3 ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОИЗВОДСТВА

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ИНТЕГРАЛЬНЫХ МИКРОСХЕМ

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

3.1 Подготовительные операции

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

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

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

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

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

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

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

3. 2 Эпитаксия

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

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

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

В результате реакции на подложке постепенно осаждается слой чистого

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

Рисунок 3.1 – Процесс эпитаксии

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

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

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

Рисунок 3.2 – Подложки с эпитаксиальной и окисной пленками

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

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

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

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

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

3.3 Термическое окисление

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Другие методы получения пленки SiO2 рассмотрены в .

3.4 Литография

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

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

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

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

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

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

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

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

Рисунок 3.3 – Процесс фотолитографии

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

3.5 Легирование

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

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

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

Рисунок 3.4 – Общая и локальная диффузии

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

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

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

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

Таблица 3.1

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

не удается обеспечить более 3-х последо­вательных диффузий.

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

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

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

Рисунок 3.5 - Процесс диффузии

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

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

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

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

Различают два случая распределения примеси в диффузионном слое.

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

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

Рисунок 3.6 – Распределение диффузанта

3.5.2 Ионная имплантация.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

3.6 Нанесение тонких пленок

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

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

3.6.1 Термическое (вакуумное) напыление.

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

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

Рисунок 3.7 – Нанесение пленок

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

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

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

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

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.

Как делают микросхемы

тобы понять, в чем заключается основное различие между этими двумя технологиями, необходимо сделать краткий экскурс в саму технологию производства современных процессоров или интегральных микросхем.

Как известно из школьного курса физики, в современной электронике основными компонентами интегральных микросхем являются полупроводники p-типа и n-типа (в зависимости от типа проводимости). Полупроводник — это вещество, по проводимости превосходящее диэлектрики, но уступающее металлам. Основой полупроводников обоих типов может служить кремний (Si), который в чистом виде (так называемый собственный полупроводник) плохо проводит электрический ток, однако добавление (внедрение) в кремний определенной примеси позволяет радикально изменить его проводящие свойства. Существует два типа примеси: донорная и акцепторная. Донорная примесь приводит к образованию полупроводников n-типа c электронным типом проводимости, а акцепторная — к образованию полупроводников p-типа с дырочным типом проводимости. Контакты p- и n-полупроводников позволяют формировать транзисторы — основные структурные элементы современных микросхем. Такие транзисторы, называемые КМОП-транзисторами, могут находиться в двух основных состояниях: открытом, когда они проводят электрический ток, и запертом — при этом они электрический ток не проводят. Поскольку КМОП-транзисторы являются основными элементами современных микросхем, поговорим о них подробнее.

Как устроен КМОП-транзистор

Простейший КМОП-транзистор n-типа имеет три электрода: исток, затвор и сток. Сам транзистор выполнен в полупроводнике p-типа с дырочной проводимостью, а в областях стока и истока формируются полупроводники n-типов с электронной проводимостью. Естественно, что за счет диффузии дырок из p-области в n-область и обратной диффузии электронов из n-области в p-область на границах переходов p- и n-областей формируются обедненные слои (слои, в которых отсутствуют основные носители зарядов). В обычном состоянии, то есть когда к затвору не прикладывается напряжение, транзистор находится в «запертом» состоянии, то есть не способен проводить ток от истока к стоку. Ситуация не меняется, даже если приложить напряжение между стоком и истоком (при этом мы не принимаем во внимание токи утечки, вызванные движением под воздействием формируемых электрических полей неосновных носителей заряда, то есть дырок для n-области и электронов для p-области).

Однако если к затвору приложить положительный потенциал (рис. 1), то ситуация в корне изменится. Под воздействием электрического поля затвора дырки выталкиваются в глубь p-полупроводника, а электроны, наоборот, втягиваются в область под затвором, образуя обогащенный электронами канал между истоком и стоком. Если приложить к затвору положительное напряжение, эти электроны начинают двигаться от истока к стоку. При этом транзистор проводит ток — говорят, что транзистор «открывается». Если напряжение с затвора снимается, электроны перестают втягиваться в область между истоком и стоком, проводящий канал разрушается и транзистор перестает пропускать ток, то есть «запирается». Таким образом, меняя напряжение на затворе, можно открывать или запирать транзистор, аналогично тому, как можно включать или выключать обычный тумблер, управляя прохождением тока по цепи. Именно поэтому транзисторы иногда называют электронными переключателями. Однако, в отличие от обычных механических переключателей, КМОП-транзисторы практически безынерционны и способны переходить из открытого в запертое состояние триллионы раз в секунду! Именно этой характеристикой, то есть способностью мгновенного переключения, и определяется в конечном счете быстродействие процессора, который состоит из десятков миллионов таких простейших транзисторов.

Итак, современная интегральная микросхема состоит из десятков миллионов простейших КМОП-транзисторов. Остановимся более подробно на процессе изготовления микросхем, первый этап которого — получение кремниевых подложек.

Шаг 1. Выращивание болванок

Создание таких подложек начинается с выращивания цилиндрического по форме монокристалла кремния. В дальнейшем из таких монокристаллических заготовок (болванок) нарезают круглые пластины (wafers), толщина которых составляет приблизительно 1/40 дюйма, а диаметр — 200 мм (8 дюймов) или 300 мм (12 дюймов). Это и есть кремниевые подложки, служащие для производства микросхем.

При формировании пластин из монокристаллов кремния учитывается то обстоятельство, что для идеальных кристаллических структур физические свойства в значительной степени зависят от выбранного направления (свойство анизотропии). К примеру, сопротивление кремниевой подложки будет различным в продольном и поперечном направлениях. Аналогично, в зависимости от ориентации кристаллической решетки, кристалл кремния будет по-разному реагировать на какие-либо внешние воздействия, связанные с его дальнейшей обработкой (например, травление, напыление и т.д.). Поэтому пластина должна быть вырезана из монокристалла таким образом, чтобы ориентация кристаллической решетки относительно поверхности была строго выдержана в определенном направлении.

