Технология производства имс. Производство интегральных микросхем

3 ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОИЗВОДСТВА

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ИНТЕГРАЛЬНЫХ МИКРОСХЕМ

Технология производства полупроводниковых интегральных микросхем (ППИМС) развилась на основе планарной технологии транзисторов. Поэтому, чтобы разбираться в технологических циклах изготовления ИМС, необходимо ознакомиться с типовыми технологическими процессами, из которых эти циклы складываются.

3.1 Подготовительные операции

Монокристаллические слитки кремния, как и других полупро­водников, получают обычно путем кристаллизации из расплава - методом Чохральского . При этом методе стержень с затравкой (в виде монокристалла кремния) после соприкосновения с расплавом мед­ленно поднимают с одновременным вращением. При этом вслед за затравкой вытягивается нара­стающий и застывающий слиток.

Кристаллографическая ориентация слит­ка (его поперечного сечения) определяется кристаллографической ориентацией затрав­ки. Чаще других используются слитки с поперечным сечением, лежащим в плоско­сти (111) или (100).

Типовой диаметр слитков составляет в настоящее время 80 мм, а максимальный может достигать 300 мм и более. Длина слитков может достигать 1-1,5 м, но обычно она в несколько раз меньше.

Слитки кремния разрезают на множе­ство тонких пластин (толщиной 0,4-1,0 мм), на которых затем изготавливают интегральные схемы. Поверхность пластин после резки весьма неровная: размеры ца­рапин, выступов и ямок намного превышают размеры будущих эле­ментов ИС. Поэтому перед началом основных технологических операций пластины многократно шлифу - ют, а затем полируют. Цель шлифовки, помимо удаления механических дефектов, состоит также в том, чтобы обеспечить необходимую толщину пластины (200-500 мкм), недостижимую при резке, и параллельность пло­скостей. По окончании шлифовки на поверхности все же остается механически нарушенный слой толщиной в несколько микрон, под которым расположен еще более тонкий, так называемый физически нарушенный слой. Последний характерен наличием «незримых» искажений кристаллической решетки и механических напряжений, возникающих в процессе шлифовки.

Полировка состоит в удалении обоих нарушенных слоев и сни­жении неровностей поверхности до уровня, свойственного опти­ческим системам - сотые доли микрометра. Помимо механиче­ской, исполь­зуется химическая полировка (травление), т. е. по существу растворение поверхностного слоя полупроводника в тех или иных реактивах. Выступы и трещины на поверхности стравливаются быстрее, чем основной материал, и в целом поверхность выравни­вается.

Важным процессом в полупроводниковой технологии является также очистка поверхности от загрязнений органическими вещест­вами, особенно жирами. Очистку и обезжиривание проводят в ор­ганических растворителях (толуол, ацетон , этиловый спирт и др.) при повышенной температуре.

Травление, очистка и многие другие процессы сопровождаются отмывкой пластин в деионизованной воде.

3. 2 Эпитаксия

Эпитаксией называют процесс наращивания монокристалли­ческих слоев на подложку, при котором кристаллогра­фическая ориентация наращиваемого слоя повторяет кристаллографическую ориентацию подложки.

В настоящее время эпитаксия обычно используется для полу­чения тонких рабочих слоев до 15 мкм однородного полупроводника на сравнительно толстой подложке, играющей роль несущей конструк­ции.

Типовой - хлоридный процесс эпитаксии применительно к кремнию состоит в следующем (рисунок 3.1). Монокристаллические кремниевые пластины загружают в тигель «лодочку» и помещают в кварцевую трубу. Через трубу пропускают поток водорода , содержащий небольшую примесь тетрахлорида кремния SiCl4. При высокой температуре (около 1200° С) на поверхности пластин проис­ходит реакция SiCl4 + 2Н2 = Si + 4HC1.

В результате реакции на подложке постепенно осаждается слой чистого

кремния, а пары HCl уносятся потоком водорода. Эпитаксиальный слой осажденного кремния монокристалличен и имеет ту же кристаллографическую ориентацию, что и подложка. Хи­мическая реакция, благодаря подбору температуры, происходит только на поверхности пластины, а не в окружающем пространстве.

Рисунок 3.1 – Процесс эпитаксии

Процесс, проходящий в потоке газа, называют газотранспорт­ной реакцией, а основной газ (в данном случае водород), перенося­щий примесь в зону реакции, - газом-носителем.

Если к парам тетрахлорида кремния добавить пары соединений фосфора (РН3) или бора (В2Н6) , то эпитаксиальный слой будет иметь уже не собственную, а соответственно электрон­ную или дырочную проводимость (рисунок 3.2а), поскольку в ходе реакции в осаждающийся кремний будут внедряться донорные атомы фосфора или акцепторные атомы бора.

Таким образом, эпитаксия позволяет выращивать на подложке монокрис - тал­лические слои любого типа проводимости и любого удельного сопротив - ления, обладающие любым типом и ве­личиной проводимости, например, на рисунке 3.2а показан слой n, а можно сформировать слой n+ или р+.

Рисунок 3.2 – Подложки с эпитаксиальной и окисной пленками

Граница между эпитаксиальным слоем и подложкой не полу­чается идеально резкой, так как примеси в процессе эпитаксии частично диффундируют из одного слоя в другой. Это обстоятель­ство затрудняет создание сверхтонких (менее 1 мкм) и многослой­ных эпитаксиальных структур. Основную роль, в настоящее время, играет однослойная эпитаксия. Она существенно пополнила ар­сенал полупроводниковой технологии; получение таких тонких однородных слоевмкм), какие обеспечивает эпитаксия, невозможно иными средствами.

На рисунке 3.2а и последующих масштаб по вертикали не соблюдается.

В установке, показанной на рисунке 3.1, предусмотрены некоторые дополнительные операции: продувка трубы азотом и неглубокое травление поверхности кремния в парах НСl (с целью очистки). Эти операции проводятся до начала основных.

Эпитаксиальная пленка может отличаться от подложки по хи­мическому составу. Способ получения таких пленок называют гетероэпитаксией, в отличие от гомоэпитаксии, описанной выше. Конечно, при гетероэпитаксии и материалы пленки и подложки долж­ны по-прежнему иметь одинаковую кристаллическую решетку. Haпример, можно выращивать кремниевую пленку на сапфировой подложке.

В заключение заметим, что помимо описанной газовой эпитаксии, существует жидкостная эпитаксия, при которой наращивание монокристаллического слоя осуществляется из жид­кой фазы, т. е. из раствора, содержащего необходимые компоненты.

3.3 Термическое окисление

Окисление кремния - один из самых характерных процессов в технологии современных ППИМС. Получаемая при этом пленка дву­окиси кремния SiO2 (рисунок 3.2б) выполняет несколько важных функций, в том числе:

Функцию защиты - пассивации поверхности и, в частности, защиты вертикальных участков p- n переходов, выходящих на поверхность;

Функцию маски, через окна в которой вводятся необходимые примеси методом диффузии (рисунок 3.4б);

Функцию тонкого диэлектрика под затвором МОП-транзи­стора или конденсатора (рисунки 4.15 и 4.18в);

Диэлектрическое основание для соединения металлической пленкой элементов ПП ИМС (рисунок 4.1).

Поверхность кремния всегда покрыта «собственной» окисной пленкой, получающейся в результате «естественного» окисления при самых низких температурах. Однако эта пленка имеет слишком ма­лую толщину (около 5 нм), чтобы выполнять какую-либо из пере­численных функций. Поэтому при производстве полупроводниковых ИМС более толстые пленки SiO2 получа­ют искусственным путем.

Искусственное окисление кремния осуществляется обычно при высокой температуре (° С). Такое термическое окисление можно проводить в атмосфере кислорода (сухое окис­ление), в смеси кислорода с парами воды (влажное окисление ) или просто в парах воды.

Во всех случаях процесс проводится в окислительных печах. Основу таких печей составляет, как и при эпитаксии, кварцевая труба, в которой размещается «лодочка» с пластинами кремния, нагреваемая либо токами высокой частоты, либо иным путем. Че­рез трубу пропускается поток кислорода (сухого или увлажненного) или пары воды, которые реагируют с кремнием в высокотем­пературной зоне. Получаемая таким образом пленка SiO2 имеет аморфную структуру (рисунок 3.2б).

