Основным материалом, на основе которого изготовляют полупроводниковые ИМС, является кремний, так как на его основе можно получить пленку двуокиси кремния с высокими показателями и сравнительно простыми способами.

Кроме того, следует иметь в виду и другие достоинства кремния по сравнению с германием: большая ширина запрещенной зоны, и, следовательно, меньшее влияние температуры, меньшие обратные токи неосновных носителей заряда; меньшая диэлектрическая проницаемость, следовательно, меньшие барьерные емкости при прочих равных условиях.

Для придания кремнию определенного типа проводимости в кристалл вводят донорные и акцепторные примеси, в результате чего в каждой области Р- или N-кремния имеются основные и неосновные носители заряда. Движение носителей заряда в полупроводниковых структурах ИМС происходит как обычно: либо в виде диффузии за счет разности концентрации носителей заряда, либо в виде дрейфа под действием сил электрического поля. В образующихся PN-переходах происходят обычные явления, описанные ранее.

Основная технология изготовления полупроводниковых ИМС - планарная. Свойства ИМС во многом определяются технологией их создания.

Рассмотрим только некоторые особенности применения планарной технологии при изготовлении ИМС.

Очистка поверхности. Следует иметь в виду, что любые загрязнения поверхности подложки отрицательно скажутся на свойствах ИМС и ее надежности. Необходимо учитывать и то, что размеры элементов ИМС соизмеримы с малейшей пылинкой. Отсюда и необходимость в самой тщательной очистке поверхности. Очистка производится с помощью органических растворителей, для более тщательной очистки применяют ультразвуковые методы, так как вибрация ускоряет растворение загрязняющих примесей. На заключительном этапе пластины кремния отмывают деионизированной водой.

Термическое окисление поверхности . Оно проводится для создания на поверхности пластины защитного слоя, предохраняя поверхность от воздействия окружающей среды в процессе создания ИМС. В ИМС, созданных на основе МДП-транзисторов, полученная путем окисления пленка служит диэлектриком для затвора.

Легирование . Это - введение примесей в чистый кремний для получения переходов с целью создания диодных и транзисторных структур. Есть два способа легирования - с помощью диффузии и внедрением ионов примеси.

В самое последнее время широко используют метод ионного внедрения, благодаря ряду его достоинств, в первую очередь более низким температурам по cравнению с методом диффузии.

Сущность метода заключается во внедрении в пластину чистого кремния примесных ионов, которые занимают места в узлах кристаллической решетки. Ионы примеси создаются, ускоряются, фокусируются и отклоняются в специальных установках и, попадая на поверхность пластины, бомбардируют ее, внедряясь в кристаллическую структуру решетки. Отклонение производится в магнитном поле. Напомним, что радиус отклонения при этом зависит от массы заряженных частиц. Поэтому если в сфокусированном пучке имеются посторонние ионы, они отклонятся по другим траекториям и отделятся от основного пучка донорной или акцепторной примеси. В этом еще одно достоинство данного метода - высокая чистота примесей.

Фотолитография . Позволяет получить заданное расположение элементов и является одним из наиболее характерных технологических процессов создания ИМС. Напомним, что фотолитография основана на использовании светочувствительных свойств особых материалов, называемых фоторезистами.

По мере развития техники ИМС все более существенными становятся недостатки, присущие данному способу: возможности получения минимальных размеров рисунка на фотошаблоне и механический контакт фотошаблона с пластиной полупроводника приводит к искажениям рисунка.

В последнее время разработан метод электронной литографии. В основе его лежит перемещение сфокусированного электронного луча по поверхности пластины, покрытой резистом. Ток луча управляется напряжением, которое меняется в зависимости от того, на каком участке поверхности находится луч. Если требуется получить окно, ток луча максимален, на тех участках, которые должны остаться без изменения, ток луча близок к нулю.

Металлизация для создания внутрисхемных соединений в ИМС. Внутрисхемные соединения в ИМС выполняют с помощью тонких металлических пленок, нанесенных на окисле кремния, который является изолятором. Наиболее соответствующим основным требованиям к соединительному элементу для ИМС оказался алюминий, имеющий большую удельную проводимость, отсутствие коррозии, допускающий возможность сварных контактов с внешними выводами.

Создание нужного рельефа металлических соединений происходит методом фотолитографии. На поверхность окиси кремния наносится сплошная пленка алюминия. Пленку покрывают фоторезистом, над ним располагают фотошаблон, а затем вытравливают алюминий, оставляя только полоски, создающие соответствующие контакты со слоями подложки в ранее сделанных окнах, которые были созданы для получения нужной структуры слоев в ИМС.

