Разработка отдельных базовых процессов формирования активных областей силовых кремниевых транзисторов

Актуальность темы

.

Развитие современной науки и техники немыслимо без электроники, ведущей отраслью которой является полупроводниковая и твердотельная микроэлектроника.

Прогресс большинства областей современной техники неразрывно связан с успехами силовой электроники. Активными элементами силовой электроники являются силовые полупроводниковые приборы, работающие в ключевом режиме и применяющиеся в различных видах преобразовательной техники: диоды, тиристоры, биполярные и МДП-транзисторы, транзисторы с изолированным затвором.

Важнейшей проблемой, стоящей перед современной полупроводниковой электроникой, является широкая и полная автоматизация производства с внедрением автоматических систем управления технологическими процессами. Задачи и вопросы повышения эффективности любого производства всегда были и будут в центре внимания всех, кто занимается его организацией. При производстве изделий микроэлектроники снижение затрат на него и повышение качества изделий особенно важны, так как они закладывают качественную и стоимостную основу будущих радиоэлектронных устройств, которые сегодня во многом определяют уровень жизни общества. В то же время эти задачи далеко не просты, так как в основе производства изделий электронной техники лежит сложная технология, требующая высокого уровня ее реализации и больших затрат. Повышение эффективности этого производства путем его автоматизации также затруднено из-за сложной многооперационной технологии.

Исследования, проводимые в последние годы в области технологии полупроводникового производства, обусловлены нахождением оптимальных материалов, технологических методов и режимов обработки изделий, обеспечением надежного контроля качества, разработкой специального технологического и испытательного оборудования.

В связи с этим решаемая проблема комплексного подхода к разработке технологии изготовления транзисторных структур высокого качества с минимальными производственными затратами является актуальной.

Цель этих исследований состоит в нахождении оптимальных материалов, технологических методов и режимов обработки изделий, обеспечении надежного контроля качества, разработке специального технологического и испытательного оборудования.

В данной работе решается проблема комплексного подхода к разработке отдельных базовых процессов формировании активных областей силовых кремниевых транзисторов высокого качества с минимальными производственными затратами.

Цель работы.

Совершенствование базовых технологических процессов формирования активных областей силовых кремниевых транзисторов для улучшения параметров и повышения процента выхода годных.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

1) анализ существующих технологических методов формирования кристаллов силовых полупроводниковых приборов, особенностей планарной технологии и технологических требований, предъявляемых к производству кристаллов транзисторов;

2) разработка и оптимизация математических моделей технологических процессов очистки полупроводниковых пластин, глубокой диффузии фосфора с применением твердого планарного источника и пирогенного окисления- 3). исследование базовых процессов формирования активных областей силовых кремниевых транзисторов: очистка кремниевых пластин, глубокая диффузия фосфора с введением водяных паров, пирогенное окисление. Все исследования проводились автором на Махачкалинском заводе полупроводниковых приборов — ОАО «Эльдаг» в условиях массового производства транзисторов.

Новизна и научная ценность.

Разработан новый метод очистки поверхности силовых кремниевых структур, путем введения в состав отмывочных ванн стоп-ванны с душевой отмывкой, которая позволяет эффективно очистить поверхность кремниевых пластин за счет:

• эффективного смывания загрязнений с поверхности кремниевой структуры потоком деионизованной воды, направленной под определенным углом и давлением на кассету с пластинами.

• сброса деионизованной воды, исключающей повторное оседание остатков реагента и сторонних частиц на поверхность полупроводниковой пластины.

Разработана математическая модель технологического процесса очистки кремниевых пластин в стоп-ванне с душевой отмывкой с учетом влияния входных параметров процесса (давление и угол подачи деионизованной воды, диаметр отверстий), базирующаяся на решениях уравнений переноса примеси по поверхности полупроводниковой пластины и уравнений гидродинамики.

Установлена связь зависимости сопротивления деионизованной воды от количества циклов отмывки в стоп-ванне при различных углах наклона струи, зависимость константы равновесия от времени очистки.

Разработан алгоритм математической модели технологического процесса глубокой диффузии фосфора с твердого планарного источника (технологический процесс), учитывающей граничные условия: рабочую температуру, расходы газов, температуру источника диффузанта, изменение концентрации диффу-занта в потоке.

• Разработана модель процесса пирогенного окисления с учетом поверхностной концентрации окислителя, значения эффективного коэффициента диффузии, а также коэффициент диффузии для кислорода.

Практическая ценность работы.

Разработанные процессы формирования активных областей силовых кремниевых транзисторов могут быть успешно использованы при совершенствовании метода очистки поверхности кремниевых структур, а также изготовлении силовых транзисторов с заданными параметрами. Отдельные разработки при непосредственном участии автора внедрены в производство на ОАО «Эльдаг», в частности, для формирования активных областей кремниевого силового транзистора.

Полученные результаты исследования могут найти практическое применение на предприятиях НПО «Интеграл», «ФЗМТ» и т. д.

Основные результаты диссертационной работы внедрены на ОАО «Эльдаг», а также в учебный процесс Дагестанского государственного технического университета.

Отдельные разработки при непосредственном участии автора испытаны, внедрены в производство. Применение транзисторов полученных по новой технологии на предприятиях позволило достичь существенного экономического эффекта.

Результаты работы оформлены соответствующими актами внедрения.

На защиту выносятся:

1) очистка поверхности пластин, за счет введения в состав отмывочных ванн стоп-ванны с душевой отмывкой;

2) отдельные базовые технологические процессы формирования активных областей силовых кремниевых транзисторов;

3) технологические режимы глубокой диффузии фосфора с применением.