Как уже отмечалось, диаметр заготовки монокристалла кремния составляет либо 200, либо 300 мм. Причем диаметр 300 мм — это относительно новая технология, о которой мы расскажем ниже. Понятно, что на пластине такого диаметра может разместиться далеко не одна микросхема, даже если речь идет о процессоре Intel Pentium 4. Действительно, на одной подобной пластине-подложке формируется несколько десятков микросхем (процессоров), но для простоты мы рассмотрим лишь процессы, происходящие на небольшом участке одного будущего микропроцессора.

Шаг 2. Нанесение защитной пленки диэлектрика (SiO2)

После формирования кремниевой подложки наступает этап создания сложнейшей полупроводниковой структуры.

Для этого в кремний нужно внедрить так называемые донорную и акцепторную примеси. Однако возникает вопрос — как осуществить внедрение примесей по точно заданному рисунку-шаблону? Для того чтобы это стало возможным, те области, куда не требуется внедрять примеси, защищают специальной пленкой из диоксида кремния, оставляя оголенными только те участки, которые подвергаются дальнейшей обработке (рис. 2). Процесс формирования такой защитной пленки нужного рисунка состоит из нескольких этапов.

На первом этапе вся пластина кремния целиком покрывается тонкой пленкой диоксида кремния (SiO2), который является очень хорошим изолятором и выполняет функцию защитной пленки при дальнейшей обработке кристалла кремния. Пластины помещают в камеру, где при высокой температуре (от 900 до 1100 °С) и давлении происходит диффузия кислорода в поверхностные слои пластины, приводящая к окислению кремния и к образованию поверхностной пленки диоксида кремния. Для того чтобы пленка диоксида кремния имела точно заданную толщину и не содержала дефектов, необходимо строго поддерживать постоянную температуру во всех точках пластины в процессе окисления. Если же пленкой из диоксида кремния должна быть покрыта не вся пластина, то предварительно на кремниевую подложку наносится маска Si3N4, предотвращающая нежелательное окисление.

Шаг 3. Нанесение фоторезистива

После того как кремниевая подложка покроется защитной пленкой диоксида кремния, необходимо удалить эту пленку с тех мест, которые будут подвергаться дальнейшей обработке. Удаление пленки осуществляется посредством травления, а для защиты остальных областей от травления на поверхность пластины наносится слой так называемого фоторезиста. Термином «фоторезисты» обозначают светочувствительные и устойчивые к воздействию агрессивных факторов составы. Применяемые составы должны обладать, с одной стороны, определенными фотографическими свойствами (под воздействием ультрафиолетового света становиться растворимыми и вымываться в процессе травления), а с другой — резистивными, позволяющими выдерживать травление в кислотах и щелочах, нагрев и т.д. Основное назначение фоторезистов — создание защитного рельефа нужной конфигурации.

Процесс нанесения фоторезиста и его дальнейшее облучение ультрафиолетом по заданному рисунку называется фотолитографией и включает следующие основные операции: формирование слоя фоторезиста (обработка подложки, нанесение, сушка), формирование защитного рельефа (экспонирование, проявление, сушка) и передача изображения на подложку (травление, напыление и т.д.).

Перед нанесением слоя фоторезиста (рис. 3) на подложку последняя подвергается предварительной обработке, в результате чего улучшается ее сцепление со слоем фоторезиста. Для нанесения равномерного слоя фоторезиста используется метод центрифугирования. Подложка помещается на вращающийся диск (центрифуга), и под воздействием центробежных сил фоторезист распределяется по поверхности подложки практически равномерным слоем. (Говоря о практически равномерном слое, учитывают то обстоятельство, что под действием центробежных сил толщина образующейся пленки увеличивается от центра к краям, однако такой способ нанесения фоторезиста позволяет выдержать колебания толщины слоя в пределах ±10%.)

Шаг 4. Литография

После нанесения и сушки слоя фоторезиста наступает этап формирования необходимого защитного рельефа. Рельеф образуется в результате того, что под действием ультрафиолетового излучения, попадающего на определенные участки слоя фоторезиста, последний изменяет свойства растворимости, например освещенные участки перестают растворяться в растворителе, которые удаляют участки слоя, не подвергшиеся освещению, или наоборот — освещенные участки растворяются. По способу образования рельефа фоторезисты делят на негативные и позитивные. Негативные фоторезисты под действием ультрафиолетового излучения образуют защитные участки рельефа. Позитивные фоторезисты, напротив, под воздействием ультрафиолетового излучения приобретают свойства текучести и вымываются растворителем. Соответственно защитный слой образуется в тех участках, которые не подвергаются ультрафиолетовому облучению.

Для засветки нужных участков слоя фоторезиста используется специальный шаблон-маска. Чаще всего для этой цели применяются пластинки из оптического стекла с полученными фотографическим или иным способом непрозрачными элементами. Фактически такой шаблон содержит рисунок одного из слоев будущей микросхемы (всего таких слоев может насчитываться несколько сотен). Поскольку этот шаблон является эталоном, он должен быть выполнен с большой точностью. К тому же с учетом того, что по одному фотошаблону будет сделано очень много фотопластин, он должен быть прочным и устойчивым к повреждениям. Отсюда понятно, что фотошаблон — весьма дорогая вещь: в зависимости от сложности микросхемы он может стоить десятки тысяч долларов.

Ультрафиолетовое излучение, проходя сквозь такой шаблон (рис. 4), засвечивает только нужные участки поверхности слоя фоторезиста. После облучения фоторезист подвергается проявлению, в результате которого удаляются ненужные участки слоя. При этом открывается соответствующая часть слоя диоксида кремния.