Анализ основных операций показывает, что все они сводятся к трем основным - термической обработке, химической обработке и фотолитографии. Создание пленки двуокиси кремния, которая защищает переходы от окружающей среды в процессе создания ИМС, является важным фактором, обеспечивающим стабильность параметров и надежность ИМС.

Изменением рисунка фотошаблона и режима термической обработки можно создавать различные схемы ИМС. Основными структурами для изготовления элементов ИМС являются биполярные и МДП-транзисторы.

Принцип формирования структур микросхем. Электронная вакуумная гигиена

Основные принципы интегральной технологии. Принцип локальности. Принцип послойности. Запыленность воздушной среды. Температура и влажность воздушной среды. Чистота помещений и локальных объемов. Модульные чистые комнаты.

Вода, газы и газовые среды, применяемые в производстве ИМС

Необходимость использования чистой воды, газа и газовых смесей. Чистота оборудования, помещения и личная гигиена работающих.

Требования к технологическим процессам. Требования к условиям производства микроэлектронных устройств

Надежность. Экономичность. Безопасность. Технологичность. Необходимость разработки конструкторской и технологической документации.

Подготовка слитков и резка их на пластины

Ориентация слитков. Формирование базового среза. Резка слитков на пластины.

Механическая обработка пластин. Абразивные материалы и инструменты

Необходимость и суть механической обработки пластин. Абразивные материалы и инструменты, применяемые при шлифовке и полировке пластин.

Шлифовка и снятие фаски, полировка пластин

Шлифовка пластин. Полировка пластин. Снятие фаски. Методы и технология

9Контроль качества пластин и подложек после механической обработки

Измерение геометрических размеров пластин после механической обработки. Контроль качества поверхности пластин. Измерение высоты микронеровностей на пластине.

10Очистка пластин. Методы и средства

Классификация загрязнений и методов очистки. Обезжиривание погружением, струей и т.д. Методы контроля чистоты поверхности пластин.

11Химическая обработка и очистка поверхности пластин. Интенсификация процессов очистки

Обезжиривание в растворителях, обезжиривание в парах растворителя, обезжиривание в моющих порошках, в щелочах, в пероксидно-аммиачных растворах. Ультразвуковое обезжиривание, гидромеханическая отмывка, отмывка струей, кипячение и т.д.

Травление пластин

Кинетика травления кремния. Селективное и полирующее травление. Зависимость скорости травления от свойств используемых материалов.

13Сухая очистка. Газовые разряды при низком давлении

Коэффициент распыления. Отличительные особенности травления. Ионно-лучевое травление.

14Методы плазменного травления

Физика процесса ионного травления. Эффективность распыления поверхности. Травление в диодных и триодных камерах. Особенности их конструкций, достоинства и недостатки.

15Ионно-плазменное и ионно-лучевое травление .

Реактивные методы плазменного травления: ионно-лучевое и ионно-плазменное травление. Плазменное травление с применением газосодержащих смесей.

16Плазмохимическое травление, реактивное ионное травление

Плазменное травление. Радикальное плазмохимическое травление. Реактивное ионно-плазменное травление и ионно-лучевое травление Анизотропия и селективность травления.

17Факторы, определяющие скорость и селективность травления

Энергия и угол падения ионов. Состав рабочего газа. Давление, плотность мощности и частота. Скорость потока. Температура обрабатываемой поверхности.

18Контроль качества пластин и подложек

Контроль поверхности пластин. Контроль качества очистки поверхности (метод светящихся точек, метод капли, трибометрический метод, косвенный метод).

19Фотолитография. Фоторезисты. Операции фотолитографии

Активные резисты. Фотохимические процессы, происходящие в фоторезисте при облучении негативных и позитивных фоторезистов. Особенности операций получения рисунка на фоторезистивной пленке.

20Технология проведения фотолитографических операций

Методы и суть операции фотолитографии. Режимы обработки фоторезистивной пленки и необходимость точного их соблюдения.

21Бесконтактная фотолитография. Ограничения контактной фотолитографии. Проекционная фотолитография

Фотолитография на микрозазоре. Проекционная фотолитография с передачей изображения 1:1 и с уменьшением изображения. Физические и технические ограничения контактной фотолитографии.

22Термовакуумное напыление

Образование пара вещества. Распространение пара от источника к подложкам. Конденсация пара на поверхности подложки. Образование тонкой пленки. Техника термовакуумного напыления. Достоинства и недостатки метода.

