MINISTERSTVO ŠKOLSTVA RUSKEJ FEDERÁCIE

ŠTÁTNA TECHNICKÁ UNIVERZITA ORYOL

Katedra PTEiVS

KURZOVÁ PRÁCA

na tému: " Technológia výroby čipov polovodičových integrovaných obvodov »

Disciplína: „Náuka o materiáloch a elektronické materiály“

Absolvoval žiak skupiny 31-R

Kozlov A. N.

Vedúci Koschinskaya E.V.

Orol, 2004

Úvod

Časť I. Analytický prehľad

1.1 Integrované obvody

1.2 Požiadavky na polovodičové substráty

1.3 Charakteristika monokryštalického kremíka

1.4 Zdôvodnenie použitia monokryštalického kremíka

1.5 Technológia výroby monokryštalického kremíka

1.5.1 Získavanie kremíka polovodičovej čistoty

1.5.2 Rast monokryštálov

1.6 Mechanické spracovanie monokryštalického kremíka

1.6.1 Kalibrácia

1.6.2 Orientácia

1.6.3 Rezanie

1.6.4 Brúsenie a leštenie

1.6.5 Chemické leptanie polovodičových doštičiek a substrátov

1.7 Obsluha delenia podkladov na dosky

1.7.1 Rysovanie diamantom

1.7.2 Laserové rytie

1.8 Rozbíjanie plátkov na kryštály

Časť II. Kalkulácia

Záver

Technológia výroby integrovaných obvodov je súbor mechanických, fyzikálnych a chemických metód spracovania rôznych materiálov (polovodičov, dielektrík, kovov), v dôsledku čoho vzniká integrovaný obvod.

Na raste produktivity práce sa podieľa predovšetkým zdokonaľovanie techniky, zavádzanie progresívnych technologických metód, štandardizácia technologických zariadení a nástrojov a mechanizácia ručnej práce na báze automatizácie technologických procesov. Význam technológie pri výrobe polovodičových súčiastok a integrovaných obvodov je obzvlášť veľký. Práve neustále zdokonaľovanie technológie polovodičových súčiastok viedlo v určitej fáze jej vývoja k vytvoreniu integrovaných obvodov a následne k ich rozsiahlej výrobe.

Výroba integrovaných obvodov sa začala okolo roku 1959 na základe vtedy navrhovanej planárnej technológie. Základom planárnej techniky bol vývoj niekoľkých zásadných technologických metód. Spolu s vývojom technologických metód vývoj IS zahŕňal výskum princípov fungovania ich prvkov, vynález nových prvkov, zlepšovanie metód čistenia polovodičových materiálov, vykonávanie ich fyzikálnych a chemických štúdií s cieľom stanoviť také dôležité vlastnosti. ako limitná rozpustnosť nečistôt, difúzne koeficienty donorových a akceptorových nečistôt atď.

Moderná mikroelektronika sa v krátkom historickom období stala jednou z najdôležitejších oblastí vedecko-technického pokroku. Vytvorenie veľkých a ultraveľkých integrovaných obvodov, mikroprocesorov a mikroprocesorových systémov umožnilo organizovať hromadnú výrobu vysokorýchlostných elektronických počítačov, rôznych typov elektronických zariadení, zariadení na riadenie procesov, komunikačných systémov, automatických riadiacich a regulačných systémov a zariadení.

Mikroelektronika sa naďalej vyvíja rýchlym tempom, a to tak v smere zlepšovania polovodičovej integrovanej technológie, ako aj v smere využívania nových fyzikálnych javov.

1.6.1 Kalibrácia

Kalibrácia monokryštálov polovodičových materiálov. Zabezpečuje, že majú striktne valcový tvar a daný priemer. Kalibrácia monokryštálov polovodičov sa najčastejšie vykonáva metódou cylindrického brúsenia na univerzálnych valcových brúskach vybavených diamantovým brúsnym kotúčom so zrnitosťou 50/40 (hlavná frakcia je 40 mikrónov a množstvo hrubých frakcií 50 mikrónov, nie je väčšia ako 15 %). Pred kalibračnou operáciou sa na konce monokryštálu pomocou lepiaceho tmelu prilepia kovové kužele („stredy“) tak, aby sa ich os zhodovala s pozdĺžnou osou monokryštálu.

