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

Продолжительность: 2 часа (90 мин.)

11.1 Основные вопросы

Понятие интегральной микросхемы;

Виды интегральных микросхем, различия между полупроводниковыми и гибридно-пленочными микросхемами;

Основные этапы производства полупроводниковых интегральных микросхем;

Основные этапы производства гибридно-пленочных интегральных микросхем.

11.2 Текст лекции

11.2.1 Понятие интегральной микросхемы. Виды интегральных микросхем – до 40 мин

Ранее вся электронная аппаратура создавалась на основе дискретных электрорадиоэлементов, которые с помощью соединительных проводов объединялись в функциональные узлы. Усложнение электронной аппаратуры, высокая трудоемкость операций по установке и электрическому монтажу дискретных элементов обусловили необходимость использования функционально законченных электронных узлов, изготовление которых было бы автоматизированным – интегральных микросхем, выполняющих функции преобразования, хранения, обработки, передачи и приема информации и определяющих тактико-технические, конструктивно-технологические, эксплуатационные и экономические характеристики ЭВМ.

Интегральной микросхемой (ИМС) называют функционально законченный электронный узел, элементы и соединения в котором конструктивно неразделимы и изготовлены одновременно в едином технологическом процессе.

По конструктивно-технологическому исполнению ИМС делятся на полупроводниковые и гибридно-пленочные.

Полупроводниковые ИМС имеют в своей основе кристалл полупроводникового материала, в поверхностном слое которого (путем внедрения атомов примеси) создаются все элементы ИМС – транзисторы, диоды, резисторы, конденсаторы, а соединения между ними выполняются по поверхности кристалла тонкопленочной технологией.

Полупроводниковые ИМС могут быть:

Однокристальными (монолитными);

Многокристальными (микросборки).

Однокристальные ИМС выполнены на одном кристалле полупроводникового материала, могут иметь индивидуальный корпус с внешними выводами для монтажа на печатной плате, а могут быть бескорпусными и входить в состав микросборок.

Микросборка представляет собой совокупность бескорпусных микросхем, смонтированных на общей коммутационной плате. Также в качестве компонентов в микросборке могут присутствовать бескорпусные электрорадиоэлементы.

Гибридно-пленочные ИМС состоят из пленочных пассивных элементов (резисторов, конденсаторов и т.п.), бескорпусных полупроводниковых кристаллов (транзисторов, диодов, ИМС) и коммутационных проводников, собранных на подложку из изоляционного материала.

Число элементов в ИМС характеризует ее степень интеграции. По этому параметру все микросхемы условно делят на малые (МИС - до 10 2 элементов на кристалл), средние (СИС - до 10 3), большие (БИС - до 10 4), сверхбольшие (СБИС - до 10 6), ультрабольшие (УБИС - до 10 9) и гигабольшие (ГБИС - более 10 9 элементов на кристалл).

Наиболее высокой степенью интеграции обладают цифровые ИМС с регулярной структурой: схемы динамической и статической памяти, постоянные и перепрограммируемые запоминающие устройства. Это связано с тем, что в таких схемах доля участков поверхности ИМС, приходящаяся на межсоединения, существенно меньше, чем в схемах с нерегулярной структурой.

В качестве активных элементов в полупроводниковых ИМС в вычислительной технике чаще всего используют униполярные (полевые) транзисторы со структурой «металл – диэлектрик (оксид) – полупроводник» (МДП- или МОП-транзисторы). Существует два типа МДП-транзисторов: n-типа, обладающие электронной проводимостью, и p-типа, характеризующиеся проводимостью дырочной. Принцип действия таких транзисторов достаточно прост. В подложке кремния формируются две легированные области с электронной (n-тип) или дырочной (p-тип) проводимостью. Эти области называются стоком и истоком. В обычном состоянии электроны (для n-типа) или дырки (для p-типа) хотя и диффундируют в область кремния за счет избыточной концентрации, но не способны перемещаться между стоком и истоком, поскольку неизбежны процессы рекомбинации в области кремния. Кроме того, за счет такой диффузии на границах контактов между легированными областями стока и истока и кремния возникают локальные электрические поля, препятствующие дальнейшей диффузии и приводящие к образованию обедненного носителями слоя. Поэтому в обычном состоянии прохождение тока между истоком и стоком невозможно. Для того чтобы иметь возможность переносить заряд между истоком и стоком, используется третий электрод, называемый затвором. Затвор отделен от кремниевой подложки слоем диэлектрика, в качестве которого выступает диоксид кремния (SiO2). При подаче потенциала на затвор создаваемое им электрическое поле вытесняет вглубь кремниевой подложки основные носители заряда кремния, а в образующуюся обедненную носителями область втягиваются основные носители заряда стока и истока (мы говорим об основных носителях заряда, а не конкретно о дырках или электронах, поскольку возможен и тот и другой вариант). В результате между истоком и стоком в подзатворной области образуется своеобразный канал, насыщенный основными носителями заряда. Если теперь между истоком и стоком приложить напряжение, то по каналу пойдет ток. При этом принято говорить, что транзистор находится в открытом состоянии. При исчезновении потенциала на затворе канал разрушается и ток не проходит, то есть транзистор запирается.

Также в полупроводниковых ИМС могут использоваться и другие типы транзисторов, например, биполярные.

Биполярная технология на 30 % сложнее МДП технологии. В МДП технологии меньше количество технологических операций, особенно высокотемпературных диффузии; при одинаковой сложности - меньше размер (20 % от биполярной технологии), и, следовательно, больше процент выхода годных микросхем (т.к. вероятность возникновения дефекта на меньшей площади меньше).

Высокая надежность МДП микросхем обусловлена: меньшими размерами элементов (малые размеры элементов и малое энергопотребление дает возможность широко применять резервирование и мажоритарную логику даже в сложных схемах); значительным уменьшением числа межэлементных соединений.

К достоинству биполярных микросхем можно отнести быстродействие.

11.2.2 Основные технологические особенности производства интегральных микросхем – до 50 мин

Важнейшим принципом технологии полупроводниковых МС является технологическая совместимость элементов ИМС с наиболее сложным элементом, которым является транзистор. Другие элементы (диоды, резисторы, конденсаторы) должны по возможности содержать только те области, которые включает транзистор. таким образом, технологический процесс изготовления полупроводниковой ИМС базируется прежде всего на технологии изготовления транзисторных структур.

Второй важный принцип – групповая обработка МС. Она должна охватывать как можно большее число операций. При групповой обработке улучшается воспроизводимость параметров ИМС и существенно снижается трудоемкость изготовления отдельных ИМС.

Следующим важным принципом является универсальность процессов обработки . Он означает, что для изготовления совершенно различных по своим возможностям и назначению ИМС применяются одинаковые типовые технологические процессы, оборудование и режимы. Это позволяет одновременно, без переналадки оборудования, выпускать ИМС различного функционального назначения.

Четвертый принцип – унификация пластин-заготовок , содержащих максимальное количество признаков микросхемы.

Технологический процесс производства современных (полупроводниковых) СБИС представляет собой последовательность операций и переходов между ними, осуществляемых над исходными полупроводниковыми пластинами с целью получения микросхем с требуемыми эксплуатационными характеристиками. Технологические операции можно разделить на три группы: подготовительные, основные и заключительные.

К подготовительным операциям относят выращивание полупроводниковых слитков (например, методами Чохральского и зонной плавки), резку слитков на пластины, шлифовку, полировку, травление поверхности пластин, промывку в деионизованной воде, сушку и др.

К основным технологическим операциям относят литографию (фотолитографию в ультрафиолетовой области спектра и в жестком ультрафиолете, рентгенолитографию, электронно-лучевую и ионную литографии), эпитаксию (посредством испарения в глубоком вакууме и распыления ионами инертного газа, эпитаксию за счет реакций разложения и восстановления, жидкофазную и молекулярно-лучевую эпитаксии), окисление, травление (ионно-лучевое и ионно-плазменное), легирование (диффузия, ионная имплантация), отжиг (посредством галогенных ламп, отжиг электронным пучком, лазерный отжиг), осаждение на поверхность пластин различных по химическому составу пленок и др.

К заключительным технологическим операциям относят скрайбирование и ломку пластин на кристаллы, разварку внешних выводов, герметизацию кристаллов в корпусах и др.

Практически все перечисленные технологические операции сопровождаются контрольными операциями, позволяющими осуществлять отбраковку дефектных пластин и кристаллов. К ним относят, например, контроль содержания примесей в пластинах, контроль деформаций поверхности пластин и др.