Варианты методов получения оксидных пленок на кремниевых пластинах

Термическое оксидирование при повышенном давлении. Термическое оксидирование с добавлением паров хлористого водорода. Выбор режимов и условий выращивания термического оксида.

26Свойства двуокиси кремния

Структура двуокиси кремния Факторы, влияющие на пористость двуокиси кремния.

Металлизация структур

Требования к омическим контактам, токоведущим дорожкам и контактным площадкам. Технология и особенности металлизации структур.

Подготовка полупроводниковых структур к сборке

Контроль готовых структур по электропараметрам. Приклеивание пластин к адгезионному носителю. Требования к процессу разделения пластин на кристаллы. Алмазное и лазерное скрайбирование пластин и подложек. Скрайбирование пластин алмазным резцом. Особенности процесса, достоинства и недостатки.

61 Методы ориентированного разделения пластин

Разделение пластин на кристаллы с сохранением их ориентации. Особенности технологического процесса. Достоинства и недостатки дисковой резки. Ломка пластин. Разделение пластин без использования дальнейшей ломки

Шаталова В.В.

Вопросы подготовил преподаватель

1. Малышева И.А. Технология производства интегральных микросхем. – М.: Радио и связь, 1991

2. Зи С. Технология СБИС. – М.: Мир, 1986

3. Тилл У., Лаксон Дж. Интегральные схемы, материалы, приборы, изготовление. – М.: Мир, 1985.

4. Маллер Р., Кейминс Т. Элементы интегральных схем. – М.: Мир, 1989.

5. Коледов Л.А. Технология и конструкции микросхем, микропроцессоров и микросборок - М.: ООО “Лань-пресс”, 2008.

6. Онегин Е.Е. Автоматическая сборка ИС - Мн.: Вышэйшая школа, 1990.

7. Черняев В.Н. Технология производства интегральных микросхем и микропроцессоров. – М.: Радио и связь, 1987

8. Парфенов О.Д. Технология микросхем, - М.: Высшая школа, 1986.

9. Турцевич А.С. Пленки поликристаллического кремния в технологии производства интегральных схем и полупроводниковых приборов. – Мн.: Бел наука, 2006.

10. Щука А.А. Наноэлектроника. – М.: Физматкнига, 2007.

Общая характеристика технологии производства микросхем

Основные понятия. Классификация и характеристика интегральных микросхем (ИМС). Основные этапы технологии изготовления ИМС, их назначение и роль. Принципы интегральной технологии, методы изготовления структур микросхем, особенности технологии производства ИМС.

4 Производство интегральных микросхем

Интегра́льная (микро)схе́ма (ИС, ИМС, м/сх, англ. Integrated circuit, IC, microcircuit), чип, микрочи́п (англ. microchip, silicon chip, chip) - тонкая пластинка, отколотая, отсечённая от чего-либо - первоначально термин относился к пластинке кристалла микросхемы) - микроэлектронное устройство - электронная схема произвольной сложности, изготовленная на полупроводниковом кристалле (или плёнке) и помещённая в неразборный корпус.

Часто под интегральной схемой (ИС) понимают собственно кристалл или плёнку с электронной схемой, а под микросхемой (МС) - ИС, заключённую в корпус. В то же время выражение «чип компоненты» означает «компоненты для поверхностного монтажа», в отличие от компонентов для традиционной пайки в отверстия на плате. Поэтому правильнее говорить «чип микросхема», имея в виду микросхему для поверхностного монтажа. На 2009 год большая часть микросхем изготавливается в корпусах для поверхностного монтажа.

Современные интегральные микросхемы, предназначенные для поверхностного монтажа

Советские и зарубежные цифровые микросхемы

4.1 Технология производства полупроводниковых приборов и интегральных микросхем

Технология полупроводникового производства базируется в настоящее время на таких сложных прецизионных процессах обработки, как фото- и электронолитография, оксидирование, ионно-плазменное распыление, ионная имплантация, диффузия, термокомпрессия и др. К материалам, используемым в производстве приборов и микросхем, предъявляют высокие требования по чистоте и совершенству структуры. Для осуществления большинства технологических операций используют уникальное по характеристикам оборудование: оптико-механическое, термическое, ионно-лучевое. Процессы осуществляются в -специальных обеспыленных, помещениях с заданными влажностью и температурой.

