МИНИСТЕРСТВО НА ОБРАЗОВАНИЕТО НА РУСКАТА ФЕДЕРАЦИЯ

ОРЕЛСКИ ДЪРЖАВЕН ТЕХНИЧЕСКИ УНИВЕРСИТЕТ

Катедра ПТЕиВС

КУРСОВА РАБОТА

по темата: " Технология за производство на полупроводникови чипове с интегрални схеми »

Дисциплина: „Материалознание и електронни материали”

Попълнено от ученик от група 31-Р

Козлов А. Н.

Ръководител Koschinskaya E.V.

Орел, 2004 г

Въведение

Част I. Аналитичен преглед

1.1 Интегрални схеми

1.2 Изисквания за полупроводникови субстрати

1.3 Характеристики на монокристалния силиций

1.4 Обосновка за използването на монокристален силиций

1.5 Технология за получаване на монокристален силиций

1.5.1 Получаване на силиций с полупроводникова чистота

1.5.2 Отглеждане на монокристали

1.6 Механична обработка на монокристален силиций

1.6.1 Калибриране

1.6.2 Ориентация

1.6.3 Рязане

1.6.4 Шлифоване и полиране

1.6.5 Химическо ецване на полупроводникови пластини и подложки

1.7 Операция по разделяне на субстратите на дъски

1.7.1 Диамантено писане

1.7.2 Лазерно писане

1.8 Начупване на вафли на кристали

Част II. Изчисляване

Заключение

Технологията на производство на интегрални схеми е набор от механични, физични и химични методи за обработка на различни материали (полупроводници, диелектрици, метали), в резултат на които се създава интегрална схема.

Увеличаването на производителността на труда се дължи главно на усъвършенстването на технологията, въвеждането на прогресивни технологични методи, стандартизацията на технологичното оборудване и инструментална екипировка, механизацията на ръчния труд на базата на автоматизация на технологичните процеси. Особено голямо е значението на технологиите в производството на полупроводникови устройства и ИС. Постоянното усъвършенстване на технологията на полупроводниковите устройства доведе на определен етап от нейното развитие до създаването на интегрални схеми и впоследствие до тяхното широко производство.

Производството на интегрални схеми започва около 1959 г. въз основа на планарната технология, предложена по това време. В основата на равнинната технология беше разработването на няколко основни технологични метода. Наред с развитието на технологичните методи, развитието на ИС включваше изследване на принципите на работа на техните елементи, изобретяването на нови елементи, усъвършенстване на методите за пречистване на полупроводникови материали, провеждане на техните физични и химични изследвания, за да се установят такива важни характеристики като ограничаваща разтворимост на примеси, коефициенти на дифузия на донорни и акцепторни примеси и др.

За кратък исторически период съвременната микроелектроника се превърна в една от най-важните области на научно-техническия прогрес. Създаването на големи и свръхголеми интегрални схеми, микропроцесори и микропроцесорни системи направи възможно организирането на масово производство на високоскоростни електронни компютри, различни видове електронно оборудване, оборудване за управление на процеси, комуникационни системи, системи и устройства за автоматично управление и регулиране.

Микроелектрониката продължава да се развива с бързи темпове, както в посока подобряване на полупроводниковата интегрирана технология, така и в посока използване на нови физични явления.

1.6.1 Калибриране

Калибриране на монокристали от полупроводникови материали. Гарантира, че им се придава строго цилиндрична форма и определен диаметър. Калибрирането на полупроводникови монокристали най-често се извършва по метода на цилиндрично смилане на универсални цилиндрични шлифовъчни машини, оборудвани с диамантено шлифовъчно колело с размер на зърното, обозначен 50/40 (основната фракция е 40 микрона, а количеството на грубите фракции е 50 микрона с размер, е не повече от 15%). Преди операцията по калибриране металните конуси („центрове“) се залепват към краищата на монокристала с помощта на адхезивна мастика, така че тяхната ос да съвпада с надлъжната ос на монокристала.

След калибриране върху повърхността на монокристала се образува повреден слой с дълбочина 50...250 μm в зависимост от скоростта на надлъжно подаване. Наличието му в периферията на субстратите може да причини появата на стърготини и по време на последваща високотемпературна обработка да доведе до генериране на структурни дефекти, разпространяващи се в централните области на субстрата. За да се отстрани повредения слой, монокристалите на полупроводника, които са били подложени на операции за калибриране, се подлагат на химическо ецване.

6.2 Ориентация

По време на растежа на монокристалите се наблюдава несъответствие между оста на блока и кристалографската ос. За да се получат плочи, ориентирани в дадена равнина, блоковете се ориентират преди рязане. Методите за кристална ориентация се определят от тяхната природа, вида на детайла и функционалното му предназначение. Оптично изотропните диелектрици са ориентирани да отчитат влиянието на технологичните свойства на кристала върху точността на параметрите на частта. При анизотропните диелектрици положението на пречупващите и отразяващите повърхности на детайла зависи от необходимото преобразуване на светлинния поток. Ориентацията на полупроводниците включва определяне на кристалографската равнина, в която материалът има определени електрически свойства. Ориентацията на полупроводниците се извършва чрез рентгенови или оптични методи.

Рентгеновият метод се основава на отразяването на рентгенови лъчи от повърхността на полупроводниковия материал. Интензитетът на отражение зависи от плътността на опаковане на атомите в дадена равнина. Кристалографска равнина, по-плътно опакована с атоми, съответства на по-висок интензитет на отражение на лъча. Кристалографските равнини на полупроводниковите материали се характеризират с определени ъгли на отражение на падащите върху тях рентгенови лъчи. Стойностите на тези ъгли за силиций: (111) –17°56", (110) - 30° 12", (100) – 44°23"

Рентгеновият дифрактометричен метод се основава на измерване на ъгъла на отражение на характерното рентгеново лъчение от идентифицирана равнина. За тази цел се използват рентгенови дифрактометри с общо предназначение, например тип ДРОН-1.5, или рентгенови инсталации, например тип URS-50I (М) и други, оборудвани с рентгенови гониометри и устройства. които осигуряват въртене на хоризонтално разположен монокристал около ос с определена скорост.

Когато се извършват измервания, рентгеновият лъч, падащ върху крайния срез на монокристала, е насочен към ъгъла на отражение на Bragg p. Рентгеновият брояч (Geiger) се поставя под ъгъл 2p спрямо падащия лъч. Ако ориентираната равнина, например (111), сключва определен ъгъл и с крайния изрез на монокристала, тогава отражението от нея може да се получи чрез завъртане на монокристала под същия ъгъл.

Ъгълът на отражение се определя спрямо две взаимно перпендикулярни оси, едната от които лежи в равнината на чертежа (Фигура 3)

Фигура 3 - Схема на ориентация на полупроводникови монокристали с помощта на рентгеновия метод: 1-падащ рентгенов лъч; 2- монокристал; 3 - отразена рентгенова снимка: 4 - брояч на Гайгер

Оптичният метод се основава на факта, че гравираните фигури се появяват върху повърхността на полупроводника, гравирана в селективен ецващ препарат, чиято конфигурация се определя от неговата кристалографска ориентация. На повърхността (111) гравираните фигури имат формата на тристенни пирамиди, а на повърхността (100) те са четиристенни. Когато такава повърхност е оборудвана с паралелен лъч светлина, отразените лъчи ще образуват светлинни фигури на екрана.

В зависимост от това колко силно равнината на крайния срез на монокристала е отклонена от равнината (hkl), светлинната фигура, образувана от отразения лъч светлина, ще бъде по-близо или по-далеч от центъра на екрана. Чрез големината на отклонението на светлинната фигура от нулевото деление на екрана се определя ъгълът на отклонение и равнината на края на монокристала от равнината (hkl). След това, завъртайки монокристала на 90 °, се определя друг ъгъл P; След завършване на ориентацията на монокристала, на края му с твърдосплавен нож се нанася стрелка, чиято посока показва в каква посока от края на монокристала се отклонява необходимата равнина. Точността на ориентация на монокристалите на полупроводника по рентгенов метод е ± (2...6)", а по оптичен метод ±(15...30)".

1.6.3 Рязане

Таблица 2 - Сравнителни характеристики на абразивните материали

Диамантът е най-твърдият материал. При обработката на силиций се използват както естествени, така и синтетични диаманти, които са по-ниски по механични свойства от първите. Понякога се използват борни карбиди B 4 C и силиций SiC, както и електрокорунд Al 2 O 3. Понастоящем при рязане на силициеви блокове в пластини като режещ инструмент се използват метални дискове с вътрешен диамантен режещ ръб..

Фигура 5 - Инсталационна схема за рязане с диамантен диск: а - вътрешен метод на рязане; b - гребен метод на рязане (1 - барабан; 2 - диск; 3 - диамантено покритие; 4 - дорник; 5 - плоча; 6 - слитък)

Повърхността на пластините, получена след рязане, не отговаря на изискванията за качество на силициевата повърхност по планарна технология. С помощта на електронен дифракционен скенер се определя наличието на приповърхностни слоеве, които нямат монокристална структура. Дебелината на увредения слой след рязане с диск е 10 - 30 микрона в зависимост от скоростта на въртене на диска. Тъй като в IC дълбочината, на която се намират p-n преходите, е единици и десети от микрона, наличието на повредени слоеве с дебелина 10 - 30 микрона е неприемливо. Микрограпавостта на повърхността не трябва да надвишава 0,02 - 0,1 микрона. В допълнение, фотолитографията на успоредността на плоскостта на пластината трябва да се поддържа на ±1 µm по диаметъра на пластината вместо 10 µm след рязане.

6.4 Шлифоване и полиране

За да се осигури необходимото качество, повърхностите на плочите трябва да бъдат допълнително обработени. Тази обработка се състои в шлайфане и след това полиране на плочите. Шлифоването и полирането на плочите се извършва на прецизни машини за повърхностно шлайфане с абразивни материали с размер на зърното около 40 микрона (микропрахове). Най-често се използват групи от микропрахове със зърна от 14 микрона или по-малко. Таблица 3 показва марките и размерите на зърната на основната фракция на използваните микропрахове. Микропраховете M14, M10, M7, M5 са направени от борни, силициеви и електрокорундови карбиди, микропраховете от клас ASM са направени от диамант.

Таблица 3 - Микропрахове за шлайфане и полиране на силициеви пластини

В зависимост от вида на микропраха се избира повърхностният материал на мелницата. При шлайфане на плочи с микропрахове M14-M15 се използва стъклена мелница; при полиране с микропрахове ASM се използват специални мелници с повърхност от тъкани материали. При обработка на плочи на работната мелница се монтират три глави със залепени плочи. Главите се предпазват от движение около мелницата чрез специални направляващи скоби с опорни ролки (Фигура 6). Поради силата на триене, възникваща между контактните повърхности на работната мелница и главите, последните се въртят около своите оси. Това въртене на главите създава условия за равномерно шлайфане или полиране.

Таблица 4 - Характеристики на микропраховете

Тип прах	Дебелина на повредения слой, µm	Скорост на отнемане на материала, µm/min	Клас на грапавост на повърхността
M14	20 – 30	3	7
M10	15 – 25	1,5	8 – 9
ASM3/2	9 – 11	0,5 – 1,0	12 – 13
ASM1/0,5	5 – 7	0,35	13
ASM0,5/0,3	По-малко от 3	0,25	13 – 14
ASM0.3/0.1	По-малко от 3	0,2	14

Фигура 6 - Диаграма на повърхностно шлифовъчна машина и местоположението на главите : 1- дозиращо устройство с абразивна суспензия ; 2- товари ; 3- глава ; 4- чинии ; 5- мелачка ; 6- водеща ролка

Като цяло механичната обработка на пластини, които отговарят на изискванията на планарната технология, води до големи загуби на силиций (около 65%).

6.5 Химическо ецване на полупроводникови пластини и подложки

Съпровожда се от отстраняване на повърхностен слой с механично увредена кристална структура, заедно с което се отстраняват и наличните на повърхността замърсявания. Мариноването е задължителна технологична операция.