При производстве различных типов гибридных интегральных микросхем технологический процесс может содержать различные операции (это зависит от выбранной технологии - тонкопленочной или толстопленочной, от того, какие пассивные элементы используются в схеме - есть ли, например, пленочные конденсаторы).

Укрупненные схемы технологических процессов производства полупроводниковых и гибридно-пленочных ИМС приведена на рисунках 11.1 и 11.2.

Рисунок 11.1 – Укрупненная схема технологического процесса изготовления полупроводниковых однокристальных ИМС.

Рисунок 11.2 – Укрупненная схема технологического процесса изготовления гибридно-пленочных ИМС.

Подготовка пластин кремния.

· Получение металлургического и электронного кремния

· Получение кремния методом зонной плавки

· Выращивание кремния по методу Чохральского

· Механическая обработка слитка.

o отделение затравочной и хвостовой части слитка;

o обдирка боковой поверхности до нужной толщины;

o шлифовка одного или нескольких базовых срезов (для облегчения дальнейшей ориентации в технологических установках и для определения кристаллографической ориентации);

o резка алмазными пилами слитка на пластины

o шлифовка. На абразивном материале SiC или Al 2 O 3 удаляются повреждения высотой более 10 мкм

o полирование. Используют смесь полирующей суспензии (коллоидный раствор частиц SiO 2 размером 10 нм) с водой.

· Травление.

o В смеси плавиковой, азотной и уксусной кислот, приготовленной в пропорции 1:4:3, или раствора щелочей натрия производится травление поверхности Si .

o Промывка в деионизованной и бидистиллированной воде

В окончательном виде кремний представляет собой пластину диаметром 15 - 40 см, толщиной 0.5 - 0.65 мм с одной зеркальной поверхностью.

Получение металлургического и электронного кремния

Исходным сырьем для большинства изделий микроэлектронной промышленности служит элек­тронный кремний. Первым этапом его получения является изготовление сырья, называемого метал­лургическим кремнием .

Этот технологический этап реализуется с помощью дуговой печи с погруженным в нее элек­тродом. Печь загружается кварцитом SiO 2 и углеродом в виде угля, щепок и кокса. Температура ре­акции Т=1800°С, энергоемкость W = 13 кВт/час.В печи происходит ряд промежуточных реакций.

Результирующая реакция может быть представлена в виде:

SiC тв + SiO 2 тв Si тв + SiO 2 газ + CO газ

Металлургический кремний со степенью чистоты 98% измельчают и помещают в гидрометаллургическую установку для получения трихлорсилана . Температура реакции Т=300°C.

Si тв +3HCl газ SiHCl 3 газ + H 2 газ + Q

Производство электронного кремния проходит в несколько этапов:

1. Сначала в дуговой печи с погружаемым электродом получают металлургический кремний

SiC тв + SiO 2 Si тв + SiO газ + CO газ

кварцит(SiO 2)+углерод в виде угля, щепок и кокса. температура реакции 1800 °С энергоемкость 13 кВт/ч

Металлургический кремний измельчают в порошок. Вступая в реакцию с безводным хлористым водородом, кремний пе­реходит в трихлорсилан SiHCl 3 Si тв + 3HCl газ SiHCl 3 газ + H 2 газ + теплота

температура реакции 300 °C проходит в присутствии катализаторов

2. Электронный кремний получают из очищенного трихлорсилана путем осаждения из парогазо­вой смеси. Трихлорсилан при температуре Т = 32 °С становится жидкостью. Химическая ре­акция представляет собой реакцию водородного восстановления кремния из трихлорсилана :

2SiHCl 3 газ + 3H 2 газ 2Si тв + 6HCl газ

3. Зародышем будущего слитка служит резистивно нагреваемый кремниевый стержень. Полный цикл осаждения длится много часов. В результате получается стержень поликристаллического по структуре электронного кремния диаметром до 20 см и длиной несколько метров.

Этот процесс используют также для производства поликристаллических кремниевых труб, при­меняемых в качестве держателей и подставок, необходимых при осуществлении высокотемпера­турных обработок.

Технология получения кремния методом зонной плавки

В технологии формирования полупроводниковых соединений применение метода зонной плавки позволяет совместить в од­ном технологическом цикле сразу три операции: синтез, глубокую очистку синтезированного соединения и выращивание из него монокристалла .

Зонная плавка является одним из наиболее эффективных методов глубокой очистки полупроводников. Идея метода связана с различной растворимостью примесей в твердой и жидкой фазах полупроводника. Монокристалл получают из расплава, од­нако, перед началом кристаллизации расплавляется не вся твердая фаза кристалла, а только узкая зона, которая при перемеще­нии вдоль кристалла втягивает в себя примеси.

Различают вертикальную (ВЗП) и горизонтальную (ГЗП) зонные плавки.

В методе ВЗП стержень из поликристаллического кремния удерживается в вертикальном положении и вращается, в то время как расплавленная зона (высотой от 1 до 2 см) медленно проходит от нижней части стержня до его верха, как показано на рисунке.

1 – Держатель 2 - Обмотка нагревателя 3 - Монокристаллический кремний 4 - Затравочный монокристалл 5 – Держатель 6 - Расплавленная зона 7 - Стержень из поликристаллического кремния

Расплавленная область нагревается с помощью высокочастотного индукционного нагре­вателя и перемещается вдоль стержня от затравочного монокристалла. Поскольку боль­шинство примесей обладает хорошей растворимостью в жидкой фазе по сравнению с твер­дой, то по мере продвижения зона плавления все больше насыщается примесями, которые скапливаются на конце слитка. Процесс зонной плавки повторяют несколько раз, а по окон­чании очистки загрязненный конец слитка отрезают.

Для ускорения процесса очистки вдоль контейнера ставят несколько индукторов для образования ряда зон плавления. Теоретически многократная зонная плавка позволяет очень глубоко очистить исходный материал. Однако на практике такого результата достичь невозможно, так как одновременно с очисткой и увеличением числа проходов расплав загрязняется примесями контейнера и окружающей среды.

Выращивание кремния по методу Чохральского

Установка состоит из следующих блоков (см . рис.):

· печь, включающая в себя тигель (8), контейнер для поддержки тигля (14), нагреватель (15), источник питания (12), камеру высокотемпературной зоны (6) и изоляцию (3, 16);

· механизм вытягивания кристалла, включающий в себя стержень с затравкой (5), меха­низм вращения затравки (1) и устройство ее зажима, устройство вращения и подъема тигля (11);

· устройство для управления составом атмосферы (4 - газовый вход, 9 - выхлоп, 10 - ваку­умный насос);

· блок управления, состоящий из микропроцессора, датчиков температуры и диаметра растущего слитка (13, 19) и устройств вв ода;

· дополнительные устройства: смотровое окно - 17, кожух - 2.

Технология процесса

Затравочный монокристалл высокого качества опускается в расплав кремния и одновременно вращается. Получение рас­плавленного поликремния происходит в тигле в инертной атмосфере при температуре, незначительно превосходящей точку плавления кремния Т = 1415 °С. Тигель вращается в направлении противоположном вращению монокристалла для осуществ­ления перемешивания расплава и сведению к минимуму неоднородности распределения температуры.

В начале процесса роста монокристалла часть затравочного монокристалла расплавляется для устранения в нем участков с повышенной плотностью механических напряжений и дефектами. Затем происходит постепенное вытягивание монокристалла из расплава.

Легирование осуществляется введением определенного количества примесей в расплав. Требования к деталям оборудования. Тигель изготавливается из химически инертного, прочного материала с высокой температурой плавления. Обычно используют кварц SiO2, который для уменьшения концентрации кислорода в растущем монокристалле кремния покрывают слоем нитрида кремния. Карбиды кремния или тантала не используют из-за большого содержания углерода, способного проникнуть впослед­ствии в кремний.

Нагрев кремния осуществляют резистивным или индукционным способом. При этом графитовый нагреватель соединяют с источником постоянного напряжения или помещают в переменное электромагнитное поле.

Процесс выращивания кремния происходит в инертной атмосфере или в вакууме. Общий вид оборудования приведен на ри­сунке.

Окончательная обработка кремния

Из установки извлекают кремниевый слиток диаметром 20 - 50 см и длиной до 3 метров. Для по­лучения из него кремниевых пластин заданной ориентации и толщиной в несколько десятых милли­метра производят следующие технологические операции:

1. Механическая обработка слитка:
- отделение затравочной и хвостовой части слитка;
- обдирка боковой поверхности до нужной толщины;
- шлифовка одного или нескольких базовых срезов (для облегчения дальнейшей ориентации в технологических установках и для определения кристаллографической ориентации);
- резка алмазными пилами слитка на пластины: (100) - точно по плоскости (111) - с разориента­цией на несколько градусов.