Несмотря на кажущуюся простоту фотолитографического процесса, именно этот этап производства микросхем является наиболее сложным. Дело в том, что в соответствии с предсказанием Мура количество транзисторов на одной микросхеме возрастает экспоненциально (удваивается каждые два года). Подобное возрастание числа транзисторов возможно только благодаря уменьшению их размеров, но именно уменьшение и «упирается» в процесс литографии. Для того чтобы сделать транзисторы меньше, необходимо уменьшить геометрические размеры линий, наносимых на слой фоторезиста. Но всему есть предел — сфокусировать лазерный луч в точку оказывается не так-то просто. Дело в том, что в соответствии с законами волновой оптики минимальный размер пятна, в который фокусируется лазерный луч (на самом деле это не просто пятно, а дифракционная картина), определяется кроме прочих факторов и длиной световой волны. Развитие литографической технологии со времени ее изобретения в начале 70-х шло в направлении сокращения длины световой волны. Именно это позволяло уменьшать размеры элементов интегральной схемы. С середины 80-х в фотолитографии стало использоваться ультрафиолетовое излучение, получаемое с помощью лазера. Идея проста: длина волны ультрафиолетового излучения меньше, чем длина волны света видимого диапазона, следовательно, возможно получить и более тонкие линии на поверхности фоторезиста. До недавнего времени для литографии использовалось глубокое ультрафиолетовое излучение (Deep Ultra Violet, DUV) с длиной волны 248 нм. Однако когда фотолитография перешагнула границу 200 нм, возникли серьезные проблемы, впервые поставившие под сомнение возможность дальнейшего использования этой технологии. Например, при длине волны меньше 200 мкм слишком много света поглощается светочувствительным слоем, поэтому усложняется и замедляется процесс передачи шаблона схемы на процессор. Подобные проблемы побуждают исследователей и производителей искать альтернативу традиционной литографической технологии.

Новая технология литографии, получившая название ЕUV-литографии (Extreme UltraViolet — сверхжесткое ультрафиолетовое излучение), основана на использовании ультрафиолетового излучения с длиной волны 13 нм.

Переход с DUV- на EUV-литографию обеспечивает более чем 10-кратное уменьшение длины волны и переход в диапазон, где она сопоставима с размерами всего нескольких десятков атомов.

Применяемая сейчас литографическая технология позволяет наносить шаблон с минимальной шириной проводников 100 нм, в то время как EUV-литография делает возможной печать линий гораздо меньшей ширины — до 30 нм. Управлять ультракоротким излучением не так просто, как кажется. Поскольку EUV-излучение хорошо поглощается стеклом, то новая технология предполагает использование серии из четырех специальных выпуклых зеркал, которые уменьшают и фокусируют изображение, полученное после применения маски (рис. 5 , , ). Каждое такое зеркало содержит 80 отдельных металлических слоев толщиной примерно в 12 атомов.

Шаг 5. Травление

После засвечивания слоя фоторезиста наступает этап травления (etching) с целью удаления пленки диоксида кремния (рис. 8).

Часто процесс травления ассоциируется с кислотными ваннами. Такой способ травления в кислоте хорошо знаком радиолюбителям, которые самостоятельно делали печатные платы. Для этого на фольгированный текстолит лаком, выполняющим функцию защитного слоя, наносят рисунок дорожек будущей платы, а затем опускают пластину в ванну с азотной кислотой. Ненужные участки фольги стравливаются, обнажая чистый текстолит. Этот способ имеет ряд недостатков, главный из которых — невозможность точно контролировать процесс удаления слоя, так как слишком много факторов влияют на процесс травления: концентрация кислоты, температура, конвекция и т.д. Кроме того, кислота взаимодействует с материалом по всем направлениям и постепенно проникает под край маски из фоторезиста, то есть разрушает сбоку прикрытые фоторезистом слои. Поэтому при производстве процессоров используется сухой метод травления, называемый также плазменным. Такой метод позволяет точно контролировать процесс травления, а разрушение вытравливаемого слоя происходит строго в вертикальном направлении.

При использовании сухого травления для удаления с поверхности пластины диоксида кремния применяется ионизированный газ (плазма), который вступает в реакцию с поверхностью диоксида кремния, в результате чего образуются летучие побочные продукты.

После процедуры травления, то есть когда оголены нужные области чистого кремния, удаляется оставшаяся часть фотослоя. Таким образом, на кремниевой подложке остается рисунок, выполненный диоксидом кремния.

Шаг 6. Диффузия (ионная имплантация)

Напомним, что предыдущий процесс формирования необходимого рисунка на кремниевой подложке требовался для того, чтобы создать в нужных местах полупроводниковые структуры путем внедрения донорной или акцепторной примеси. Процесс внедрения примесей осуществляется посредством диффузии (рис. 9) — равномерного внедрения атомов примеси в кристаллическую решетку кремния. Для получения полупроводника n-типа обычно используют сурьму, мышьяк или фосфор. Для получения полупроводника p-типа в качестве примеси используют бор, галлий или алюминий.

Для процесса диффузии легирующей примеси применяется ионная имплантация. Процесс имплантации заключается в том, что ионы нужной примеси «выстреливаются» из высоковольтного ускорителя и, обладая достаточной энергией, проникают в поверхностные слои кремния.

Итак, по окончании этапа ионной имплантации необходимый слой полупроводниковой структуры создан. Однако в микропроцессорах таких слоев может насчитываться несколько. Для создания очередного слоя на полученном рисунке схемы выращивается дополнительный тонкий слой диоксида кремния. После этого наносятся слой поликристаллического кремния и еще один слой фоторезиста. Ультрафиолетовое излучение пропускается сквозь вторую маску и высвечивает соответствующий рисунок на фотослое. Затем опять следуют этапы растворения фотослоя, травления и ионной имплантации.