Po kalibrácii sa na povrchu monokryštálu vytvorí poškodená vrstva s hĺbkou 50...250 μm v závislosti od pozdĺžnej rýchlosti posuvu. Jeho prítomnosť na okraji substrátov môže spôsobiť výskyt triesok a počas následného vysokoteplotného spracovania viesť k tvorbe štrukturálnych defektov šíriacich sa do centrálnych oblastí substrátu. Na odstránenie poškodenej vrstvy sa polovodičové monokryštály, ktoré prešli kalibračnými operáciami, podrobia chemickému leptaniu.

6.2 Orientácia

Počas rastu monokryštálov sa pozoruje nesúlad medzi osou ingotu a kryštalografickou osou. Na získanie dosiek orientovaných v danej rovine sa ingoty pred rezaním orientujú. Spôsoby orientácie kryštálov sú určené ich povahou, typom dielu a jeho funkčným účelom. Opticky izotropné dielektriká sú orientované tak, aby zohľadňovali vplyv technologických vlastností kryštálu na presnosť parametrov dielu. Pri anizotropných dielektrikách závisí poloha refrakčných a reflexných plôch súčiastky od požadovanej konverzie svetelného toku. Orientácia polovodičov zahŕňa definovanie kryštalografickej roviny, v ktorej má materiál špecifikované elektrické vlastnosti. Orientácia polovodičov sa vykonáva röntgenovými alebo optickými metódami.

Röntgenová metóda je založená na odraze röntgenových lúčov od povrchu polovodičového materiálu. Intenzita odrazu závisí od hustoty zhluku atómov v danej rovine. Kryštalografická rovina, ktorá je hustejšie naplnená atómami, zodpovedá vyššej intenzite odrazu lúčov. Kryštalografické roviny polovodičových materiálov sa vyznačujú určitými uhlami odrazu röntgenových lúčov, ktoré na ne dopadajú. Hodnoty týchto uhlov pre kremík: (111) -17°56", (110) - 30° 12", (100) - 44°23"

Röntgenová difraktometrická metóda je založená na meraní uhla odrazu charakteristického röntgenového žiarenia od identifikovanej roviny. Na tento účel sa používajú univerzálne röntgenové difraktometre, napríklad typ DRON-1.5, alebo röntgenové zariadenia, napríklad typ URS-50I (M) a iné, vybavené röntgenovými goniometrami a prístrojmi ktoré zabezpečujú rotáciu horizontálne umiestneného monokryštálu okolo osi pri danej rýchlosti.

Pri vykonávaní meraní je röntgenový lúč dopadajúci na koncový výbrus monokryštálu nasmerovaný na Braggov uhol odrazu p. Röntgenový počítač (Geiger) je umiestnený pod uhlom 2p k dopadajúcemu lúču. Ak orientovaná rovina, napríklad (111), zviera určitý uhol a s koncovým rezom monokryštálu, potom odraz od nej možno dosiahnuť otáčaním monokryštálu pod rovnakým uhlom.

Uhol odrazu sa určuje vzhľadom na dve vzájomne kolmé osi, z ktorých jedna leží v rovine výkresu (obrázok 3)

Obrázok 3 - Schéma orientácie monokryštálov polovodičov pomocou röntgenovej metódy: 1-dopadajúci lúč röntgenového žiarenia; 2- monokryštál; 3 - odrazený röntgen: 4 - Geigerov počítač

Optická metóda je založená na skutočnosti, že na povrchu polovodiča vyleptaného selektívnym leptaním sa objavujú obrazce leptania, ktorých konfigurácia je určená jeho kryštalografickou orientáciou. Na ploche (111) majú leptané obrazce tvar trojstenných ihlanov a na ploche (100) sú štvorstenné. Keď je takýto povrch vybavený paralelným lúčom svetla, odrazené lúče vytvoria na obrazovke svetelné obrazce.

V závislosti od toho, ako silne sa rovina koncového výbrusu monokryštálu odchýli od roviny (hkl), bude svetelný obrazec tvorený odrazeným lúčom svetla bližšie alebo ďalej od stredu obrazovky. Veľkosťou odchýlky svetelného obrazca od nulového delenia obrazovky sa určí uhol odchýlky a rovina konca monokryštálu od roviny (hkl). Potom otočením monokryštálu o 90° sa určí ďalší uhol P; Po dokončení orientácie monokryštálu sa na jeho koniec priloží karbidová fréza šípka, ktorej smer udáva, ktorým smerom od konca monokryštálu je odklonená požadovaná rovina. Presnosť orientácie monokryštálov polovodičov pri röntgenovej metóde je ± (2...6)", a pri optickej ±(15...30)".

