Планарная технология

планарный процесс (англ. planar, от лат. planus — плоский, ровный), первоначально — совокупность технологических операций, проводимых для получения полупроводниковых (ПП) приборов с электронно-дырочными переходами (См. Электронно-дырочный переход), границы которых выходят на одну и ту же плоскую поверхность ПП пластины и находятся под слоем защитного диэлектрического покрытия; в современном, более широком смысле — совокупность технологических операций, проводимых для получения практически любых ПП приборов и интегральных схем (См. Интегральная схема), в том числе и таких, у которых границы электронно-дырочных переходов не выходят на одну плоскую поверхность. Термины «П. т.» и «планарный прибор» появились в 1959, когда американской фирмой «Фэрчайлд» (Fairchild) были созданы первые планарные кремниевые транзисторы.

Основные технологические операции при изготовлении классического планарного кремниевого транзистора с n—p—n-переходами выполняются в следующей последовательности. На отшлифованной, а затем отполированной, тщательно очищенной плоской поверхности пластины из монокристаллического кремния с электропроводностью n-типа (рис., а) термическим окислением в сухом или влажном кислороде создают слой двуокиси кремния (SiO₂) толщиной от нескольких десятых до 1,0—1,5 мкм (рис., б). Далее производят фотолитографическую обработку этого слоя (см. Фотолитография): на окисленную поверхность кремния наносят слой Фоторезиста, чувствительного к ультрафиолетовому излучению; пластину с высушенным слоем фоторезиста помещают под шаблон — стеклянную пластину с рисунком, в заданных местах прозрачным для ультрафиолетового излучения; после обработки излучением фоторезист в тех местах, под которыми должен сохраняться слой SiO₂, полимеризуют (задубливают), с остальной части пластины фоторезист снимают и удаляют травлением обнажившийся слой SiO₂, после чего снимают оставшийся фоторезист (рис., в). Затем в участки, где нет плёнки окисла, проводят диффузию (См. Диффузия) бора (акцепторной примеси) для создания в материале исходной пластины (коллекторная область) базовой области с электропроводностью р-типа. Т. к. диффузия одновременно идёт и перпендикулярно поверхности пластины, и параллельно ей, т. е. под края окисной плёнки, то границы электронно-дырочного перехода между коллекторной и базовой областями, выходящие на поверхность пластины, оказываются закрытыми слоем SiO₂ (рис., г). После проведения диффузии бора (или одновременно) поверхность пластины повторно подвергают окислению и повторно производят фотолитографическую обработку (рис., д) с целью создания эмиттерной области с электропроводностью n-типа диффузией фосфора (донорной примеси) в заданные участки базовой области. При этом границы электронно-дырочных переходов между эмиттерной и базовой областями оказываются также закрытыми слоем SiO₂ (рис., е). После диффузии доноров или одновременно с ней проводят третье окисление и над эмиттерной областью создают слой чистой SiO₂ или фосфорно-силикатного стекла. Затем производят последнюю фотолитографическую обработку и вытравливают над эмиттерной и базовой областями в плёнке окисла отверстия для контактов к этим областям (рис., ж). Контакты создают нанесением тонкой металлической плёнки (обычно Al; рис., з). Контакт к коллекторной области осуществляют путём металлизации нижней поверхности исходной пластины. Пластину кремния разрезают на отдельные кристаллы, каждый из которых имеет транзисторную структуру. Наконец, каждый кристалл помещают в корпус и герметизируют последний.

По мере своего развития П. т. включила в себя ряд новых процессов. В качестве материала защитных плёнок используют не только SiO₂, но и нитрид кремния, оксинитрид кремния и др. вещества. Для их создания применяют пиролиз, реактивное (в кислородной среде) распыление кремния и др. процессы. Для селективного удаления защитной диэлектрической плёнки, помимо обычной оптической фотолитографии, применяется обработка электронным лучом (т. н. электронолитография). Для легирования кремния, кроме диффузии, используют Ионное внедрение донорных и акцепторных примесей. Получило распространение сочетание методов П. т. с технологией эпитаксиального выращивания (см. Эпитаксия). В результате такого сочетания создан широкий класс разнообразных планарно-эпитаксиальных ПП приборов. Появилась возможность получать стойкие защитные диэлектрические плёнки не только на кремнии, но и на других ПП материалах. В результате были созданы планарные ПП приборы на основе германия и арсенида галлия. В качестве легирующих примесей в П. т. используют не только бор и фосфор, но также др. элементы третьей и пятой групп периодической системы элементов Д. И. Менделеева.