Шаг 7. Напыление и осаждение

Наложение новых слоев осуществляется несколько раз, при этом для межслойных соединений в слоях оставляются «окна», которые заполняются атомами металла; в результате на кристалле создаются металлические полоски — проводящие области. Таким образом в современных процессорах устанавливаются связи между слоями, формирующими сложную трехмерную схему. Процесс выращивания и обработки всех слоев длится несколько недель, а сам производственный цикл состоит из более чем 300 стадий. В результате на кремниевой пластине формируются сотни идентичных процессоров.

Чтобы выдержать воздействия, которым подвергаются пластины в процессе нанесения слоев, кремниевые подложки изначально делаются достаточно толстыми. Поэтому, прежде чем разрезать пластину на отдельные процессоры, ее толщину уменьшают на 33% и удаляют загрязнения с обратной стороны. Затем на тыльную сторону подложки наносят слой специального материала, улучшающего крепление кристалла к корпусу будущего процессора.

Шаг 8. Заключительный этап

По окончании цикла формирования все процессоры тщательно тестируются. Затем из пластины-подложки с помощью специального устройства вырезаются конкретные, уже прошедшие проверку кристаллы (рис. 10).

Каждый микропроцессор встраивается в защитный корпус, который также обеспечивает электрическое соединение кристалла микропроцессора с внешними устройствами. Тип корпуса зависит от типа и предполагаемого применения микропроцессора.

После запечатывания в корпус каждый микропроцессор повторно тестируется. Неисправные процессоры отбраковывают, а исправные подвергают нагрузочным испытаниям. Затем процессоры сортируют в зависимости от их поведения при различных тактовых частотах и напряжениях питания.

Перспективные технологии

Технологический процесс производства микросхем (в частности, процессоров) рассмотрен нами весьма упрощенно. Но даже такое поверхностное изложение позволяет понять технологические трудности, с которыми приходится сталкиваться при уменьшении размеров транзисторов.

Однако, прежде чем рассматривать новые перспективные технологии, ответим на поставленный в самом начале статьи вопрос: что же такое проектная норма технологического процесса и чем, собственно, отличается проектная норма 130 нм от нормы 180 нм? 130 нм или 180 нм — это характерное минимальное расстояние между двумя соседними элементами в одном слое микросхемы, то есть своеобразный шаг сетки, к которой осуществляется привязка элементов микросхемы. При этом совершенно очевидно, что, чем меньше этот характерный размер, тем больше транзисторов можно разместить на одной и той же площади микросхемы.

В настоящее время в производстве процессоров Intel используется 0,13-микронный технологический процесс. По этой технологии изготавливают процессор Intel Pentium 4 с ядром Northwood, процессор Intel Pentium III с ядром Tualatin и процессор Intel Celeron. В случае применения такого технологического процесса полезная ширина канала транзистора составляет 60 нм, а толщина оксидного слоя затвора не превышает 1,5 нм. Всего же в процессоре Intel Pentium 4 размещается 55 млн. транзисторов.

Наряду с увеличением плотности размещения транзисторов в кристалле процессора, 0,13-микронная технология, пришедшая на смену 0,18-микронной, имеет и другие нововведения. Во-первых, здесь используются медные соединения между отдельными транзисторами (в 0,18-микронной технологии соединения были алюминиевыми). Во-вторых, 0,13-микронная технология обеспечивает более низкое энергопотребление. Для мобильной техники, например, это означает, что энергопотребление микропроцессоров становится меньше, а время работы от аккумуляторной батареи — больше.

Ну и последнее нововведение, которое было воплощено при переходе на 0,13-микронный технологический процесс — это использование кремниевых пластин (wafer) диаметром 300 мм. Напомним, что до этого большинство процессоров и микросхем изготовлялись на основе 200-миллиметровых пластин.

Увеличение диаметра пластин позволяет снизить себестоимость каждого процессора и увеличить выход продукции надлежащего качества. Действительно, площадь пластины диаметром 300 мм в 2,25 раза больше площади пластины диаметром 200 мм, соответственно и количество процессоров, получаемых из одной пластины диаметром 300 мм, в два с лишним раза больше.

В 2003 году ожидается внедрение нового технологического процесса с еще меньшей проектной нормой, а именно 90-нанометрового. Новый технологический процесс, по которому корпорация Intel будет производить большую часть своей продукции, в том числе процессоры, наборы микросхем и коммуникационное оборудование, был разработан на опытном заводе D1C корпорации Intel по обработке 300-миллиметровых пластин в г.Хиллсборо (шт.Орегон).

23 октября 2002 года корпорация Intel объявила об открытии нового производства стоимостью 2 млрд. долл. в Рио-Ранчо (шт.Нью-Мексико). На новом заводе, получившем название F11X, будет применяться современная технология, по которой будут производиться процессоры на 300-мм подложках с использованием технологического процесса с проектной нормой 0,13 микрон. В 2003 году завод будет переведен на технологический процесс с проектной нормой 90 нм.

Кроме того, корпорация Intel уже заявила о возобновлении строительства еще одного производственного объекта на Fab 24 в Лейкслипе (Ирландия), который предназначен для изготовления полупроводниковых компонентов на 300-миллиметровых кремниевых подложках с 90-нанометровой проектной нормой. Новое предприятие общей площадью более 1 млн. кв. футов с особо чистыми помещениями площадью 160 тыс. кв. футов предполагается ввести в строй в первой половине 2004 года, и на нем будет работать более тысячи сотрудников. Стоимость объекта составляет около 2 млрд. долл.

