм и менее. Погонное сопротивление полоски шириной 10 мкм и толщиной 1 мкм составляет около 2 Ом/мм. Для контактных площадок, к которым в дальнейшем присоединяются внешнии выводы, типичны размеры 100 х 100 мкм. Присоединение внешних выводов непосредственно к полоскам металлизации невозможно из-за их малой ширины.

Проблема омических контактов при использовании алюминия состоит в следующем. Если плёнку алюминия просто напылить на поверхность кремния, то образуются барьеры Шоттки, причём барьер на границе с n-слоем является не омическим, а выпрямляющим. Чтобы избежать барьеров Шоттки, алюминий вжигают в кремний при температуре около 600° С, близкой к температуре эвтектики сплава Al-Si. При такой температуре на границе алюминиевой плёнки с кремнием образуется слой, в котором растворён практически весь алюминий. После застывания сплав представляет собой кремний, легированный алюминием; концентрация последнего составляет около 5·10¹⁸ см^-3. Поскольку алюминий является акцептором по отношению к кремнию, возникает новая проблема: предотвращение образования p-n-переходов в n-слоях. Действительно, если концентрация доноров в n-слое меньше 5·10¹⁸ см^-3, то атомы алюминия создадут в нём приповерхностный p-слой. Чтобы этого избежать, область n-слоя вблизи контакта специально легируют, превращая её в n⁺-слой с концентрацией 10²⁶ см^-3 и более. Тогда концентрация алюминия оказывается недостаточной для образования p-слоя, и p-n-переход не образуется.

Упругий элемент преобразователя формируется в результате травления кремниевых пластин. Основные этапы изготовления таких чувствительных элементов:

1. Термическим окислением в диффузионной печи с обеих сторон пласти­ны выращивается слой диоксида кремния толщиной 0,8...1,0 мкм.

2. Методом двусторонней фотолитографии с последующим вытравлива­нием в буферном травителе формируется оксидная маска, соответствующая заданной конфигурации упругого элемента.

3. Формообразование упругого элемента производится анизотропным травлением тыльной стороны пластины (при полной изоляции в специальной оправке лицевой стороны пластины) в 33%-ом водном растворе едкого калия (КОН). Для стабилизации температуры травителя используется водяная баня. Скорость травления кремния составляет 3 мкм/мин. При травлении на глуби­ну более 0,3 мм используется дополнительное маскирование титаном.

4. Вскрытие зазора (для выделения упругого элемента из пластины) про­изводится с лицевой стороны пластины при ее маскировании.

В качестве элементов, которые преобразуют механические деформа­ции упругих элементов в изменения электрических сигналов, применяют ча­ще всего тонкопленочные, нанесенные непосредственно на упругие элементы, резисторы (опорный и измерительный), образующие измерительный дели­тель напряжения. Одновременно с изготовлением резисторов, могут формиро­ваться, в едином технологическом процессе по типовым технологическим процессам микроэлектроники, более сложные электронные схемы, в том чис­ле с активными элементами. Электронные схемы в теле и на поверхности пластины формируются до формообразования упругого элемента.

Вышеуказанные процессы обычно относят к так называемой технологии объемной микромеханики или микрообработки.

Технология поверхностной микромеханики предложена в качестве аль­тернативы технологии объёмной микромеханики, недостатками которой яв­ляются двусторонняя фотолитографическая обработка и глубокое анизотроп­ное травление, вызывающее хрупкость пластины. В технологии формирова­ния поверхностных микромеханических структур в основном используются стандартные процессы и материалы интегральной технологии. Это структу­ры, подразделяющиеся на сенсорные (преобразующие внешнее воздействие в электрический сигнал), и микроприводные (выполняющие обратную функ­цию). В большинстве случаев эти структуры формируются из пленок поликристаллического кремния как наиболее подходящего по механическим и технологическим свойствам материала. Процесс формирования поверхностной микроструктуры из пленки поликремния схема­тично показан на рис. 21.