Очевидно, что скорость роста окисла со временем должна убы­вать, так как новым атомам кислорода приходится диффундировать через все более толстый слой окисла. Полуэмпирическая формула, связывающая толщину окисной пленки со временем термического окисления, имеет вид:

где k - параметр, зависящий от температуры и влажности кисло­рода.

Сухое окисление идет в десятки раз медленнее влажного. На­пример, для выращивания пленки SiO2 толщиной 0,5 мкм в сухом кислороде при 1000° С требуется около 5 ч, а во влажном - всего 20 мин. Однако, качество пленок, полученных во влажном кислороде, ниже. С уменьшением температуры на каждые 100° С время окис­ления возрастает в 2-3 раза.

В технологии ИМС различают «толстые» и «тонкие» окислы SiO2. Толстые окислы (d = 0,7-1,0 мкм) выполняют функции защиты и маскировки, а тонкие (d= 0,1-0,2 мкм) - функции подзатворного диэлектрика в МОП-транзисторах и конденсаторах.

Одной из важных проблем при выращивании пленки SiO2 яв­ляется обеспечение её однородности. В зависимости от качества поверхности пластины, от чистоты реагентов и режима выращи­вания в пленке возникают те или иные дефекты. Распространенным типом дефектов являются микро - и макропоры, вплоть до сквозных отверстий (особенно в тонком окисле).

Качество окисной пленки повышается с уменьшением темпе­ратуры ее выращивания, а также при использовании сухого кис­лорода. Поэтому тонкий подзатворный окисел, от качества которого зависит стабильность параметров МОП-транзистора, получают су­хим окислением. При выращивании толстого окисла чередуют су­хое и влажное окисление: первое обеспечивает отсутствие дефектов, а второе позволяет сократить время процесса.

Другие методы получения пленки SiO2 рассмотрены в .

3.4 Литография

В технологии полупроводниковых приборов важное место за­нимают маски: они обеспечивают локальный характер напыления, легирования, травления, а в некоторых случаях и эпитаксии. Всякая маска содержит совокупность заранее спроектированных от­верстий – окон. Изготовление таких окон есть задача литографии (гравировки). Ведущее место в технологии изготовления масок сох­раняют фотолитография и электронолитография .

3.4.1. Фотолитография. В основе фотолитографии лежит ис­пользование материалов, которые называют фоторезистами . Это разновидность фотоэмульсий, известных в обычной фотографии. Фоторезисты чувствительны к ультрафиолетовому свету, поэтому их можно обрабатывать в не очень затемненном помещении.

Фоторезисты бывают негативные и позитивные. Негативные фоторезисты под действием света полимеризуются и становятся устойчивыми к травителям (кислотным или щелочным). Значит, после локальной засветки будут вытравливаться не засвеченные участки (как в обычном фото негативе). В позитивных фоторезистах свет, наоборот, разрушает полимерные цепочки и, значит, будут вытравливаться засве­ченные участки.

Рисунок будущей маски изготав­ливается в виде так называемого фо ­тошаблона . Фотошаблон представляет собой толстую стеклян­ную пластину, на одной из сторон которой нанесена тонкая непрозрач­ная пленка с необходимым рисунком в виде прозрачных отверстий. Разме­ры этих отверстий (элементов рисунка) в масштабе 1: 1 соответствуют раз­мерам будущих элементов ИС, т. е. могут составлять 20-50 мкм и менее (до 2-3 мкм). Поскольку ИС изготавливаются групповым мето­дом, на фотошаблоне по «строкам» и «столбцам» размещается множество однотипных рисунков. Размер каждого рисунка соответствует размеру будуще­го кристалла ИС.

Процесс фотолитографии для получения окон в окисной маске SiO2, покрывающей поверхность кремниевой пластины, состоит в следующем (рисунок 3.3). На окисленную поверхность пластины наносится, например, негативный фото­резист (ФР). На пластину, покрытую фоторезистом, накладывают фотошаблон ФШ (рисунком к фоторезисту) и экспонируют его в ультрафиолетовых (УФ) лучах кварцевой лампы (рисунок 3.3а). После этого фотошаблон снимают, а фоторезист проявляют и закрепляют.

Если используется позитивный фоторезист, то после проявления и закрепления (которое состоит в задубливании и термо­обработке фоторезиста) в нем получаются окна на тех местах, ко­торые соответствуют прозрачным участкам на фотошаблоне.

Как говорят, рисунок перенесли с фотошаблона на фоторезист. Те­перь слой фоторезиста представляет собой маску, плотно при­легающую к окисному слою (рисунок 3.3б).

Через фоторезистивную мас­ку производится травление окисного слоя вплоть до крем­ния (на кремний данный травитель не действует). В качестве травителя используется плавиковая кислота и её соли. В результате рисунок с фоторе­зиста переносится на окисел. После удаления (стравлива­ния) фоторезистивной маски ко­нечным итогом фотолитогра­фии оказывается кремниевая пластина покрытая окисной маской с окнами (рисунок 3.3в). Через окна можно осуществлять диффузию, ионную имплантацию, травление и т. п.

Рисунок 3.3 – Процесс фотолитографии

В технологических циклах изготовления элементов ИМС процесс фотолитографии используется многократно (отдельно для получения базовых слоев, эмиттеров, омических контактов и т. д.). При этом возникает так называемая проблема совмещения фотошаблонов. При многократном использовании фотолитографии (в техноло­гии ППИМС до 5-7 раз) допуск на совмещение доходит до долей микрона. Техника совмещения состоит в том, что на фотошаблонах делают специальные «отметки» (например, крестики или квадраты), ко­торые переходят в рисунок на окисле и просвечивают сквозь тон­кую пленку фоторезиста. Накладывая очередной фотошаблон, аккуратнейшим образом (под микроскопом) совмещают отметки на окисле с аналогичными отметками на фотошаблоне.

Рассмотренный процесс фотолитографии характерен для полу­чения окисных масок на кремниевых пластинах с целью по­следующей локальной диффузии. В этом случае фоторезистивная ма­ска является промежуточной, вспомо­гательной, так как она не выдерживает высокой температуры, при которой проводится диффузия. Однако в некоторых случаях, когда процесс идет при низкой температуре, фоторезистивные ма­ски могут быть основными - рабочими. Примером может служить процесс создания металлической разводки в полупровод­никовых ИМС.

При использовании фотошаблона его эмульсионный слой изна­шивается (стирается) уже после 15-20 наложений. Срок службы фотошаблонов можно увеличить на два порядка и более путем металлизации: заменяя пленку фото­эмульсии на пленку износостойкого металла, обычно хрома.

Фотошаблоны изготавливаются комплектами по числу операций фотолитографии в технологическом цикле. В пределах комплекта фотошаблоны согласованы, т. е. обеспечивают совме­щение рисунков при совмещении соответствующих отметок.

3.4.2 Электронолитография. Описанные методы долгое время составляли одну из основ микроэлектронной технологии. Они и до сих пор не потеряли своего значения. Однако по мере по­вышения степени интеграции и уменьшения размеров элементов ИС возник ряд проблем, которые частично уже решены, а частично находятся в стадии изучения.

Одно из принципиальных ограничений касается разрешающей способ - ности , т. е. минимальных размеров в создаваемом рисунке маски. Дело в том, что длины волн ультрафиолетового света со­ставляют 0,3-0,4 мкм. Следова - тельно, каким бы малым не было отверстие в рисунке фотошаблона, размеры изображения этого отверстия в фоторезисте не могут достигать указанных значений (из-за дифракции). Поэтому, минимальная ширина элементов составляет около 2 мкм, а при глубоком ультрафиолете (длина волны 0,2-0,3 мкм) – около 1 мкм. Между тем размеры порядка 1-2 мкм уже оказываются недостаточно малыми при соз­дании больших и сверхбольших ИМС.

