Стройка, монтаж, ремонт - Информационный портал

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.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

§2.1. Общие сведения

§ 2.2. Технология изготовления интегральных микросхем

§ 2.3. Гибридные интегральные микросхемы

§ 2.|4. Полупроводниковые интегральные микросхемы

§ 2.5. Параметры интегральных микросхем

§ 2.6. Классификация интегральные микросхем по функциональному назначению и система их обозначений

Общие сведения

Применение электронных уст­ройств для решения все более слож­ных технических задач приводит к постоянному усложнению их эле­ктрических схем. Анализ развития электронной техники показывает, что в течение примерно 10 лет слож­ность электронных устройств по­вышается приблизительно в 10 раз. Если в 1975 г. применялись элек­тронные устройства с количеством активных элементов до 10 7 , то в 1985 г. появились устройства с ко­личеством активных элементов око­ло 10 8 . За это же время существенно возросло быстродействие электрон­ных устройств. Так, в 1985 г. большие вычислительные машины элитарного класса достигли бы­стродействия 100-150 млн. опе­раций в секунду, а вычислительные машины специализированного применения - 5 млрд. операций в секунду.

Существенно снизились габариты полупроводниковых прибо­ров. Размеры одного активного элемента сократились до 1 × 1 × 0,2 мкм, что позволяет разме­щать в одной микросхеме до 10 6 элементов.

Создание новых электронных устройств с большим количеством элементов стало возможным на базе микроэлектроники. Микро­электроникой называют новое научно-техническое направление электроники, охватывающее проблемы создания микроминиатюр­ных электронных устройств, обладающих надежностью, низкой стоимостью, высоким быстродействием и малой потребляемой энер­гией. Основным конструктивно-техническим принципом микроэлек­троники является элементная интеграция - объединение в одном сложном миниатюрном элементе многих простейших элементов (диодов, транзисторов, резисторов и т. д.). Полученный в результате такого объединения сложный микроэлемент называют интегральной микросхемой (ИМС).

Интегральная микросхема - микроэлектронное изделие, содержащее не менее пяти активных элементов (транзисторов, диодов) и пассивных элементов (рези­сторов, конденсаторов, дросселей), которые изготовляются в едином технологиче­ском процессе, электрически соединены между собой, заключены в общий корпус и представляют неразделимое целое.

С точки зрения интеграции основными параметрами интеграль­ных микросхем являются плотность упаковки и степень интегра­ции. Плотность упаковки характеризует количество элементов в единице объема интегральной микросхемы, степень интеграции - количество элементов, входящих в состав интегральной микросхе­мы. По степени интеграции все интегральные микросхемы принято подразделять на ИМС: первой степени интеграции - до 10 элемен­тов, второй степени - от 10 до 100 элементов, третьей степени −от 100 до 1000 элементов и т. д.

Под интегральной схемой (ИС) понимается электрон­ное устройство, имеющее высокую плотность компонов­ки элементов электрической схемы, в котором все или часть элементов сформированы и электрически соеди­нены между собой на одном полупроводниковом кри­сталле или диэлектрической подложке.

ИС представляет собой многокомпонентное тело из слоевых композиций на поверхности или в приповерх­ностном слое твердого тела (полупроводника). Ее харак­теристики определяются свойствами тонких слоев раз­личных материалов, которые в свою очередь во многом зависят от условий их формирования, последовательно­сти и вида технологических операций.

Вопросы разработки и производства ИС рассматри­ваются в новой отрасли науки и техники -микро­электронике, изучающей технологические, физиче­ские конструктивные особенности электро- и радиоэле­ментов с размерами не более 1 мкм хотя бы по одной координате.

Наиболее важной проблемой при создании микросхем является разработка элементов и совместимых друг с дру­гом материалов со стабильными и воспроизводимыми характеристиками тонких слоев, а также последователь­ности технологических операций формирования много­слойной структуры, при которой последующие операции не оказывают вредного влияния на характеристики ранее сформированных слоев.