Киселинното ецване на полупроводници, в съответствие с химическата теория, протича на няколко етапа: дифузия на реагента към повърхността, адсорбция на реагента от повърхността, повърхностни химични реакции, десорбция на реакционните продукти и тяхната дифузия от повърхността.

Ецвателите, при които най-бавните етапи, които определят цялостния процес на ецване, са дифузия, се наричат ​​полиране. Те са нечувствителни към физични и химични нееднородности на повърхността, изглаждат грапавостта, изравняват микрорелефа. Скоростта на ецване при полиращите ецващи вещества зависи значително от вискозитета и смесването на ецващия агент и зависи малко от температурата.

Еткватите, при които най-бавните етапи са повърхностни химични реакции, се наричат ​​селективни. Скоростта на ецване в селективните ецващи вещества зависи от температурата, структурата и кристалографската ориентация на повърхността и не зависи от вискозитета и смесването на ецващия. Селективните ецващи вещества с голяма разлика в скоростта на ецване в различни кристалографски посоки обикновено се наричат ​​анизотропни.

Повърхностните химични реакции по време на полиращо ецване протичат на два етапа: окисление на повърхностния слой на полупроводника и превръщане на оксида в разтворими съединения. При ецване на силиций азотната киселина играе ролята на окислител:

Флуороводородна (флуороводородна) киселина, която е част от офорта, превръща силициевия оксид в силициев тетрафлуорид:

За ецване, което дава огледална повърхност на плочите, се използва смес от посочените киселини в съотношение 3:1, температурата на ецване е 30...40 ° C, времето за ецване е около 15 s.

Счупването на надписани плочи е много важна операция. Ако дори и добре надписаните плочи се счупят неправилно, се получават дефекти: драскотини, стружки, изкривяване на формата на кристала и др.

7.1 Диамантено писане

Качеството на скрайбиране и последващо разбиване до голяма степен зависи от състоянието на работната част на диамантения фреза. Работата с фреза с износен режещ ръб или връх води до олющване по време на писане и некачествено счупване. Обикновено скрайбирането се извършва с фрези, изработени от естествен диамант, които са по-скъпи в сравнение с по-евтините синтетични диамантени фрези. Фрезите са широко разпространени, имащи режеща част във формата на тристенна или пресечена тетраедрична пирамида (Фигура 7, в), чиито режещи елементи са нейните ребра.

7.2 Лазерно писане

По време на лазерно писане (Фигура 8), разделителните знаци между готовите структури се създават чрез изпаряването на тясна лента от полупроводников материал от повърхността на пластината, докато се движи спрямо фокусирания лазерен лъч. Това води до образуването на относително дълбоки (до 50...100 µm) и тесни (до 25...40 µm) жлебове в плочата. Жлебът, тесен и дълбок по форма, играе ролята на механичен концентратор на напрежение. Когато плочата се счупи, получените напрежения водят до образуване на пукнатини в дъното на жлеба, разпространяващи се през цялата дебелина на плочата, което води до нейното разделяне на отделни кристали.

Наред със създаването на дълбок разделителен жлеб, предимството на лазерното скрайбиране е неговата висока производителност (100...200 mm/s), липсата на микропукнатини и стружки върху полупроводниковата пластина. Като режещ инструмент се използва импулсен оптичен квантов генератор с честота на повторение на импулса 5...50 kHz и продължителност на импулса 0,5 ms.

Фигура 8 - Схема на лазерно скрайбиране на полупроводникова пластина

8 Начупване на вафли на кристали

Раздробяването на пластини на кристали след скрайбиране се извършва механично чрез прилагане на огъващ момент към нея. Липсата на кристални дефекти зависи от приложената сила, която зависи от съотношението на общите размери и дебелината на кристалите.

Фигура 10 - Счупване на полупроводникова пластина чрез търкаляне между ролки: 1 - пластина; 2 - еластична ролка; 3 - защитен филм; 4 - стоманена ролка; 5 - носещо фолио

Плоча 1, разположена с маркировките нагоре, се навива между две цилиндрични ролки: горната еластична (гумена) 2 и долната стоманена 4. За да се запази първоначалната ориентация на кристалите, плочата се фиксира върху термопластичен или адхезивен носещ филм 5 и работната му повърхност е защитена с полиетиленово или лавсаново фолио 3. Разстоянието между ролките, определено от дебелината на плочата, се задава чрез преместване на една от тях.

При счупване върху сферична опора (Фигура 11), плоча 2, разположена между два тънки пластмасови филма, се поставя с маркировки надолу върху гумената диафрагма 3, сферичната опора 1 се вкарва отгоре и с помощта на диафрагмата плочата се притиска към използва пневматични и хидравлични методи, които се разбиват на отделни кристали. Предимствата на този метод са простота, висока производителност (счупването отнема не повече от 1-1,5 минути) и едноетапен характер, както и доста високо качество, т.к. кристалите не се движат един спрямо друг.

Таблица 5 - Дълбочина на увредения слой на силициеви пластини след различни видове механична обработка

Част II. Изчисляване

ОПРЕДЕЛЯНЕ НА ОБЩ ДОПЪЛНИТЕЛ ЗА МЕХАНИЧНА ОБРАБОТКА

Z=Z GSh +Z TS +Z PP +Z FP,

където Z е сумата от квотите за обработка, Z GSh е квотата за грубо шлайфане, Z TS е квотата за фино шлайфане, Z PP е квотата за предварително полиране, Z FP е квотата за окончателно полиране.

m ∑ = ρ* l ∑ * S,

където S е площта на детайла, ρ = 2,3 g/cm е плътността на силиция.

m ∑ = 2,3* 10 3 * 696,21* 10 -6 * 0,0177 = 0,0283 kg

Тегло на обработения детайл:

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

M P = (N* m) / n,

където MP е полезната маса на материала.

k IM = M P / M,

където k IM е коефициентът на използване на материала.

K MI =11,903/16,479 = 0,722

Заключение

В курсовата работа е разработен технологичен процес за производство на полупроводникови интегрални чипове от монокристален силиций. В същото време коефициентът на използване на материала за разглежданите производствени условия е 0,722. Това предполага, че технологичността на производството е на доста високо ниво, особено на етапа на обработка на детайлите, тъй като добивът, подходящ за обработка, е 81%. Степента на използване на материала е доста висока, въпреки че този технологичен процес е въведен в производството сравнително наскоро.

Библиография

1. Березин А.С., Мочалкина О.Р.: Технология и проектиране на интегрални схеми. - М. Радио и съобщения, 1983. - 232 с., ил.

2. Gotra Z. Yu. Технология на микроелектронни устройства: Наръчник. - М.: Радио и комуникации, 1991. - 528 с.: ил.

3. Коледов Л. А. Технология и дизайн на микросхеми, микропроцесори и микровъзли: Учебник за университети. - М.: Радио и комуникация, 1989. - 400 с., ил.

4. Проектиране и технология на микросхеми. Дизайн на курса: изд. Л. А. Коледова. - М.: Висше. училище, 1984. - 231 с., ил.

5. СтепаненкоИ. П. Основи на микроелектрониката: Учебник за ВУЗ. - 2-ро изд., преработено. и допълнителни - М .: Лаборатория за основни знания, 2000 г. - 488 с., ил.

6. Черняев В. Н. Технология на производство на интегрални схеми и микропроцесори: Учебник за ВУЗ. - 2-ро изд., преработено. и допълнителни - М.: Радио и комуникации, 1987. - 464 с.: ил.

Въведение

1.аналитичен преглед

2. Технологична част

1 Описание на технологичния процес

2 Избор на клас производствени помещения

3 Основни материали и реактиви

4 Основни технологични операции

4.1 Почистване на основата

4.2 Термично окисляване

4.3 Литографски процеси

4.4 Йонна имплантация

4.5 Метализация

4.6 Междинна изолация

3. инженерно-икономически изчисления

Заключение

Въведение

Технологията на интегралните схеми се разви с изключително бързи темпове и постигна невероятен успех. Електрониката е преминала през няколко етапа на развитие, по време на които са се променили няколко поколения елементна база: дискретна електроника на електрически вакуумни устройства, интегрирана електроника на микросхеми (микроелектроника), интегрирана електроника на функционални микроелектронни устройства (функционална микроелектроника). В момента той играе решаваща роля в подобряването на почти всички сектори на националната икономика (интегралните схеми се използват в компютри, системи за автоматизирано проектиране, индустриални роботи, комуникации и др.).

Технологичните процеси, използвани при производството на полупроводникови интегрални схеми (ИС), имат групов характер, т.е. Голям брой интегрални схеми се произвеждат едновременно. Множеството технологични операции позволяват обработката на до 200 пластини, което позволява едновременното производство на над милион електронни устройства.

За да се реализират големите възможности на планарната технология, е необходимо да се изпълнят значителен брой общи производствени изисквания и определени технологични условия, които осигуряват производството на висококачествени образци полуготови продукти на всички технологични етапи. А това е невъзможно без използването на особено чисти основни и спомагателни материали, определени в специален клас „за производство на полупроводници“, прецизно технологично и контролно оборудване и производствени съоръжения, които отговарят на такива високи изисквания за технологична хигиена, които не се срещат в никоя друга индустрии.

Целта на този проект е да се изследват съвременните технологични техники в производството на твърдотелни електронни продукти и да се разработи цялостен технологичен процес за производство на MOS транзистор с диод на Шотки.

транзисторна интегрална схема

1. Аналитичен преглед

Полевият транзистор с изолиран затвор е полеви транзистор, чийто затвор е електрически отделен от канала чрез слой диелектрик. Полевият транзистор с изолиран затвор се състои от полупроводникова пластина (субстрат) с относително високо съпротивление, в което се създават две области с противоположни типове електрическа проводимост). В тези зони се прилагат метални електроди - източник и дренаж. Повърхността на полупроводника между източника и дренажа е покрита с тънък слой диелектрик (обикновено слой от силициев оксид). Върху диелектричния слой се нанася метален електрод - порта. Резултатът е структура, състояща се от метал, диелектрик и полупроводник (Фигура 1). Следователно полеви транзистори с изолиран затвор често се наричат ​​MOS транзистори или MOS транзистори (метал-оксид (оксид)-полупроводник).

Фигура 1 - Топология и основни елементи на MOS транзистор

Технологията за производство на MOS-IC заема доминираща позиция сред производствените процеси на полупроводникови интегрални схеми. Това се обяснява с факта, че ИС, базирани на MOS транзистори, съставляват значителна част от основните продукти на микроелектрониката с различно функционално предназначение. Поради тяхната висока надеждност и висока функционална сложност, MOS-IC имат по-малки геометрични размери от IC, базирани на биполярни транзистори. Производствената технология на MOS-IC чиповете е в много отношения подобна на технологията на биполярните интегрални схеми. Разликата се дължи на редица конструктивни и технологични особености на самите MOS-IC.

Има MOS транзистори с вграден и индуциран канал:

· Вградените в канала MOSFET транзистори имат специален канал в чипа, чиято проводимост се модулира от отклонението на гейта. В случай на p-тип канал, положителният канал отблъсква дупки от канала (режим на изчерпване), а отрицателният канал привлича (режим на обогатяване). Съответно, проводимостта на канала или намалява, или се увеличава в сравнение със стойността си при нулево отклонение.

· В MOSFET с индуцирани канали възниква проводящ канал между силно легирания източник и областите на източване и следователно значителен ток на изтичане се появява само при определена полярност и при определена стойност на напрежението на затвора спрямо източника (отрицателно за p-канала и положителен за n-канала). Това напрежение се нарича прагово.

Първите в индустриалното производство бяха p-MOS-IC, т.к Производството на n-MOS-IC се усложнява от появата на повърхността на p-Si по време на термично окисление на обратен n-слой, който електрически свързва елементите на IC. Но в момента n-каналните ИС доминират производството.

Транзисторите с канална електронна проводимост имат по-добри характеристики, тъй като мобилността на електроните в силиция значително надвишава мобилността на дупките.

MDP-IC се произвеждат по равнинна технология. Най-критичните моменти в технологичния процес са: създаване на затворен диелектрик, прецизно съосяване на затвора с канала и получаване на структури с малка дължина на канала.