2. Травление. На абразивном материале SiC или Al 2 O 3 удаляются повреждения высотой более 10 мкм. Затем в смеси плавиковой, азотной и уксусной кислот, приготовленной в пропорции 1:4:3, или раствора щелочей натрия производится травление поверхности Si .

3. Полирование - получение зеркально гладкой поверхности. Используют смесь полирующей суспензии (коллоидный рас­твор частиц SiO2 размером 10 нм) с водой.

В окончательном виде кремний представляет собой пластину диаметром 15 - 40 см, толщиной 0.5 - 0.65 мм с одной зеркаль­ной поверхностью. Вид пластин с различной ориентацией поверхности и типом проводимости приведен на рисунке:

Эпитаксия.

· Эпитаксия - процесс выращивания тонких монокристаллических слоев на монокристаллических подложках. Материал под­ложки в этом процессе выполняет роль затравочного кристалла.

· Эпитаксия из из газовой фазы

§ Выращивание кремния проводится в потоке парогазовой смеси (силан + водород) при высоких температурах. Для легирова­ния обычно используют гидриды примесных элементов.

§ проводится в вакууме и основана на взаимодействии нескольких молекулярных пучков с нагретой монокристаллической под­ложкой. Сущность процесса состоит в испарении кремния и одной или нескольких легирующих примесей. Низкой давление паров кремния и легирующих примесей гарантирует их конденсацию на относительно холодной подложке. Обычно проводят в сверхвысоком вакууме при давлении 10 -6 - 10 -8 Па. Температурный диапазон составляет 400 - 800 °С.

· Низкая температура процесса.

· Высокая точность управления уровнем легирования.

§ кремний на изоляторе (КНИ). В случае синтезирования монокристаллического кремния на диэлектрической подложке исче­зает необходимость в создании изолирующих p-n переходов между элементами ИС. Как разновидность метода КНИ используется технология кремний на сапфире (КНС) Al 2 O 3 .

§ Гетеропереходы.

Эпитаксия из газовой фазы.
Идея метода, схема реактора.

Термин "эпитаксия" применяют к процессам выращивания тонких монокристаллических слоев на монокристаллических подложках. Материал подложки в этом процессе выполняет роль затравочного кристалла.

Если материалы получаемого слоя и подложки идентичны, например, кремний выращивают на кремнии, то процесс назы­вают автоэпитаксиальным или гомоэпитаксиальным . Если же материалы слоя и подложки различаются (хотя их кристалличе­ская структура должна быть сходной для обеспечения роста монокристаллического слоя), то процесс называют гетероэпитак­сиальным .

Эпитаксиальное выращивание кремния из парогазовой фазы обычно проводят в реакторе, изготовленном из стеклообразного кварца, на помещенном внутри него пьедестале (подложкодержателе ). Пьедестал служит для установки подложек и их нагрева во время процесса. Выращивание кремния проводится в потоке парогазовой смеси при высоких температурах.

Для выращивания эпитаксиального кремния используется один из четырех кремнесодержащих реагентов (тетрахлорид кремния - SiCl 4 , трихлорсилан - SiHCl 3 , дихлорсилан - SiH 2 Cl 2 и силан - SiH 4) и водород. При таких условиях возможно проте­кание химических реакций типа SiCl 4 + 2H 2 = Si тв + 4HCl.

Схема реактора для эпитаксии из парогазовой смеси.

1- держатель; 2- кремниевая пластина; 3- пленка.

Газ разлагается на поверхности пластины и на нее осаждаются атомы кремния. Разложение кремнесодержащих компонент происходит пиролитически , т.е. только за счет тепла. Скорость роста пленки пропорциональна парциальному давлению силана . Все вещества, поступающие в реактор являются газами, отсюда и название "химическое осаждение из газовой фазы".

Молекулярно-лучевая эпитаксия

· Низкая температура процесса. Снижение температуры процесса уменьшает диффузию примеси из подложки и автоле­гирование . Это позволяет получать качественные тонкие слои.

· Высокая точность управления уровнем легирования. Легирование при использовании данного метода является без­инерционным (в отличие эпитаксии из газовой фазы), что позволяет получать сложные профили легирования.

Сущность процесса состоит в испарении кремния и одной или нескольких легирующих примесей. Низкой давление па­ров кремния и легирующих примесей гарантирует их конденсацию на относительно холодной подложке. Обычно МЛЭ проводят в сверхвысоком вакууме при давлении 10 -6 - 10 -8 Па. Температурный диапазон составляет 400 - 800 °С.

Основой установки является вакуумная система. Так как в процессе МЛЭ требуется поддерживать высокий вакуум, уста­новки снабжаются вакуумными шлюзами для смены образцов, что обеспечивает высокую пропускную способность при смене пластин и исключает возможность проникновения атмосферного воздуха. Для обеспечения высокого качества и чистоты расту­щего слоя необходимо низкое давление. Этого добиваются, используя безмасляные средства откачки (например, титановый гет­терный насос). Метод МЛЭ позволяет проводить всесторонний анализ некоторых параметров непосредственно во время про­цесса выращивания пленки. Испарение кремния осуществляется не путем нагрева тигля, как для легирующих элементов, а за счет нагрева электронным лучом, т. к. температура плавления кремня относительно высока.

Рис. 2. Схема установки для МЛЭ

1-термопара; 2-кварцевый кристалл-измеритель толщины; 3-тепловой экран; 4-нагреватель; 5-подложка; 6-держатель; 7-окно для визуального наблюдения; 8-масс-спектрометр; 9-инизационный вакуумметр; 10-механический затвор; 11-источник сурьмы; 12-электронная пушка и источник кремния; 13-титановый геттерный насос; 14-турбокомпрессионный насос.

Создание диэлектрических слоев.

Осаждение диэлектрических пленок широко используется для производства СБИС. Эти пленки:

o формируют непроводящие участки внутри схемы,

o выполняют роль электрического изолятора между металлами,

o защищают поверхность от воздействия окружающей среды.

Двуокись кремния

Диэлектрическая постоянная 3,82, Ширина запрещенной зоны 8,9 эВ, Удельное сопротивление 10 14 -10 16 Ом·см

Слои SiO 2 используются как:

· маска для диффузии легирующих примесей;

· для пассивации поверхности полупроводников;

· для изоляции отдельных элементов СБИС друг от друга;

· в качестве подзатворного диэлектрика;

· в качестве одного из многослойных диэлектриков в производстве МНОП элементов памяти;

· в качестве изоляции в схемах с многослойной металлизацией;

· как составная часть шаблона для рентгеновской литографии.

Пленки SiO 2 в микроэлектронной промышленности получают путем окисления кремния различными способами:

· термическое окисление (сухое, влажное, хлорное, пирогенное);

· анодное окисление;

· пиролитическое окисление;

· плазмохимическое окисление.

процесс окисления происходит при средних температурах (1000 °C) с использованием сухого кислорода иногда с до­бавлением соляной кислоты в окислительную среду. Второй этап заключается в термообработке в атмосфере при темпе­ратуре 1150 °C для проведения пассивирования и доведения толщины окисла до необходимого уровня.

Нитрид кремния

Стехиометричный Si 3 N 4 используют для пассивирования поверхности полупроводниковых приборов или активная среда в МНОП РПЗУ

Получают аммонолизом моносилана при атмосферном давлении и температуре 700 - 900 °C. Удельное сопротивление 10 16 Ом·см, плотность 2.9 - 3.1 г/см 3 , диэлектрическая постоянная 6-7, ширина запрещенной зоны 5 эВ

Пиролитический метод формирования пленок основан на использовании явления пиролиза или химических реакций при фор­мировании пленок поликристаллического кремния или пленок различных изолирующих материалов. В качестве химически активного газа применяют моносилан SiH 4 и кислород, а в качестве буферного газа - азот (обычно пьедестал и пластины соприкасаются и разогреваются). При формировании пленок поликристаллического кремния пластина должна быть разогрета до 600 - 650 °С , а пленок нитрида кремния до 750 - 800 °С. Если нагрев пластин нежелателен, то используют альтернативные методы получения пленок (например, плазмохимический метод).