В 90-нанометровом процессе применяется целый ряд передовых технологий. Это и самые маленькие в мире серийно изготавливаемые КМОП-транзисторы с длиной затвора 50 нм (рис. 11), что обеспечивает рост производительности при одновременном снижении энергопотребления, и самый тонкий оксидный слой затвора среди всех когда-либо производившихся транзисторов — всего 1,2 нм (рис. 12), или менее 5 атомарных слоев, и первая в отрасли реализация высокоэффективной технологии напряженного кремния.

Из перечисленных характеристик в комментариях нуждается, пожалуй, лишь понятие «напряженного кремния» (рис. 13). В таком кремнии расстояние между атомами больше, чем в обычном полупроводнике. Это, в свою очередь, обеспечивает более свободное протекание тока, аналогично тому, как на дороге с более широкими полосами движения свободнее и быстрее движется транспорт.

В результате всех нововведений на 10-20% улучшаются рабочие характеристики транзисторов, при увеличении затрат на производство всего на 2%.

Кроме того, в 90-нанометровом технологическом процессе используется семь слоев в микросхеме (рис. 14), что на один слой больше, чем в 130-нанометровом технологическом процессе, а также медные соединения.

Все эти особенности в сочетании с 300-миллиметровыми кремниевыми подложками обеспечивают корпорации Intel выигрыш в производительности, объемах производства и себестоимости. В выигрыше оказываются и потребители, поскольку новый технологический процесс Intel позволяет продолжить развитие отрасли в соответствии с законом Мура, вновь и вновь повышая производительность процессоров.

Все элементы ИС и их соединения выполнены в едином технологическом цикле на общей подложке.

Технологические процессы:

а) наращивание полупроводникового материала на кремниевой подложке;

б) термическое окисление кремния для получения слоя окисла SiO 2 , защищающего поверхность кристалла от внешней среды;

в) фотолитография, обеспечивающая требуемые конфигурации пленок(SiO 2 , металл и т.п.) на поверхности подложки;

г) локальная диффузия – перенос примесных атомов в ограниченные области полупроводника (в настоящее время – ионная имплантация легирующего вещества);

д) напыление тонких (до 1 мкм) пленок;

е) нанесение толстых (более 1 мкм) пленок путем использования специальных паст с их последующим вжиганием.

ИС изготавливаются методами интегральной технологии , имеющей следующие отличительные особенности :

1. Элементы, однотипные по способу изготовления, представляют собой или полупроводниковые p-n структуры с несколькими областями, различающиеся концентрацией примесей или пленочные структуры из проводящих, резистивных и диэлектрических пленок.

2. Одновременно в едином технологическом цикле изготавливается большое количество одинаковых функциональных узлов, каждый из которых, в свою очередь, может содержать до сотен тысяч и более элементов.

3. Сокращается количество технологических операций (сборка, монтаж элементов) на несколько порядков по сравнению с традиционными методами производства аппаратуры на дискретных элементах.

4. Размеры элементов и соединений между ними уменьшаются до технологически возможных пределов.

5. Низконадежные соединения элементов, выполненные с помощью пайки, исключаются и заменяются высоконадежными соединениями (путем металлизации).

Последовательность основных этапов построения полупроводниковой ИС :

1. Выращивание кристалла кремния.

2. Разрезка на пластины (200…300мкм, Ø 40 – 150мм).

3. Очистка поверхности пластин.

4. Получение элементов и их соединений на пластине.

5. Разрезка пластин на отдельные части (кристаллы).

6. Закрепление в корпусе.

7. Подсоединение выводов с контактными площадками.

8. Герметизация корпуса.

Пр. Фотолитография :

1. Очистка пластин.

2. Нанесение фоторезистора.

4. Совмещение с фотошаблоном и экспонирование.

5. Травление SiO 2 .

6. Задубливание (сушка).

7. Проявление.

8. Удаление фоторезистора.

Пр. Толстопленочная технология :

1. Очистка подложек.

2. Трафаретная печать.

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ОРЛОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра «ПТЭиВС»

КУРСОВАЯ РАБОТА

на тему: «Технология изготовления кристаллов полупроводниковых интегральных микросхем »

Дисциплина: «Материаловедение и материалы электронных средств»

Выполнил студент группы 31-Р

Козлов А. Н.

Руководитель Косчинская Е. В.

Орел, 2004

Введение

Часть I. Аналитический обзор

1.1 Интегральные схемы

1.2 Требования к полупроводниковым подложкам

1.3 Характеристика монокристаллического кремния

1.4 Обоснование применения монокристаллического кремния

1.5 Технология получения монокристаллического кремния

1.5.1 Получение кремния полупроводниковой чистоты

1.5.2 Выращивание монокристаллов

1.6 Механическая обработка монокристаллического кремния

1.6.1 Калибровка

1.6.2 Ориентация

1.6.3 Резка

1.6.4 Шлифовка и полировка

1.6.5 Химическое травление полупроводниковых пластин и подложек

1.7 Операция разделения подложек на платы

1.7.1 Алмазное скрайбирование

1.7.2 Лазерное скрайбирование

1.8 Разламывание пластин на кристаллы

Часть II. Расчет

Заключение

Технология изготовления интегральных микросхем представляет собой совокупность механических, физических, химических способов обработки различных материалов (полупроводников, диэлектриков, металлов), в результате которой создается ИС.

Повышение производительности труда обусловлено в первую очередь совершенствованием технологии, внедрением прогрессивных технологических методов, стандартизацией технологического оборудования и оснастки, механизацией ручного труда на основе автоматизации технологических процессов. Значимость технологии в производстве полупроводниковых приборов и ИС особенно велика. Именно постоянное совершенствование технологии полупроводниковых приборов привело на определенном этапе ее развития к созданию ИС, а в дальнейшем - к широкому их производству.