За транзистор с полеви ефекти с изолиран затвор той може да се комбинира с диод на Шотки. Интегрираният диод на Шотки е контакт полупроводник-метал, върху който се образува така наречената бариера на Шотки. Преходите от този тип, направени като се вземат предвид определени изисквания, се характеризират с такива ефекти като асиметрия на характеристиката на тока и напрежението и наличието на бариерен капацитет. За да се получат такива преходи, металът, отложен като електрод върху повърхността на електронния полупроводник, трябва да има работа на изход, по-малка от работата на полупроводника; за електрод, отложен върху повърхността на дупков полупроводник, е необходим метал с по-висока работа на работа (Фигура 2).

Фигура 2 - Лентова диаграма на формирането на бартер на Шотки в точката на контакт между метал и полупроводник от p-тип

В този случай на границата с метала в полупроводника се образува слой, обогатен с основни носители, осигуряващ висока проводимост на прехода независимо от посоката на тока.

По принцип производството на MOS транзистор с диод на Шотки не изисква въвеждането на допълнителни технологични операции.

2. Технологична част

1 Описание на технологичния процес

Фигура 3 - Последователност на технологичните операции за производство на MOS транзистор с диод на Шотки

Борът се въвежда в оригиналната пластина с помощта на йонна имплантация, за да се получи p-тип субстрат (Фигура 3, а).

След това с помощта на фотолитография и йонна имплантация на фосфор се образуват области с повишено съдържание на донори (Фигура 3, c-e).

Впоследствие се отглежда допълнителен слой от силициев диоксид. Тъй като температурата на този етап е висока, фосфорните примеси по време на тази операция се разпределят по-равномерно по дебелината на близкия повърхностен слой на субстрата (Фигура 3, g).

Използвайки обикновена фотолитография, премахваме силициевия оксид в зоната, разделяща изтичането и източника на бъдещия транзистор (Фигура 3h).

Сега най-важната операция в целия производствен цикъл е увеличаването на диелектрика на затвора (Фигура 3, i).

Сега всичко, което остава, е да се формират електродите за изтичане, източник и затвор, както и преходът на Шотки. Сега ще покажем тази метализация по опростен начин (Фигура 3, j), а след това ще разгледаме по-подробно принципите на нейното формиране (раздел 2.4.5).

2 Избор на клас производствени помещения

Съвременните изисквания за класове на чистота на чисти помещения и чисти зони се основават на стандартите, дефинирани във Федералния стандарт на САЩ FS209E. Подготвеният проект на руски стандарт е хармонизиран с този американски стандарт.

Критерият за чистота е отсъствието или минималният брой замърсители, които, намирайки се на повърхността на пластината, могат да причинят или дефекти в нарасналите слоеве, или да причинят късо съединение в близките близко разположени IC елементи.

Таблица 1 - Класове на чистота за частици във въздуха за чисти помещения

Клас на чистота Максимално допустима концентрация на частици N (pcs/m 3) размер равен на и по-голям от (µm) 0,10,20,30,51,0 Клас 1 ISO102---Клас 2 ISO10024104-Клас 3 ISO1000237102358 Клас 4 ISO100002370102035283 Клас 5 ISO10000023700102003 520832 Клас 6 ISO1000000237000102000352008320Клас 7 ISO---35200083200Клас 8 ISO-- -3520000832000Клас 9 ISO---352000008320000

Количествен критерий - критичен размер на частиците - една трета от минималния геометричен хоризонтален размер на IC елемента:

По този начин можете да изберете чиста стая, която съответства на класове на чистота от ISO 1 до ISO 6. Освен това се фокусираме върху разходите, ние избираме клас на чистота ISO 2, за който максимално допустимата концентрация на частици във въздуха е равна или по-голяма от разглеждания размер е 0,2 микрона (броят на частиците в 1m3 въздух) е:

където N е номерът на класа на чистота по ISO; D е разглежданият размер на частиците, микрони.

3 Основни материали и реактиви

В продължение на много години монокристалният силиций остава основният полупроводников материал, използван за производството на интегрални схеми. Силиконовите пластини са основата, в чиито повърхностни слоеве се създават полупроводникови области с определени електрически характеристики. Диелектричните слоеве се образуват върху силициевата повърхност чрез окисление на самия полупроводников материал или чрез прилагане на диелектрици от външни източници; формират се структури от многослойна метализация, защитни, стабилизиращи слоеве и т.н. Изискванията към силициевите пластини са разработени в детайли, има цял каталог от международни стандарти на асоциацията SEMI, като в същото време изискванията към силиция продължават да се увеличават, което е свързано с постоянното желание за намаляване на разходите на крайния продукт – интегрални схеми.

По-долу са някои геометрични характеристики на силициеви пластини в съответствие с техническите спецификации ETO.035.124TU, ETO.035.206TU, ETO.035.217TU, ETO.035.240TU, ETO.035.578TU, PBCO.032.015TU.

Диаметър на плочата 100 мм.

(100) ориентацията на силициевия субстрат има предимство пред (111) ориентацията на по-висока подвижност на електрони поради ниската плътност на повърхностните състояния на интерфейса силиций-изолатор.

Дебелина на плочата 500 микрона.

Разликата на стойностите на дебелината в партида е ±10 µm.

Разпространението на стойностите на дебелината в плочата е ±12 µm.

Деформация 20 микрона.

Отклонение на плоскост ±5 µm.

Към дейонизираната вода се предявяват високи изисквания за примеси и механични частици. Таблица 2 показва извлечения от ръководния материал на международната асоциация SEMI, посочващ препоръчителните параметри на свръхчиста вода за производството на полупроводникови интегрални схеми с минимален размер на елемента от 0,8-1,2 микрона. Съответното индексиране на течните реагенти според стандартите SEMI се изписва като SEMI C7.

Стойността на параметъра на електрическото съпротивление на водата трябва да бъде близка до теоретичната стойност от 18,2 MOhm cm.

Съдържание на окисляеми органични вещества, ppb<10Содержание тяжелых металлов, ppb<3Частиц/литр 0,1-0,2U 0,2-0,3U 0,3-0,5U >0,5U<1500 <800 <50 <1Бактерии/100мл<5SiO23 Съдържание на йони, ppb Na +К +кл -бр -НЕ 3-ТАКА 42-Общ брой йони, ppb 0,025 0,05 0,025 0,05 0,05 0,2<0.2Сухой остаток, ppm<0,05

В допълнение към параметрите, посочени в таблицата, препоръките на SEMI предоставят данни за наличието на следи от редица метали във водата. Анализът се извършва за съдържанието на следните метали: Li, Na, K, Mg, Ca, Sr, Ba, B, Al, Cr, Mn, Fe, Ni, Cu, Zn, Pb.

За вода от клас SEMI C7, за всички тези елементи без изключение, допустимите следи от концентрации варират от 0,001 до 0,005 ppb.

Нивото на чистота на течните химикали, използвани в производството на интегрални схеми, се определя от серия международни стандарти и има различни степени в съответствие с нивото на сложност на интегралните схеми.

"Клас 2" има стандартно обозначение, започващо със символите SEMI C7. При производството на интегрални схеми с норми на проектиране от порядъка на 0,8-1,2 микрона се използват реактиви с ниво на чистота „клас 2“, което отговаря на изискванията на задачата. В реактивите "градус 2" се контролират чужди частици с размери 0,5 микрона и по-големи. В почти цялата гама реактиви максималната норма е 25 частици на 1 ml реагент. Спецификациите за такива реактиви показват следи от метално съдържание от 5-10 ppb.

В допълнение към стандартите за химикали с висока чистота са разработени спецификации под формата на насоки.

В съответствие с тях са формирани три нива (нива) на изискванията за чистота: A, B, C (в английския правопис - Tier A, Tier B, Tier C). Ниво А отговаря на изискванията на стандарта SEMI C7. Съответно реагентите за този технологичен процес трябва да отговарят на Tier A.

Газовете играят изключителна роля в технологията за производство на интегрални схеми. Почти всички технологични процеси протичат в газова среда и проблемът за създаване на „незамърсено“ производство на полупроводникови устройства е до голяма степен проблем с чистотата на газа. Има два вида газови среди: газове носители и газове от химични реакции в технологичните процеси. Парциалното налягане на газовете-носители като правило е високо и следователно тяхната чистота, като се вземе предвид високата концентрация в работната газова среда, е особено критична в технологията.

Таблица 3 - Газове в производствените процеси на ИС

№ Наименование Химична формула Съдържание на основното вещество, % Общо съдържание на примеси (ppm части mole/mol) 1 Амоняк NH 399.998122АргонAr99.999900.953Арсин AsH 399.94533 (от които 500 ppm е водород Н 2)4 Борен трихлорид BCl 399,9995 (тегловно в течната фаза) 5 (тегловното в течната фаза) 5 Борен трифлуоридBF 399.00.94% - газове, неразтворими във вода, 200 ppm - SiF 4. Други примеси - 28 ppm.6 Въглероден тетрафлуорид CF 499.99730, включително 20 - N 2, 5 - О 27ДиборанВ 2з 699.81012, от които 500 са CO 2 300 - Б 4з 10- тетраборан 50 - H 250 - Н 28ДихлоросиланH 2SiCl 299Основните примеси са други хлоросилани в течната фаза9ХелийHe99.99954.510ХексафлуороетанC 2Е 699.9963911 ВодородН 299.99972.812 ХлороводородHCl99.9972813 Флуорен анхидридHF99.94525, включително 200 - водна пара по обем14 АзотN 299.999990.115 Азотен трифлуоридNF 399.81000, вкл 4- 500, CO - 130, N 2-100, О 2- 10016 Азотен оксид N 2O99.99726, включително 10 - N 217 Кислород O 299.998218ФосфинPH 399.98181, включително 100 - H 2, 50 - Н 219МоносиланSiH 499.9945920Силициев тетрахлоридSiCl 499.6 Основни примеси: SiH 2кл 2- 0,2% в течна фаза, SiHCl 3- 0,2% в течна фаза 21 Серен хексафлуоридSF 699.97209, включително 100 - CF 422 Волфрамов хексафлуорид WF 699.99639, включително 20 - HF23 Хлорен трифлуоридClF 3

4 Основни технологични операции

2.4.1 Почистване на основата

Ясно е, че всеки субстрат съдържа известно количество замърсители. Това могат да бъдат прахови частици, молекули на различни вещества, както неорганични, така и органични. Праховите частици се отстраняват чрез механична четка или ултразвуково почистване. Използват се методи, използващи центробежни струи. Процедурата по химическо почистване обикновено се извършва след елиминиране на неорганични молекули и атоми и се състои в отстраняване на органични замърсители.

Нормалната процедура за почистване се извършва в смес Н 2О-Х 2О 2-NH 4OH, който осигурява отстраняването на органичните съединения поради солватиращия ефект на амониевия хидроксид и окислителния ефект на водородния прекис. За отстраняване на тежки метали използвайте разтвор H 2О-Х 2О 2-HCl. Такова почистване на субстрати се извършва при температура ~80 º С за 10-20 минути, след което се измиват и подсушават.

4.2 Термично окисляване

Окислението на полупроводниците се разбира като процес на тяхното взаимодействие с окислители: кислород, вода, озон и др.

Слой от силициев диоксид обикновено се образува върху силиконова пластина поради химическото взаимодействие на силициевите и кислородните атоми в областта близо до повърхността на полупроводника. Кислородът се съдържа в окислителната среда, с която е в контакт повърхността на силициевия субстрат, нагрят в пещ до температура 900 - 1200 ° C. Окислителната среда може да бъде сух или мокър кислород. Схематичен изглед на инсталацията е показан на фигура 4 (при съвременните инсталации плочите в държача на субстрата са разположени вертикално).

Фигура 4—Диаграма на инсталиране на процеса на термично окисление

Изисквания към оборудването:

1)температурата на субстратодържателя се контролира с точност до 1 градус;

2)осигуряване на плавно повишаване и понижаване на температурата в реактора (двустепенно нагряване);

)липса на чужди частици в реактора (държачът на субстрата първо се вкарва в тръбата на реактора и след това се спуска на дъното);

)липсата на чужди примеси, по-специално натриеви йони върху вътрешната повърхност на реактора (за да се отстранят, тръбата на реактора е предварително продухана с хлор);

)осигуряване на въвеждането на силициеви пластини в реактора веднага след химическото им почистване.