Главное достоинство П. т., послужившее причиной её распространения в полупроводниковой электронике (См. Полупроводниковая электроника), заключается в возможности использования её как метода группового изготовления ПП приборов, что повышает производительность труда и процент выхода годных приборов, позволяет уменьшить разброс их параметров. Применение в П. т. таких прецизионных процессов, как фотолитография, диффузия, ионное внедрение, даёт возможность очень точно задавать размеры и свойства легируемых областей и в результате получать параметры и их сочетания, недостижимые при др. методах изготовления ПП приборов. Защитные диэлектрические плёнки, закрывающие выход электронно-дырочных переходов на поверхность ПП материала, позволяют создавать приборы со стабильными характеристиками, мало меняющимися во времени. Этому способствует также ряд специальных мер: поверхность пластин перед нанесением защитной плёнки тщательно очищают, при создании защитных плёнок используют особо чистые исходные вещества (например, бидистиллированную воду, которая после последней дистилляции не контактирует с внешней средой) и т.д.

Лит.: Кремниевые планарные транзисторы, под ред. Я. А. Федотова, М., 1973; Мазель Е. З., Пресс Ф. П., Планарная технология кремниевых приборов, М., 1974.

Е. З. Мазель.

Стадии изготовления планарного транзистора: а — исходная пластина; б — после первого окисления; в — после первой фотолитографической обработки; г — после создания базовой области и второго окисления; д — после второй фотолитографической обработки; е — после создания эмиттерной области и третьего окисления; ж — после третьей фотолитографической обработки; з — после металлизации; 1 — исходный кремний с электропроводностью n-типа; 2 — маскирующая плёнка двуокиси кремния; 3 — базовая область; 4 — эмиттерная область; 5 — металлическая плёнка (контакты).

ПЛАНАРНАЯ ТЕХНОЛОГИЯ (от англ. planar - плоский) - высокопроизводительный метод группового изготовления полупроводниковых приборов и интегральных схем. Основные операции планарной технологии: создание тонкой диэлектрической пленки на поверхности кристаллического полупроводника (Si, Ge, GaAs); удаление способом фотолитографии или электронолитографии определенных участков этой пленки; введение в кристалл через незащищенные пленкой участки донорных или акцепторных примесей (легирование). В результате этих операций в кристалле образуются области с электронно-дырочными переходами.

planar technology

planar process электрон., planar technology

(от англ. planar-плоский), совокупность способов изготовления полупроводниковых приборов и интегральных схем путем формирования их структур только с одной стороны пластины (подложки), вырезанной из монокристалла. П. т.-основа микроэлектроники, методы П. т. используют также для изготовления др. твердотельных приборов и устройств (напр., лазеры).

П. т. основывается на создании в приповерхностном слое подложки областей с разл. типами проводимости или с разными концентрациями примеси одного вида, в совокупности образующих структуру полупроводникового прибора или интегральной схемы. Преимуществ. распространение в качестве полупроводникового материала для подложек в П. т. получил монокристаллич. Si. В ряде случаев используют сапфир, на пов-сть к-рого наращивают гетероэпитак-сиальный слой (см. Эпитаксия )кремния п- или p-типа проводимости толщиной ок. 1 мкм. Области структур создаются локальным введением в подложку примесей (посредством диффузии из газовой фазы или ионной имплантации), осуществляемым через маску (обычно из пленки SiO₂), формируемую при помощи фотолитографии. Последовательно проводя процессы окисления (создание пленки SiO₂), фотолитографии (образование маски) и введения примесей, можно получить легир. область любой требуемой конфигурации, а также внутри области с одним типом проводимости (уровнем концентрации примеси) создать др. область с др. типом проводимости. Наличие на одной стороне пластины выходов всех областей позволяет осуществить их коммутацию в соответствии с заданной схемой при помощи пленочных металлич. проводников, формируемых также с помощью методов фотолитографии.

П. т. обеспечивает возможность одноврем. изготовления в едином технол. процессе большого числа (до неск. сотен и даже тысяч) идентичных дискретных полупроводниковых приборов или интегральных схем на одной пластине. Групповая обработка обеспечивает хорошую воспроизводимость параметров приборов и высокую производительность при сравнительно низкой стоимости изделий.