• твердого планарного источника;

4) технологические режимы получения окисла кремния методом пирогенно-го окисления и контроля качества окисных пленок.

Апробация результатов.

Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались:

— на научно-технической конференции преподавателей, сотрудников, аспирантов и студентов ДГТУ. — Махачкала, 2003 г.;

— на Всероссийской НТК «Современные информационные технологии в управлении» ДГТУ. — Махачкала, октябрь 2003 г.;

— на Всероссийской НТК «Состояние и перспективы развития термоэлектрического приборостроения» ДГТУ. — Махачкала, декабрь 2003 г.;

— на Международной НТК «Измерение, контроль, информатизация», АГТУ им. И. И. Ползунова. — Барнаул, 2004 г.

Публикации.

Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 13 печатных работах.

Структура и объем диссертации

.

Диссертация состоит из введения, 4 глав, вывода, заключения и списка литературы. Объем работы составляет 148 страниц, в нее включены 22 рисунков, 9 таблиц и приложения. Список цитированной литературы составляет 133 наименования.

Выводы:

Разработана модель технологического процесса очистки кремниевых пластин в стоп — ванне с душевой отмывкой, с учетом влияния входных параметров процесса (давление, угол подачи деионизованной воды) на основе совместного решения уравнений переноса примеси по поверхности полупроводниковой пластины и уравнений гидродинамики. Разработана модель технологического процесса глубокой диффузии фосфора с применением твердого планарного источника (ТПИ), учитывающая граничные условия:

• изменение температуры источника диффузанта;

• изменение расхода газов (носителя диффузанта и окислителя), который приводит к изменению концентрации диффузанта в потоке;

• увеличение расхода газа-носителя приводит к уменьшению концентрации диффузанта в потоке, а увеличение расхода газа-окислителя — к ее увеличению.

Разработана модель технологического процесса пирогенного окисления, где учитывается поверхностная концентрация окислителязначения эффективного коэффициента диффузии и концентрации окислителя на поверхностикоэффициент диффузии для кислорода и коэффициент диффузии паров воды.

3. МЕТОДИКИ ИССЛЕДОВАНИЯ КАЧЕСТВА ПЛАСТИН.

3.1. Модернизация оборудования химической обработки кремниевых пластин Технолргические процессы, используемые в производстве полупроводниковых приборов, включают химические операции: очистку подложек перед выполнением технологических операций, травление на подложках примесносили-катных стекол, диэлектрических и металлических пленок, удаление фоторезиста.

Очистка пластин должна обеспечивать полное удаление с их поверхности органических и механических загрязнений. Обычно очистка начинается с обезжиривания в щелочных растворах или органических растворителях. В ряде случаев для удаления загрязнений, химически связанных с материалом подложки, допрлнител ьно применяется травление серной и азотной кислотой, водным раствором фтористоводородной кислоты и другими реактивами. Для интенсификации обезжиривания обработка подложек может вестись в нагретых реактивах или их парах, при воздействии на реакционный объем вибраций или ультразвуковых колебаний. Применяется также обработка подложек струей или распыленным потоком реактива, дополнительное воздействие на них щетками и кистями.

Перечисленные виды химической обработки пластин предъявляют к промышленному химико-технологическому оборудованию ряд специфических требований.,.

Для проведения химической обработки пластин в производстве кристаллов полупроводниковых приборов используется комплекс универсального оборудования. На линии можно проводить отмывку пластин перед окислением, диффузией, напылением и травление слоев окиси кремния, нитрида кремния, фос-форои боросиликатных стекол, травление металлов, удаление фоторезиста с окисленных и металлизированных подложек.

Установки включают также в состав рабочий стол, блок пылезащиты, технологические ванны и камеры, блоки гидравлической, пневматической и контрольно-измерительной аппаратуры. Установка химической обработки содержит две ванны, выполненные из фторопласта и трехкаскадную ванну из полипропилена — для каскадной отмывки пластин в деионизованной воде. В каждой ванне могут размещаться две унифицированные 25-местные кассеты.

В процессе серийного производства кристаллов мощных транзисторов возникла необходимость модернизации оборудования химобработки для обеспечения качественной отмывки пластин даже при повторной обработке (около 50 светящихся точек — пылевых частиц на пластине). В таблице 3.1.1 представлены основные требования по технологии отмывки полупроводниковых пластин, возможности установки химобработки и модернизированные элементы конструкции.

Основные требования к установке химобработки.

Заключение

.

По результатам проведенных исследований можно сделать следующие выводы: 1. Разработан метод эффективной очистки поверхности кремниевых пластин введением в состав отмывочных ванн стоп-ванны с душевой отмывкой.

2. Разработана модель технологического процесса глубокой диффузии фосфора с применением твердого планарного источника, учитывающая влияние температуры источника диффузанта и концентрации газов носителей.

3. Определены оптимальные значения параметров расхода воды, давления и угла наклона струи воды в стоп — ванне с душевой отмывкой, при которых достигается эффективная очистка кремниевых структур после химобработки в перекисно-аммиачном растворе и снижение времени очистки в два раза.

• 4. Определены оптимальные технологические режимы процессов загонки и разгонки фосфора с применением твердого планарного источника для формирования диффузионных кремниевых структур с глубиной диффузионного слоя 110±20 мкм.

5. Результаты исследований технологических процессов диффузии фосфора из твердого планарного источника, пирогенного окисления и очистки пластин позволили усовершенствовать технологический маршрут изготовления структур силовых кремниевых транзисторов с улучшенными параметрами.

6. Разработана структура силового кремниевого транзистора, которая позволила получить приборы с улучшенными электрическими параметрами и повышенным процентом выхода годных за счет снижения разброса технологических параметров.