4.2 Технологический маршрут

Технологический маршрут - это последовательность технологических операций обработки полупроводниковых пластин, применяемых для изготовления данного типа ПП или ИМС. Документом, содержащим описание маршрута, -является маршрутная карта. Она позволяет судить о перемещении изготовляемого прибора по всем операциям, указывает оборудование, материалы, трудовые нормативы и средства контроля. Проведение каждой технологической операции"регламентируется операционной картой, содержащей описание операции с указанием технологических режимов изготовления структуры или прибора и технологической оснастки. Технологические процессы изготовления различных ПП и ИМС многообразны. Можно выделить ряд общих технологических операций и примерно одинаковую их последовательность. Типовым маршрутом изготовления пленарного ПП или ИМС определяется последовательность из ряда основных операций.

1. Подготовка пластин. Исходные полупроводниковые пластины- эпитаксиальные структуры, например я-я+-типа, или монокристаллические подложки с электропроводностью п- или р-типа, полученные в качестве полуфабриката с завода-изготовителя, подвергают очистке, промывке, травлению с целью удаления с поверх-1 ности пластин загрязнений и частиц пыли. Слой с электропроводностью я-типа в эпитаксиальной я-я+-структуре составит в будущих транзисторах коллекторную область (рис. 1.1, а)..

2. Создание топологического рисунка. Чтобы в эпитаксиальной структуре сформировать области с электропроводностью р-типа, необходимо обеспечить проведение локальной диффузии через окна - отверстия в защитной маске. Размеры этих окон задают с помощью процесса фотолитографии. Маской, препятствующей диффузии, служит пленка диоксида кремния. Выращивание ее является необходимой стадией планарного процесса. Пленка диоксида 7 кремния Si02 толщиной 0,3-1,0 мкм надежно предохраняет структуру от воздействия многих внешних факторов и диффузии примесей. На пленку наносят слой фоторезиста - фотоэмульсии, экспонируют его ультрафиолетовым светом через фотошаблон, содержащий множество идентичных изображений баз транзисторов с ваданной конфигурацией и размерами. Засвеченные участки фоторезиста проявляются и обнажившуюся пленку Si02 удаляют. Окно, вскрытое для базовой диффузии, показано на рис. 1.1, б.

3. Получение р-п-перехода база- коллектор. Для прецизионной дозировки количества вводимой в кристалл примеси - атомов бора при создании области р-базы - используют процесс ионной имплантации, заключающийся во внедрении ускоренных ионов в поверхность кристалла. Слой фоторезиста служит защитной маской, так как ионы, внедренные в фоторезист, не достигают поверхности диоксида. Чтобы сформировать базовую область и р-п-пере-ход коллектор - база на требуемой глубине, используют последующую диффузионную разгонку внедренных атомов бора. Ее проводят в окислительной среде при высоких температурах. В результате формируется область базы с глубиной 2-3 мкм и на поверхности базовой области наращивается пленка Si02 толщиной 0,3-0,5 мкм (рис. 1.1, в).

4. Получение p-n-nepexoda эмиттер - база. Вначале формируют топологический рисунок эмиттерных областей, используя процесс фотолитографии по пленке Si02 над базовой областью. Одновременно вскрывают окна, задающие конфигурацию коллекторных 8 контактов. Фоторезист удаляют и ведут диффузию фосфора с высокой концентрацией на малую глубину (до 1-1,5 мкм) (рис. 1.1, г).

5. Контактная металлизация. Для присоединения к областям эмиттера, базы и коллектора электрических выводов необходимо металлизировать поверхности контактов. Предварительно проводят фотолитографическую обработку структуры для удаления пленки диоксида с нужных участков. Затем с помощью термического испарения в вакууме на всю поверхность пластины напыляют слой металла (например, алюминия) толщиной около 1 мкм, по которому проводят еще один процесс фотолитографии для удаления лишнего металла между областями контактов. Структура с контактной металлизацией показана на рис. 1.1, д. При изготовлении ИМС аналогичным образом создают тонкопленочные пассивные элементы- резисторы, конденсаторы, а также осуществляют коммутацию транзисторов.

6. Сборка и герметизация. Пластина содержит от нескольких сотен до десятков тысяч отдельных транзисторов. Ее разрезают на отдельные структуры, называемые на данном этапе кристаллами. На рис. 1.1, е показана топология такого кристалла с контактной металлизацией. Кристалл напаивают на кристаллодержатель, осуществляют разводку - подсоединение электрических выводов к контактам базы, эмиттера и коллектора - и герметизируют, помещая в металлический корпус или заливая пластмассой.