Пример изготовления биполярного n-р-n -транзистора методами П. т. представлен на рисунке. На подложке из монокристаллич. Si окислением получают маскирующий слой SiO₂. В этом слое с помощью фотолитографии формируют окна для введения акцепторной примеси (В), в результате чего образуется базовая область транзистора (p-Si). Затем пластину снова окисляют и во вновь образованной пленке SiO₂ повторной фотолитографией создают окна для формирования путем введения донорной примеси (P) эмиттерной области и контакта к коллекторной области (n ⁺ -Si). В результате цикла окисление - фотолитография вскрываются контактные окна к областям эмиттера и коллектора. На подготовленную таким образом пластину наносят ( напылением вакуумным, пиролизом летучих метал-лоорг. соед. и др. способами) слой металла (чаще всего Al), из к-рого посредством фотолитографии формируют контактные площадки для присоединения металлич. выводов к соответствующим областям транзистора.

T. обр., осн. особенность П. т.-повторяемость однотипных операций; типовой набор операций (окисление, фотолитография и легирование), чередуясь, повторяется неск. раз. Каждая такая последовательность операций (блок) формирует определенную часть структуры: базовую или эмиттерную область, слой разводки и т. д. Изменяя число блоков, можно изготовлять любые приборы-от простых диодов (3 блока) до сложных интегральных схем (8-12 блоков). При этом осн. часть операций часто остается неизменной, а меняются только технол. режимы и шаблоны, используемые при фотолитографии.

Подложки (пластины) получают разрезкой монокристаллов Si (или др. материала) на пластины, к-рые затем шлифуют, подвергают травлению и полируют (см. Полирование), чтобы получить пов-сть без наруш. слоя. Обработанные пластины тщательно очищают хим. или плазменным (сухим) способом. Для хим. очистки применяют смеси сильных окислителей (напр., HNO₃, H₂O₂) с к-тами (напр., с H₂SO₄), а также водный р-р NH₃. После хим. очистки пластины промывают в деионизир. воде и сушат в центрифуге. Отмывка-одна из наиб. часто повторяющихся операций П. т., при этом чистота воды имеет решающее значение. Сухая очистка в кислородной плазме применяется в осн. для удаления с пов-сти пластин оставшегося после фотолитографии фоторезиста. Плазменные процессы все шире используются в П. т. для очистки, травления, а также осаждения металлов и диэлектриков.

Очищенные пластины с выращенным на них эпитаксиаль-ным слоем Si или без него подвергают термич. обработке, включающей окисление, диффузию примесей или ионное легирование, отжиг пластины (в том случае, если примеси вводились ионным легированием), пиролитич. осаждение тонких пленок или их химическое осаждение из газовой фазы, геттерирование. При реализации этих процессов осуществляется формирование активных областей и др. компонентов планарных структур. Вместе с тем термич. обработка приводит к возникновению мех. напряжений в пластине, вызывает образование дефектов, перераспределение примесей в объеме пластины и в приповерхностном слое. Чтобы уменьшить отрицат. последствия, термич. обработку проводят при сравнительно невысоких т-рах (ниже 900 ⁰C), а для ускорения процесса применяют разл. способы, напр, окисление Si проводят не в сухой, а во влажной среде при повыш. давлении. Для введения примесей все чаще вместо диффузии применяют ионное легирование (ионную имплантацию), к-рое по сравнению с диффузией обладает рядом преимуществ - универсальностью (возможность вводить практически любые в-ва в любую подложку), высокой воспроизводимостью, возможностью управлять профилем распределения примеси и изменять концентрацию вводимых примесей в широких пределах.

Пиролитически или хим. осаждением получают слои SiO₂ (напр., пиролизом SiH₄ в присут. O₂), Si₃N₄ (взаимод. SiH₄ или SiCl₄ с NH₃) и поликристаллич. Si (напр., пиролизом SiH₄ в восстановит. среде)-наиб. распространенного материала для формирования затворов МОП-транзисторов (металл-оксид-полупроводник), резисторов, эмиттеров биполярных транзисторов, для изоляции компонентов интегральных схем.

По мере развития П. т. все большее значение приобретает геттерирование, сущность к-рого заключается в создании вне активной области структуры т. наз. стока, или геттера,-области, где р-римость загрязняющих, быстро диффундирующих, рекомбинационно-активных примесей (Au, Cu, Fe) намного выше, чем в др. областях. В результате возникает градиент концентрации примесей, к-рый обусловливает их диффузию в сторону стока. Чаще всего сток создают на обратной стороне подложки, напр. диффузией P с высокой концентрацией, мех. нарушением пов-сти подложки, легированием тяжелыми ионами с целью аморфи-зации Si, рекристаллизацией приповерхностного слоя Si под действием лазерного излучения. Геттерирование обычно проводят в конце технол. цикла или повторяют его неоднократно.