Производство ИС началось примерно с 1959 г. На основе предложенной к этому времени планарной технологии. Основой планарной технологии послужила разработка нескольких фундаментальных технологических методов. Наряду с разработкой технологических методов развитие ИС включало исследования принципов работы их элементов, изобретение новых элементов, совершенствование методов очистки полупроводниковых материалов, проведение их физико-химических исследований с целью установления таких важнейших характеристик, как предельные растворимости примесей, коэффициенты диффузии донорных и акцепторных примесей и др.

За короткий исторический срок современная микроэлектроника стала одним из важнейших направлений научно-технического прогресса. Создание больших и сверхбольших интегральных микросхем, микропроцессоров и микропроцессорных систем позволило организовать массовое производство электронных вычислительных машин высокого быстродействия, различных видов электронной аппаратуры, аппаратуры управления технологическими процессами, систем связи, систем и устройств автоматического управления и регулирования.

Микроэлектроника продолжает развиваться быстрыми темпами, как в направлении совершенствования полупроводниковой интегральной технологии, так и в направлении использования новых физических явлений.

1.6.1 Калибровка

Калибровка монокристаллов полупроводниковых материалов. Обеспечивает придание им строго цилиндрической формы и заданного диаметра. Калибровку монокристаллов полупроводников проводят чаще всего методом круглого шлифования на универсальных круглошлифовальных станках, снабженных алмазным шлифовальным кругом с зернистостью, обозначенной 50/40 (основная фракция 40 мкм, а количество крупной, размером 50 мкм, не более 15%). Перед операцией калибровки к торцам монокристалла наклеечной мастикой приклеивают металлические конуса («центры») таким образом, чтобы их ось совпадала с продольной осью монокристалла.

После калибровки на поверхности монокристалла образуется нарушенный слой глубиной 50...250 мкм в зависимости от скорости продольной подачи. Присутствие его на периферии подложек может вызывать появление сколов, а при последующей высокотемпературной обработке приводить к генерации структурных дефектов, распространяющихся в центральные области подложки. Для снятия нарушенного слоя прошедшие операции калибровки монокристаллы полупроводников подвергают операции химического травления.

6.2 Ориентация

В процессе роста монокристаллов наблюдается несоответствие оси слитка кристаллографической оси. Для получения пластин, ориентированных в заданной плоскости, до резки производят ориентацию слитков. Способы ориентации кристаллов определяются их природой, типом детали и ее функциональным назначением. Оптически изотропные диэлектрики ориентируют для учета влияния технологических свойств кристалла на точность параметров детали. У анизотропных диэлектриков положение преломляющих и отражающих поверхностей детали зависит от требуемого преобразования светового потока. Ориентация полупроводников предусматривает определения кристаллографической плоскости, в которой материал имеет заданные электрические свойства. Ориентацию полупроводников проводят рентгеновскими или оптическими методами.

Рентгеновский метод основан на отражении рентгеновских лучей от поверхности полупроводникового материала. Интенсивность отражения зависит от плотности упаковки атомами данной плоскости. Кристаллографической плоскости, более плотно упакованной атомами, соответствует большая интенсивность отражения лучей. Кристаллографические плоскости полупроводниковых материалов характеризуются определенными углами отражения падающих на них рентгеновских лучей. Величины этих углов для кремния: (111) –17°56", (110) - 30° 12", (100) – 44°23"

Рентгеновский диафрактометрицеский метод основан на измерении угла отражения характеристического рентгеновского излучения от идентифицируемой плоскости. Для этого применяют рентгеновские дифрактометры общего назначения, например типа ДРОН-1,5, или рентгеновские установки, например типа УРС-50И (М), и другие, снабженные рентгеновскими гониометрами и устройствами, обеспечивающими вращение горизонтально располагаемого монокристалла вокруг оси с заданной скоростью.

При проведении измерения падающий на торцевой срез монокристалла рентгеновский луч направляют под брэгговским углом отражения р. Счетчик рентгеновских квантов (Гейгера) располагают под углом 2р к падающему лучу. Если ориентируемая плоскость, например (111), составляет некоторый угол, а с торцевым срезом монокристалла, то отражение от нее можно получить, повернув монокристалл на этот же угол.

Определение угла отражения проводят относительно двух взаимно перпендикулярных осей, одна из которых лежит в плоскости чертежа (рисунок 3)

Рисунок 3 - Схема ориентации монокристаллов полупроводников рентгеновским методом:1-падающий рентгеновский луч; 2- монокристалл; 3 - отраженный рентгеновский луч: 4 - счетчик Гейгера

Оптический метод основан на том, что на протравленной в селективном травителе поверхности полупроводника возникают фигуры травления, конфигурация которых определяется ее кристаллографической ориентацией. На поверхности (111) фигуры травления имеют форму трехгранных пирамид, а на (100)-четырехгранных. При оснащении такой поверхности параллельным пучком света отражающиеся лучи будут образовывать на экране световые фигуры.

В зависимости от того, насколько сильно отклонена плоскость торцевого среза монокристалла от плоскости (hkl), световая фигура, образованная отраженным пучком света, будет находиться ближе или дальше от центра экрана. По величине отклонения световой фигуры от нулевого деления экрана определяют угол отклонения, а плоскости торца монокристалла от плоскости (hkl). Затем, поворачивая монокристалл на 90°, определяют другой угол Р; после выполнения ориентации монокристалла на его торце твердосплавным резцом наносят стрелку, направление которой указывает, в какую сторону от торца монокристалла отклонена требуемая плоскость. Точность ориентации монокристаллов полупроводников рентгеновским методом ± (2...6)", а оптическим ±(15...30)".