Процессы плазменного окисления металлов и полупроводников заключается в формировании на их поверхности оксидных слоев при помещении подложек-образцов в кислородную плазму. Образцы могут быть изолированными (плазменное оксидирование) или находиться под положительным относительно плазмы потенциалом (плазменное анодирование).

Горизонтальный реактор

Создание p-n переходов..

Диффузия в полупроводниках это процесс последовательного перемещения атомов примеси в кристаллической решетке, обусловленной тепловым движением. Для изготовления р-n перехода используется химическая диффузия примесных атомов, которые вводятся в кристаллическую решетку вещества для изменения его электрофизических свойств.
Назначение диффузии:

· формирование базовых и эмиттерных областей и резисторов в биполярной технологии,

· создание областей истока и стока в МОП технологии,

· для легирования поликристаллического кремния.

Способы диффузии:

· диффузия из химического истока в парообразной форме при высоких температурах,

· диффузия из легированных окислов,

· диффузия из ионно-имплантированных слоев с последующим отжигом (проводится для активирования имплантации атомов и уменьшения числа дефектов).

Ионная имплантация

Ионной имплантацией называется процесс внедрения в мишень ионизованных атомов с энергией, достаточной для проникновения в ее приповерхностные области. Успешное применение ионной имплантации определяется главным образом возможностью предсказания и управления электрическими и механическими свойствами формируемых элементов при заданных условиях имплантирования . Распределение внедренных атомов по глубине мишени оценивается с помощью симметричной функции распределения Гаусса. Общая длина пробега иона зависит от его энергии и массы. Эффект каналирования . Для снятия радиационных дефектов применяют отжиги. Параметры процесса отжига определяются дозой и видом имплантированных ионов.

Литография.

· Фоторезисты . Шаблоны.

В качестве негативного резиста при оптической литографии применяют циклополиизопреновый полимер

· Оптическая литография.

Основными методами оптического экспонирования являются контактный , бесконтактный и проекционный. Характеристики точности отображения проекционных систем печати ограничены дифракционными эффектами.

· Электронно-лучевая литография

Существуют две основные возможности использования электронных пучков для облучения поверхности пластины с целью нанесения рисунка -о дновременное экспонирование всего изображения целиком и последовательное экспонирование (сканирование) отдельных участков рисунка. Ограничения на ширину линий и плотность упаковки определяются не столько работой электронного пучка, сколько разрешающей способностью резиста и возможной точностью совмещения шаблона с пластиной.

· Рентгеновская литография.

Рентгеновская литография является разновидностью оптической бесконтактной печати, в которой длина волны экспонирующего облучения лежит в диапазоне 0.4 - 5 нм.

Методы оптической литографии

Основными методами оптического экспонирования являются контактный , бесконтактный и проекционный.

Контактная печать. При контактной печати (см . рис. 1) пластина кремния, покрытая резистом , находится в непосредственном физическом контакте со стеклянным фотошаблоном.

1- источник света 2- оптическая система 3- шаблон 4- фоторезист 5- кремниевая пластина 6-зазор

Для того чтобы провести совмещение топологического рисунка фотошаблона с предыдущим, вытравленным в кремнии топологическим рисунком, шаблон и пластину разводят на 25 мкм, а пару объективов с сильным увеличением помещают сзади шаблона для одновременного наблюдения рисунков шаблона и пластины из двух точек.

Метод бесконтактного экспонирования схож с методом контактной печати, за исключением того, что во время экспонирования между пластиной и шаблоном поддерживается небольшой зазор шириной 10-25 мкм.

Третий метод экспонирования - проекционная печать (см . рис. 3) позволяет полностью исключить повреждения поверхности шаблона. Изображение топологического рисунка шаблона проецируется на покрытую резистом пластинку, которая расположена на расстоянии нескольких сантиметров от шаблона.

1- источник света 2- оптическая система 3- шаблон 4- фоторезист 5- кремниевая пластина

Для достижения высокого разрешения отображается только небольшая часть рисунка шаблона. Это небольшая отражаемая область сканируется или перемещается по поверхности пластины. В сканирующих проекционных устройствах печати шаблон и пластина синхронно перемещаются. С помощью этого метода достигается разрешение порядка 1,5 мкм ширины линий и расстояния между ними.

Фоторезисты

В качестве негативного резиста при оптической литографии применяют циклополиизопреновый полимер, смешанный с фоточувствительным соединением. Сенсибилизатор, или фотоинициатор активируется при поглощении энергии в диапазоне длин волн 200-450 нм. Активированный сенсибилизатор передает энергию молекулам полимера, что способствует образованию поперечных связей между цепочками полимера. Увеличение молекулярного веса полимера приводит к нерастворимости резиста в проявителе. При проявлении пленка негативного резиста разбухает, а его неэкспонированные области с низким молекулярным весом растворяется в проявителе. Позитивные резисты также состоят из основного полимерного материала и фотосенсибилизатора , но абсолютно по-другому реагируют на воздействие экспонирующего облучения. Сенсибилизатор нерастворим в водном растворе проявителя и, следовательно, предотвращает растворение основного полимерного материала.

Проекционная литография

Существуют две основные возможности использования электронных пучков для облучения поверхности пластины с целью нанесения рисунка. Это одновременное экспонирование всего изображения целиком и последовательное экспонирование (сканирование) отдельных участков рисунка.

Проекционные системы, как правило, имеют высокую производительность и более просты, чем сканирующие системы. Носителем информации об изображении является маска (шаблон). Изображение с шаблона передается на пластину лучом электронов.

Сканирующие системы управляются вычислительной машиной, которая задает программу перемещения сфокусированного пучка электронов для нанесения рисунка, исправляет эффекты дисторсии и расширения пучка и определяет положение пластины. Непосредственное нанесение рисунка с помощью ЭВМ позволяет обойтись без шаблона. Поэтому электронно-лучевые сканирующие системы могут быть использованы как для изготовления шаблонов, так и для непосредственной прорисовки на пластине. Эти установки имеют высокое пространственное расширение и точность совмещения, приближающиеся к 0,1 мкм.

Рентгеновская литография является разновидностью оптической бесконтактной печати, в которой длина волны экспонирующего облучения лежит в диапазоне 0.4 - 5 нм. Несмотря на то, что при рентгеновской литографии используется бесконтактная экспонирующая система, проявление дифракционных эффектов уменьшено за счет малой длины волны рентгеновского излучения. Основная причина разработки метода рентгеновской литографии заключалась в возможности получения высокого разрешения и в то же время высокой производительности оборудования. Рентгеновские шаблоны состоят из поглощающих рентгеновское излучение металлических пленок с нанесенным на них рисунком и тонкой мембраны, пропускающей рентгеновские лучи.

Травление.

Для формирования топологии схемы необходимо перевести рисунки резиста в соответствующие слои полупроводниковой структуры. Один из методов такого перевода заключается в селективном удалении немаскированных участков резиста . Этот процесс называют травлением.

1. Химическое травление

2. Методы плазменного травления

3.2. Металлизация с использованием источников резистивного нагрева

3. Металлизация с использованием электронно-лучевого испарения

4. Металлизация с использованием источников индукционного нагрева

5. Металлизация с использованием ионного распыления

6. Металлизация с использованием магнетронного источника Методы сборки и герметизации

Один из основных методов монтажа кристаллов является соединение его с корпусом твердыми припоями (или эвтектикой).
Ультразвуковая сварка С помощью пуансона проволока прижимается к контактной площадке подложки, при этом к пуансону прикладываются УЗ колебания перпендикулярно направлению приложения давления с частотой 20...60 кГц.
Соединение проволокой может быть выполнено золотой проволокой методом термокомпрессии , ультразвуковым и термозвуковым методами или алюминиевой проволокой ультразвуковым методом.

Для герметизации ИС обычно используют эпоксидные смолы и кремнийорганические соединения.
Основной целью герметизации корпуса является защита от внешних загрязнений во время функционирования прибора. Почти для всех высококачественных корпусов герметизацию выполняют стеклом или металлом.

Основными технологическими процессами, применяемыми при изготовлении полупроводниковых интегральных микросхем, являются оксидирование, фотолитография, диффузия, эпитаксия, ионное легирование.