Рис. 21. Основные этапы процесса формирования поверхностной

микроструктуры: 1 – SiO₂; 2 – подложка; 3 – поликремний

На сплошную кремниевую подложку (2) наносится слой фосфоросиликатного стекла или диоксида кремния Si0 ₂ (1), служащий опорой для структуры, и в нём вскрываются окна. Затем путем осаждения наносится слой поликремния (3), на котором формируется необходимый рисунок. Далее опорный слой оксида выборочно удаляется, используя раствор фтороводородной кислоты (HF), и на поверхности подложки образуются поликремниевые структуры, обладающие механической подвижностью.

Главное преимущество поверхностной микромеханики заключается в широких возможностях изготовления миниатюрных интегральных датчиков. В таком датчике на одном кристалле совмещено формирование собственно сенсора, в виде микроструктуры, и структуры обработки сигнала.

Маршрут изготовления датчика строится следующим образом: на первом этапе формируется поверхностная структура до момента вскрытия контактных окон, затем в специально отведенной на кристалле области создаётся поверхностная микроструктура. После этого формируется металлизация, область схемы маскируется фоторезистом и проводится жидкостное вытравливание опорного слоя оксида кремния.

При формировании поверхностных микроструктур заданной геометрии, плёнка поликремния должна иметь минимальный уровень внутренних механических напряжений и малую неравномерность по толщине, так как внутренние механические напряжения приводят к изгибу поверхностной микроструктуры после вытравливания опорного слоя. Полу­чение пленок поликремния с заданным уровнем внутренних механических напряжений – главная задача в технологии поверхностной микромеханики. Оп­тимальными в поликремниевой пленке считаются растягивающие напряже­ния. Однако вид и значения напряжений в пленке зависят от ряда факторов: параметров процессов осаждения (типа реактора, состава реагента и наличия в нем примесей, температуры, давления, расхода реагента, положения пла­стины в трубе осаждения), параметров термической обработки после осаж­дения (температуры, времени и среды), вида примеси и степени легирования. Для уменьшения внутренних механических напряжений обычно перед жид­костным вытравливанием опорного оксида проводят отжиг пленки поликремния.

Разновидности методов изготовление кремниевых тензорезистивных преобразователей. С использованием интегральной технологии изготавливаются кремниевые тензорезистивные преобразователи широкой номенклатуры (рис. 22).

Рис. 22. Типы тензорезисторных структур, изготавливаемых из плёнок кремния методами интегральной технологии

Структура (рис. 22, а), чувствительный элемент который изготавливается из кремния n- или р -типа и формируется в упругой мембране из полупроводника с противоположным типом проводимости, отличается относительной простотой и дешевизной исходной заготовки, выпол­ненной из монокристаллического кремния. Однако для неё характерны сложности в вос­производимости и контроле толщины упругого элемента.

В структуре, изображенной на рис. 22, б используется эпитаксиальная пленка, нанесённая на сильнолегированную подложку. Благодаря исполь­зованию специальных видов травления с са­моторможением на границе n-n⁺ и р-р⁺, обеспечивается хорошая воспроизводи­мость и возможность контроля толщины при вытравливании мембраны.

В структуре, показанной на рис. 22, в, эпитаксиальный слой и основание выполнены из кремния противоположных типов проводимости, что дает возможность путем изолирующей диффузии на всю толщину эпитаксиального слоя осуще­ствлять изоляцию элементов и создавать сложные интегральные измерительные уст­ройства.

Структура, показанная на рис. 22, г, выполнена на основе эпик-процесса, содер­жит основание из поликристаллического кремния и оксидный слой для изоляции. Важ­ная особенность этой структуры состоит в возможности покрытия обеих сторон мембра­ны одинаковым оксидом, что устраняет начальную деформацию мембраны, возникающую из-за несоответствия температурных коэффициентов линейно­го расширения кремния и его оксида. При этом расширяется диапазон линей­ности и повышается точность преобразования. Недостатком структуры такого типа является сложность контроля толщины и воспроизводимости геометрии мембран из-за изотропного характера травления поликристаллического кремния.