Химическата реакция, протичаща на повърхността на силиконова пластина, съответства на едно от следните уравнения:

· окисление в суха кислородна атмосфера (сухо окисление): Si телевизор + О 2= SiO 2;

· окисление във водна пара (мокро окисление): Si телевизор +2Н 2O = SiO 2+ 2H 2;

· термично окисляване в присъствието на хлор (хлорно окисляване);

· окисление във водна пара при повишена температура и налягане (хидротермално окисление).

При същата температура коефициентът на дифузия на водата в силициевия диоксид е значително по-висок от коефициента на дифузия на кислорода. Това обяснява високите скорости на растеж на оксида във влажен кислород. Отглеждането на филми само във влажен кислород не се използва поради лошото качество на оксида. По-добри филми се получават в сух кислород, но скоростта им на растеж е твърде ниска.

За маскиране при локални обработки се извършва окисление в режим сухо-мокро-сух кислород. За да се образува диелектрик на вратата на MOS структури, се използва сух кислород, т.к Филмите са с по-високо качество.

4.3 Литографски процеси

Основната цел на литографията при производството на структури на микросхеми е да се получат контактни маски с прозорци на повърхността на плочите, които съответстват на топологията на формираните технологични слоеве, и по-нататъшно прехвърляне на топологията (модел) от маската към материал на този слой. Литографията е сложен технологичен процес, основан на използването на явления, възникващи в резисти по време на актинично облъчване.

Резистите, чиято разтворимост в проявителя се увеличава след облъчване, се наричат ​​положителни. Негативните резисти след облъчване стават практически неразтворими в проявителя.

Стандартно в електронната индустрия се използва оптична литография - фотолитография (Фигура 5), за която се използват фоторезисти, чувствителни към актинично лъчение с дължина на вълната от 200 до 450 nm. Фоторезистите са сложни полимерни състави, съдържащи фоточувствителни и филмообразуващи компоненти, разтворители и специални добавки.

В проекта е използван позитивен, висококачествен и стабилен фоторезист FP-20F, предназначен за осъществяване на контактни и проекционни фотолитографски процеси в производството на полупроводникови устройства и интегрални схеми. Съответно, слаб воден разтвор на KOH или NaOH може да се използва за ецване.

Най-оптималният начин за нанасяне на фоторезист е центрофугирането. Субстратът се фиксира върху хоризонтална центрофуга. Върху основата се нанасят 1-5 ml фоторезист (в зависимост от размера на основата). Центрофугата се върти до скорост 1000-3000 rpm (в зависимост от марката на фоторезиста). Въртенето продължава 1-2 минути, докато се образува фоторезистен филм, докато разтворителят се изпарява.

Фигура 5 - Схема на основните операции на фотолитографския процес

Има няколко метода на експониране в проекта, който ще използваме безконтактен (Фигура 6). Проекционният печат напълно елиминира увреждането на повърхността на шаблона. Изображение на топологичния модел на шаблона се проектира върху пластина с резистово покритие, която се намира на разстояние няколко сантиметра от шаблона.

Източник на светлина; 2- оптична система; 3- шаблон;

фоторезист; 5- силиконова пластина.

Фигура 6—Схема на проекционен печат

За да се постигне висока разделителна способност, се показва само малка част от дизайна на шаблона. Тази малка отразена област се сканира или премества по повърхността на вафлата. При устройствата за сканиращ проекционен печат шаблонът и плочата се движат синхронно.

При сушене на фоторезист е много важно да изберете правилната температура и време. Сушенето на фоторезиста ще се извърши по най-разпространения метод - инфрачервено лъчение. В този случай разтворителят се отстранява равномерно по цялата дебелина на слоя резист и не се получава уплътняването му, а времето за съхнене се намалява до няколко минути.

4.4 Йонна имплантация

Легирането на полупроводникови материали с цел получаване на зададени електрически параметри на слоевете при формиране на определена геометрична структура на ИС остава най-важната технологична задача. Има два вида допинг: дифузия (включва етапите на задвижване на примеси и последващо ускорение) и йонни.

Най-разпространената е йонна имплантация (йонно легиране) като процес на въвеждане на йонизирани атоми в мишена с енергия, достатъчна да проникнат в нейните близки до повърхността области (Фигура 7). Този метод се отличава със своята универсалност (всеки примес може да бъде въведен във всяко твърдо вещество), чистотата и точността на процеса на легиране (навлизането на неконтролирани примеси е практически елиминирано) и ниските температури на процеса.

Източник на йони; 2 - масспектрометър; 3 - диафрагма; 4 - източник на високо напрежение; 5 - ускоряваща тръба; 6 - лещи; 7 - захранване на обектива; 8 - система за вертикално отклонение на лъча и система за изключване на лъча; 9 - хоризонтална система за отклонение на лъча; 10 - мишена за абсорбция на неутрални частици; 11 - субстрат.

Фигура 7 - Схема на инсталацията за йонно легиране

По време на йонна имплантация се появяват редица нежелани ефекти, като ефект на канализиране, аморфизация на приповърхностния слой на субстрата и образуване на радиационни дефекти.

Ефектът на канализиране се наблюдава, когато йон навлезе в свободното пространство между редовете атоми. Такъв йон постепенно губи енергия поради слаби плъзгащи се сблъсъци със стените на канала и в крайна сметка напуска тази област. Разстоянието, изминато от йон в канал, може да бъде няколко пъти по-голямо от дължината на пътя на йон в аморфна цел, което означава, че профилът на разпределение на примесите е неравномерен.

Когато йони се въвеждат в силициев кристален субстрат, те са обект на електронни и ядрени сблъсъци, но само ядрените взаимодействия водят до изместване на силициевите атоми. Леките и тежките йони взаимодействат със субстрата по различен начин.

Леките йони, когато бъдат въведени в мишена, първоначално изпитват основно електронно спиране. В профила на разпределението на разместените атоми по дълбочината на субстрата има скрит концентрационен максимум. Когато тежките йони проникнат, те незабавно започват да бъдат силно инхибирани от силициевите атоми.

Тежките йони изместват голям брой целеви атоми от местата на кристалната решетка близо до повърхността на субстрата. В крайния профил на разпределението на плътността на радиационните дефекти, който повтаря разпределението на свободния път на избитите силициеви атоми, има широк скрит пик. Например леки йони 11B опит главно електронно спиране, тежки йони 31P или 75As - инхибиран от силициеви атоми.

В тази връзка, след йонно допиране е необходимо да се извърши постимплантационно отгряване, за да се възстанови близката повърхностна област на целта.

Ние ще формираме дренажните и изходните области чрез въвеждане на фосфор и за да получим p-тип субстрат, ще легираме първоначалния субстрат с бор.

4.5 Метализация

Метализацията завършва процеса на образуване на полупроводникови структури. За всяка ИС е препоръчително да се извърши метализация от един материал. Процесът на метализация се състои от прилагане на връзки с ниско съпротивление и създаване на контакти с ниско съпротивление към силно легирани региони от p- и n-тип и слоеве от поликристален силиций.

Според заданието за курсовия проект е необходимо да се оформят 3 слоя метализация. Тази метализация по-пълно отговаря на изискванията, но е по-малко технологично напреднала, т.к съдържа повече от един слой метал.

Огнеупорните метали, особено молибден и ванадий, най-често се използват като първи слой на метализация върху оксида. Те имат по-голяма проводимост от другите огнеупорни метали, характеризират се с висока стабилност, добра адхезия и лесно се ецват чрез фотолитография. Те трябва да имат ниска разтворимост в материала на субстрата и да създават добър омичен контакт с полупроводника и ниско прагово напрежение. Вторият слой обикновено е алуминий, а в особено критични устройства - злато. Трябва да е с висока проводимост.

Последният метализиращ слой в реда на нанасяне, наречен проводящ слой, трябва да има добра електропроводимост и да осигурява качествено свързване на контактните площадки към клемите на корпуса. За проводими слоеве се използват мед, алуминий и злато.

Има много методи за производство на метални филми. Получаването на висококачествени незамърсени филми чрез термично вакуумно отлагане е трудно. Алуминиевите филми, получени чрез термично вакуумно изпаряване, имат голяма неравномерност на размерите на зърната и висока концентрация вътре в зърната. Последващата им термична обработка води до миграция на метални атоми и натрупването им около големи частици с образуването на високи туберкули. Получаването на модели върху такива филми чрез фотолитография води до големи неравности по ръбовете поради анизотропията на ецване по границите на зърната. Следователно, за да се получат линии за метализация с много малка ширина, термичните вакуумни процеси се изоставят. Методът за химическо отлагане на филми от смес от пара и газ се използва по-често в лабораторни условия. Електронният лъч, въпреки факта, че усложнява дизайна на инсталацията, може да намали замърсяването на филма и да увеличи производителността на процеса (Фигура 8). Оптималната скорост на растеж на филма е 0,5 µm/min. Чрез този метод се нанасят филми от алуминий и неговите сплави, както и Si, Pd, Au, Ti, Mo, Pt, W.

Ползите от електронно лъчево изпарение включват:

· способността да се използват източници с голяма маса (не се изисква рестартиране при нанасяне на дебели филми);

· възможността за последователно нанасяне на различни филми от съседни източници, разположени в една и съща камера;

· висока скорост на растеж на филма;

· възможност за пръскане на огнеупорни материали.

Бариерата на Шотки по своите функции не принадлежи към метализацията, но според технологията на нейното образуване може да се класифицира като метализация, т.к. това е подобно на получаване на омични контакти към активни области. Най-важният етап от формирането на бариерите на Шотки е изборът на двойка метал-полупроводник и оптимални режими.

И така, за контактния слой ще използваме платинов силицид, който ще бъде нанесен чрез електронно лъчево изпаряване чрез съвместно изпаряване от два източника. Бариерата на Шотки ще бъде осигурена от сплав от титан и волфрам, нанесена върху силиций по същия метод. По същество тази сплав ще бъде подобна на силно легираната област. За проводимия слой използваме алуминий, също отложен чрез електронно лъчево изпарение.

4.6 Междинна изолация

Многостепенна метализация се използва за LSI и VLSI. Увеличаването на броя на елементите също увеличава площта на междуелементните връзки, така че те се поставят на няколко нива, разделени от изолационни слоеве и свързани помежду си на правилните места.

Изолационните диелектрични филми трябва да имат високо напрежение на пробив, ниска диелектрична константа и загуби, минимално химично взаимодействие със съседни филми, ниски нива на механично напрежение, ниска плътност на свързания електрически заряд, висока химическа стабилност и технологичност при получаване на филми и създаване на модели. Недопустимо е наличието на проходни микроотвори, които могат да доведат до късо съединение между метализиращите слоеве.

Технологията на многостепенна метализация включва образуването на първо ниво на метализация, получаване на изолационен слой с последващо отваряне на междустепенни контактни прозорци, образуване на втори слой метализация и др.

Много комерсиално произведени ИС са направени на базата на алуминиева метализация с изолационни слоеве от SiO 2. Филмите от силициев диоксид могат да се отлагат със или без легиращи добавки. Най-важният параметър по време на отлагането на SiO 2- възпроизводимост на релефа (Фигура 9).

Фигура 9-Конформално възпроизвеждане. Дебелината на филма по стените на стъпалото не се различава от дебелината на дъното и повърхността. Поради бързата повърхностна миграция

В този проект нелегиран силициев диоксид, нанесен чрез химическо отлагане на пари, се използва като изолационен филм между многостепенната метализация (Фигура 10). Последният се основава на използването на явлението пиролиза или химични реакции при образуването на филми от изолационен материал.

Фигура 10 - Инсталация за образуване на филм чрез химическо отлагане на пари при нормално налягане

Monosilane SiH се използва като реактивен газ. 4и кислород, и азот като буферен газ.