Оксидирование кремния. Этот процесс имеет важное значение в технологии изготовления полупроводниковых интегральных микросхем. Диоксид кремния Si0 2 представляет собой стеклообразный оксид, имеющий тот же химический состав, что и кварцевое стекло. Эти оксиды являются хорошей изоляцией для отдельных элементов схемы, служат маской, препятствующей проникновению примесей при диффузии, применяются для защиты поверхности и создания активных диэлектрических элементов (например, в МОП-транзисторах). Они образуют равномерное сплошное покрытие на поверхности кремния, которое легко стравливается и удаляется с локальных участков. Повторное оксидирование обеспечивает защиту P-N -перехода от воздействия окружающей среды. Коэффициенты термического расширения кремния и диоксида кремния близки. Диоксид кремния обладает хорошей адгезией и сравнительно легко создается на поверхности пластины.

В зависимости от метода получения различают термические и анодные оксиды.

Термические оксиды получают при ускоряемых нагревом реакциях кремния с кислородом и другими веществами, содержащими кислород. Такие оксиды имеют толщину ~ 1 мкм и обладают высокой плотностью.

Метод термического оксидирования имеет две разновидности:

1) высокотемпературное оксидирование в потоке сухого кислорода и увлажненных газов;

2) оксидирование в парах воды при высоком давлении (до 50 МПа), при сравнительно невысоких температурах (5ОО...900°С).

Оксидирование в потоке увлажненных газов выполняется по рис.1.8. Пластины кремния помещают в кварцевую трубу, где установлена температура 1100°С. Один конец трубы соединен с увлажнителем (деионизованной водой), через которую пропускают газ (аргон, азот и др.). При отключенном увлажнителе осушенный кислород поступает непосред-ственно в кварцевую трубу. Оксидирование проводится в такой последовательности: предварительная выдержка в сухом кислороде (~15 мин); длительное оксидирование во влажном кислороде (2 ч) и окончательное оксидирование в сухом кислороде. Первая операция дает прочную пленку малой толщины. Термическая обработка в среде влажного кислорода обеспечивает быстрый рост пленки (до 1 мкм), но плотность ее получается недостаточной. Последующая обработка в сухом кислороде приводит к уплотнению пленки и улучшению ее структуры.

Наиболее часто используют толщину оксида, составляющую десятые доли микрометра, а верхний предел по толщине равен 1 мкм. Добавление в оксидированную среду хлорсодержащих компонентов повышает скорость оксидирования и увеличивает напряженность пробоя. Главная роль хлора заключается в превращении случайно попавших в диоксид кремния примесных атомов (калия, натрия и др.) в электрически неактивные.

Окисление кремния в парах воды при высоком давлении осуществляется в камере, внутренняя поверхность которой покрывается золотом или другим инертным металлом во избежание нежелательной реакции. В камеру помещают пластины кремния и определенное количество воды высокой чистоты, которая нагревается до температуры оксидирования (500 ...800°С). Толщина пленки зависит от длительности оксидирования, давления и концентрации паров воды.

На качество оксидной пленки влияет чистота рабочего объема, в котором производится процесс. Попадание даже ничтожного количества примесных атомов может существенно изменить свойства материала исходной заготовки. Наиболее вредное воздействие оказывают примеси меди, коэффициент диффузии которых в кремнии очень велик.

Большое значение имеет предокислительная очистка кремния от загрязнений, приводящих к прерывистости в пленках. Преимущество оксидирования при высоком давлении состоит в возможности снижения температуры процесса без увеличения продолжительности.

Анодное оксидирование кремния имеет две модификации: оксидирование в жидком электролите и в газовой плазме. Процесс анодного оксидирования дает возможность получать оксидные пленки при более низких температурах, что ограничивает пере-распределение примесей в предварительно сформированных диффузионных областях.

Для создания межслойной изоляции процесс оксидирования не применяют, а диэлектрические слои получают осаждением.

Пленки диоксида кремния как защитные слои обладают следующими недостатками: 1) пористостью структуры, что приводит к возможности проникновения водяных паров и некоторых примесей к исходной поверхности кремния; 2) способностью атомов ряда элементов мигрировать сквозь пленку диоксида кремния, что приводит к нестабильности характеристик полупроводниковых приборов.

Фотолитография. Фотолитография представляет собой процесс образования на поверхности диоксида подложки фоторезистивного изображения топологии схемы и последующего переноса его на подложку. По структуре он совпадает с методами, применяемыми при образовании проводников печатных плат. Однако этот процесс имеет свою специфику, обусловленную требованиями высокой разрешающей способности и повышенными требованиями к качеству применяемых материалов и чистоте окружающей среды.

Фоторезисты - тонкие плёнки органических растворов, которые должны обладать свой-ствами после экспонирования ультрафиолетовым светом полимеризоваться и переходить в нерастворимое состояние. Основные требования, предъявляемые к фоторезистам, - высокая разрешающая способность, светочувствительность, устойчивость к воздействию травителей и различных химических растворов, хорошая адгезия с поверхностью изделия.

Под разрешающей способностью фоторезиста понимается число линий, которое можно нанести на один миллиметр поверхности платы с расстоянием между ними, равным их ширине. Разрешающая способность зависит от вида фоторезиста и толщины слоя. При тон­ких слоях она больше, чем при толстых.

По способу образования рисунка фоторезисты делятся на негативные и позитивные (рис. 1.9).

Участки негативного фоторезиста, находящиеся под прозрачными участками фотошаблона, под действием ультрафиолетового света получают свойство не растворяться при проявлении. Участки фоторезиста, расположенные под непрозрачными местами фотошаблона, легко удаляются при проявлении в растворителе. Таким образом создается; рельеф, представляющий собой изображение светлых элементов фотошаблона (рис. 1.9, а).

Негативные фоторезисты изготовляют на основе поливинилового спирта. Их широко применяют вследствие отсутствия токсичных составляющих, приемлемой разрешающей способности (до 50 ли-ний/мм), простоте проявления и низкой стоимости. Недостатком является невозможность хранения более 3...5 ч заготовок с нанесенным слоем, так как послед-ний задубливается и в темноте. Кроме того, с пони-жением влажности и температуры окружающей среды уменьшается механическая прочность светочувствительного слоя и его адгезия с поверхностью.

Позитивный фоторезист под действием облучения изменяет свои свойства таким образом, что при обработке в проявителях растворяются его облученные участки, а необлученные (находящиеся под непрозрачными участками фотошаблона) остаются на поверхности платы (рис. 1.9, б).

Для позитивных фоторезистов применяют материалы на основе диазосоединений, которые состоят из светочувствительной полимерной основы (новолачной смолы), растворителя и некоторых других компонентов. По адгезионной и разрешающей способности они превосходят негативные фоторезисты, но имеют более высокую стоимость и содержат токсичные растворители. Разрешающая способность позитивных фоторезистов составляет до 350 линий/мм. Достоинством позитивного фоторезиста является отсутствие дубления при хранении заготовок с нанесенным светочувствительным слоем.

В технологическом процессе производства ИМС применяют жидкие и сухие фоторезисты.

Жидкие фоторезисты наносят погружением (окунанием), поливом с центрифугированием, накатыванием ребристым роликом и другими способами.

Сухие фоторезисты, получившие более широкое распространение ввиду большей технологичности и простоте применения, представляют собой тонкую структуру из трёх слоёв: оптически прозрачной плёнки (обычно полиэтилентерефталата), светочув-ствительного полимера и защитной лавсановой плёнки. Нанесение их проводится при повышенной температуре с предварительным удалением защитного слоя и приклеиванием фоторезиста. После экспонирования рисунка снимается оптическая плёнка и изображение проявляется в воде. При этом неэкспонированные участки рисунка удаляются.

Высокую разрешающую способность рисунка схемы обеспечивают позитивные фоторезисты. Однако их преимущества не исключают возможности использования негативных фоторезистов, обладающих большей кислотоустойчивостью и простотой проявления.

Основные этапы процесса фотолитографии при реализации контактной печати приведены на рис.1.10.

Подготовка повер-хности подложки (рис. 1.10,а) существенно влияет на адгезию фоторезиста. Пос-ледний следует наносить сразу же после окисления пластины без каких-либо дополнительных обработок поверхности. Если подложки хранятся более часа, то производится термообработка в сухом кислороде или азоте при t=1000°С в течение нескольких минут. Она позволяет устранить гидрофильность поверхности подложки.

Нанесение фото-резиста производят цен-трифугированием (рис. 1.10,6). Оптимальная толщина слоя фоторезиста находится в пределах 0,3... 0,8 мкм. При толщине слоя менее 0,2 мкм вероятность появления проколов резко увеличивается, а при толщинах более 1 мкм снижается разрешающая способность процесса, что не дает возможности получать элементы с малыми размерами.