1.6.3 Rezanie

Tabuľka 2 - Porovnávacie charakteristiky abrazívnych materiálov

Diamant je najtvrdší materiál. Pri spracovaní kremíka sa používajú prírodné aj syntetické diamanty, ktoré sú v mechanických vlastnostiach horšie ako prvé. Niekedy sa používajú karbidy bóru B 4 C a kremík SiC, ako aj elektrokorund Al 2 O 3. V súčasnosti sa pri rezaní kremíkových ingotov na doštičky používajú ako rezný nástroj kovové kotúče s vnútornou diamantovou reznou hranou..

Obrázok 5 - Schéma inštalácie na rezanie diamantovým kotúčom: a - spôsob vnútorného rezania; b - metóda hrebeňového rezania (1 - bubon; 2 - kotúč; 3 - diamantový povlak; 4 - tŕň; 5 - doska; 6 - ingot)

Povrch doštičiek získaný po rezaní nespĺňa požiadavky na kvalitu kremíkového povrchu planárnou technológiou. Pomocou elektrónového difrakčného skenera sa zisťuje prítomnosť povrchových vrstiev, ktoré nemajú monokryštalickú štruktúru. Hrúbka poškodenej vrstvy po rezaní kotúčom je 10 - 30 mikrónov v závislosti od rýchlosti otáčania kotúča. Pretože v IC je hĺbka, v ktorej sa nachádzajú p-n križovatky, jednotky a desatiny mikrónu, prítomnosť poškodených vrstiev s hrúbkou 10 - 30 mikrónov je neprijateľná. Mikrodrsnosť na povrchu by nemala presiahnuť 0,02 - 0,1 mikrónu. Okrem toho by sa fotolitografia rovnobežnosti roviny plátku mala udržiavať na ±1 µm cez priemer plátku namiesto 10 µm po rezaní.

6.4 Brúsenie a leštenie

Na zabezpečenie požadovanej kvality je potrebné povrchy platní ďalej opracovávať. Táto úprava pozostáva z brúsenia a následného leštenia platní. Brúsenie a leštenie platní prebieha na presných povrchových brúskach s použitím abrazívnych materiálov so zrnitosťou cca 40 mikrónov (mikroprášky). Najčastejšie sa používajú skupiny mikropráškov so zrnami 14 mikrónov alebo menej. V tabuľke 3 sú uvedené značky a veľkosti zŕn hlavnej frakcie použitých mikropráškov. Mikroprášky M14, M10, M7, M5 sú vyrobené z karbidov bóru, kremíka a elektrokorundu, mikroprášky tried ASM sú vyrobené z diamantu.

Tabuľka 3 - Mikroprášky na brúsenie a leštenie kremíkových doštičiek

V závislosti od typu mikroprášku sa volí povrchový materiál mlynčeka. Pri brúsení platní mikropráškami M14-M15 sa používa brúska na sklo pri leštení mikropráškami ASM sa používajú špeciálne brúsky s povrchom z látkových materiálov. Pri spracovaní platní sú na pracovnej brúske inštalované tri hlavy s lepenými platňami. Hlavy bránia pohybu okolo brúsky špeciálnymi vodiacimi konzolami s podpornými valčekmi (obrázok 6). V dôsledku trecej sily vznikajúcej medzi kontaktnými plochami pracovnej brúsky a hlavami sa tieto otáčajú okolo svojich osí. Toto otáčanie hláv vytvára podmienky pre rovnomerné brúsenie alebo leštenie.

Tabuľka 4 - Charakteristika mikropráškov

Typ prášku	Hrúbka poškodenej vrstvy, µm	Rýchlosť úberu materiálu, µm/min	Trieda drsnosti povrchu
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	Menej ako 3	0,25	13 – 14
ASM0,3/0,1	Menej ako 3	0,2	14

Obrázok 6 - Schéma povrchovej brúsky a umiestnenie hláv : 1- dávkovacie zariadenie s abrazívnou suspenziou ; 2- nákladu ; 3- hlavu ; 4- taniere ; 5- brúska ; 6- vodiaci valec

Vo všeobecnosti mechanické spracovanie doštičiek, ktoré spĺňajú požiadavky planárnej technológie, vedie k veľkým stratám kremíka (asi 65 %).

