TECHNOLOGICKÉ PROCESY PŘI VÝROBĚ POLOVODIČOVÝCH PRVKŮ III.
NANÁŠENÍ VRSTEV V mikroelektronice se nanáší tzv. tlusté a tenké vrstvy. a)
Tlusté vrstvy: Používají se v hybridních integrovaných obvodech. Nanáší se obvykle ve formě past na nosný substrát pro vytváření vodivých, odporových a dielektrických součástí. Pro získání konečných vlastností jsou vypalovány při vysokých teplotách. Je o nich pojednáno v prezentaci hybridních int.obvodů b) Tenké vrstvy: Dělíme je na - epitaxní – na monokrystalický materiál narůstá nová monokrystalická vrstva, - neepitaxní – na monokrystalický, polykrystalický nebo sklovitý materiál narůstá polykrystalická nebo amorfní vrstva.
Metody vytváření tenkých vrstev používané v technologii mikroelektroniky se rozdělují na metody fyzikální a metody chemické (včetně elektrochemických). Z fyzikálních se nejčastěji používají: • vakuové napařování • katodové naprašování • iontově plazmové nanášení
Z chemických metod jsou užívány: • chemické depozice z par (CVD procesy) • elektrochemické metody • chemické metody založené na reakci materiálu podložky s vnější fází Jiný způsob rozdělení metod vytváření tenkých vrstev je podle výchozí fáze, ze které příslušná vrstva narůstá. Podle výchozí fáze pak rozlišujeme: • metody z plynné (resp. parní) fáze • metody z kapalné fáze Volba metody pro vytvoření konkrétní vrstvy závisí jednak na možnostech metody s ohledem na typ látky vrstvu vytvářející, jednak na technologických požadavcích.
1. Vakuové napařování Pevná látka se ve vakuu zahřeje na takovou teplotu, aby z ní vznikla pára. Tato vypařená látka se pak nechá zkondenzovat na chladné podložce. Jako zdroj par se obvykle používá odporově vyhřívaná lodička z odolného kovu, na níž je umístěn odpařovaný materiál.
Vakuovým napařováním se vytvářejí především kovové spoje integrovaných obvodů. Princip planetového napařovacího přípravku:
Princip vypařování a kondenzace ve vakuu:
2. Vakuové naprašování Principem je obdobné iontovému leptání. Katoda slouží jako zdroj rozprašovaného materiálu. Katoda je bombardována ionty netečného plynu (argon). Ionty vznikají v doutnavém výboji mezi katodou a anodou. Oddělené atomy dopadají na naprašovanou podložku. Děj probíhá ve vakuu:
Katodové naprašování lze realizovat více metodami, které rozlišujeme dle: • druhu výboje, • způsobu vytváření plazmatu - přítomnosti magnetického pole, • druhu pracovního plynu Naprašované desky jsou umisťovány na planetově otočný přípravek podobně jako u napařování.
3. Chemické nanášení (CVD) Jedná se o chemické nanášení vrstev z par a plynů za různých tlaků a teplot. Nanesené vrstvy se používají jako: • maskovací materiál, • pro izolaci mezi vodivými vrstvami, • materiál hradel pro struktury MOS, • zdroje pro dotaci aktivních oblastí tranzistorů, • vytváření spojů na čipu, • ochrana součástek po ukončení technologických procesů. Principiálně jde o: a) b)
vzájemnou reakci přiváděných plynů nad objektem – produkt reakce dopadá na chladnější objekt a kondenzuje na něm, reakci plynu s materiálem desky – plyny tryskají na vyhřátý objekt, kde reagují.
4. Epitaxní růst Je to nanášení monokrystalické vrstvy na monokrystalický materiál. Atomy nanášeného materiálu sledují rozložení atomu v podložce – narůstající vrstva je tedy krystalografickým pokračováním podložky.
Jestliže je vrstva ukládána na substrát stejného složení, mluvíme o homoepitaxi, v opačném případě o heteroepitaxi. - Homoepitaxe je druh epitaxe prováděný pouze s jedním materiálem. Při homoepitaxi tenká vrstva roste na substrátu stejného materiálu. Toho se využívá, pokud chceme čistější vrstvu než je substrát nebo pokud má být nová vrstva jinak dotovaná. - Heteroepitaxe je druh epitaxe prováděný s navzájem odlišnými materiály. Při heteroepitaxi se tenká vrstva ukládá na substrát z jiného materiálu. Toto se často používá při růstu vrstev materiálů, u nichž nelze jinak získat monokrystal nebo k výrobě integrovaných krystalických vrstev různých materiálů. Například se jedná o galium nitrid GaN na safíru nebo aluminium galium indium fosfid AlGaInP na azsenidu galia GaAs.
Z praktického hlediska jsou důležité tyto metody vytváření epitaxních vrstev: a) Epitaxe z plynné fáze (VPE) Je speciálním případem chemického nanášení vrstev CVD (vysokoteplotní, 1200 °C). Jako výchozí zdroj pro růst Si se používají plynné látky (silan, trichlórsilan): SiCl4 + 2H2 → Si + 4HCl
Blokové schéma zařízení pro epitaxní růst metodou CVD:
b) Epitaxe z kapalné fáze (LPE) Je to klasická metoda přípravy epitaxních vrstev binárních polovodičů. Vytváří polovodičové vrstvy na styku povrchu podložky s příslušnou taveninou jako následek přechlazení. To se děje při teplotách hluboko pod bodem tání ukládaného polovodiče. Polovodič je rozpuštěn v tavenině jiného materiálu. Tato metoda se používá zejména pro růst sloučeninových polovodičů na substrátech z galium arsenidu GaAs nebo fosfidu india InP. Pro zvláštní účely se používají jako substráty sklo nebo keramika. Nedostatkem této metody je nízká produktivita procesu.
c) Epitaxe z molekulárních svazků (MBE) Jde o napařování v ultravakuu z několika oddělených zdrojů, kdy na monokrystalické podložce dochází k reakci molekulárních svazků a vzniká požadovaná vrstva (růst krystalů kondenzací par dané látky). Princip zařízení pro molekulární svazkovou epitaxi:
Dotační příměsi, které určují elektrické vlastnosti epitaxních vrstev, jsou přidávány do molekulárního svazku z dalších pícek. Metoda MBE umožňuje vytvářet dokonalé epitaxní vrstvy. Její nevýhodou je potřeba ultravakua a vysoká cena zařízení.
Zdroje: Šavel J., Materiály, technologie a výroba v elektronice a elektrotechnice Szendiuch a kol., Výroba součástek a konstrukčních prvků Szántó L., Integrované obvody Wikipedia Archiv autora
Zpracoval ing. František Stoklasa