При нанесении фоторезиста необходимо обеспечить однородность слоя (отсутствие пор, инородных частиц и др.) и равномерность его по толщине. Однородность слоя зависит от чистоты исходного фоторезиста, чистоты окружающей среды, режимов и способа сушки. Равномерность толщины слоя зависит от вязкости фоторезиста и режимов его нанесения. Неравномерность слоя по толщине является причиной ухудшения контраст-ности вследствие неполного прилегания фотошаблона к фотослою при экспонировании.

Удаление растворителя из слоя фоторезиста для образования прочной и однородной пленки осуществляется сушкой при t =18... 20°С в течение 15...30 мин, а затем при t=90... 100 °С в течение 30 мин.

Перенос изображения с фотошаблона на пластину, покрытую слоем фоторезиста, реализуется путем экспонирования (рис. 1.10, в). Если процесс фотолитографии повторяется, то необходимо ранее полученный рисунок совместить с рисунком на фотошаблоне. Точность совмещения составляет 0,25... 0,5 мкм. В качестве источника света используют ксеоновые и ртутно-кварцевые лампы.

На качество переноса существенно влияют дифракционные явления, возникающие при наличии зазоров между шаблоном и пластиной. Зазоры возникают вследствие неплоскостности подложки, достигающей 20 мкм. Качество переноса изображения с фотошаблона на слой фоторезиста может быть оценено только после проявления.

Проявление скрытого изображения (рис. 1.10,г) в негативном фоторезисте заключается в удалении участков, находившихся под темными местами фотошаблона. В случае позитивного фоторезиста удаляются облученные участки. Негативные фоторезисты проявляют в органических растворителях (трихлорэтилене и др.), а позитивные- в щелочных растворах. Для улучшения защитных свойств полученный слой сушат при t=100... 120°С, а затем задубливают при t=200... 250°С в течение 30...40 мин.

Требуемый рисунок схемы получают травлением не защищенных фоторезистом участков подложки в смеси азотной и плавиковой кислоты (рис. 1.10,д).

Травление должно обеспечивать полное вытравливание оксидных пленок. При этом встречаются случаи, когда надо одновременно вытравливать оксидные пленки различной толщины. Точность операций травления зависит от точности изготовления негатива и качества фоторезиста. В случае плохой адгезии слоя с поверхностью заготовки плавиковая кислота может проникать под задубленный слой и вытравливать защищенные им участки оксидной пленки. Оставшийся на поверхности слой фоторезиста удаляют в растворителе, в качестве которых применяют органические жидкости и серную кислоту. После набухания пленки фоторезиста удаляют тампоном.

Фотолитография является одним из основных технологических процессов при производстве полупроводниковых микросхем. Ее широкое применение объясняется высокой воспроизводимостью и разрешающей способностью, позволяющей получить рисунок малых размеров, универсальностью и гибкостью метода, высокой производительностью. Недостатком контактной фотолитографии являются быстрый износ фотошаблона и возникновение дефектов на соприкасающихся поверхностях. При контактировании фотошаблон вдавливает в фоторезистивный слой любые частицы (например, пылинки), которые приводят к дефектам в защитном слое фоторезиста.

Пылинка на поверхности фоторезиста может воспрепятствовать его задублению и привести к образованию отверстия («прокола») в оксиде. Такой же эффект может дать пылинка или какие-нибудь темные точки на прозрачной части фотошаблона. Отверстие в за-темненной части фотошаблона может привести к неполному удалению оксидной пленки. Размеры частичек пыли соизмеримы с размерами областей контактных элементов. Их наличие приводит к браку микросхемы.

Вероятность появления дефектов, возникающих вследствие попадания на поверхность кремния нерастворимых частиц пыли и других точечных загрязнений, пропорциональна площади пластины. Наличие таких дефектов ограничивает максимальную величину площади микросхем.

Бесконтактная (проекционная) фотолитография устраняет контакт между фотошаблоном и слоем фоторезиста, что позволяет избежать целого ряда недостатков, присущих контактной фотолитографии.

Метод проекционной печати заключается в проецировании изображения с фотошаблона на покрытую слоем фоторезиста пластину, размещенных на значительном расстоянии друг от друга. Размеры рисунка на фотошаблоне могут быть выполнены в увеличенном масштабе. При этом методе повышаются требования к плоскостности подложек и однородности толщины слоя фоторезиста. Высокие требования предъявляются к объективу, который должен обеспечить нужное разрешение на всем рабочем поле подложки. В настоящее время наилучшее разрешение (0,4 мкм) может быть получено на площади 2x2 мм. Трудности создания объективов, обеспечивающих высокое разрешение на большой площади, препятствуют широкому внедрению метода проекционной фотолитографии.

Фотолитография на микрозазоре сочетает достоинства контактного и проекционного методов фотолитографии. При этом методе между пластиной и фотошаблоном устанавливается зазор в 10... 20 мкм. Такой зазор является достаточно большим, чтобы свести к минимуму явление дифракции, и в то же время достаточно малым, чтобы пренебречь нелинейными искажениями в зазоре при передаче изображения. Промышленное оборудование для экспонирования на микрозазоре значительно сложнее, чем установки для контактного экспонирования.

Диффузия. Это процесс переноса легирующих примесей из областей с большей концентрацией в области с меньшей концентрацией. Если в твердом теле имеется градиент концентрации атомов какого-либо элемента, то создается направленное диффузионное движение, стремящееся выравнить концентрацию этих атомов во всем объеме. Процессы выравнивания концентрации происходят при достаточно высоких температурах, когда резко увеличиваются скорости движения частиц. Они характеризуются коэффициентом диффузии D, который определяется массой вещества, проникающего через единичную площадку за единицу времени при градиенте концентрации, равном единице.

Коэффициент диффузии для определенного материала и диффундирующей примеси в первом приближении зависит только от температуры (экспоненциальная зависимость).

Коэффициент диффузии элементов III группы (В, А1,Iп) в кремний на 1... 1,5 порядка выше, чем элементов V группы (As; P; Sb). Например, коэффициент диффузии бора в кремний при t==1473 К составляет 10,5 см 2 /с, мышьяка - 0,3 см 2 /с.

Процесс диффузии осуществляется в два этапа. На первом этапе из бесконечного источника (газовая фаза) на кристалле создается слой, насыщенный примесью. Этот этап называется загонкой примеси. Он проводится в присутствии кислорода, что способствует образованию на поверхности слоя боросиликатного стекла (для примеси В 2 0 3) или фосфорно-силикатного стекла (для примеси Р 2 О 5). Параметрами процесса загонки являются концентрация диффузанта и кислорода в газе-носителе, скорость газовой смеси и время процесса. На втором этапе примесь подвергается перераспределению. Этот этап называется разгонкой примеси. Она выполняется при t = 800...1000°С в отсутствие внешнего источника примеси. Рабочей атмосферой служит смесь инертного газа с кислородом. Разгонка примеси в глубь пластины сопровождается выращиванием защитной пленки оксида кремния.

Диффузию проводят в диапазоне температур 1100... 1300°С, а с учетом процесса загонки при двухстадийном процессе -1000... 1300°. Ниже 1000 °С значения коэффициентов диффузии очень малы и глубина диффузии незначительна. Выше 1300°С происходят нарушения поверхности пластин под действием высокой температуры.

В качестве источников примеси применяют твердые, жидкие и газообразные соединения. Наиболее часто используют бор и фосфор в виде химических соединений В 2 0 5 , Р 2 О 5 и др.

Диффузия в пото-ке газа-носителя из твердого источника выполняется в двухзонных установках (рис. 1.11). Источник примесей поме-щают в низкотемпературной зоне, а кремниевые плас-тины - в высокотемператур-ной зоне (1100... 1200°С). Трубу продувают смесью инертного газа с кислоро-дом и после установления температурного режима пластины помещают в рабочую зону. Испаряющи-еся молекулы примеси переносятся газом-носите-лем к пластинам и через слой жидкого стекла попадают на их поверхности. Жидкое стекло защищает поверхности пластин от испарения и попадания посторонних частиц. Недостатки процесса диффузии из твердого источника - сложность установки и трудность регулирования давления паров.

Диффузия в потоке газа-носителя из жидкого источника проводится на более простой однозонной установке, где возможно получить более широкий интервал значений поверхностных концентраций. Недостаток такого процесса-большая токсичность концентраций.