Наиболее очевидный путь для повышения разрешающей спо­собности лито - графии - использование при экспозиции более ко­ротковолновых излучений.

За последние годы разработаны методы электронной литогра­фии. Их сущность состоит в том, что сфокусированный пучок элек­тронов сканируют (т. е. перемещают «построчно») по поверхности пластины, покрытой электронорезистом, и управляют интенсивностью пучка в соответствии с заданной программой. В тех точках, которые должны быть «засвечены», ток пучка максимален, а в тех, которые должны быть «затемнены», - равен нулю. Диаметр пучка электронов находится в прямой зависимости от тока в пучке: чем меньше диаметр, тем меньше ток. Однако с уменьшением тока растет время экспозиции. Поэтому повышение разрешающей способности (уменьшение диаметра пучка) сопровождается увеличением дли­тельности процесса. Например, при диаметре пучка 0,2-0,5 мкм время сканирования пластины, в зависимости от типа электронорезиста и раз­меров пластины, может лежать в пределах от десятков минут до не­скольких часов.

Одна из разновидностей электронной литографии основана на отказе от электронорезистивных масок и предусматривает воздействие электрон­ного пучка непосредственно на окисный слой SiO2. Оказывается, что в местах «засветки» этот слой в дальнейшем травится в несколь­ко раз быстрее, чем в «затемненных» участках.

Минимальные размеры при электронолитографии составляют 0,2 мкм, хотя предельно достижимы – 0,1 мкм.

В стадии исследования находятся другие методы литографии, например, мягкое рентге­новское излучение (с длинами волн 1-2 нм) позволяет получить минимальные размеры 0,1 мкм, а ионно-лучевая литография 0,03 мкм.

3.5 Легирование

Внедрение примесей в исходную пластину (или в эпитаксиальный слой) путем диффузии при высокой температуре является ис­ходным и до сих пор основным способом легирования полупровод­ников с целью создания транзисторных структур и на их основе других элементов. Однако за последнее время широкое распространение получил и другой способ легирования - ионная имплантация.

3.5.1 Способы диффузии. Диффузия может быть общей и локальной. В первом случае она осуществляется по всей поверхности пластины (рисунок 3.4а), а во втором - на определенных участках пла­стины через окна в маске, например, в толстом слое SiO2 (рисунок 3.4б).

Общая диффузия приводит к образованию в пластине тон­кого диффузионного слоя, который отличается от эпитаксиального неоднородным (по глубине) распределением примеси (см. кривые N(x) на рисунках 3.6а и б).

Рисунок 3.4 – Общая и локальная диффузии

В случае локальной диффузии (рисунок 3.4б) примесь распространяется не только в глубь пластины, но и во всех перпендикулярных на­правлениях, т. е. под маску. В результате этой так называемой боковой диффузии участок р-n перехода, выходящий на по­верхность, оказывается «автоматически» защищенным окислом. Соотношение между глубинами боковой и основной -

«вертикальной» диффузии зависит от ряда факторов, в том числе от глубины диффузионного слоя. Типичным для глубины боковой диффузии можно считать значение 0,8×L.

Диффузию можно проводить однократно и многократно. На­пример, в исходную пластину n-типа можно во время 1-й диффузии внедрить акцеп - торную примесь и получить р-слой, а затем во время 2-й диффузии внедрить в полученный р-слой (на меньшую глубину) донорную примесь и тем самым обеспечить трехслойную структуру. Соответственно различают двойную и тройную диффузию (см раздел 4.2).

При проведении многократной диффузии следует иметь в виду, что концентрация каждой новой вводимой примеси должна превышать концен - трацию предыдущей, в противном случае тип проводи­мости не изменится, а значит, не образуется р-n переход. Между тем концентрация примеси в кремнии (или другом исходном мате­риале) не может быть сколь-угодно большой: она ограничена особым параметром - предельной растворимостью примеси NS . Предельная растворимость зависит от температуры. При некоторой темпера­туре она достигает максимального значения, а затем снова уменьшается. Максимальные предельные растворимости вместе с со­ответствующими температурами приведены в таблице 3.1.

Таблица 3.1

Следовательно, если проводится многократная диффузия, то для последней диффузии нужно выбирать материал с максимальной предельной растворимостью. Поскольку ассортимент примесных материалов ограничен,

не удается обеспечить более 3-х последо­вательных диффузий.

Примеси, вводимые путем диффузии, называют диффузантами (бор, фосфор и др.). Источниками диффузантов являются их химические соединения. Это могут быть жидкости (ВВr3, РОСl), твердые тела (В2О3, P2O5) или газы (В2Н6, РН3).

Внедрение примесей обычно осуществляется с помощью газотран - спортных реакций - так же, как при эпитаксии и окислении. Для этого используются либо однозонные, либо двухзонные диф­фузионные печи .

Двухзонные печи используются в случае твердых диффузантов. В таких печах (рисунок 3.5) имеются две высокотемпературные зоны, одна - для испарения источника диффузанта, вторая - собственно для диффузии.

Рисунок 3.5 - Процесс диффузии

Пары источника диффузанта, полученные в 1-й зоне, примешиваются к по - току нейтрального газа-носителя (напри­мер, аргона) и вместе с ним доходят до 2-й зоны, где расположены пластины кремния. Температура во 2-й зоне выше, чем в 1-й. Здесь атомы диффузанта внедряются в пластины, а другие составляющие химического соединения уносятся газом-носителем из зоны.

В случае жидких и газообразных источников диффузанта нет необходи - мости в их высокотемпературном испарении. Поэтому ис­пользуются однозон - ные печи, как при эпитаксии, в которые источник диффузанта поступает уже в газообразном состоянии.

При использовании жидких источников диффузанта диффузию проводят в окислительной среде, добавляя к газу-носителю кисло­род. Кислород окисляет поверхность кремния, образуя окисел SiO2, т. е. в сущности - стекло. В присут - ствии диффузанта (бора или фосфора) образуется боросиликатное или фосфорносиликатное стекло. При температуре выше 1000оС эти стекла находятся в жид­ком состоянии, покрывая поверхность кремния тонкой пленкой, так что диффузия примеси идет, строго говоря, из жидкой фазы. После застывания стекло защищает поверхность кремния в местах диффузии,

т. е. в окнах окисной маски. При использовании твердых источников диффузанта - окислов - образование стекол происходит в процессе диффузии без специально вводимого кислорода.

Различают два случая распределения примеси в диффузионном слое.

1 Случай неограниченного источника примеси. В этом случае диф-фузант непрерывно поступает к пластине, так что в её приповерхностном слое концентрация примеси поддерживается постоянной равной NS. С увеличением времени диффузии увеличивается глубина диффузионного слоя (рисунок 3.6а).

2 Случай ограниченного источника примеси. В этом случае сначала в тонкий приповерхностный слой пластины вводят некоторое количество атомов диффузанта (время t1), а затем источник диффузанта отключают и атомы примеси перераспределяются по глубине пластины при неизменном их общем количестве (рисунок 3.6б). При этом концентрация примеси на поверхности снижается, а глубина диффузионного слоя увеличивается (кривые t2 и t3). Первую стадию процесса называют ²загонкой², вторую - ²разгонкой² примеси.

Рисунок 3.6 – Распределение диффузанта

3.5.2 Ионная имплантация.

Ионной имплантацией называют метод легирования пластины (или эпитаксиального слоя) путем бомбардировки ионами примеси, ускоренными до энергии, доста­точной для их внедрения в глубь твердого тела.

Ионизация атомов примеси, ускорение ионов и фокусировка ионного пучка осуществляются в специальных установках типа ускорителей частиц в ядерной физике. В качестве примесей ис­пользуются те же материалы, что и при диффузии.

Глубина внедрения ионов зависит от их энергии и массы. Чем больше энергия, тем больше получается толщина имплантирован­ного слоя. Однако с ростом энергии возрастает и количество ра­диационных дефектов в кристалле, т. е. ухудшаются его электрофи­зические параметры. Поэтому энергию ионов ограничивают вели­чиной 100-150 кэВ. Нижний уровень составляет 5-10 кэВ. При таком диапазоне энергии глубина слоев лежит в пределах 0,1 - 0,4 мкм, т. е. она значительно меньше типичной глубины диффузионных слоев.