В структуре на рис. 22, д чувствительный элемент преобразовате­ля изолирован от окружающего поликристаллического кремния оксидным слоем, что даёт возможность изготавливать преобразователи расширенного температурного диапазона.

При использовании слоя оксида для отделения упругого элемента от основания можно, сохранив все преимущества преды­дущей структуры, обеспечить контроль в процессе формирования упругого элемента (рис. 22, е).

Несмотря на ряд достоинств, тензопреобразователи на кремниевых мем­бранах обладают существенными недостатками. При изоляции чувствитель­ного элемента с помощью р-n-перехода или слоя оксида, максимальная рабочая температура ограничена 398 и 548 К, соответственно. Кроме низкой термостабильности для указанных тензопреобразователей характерна низкая стойкость к агрессивным средам и радиации.

Принципиально новые возможности дальнейшего улучшения тензорезистивных преобразователен открылись при их изготовлении на основе гетероэпитаксиальных пленок кремния на сапфире (рис. 22, ж). Сапфир, как мате­риал для изготовления упругого элемента пленочного тензопреобразователя, превосходит кремний благодаря своим более высоким упругим, прочност­ным, термомеханическим свойствам, высокой теплопроводности, прозрачно­сти. Сапфир – хороший диэлектрик, способный сохранять свойства хорошего изо­лятора в широком диапазоне температур, в том числе превышающих 1300 К. Слои кремния толщиной в несколько микрометров прочно удерживается на подложке из сапфира в результате действия сил молекулярно-атомного сцеп­ления, благодаря чему обеспечивается жёсткое крепление упругого и чувст­вительного элементов также без промежуточных слоёв. Тензорезистивные элементы формируются путем фотолитографии. Готовые элементы разделены участками чистой поверхности сапфировой подложки, благодаря чему обес­печивается их хорошая электрическая изоляция даже при повышенных тем­пературах. При размещении чувствительных элементов на сапфировой под­ложке выбирается их ориентация по кристаллографическим направлениям, характеризующимся максимальной тензочувствительностью.

Сочетание высокой тензочувствительности кремния, возможности запитки приборов токами повышенной плотности, благодаря тонкопленочной при­роде полупроводниковых элементов и высокой теплопроводности подложки, приводит к существенному возрастанию выходного сигнала тензопреобразо­вателей на структурах «кремний-на-сапфире» (КНС). Высокая чувствитель­ность ТР на КНС даёт возможность значительно уменьшить ра­бочие прогибы мембран и удержать их в пределах интервала значений, соот­ветствующих линейной зависимости от деформации, что способствует повышению точности измерений и линейности шкалы преобразователей.

Сапфир обладает способностью пайки с металлами, что обеспечивает жёсткое его присоединение к металлическому основанию без применения пла­стичных клеевых слоев. Это исключает гистерезисные явления и также по­вышает точность измерений.

Следует отметить высокое быстродействие и временную стабильность преобразователей на основе структур КНС.

Приборы на сапфировых подложках целесообразно и оправданно приме­нять в особо ответственных и сложных случаях. Для массового применения допустимы приборы на кремниевых подложках, так как производство этих приборов с учётом доступности исходных материалов, возможности использования стандартной отработанной технологии и существующего технологического оборудования экономически наиболее целесообразно. Это может быть допол­нено соображениями об удобстве и более широких возможностях в решении ряда технологических и конструкционных задач по изготовлению тензопре­образователей при использовании пластин кремния различной кристаллогра­фической ориентации. Важным обстоятельством является возможность при­менения локального анизотропного травления. В частности, при ориентации чувствительного модуля в плоскости (100) может быть изготовлена мембрана в виде квадрата, прямоугольника, восьмиугольника, а в плоскости (110) - в виде прямоугольника, параллелограмма, шестиугольника, восьмиугольника.

На кремниевой пластине кроме чувствительного элемента преобразовате­ля в составе интегрального устройства могут быть изготовлены многие дру­гие приборы, в том числе усиливающие и формирующие сигнал от ТР для оптимизации его параметров и облегчения последующей обра­ботки.

Для высокотемпературных применений весьма перспективны ТР из карбида кремния.