В зависимости от способа создания пленочных компо­зиций микросхемы делятся на два класса - гибридные интегральные схемы (ГИС) и полупроводниковые инте­гральные схемы (ИС).

Гибридная интегральная схема - микро­миниатюрное электронное устройство, элементы которо­го нераздельно связаны конструктивно, технологически и электрически на поверхности диэлектрической (стеклян­ной, керамической) подложки. В технологии ГИС пас­сивные элементы (резисторы, проводники, контактные площадки, конденсаторы, диэлектрические и изоля­ционные слои) изготовляют в одном технологическом цикле в виде металлических и диэлектрических пленок на поверхности подложки. Активные компоненты (диоды, транзисторы), а при необходимости также микроминиа­тюрные дискретные пассивные компоненты (конденса­торы, катушки индуктивности и т. п.) монтируются на поверхности подложки и соединяются с другими элемен­тами.

В зависимости от технологического процесса фор­мирования пассивных элементов гибридные схемы

юдразделяются на тонкопленочные и толстопленоч­ные.

Гонкопленочная технология - последовательное нане­сение на общее основание тонких (менее 1-2 мкм) пле­ночных проводников, контактов, резисторов, изоляторов армированием микрогеометрии элементов и их соединений (топологический рисунок) или в процессе осаждения с помощью трафаретов (масок), а также с помощью вного локального травления сплошных слоев материалов.

Последовательность технологических операций при изготовлении тонкопленочных ГИС по двум вариантам приведена на рис. 19.1.

Толстопленочная технология - последовательное на­несение через сетчатые трафареты и вжигание в керами­ческие подложки паст резистивного, проводящего и диэ­лектрического назначения.

Проводящие и резистивные пасты представляют со­бой смесь мелкодисперсного металлического порошка, стекла, выполняющего роль постоянного связующего, и органических жидкостей, обеспечивающих вязкость смеси. Металл обеспечивает образование проводящих (серебро, золото, платина, палладий и их сплавы) или ре-зистивных (благородные металлы и их композиции с ок­сидами) дорожек.

Пасты для изоляционных слоев представляют собой смесь стекла и органических жидкостей.

Сетчатые трафареты имеют очень малый размер ячеек (порядка 50 мкм). В соответствии с необходимой топологией схемы на некоторых участках трафарета ячейки заполняются эмульсией, пигментной бумагой или фоторезистом, предохраняющими подложку от попада­ния пасты на эти участки. Нанесение пасты производится перемещающимся ракилем. Вначале наносится проводя­щая паста для создания соединительных порошков, об­кладок конденсаторов, контактных площадок. Паста вы­сушивается, а затем вжигается при температуре 750- 950 °С. Затем через другой трафарет наносится резистивная паста, которая вжигается при меньшей темпера­туре Аналогично наносится и вжигается диэлектрическая паста для образования диэлектрического слоя в толсто­пленочных конденсаторах и в местах пересечения провод­ников.

После формирования топологии последовательность других технологических операций аналогична процессам изготовления тонкопленочных схем.

Полупроводниковые (твердотельные) инте­гральные схемы получают путем целенаправ­ленного локального изменения свойств материала полу­проводниковой подложки, легированной примесью.

Добавлением примесей в строго определенных местах и количествах можно изменять проводящие характери­стики в материале подложки из полупроводников крем­ния и германия в очень широком диапазоне - практиче­ски от проводника до изолятора. Это свойство исполь­зуется для получения в кристаллах как активных, так и пассивных элементов. Изменение свойств происходит лишь в небольшом слое кристалла, равном нескольким микрометрам и называемом р-n -переходом, где смы­каются две зоны с различной проводимостью - дыроч­ной и электронной. Остановимся на этом подробно.

Химические элементы кремний и германий имеют на внешней электронной оболочке четыре электрона, т. е. их валентность равна четырем. Известно, что атом имеет более устойчивое состояние, когда на его внешней обо­лочке находится восемь электронов. При низких темпера­турах в кристаллах полупроводника все электроны свя­заны с атомами (подвижных электронов нет), и кристалл представляет собой изолятор.