Концентрация примеси в имплантированном слое зависит от плотности тока в ионном пучке и времени процесса или, как говорят, от времени экспо -зиции. В зависимости от плотности тока и жела­емой концентрации время экспозиции составляет от нескольких секунд до 3-5 мин и более (иногда до

1-2 ч). Разу­меется, чем больше время экспози­ции, тем опять же больше количест­во радиационных дефектов.

Типичное распределение примеси при ионной имплантации показано на рисунке 3.6в сплошной кривой. Как видим, это распределение существенно отличается от диффузионного наличием максимума на определенной глубине.

Поскольку площадь ионного пуч­ка (1-2 мм2) меньше площади пла­стины (а иногда и кристалла), при­ходится сканировать пучок, т. е. плавно или «шага - ми» перемещать его (с помощью специальных отклоняющих систем) пооче - редно по всем «строкам» пластины, на которых расположены отдельные ИМС.

По завершении процесса легирования пластину обязательно под­вергают отжигу при температуре ° С для того, чтобы упо­рядочить кристал - лическую решетку кремния и устранить (хотя бы частично) неизбежные радиа-ционные дефекты. При температуре отжига процессы диффузии несколько меняют профиль распре­деления (см. штриховую кривую на рисунке 3.6в).

Ионная имплантация проводится через ма­ски, в которых длина пробега ионов должна быть значительно мень­ше, чем в кремнии. Материалом для масок могут служить распро­страненные в ИМС двуокись кремния или алюминий . При этом важным достоинством ионной имплантации является то, что ионы, двигаясь по прямой линии, внедряются только в глубь пластины, а анало­гия боковой диффузии (под маску) практиче­ски отсутствует.

В принципе ионную имплантацию, как и диффузию, можно проводить многократно, «встраивая» один слой в другой. Однако сочетание энергий, времен экспозиции и режимов отжига необхо­димое для многократной имплантации, оказывается затруднитель­ным. Поэтому ионная имплантация получила главное распростра­нение при создании тонких одинарных слоев.

3.6 Нанесение тонких пленок

Тонкие пленки не только являются основой тонкопленочных гибридных ИМС, но широко используются и в полупроводниковых интеграль­ных схемах. Поэтому методы получения тонких пленок относятся к общим вопросам технологии микроэлектроники.

Существует три основных метода нанесения тонких пленок на подложку и друг на друга: термическое (вакуумное) и ионо-плазменное напыление, которое имеет две разновидности: катодное напыление и собственно ионно-плазменное.

3.6.1 Термическое (вакуумное) напыление.

Принцип этого метода напыления показан на рисунке 3.7а. Металлический или стеклянный колпак 1 расположен на опорной плите 2. Между ними находится проклад­ка 3, обеспечивающая поддержание ва­куума после откачки воздуха из подколпачного пространства. Подложка 4, на которую проводится напыление, закреплена на держателе 5. К держателю примыкает нагреванапыление проводится на нагретую подложку). Испари­тель 7 включает в себя нагреватель и источник напыляемого вещества. Пово­ротная заслонка 8 перекрывает поток паров от испарителя к подложке: напы­ление длится в течение времени, когда заслонка открыта.

Нагреватель обычно представляет собой нить или спираль из тугоплавко­го металла (вольфрам, молибден и др.), через которую пропускается достаточно большой ток. Источник напыляемого вещества связывается с нагревателем по-разному: в виде скобок («гусариков»), навешиваемых на нить накала; в виде небольших стержней, охватываемых спиралью, в виде порошка, засыпанного в

Рисунок 3.7 – Нанесение пленок

тигель, нагреваемый спиралью, и т. п. Вместо нитей накала в по­следнее время используют нагрев с помощью электронного луча или луча лазера.

На подложке создаются наиболее благоприятные условия для конденсации паров, хотя частично конденсация происходит и на стенках колпака. Слишком низкая температура подложки пре­пятствует равномерному распределению адсорбируемых атомов: они группируются в «островки» разной толщины, часто не связанные друг с другом. Наоборот, слишком высокая температура под­ложки приводит к отрыву только что осевших атомов, к их «реиспарению». Поэтому для получения качественной пленки температура подложки должна лежать в некоторых оптимальных пределах (обычно 200-400° С). Скорость роста пленок в зависимости от ряда факторов (температура подложки, рас­стояние от испарителя до подложки, тип напыляемого материала и др.) лежит в пределах от десятых долей до десятков нанометров в секунду.

Прочность связи - сцепления пленки с подложкой или другой пленкой - называется адгезией . Некоторые распространенные ма­териалы (например, золото) имеют плохую адгезию с типичными под­ложками, в том числе с кремнием. В таких случаях на подложку сна­чала наносят так называемый подслой , характерный хорошей адге­зией, а затем на него напыляют основной материал, у которого адгезия с подслоем тоже хорошая. Например, для золота подслоем могут быть никель или титан.

Для того чтобы атомы напыляемого материала, летящие от испарителя к подложке, испытывали минимальное количество столкновений с атомами оста­точного газа и тем самым минимальное рассеяние, в подколпачном пространстве нужно обеспечивать достаточно высокий вакуум. Критерием необходимого вакуума может служить условие, чтобы средняя длина свободного пробега атомов в несколько раз превышала расстояние между испарителем и подложкой. Однако этого условия часто недостаточно, так как любое количество остаточного газа чревато загрязнением напыляемой пленки и изменением ее свойств. Поэтому в принципе вакуум в установках термического напыления должен быть как можно более высоким. В настоящее время вакуум ниже 10-6 мм рт. ст. считается неприемлемым, а в ряде первоклассных напылительных установок он доведен до 10-11 мм рт. ст.

Особенностью полупроводниковых ИМС является то, что все элементы изготавливают одновременно в едином технологическом цикле, отдельные операции которого (окисление и травление, диффузия, эпитаксия) выполняются в одной и той же среде.

При создании активных и пассивных элементов современных ИМС используют следующие основные технологические операции: окисление, травление, литографию, диффузию, ионное легирование, эпитаксию, напыление и нанесение пленок.

Окисление. Кремниевую пластину нагревают до 800 - -1200 °С и подвергают воздействию кислорода или насыщенных водяных паров. В такой окислительной среде атомы на поверхности пластины взаимодействуют с кислородом и образуют тонкий диэлектрический слой. На начальных этапах изготовления ИМС слой толщиной 1-3 мкм используют как маску для проведения избирательной диффузии на участках пластины, не покрытых этим слоем. При помощи этого слоя предотвращается диффузия примесей в полупроводник, находящийся под слоем, так как коэффициент диффузии примесей в двуокиси кремния значительно меньше, чем в полупроводнике. Диэлектрическую пленку используют также в качестве диэлектрика для затвора МДП-транзисторов. На последнем этапе изготовления ИМС диэлектрический слой применяют для пассивации кристалла: этот слой, покрывая всю поверхность кристалла, предохраняет ИМС от воздействия окружающей среды.

Более современным является анодное окисление кремния, позво­ляющее формировать диэлектрическую пленку на поверхности кремния почти любой толщины путем выбора режима анодного окисления. В отличие от термического окисления это низкотемпературный процесс, который избавляет от нескольких высокотемпературных обработок, связанных с выполнением термического окисления при формирований масок.

Травление проводится в плавиковой кислоте, в которой этот слой растворяется. На тех участках пластины, на которых необходимо прово­дить диффузию, в слое при помощи плавиковой кислоты вытравливают окна требуемых размеров.

Фотолитография. (Рис. 3.1) Окна на поверхности пластины, используемые для проведения диффузии, наносятся фотолитографическим методом. При этом поверх слоя; на пластину наносят фоторезистор, представляющий собой тонкую пленку светочувствительного органического материала. Затем накладывается фотошаблон в виде стеклянной контактной маски, на которой имеется рисунок, состоящий из прозрачных и непрозрачных областей. Через маску фоторезистор подвергается облучению ультрафиолетовыми лучами, в результате чего при действии проявителя на облученных участках фоторезистор не проявляется. Таким образом, на поверхности пластины остается рисунок определенной конфигурации и соответствующих размеров. При травлении пластины в плавиковой кислоте для удаления слоя фоторезистор не растворяется, поэтому окна вскрываются только на участках, не покрытых экспонированным фоторезистором. Через эти окна и проводится, диффузия.