1.6.3 Резка

Таблица 2- Сравнительная характеристика абразивных материалов

Алмаз - самый твердый материал. При обработке кремния используются как природные, так и синтетические алмазы, уступающие первым по механическим свойствам. Иногда применяют карбиды бора В 4 С и кремния SiC, а также электрокорунд Al 2 O 3 . В настоящее время при резке слитков кремния на пластины в качестве режущего инструмента применяют металлические диски с внутренней алмазной режущей кромкой .

Рисунок 5 - Схема установки для резки алмазным диском: а - внутренний способ резки; б - гребенчатый способ резки (1 - барабан; 2 - диск; 3 - алмазное покрытие; 4 - оправка; 5 - пластина; 6 - слиток)

Поверхность пластин, полученных после резки, не удовлетворяет требованиям, которые предъявляют к качеству поверхности кремния при планарной технологии. С помощью электронографа устанавливают наличие приповерхностных слоев, не имеющих монокристаллической структуры . Толщина нарушенного слоя после резки диском 10 – 30 мкм в зависимости от скорости вращения диска. Поскольку в ИС глубина, на которой располагаются p-n – переходы, составляет единицы и десятые доли микрона, наличие нарушенных слоев толщиной 10 – 30 мкм неприемлемо. Микронеровности на поверхности не должны превышать 0,02 – 0,1 мкм. Кроме того, проведение фотолитографии плоскопараллельности пластин следует поддерживать на уровне ±1 мкм по диаметру пластины вместо 10 мкм после резки.

6.4 Шлифовка и полировка

Для обеспечения требуемого качества поверхности пластин должны быть подвергнуты дальнейшей обработке. Эта обработка состоит в шлифовке и последующей полировке пластин. Шлифовка и полировка пластин производится на плоскошлифовальных прецизионных станках с использованием абразивных материалов с размером зерна около 40 мкм (микропорошки). Чаще всего применяют группы микропорошков с зернами 14 мкм и меньше. В таблице 3 приведены марки и размеры зерен основной фракции используемых микропорошков. Микропорошки М14, М10, М7, М5 изготавливаются из карбидов бора, кремния и электрокорунда, микропорошки марок АСМ – из алмаза.

Таблица 3- Микропорошки для шлифовки и полировки пластин кремния

В зависимости от типа микропорошка выбирается материал поверхности шлифовальщика. При шлифовке пластин микропорошками М14-М15 применяют стеклянный шлифовальщик, при полировке микропорошками АСМ – специальные шлифовальщики с поверхностью из тканевых материалов. При обработке пластин на рабочий шлифовальщик устанавливаются три головки с наклеенными пластинами. Головки удерживаются от перемещения по шлифовальщику специальными направляющими кронштейнами с опорными роликами (рисунок 6). За счет силы трения возникающей между соприкасающимися поверхностями рабочего шлифовальщика и головок, последние вращаются вокруг своих осей. Это вращение головок создает условия для равномерного шлифования или полирования.

Таблица 4 - Характеристики микропорошков

Тип порошка	Толщина нарушенного слоя, мкм	Скорость удаления материала, мкм/мин	Класс шероховатости поверхности
М14	20 – 30	3	7
М10	15 – 25	1,5	8 – 9
АСМ3/2	9 – 11	0,5 – 1,0	12 – 13
АСМ1/0,5	5 – 7	0,35	13
АСМ0,5/0,3	Менее 3	0,25	13 – 14
АСМ0,3/0,1	Менее 3	0,2	14

Рисунок 6 - Схема плоскошлифовального станка и расположения головок: 1- дозирующее устройство с абразивной суспензией ; 2- грузы ; 3- головка ; 4- пластины ; 5- шлифовальщик ; 6- направляющий ролик

В целом механическая обработка пластин, удовлетворяющих требованиям планарной технологии, приводит к большим потерям кремния (около 65%).

6.5 Химическое травление полупроводниковых пластин и подложек

Сопровождается удалением поверхностного слоя с механически нарушенной кристаллической структурой, вместе с которым удаляются и имеющиеся на поверхности загрязнения. Травление является обязательной технологической операцией.

Кислотное травление полупроводников в соответствии с химической теорией идет в несколько этапов: диффузия реагента к поверхности, адсорбция реагента поверхностью, поверхностные химические реакции, десорбция продуктов реакции и диффузия их от поверхности.

Травители, для которых самыми медленными, определяющими суммарный процесс травления этапами являются диффузионные, называются полирующими. Они нечувствительны к физическим и химическим неоднородностям поверхности, сглаживают шероховатости, выравнивая микрорельеф. Скорость травления в полирующих травителях существенно зависит от вязкости и перемешивания травителя и мало зависит от температуры.

Травители, для которых самыми медленными стадиями являются поверхностные химические реакции, называются селективными. Скорость травления в селективных травителях зависит от температуры, структуры и кристаллографической ориентации поверхности и не зависит от вязкости и перемешивания травителя. Селективные травители с большой разницей скоростей травления в различных кристаллографических направлениях принято называть анизотропными.

Поверхностные химические реакции при полирующем травлении проходят в две стадии: окисление поверхностного слоя полупроводника и перевод окисла в растворимые соединения. При травлении кремния роль окислителя выполняет азотная кислота:

Фтористоводородная (плавиковая) кислота, входящая в состав травителя, переводит окись кремния в тетрафторид кремния:

Для травления, дающего зеркальную поверхность пластин, используют смесь указанных кислот в соотношении 3:1, температура травления 30...40°С, время травления около 15 с.

Ломка проскрайбированных пластин - весьма ответственная операция. При неправильном разламывании даже хорошо проскрайбированных пластин возникает брак: царапины, сколы, нарушение формы кристаллов и т. п.