7. Испытания приборов. Для оценки параметров и надежности приборов до их поступления в отдел технического контроля производят электрические, климатические и механические испытания. Они важны для правильной информации о качестве и надежности приборов. Помимо этого каждая технологическая операция сопровождается контролем качества обработки, например измерением глубины диффузии, толщины эпитаксиального слоя, удельного или поверхностного сопротивления. После того как в структуре созданы?-?-переходы, производят контроль электрических параметров- напряжения пробоя, тока утечки, емкости. В технологическом маршруте предусмотрены специальные контрольные карты.

Рассмотренная последовательность операций характерна для изготовления планарно-эпитаксцального транзистора. В основе классификации приборов лежит технологической метод создания активных областей структуры. По этому признаку различают сплавные, диффузионные, эпитаксиальные, имплантационные дискретные ПП, а также их модификации, например сплавно-диффу-зионные и др. Большинство современных приборов изготовляют на эпитаксиальных структурах. Активные области формируют с помощью ионной имплантации и диффузии. МОП-транзисторы изготовляют на монокристаллических подложках без эпитаксиального слоя методами планарной. технологии. Непланарные диффузионные и эпитаксиальные переходы используют при изготовлении силовых Диодов и транзисторов.

Степень интеграции.

Были предложены следующие названия микросхем в зависимости от степени интеграции (указано количество элементов для цифровых схем):

Малая интегральная схема (МИС) - до 100 элементов в кристалле.

Средняя интегральная схема (СИС) - до 1000 элементов в кристалле.

Большая интегральная схема (БИС) - до 10000 элементов в кристалле.

Сверхбольшая интегральная схема (СБИС) - до 1 миллиона элементов в кристалле.

Ультрабольшая интегральная схема (УБИС) - до 1 миллиарда элементов в кристалле.

Гигабольшая интегральная схема (ГБИС) - более 1 миллиарда элементов в кристалле.

В настоящее время название ГБИС практически не используется (например, последние версии процессоров Pentium 4 содержат пока несколько сотен миллионов транзисторов), и все схемы с числом элементов, превышающим 10 000, относят к классу СБИС, считая УБИС его подклассом.

Технология изготовления.

Полупроводниковая микросхема - все элементы и межэлементные соединения выполнены на одном полупроводниковом кристалле (например, кремния, германия, арсенида галлия).

Плёночная микросхема - все элементы и межэлементные соединения выполнены в виде плёнок:

· толстоплёночная интегральная схема;

· тонкоплёночная интегральная схема.

Гибридная микросхема - кроме полупроводникового кристалла содержит несколько бескорпусных диодов, транзисторов и(или) других электронных компонентов, помещённых в один корпус.

Вид обрабатываемого сигнала.

Аналоговые

Цифровые

Аналого-цифровые

Аналоговые микросхемы - входные и выходные сигналы изменяются по закону непрерывной функции в диапазоне от положительного до отрицательного напряжения питания.

Цифровые микросхемы - входные и выходные сигналы могут иметь два значения: логический ноль или логическая единица, каждому из которых соответствует определённый диапазон напряжения. Например, для микросхем ТТЛ при питании +5 В диапазон напряжения 0…0,4 В соответствует логическому нулю, а диапазон 2,4…5 В соответствует логической единице. Для микросхем ЭСЛ-логики при питании −5,2 В: логическая единица - это −0,8…−1,03 В, а логический ноль - это −1,6…−1,75 В. Аналого-цифровые микросхемы совмещают в себе формы цифровой и аналоговой обработки сигналов. По мере развития технологий получают всё большее распространение.

Рис. 1 Информационно-логическая модель проектирования радиоэлектронных устройств

Рис. 2 Детализация блока «Разработка структуры РЭУ с применением комплексного моделирования»

Рис. 3. Детализация блока «Комплексное моделирование физических процессов в РЭУ»

Рис. 4. Детализация блока «Исследование надёжности РЭУ»

Заключение

В результате проводимых мероприятий по развитию и реформированию радиоэлектронного комплекса должна быть создана его структура, обеспечивающая устойчивое эффективное функционирование предприятий. При этом должны быть, безусловно, обеспечены условия выполнения действующей и разрабатываемой Государственных программ вооружения, программ военно-технического сотрудничества с иностранными государствами, федеральных и межгосударственных целевых программ. Должны получить развитие перспективные наукоемкие технологии для разработки и производства конкурентоспособной на внутреннем и внешнем рынках высокотехнологичной продукции двойного и гражданского назначения. От наших согласованных действий, будет зависеть не только развитие радиоэлектронного комплекса, но и в целом обеспечение национальных интересов России.