Рис. 3.1. Схема процесса создания ИМС по планарно-эпитаксиальной технологии: а - эпитаксиальная структура после выращивания слоя оксида кремния; б – пластины с нанесенным слоем фоторезиста; в – схема операции совмещения и экспонирования; г – пластина после проявления фоторезиста; д – пластина после вытравливания отверстия в оксиде и удаления фоторезиста; е – пластина после проведения процесса диффузии и получения p – n-переходов; ж – пластина после вытравливания отверстия в слое оксида кремния для нанесения металлических контактов; з – пластина со сформированными структурами интегральных микросхем; 1 – пластина; 2 – эпитаксиальный слой кремния; 3 – слой оксида кремния SiO 2 ; 4 – слой фоторезиста; 5 – фотошаблон; 6 – отверстие в фоторезисте; 7 - отверстие в оксиде кремния; 8 – граница p – n-перехода; 9 – металлический контакт.

Фотолитография позволяет создавать рисунки с размерами элементов не менее 2 мкм. Этим размером ограничивается плотность компоновки элементов на пластинах.

Более высокой разрешающей способностью обладает электронно­лучевая литография. При прямой экспозиции полупроводниковой пластины в электронном луче можно создавать полоски в 20 раз более узкие, чем при фотолитографии, тем самым, уменьшая размеры элементов до 0,1 мкм.

Диффузия примесей применяется для легирования пластины с целью формирования р- и n-слоев, образующих эмиттер, базу, коллектор биполярных транзисторов, сток, исток, канал униполярных транзисторов, резистивные слои, а также изолирующие p-n-переходы. Для диффузии примесей пластины нагреваются до 800-1250 °С и над ее поверхностью пропускается газ, содержащий примесь. Примесь диффундирует в глубь пластины через окна. Глубину залегания диффузионного слоя и его сопротивление регулируют путем изменения режима диффузии (температуры и продолжительности диффузии).

Ионное легирование. Вместо диффузии для имплантации примесей в полупроводник применяют ионное легирование. Для этого ионы примесей ускоряют в ускорителе до 80-300 кэВ, а затем их направляют на подложку, защищая при помощи маски те участки, которые не должны подвергаться легированию. Введение примесей в широком диапазоне концентраций и возможность осуществления более точного контроля дозировок примесей позволяют изменять параметры элементов в требуемых пределах. Поэтому вместо диффузии все больше применяют ионное легирование, хотя ее внедрение связано с переоснащением производства ИМС дорогостоящим оборудованием.

В производстве полупроводниковых ИС и многих дискретных приборов необходимо на подложке создавать однородно легированные по толщине слои одноименного ей полу проводника, а в некоторых случаях и полупроводника другого вида, с иной шириной запрещенной зоны. В частности, это необходимо для расширения функциональных возможностей схем, улучшения их параметров путем, например, формирования скрытых под такими слоями участков высокой проводимости (скрытых слоев).

Термин «эпитаксия», впервые предложенный Руайе, отражает в настоящее время процесс ориентированного нарастания, в результате которого образующаяся новая фаза закономерно продолжает кристаллическую решетку имеющейся фазы подложки с образованием некоторого переходного слоя, способствующего когерентному срастанию двух решеток по плоскости подложки со сходной плотностью упаковки атомов. По окончании формирования переходного слоя эпитаксиальный процесс продолжается с образованием слоя требуемой толщины.

Эпитаксиальный слой (ЭС) - это монокристаллический слой новой
фазы, выросший в результате эпитаксии на поверхности
монокристаллической подложки строго определенным образом, который
имеет прочную кристаллохимическую связь с подложкой и не может быть
отделен от нее без разрушения слоя или поверхности подложки. ЭС
практически продолжает кристаллическую решетку подложки и
ориентирован строго определенным образом относительно кристаллографической плоскости, выходящей на ее поверхность.

Основное физическое явление, которое имеет место в процессе эпитаксии, - это кристаллизация вещества. Под кристаллизацией вещества понимают появление зародышей твердой фазы и их рост. В зависимости от того, из каких составов получают ЭС, различают следующие механизмы кристаллизации:

Механизм пар - кристалл (П - К), когда образование твердой фазы происходит из парообразного или газообразного состояния вещества;

Механизм пар - жидкость - кристалл (П - Ж - К), когда образование твердой фазы из парообразного состояния проходит стадию жидкого состояния. Примером может служить кристаллизация Ge на подложке Si, если последнюю нагреть до температуры, превышающей температуру плавления Ge;

Механизм твердое тело - кристалл (Т - К), когда выращивание эпитаксиального слоя производится из электролитов или расплавов.

Напыление и нанесение пленок. Элементы полупроводниковых ИМС соединяются между собой с помощью проводящего рисунка, по­лученного путем напыления металлической пленки. Для этого после вытравления с помощью фотолитографии окон под контакты в вакууме напыляется алюминиевая пленка на всю поверхность пластины. Путем напыления формируют также металлизированные площадки, к которым путем термокомпрессионной сварки привариваются выводы микросхемы и тонкие проволочки, соединяющие бескорпусные транзисторы в гибридных ИМС. В последнее время вместо проволочных перемычек применяют балочные выводы, представляющие собой золотые удлиненные выступы. Во время сборки гибридной ИМС балочные выводы совмещают с контактными площадками на подложке и припаивают к ним, нагревая до температуры, при которой образуется эвтектический спай. Наконец путем напыления и нанесения пленок изготавливают пассивные элементы в совмещенных и гибридных ИМС в виде толстых и тонких пленок. Интегральная электроника на сегодняшний день является одной из наиболее бурно развивающихся отраслей современной промышленности. Одной из составных частей данной науки является схемотехническая микроэлектроника. На каждом новом этапе развития технологии производства интегральных микросхем (ИМС) создаются принципиально новые методы изготовления структур ИМС, отражающие последние достижения науки.

Технология изготовления интегральных микросхе

Производство интегральных микросхем состоит из ряда операций, выполняя которые постепенно из исходных материалов получают готовое изделие. Количество операций технологического процесса может достигать 200 и более, поэтому рассмотрим только базовые.

Эпитаксия - это операция наращивания на подложке монокристаллического слоя, повторяющего структуру подложки и ее кристаллографическую ориентацию. Для получения эпитаксиальных пленок толщиной от 1 до 15 мкм обычно применяется хлоридный метод, при котором полупроводниковые пластины после тщательной очистки поверхности от различного рода загрязнений помещают в кварцевую трубу с высокочастотным нагревом, где пластины нагреваются до 1200±3 оС. Через трубу пропускают поток водорода с небольшим содержанием тетрахлорида кремния. Образующиеся при реакции атомы кремния занимают места в узлах кристаллической решетки, из-за чего растущая пленка продолжает кристаллическую структуру подложки. При добавлении в смесь газов газообразных соединений доноров наращиваемый слой приобретает дырочную проводимость.

Легирование - это операция введения примесей в подложку. Существуют два метода легирования: диффузия примесей и ионная имплантация.

Диффузия примесей представляет собой обусловленное тепловым движением перемещение частиц в направлении убывания их концентрации. Основной механизм проникновения примесных атомов в кристаллическую решетку состоит в их последовательном перемещении по вакансиям решетки. Диффузия примесей осуществляется в кварцевых печах при температуре 1100-1200 оС, поддерживаемой с точностью ±0,5 оС. Через печь пропускается нейтральный газ-носитель (N2 или Аг), который переносит частицы диффузанта (В2О3 или Р2О5) к поверхности пластин, где в результате химических реакций выделяются атомы примесей (В или Р), которые диффундируют вглубь пластин.