SiH 4+ О 2→ SiO 2+ 2H 2

Този процес е най-ниската температура за получаване на висококачествени диелектрични слоеве от SiO 2(реакцията се провежда в температурен диапазон 200-400 º СЪС). Недостатъкът е, че силанът е запалим и експлозивен. Филмите се образуват много чисти, но поради ниските температури са рохкави. За да се избегне това, е необходимо стриктно да се регулира концентрацията на силан в газовата фаза и да се доставя директно към повърхността на плочите, предотвратявайки растежа на SiO 2в газовата фаза.

3. инженерно-икономически изчисления

Тема на проекта: Разработване на технологичен процес за производство на полупроводникови интегрални схеми

Тип технология: MOSFET с диод на Шотки

Материал на субстрата: Si

Изходни данни за проекта:

Размер на кристал (чип). 10х10 мм2

Минимален стандарт за проектиране на IP елемент 0,3 µm

Плътност на дефектите на слой 0,1 def/см2

Брой на метализиращите слоеве 1

Процентът на добива на подходящи структури върху плочата (Y) се изчислява по следната формула:

където D0 е специфичната плътност на дефектите за фотолитография, def/cm2; A е активната площ на кристала, cm2; F е броят на фотолитографските процеси в пълния технологичен цикъл на производство на ИС.

Изчисляването на общия обем на производството на подходящи продукти се извършва въз основа на първоначалните данни. Добив на подходящи структури върху плочата: ,

където Apl е активната площ на плоча с диаметър 100 mm, A е площта на елемента, cm2.

Годишен обем на производство при пускане на пазара Z = 300 вафли на ден, при условие че процентът на добив на подходящи продукти при монтажни операции е W = 95%:

Таблица. Изчисляване на праговото напрежение на MOS транзистор.

н а , см -31∙1016 => 1∙1022м -3У з , µm1,5 = 1,5∙10 -6mt вол , nm40 => 4∙10 -8mL з , µm1,5 = 1,5∙10 -6mL, µm1,5 => 1,5∙10 -6mU DD , B3W, µm16 => 1,6∙10 -5м ε Si ,11,9μ н 0.15ε Si02 3.9ε 08.85∙10-12F/m 2

8,6∙10-4 F/m

където е повърхностният потенциал.

където е спадът на напрежението върху оксидния слой.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Тази курсова работа разглежда технологията на производство на полупроводникови интегрални платки. Полупроводниковата интегрална схема е микросхема, чиито елементи са направени в близкия повърхностен слой на полупроводникова подложка. Тези ИС формират основата на съвременната микроелектроника. Размерите на кристалите на съвременните полупроводникови интегрални схеми достигат mm2; колкото по-голяма е площта на кристала, толкова повече многоелементна ИС може да бъде поставена върху него. Със същата кристална площ можете да увеличите броя на елементите, като намалите техните размери и разстоянията между тях.

Чрез използването на различен тип затворен диелектрик, други метали при образуване на контакти със силиций и други изолационни слоеве е възможно да се получат по-сложни вериги с още по-малки размери на елементите.

Списък на използваните източници

1.Ежовски Ю.К. Основи на тънкослойната материалознание и технология на интегрирани устройства: Учебник/ SPbGTI.- SPb., 2005.-127p.

2.Интегрирани устройства на радиоелектрониката УМК, СЗТУ, Санкт Петербург 2009 г

.Малишева И.А. Технология на производство на интегрални схеми: Учебник за технически училища.: Радио и комуникации., 1991. - 344 с.

4. , Гуртов В.А. Твърдотелна електроника: Учебник. -Петрозаводск, 2005.-405 с.

Цветов В.П. Технология на материалите и продуктите на електрониката в твърдо състояние: Насоки / SPbGTI.- SPb., 1998.-67p.

Http://www.analog.energomera.ru, Монокристални силициеви пластини.

. , Курс от лекции по дисциплината “SBIS Technology”.

3 ТЕХНОЛОГИЧНИ ОСНОВИ НА ПРОИЗВОДСТВОТО

ПОЛУПРОВОДНИКОВИ ИНТЕГРАЛНИ ВЕРИГИ

Технологията за производство на полупроводникови интегрални схеми (SIC) е еволюирала от планарната транзисторна технология. Следователно, за да разберем технологичните цикли на производството на ИС, е необходимо да се запознаем с типичните технологични процеси, от които са съставени тези цикли.

3.1 Подготвителни операции

Монокристалните силициеви блокове, подобно на други полупроводници, обикновено се получават чрез кристализация от стопилка - Метод на Чохралски. При този метод пръчка със семе (под формата на силициев монокристал) след контакт със стопилката се повдига бавно с едновременно въртене. В този случай, след семето, се изважда растящ и втвърдяващ се слитък.

Кристалографската ориентация на слитъка (неговото напречно сечение) се определя от кристалографската ориентация на зародиша. Най-често се използват слитъци с напречно сечение, разположено в равнината (111) или (100).

Типичният диаметър на блоковете в момента е 80 mm, а максималният може да достигне 300 mm или повече. Дължината на блоковете може да достигне 1-1,5 м, но обикновено е няколко пъти по-малка.

Силициевите слитъци се нарязват на много тънки пластини (с дебелина 0,4-1,0 mm), върху които след това се произвеждат интегрални схеми. Повърхността на пластините след рязане е много неравна: размерите на драскотини, издатини и ями са много по-големи от размерите на бъдещите елементи на IC. Ето защо, преди започване на основните технологични операции, плочите се шлифоват многократно и след това се полират. Целта на шлайфането, освен отстраняване на механичните дефекти, е и осигуряване на необходимата дебелина на плочата (200-500 микрона), непостижима чрез рязане, и успоредност на равнините. В края на смилането на повърхността все още остава механично увреден слой с дебелина няколко микрона, под който има още по-тънък, така нареченият физически увреден слой. Последното се характеризира с наличието на "невидими" изкривявания на кристалната решетка и механични напрежения, които възникват по време на процеса на смилане.

Полирането се състои в отстраняване на двата повредени слоя и намаляване на повърхностните неравности до нивото, характерно за оптичните системи - стотни от микрометъра. В допълнение към механичното полиране се използва химическо полиране (ецване), т.е. по същество разтваряне на повърхностния слой на полупроводника в определени реагенти. Издатините и пукнатините по повърхността се гравират по-бързо от основния материал и повърхността като цяло се изравнява.

Важен процес в полупроводниковата технология е и почистването на повърхността от замърсяване с органични вещества, особено мазнини. Почистването и обезмасляването се извършват в органични разтворители (толуол, ацетон, етилов алкохол и др.) при повишени температури.

Гравирането, почистването и много други процеси са придружени от измиване на плочите дейонизиранвода.

3.2 Епитаксия

Епитаксияе процес на отглеждане на монокристални слоеве върху субстрат, при който кристалографската ориентация на израсналия слой повтаря кристалографската ориентация на субстрата.

Понастоящем епитаксията обикновено се използва за получаване на тънки работни слоеве до 15 микрона от хомогенен полупроводник върху относително дебела подложка, която играе ролята на поддържаща структура.

Типичен - хлоридПроцесът на епитаксия, приложен към силиций, е както следва (Фигура 3.1). Монокристалните силициеви пластини се зареждат в тигел с лодка и се поставят в кварцова тръба. През тръбата се пропуска поток от водород, съдържащ малка добавка от силициев тетрахлорид SiCl4. При високи температури (около 1200° C) на повърхността на плочите протича реакцията SiCl4 + 2H2 = Si + 4HC1.

В резултат на реакцията се образува слой от чист

силиций и парите на HCl се отнасят от потока водород. Епитаксиалният слой от отложен силиций е монокристален и има същата кристалографска ориентация като субстрата. Химическата реакция, дължаща се на избора на температура, се случва само на повърхността на плочата, а не в околното пространство.

Фигура 3.1 – Процес на епитаксия

Процесът, протичащ в газов поток, се нарича транспортиране на газ реакция,и основният газ (в този случай водород), който пренася примесите в реакционната зона, е газ носител.

Ако двойки фосфорни (PH3) или борни (B2H6) съединения се добавят към парите на силициев тетрахлорид, тогава епитаксиалният слой вече няма да има собствена, а съответно електронна или дупкова проводимост (Фигура 3.2a), тъй като по време на реакцията донорът атомите ще бъдат въведени в отложените силициево-фосфорни или борни акцепторни атоми.

По този начин епитаксията прави възможно отглеждането върху субстрат на монокристални слоеве с всякакъв тип проводимост и всякакво съпротивление, притежаващи всякакъв вид и стойност на проводимостта, например на Фигура 3.2a е показан слоят n и n+ или p+ може да се образува слой.

Фигура 3.2 – Субстрати с епитаксиални и оксидни филми

Границата между епитаксиалния слой и субстрата не е идеално рязка, тъй като примесите частично дифундират от един слой в друг по време на процеса на епитаксия. Това обстоятелство затруднява създаването на ултратънки (по-малко от 1 μm) и многослойни епитаксиални структури. В момента основна роля играе еднослойната епитаксия. Той значително разшири арсенала от полупроводникови технологии; получаването на толкова тънки хомогенни слоеве (mm), каквито се осигуряват чрез епитаксия, е невъзможно по друг начин.

На фигура 3.2a и следващите, вертикалният мащаб не е спазен.

Инсталацията, показана на Фигура 3.1, включва някои допълнителни операции: продухване на тръбата с азот и плитко ецване на силициевата повърхност в HCl пари (за целите на почистването). Тези операции се извършват преди началото на основните.

Епитаксиалният филм може да се различава от субстрата по химичен състав. Методът за производство на такива филми се нарича хетероепитаксия,За разлика от хомоепитаксия,описано по-горе. Разбира се, при хетероепитаксия, както филмът, така и материалът на субстрата трябва да имат същата кристална решетка. Например, можете да отгледате силициев филм върху сапфирен субстрат.

В заключение отбелязваме, че в допълнение към описаната газова епитаксия съществува течна епитаксия, при която растежът на монокристален слой се извършва от течната фаза, т.е. от разтвор, съдържащ необходимите компоненти.

3.3 Термично окисление

Окислението на силиций е един от най-характерните процеси в технологията на съвременните PPIMS. Полученият филм от силициев диоксид SiO2 (Фигура 3.2b) изпълнява няколко важни функции, включително:

Защитна функция - пасивацияповърхност и по-специално защита на вертикални участъци p - n преходи, отиващи към повърхността;

Функцията на маска, през прозорците, в които необходимите примеси се въвеждат чрез дифузия (Фигура 3.4b);

Функцията на тънък диелектрик под затвора на MOS транзистор или кондензатор (фигури 4.15 и 4.18c);

Диелектрична основа за свързване на PP IC елементи с метален филм (Фигура 4.1).

Повърхността на силиция винаги е покрита със свой „собствен” оксиден филм, резултат от „естественото” окисление при най-ниските температури. Този филм обаче е твърде тънък (около 5 nm), за да изпълнява някоя от тези функции. Следователно, при производството на полупроводникови ИС, по-дебели SiO2 филми се получават изкуствено.

Изкуственото окисляване на силиций обикновено се извършва при висока температура (°C). Такова термично окисление може да се извърши в кислородна атмосфера (сухо окисляване),в смес от кислород и водна пара ( мокро окисление) или просто във водна пара.

Във всички случаи процесът се извършва в окислителни пещи. Основата на такива пещи, както при епитаксията, е кварцова тръба, в която е поставена „лодка“ със силиконови пластини, нагрята или чрез високочестотни токове, или по друг начин. През тръбата се пропуска поток от кислород (сух или овлажнен) или водна пара, която реагира със силиций в зона с висока температура. Полученият по този начин филм SiO2 има аморфна структура (Фигура 3.2b).

Очевидно скоростта на растеж на оксида трябва да намалява с времето, тъй като новите кислородни атоми трябва да дифундират през все по-дебел оксиден слой. Полуемпиричната формула, свързваща дебелината на оксидния филм с времето на термично окисление, има формата:

където k - параметър в зависимост от температурата и влажността на кислорода.