При стремительном росте российского рынка электроники в ряде отраслей, измеряемом двузначными цифрами (в процентах), его объем в сравнении с аналогичными показателями развитых стран пренебрежимо мал, чтобы оказывать сколько-нибудь значимое влияние на мировой рынок. По мнению некоторых экспертов, радикально изменить ситуацию на отечественном рынке электроники в области наращивания объемов производства удастся только после развертывания массового выпуска конкурентных конечных изделий под российским брендом. Основное производство отечественной электроники сосредоточено в столице и ряде крупных городов, и на нитевых рынках она способна конкурировать с западными продуктами внутри страны, а в некоторых случаях и за рубежом. Инновационный потенциал страны в электронной области не угас, но требует поддержки в государственном масштабе.

Литература

1. Ивченко В.Г. Конструирование и технология ЭВМ. Конспект лекций. - /Таганрог: ТГРУ, Кафедра конструирования электронных средств. – 2001. - http://www2.fep.tsure.ru/russian/kes/books/kitevm/lekpart1.doc

2. Гольдштейн Г.Я. Инновационный менеджмент: Учебное пособие. - Таганрог: Изд-во ТРТУ, 1998. 132с. URL: http://www.aup.ru/books/m23/1.htm

3. Конструкторско-технологическое проектирование электронной аппаратуры: Учебник для вузов. – М.: Изд. МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2002. – 528 с. URL: http://slil.ru/22574041/529407141/Konstruktorsko-tehnologicheskoe_proektirovanie_elektronnoj_apparatury.rar

4. Технология приборостроения: Учебник / Под общей редакцией проф. И.П.Бушминского. – М.: МГТУ им. Н.Э.Баумана. URL: http://www.engineer.bmstu.ru/res/RL6/book1/book/metod/tpres.htm

5. Тупик В.А. Технология и организация производства радиоэлектронной аппаратуры. – СПб: Издательство: СПбГЭТУ "ЛЭТИ" – 2004. URL: http://dl10cg.rapidshare.de/files/31510061/4078542704/tehnologiya.i.organizaciya.proizvodstva.radioelektronnoj.apparatury.pdf.rar

6. ГОСТ Р 15.000-94. Система разработки и постановки продукции на производство. Основные положения.

7. ГОСТ Р 15.201-2000. Система разработки и постановки продукции на производство. Продукция производственно-технического назначения. Порядок разработки и постановки продукции на производство.... рабочим органом, функции который будет выполнять созданный в качестве главного организационного инструмента совершенствования РИС – Аналитический Центр Инновационного Развития (АЦИР). Стратегическая функция АЦИР – организационно-правовое и финансовое сопровождение креативной деятельности в регионе, объединение под единым управлением инновационной и инвестиционной функции. Создатели инноваций (...

Которая поступает в непосредственное потребление без предварительной переработки, относится к предметам потребления. 2.6 Научно-технический прогресс в агропромышленном комплексе. Осуществление научно-технического прогресса в сельском хозяйстве базируется на присущих ему экономических и биологических законах. Вследствие этого научно-технический прогресс в аграрном производстве имеет свои...

Посредника – ФГУП «Рособоронэкспорт». Все это предполагает необходимость проведения исследований и разработки методического обеспечения оценки государственным посредником инвестиционной привлекательности предприятий – исполнителей контрактов в сфере военно-технического сотрудничества. В результате решения поставленной в диссертационной работе научной задачи автором: 1. Проведен анализ...

Описание схемы

1. Номиналы пассивных элементов:

R6 = R11 = 4.7 кОм

• 2. Т1, Т2, Т3, Т4, Т5 - n-p-n транзисторы ИС; Т6 - p-n-p транзистор ИС;
• 3. с=200 Ом/кВ
• 4. Напряжение питания 15В
• 5. Технология планарно-эпитаксиальная.
• 6. Изоляция p-n переходом.

Вывод 6 - питание; вывод 1 - земля.

Технология изготовления ИМС

Любые элементы полупроводниковых ИМС можно создать на основе максимум трех p-n-переходов и четырех слоев двух типов электропроводности (электронной и дырочной). Изоляция элементов часто осуществляется с помощью обратно смещенного p-n- перехода. Принцип этого способа изоляции заключается в том, что подачей большого отрицательного потенциала на p-подложку получают обратно смещенный p-n-переход на границе коллекторных областей и p-подложки. Сопротивление обратно смещенного p-n- перехода большое и достигает МОм, поэтому получается хорошая изоляция элементов друг от друга.