Ионное легирование широко используется при создании БИС и СБИС. По сравнению с диффузией процесс ионного легирования занимает меньше времени и позволяет создавать слои с субмикронными горизонтальными размерами, толщиной менее 0,1 мкм, с высокой воспроизводимостью параметров.

Термическое окисление применяется для получения тонких пленок диоксида кремния SiО2, оно основано на высокотемпературных реакциях кремния с кислородом или кислородосодержащими веществами. Окисление происходит в кварцевых печах при температуре 800-1200 оС с точностью ±1 оС..

Травление применяется для очистки поверхности полупроводниковых пластин от различного рода загрязнений, удаления слоя SiО2, также для создания на поверхности подложек канавок и углублений. Травление может быть как жидкостным, так и сухим.

Жидкостное травление осуществляется с помощью кислоты, либо щелочи. Кислотное травление применяют при подготовке пластин кремния к изготовлению структур микросхем с целью получения зеркально гладкой поверхности, а также для удаления пленки SiО2 и формирования в ней отверстий. Щелочное травление применяют для получения канавок и углублений.

Литография - это процесс формирования отверстий в масках, применяемых для локальной диффузии, травления, окисления и других операций. Существует несколько разновидностей этого процесса.

Фотолитография основана на использовании светочувствительных материалов - фоторезистов, которые могут быть негативными и позитивными. Негативные фоторезисты под действием света полимеризуются и становятся устойчивыми к травителям. В позитивных фоторезистах свет, наоборот, разрушает полимерные цепочки, поэтому засвеченные участки фоторезиста разрушаются травителем. При производстве ППИС слой фоторезиста наносят на поверхность SiО2, а при производстве ГИС - на тонкий слой металла, нанесенный на подложку, или на тонкую металлическую пластину, выполняющую функции съемной маски.

Необходимый рисунок элементов ИС получают путем облучения фоторезистасветом через фотошаблон, представляющий собой стеклянную пластину, на одной из сторон которой имеется позитивный или негативный рисунок элементов ИС в масштабе 1:1. При производстве ИС используется несколько фотошаблонов, каждый из которых задает рисунок тех или иных слоев (базовых и эмиттерных областей, контактных выводов и т. д.).

После облучения светом неполимеризованные участки фоторезиста удаляются травителем и на поверхности SiО2 (или металлической пленки) образуется фоторезистивная маска, через отверстия в которой осуществляют травление SiО2 (или металлической пленки), в результате чего рисунок фотошаблона оказывается перенесенным на поверхность подложки.

Рентгеновская литография использует мягкое рентгеновское излучение с длиной волны около 1 нм, что позволяет получить D » 0,1 мкм. Фотошаблон в этом случае представляет собой такую мембрану (около 5 мкм), прозрачную для рентгеновских лучей, на которой методом электронно-лучевой литографии создан рисунок элементов ИС.

Ионно-лучевая литография использует облучение резиста пучком ионов. Чувствительность резиста к ионному облучению во много раз выше, чем к электронному, что позволяет использовать пучки с малыми токами и соответственно малым диаметром (до 0,01 мкм). Система ионно-лучевой литографии технологически совместима с установками ионного легирования.

Технология изготовления полупроводниковых микросхем

В зависимости от разновидности полупроводниковой технологии (локализация и литография, вакуумное напыление и гальваническое осаждение, эпитаксия, диффузия, легирование и травление) получают области с различной проводимостью, которые эквивалентны емкости, либо активным сопротивлениям, либо различным полупроводниковым приборам. Изменяя концентрацию примесей, можно получить в кристалле многослойную структуру, воспроизводящую заданную электрическую схему.

В настоящее время применяют групповые способы изготовления полупроводниковых интегральных микросхем, позволяющие за один технологический цикл получить несколько сотен заготовок микросхем. Наибольшее распространение получил групповой планарный способ, заключающийся в том, что элементы микросхем (конденсаторы, резисторы, диоды и транзисторы) располагаются в одной плоскости или на одной стороне подложки.

Рассмотрим основные технологические процессы, применяемые при изготовлении полупроводниковых микросхем (термическое оксидирование, литография, эпитаксия, диффузия и ионное легирование) .

Рис. 22. Перенос изображений с помощью негативного (а) и позитивного (б) фоторезистов:
1 -основа фотошаблона, 2 - непрозрачные участки рисунка фотошаблона, 3 - фоторезистивный слой, 4 - подложка

Термическое оксидирование мало чем отличается от типовых технологических процессов, известных при производстве полупроводниковых приборов. В технологии кремниевых полупроводниковых микросхем оксидные слои служат для изоляции отдельных участков полупроводникового кристалла (элементов, микросхемы) при последующих технологических процессах.

Литография является самым универсальным способом получения изображения элементов микросхемы на кристалле полупроводника и делится на три вида: оптическая, рентгеновская и электронная.

В производстве полупроводниковых интегральных микросхем самый универсальный технологический процесс - это оптическая литография или фотолитография. Сущность процесса фотолитографии основана на использовании фотохимических явлений, происходящих в светочувствительных покрытиях (фоторезистах) при экспонировании их через маску. На рис. 22, а показан процесс негативного, а на рис. 22, б - позитивного переноса изображений с помощью фоторезистов, а на рис. 23 приведена схема технологического процесса фотолитографии.

Весь процесс фотолитографии с помощью фоторезистивной маски состоит из трех основных этапов: формирования на поверхности подложки фото-резистивного слоя 1, фоторезистивной контактной маски II и передачи изображения с фотошаблона на фоторе-зистивный слой III.

Фотолитография может производиться бесконтактным и контактным способами. Бесконтактная фотолитография по сравнению с контактной дает более высокую степень интеграции более высокие требования к фотообо-рудованию.

Процесс получения рисунка микросхемы фотолитографическим способом сопровождается рядом контрольных операций, предусмотренных соответствующими картами технологического контроля.

Рентгеновская литография позволяет получить более высокую разрешающую способность (большую степень интеграции), так как длина волны рентгеновских лучей короче, чем световых. иднако рентгенолитография требует более сложного технологического оборудования.

Электронная литография (электронно-лучевое экспонирование) выполняется в специальных вакуумных установках и позволяют получить высокое качество рисунка микросхемы. Этот вид литографии легко автоматизируется и имеет ряд преимуществ при получении больших интегральных микросхем с большим (более 105) числом элементов.

В настоящее время полупроводниковые элементы и компоненты микросхем получают тремя методами: эпитаксии, термической диффузии и ионного легирования.

Эпитаксия-процесс выращивания слоев с упорядоченной кристаллической структурой путем реализации ориентирующего действия кристалла подложки. Ориентированно выраженные слои нового вещества, закономерно продолжающие кристаллическую решетку подложки, называют эпитаксиальными слоями. Эпитаксиальные слои на кристалле выращивают в вакууме. Процессы эпитаксиального выращивания полупроводниковых слоев аналогичны получению тонких пленок. Эпитаксию можно разделить на следующие этапы: доставка атомов или молекул вещества слоя на поверхность кристалла подложки и миграция их по поверхности; начало группирования частиц вещества около поверхностных центров кристаллизации и образование зародышей слоя; рост отдельных зародышей до их слияния и образования сплошного слоя.

Эпитаксиальные процессы могут быть очень разнообразными. В зависимости от используемого материала (полупроводниковой пластины и легирующих элементов) с помощью процесса эпитаксии можно получить однородные (мало отличающиеся) по химическому составу электронно-дырочные переходы, а также однослойные и многослойные структуры наращивания слоев различных типов проводимости. Этим методом можно получить сложные сочетания: полупроводник - полупроводник; полупроводник -

Диэлектрик; полупроводник - металл.

В настоящее время наиболее широко применяют избирательный локальный эпитаксиальный рост с использованием Si02 - контактных масок с эпитаксиально-планарной технологией.

Для получения заданных параметров эпитаксиальных слоев осуществляют контроль и регулировку толщины, удельного сопротивления, распределения концентрации примеси по толщине слоя и плотности дефектов. Эти параметры слоев определяют пробивные напряжения и обратные токи р-гс-переходов, сопротивления насыщения транзисторов, внутреннее сопротивление и вольт-фа-радные характеристики структур.