Сухото окисляване е десетки пъти по-бавно от мокрото. Например, отнема около 5 часа, за да се развие SiO2 филм с дебелина 0,5 микрона в сух кислород при 1000° C и само 20 минути във влажен кислород. Въпреки това, качеството на филмите, получени във влажен кислород, е по-ниско. При понижаване на температурата на всеки 100°C времето на окисление се увеличава 2-3 пъти.

В IC технологията се прави разлика между „дебели“ и „тънки“ SiO2 оксиди. Дебели оксиди ( d = 0,7-1,0 µm) изпълняват функциите на защита и камуфлаж, а тънките (d = 0,1-0,2 µm) - функции на затворния диелектрик в MOS транзистори и кондензатори.

Един от важните проблеми при отглеждането на SiO2 филм е осигуряването на неговата хомогенност. В зависимост от качеството на повърхността на вафлата, чистотата на реагентите и режима на растеж, във филма възникват определени проблеми. дефекти.Често срещан тип дефекти са микро- и макропори, дори през дупки (особено в тънък оксид).

Качеството на оксидния филм се повишава с понижаване на температурата на растежа му, както и при използване на сух кислород. Следователно чрез сухо окисление се получава тънък оксид на затвора, чието качество определя стабилността на параметрите на MOS транзистора. Когато отглеждате дебел оксид, редувайте сухо и мокро окисление: първото гарантира липсата на дефекти, а второто ви позволява да намалите времето на процеса.

Други методи за производство на SiO2 филми са обсъдени в.

3.4 Литография

В технологията на полупроводниковите устройства маските заемат важно място: те осигуряват локално отлагане, легиране, ецване и в някои случаи епитаксия. Всяка маска съдържа набор от предварително проектирани отвори - прозорци. Производството на такива прозорци е задача за литография(гравюри). Лидерската позиция в технологията за производство на маски остава фотолитография и електронолитография.

3.4.1. Фотолитография.Фотолитографията се основава на използването на материали, т.нар фоторезисти. Това е вид фотографска емулсия, позната в конвенционалната фотография. Фоторезистите са чувствителни към ултравиолетова светлина, така че могат да се обработват в не много тъмна стая.

Има фоторезисти отрицателни и положителни.Негативните фоторезисти полимеризират, когато са изложени на светлина и стават устойчиви на ецващи вещества (киселинни или алкални). Това означава, че след локално експониране неекспонираните участъци ще бъдат гравирани (както при обикновен фотографски негатив). При положителните фоторезисти светлината, напротив, разрушава полимерните вериги и следователно експонираните участъци ще бъдат гравирани.

Чертежът на бъдещата маска е направен под формата на т.нар фо­ към шаблон. Фотомаската е дебела стъклена плоча, от едната страна на която е нанесен тънък непрозрачен филм с необходимите моделпод формата на прозрачни дупки. Размерите на тези отвори (елементи на модела) в мащаб 1: 1 съответстват на размерите на бъдещите елементи на IC, т.е. те могат да бъдат 20-50 микрона или по-малко (до 2-3 микрона). Тъй като интегралните схеми се произвеждат по групов метод, много подобни дизайни се поставят върху фотомаската в „редове“ и „колони“. Размерът на всеки чертеж съответства на размера на бъдещата IC матрица.

Процесът на фотолитография за производство на прозорци в SiO2 оксидната маска, покриваща повърхността на силиконова пластина, е както следва (Фигура 3.3). Например, негативен фоторезист (NP) се нанася върху окислената повърхност на пластината. Фотомаска от фоторезист се нанася върху плоча, покрита с фоторезист (с шарка, обърната към фоторезиста) и се излага на ултравиолетови (UV) лъчи на кварцова лампа (Фигура 3.3a). След това фотомаската се отстранява, а фоторезистът се проявява и фиксира.

Ако се използва положителен фоторезист, тогава след проявяване и втвърдяване (което се състои от втвърдяване и термична обработка на фоторезиста), той произвежда прозорци на онези места, които съответстват на прозрачните зони на фотомаската.

Както казват, рисунка преместенот фотомаска до фоторезист. Сега фоторезистният слой е маска, плътно прилежаща към оксидния слой (Фигура 3.3b).

Чрез фоторезист маска, оксидният слой се ецва до силиция (този ецващ препарат не засяга силиция). Флуороводородната киселина и нейните соли се използват като ецващ агент. В резултат на това моделът от фоторезиста се прехвърля върху оксида. След отстраняване (ецване) на фоторезистната маска, крайният резултат от фотолитографията е силиконова пластина, покрита с оксидна маска с прозорци (Фигура 3.3c). През прозорци може да се извърши дифузия, йонна имплантация, ецване и др.

Фигура 3.3 – Процес на фотолитография

В технологичните цикли на производство на ИС елементи фотолитографският процес се използва многократно (поотделно за получаване на базови слоеве, емитери, омични контакти и др.). В този случай възниква така нареченият проблем с комбинирането на фотомаски. При многократно използване на фотолитография (в технологията PPIMS до 5-7 пъти), толерансът на подравняване достига части от микрона. Техниката на регистриране се състои в правенето на специални „марки“ (например кръстове или квадрати) върху фотомаски, които се превръщат в модел върху оксида и се виждат през тънък филм от фоторезист. При нанасяне на следващата фотомаска, внимателно (под микроскоп) маркировките върху оксида се подравняват с подобни марки върху фотомаската.

Разглежданият фотолитографски процес е типичен за получаване на оксидни маски върху силициеви пластини с цел последваща локална дифузия. В този случай фоторезистната маска е междинна, спомагателна, тъй като не може да издържи на високата температура, при която се извършва дифузията. Въпреки това, в някои случаи, когато процесът протича при ниски температури, фоторезистните маски могат да бъдат основните - работещи. Пример е процесът на създаване на метални кабели в полупроводникови интегрални схеми.

При използване на фотомаска нейният емулсионен слой се износва (изтрива) след 15-20 нанасяния. Срокът на експлоатация на фотомаските може да се увеличи с два порядъка или повече чрез метализация: замяна на фотоемулсионния филм с филм от устойчив на износване метал, обикновено хром.

Фотомаските се произвеждат в комплекти според броя на фотолитографските операции в технологичния цикъл. В рамките на комплекта фотомаските са съгласувани, т.е. осигуряват подравняване на чертежите, когато съответните маркировки са подравнени.

3.4.2 Електронна литография.Описаните методи отдавна са една от основите на микроелектронната технология. Те все още не са загубили своето значение. Въпреки това, тъй като степента на интеграция се увеличава и размерът на елементите на IS намалява, възникват редица проблеми, някои от които вече са решени, а някои са в процес на проучване.

Едно от основните ограничения се отнася до резолюция, т.е. минималните размери в създадения модел на маската. Факт е, че дължината на вълната на ултравиолетовата светлина е 0,3-0,4 микрона. Следователно, без значение колко малък е отворът в модела на фотомаската, размерите на изображението на този отвор във фоторезиста не могат да достигнат определените стойности (поради дифракция). Следователно минималната ширина на елементите е около 2 микрона, а в дълбокия ултравиолетов (дължина на вълната 0,2-0,3 микрона) - около 1 микрона. Междувременно размери от порядъка на 1-2 микрона вече не са достатъчно малки при създаването на големи и свръхголеми ИС.

Най-очевидният начин за увеличаване на разделителната способност на литографията е използването на радиация с по-къса дължина на вълната по време на експониране.

През последните години бяха разработени методи електронна литография . Тяхната същност е, че фокусиран лъч от електрони сканиране(т.е. те се движат "линия по линия") по повърхността на пластина, покрита с електронен резистент, и интензитетът на лъча се контролира в съответствие с дадена програма. В тези точки, които трябва да бъдат „изложени“, токът на лъча е максимален, а в тези, които трябва да бъдат „затъмнени“, той е нула. Диаметърът на електронния лъч е пряко зависим от тока в лъча: колкото по-малък е диаметърът, толкова по-малък е токът. Въпреки това, когато токът намалява, времето на експозиция се увеличава. Следователно увеличаването на разделителната способност (намаляването на диаметъра на лъча) е придружено от увеличаване на продължителността на процеса. Например, при диаметър на лъча 0,2-0,5 μm, времето за сканиране на пластина, в зависимост от вида на електронния резистор и размера на пластината, може да варира от десетки минути до няколко часа.

Една от разновидностите на електронната литография се основава на изоставянето на електронно-резистивните маски и включва въздействието на електронен лъч директно върху слоя SiO2 оксид. Оказва се, че в зоните на „експозиция“ този слой впоследствие се гравира няколко пъти по-бързо, отколкото в „затъмнените“ зони.

Минималните размери за електронна литография са 0,2 микрона, въпреки че максимално постижимите размери са 0,1 микрона.

Други методи на литография са в процес на изследване, например меките рентгенови лъчи (с дължини на вълните 1-2 nm) позволяват получаване на минимални размери от 0,1 μm, а литографията с йонен лъч - 0,03 μm.

3.5 Легиране

Въвеждането на примеси в оригиналната пластина (или в епитаксиалния слой) чрез дифузия при високи температури е оригиналният и все още основен метод за легиране на полупроводници с цел създаване на транзисторни структури и други елементи на тяхна основа. Въпреки това, напоследък друг метод за допинг стана широко разпространен - ​​йонна имплантация.

3.5.1 Дифузионни методи.Дифузията може да бъде обща и локална. В първия случай се извършва по цялата повърхност на пластината (Фигура 3.4а), а във втория - в определени области на пластината през прозорци в маската, например в дебел слой SiO2 (Фигура 3.4б) .

Общата дифузия води до образуването на тънък дифузионен слой в плочата, който се различава от епитаксиалния слой по нехомогенното (в дълбочина) разпределение на примесите (виж N(x) кривите на фигури 3.6a и b).

Фигура 3.4 – Обща и локална дифузия

В случай на локална дифузия (Фигура 3.4b), примесът се разпространява не само дълбоко в плочата, но и във всички перпендикулярни посоки, т.е. под маската. В резултат на тази така наречена странична дифузия, областта на p-n прехода, излизаща на повърхността, е „автоматично“ защитена от оксида . Връзката между дълбочините на страната и главния -

"вертикалната" дифузия зависи от редица фактори, включително дълбочината на дифузионния слой . Типична стойност за дълбочината на страничната дифузия може да се счита за 0,8 × L .

Дифузията може да се извърши еднократно или многократно. Например, по време на 1-вата дифузия е възможно да се въведе акцепторен примес в първоначалната плоча от n-тип и да се получи p-слой, а след това по време на 2-рата дифузия да се въведе донорен примес в получения p-слой (до a по-малка дълбочина) и по този начин осигуряват трислойна структура. Съответно се прави разлика между двойна и тройна дифузия (виж раздел 4.2).

При извършване на многократна дифузия трябва да се има предвид, че концентрацията на всеки нов въведен примес трябва да надвишава концентрацията на предишния, в противен случай видът на проводимостта няма да се промени, което означава, че няма да се образува p-n преход. Междувременно концентрацията на примеси в силиций (или друг изходен материал) не може да бъде толкова голяма, колкото се желае: тя е ограничена от специален параметър - лимит разтворимост на примесиН.С.. Границата на разтворимост зависи от температурата. При определена температура тя достига максимална стойност и след това отново намалява. Максималните граници на разтворимост заедно със съответните температури са дадени в таблица 3.1.

Таблица 3.1

Следователно, ако се извършва многократна дифузия, тогава за последната дифузия е необходимо да се избере материал с максимална ограничаваща разтворимост. Тъй като обхватът на примесните материали е ограничен,

не е възможно да се осигурят повече от 3 последователни дифузии.

Примесите, въведени чрез дифузия, се наричат дифузори(бор, фосфор и др.). Източниците на дифузанти са техните химични съединения. Те могат да бъдат течности (BBr3, POCl), твърди вещества (B2O3, P2O5) или газове (B2H6, PH3).

Въвеждането на примеси обикновено се извършва чрез реакции на транспортиране на газ, точно както по време на епитаксия и окисление. За тази цел или еднозонови или двузонови дифузионни пещи.

При твърдите дифузанти се използват двузонови фурни. В такива пещи (Фигура 3.5) има две високотемпературни зони, едната за изпаряване на източника на дифузант, втората за самата дифузия.