Диффузия в замкнутом объеме. Такая диффузия обеспечивает хорошую вос-производимость параметров диффузионных слоев. В этом случае пластину кремния и источ-ник примесей помещают в кварцевую ампулу, которую откачивают до давления 10 -3 Па или заполняют инертным газом. Затем ампулу запаивают и помещают в нагревательную печь. Молекулы пара примеси адсорбируются поверхностями полупроводниковой пластины и диффундируют в глубь ее. Такой метод применяют для диффузии бора, сурьмы, мышьяка, фосфора. Эти примеси являются высокотоксичными, а диффузия в ампуле исключает возможность отравления.

Достоинством метода является возможность применения одной печи для диффузии нес-кольких примесей без взаимного их загрязнения, недостатком-низкая производительность и необходимость тщательного ведения процесса загрузки, так как любое вещество, попавшее в ампулу, диффундирует вместе с основной примесью.

При всех способах диффузии необходимо обеспечить равномерное распределение температуры вдоль оси горячей зоны. Если допуск на глубину диффузионного слоя, равен 100%, то достаточно температуру выдерживать с точностью ±5°С. При допуске 20% температуру необходимо выдерживать с точностью ±0,5°С.

Глубина диффузии изменяется от нескольких микрометров (для элементов схемы) до 10 ... 100 мкм для их изоляции. Большая глубина диффузии требует значительного времени (до 60 ч).

Примеси, диффундирующие в кремний через отверстие в оксиде, распространяются в боковых направлениях почти на такую же величину, как и в глубину.

Наиболее распространенными дефектами при диффузии являются отклонения в глубине диффузионного слоя. Причины таких отклонений - пыль и другие частицы, находящиеся на поверхности пластины, а также остатки фоторезиста. Дефекты поверхности и нарушения в кристаллической решетке способствуют более глубокому проникновению диффузанта в материал. Для уменьшения количества таких дефектов необходимо весьма тщательно соблюдать чистоту окружающей среды, материалов и оборудования на подготовительных операциях и в процессе проведения диффузии.

Получение P-N -переходов методами диффузии позволяет в точных пределах контролировать глубину залегания и расположение перехода, концентрацию примесей и др. Недостаток процесса диффузии - невозможность получения четких переходов между областями с различными типами проводимости.

Эпитаксия. Это процесс наращивания слоев с упорядоченной кристаллической структурой путем реализации ориентирующего действия подложки. В производстве интегральных схем применяют два вида эпитаксии: гомоэпитаксию и гетероэпитаксию.

Гомоэпитаксия (автоэпитаксия) - процесс ориентированного наращивания кристалли-ческого вещества, не отличающегося по химическому составу от вещества подложки. Гетероэпитаксия - процесс ориентированного наращивания вещества, отличающегося по химическому составу от материала подложки.

В процессе выращивания эпитаксиальной пленки в нее можно вводить легирующие примеси, создавая полупроводниковые пленки с нужным распределением концентрации и заданным типом проводимости. Благодаря этому удается получить четкие границы между областями с различным типом проводимости.

Наибольшее распространение в настоящее время получил так называемый хлоридный способ получения эпитаксиальных слоев кремния, основанный на восстановлении тетрахлорида кремния. Процесс производится в реакторе, представляющем кварцевую трубу, помещенную в индуктор ВЧ-генератора. Реакторы могут быть горизонтального и вертикального типа.

В горизонтальном реакторе (рис. 1.12) кремниевые пластины размещают на графитовых подставках. Обогрев осуществляется высокочастотным генератором. Перед началом процесса систему заполняют азотом или гелием для удаления воздуха и продувают чистым водородом, который при температуре 1200°С вступает в реакцию с остатками оксидных пленок на поверхности подложек и почти полностью удаляет их. Затем камеру заполняют

смесью НС1 и Н 2 для стравливания с пластины кремния слоя толщиной в несколько микрометров. С помощью операции газового травления удаляются нарушенный слой и остатки Si0 2 . Эпитаксиальные пленки получаются без структурных дефектов. После очистки систему в течение нескольких минут продувают водородом, затем подают SiCl 4 и легирующую примесь. В результате реакции

5iС1 4 (газ) + 2Н 2 (газ) ↔ Si (ТВЁРДОЕ) ↓ + 4НС1 (ГАЗ)

тетрахлорид кремния разлагается, и на кремниевую подложку осаждается кремний, который принимает структуру лежащего под ним слоя. После окончания процесса подложку охлаждают потоком чистого водорода.

Определенные соотношения водорода, хлорида кремния и примесей достигаются путем регулирования скорости подачи и температуры. Обычный расход газа-носителя (водорода) составляет 10 л/мин, а соотношение между количеством Н 2 и SiCl 4 составляет 1000: 1. В эту смесь вводится газообразный диффузант в количестве примерно 300 ч. на 1 000 000 ч. газовой смеси.

В качестве донорной примеси применяют фосфин (РН 3) , а для получения слоя P -типа - диборан (В 2 Н 6) .

Скорость роста эпитаксиальной пленки зависит от расхода SiCl 4 и Н 2 , температуры подложки, количества вводимой примеси и др. Эти переменные, которые можно контролировать достаточно точно, определяют продолжительность процесса.

Наименьшая толщина эпитаксиальной пленки определяется наличием центров кристаллизации. Верхний предел толщины пленки, свободный от дефектов, равен 250 мкм. Наиболее часто толщина эпитаксиальной пленки составляет от 1 до 25 мкм.

Большое влияние на качество эпитаксиального слоя оказывает чистота поверхности подложки и используемых газов. В качестве подложки используют пластины кремния толщиной 150...200 мкм, свободные от структурных дефектов. Допускаемое содержание примесей в газах равно нескольким частям примеси на миллион частей газа.

Контроль полупроводниковых пластин осуществляют после финишного полирования, эпитаксии, оксидирования и диффузии. Он основан на визуальном наблюдении и анализе изображения пластины, сформированного на экране отраженным от поверхности пластины гомоцентрическим пучком видимого света.

Участки пластины с нарушенной структурой вносят возмущения в пучок света, благодаря чему дефекты пластины видны на экране как изменения интенсивности света в изображении пластины, позволяющие оценить ее качество.

Напыление тонких плёнок. Основными методами получения тонких плёнок являются термическое напылние (испарение) в вакууме и ионное распыление.

Термическое напыление в вакууме. Такое напыление основано на свойстве атомов (молекул) металлов и некоторых других материалов при испарении в условиях высокого вакуума перемещаться прямолинейно (лучеобразно) и осаждаться на поверхности, поставленной на пути их движения.

Установка для напыления в вакууме (рис. 1.13) состоит из плоской плиты 6, на которой устанавливается стеклянный или металличес-кий колпак 9. В последнем случае он снабжается смотровым стеклом. На плите предусмотрены два изолированных вакуумплотных вывода 4 для питания испарителя 3. На некотором расстоянии от испарителя помещается подложка 10, на которую наносится тонкая пленка. Подложка нагревается и до достижения заданного режима закрыта заслонкой 1.

В соответствии с физическими процессами, происходящими при испарении в вакууме, можно выделить следующие этапы образования пленки: 1) перевод напыляемого материала в парообразное состояние; 2) перенос пара от источника испарения к подложке; 3) конденсация пара на подложке и образование пленки.

Перевод напыляемого материала в парообразное состояние. В области образования паров происходит испарение материала, который нагревается до тех пор, пока давление его паров не превысит давления остаточных газов. При этом наиболее нагретые молекулы, обладающие высокой кинетической энергией, преодолевают силы молекулярного притяжения и отрываются от поверхности расплава. Вследствие резко пониженной теплопередачи в условиях высокого вакуума перегрева подложек не происходит.

Для некоторых материалов условная температура испарения ниже температуры плавления. Например, хром имеет температуру плавления 1800°С, а испаряется при нагревании в вакууме при температуре 1205°С. Переход вещества из твердого состояния в парообразное минуя жидкое называется сублимацией.

Перенос пара от источника испарения к подложке. Область переноса паров составляет 10...20 см. Чтобы траектории молекул испаряемого вещества были прямолинейными, длина свободного пробега молекул остаточного газа должна в 5... 10 раз превышать линейные размеры области переноса паров.

Длина свободного пробега l - расстояние, проходимое молекулой пара вещества без столкновения с молекулами остаточных газов. В высоком вакууме, когда l ³ d (d - расстояние от источника испарения до подложки), молекулы испаряемого вещества пролета-ют расстояние практически без соударений. Такой поток испаряемого вещества называется молекулярным и для его создания необходим вакуум порядка 10-5... 10-6Па.