Термическая диффузия - это явление направленного перемещения частиц вещества в сторону убывания их концентрации, которое определяется градиентом концентрации.

Термическую диффузию широко используют для введения легирующих примесей в полупроводниковые пластины или в выращенные на них эпитаксиальные слои с целью получения элементов микросхемы противоположного по сравнению с исходным материалом типа проводимости, либо элементов с более низким электрическим сопротивлением. В первом случае получают, например, эмиттеры, во втором- коллекторы.

Диффузию, как правило, проводят в специальных кварцевых ампулах при 1000-1350° С. Способ проведения диффузии и диф-фузант (примесь) выбирают в зависимости от свойств полупроводника и требований, предъявляемых к параметрам диффузионных структур. Процесс диффузии предъявляет высокие требования к оборудованию и частоте легирующих примесей и обеспечивает получение слоев с высокой точностью воспроизведения параметров и толщин. Свойства диффузионных слоев тщательно контролируют, обращая внимание на глубину залегания р-гс-перехода, поверхностное сопротивление или поверхностную концентрацию примеси, распределение концентрации примеси по глубине диффузионного слоя и плотность дефектов диффузионного слоя.

Дефекты диффузионных слоев (эрозию) проверяют с помощью микроскопа с большим увеличением (до 200х) или электрорадиографии.

Ионное легирование также получило широкое применение при изготовлении полупроводниковых приборов с большой плоскостью переходов, солнечных батарей и др.

Процесс ионного легирования определяется начальной кинетической энергией ионов в полупроводнике и выполняется в два этапа. Сначала в полупроводниковую пластину на вакуумной установке с дуговым разрядом внедряют ионы, а затем проводят отжиг при высокой температуре, в результате чего восстанавливается нарушенная структура полупроводника и ионы примеси занимают узлы кристаллической решетки. Метод получения полупроводниковых элементов наиболее перспективен при изготовлении различных СВЧ-структур.

Основные технологические этапы получения полупроводниковых микросхем показаны на рис. 24. Самым распространенным методом получения элементов в микросхеме (разделения участков микросхемы) является изоляция оксидной пленкой, получаемой в результате термообработки поверхности кристалла (подложки).

Чтобы получить изолирующие р-гс-переходы на подложке кремниевой пластины 1, ее обрабатывают в течение нескольких часов в окислительной среде при 1000-1200° С. Под действием окислителя эпитаксиальный полупроводниковый поверхностный слой кремния 2 окисляется. Толщина оксидной пленки 3 - несколько десятых долей микрона. Эта пленка препятствует проникновению в глубь кристалла атомов другого вещества. Но если снять пленку с поверхности кристалла в определенных местах, то с помощью диффузии или других рассмотренных выше методов можно ввести в эпитаксиальный слой кремния примеси, создав тем самым участки различной проводимости. После того как на подложке получена оксидная пленка, на подложку наносят светочувствительный слой - фоторезист 4. Далее этот слой используют для получения в нем рисунка фотошаблона 5 в соответствии с топологией микросхемы.

Перенос изображения с фотошаблона на окисленную поверхность кремниевой пластины, покрытую слоем фоторезиста, чаще всего производят фотографией, а экспонирование - ультрафиолетовым светом или рентгеном. Затем подложку с экспонированным рисунком проявляют. Те участки, которые освещались, растворяются в кислоте, обнажая поверхность оксида кремния 6. Те же участки, которые не экспонировались, кристаллизуются и становятся нерастворимыми участками 7. Полученную подложку с нанесенной на ней рельефной схемой расположения изолирующих переходов промывают и сушат. После травления незащищенных участков оксида кремния защитный слой фоторезиста удаляют химическим способом. Таким образом, на подложке получают «окна». Такой способ получения рисунка схемы называют позитивным.

Рис. 24. Основные технологические этапы получения полупроводниковых микросхем

Через обнаженные участки 6 подложки методом диффузии вводят примеси атомов бора или фосфора, которые создают изолирующий барьер 8. На полученных изолированных друг от друга участках подложки методом вторичной диффузии, травления, наращивания или другим методом получают активные и пассивные элементы схемы и токопроводящие пленки 9.

Технология получения полупроводниковых интегральных схем состоит из 15-20, а иногда и более операций. После того как
получены все компоненты схем и пленка оксида вытравлена с тех мест, где будут находиться выводы компонентов, полупроводниковую схему покрывают методом напыления или гальванического осаждения пленкой алюминия. С помощью фотолитографии с последующим травлением получают внутрисхемные соединения.

Поскольку в едином технологическом цикле на подложке изготовляют большое количество однотипных интегральных схем, пластины разрезают на отдельные кристаллы, каждый из которых содержит готовую микросхему. Кристаллы приклеивают к держателю корпуса, а электрические контакты микросхемы методом пайки, сварки и термокомпрессии соединяют с выводами проволочными перемычками. Готовые микросхемы при необходимости герметизируют одним из описанных ниже способов.

Промышленность выпускает большую номенклатуру полупроводниковых интегральных микросхем. Например, кремниевые микросхемы с диодно-транзисторными связями предназначены для работы в логических узлах ЭВМ и узлах автоматики; германиевые полупроводниковые микросхемы с непосредственными связями являются универсальными логическими переключающими элементами НЕ - ИЛИ.

Дальнейшим развитием технологии производства интегральных микросхем явилось создание схем с большой интеграцией микроэлементов.

В совмещенной интегральной микросхеме элементы выполнены в объеме и на поверхности полупроводниковой подложки комбинированием технологии изготовления полупроводниковых и пленочных микросхем. В монокристалле кремния - подложке методами диффузии, травления и другими получают все активные элементы (диоды, транзисторы и др.), а затем на эту подложку, покрытую плотной пленкой оксида кремния, напыляют пассивные элементы (резисторы, конденсаторы) и токопроводящие проводники. Совмещенную технологию применяют для изготовления микро-мощных и быстродействующих интегральных микросхем.

Для получения контактных площадок и выводов микросхемы на подложку осаждают слой алюминия. Подложка со схемой крепится на внутреннем основании корпуса, контактные площадки на монокристалле соединяются проводниками с выводами корпуса микросхемы.

Совмещенные интегральные микросхемы конструктивно могут быть выполнены в виде моноблока довольно малых размеров. Например, двухкаскадный высокочастотный усилитель, состоящий из двух транзисторов и шести пассивных элементов, размещается на монокристалле кремния размером 2,54X1,27 мм.

Быстрый рост интеграции полупроводниковых микросхем при разработке РЭА привел к созданию микросхем высокой степени сложности: БИС, СБИС и БГИС (микросборок).

Большая интегральная схема представляет собой сложную полупроводниковую микросхему с высокой степенью интеграций. В последние годы созданы полупроводниковые БИС, имеющие
на кристалле кремния размером 1,45x1,6 мм до 1000 и более элементов (транзисторов, диодов, резисторов и др.) и выполняющие функции 300 и более отдельных интегральных микросхем. Разработан микропроцессор (микро-ЭВМ), имеющий степень интеграции свыше 107 элементов на кристалле.

Используя несколько навесных структур БИС на диэлектрической подложке с пассивной пленочной частью микросхем, можно получить микросборки (БГИС), которые просты в проектировании и изготовлении.

Повышение интеграции микросхем достигается автоматизацией и введением в технологический процесс математического моделирования с машинным проектированием топологии и применением новых методов формирования элементов микросхем (ионное легирование и др.).

Основной цикл проектирования БИС состоит из двух этапов: архитектурно - схемотехнического и конструкторско - технологического.

Архитектурно-схемотехнический этап включает разработку архитектуры и структуры микросхемы, функциональных и принципиальных электрических схем, математическое моделирование и другие работы.

Конструкторско-технологический этап включает разработку топологии и конструкции микросхемы, технологии ее изготовления, а также их испытания.

Большие и сверхбольшие интегральные микросхемы на современном уровне представляют последний этап развития классических интегральных микросхем, в которых можно выделить области, эквивалентные пассивным и активным элементам. Дальнейшее развитие элементной базы электроники возможно при использовании различных эффектов и физических явлений в молекулах твердого тела (молекулярная электроника).