7.1 Алмазное скрайбирование

Качество скрайбирования и последующей ломки в значительной степени зависят от состояния рабочей части алмазного резца. Работа резцом в изношенным режущим ребром или вершиной приводит к сколам при скрайбировании и некачественной ломке. Обычно скрайбирование выполняют резцами, изготовленными из натурального алмаза, которые по сравнению с более дешевыми резцами из синтетических алмазов имеют большую стоимость. Получили распространение резцы, имеющие режущую часть в форме трехгранной или усеченной четырехгранной пирамиды (рисунок 7, в), режущими элементами которой являются ее ребра.

7.2 Лазерное скрайбирование

При лазерном скрайбировании (рисунок 8) разделительные риски между готовыми структурами создают испарением узкой полосы полупроводникового материала с поверхности пластины во время ее перемещения относительно сфокусированного лазерного луча. Это приводит к образованию в пластине сравнительно глубоких (до 50...100 мкм) и узких (до 25…40 мкм) канавок. Канавка, узкая и глубокая по форме, играет роль концентратора механических напряжений. При разламывании пластины возникающие напряжения приводят к образованию на дне канавки трещин, распространяющихся сквозь всю толщину пластины, в результате чего происходит ее разделение на отдельные кристаллы.

Наряду с созданием глубокой разделительной канавки достоинством лазерного скрайбирования является его высокая производительность (100...200 мм/с), отсутствие на полупроводниковой пластине микротрещин и сколов. В качестве режущего инструмента используют импульсный оптический квантовый генератор с частотой следования импульсов 5...50 кГц и длительностью импульса 0,5 мс.

Рисунок 8 - Схема лазерного скрайбирования полупроводниковой пластины

8 Разламывание пластин на кристаллы

Разламывание пластин на кристаллы после скрайбирования осуществляется механически, приложив к ней изгибающий момент. Отсутствие дефектов кристаллов зависит от приложенного усилия, которое зависит от соотношения габаритных размеров и толщины кристаллов.

Рисунок 10 - Разламывание полупроводниковой пластины прокатыванием между валиками: 1 - пластина; 2 - упругий валик; 3 - защитная пленка; 4 - стальной валик; 5 - пленка-носитель

Пластину 1, расположенную рисками вверх, прокатывают между двумя цилиндрическими валиками: верхним упругим (резиновым) 2 и нижним стальным 4. Для сохранения первоначальной ориентации кристаллов пластину закрепляют на термопластичной или адгезионной пленке-носителе 5 и защищают ее рабочую поверхность полиэтиленовой или лавсановой пленкой 3.Расстояние между валиками, определяемое толщиной пластины, устанавливают, перемещая один из них.

При разламывании на сферической опоре (рисунок 11) пластину 2, расположенную между двумя тонкими пластичными пленками, помещают рисками вниз на резиновую диафрагму 3, подводят сверху сферическую опору 1 и с помощью диафрагмы пневмоническим и гидравлическим способами прижимают к ней пластину, которая разламывается на отдельные кристаллы. Достоинствами этого способа являются простота, высокая производительность, (ломка занимает не более 1¸1,5 мин) и одностадийность, а также достаточно высокое качество, т.к. кристаллы не смещаются относительно друг друга.

Таблица 5 - Глубина нарушенного слоя пластин кремния после различных видов механической обработки

Часть II. Расчет

ОПРЕДЕЛЕНИЕ СУММАРНОГО ПРИПУСКА НА МЕХАНИЧЕСКУЮ ОБРАБОТКУ

Z=Z ГШ +Z ТШ +Z ПП +Z ФП,

где Z – сумма припусков на обработку, Z ГШ – припуск на грубую шлифовку, Z ТШ – припуск на точную шлифовку, Z ПП – припуск на предварительную полировку, Z ФП – припуск на финишную полировку.

m ∑ = ρ* l ∑ * S,

где S – площадь заготовки, ρ= 2,3 г/см – плотность кремния.

m ∑ = 2,3* 10 3 * 696,21* 10 -6 * 0.0177 = 0,0283 кг

Масса обработанной заготовки:

m= 2,3* 10 3 * 550* 10 -6 * 0,0177 = 0,0223 кг

M П = (N* m) / n,

где M П – полезная масса материала.

k ИМ = M П / M,

где k ИМ – коэффициент использования материала.

K ИМ =11,903/16,479 = 0,722

Заключение

В курсовой работе был разработан технологический процесс для изготовления кристаллов полупроводниковых интегральных микросхем из монокристаллического кремния. При этом коэффициент использования материала для рассмотренных производственных условий составил 0,722. Это говорит о том, что технологичность производства находится на довольно высоком уровне, особенно на этапе обработки заготовок, т. к. выход годного по обработке равен 81%. Значение коэффициента использования материала довольно высоко, хотя данный технологический процесс был сравнительно недавно внедрен на производстве.

Список используемой литературы

1. Березин А.С., Мочалкина О.Р.: Технология и конструирование интегральных микросхем. - М. Радио и связь, 1983. - 232 с., ил.

2. Готра З. Ю. Технология микроэлектронных устройств: Справочник. - М.: Радио и связь, 1991. - 528 с.: ил.

3. Коледов Л. А. Технология и конструкции микросхем, микропроцессоров и микросборок: Учебник для вузов. - М.: Радио и связь,1989. - 400 с., ил.

4. Конструирование и технология микросхем. Курсовое проектирование.: под ред. Л. А. Коледова. - М.: Высш. шк., 1984. - 231 с., ил.

5. СтепаненкоИ. П. Основы микроэлектроники: Учебное пособие для вузов. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Лаборатория Базовых Знаний, 2000 - 488 с., ил.

6. Черняев В. Н. Технология производства интегральных микросхем и микропроцессоров: Учебник ля вузов. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Радио и связь, 1987. - 464 с.: ил.