Конденсация пара на подложке и образование пленки. Конденсация пара зависит от температуры подложки и плотности атомарного потока. Атомы испаряемого вещества адсорбируются на подложке после хаотической миграции по ее поверхности.

По механическим и физическим свойствам тонкие плёнки существенно отличаются от объёмного материала. Например, удельная прочность некоторых плёнок примерно в 200 раз превышает прочность хорошо отожжённых объёмных образцов и в несколько раз - прочность материалов, подвергнутых холодной обработке. Это объясняется мелкокристалличексой структурой и малой пластичностью. Температура испарения металлов лежит в пределах от нескольких сотен градусов (например 430 о С у цезия) до нескольких тысяч (например, 3500 о С у вольфрама). В связи с этим при вакуумном испарении применяют испарители различной конструкции. По способу нагрева вещества испарители разделяют на резистивные, электронные и индукционые.

В резистивных испарителях тепловая энергия получается за счет выделения теплоты при прохождении тока через нагреватель или непосредственно через испаряемый материал. Наиболее часто используют испарители с косвенным подогревом. В этом случае предусматривают специальные подогреватели, при помощи которых испаряемое вещество нагревается до требуемой температуры. Материалом испарителя обычно служит вольфрам, тантал, молибден и др.

Выбор материала подогревателя определяется следующими требованиями: испаряемый материал в расплавленном состоянии должен хорошо смачивать подогреватель, образуя хороший тепловой контакт, и не должен вступать в химическую реакцию с материалом подогревателя. В основном применяют подогреватели из вольфрама, молибдена, тантала.

Резистивные испарители не обеспечивают требуемого состава пленок при испарении сплавов. Вследствие различия в упругости паров различных компонентов состав пленки значительно отличается от исходного материала. Например, напыляемый сплав нихром (80% Ni и 20% Сг) образует на подложке пленку, имеющую состав 60% Ni и 40% Сг. Для получения пленок требуемого состава из многокомпонентных сплавов (например, МЛТ и др.) применяют метод микродозирования или взрывного испарения. При этом методе на ленточный испаритель, нагретый до температуры, превышающей на 200... 300°С температуру испарения наиболее тугоплавкого компонента, подается микродоза порошка испаряемого сплава с размерами частиц 100... 200 мкм. Испарение микродозы происходит практически мгновенно.

В электронных испарителях кинетическая энергия электронов преобразуется в тепловую энергию. Испаряемый материал используется в виде сплошной проволоки, на свободный конец которой воздействует электронный луч. В связи с кратковременностью нагрева (10 -8 ... 10 -9 с) различные компоненты сложного соединения испаряются и осаждаются на подложку практически одновременно. Электронно-лучевой нагрев дает возможность испарять тугоплавкие металлы и их сплавы.

Для повышения стабильности параметров тонкие металлические пленки подвергают термической обработке путем нагревания до t =300... 400° С. При этом происходит укрупнение кристаллов, связь между ними усиливается, пленка получается более плотной и компактной, а удельное электрическое сопротивление уменьшается.

Вакуумное напыление широко применяют для получения резистивных пленок, проводников из меди, алюминия и некоторых других сплавов, диэлектрических покрытий из оксида кремния и др. Основными преимуществами процесса являются высокая чистота получаемой пленки, удобство контроля ее толщины в процессе напыления, простота выполнения. Наиболее существенные недостатки процесса - изменение процентного соотношения составляющих при испарении веществ сложного состава; малая равномерность пленки по толщине при осаждении на большую площадь из точечных источников; трудность испарения тугоплавких материалов; высокая инерционность процесса при использовании резистивных испарителей; сравнительно невысокая прочность сцепления пленки с подложкой.

Ионное распыление. Оно основано на явлении разрушения твердых материалов при бомбардировке их поверхности ионизированными молекулами разряженного газа. Процесс не связан с высокими температурами и позволяет получать пленки тугоплавких металлов и сплавов. Различают следующие виды ионного распыления: катодное, ионно-плазменное и магнетронное.

Катодное распыление («диод-ная» система) (рис. 1.14) производится в ва-куумной камере, где расположены два плоскопараллельных электрода. Один элек-трод (катод) изготовлен из распыляемого материала и является мишенью для бомбар-дировки. Другой электрод (анод) служит подложкой, на которой осаждается пленка. В вакуумной камере создается низкое давление (10 -3. .. 10 -4 Па), после чего заполняется инерт-ным газом (обычно аргоном) при давлении 1 ... 10 Па. При подаче высокого напряжения (1... 3 кВ) между электродами возникает самостоятельный тлеющий газовый разряд, возбуждаемый электронной эмиссией. Катод является источником электронов, необходи-мых для поддержания тлеющего разряда. Электроны движутся к аноду и при столк-новении с молекулами нейтрального газа выбивают новые электроны, что приводит к резкому нарастанию потока электронов. Молекула инертного газа при этом превра-щается из нейтральной в положительный ион, обладающий по сравнению с элек-троном большей массой. Так происходит ионизация газа, который с большим или равным количеством электронов и ионов называют плазмой. Электроны перемещаются к аноду и нейтрализуются. Положительные ионы движутся к другой границе плазмы и ускоряются в темном катодном пространстве, приобретая большие энергии для распыления мишени (катода). Атомы материала мишени с высокой энергией осаждаются на поверхности подложки, которая располагается достаточно близко к катоду. Обычно это расстояние состав-ляет полторы-две длины темного катодного пространства.

Катодное реактивное распыление осуществляется в смеси инертного и активного газов. Оно позволяет получать различные по составу пленки. Разряд в смеси газов «аргон - кислород» применяют для получения оксидов. Реактивное распыление тантала в среде аргона с добавлением кислорода, азота и углерода позволяет получить ряд соединений с самыми различными свойствами.

Ионно-плазменное распыление (трехэлектродная система) осуществляется при более низких давлениях (рис. 1.15).

В камере создается давление 10 - 3Па и включается накал катода. Затем она заполняется инертным газом при давлении Ю-1Па. Создание газоразрядной плазмы обеспечивается дуговым разрядом, возникающим между анодом и катодом при напряжении в 150... 250 В. Источником электронов служит термокатод. Распыляемый материал (мишень) вводится в газовый разряд в качестве независимого электрода, не связанного с поддержанием разряда. Имитируемые термокатодом элек-троны ускоряются по направлению к аноду и ионизируют по пути молекулы остаточного газа. Плотность образующейся плазмы более чем на порядок превышает плотность плазмы тлеющего разряда. Катод-мишень и подложку помещают на противоположных границах активного плазменного пространства. Распы-ление начинается с того момента, когда к мишени прикладывают отрицательный по отношению к аноду потенциал в 200... 1000 В. Этот потенциал отталкивает электроны и притягивает ионы из плазменного простран-ства. Ионы бомбардируют мишень так же, как в рассмотренном «диодном» варианте. Распыляе-мые атомы, двигаясь преимущественно в направлении, перпендикулярном поверхно-сти, осаждаются на подложке. Распыление при низких давлениях дает возможность получить высокую адгезию пленки с подложкой за счет большей энергии распыляемых частиц. Так как при этом давлении длина свободного пробега молекул составляет несколько сантиметров, то распыляемые атомы на своем пути от мишени до подложки почти не соударяются с молекулами и ионами инертного газа и газовых примесей, что существенно уменьшает степень загрязненности пленки посторонними газовыми включениями. Возможность сокращения расстояния между мишенью и подложками связана с тем, что в триодной системе распыления образование электронов и ионов происходит автономно от мишени.

Недостатками триодной системы являются малый срок службы проволочного катода и разная скорость распыления на отдельных участках плоской мишени.

Высокочастотное ионное распыление применяют для распыления диэлектриков и полупровод-никовых материалов. В процессе обычного распыления проводящих материалов, ударяющихся о катод-мишень, ион нейтрального рабочего газа получает с мишени электрон и разряжается, превращаясь на некоторое время в нейтральную молекулу. Если распыляемый материал мишени- диэлектрик, то нейтрализации ионов на мишени не будет и она быстро покрывается слоем положительных зарядов, препятствующих дальнейшему распылению мишени.

Влияние положительного заряда можно исключить, подавая к металлическому электроду, на котором закреплён распыляемый диэлектрик, переменное напряжение. В период, когда напряжение на мишени отрицательно, происходит её распыление, сопровождаемое накоплением положительного заряда. При смене полярности положительный заряд компенсируется электронами, вытягиваемыми из плазмы. Диэлектрические материалы можно распылять практически на любой частоте.