Изготовление полупроводниковых ИМС осуществляют, используя два основных технологических процесса: диффузию примесей, создающих в полупроводнике область с типом проводимости, противоположным исходному, и эпитаксиальное наращивание слоя кремния на кремниевую подложку, имеющую противоположный тип проводимости.

Все элементы схемы формируются в так называемых островках, образованных в кристалле и изолированных между собой. Металлические полоски, необходимые для соединения элементов в электрическую схему, напыляют на поверхность пластины-кристалла. Для этого электроды всех элементов выводятся на поверхность пластины и размещаются в одной плоскости, в одном плане. Поэтому технология изготовления схем с помощью диффузии называется планарно-диффузионной , а с помощью эпитаксиального наращивания – эпитаксиально-планарной.

Исходным материалом для изготовления ИМС по планарно-диффузионной технологии является слабо легированная пластина кремния p -типа, на которую методом фотолитографии наносят защитный слой SiО2 (рис. 1.20). Через окна в защитном слое производится диффузия примеси p -типа, в результате чего образуются островки, границы которых упираются снизу в защитный слой, что резко снижает возможность протекания токов утечки по поверхности. Между островками и подложкой образуется р-п- переход, к которому подключают напряжение таким образом, чтобы этот переход был заперт (т.е. минусом на р -подложке). В результате островки становятся изолированными друг от друга.

Рис. 1.20.

Исходным материалом при эпитаксиально-планарной технологии служит пластина кремния n-типа со слоем SiO2 (рис. 1.21, а), в которой вытравливают продольные и поперечные канавки (рис. 1.21, б). Полученную фигурную поверхность (в виде шахматной доски) снова окисляют, создавая изоляционный слой диоксида кремния (рис. 1.21, в). На этот слой эпитаксиально наращивают слой кремния собственной проводимости (рис. 1.21, г), а верхний слой кремния n-типа сошлифовывают. Полученные таким образом островки (рис. 1.21, д ) надежно изолированы друг от друга фигурным слоем диэлектрика и емкость между ними существенно меньше, чем в предыдущем случае. Однако такая технология ИМС сложнее и стоимость их изготовления выше.

Рис. 1.21.

В полученных тем или иным способом островках формируют как активные, так и пассивные элементы методом диффузионной технологии или эпитаксиальным наращиванием.

Компоненты ИМС

Транзисторы ИМС получают последовательной диффузией донорных и акцепторных примесей в островки, созданные тем или иным способом (рис. 1.22, а). Характерным для них является расположение выводов в одной плоскости.

Для осуществления логических операций созданы многоэмиттерные транзисторы (рис. 1.22, б, в ), применение которых основано на их свойстве оставаться открытыми, если хотя бы к одному из эмиттеров приложено относительно базы прямое напряжение. Запирание транзисторов происходит тогда, когда на все эмиттеры поданы обратные напряжения.

Рис. 1.22.

а – биполярный транзистор; б – многоэмиттерный транзистор; в – условное обозначение многоэмиттерного транзистора

Наряду с биполярными в ИМС широко применяют нолевые МДП-транзисторы, особенно МОП-транзисторы с индуцированным каналом. В основе их изготовления, так же как и биполярных, лежит планарная технология. Так, при изготовлении островков по планарно-диффузионной технологии получается практически готовая заготовка для МОП-транзистора. Каждый из двух соседних островков (см. рис. 1.20) может быть стоком или истоком этого транзистора. Поэтому для их изготовления требуется меньшее по сравнению с эпитаксиально-планарной технологией количество операций.

Диоды ИМС специально не изготавливают, а в качестве их используют транзисторы, включаемые по одной из схем (рис. 1.23) в зависимости от требований, предъявляемых к диоду.

Так, на рис. 1.23, а, б в качестве диода используется p-n-переход база–эмиттер. Диод открыт при указанной на рисунке полярности приложенного напряжения и закрывается при противоположной полярности. Диоды, выполненные в соответствии с рис. 1.23, а, б, обеспечивают высокое быстродействие, но малый ток. Диоды, выполненные в соответствии с рис. 1.23, в, используют два параллельных р-n-перехода и, соответственно, больший ток, но меньшее быстродействие. Диоды, в соответствии с рис. 1.23, г, д, имеют наибольшее допустимое обратное напряжение, подобно тому, как в биполярных транзисторах наибольшее напряжение может быть приложено к переходу база–коллектор.

Рис. 1.23.

Резисторы ИМС получают диффузией примесей в отведенные для них островки одновременно с созданием эмиттерных и базовых областей транзисторов. В процессе эмиттерной диффузии создаются резисторы с относительно низким сопротивлением (так как в эмиттерной области концентрация носителей велика), а в процессе базовой диффузии – с относительно высоким сопротивлением, потому что в базовой области концентрация носителей значительно меньше. Значения диффузионных резисторов от 10 Ом до 50 кОм.

На рис. 1.24 изображен резистор, сформированный в процессе базовой диффузии.

Рис. 1.24.

Конденсаторы ИМС, так же как и диоды, специально не изготавливают. Для их формирования, так же как и в варикапах, используется барьерная емкость р-п- переходов, которые формируются в островках одновременно с формированием транзисторов. Возможны три варианта формирования конденсаторов. Наибольшую удельную емкость конденсатора обеспечивает использование перехода эмиттер–база (порядка 1500 пФ/мм2), однако этот p-n-переход обладает наименьшим среди всех пробивным напряжением (единицы вольт). Использование перехода коллектор–база позволяет получить конденсатор, удельная емкость которого в 5–6 раз меньше, чем у конденсатора на основе перехода база–эмиттер, а пробивное напряжение примерно во столько же раз больше. Последний вариант выполнения конденсатора заключается в использовании барьерной емкости, образуемой между подложкой кристалла и коллектором транзистора.

Поскольку барьерная емкость образуется только у запертого р-n-перехода, напряжение, приложенное к обкладкам конденсатора, должно быть запирающим, т.е. обратным для p-n-перехода, емкостью которого он образован.

Корпуса микросхем

Для защиты от воздействия внешних факторов и механических повреждений все микросхемы помещают в защитный корпус. ИМС размещаются, как правило, в монолитных корпусах с 14 или 16 выводами. Простейший и самый дешевый корпус – пластмассовый. Однако ввиду недостаточного теплоотвода в нем можно размещать лишь схемы невысокой степени интеграции с рассеиваемой мощностью до 200 мВт.

Микросхемы со средней и высокой степенью интеграции из-за большого числа активных элементов рассеивают большую мощность. Для их размещения необходимы корпуса, обеспечивающие хороший теплоотвод и защищающие их от перегрева. Поэтому для микросхем средней и высокой степени интеграции используют керамический и металлокерамический корпуса. Если необходимо более интенсивное охлаждение, могут использоваться радиаторы. Плата с размещенными на ней корпусами микросхем может также обдуваться вентилятором, расположенным внутри корпуса электронного устройства.

Поскольку БИС/СБИС значительно сложнее МИС и СИС, для их работы требуются гораздо большее число выводов и более сложные корпуса. Так, 16-разрядный микропроцессор Intel 8086 размещался в 40-контактном корпусе, а число контактов у микропроцессора Pentium 4 составляло уже 480. Для вывода электрических сигналов в корпусах современных СБИС используют специальные шариковые выводы, расположенные по периметру корпуса в несколько рядов. Количество контактов в таких корпусах находится в пределах от нескольких сот до двух тысяч. Причем новые модификации процессоров разрабатываются под серийно выпускаемые корпуса. Для подключения процессорных СБИС применяются специальные соединители – сокеты, к которым осуществляется механический прижим корпуса процессора. Для процессоров Sandy Bridge используется корпус и соответствующий сокет с 2011 контактами.

Современные СБИС рассеивают настолько большую мощность, что для их охлаждения используются специальные охлаждающие системы – кулеры, содержащие вентилятор, радиатор с теплоносителем и систему регулирования.