Фотолитография включает след. стадии: нанесение слоя фоторезиста на пленку SiO₂, покрывающую кремниевую пластину; экспонирование слоя фоторезиста через фотошаблон-стеклянную пластину с множеством одинаковых рисунков областей прибора; проявление слоя фоторезиста; получение оксидной маски травлением пленки SiO₂ через окна в проявленном фоторезисте; удаление фоторезиста. Используют фотолитографию контактную (фотошаблон контактирует со слоем фоторезиста) и проекционную, осуществляемую либо однократным проецированием фотошаблона с множеством структур на всю пов-сть пластины, либо пошаговым экспонированием, при к-ром на пластину с определенным сдвигом (шагом) многократно проецируют фотошаблон с изображением одной структуры. Кроме фотолитографии используют также рентгеновскую и электронную литографию.

Для создания контактов вначале на пов-сти пластины (в маскирующем слое SiO₂) формируют контактные окна, через к-рые затем напыляют металл, при этом образуются контактные площадки на периферии и соединит. дорожки между площадками и окнами; затем металл вжигают в пластины при 400-450⁰C в атмосфере H₂.

По окончании формирования приборных структур пластины разделяют на отдельные кристаллы, разрезая их алмазным диском (наиб. часто) или др. способами. Кристаллы монтируют в корпус или на кристаллодержатель, после чего их контактные площадки соединяют (обычно ультразвуковой сваркой) с внеш. выводами на корпусе (кристалло-держателе) тонкими (10-30 мкм) проволочками из Al или Au.

Рассмотренные выше операции составляют основу П. т. дискретных полупроводниковых приборов. При создании интегральных схем возникают дополнит. проблемы, связанные с размещением большого числа взаимосвязанных компонентов на одном кристалле с огранич. площадью пов-сти. Для изоляции компонентов применяют два осн. способа: с помощью p-n -перехода, сформированного между компонентами, или слоя диэлектрика (SiO₂); используют комбинацию этих способов.

П. т. разработана в 1959 в США. К кон. 80-х гг. она стала осн. технол. инструментом в произ-ве полупроводниковых приборов и интегральных схем.

Лит.: Мазель Е. З., Пресс Ф. П., Планарная технология кремниевых приборов, M., 1974; Малышева И. А., Технология производства микроэлектронных устройств, M., 1980; Пичугин И. Г., Таиров Ю. М., Технология полупроводниковых приборов, M., 1984; Технология СБИС, пер. с англ., кн. 1-2, M., 1986; Карбань В. И., Борзаков Ю. И., Обработка монокристаллов в микроэлектронике, M., 1988. Ф. П. Пресс.

плана́рная техноло́гия

(от англ. planar — плоский), высокопроизводительный метод группового изготовления полупроводниковых приборов и интегральных схем. Основные операции планарной технологии: создание тонкой диэлектрической плёнки на поверхности кристаллического полупроводника (Si, Ge, GaAs); удаление способом фотолитографии или электронолитографии определённых участков этой плёнки; введение в кристалл через не защищённые плёнкой участки донорных или акцепторных примесей (легирование). В результате этих операций в кристалле образуются области с электронно-дырочными переходами.

* * *

ПЛАНА́РНАЯ ТЕХНОЛО́ГИЯ (от англ. planar — плоский), высокопроизводительный метод группового изготовления полупроводниковых приборов и интегральных схем. Основные операции планарной технологии: создание тонкой диэлектрической пленки на поверхности кристаллического полупроводника (Si, Ge, GaAs); удаление способом фотолитографии или электронолитографии определенных участков этой пленки; введение в кристалл через незащищенные пленкой участки донорных или акцепторных примесей (легирование). В результате этих операций в кристалле образуются области с электронно-дырочными переходами.

(от англ. planar - плоский) - высокопроизводит. метод группового изготовления полупроводниковых приборов и интегральных схем. Осн. операции П. т.: нанесение тонкой диэлектрич. плёнки на поверхность кристаллич. полупроводника (Si, Ge, GaAs и др.); удаление способом фотолитографии или электронолитографии определ. участков этой плёнки; введение в кристалл через незащищённые плёнкой участки донорных или акцепторных примесей (легирование). В результате этих операций в кристалле образуются области с р - п-переходами.

planar process электрон., planar technology

* * *

planar technology

(от англ planar -плоский), высокопроизводит. метод группового изготовления полупроводниковых приборов и интегральных схем. Осн. операции П. т: создание тонкой диэлектрич. плёнки на поверхности кристаллич. полупроводника (Si, Ge, GaAs); удаление способом фотолитографии или электронолитографии определ. участков этой плёнки; введение в кристалл через не защищённые плёнкой участки донорных или акцепторных примесей (легирование). В результате этих операций в кристалле образуются области с электронно-дырочными переходами.