Фигура 3.5 - Процес на дифузия

Изпаренията на дифузантния източник, получени в 1-ва зона, се смесват с потока на неутрален газ-носител (например аргон) и заедно с него достигат до 2-ра зона, където се намират силициевите пластини. Температурата във 2-ра зона е по-висока от тази в 1-ва. Тук дифузиращите атоми се въвеждат в плочите, а други компоненти на химическото съединение се отвеждат от газа носител от зоната.

При течни и газообразни източници на дифузант не е необходимо тяхното високотемпературно изпаряване. Затова се използват еднозонови пещи, както при епитаксията, в които източникът на дифузант влиза в газообразно състояние.

Когато се използват течни източници на дифузант, дифузията се извършва в окислителна среда чрез добавяне на кислород към носещия газ. Кислородът окислява повърхността на силикона, образувайки оксид SiO2, т.е. по същество стъкло. В присъствието на дифузант (бор или фосфор), боросиликатили фосфосиликатстъклена чаша. При температури над 1000°C тези стъкла са в течно състояние, покривайки повърхността на силикона с тънък филм , така че дифузията на примеса идва, строго погледнато, от течната фаза. След втвърдяване стъклото предпазва силиконовата повърхност в точките на дифузия,

в прозорците на оксидната маска. При използване на твърди източници на дифузант - оксиди - образуването на стъкла става по време на процеса на дифузия без специално въведен кислород.

Има два случая на разпределение на примесите в дифузионния слой.

1 Случаят на неограничен източник на примеси.В този случай дифузьорът непрекъснато тече към плочата, така че в неговия приповърхностен слой концентрацията на примеси се поддържа постоянна и равна на NS. С увеличаване на времето на дифузия, дълбочината на дифузионния слой се увеличава (Фигура 3.6a).

2 Случай на ограничен източник на примеси.В този случай първо определен брой дифузиращи атоми се въвеждат в тънкия повърхностен слой на плочата (време t1), след което източникът на дифузант се изключва и атомите на примесите се преразпределят в дълбочината на плочата с общия им брой непроменена (Фигура 3.6b). В този случай концентрацията на примеси на повърхността намалява и дълбочината на дифузионния слой се увеличава (криви t2 и t3). Първият етап от процеса се нарича "задвижване", вторият - "разпръскване" на примеса.

Фигура 3.6 – Разпределение на дифузанта

3.5.2 Йонна имплантация.

Йонната имплантация е метод за легиране на пластина (или епитаксиален слой) чрез бомбардиране с йони на примеси, ускорени до енергия, достатъчна за тяхното проникване дълбоко в твърдото вещество.

Йонизацията на примесните атоми, ускоряването на йоните и фокусирането на йонния лъч се извършват в специални инсталации като ускорителите на частици в ядрената физика. Като примеси се използват същите материали, използвани за дифузия.

Дълбочината на проникване на йони зависи от тяхната енергия и маса. Колкото по-голяма е енергията, толкова по-голяма е дебелината на имплантирания слой. С нарастването на енергията обаче нараства и количеството радиационни дефектив кристала, т.е. неговите електрически параметри се влошават. Следователно йонната енергия е ограничена до 100-150 keV. Долното ниво е 5-10 keV. При този енергиен диапазон дълбочината на слоевете е в диапазона 0,1 - 0,4 μm, т.е. тя е значително по-малка от типичната дълбочина на дифузионните слоеве.

Концентрацията на примеси в имплантирания слой зависи от плътността на тока в йонния лъч и времето на процеса или, както се казва, от експо време-позиции.В зависимост от плътността на тока и желаната концентрация, времето на експозиция варира от няколко секунди до 3-5 минути или повече (понякога до

1-2 часа). Разбира се, колкото по-дълго е времето на експозиция, толкова по-голям е броят на радиационните дефекти.

Типично разпределение на примеси по време на имплантиране на йони е показано на фигура 3.6c, плътна крива. Както виждаме, това разпределение се различава значително от дифузионното по наличието на максимум на определена дълбочина.

Тъй като площта на йонния лъч (1-2 mm2) е по-малка от площта на плочата (а понякога и на кристала), е необходимо сканиранелъч, т.е. да го преместите плавно или на "стъпки" (с помощта на специални отклоняващи системи) последователно по всички "редове" на плочата, върху която са разположени отделните ИС.

След завършване на процеса на легиране, плочата трябва да бъде подложена на отгряванепри температура от ° C, за да се подреди кристалната решетка на силиция и да се елиминират (поне частично) неизбежните радиационни дефекти. При температурата на отгряване процесите на дифузия леко променят профила на разпределение (вижте пунктираната крива на фигура 3.6c).

Йонната имплантация се извършва чрез маски, в които дължината на йонния път трябва да бъде значително по-къса, отколкото в силиция. Материалите за маски могат да бъдат силициев диоксид или алуминий, които са често срещани в ИС. В същото време важно предимство на йонната имплантация е, че йоните, движещи се по права линия, проникват само в дълбочината на плочата и аналогията на страничната дифузия (под маска) практически отсъства.

По принцип йонната имплантация, подобно на дифузията, може да се извършва многократно, „вграждайки“ един слой в друг. Въпреки това, комбинацията от енергии, времена на експозиция и режими на отгряване, необходими за множество имплантации, се оказва трудна. Следователно йонната имплантация е широко разпространена при създаването на тънки единични слоеве.

3.6 Нанасяне на тънки филми

Тънките филми са не само основата на тънкослойните хибридни интегрални схеми, но също така се използват широко в полупроводникови интегрални схеми. Следователно методите за производство на тънки филми се отнасят до общи въпроси на микроелектронната технология.

Има три основни метода за нанасяне на тънки филми върху субстрат и един към друг: топлинна(вакуум) и йонна плазма пръскане,който има две разновидности: катодно разпрашванеи самата йонна плазма.

3.6.1 Термично (вакуумно) пръскане.

Принципът на този метод на разпрашване е показан на фигура 3.7a. Метална или стъклена капачка 1 е разположена върху основната плоча 2. Между тях има уплътнение 3, което осигурява поддържането на вакуум след изпомпване на въздуха от подкапачното пространство. Субстратът 4, върху който се извършва разпрашването, е монтиран върху държач 5 . Държачът е в съседство с нагряване и разпрашването се извършва върху нагрят субстрат). Изпарителят 7 включва нагревател и източник на разпръснато вещество. Въртящата се клапа 8 блокира потока на парите от изпарителя към субстрата: пръскането продължава, докато клапата е отворена.

Нагревателят обикновено представлява нишка или спирала от огнеупорен метал (волфрам, молибден и др.), през която се пропуска достатъчно голям ток. Източникът на разпръснато вещество е свързан към нагревателя по различни начини: под формата на скоби ("хусари"), окачени на нишката; под формата на малки пръчици, покрити със спирала, под формата на прах, излят в

Фигура 3.7 – Нанасяне на филми

тигел, нагряван от спирала и т.н. Вместо нишки напоследък се използва нагряване с помощта на електронен лъч или лазерен лъч.

Най-благоприятните условия за кондензация на пара се създават върху субстрата, въпреки че частична кондензация се получава и по стените на аспиратора. Твърде ниската температура на субстрата предотвратява равномерното разпределение на адсорбираните атоми: те са групирани в „острови“ с различна дебелина, често несвързани помежду си. Напротив, твърде високата температура на подложката води до откъсване на новоотложените атоми, до тяхното „повторно изпаряване“. Следователно, за да се получи висококачествен филм, температурата на субстрата трябва да бъде в определени оптимални граници (обикновено 200-400 ° C). Скоростта на растеж на филма, в зависимост от редица фактори (температура на субстрата, разстояние от изпарителя до субстрата, вид на отлагания материал и др.) варира от десети до десетки нанометри в секунда.

Силата на връзката - адхезията на филма към субстрата или друг филм - се нарича адхезия. Някои често срещани материали (напр. злато) имат слаба адхезия към типични субстрати, включително силиций. В такива случаи т.нар подслой, характеризиращ се с добра адхезия, след което върху него се напръсква основният материал, който също има добра адхезия към подслоя. Например, за злато, подслоят може да бъде никел или титан.

За да могат атомите на пръскания материал, летящи от изпарителя към субстрата, да претърпят минимален брой сблъсъци с атоми на остатъчния газ и по този начин минимално разпръскване, трябва да се осигури достатъчно висок вакуум в пространството под капака. Критерият за необходимия вакуум може да бъде условието средният свободен път на атомите да е няколко пъти по-голям от разстоянието между изпарителя и субстрата. Това условие обаче често не е достатъчно, тъй като всяко количество остатъчен газ е изпълнено със замърсяване на напръскания филм и промяна в неговите свойства. Следователно по принцип вакуумът в системите за термично разпръскване трябва да бъде възможно най-висок. В момента вакуумът е под 10-6 mmHg. Изкуство. се счита за неприемливо и в редица първокласни инсталации за пръскане се довежда до 10-11 mm Hg. Изкуство.

Основният материал, на базата на който се правят полупроводникови ИС, е силиций, тъй като на негова основа е възможно да се получи филм от силициев диоксид с висока производителност и сравнително прости методи.

В допълнение, трябва да се имат предвид други предимства на силиция в сравнение с германия: по-голяма ширина на лентата и следователно по-малко влияние на температурата, по-ниски обратни токове на малцинствени носители на заряд; по-ниска диелектрична константа, следователно, по-ниски бариерни капацитети, при равни други условия.

За да се даде на силиция определен тип проводимост, в кристала се въвеждат донорни и акцепторни примеси, в резултат на което във всяка област на P- или N-силиций има мнозинство и малцинство носители на заряд. Движението на носители на заряд в полупроводникови IC структури се извършва както обикновено: или под формата на дифузия поради разликата в концентрацията на носители на заряд, или под формата на дрейф под въздействието на силите на електрическото поле. В получените PN връзки се появяват обичайните явления, описани по-рано.

Основната технология за производство на полупроводникови интегрални схеми е планарна. Свойствата на ИС до голяма степен се определят от технологията на тяхното създаване.

Нека разгледаме само някои характеристики на използването на планарна технология при производството на интегрални схеми.

Почистване на повърхността.Трябва да се има предвид, че всяко замърсяване на повърхността на субстрата ще се отрази негативно на свойствата на ИС и неговата надеждност. Също така е необходимо да се има предвид, че размерите на елементите на IC са сравними с най-малката прашинка. Оттук и необходимостта от най-щателно почистване на повърхността. Почистването се извършва с помощта на органични разтворители; за по-задълбочено почистване се използват ултразвукови методи, тъй като вибрациите ускоряват разтварянето на замърсителите. На последния етап силициевите пластини се измиват с дейонизирана вода.

Термично оксидиране на повърхността. Извършва се за създаване на защитен слой върху повърхността на пластината, предпазващ повърхността от влиянието на околната среда по време на процеса на създаване на ИС. В ИС, базирани на MOS транзистори, филмът, получен чрез окисление, служи като диелектрик за портата.

Легиране. Това е въвеждането на примеси в чист силиций, за да се произведат кръстовища, за да се създадат диодни и транзисторни структури. Има два начина за легиране - чрез дифузия и въвеждане на примесни йони.

Напоследък методът на йонна имплантация се използва широко поради редица свои предимства, предимно по-ниски температури в сравнение с дифузионния метод.

Същността на метода е въвеждането на примесни йони в пластина от чист силиций, които заемат места във възлите на кристалната решетка. Примесните йони се създават, ускоряват, фокусират и отклоняват в специални инсталации и, падайки върху повърхността на плочата, я бомбардират, въвеждайки се в кристалната структура на решетката. Отклонението се получава в магнитно поле. Нека си припомним, че радиусът на отклонение зависи от масата на заредените частици. Следователно, ако във фокусирания лъч има чужди йони, те ще се отклонят по други траектории и ще се отделят от основния лъч на донорни или акцепторни примеси. Това е друго предимство на този метод - висока чистота на примеси.

Фотолитография. Позволява да се получи дадено разположение на елементите и е един от най-характерните технологични процеси за създаване на ИС. Нека припомним, че фотолитографията се основава на използването на фоточувствителните свойства на специални материали, наречени фоторезисти.