6.5 Chemické leptanie polovodičových doštičiek a substrátov

Je sprevádzané odstránením povrchovej vrstvy s mechanicky poškodenou kryštálovou štruktúrou, spolu s ktorým sa odstránia aj nečistoty prítomné na povrchu. Morenie je povinná technologická operácia.

Kyslé leptanie polovodičov v súlade s chemickou teóriou prebieha v niekoľkých fázach: difúzia činidla na povrch, adsorpcia činidla povrchom, povrchové chemické reakcie, desorpcia produktov reakcie a ich difúzia z povrchu.

Leptadlá, pre ktoré najpomalšími fázami, ktoré určujú celkový proces leptania, sú difúzia, sa nazývajú leštenie. Sú necitlivé na fyzikálne a chemické nehomogenity povrchu, vyhladzujú drsnosť, vyrovnávajú mikroreliéf. Rýchlosť leptania v leštiacich leptadlách výrazne závisí od viskozity a miešania leptadla a málo závisí od teploty.

Leptadlá, pre ktoré sú najpomalšími štádiami povrchové chemické reakcie, sa nazývajú selektívne. Rýchlosť leptania v selektívnych leptadlách závisí od teploty, štruktúry a kryštalografickej orientácie povrchu a je nezávislá od viskozity a miešania leptadla. Selektívne leptadlá s veľkým rozdielom v rýchlosti leptania v rôznych kryštalografických smeroch sa zvyčajne nazývajú anizotropné.

Povrchové chemické reakcie pri leštení leptaním prebiehajú v dvoch stupňoch: oxidácia povrchovej vrstvy polovodiča a premena oxidu na rozpustné zlúčeniny. Pri leptaní kremíka zohráva kyselina dusičná úlohu oxidačného činidla:

Kyselina fluorovodíková (fluorovodíková), ktorá je súčasťou leptadla, premieňa oxid kremičitý na fluorid kremičitý:

Na leptanie, ktoré dáva zrkadlový povrch platní, sa používa zmes uvedených kyselín v pomere 3:1, teplota leptania je 30...40 °C, doba leptania je cca 15 s.

Rozbitie ryhovaných dosiek je veľmi dôležitá operácia. Ak sú aj dobre popísané dosky nesprávne rozbité, dochádza k poruchám: škrabance, triesky, deformácia tvaru kryštálu atď.

7.1 Rysovanie diamantom

Kvalita ryhovania a následného lámania do značnej miery závisí od stavu pracovnej časti diamantovej frézy. Práca s frézou s opotrebovaným ostrím alebo hrotom vedie k vylamovaniu pri ryhovaní a nekvalitnému lámaniu. Rysovanie sa zvyčajne vykonáva pomocou fréz vyrobených z prírodného diamantu, ktoré sú v porovnaní s lacnejšími syntetickými diamantovými frézami drahšie. Rozšírili sa frézy, ktoré majú reznú časť v tvare trojstennej alebo zrezanej štvorstennej pyramídy (obrázok 7, c), ktorej reznými prvkami sú jej rebrá.

7.2 Laserové rytie

Počas laserového ryhovania (obrázok 8) sa vytvárajú separačné značky medzi hotovými štruktúrami odparovaním úzkeho prúžku polovodičového materiálu z povrchu plátku, keď sa pohybuje vzhľadom na zaostrený laserový lúč. To vedie k vytvoreniu relatívne hlbokých (až 50...100 µm) a úzkych (až 25...40 µm) drážok v doske. Drážka, úzka a hlboká v tvare, hrá úlohu mechanického koncentrátora napätia. Pri lámaní dosky vznikajúce napätia vedú k tvorbe trhlín na dne drážky, šíriacich sa celou hrúbkou dosky, čo má za následok jej oddelenie na jednotlivé kryštály.

Spolu s vytvorením hlbokej deliacej drážky je výhodou laserového ryhovania jeho vysoká produktivita (100...200 mm/s), absencia mikrotrhlín a triesok na polovodičovom plátku. Ako rezný nástroj sa používa impulzný optický kvantový generátor s frekvenciou opakovania impulzov 5...50 kHz a dobou trvania impulzu 0,5 ms.

Obrázok 8 - Schéma laserového ryhovania polovodičovej doštičky

8 Rozbitie oblátok na kryštály

Rozbitie plátkov na kryštály po ryhovaní sa vykonáva mechanicky pôsobením ohybového momentu. Neprítomnosť kryštálových defektov závisí od použitej sily, ktorá závisí od pomeru celkových rozmerov a hrúbky kryštálov.