При повышении температуры полупроводника от­дельные электроны отрываются от атомов, становятся подвижными и могут создавать электрический ток в кри­сталле, когда к нему прикладывается напряжение. При удалении электрона из атома в оболочке атома образует­ся свободное место-дырка. Свободные электроны дырки беспорядочно перемещаются по кристаллу.

При включении такого кристалла в электрическую цепь наблюдается упорядоченное движение электронов от отрицательного полюса к положительному. При стрече свободного электрона с дыркой они рекомбинируют и их движение прекращается. Такая проводимость назыется собственной проводимостью полупроводника.

Если в кристалл кремния или германия ввести не­большое количество, например, алюминия, то проводи­мость легированного им кристалла будет, в основном, дырочной. Такой кристалл называется полупроводником р-типа.

При введении в кремний и германий, например, мы­шьяка, получим полупроводник с электронной проводи­мостью, называемый полупроводником р -типа.

В кристалле полупроводника можно создать с по­мощью локального легирования одновременно две зоны: p -типа и n -типа. Границу между ними называют р - п- переходом, который может выполнять функции диода.

Создавая разнообразные комбинации р- n -переходов получают элементы - диоды, транзисторы, резисторы и т. п. Сочетания любого числа элементов образуют же­лаемую схему, а так как все они являются составными частями одного кристалла полупроводникового материа­ла, то получается полностью монолитная твердотельная структура.

Базовой технологией создания полупроводниковых ИС является эпитаксиалъно-планарная технология, по ко­торой поверхность полупроводниковой монокристалли­ческой пластины вначале окисляют. Затем осуществляют локальное травление оксида слоя и через вскрытые в нем окна производят легирование полупроводника. Легирую­щие примеси диффундируют в подложку из газовой фазы при высокой температуре. Последующим окислением ок­на снова закрываются. Повторяя технологические опера­ции окисления, селективного травления и диффузии раз­личных примесей, можно реализовать различные схемные элементы: диоды, транзисторы, сопротивления и емкости. Однако емкостные элементы в связи с их большой площадью и высокой стоимостью технологиче­ских операций в ИС практически не применяют. На одной пластине монокристалла полупроводника диаме­тром около 100 мм формируется одновременно до не­скольких тысяч ИС.

Последующими операциями технологического про­цесса являются: получение вакуумным напылением или фотолитографией металлических проводников, которые соединяют элементы схемы, и контактных площадок, от­браковка пластин по параметрам отдельных ИС, разрез­ка пластины на отдельные ИС, монтаж ИС в корпусе, со­единение контактных площадок с выводами корпуса, герметизация.

Выбор конструкции и технологии изготовления инте­гральных схем обусловливается технико-экономическими соображениями. Толсто- и тонкопленочная технологии отличаются широкими возможностями реализации схем по точности элементов. Кроме того, они характеризуют­ся сравнительно низкой стоимостью подготовки про­изводства. На их базе можно изготовлять широкую но­менклатуру схем малых серий (специальных ГИС).

Преимущественное использование тонкопленочной технологии в производстве прецизионных схем объяс­няется возможностью достижения более высокой разре­шающей способности, точности и стабильности элемен­тов схем.

Толстопленочная технология отличается несколько меньшим циклом подготовки производства и менее сложным технологическим оборудованием. Она исполь­зуется для получения сравнительно несложных схем в устройствах числового программного управления, ЭВМ и др. Для получения ГИС толстопленочная техно­логия в ряде случаев обладает преимуществами по срав­нению с тонкопленочной.

Технологию полупроводниковых ИС применяют для изготовления изделий массового производства - ци­фровых схем ЭВМ, микропроцессоров, электронных ча­сов, счетных машин и т. п.

Ряд технологических операций трех основных видов технологии изготовления интегральных микросхем по своей физической природе аналогичен, несмотря на раз­личия используемых материалов и оборудования.

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.