С развитието на IC технологията недостатъците, присъщи на този метод, стават все по-значими: възможността за получаване на минимални размери на шаблона върху фотомаската и механичният контакт на фотомаската с полупроводниковата пластина води до изкривявания на шаблона.

Напоследък е разработен методът на електронната литография. Базира се на движението на фокусиран електронен лъч по повърхността на пластина с резистово покритие. Токът на лъча се контролира от напрежението, което варира в зависимост от това къде на повърхността се намира лъчът. Ако е необходимо да се получи прозорец, токът на лъча е максимален; в тези области, които трябва да останат непроменени, токът на лъча е близо до нула.

Метализиране за създаване на връзки във веригата в ИС.Връзките във веригата в интегралните схеми се правят с помощта на тънки метални филми, отложени върху силициев оксид, който е изолатор. Алуминият, който има висока специфична проводимост, липса на корозия и позволява възможност за заварени контакти с външни изводи, се оказа най-подходящ за основните изисквания към свързващия елемент за ИС.

Създаването на желания релеф на металните фуги става с помощта на фотолитография. Непрекъснат филм от алуминий се нанася върху повърхността на силициевия оксид. Филмът се покрива с фоторезист, над него се поставя фотомаска и след това алуминият се гравира, оставяйки само ивици, които създават подходящи контакти със субстратните слоеве в предварително направени прозорци, които са създадени, за да се получи желаната структура на слоя в IC.

Анализът на основните операции показва, че всички те се свеждат до три основни – термична обработка, химическа обработка и фотолитография. Създаването на филм от силициев диоксид, който предпазва преходите от околната среда при създаването на ИС, е важен фактор за осигуряване на стабилност на параметрите и надеждност на ИС.

Чрез промяна на модела на фотомаската и режима на термична обработка можете да създадете различни IC вериги. Основните структури за производството на IC елементи са биполярни и MOS транзистори.

Описание на веригата

1. Оценки на пасивни елементи:

R6 = R11 = 4,7 kOhm

• 2. T1, T2, T3, T4, T5 - n-p-n транзистори IC; T6 - pnp транзистор IC;
• 3. s=200 Ohm/kV
• 4. Захранващо напрежение 15V
• 5. Планарно-епитаксиална технология.
• 6. Изолация чрез p-n преход.

Pin 6 - мощност; щифт 1 - маса.

Технология за производство на IC

Всички елементи на полупроводникови интегрални схеми могат да бъдат създадени на базата на максимум три p-n прехода и четири слоя от два вида електрическа проводимост (електронна и дупкова). Изолирането на елементи често се постига с помощта на обратен предубеден p-n преход. Принципът на този изолационен метод е, че чрез прилагане на голям отрицателен потенциал към p-субстрата, се получава обратно предубедено p-n съединение на границата на колекторните области и p-субстрата. Съпротивлението на обратно-предубедения p-n преход е високо и достига MOhm, така че елементите са добре изолирани един от друг.

Технологията на производство на полупроводникови интегрални схеми е сложен процес, който включва десетки операции и е невъзможно да се опише напълно в кратко ръководство и курсова работа.

Следователно, ние ще разгледаме съкратен път за производство на IC с изолирани елементи и pn преходи с обратно отклонение, използвайки планарна епитаксиална технология. Работата на изолационните елементи се извършва по групов метод, комбиниран с технологията на производство на IC като цяло и реализиран чрез метода на разделителна (изолационна) дифузия до цялата дълбочина на епитаксиалния слой. Тази технология дава възможност да се получи необходимата степен на легиране на колектора и субстрата независимо един от друг. Чрез избора на субстрат с високо съпротивление и епитаксиален слой с не много високо съпротивление (колектор) е възможно да се осигури оптимален капацитет на прехода колектор-база и неговото пробивно напрежение. Наличието на епитаксиален слой ви позволява точно да регулирате дебелината и съпротивлението на колектора, което обаче остава доста високо (70-100 ома). Намаляването на съпротивлението на колектора се постига чрез създаване на силно легиран заровен n+ слой чрез дифузия на примес от n-тип в p-субстрата преди изграждането на епитаксиалния слой. Този слой осигурява път на ток с ниско съпротивление от зоната на активния колектор до контакта на колектора, без да намалява напрежението на пробив на връзката колектор-основа.

Последователност от операции на планарно-епитаксиална технология за производство на биполярни полупроводникови ИС с изолация на елементи чрез p-n преходи:

• 1) Механична повърхностна обработка на работната страна на силиконова пластина p-тип до клас 14 на чистота и ецване в пари на HCl за отстраняване на повредения слой. Si-вафлите първо се смилат до определена дебелина, след това се полират, ецват и измиват.
• 2) Окисляване за създаване на защитна маска по време на дифузията на n-тип примеси. Върху повърхността на силикона се отглежда плътен филм от силициев диоксид (SiO2), който има коефициент на термично разширение, близък до силиция, което позволява да се използва като маска за дифузия. Най-технологичният метод за производство на SiO2 филми е термичното окисляване на силициевата повърхност. Като окислителна среда се използва сух или овлажняващ кислород или водна пара. Температурата на работната зона по време на окисляването е 1100-1300C. Окисляването се извършва по метода на отворената тръба в поток от окислител. В сухия кислород се отглежда най-перфектният структурно оксиден слой, но процесът на окисление е бавен (при T = 1200C дебелината на слоя SiO2 е 0,1 микрона). На практика е препоръчително да се извърши окисление на три етапа: в сух кислород, мокър кислород и отново в сух кислород. За да се стабилизират свойствата на защитните оксидни слоеве по време на процеса на окисление, борна киселина, титанов диоксид и др. се добавят към средата на влажен кислород или водна пара.

3) Фотолитография за отваряне на прозорци в оксида и провеждане на локална дифузия на места, където се образуват скрити слоеве (фиг. 3). Фотолитографията е създаването на защитна маска с малък размер с почти всякаква сложност върху повърхността на субстрата, която впоследствие се използва за дифузия, епитаксия и други процеси. Той се формира с помощта на специален слой, наречен фоторезист - материал, който променя структурата си под въздействието на светлина. Въз основа на тяхната способност да променят свойствата си при облъчване, фоторезистите могат да бъдат класифицирани като отрицателни или положителни.

Фоторезистът трябва да е чувствителен към радиация, да има висока разделителна способност и киселинна устойчивост.

Слой от фоторезист се нанася върху повърхността на оксидиран силиций с дебелина на оксида 3000-6000 G с помощта на центрофуга. Фоторезистът се суши първо при стайна температура, след това при температура 100-150 С.

Субстратът се комбинира с фотомаска и се осветява. Експонираният фоторезист се проявява и след това се измива в дейонизирана вода. Останалият фоторезист се втвърдява при стайна температура и температура от 200°С за един час, след което повърхността на окисления силиций се експонира на места, съответстващи на модела на фотомаската.

4) Дифузия за създаване на скрит n+ слой (фиг. 4). Локалната дифузия е една от основните технологични операции при създаване на полупроводникови ИС. Процесът на дифузия определя концентрационния профил на интегралната структура и основните параметри на компонентите на ИС. Дифузията в полупроводниковите кристали е насоченото движение на примесните атоми в посока на намаляване на тяхната концентрация. При дадена температура скоростта на дифузия се определя от коефициента на дифузия, който е равен на броя на атомите, преминаващи през напречно сечение от 1 cm2 за 1 s с градиент на концентрация 1 cm-4. Борът и фосфорът се използват главно като добавки в силиция, като борът създава примеси от акцепторен тип, а фосфорът създава примеси от донорен тип. За бора и фосфора енергията на активиране е съответно 3,7 и 4,4 eV.

При производството на ИС се прилагат два вида дифузия. Неограничената дифузия на източника е първият етап на дифузия, който въвежда определено количество примеси в полупроводника. Този процес се нарича движещи примеси.

За създаване на зададено разпределение на примесите в дълбочина и на повърхността на полупроводника се извършва втори етап на дифузия от ограничен източник. Този процес се нарича дестилация на примеси.

5) Отстраняване на оксида и подготовка на повърхността преди процеса на епитаксия (фиг. 5).

6) Образуване на епитаксиална структура (фиг. 6). Епитаксията е процес на отглеждане на единичен кристал върху ориентиращ субстрат. Епитаксиалният слой продължава кристалната решетка на субстрата. Дебелината му може да бъде от монослой до няколко десетки микрона. Върху самия силиций може да се отгледа епитаксиален слой от силиций. Този процес се нарича авто- или хомоепитаксия. За разлика от автоепитаксията, процесът на отглеждане на монокристални слоеве върху различни по химичен състав субстрати се нарича хетероепитаксия.

Епитаксиалният процес дава възможност да се получат полупроводникови слоеве, които са еднакви по концентрация на примеси и с различни видове проводимост (електронна и дупкова). Концентрацията на примеси в слоя може да бъде по-висока или по-ниска, отколкото в субстрата, което прави възможно получаването на слоеве с високо съпротивление върху субстрат с ниско съпротивление. При производството епитаксиалните слоеве се получават чрез взаимодействие на пари от силициево съединение върху повърхността на субстрата, като се използват редукционни реакции на SiCl 4, SiBr 4. В реакционната камера на повърхността на субстрата протича реакция в температурния диапазон 1150-1270C

SiCl4+2H2=Si+4HCl,

в резултат на което чист силиций под формата на твърдо отлагане завършва решетката на субстрата и летливото съединение се отстранява от камерата.

Процесът на епитаксиален растеж се извършва в специални инсталации, чийто работен обем е кварцова тръба, а като газ-носител се използват водород и азот.

Дебелината на епитаксиалния слой от n-тип е 10-15 микрона със съпротивление 0,1-10 Ohm*cm. В епитаксиалния слой са оформени колектори от транзистори и джобове от резистори.

7) Окисляване на повърхността на епитаксиалния слой за създаване на защитна маска по време на разделителната дифузия (фиг. 7).

8) Фотолитография за отваряне на прозорци за сепарационна дифузия (фиг. 8).

9) Провеждане на сепарационна дифузия и създаване на изолирани джобове (фиг. 9).

Разделителната дифузия се извършва на два етапа: първият (задвижване) - при температура 1100-1150C, вторият (разпръскване) - при температура 1200-1250C. Като дифузьор се използва бор. Дифузията на разделяне се осъществява по цялата дълбочина на епитаксиалния слой; в този случай в силициевия субстрат се образуват отделни полупроводникови области, разделени от p-n преходи. Във всяка изолирана област, в резултат на последващи процеси, се образува интегрален елемент.

10) Оксидиране на повърхността за фотолитография при основна дифузия (фиг. 10).

11) Фотолитография за отваряне на прозорци за основна дифузия (фиг. 11).

12) Образуване на основния слой чрез дифузия на примес от р-тип (фиг. 12).

13) Оксидиране на повърхността за четвъртата фотолитография (фиг. 13).

14) Фотолитография за отваряне на прозорци за емитерна дифузия (фиг. 12).

15) Образуване на емитерния слой чрез дифузия на примес от n-тип, както и последващо окисление на повърхността (фиг. 15).

Емитерната дифузия се извършва на един етап при температура около 1050C. Едновременно с излъчвателите се образуват зони за колекторни контакти. Фосфорът се използва като добавка. Дебелина на слоя d? 0,5-2,0 микрона, концентрация на акцептор N ? 10 21 cm -3 Използва се за създаване на транзисторни емитери, резистори с ниско съпротивление, легиращи колекторни контакти и др.

16) Пета фотолитография за отваряне на контактни прозорци (фиг. 16).

17) Разпръскване на алуминиево фолио (фиг. 17).

Връзките на IC елементите се създават чрез метализация. Слой алуминий с дебелина 1 микрон се нанася върху повърхността на IC чрез термично изпаряване във вакуум.

18) Фотолитография за създаване на модел на окабеляване и нанасяне на слой защитен диелектрик (фиг. 18).

След При фотолитографията металът се изпича в азотна среда при температура 500C.

Изчисляване на интегрални компоненти