Технология производства полупроводниковых ИМС представляет собой сложный процесс, включающий десятки операций, и описать его полностью в кратком методическом пособии и курсовой работе невозможно.

Поэтому мы рассмотрим сокращенный маршрут изготовления ИМС с изоляцией элементов и обратно смещенными p-n-переходами методом планарно-эпитаксиальной технологии. Операция изоляции элементов осуществляется групповым методом, сочетается с технологией изготовления ИМС в целом и реализуется методом разделительной (изолирующей) диффузии на всю глубину эпитаксиального слоя. Эта технология позволяет получать необходимую степень легирования коллектора и подложки независимо друг от друга. При выборе высокоомной подложки и не очень высокоомного эпитаксиального слоя (коллектора) можно обеспечить оптимальные емкости перехода коллектор-база и его напряжение пробоя. Наличие эпитаксиального слоя позволяет точно регулировать толщину и сопротивление коллектора, которое, однако, остается достаточно высоким (70-100 Ом). Снижение сопротивления коллектора достигается созданием высоколегированного скрытого n + -слоя путем диффузии в p-подложку примеси n-типа перед наращиванием эпитаксиального слоя. Этот слой обеспечивает низкоомный путь току от активной коллекторной зоны к коллекторному контакту без снижения пробивного напряжения перехода коллектор-база.

Последовательность операций планарно-эпитаксиальной технологии производства биполярных полупроводниковых ИМС с изоляцией элементов p-n- переходами:

• 1) Механическая обработка поверхности рабочей стороны кремниевой пластины p-типа до 14-го класса чистоты и травление в парах HCl для удаления нарушенного слоя. Сначала пластины Si шлифуют до заданной толщины, затем полируют, подвергают травлению и промывают.
• 2) Окисление для создания защитной маски при диффузии примеси n-типа. На поверхности кремния выращивается плотная пленка двуокиси кремния (SiO2), которая имеет близкие к кремнию коэффициент теплового расширения, что позволяет использовать ее как маску при диффузии. Наиболее технологичным методом получения пленок SiO2 является термическое окисление поверхности кремния. В качестве окисляющей среды используется сухой или увлажняющий кислород либо пары воды. Температура рабочей зоны при окислении 1100-1300С. Окисление проводится методом открытой трубы в потоке окислителя. В сухом кислороде выращивается наиболее совершенный по структуре окисный слой, но процесс окисления при этом проходит медленно (при Т=1200С, толщина слоя SiO2 составляет 0,1 мкм). На практике целесообразно проводить окисление в три стадии: в сухом кислороде, влажном кислороде и снова в сухом. Для стабилизации свойств защитных окисных слоев в процессе окисления в среду влажного кислорода или паров воды добавляют борную кислоту, двуокись титана и др.

3) Фотолитография для вскрытия окон в окисле и проведение локальной диффузии в местах формирования скрытых слоев (рис. 3). Фотолитография это создание на поверхности подложки защитной маски малых размеров практически любой сложности, используемой в дальнейшем для проведения диффузии, эпитаксии и других процессов. Образуется она с помощью специального слоя, который называется фоторезист - материал, который меняет свою структуру под действием света. По способности изменять свойства при облучении фоторезисты бывают негативные и позитивные.

Фоторезист должен быть чувствительным к облучению, иметь высокую разрешающую способность и кислотостойкость.

На окисленную поверхность кремния с толщиной окисла 3000-6000 Г наносят слой фоторезиста с помощью центрифуги. Фоторезист сушат сначала при комнатной, затем при температуре 100-150 С.

Подложку совмещают с фотошаблоном и освещают. Засвеченный фоторезист проявляют, а затем промывают в деионизированной воде. Оставшийся фоторезист задубливают при комнатной температуре и температуре 200С в течении одного часа, после чего окисленная поверхность кремния открывается в местах, соответствующих рисунку фотошаблона.

4) Диффузия для создания скрытого n+ слоя (рис. 4). Локальная диффузия является одной из основных технологических операций при создании полупроводниковых ИМС. Процесс диффузии определяет концентрационный профиль интегральной структуры и основные параметры компонентов ИМС. Диффузия в полупроводниковых кристаллах представляет собой направленное перемещение примесных атомов в сторону убывания их концентрации. При заданной температуре скорость диффузии определяется коэффициентом диффузии, который равен числу атомов, проходящих через поперечное сечение в 1 см2 за 1 с при градиенте концентрации 1 см-4. В качестве легирующих примесей в кремнии используется в основном бор и фосфор, причем бор создает примеси акцепторного типа, а фосфор-донорного. Для бора и фосфора энергия активации соответственно равна 3,7 и 4,4 эВ.

В производстве ИМС реализуют два типа диффузии. Диффузия из неограниченного источника представляет собой первый этап диффузии, в результате которого в полупроводник вводится определенное количество примеси. Этот процесс называют загонкой примеси .

Для создания заданного распределения примеси в глубине и на поверхности полупроводника проводится второй этап диффузии из ограниченного источника. Этот процесс называется разгонкой примеси .

5) Снятие окисла и подготовка поверхности перед процессом эпитаксии (рис. 5).

6) Формирование эпитаксиальной структуры (рис. 6). Эпитаксия представляет собой процесс роста монокристалла на ориентирующей подложке. Эпитаксиальный слой продолжает кристаллическую решетку подложки. Толщина его может быть от монослоя до нескольких десятков микрон. Эпитаксиальный слой кремния можно вырастить на самом кремнии. Этот процесс называется авто- или гомоэпитаксия. В отличии от автоэпитаксии процесс выращивания монокристаллических слоев на подложках, отличающихся по химическому составу, называется гетероэпитаксией.

Эпитаксиальный процесс позволяет получать слои полупроводника, однородные по концентрации примесей и с различным типом проводимости (как электронным, так и дырочным). Концентрация примесей в слое может быть выше и ниже, чем в подложке, что обеспечивает возможность получения высокоомных слоев на низкоомной подложке. В производстве эпитаксиальные слои получают за счет реакции на поверхности подложки паров кремниевых соединений с использованием реакций восстановления SiCl 4 , SiBr 4 . В реакционной камере на поверхности подложки в температурном диапазоне 1150-1270С протекает реакция

SiCl4+2H2=Si+4HCl,

в результате которой чистый кремний в виде твердого осадка достраивает решетку подложки, а летучее соединение удаляется из камеры.

Процесс эпитаксиального наращивания проводится в специальных установках, рабочим объемом в которых является кварцевая труба, а в качестве газа-носителя используется водород и азот.

Толщина эпитаксиального слоя n-типа составляет 10-15 мкм с удельным сопротивлением 0,1-10 Ом*см. В эпитаксиальном слое формируются коллекторы транзисторов и карманы резисторов.

7) Окисление поверхности эпитаксиального слоя для создания защитной маски при разделительной диффузии (рис. 7).

8) Фотолитография для вскрытия окон под разделительную диффузию (рис. 8).

9) Проведение разделительной диффузии и создание изолированных карманов (рис. 9).

Разделительная диффузия проводится в две стадии: первая (загонка)- при температуре 1100-1150С, вторая (разгонка)- при температуре 1200-1250С. В качестве диффузанта используется бор. Разделительная диффузия осуществляется на всю глубину эпитаксиального слоя; при этом в подложке кремния формируются отдельные области полупроводника, разделенные p-n-переходами. В каждой изолированной области в результате последующих процессов формируется интегральный элемент.

10) Окисление поверхности для проведения фотолитографии под базовую диффузию (рис. 10).

11) Фотолитография для вскрытия окон под базовую диффузию (рис. 11).

12) Формирование базового слоя диффузией примеси p-типа (рис. 12).

13) Окисление поверхности для проведения четвертой фотолитографии (рис. 13).

14) Фотолитография для вскрытия окон под эмиттерную диффузию (рис. 12).

15) Формирование эмиттерного слоя диффузией примеси n-типа, а также последующее окисление поверхности (рис. 15).

Эмиттерная диффузия проводится в одну стадию при температуре около 1050С. Одновременно с эмиттерами формируются области под контакты коллекторов. В качестве легирующей примеси используется фосфор. Толщина слоя d ? 0,5-2,0 мкм, концентрация акцепторов N ?10 21 cм -3 Используется для создания эмиттеров транзисторов, низкоомных резисторов, подлегирования коллекторных контактов и др.

16) Пятая фотолитография для вскрытия контактных окон (рис. 16).

17) Напыление пленки алюминия (рис. 17).

Соединения элементов ИМС создаются металлизацией. На поверхность ИМС методом термического испарения в вакууме наносится слой алюминия толщиной 1 мкм.

18) Фотолитография для создания рисунка разводки и нанесение слоя защитного диэлектрика (рис. 18).

После фотолитографии металл обжигается в среде азота при температуре 500С.

Расчет интегральных компонентов

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.