Obrázok 10 - Rozbitie polovodičového plátku valcovaním medzi valčekmi: 1 - plátok; 2 - elastický valec; 3 - ochranný film; 4 - oceľový valec; 5 - nosná fólia

Doštička 1, umiestnená značkami nahor, sa valcuje medzi dvoma valcovými valcami: horným elastickým (gumovým) 2 a spodným oceľovým 4. Aby sa zachovala pôvodná orientácia kryštálov, doštička je upevnená na termoplastickej alebo lepiacej nosnej fólii 5 a jeho pracovná plocha je chránená polyetylénovou alebo lavsanovou fóliou 3. Vzdialenosť medzi valcami, určená hrúbkou dosky, sa nastavuje pohybom jedného z nich.

Pri zlomení na guľovej podložke (obrázok 11) sa doska 2, umiestnená medzi dvoma tenkými plastovými fóliami, umiestni značkami nadol na gumenú membránu 3, guľová podpera 1 sa umiestni navrch a pomocou membrány sa doštička stlačí proti nej pomocou pneumatických a hydraulických metód, ktoré sa rozbijú na jednotlivé kryštály . Výhodou tejto metódy je jednoduchosť, vysoká produktivita (lámanie netrvá dlhšie ako 1-1,5 minúty) a jednostupňový charakter, ako aj pomerne vysoká kvalita, pretože kryštály sa navzájom nepohybujú.

Tabuľka 5 - Hĺbka poškodenej vrstvy kremíkových plátkov po rôznych typoch mechanického spracovania

Časť II. Kalkulácia

STANOVENIE CELKOVEJ POVOLENKY NA MECHANICKÉ SPRACOVANIE

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

kde Z je súčet prídavkov na spracovanie, Z GSh je príspevok na hrubé brúsenie, Z TS je príspevok na jemné brúsenie, Z PP je príspevok na predbežné leštenie, Z FP je príspevok na dokončovacie leštenie.

m ∑ = ρ* l ∑ * S,

kde S je plocha obrobku, ρ= 2,3 g/cm je hustota kremíka.

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

Hmotnosť opracovaného obrobku:

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

MP = (N* m) / n,

kde MP je užitočná hmotnosť materiálu.

k IM = M P / M,

kde k IM je koeficient využitia materiálu.

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

Záver

V predmete práce bol vyvinutý technologický postup výroby čipov polovodičových integrovaných obvodov z monokryštalického kremíka. Súčasne koeficient využitia materiálu pre uvažované výrobné podmienky bol 0,722. To naznačuje, že vyrobiteľnosť výroby je na pomerne vysokej úrovni, najmä v štádiu spracovania obrobkov, pretože výťažnosť vhodná na spracovanie je 81%. Využitie materiálu je pomerne vysoké, hoci tento technologický proces bol zavedený do výroby pomerne nedávno.

Bibliografia

1. Berezin A.S., Mochalkina O.R.: Technológia a návrh integrovaných obvodov. - M. Rádio a spoje, 1983. - 232 s., ill.

2. Gotra Z. Yu Technológia mikroelektronických zariadení: Príručka. - M.: Rádio a spoje, 1991. - 528 s.: chor.

3. Koledov L. A. Technológia a návrhy mikroobvodov, mikroprocesorov a mikrozostáv: Učebnica pre vysoké školy. - M.: Rádio a komunikácia, 1989. - 400 str., ill.

4. Návrh a technológia mikroobvodov. Dizajn kurzu: vyd. L. A. Koledovej. - M.: Vyššie. škola, 1984. - 231 s., ill.

5. StepanenkoI. P. Základy mikroelektroniky: Učebnica pre vysoké školy. - 2. vyd., prepracované. a dodatočné - M.: Laboratórium základných vedomostí, 2000 - 488 s., ill.

6. Chernyaev V. N. Technológia výroby integrovaných obvodov a mikroprocesorov: Učebnica pre vysoké školy. - 2. vyd., prepracované. a dodatočné - M.: Rádio a spoje, 1987. - 464 s.: chor.

Úvod

1.analytický prehľad

2. Technologická časť

1 Popis technologického postupu

2 Výber triedy výrobných priestorov

3 Základné materiály a činidlá

4 Základné technologické operácie

4.1 Čistenie podkladu

4.2 Tepelná oxidácia

4.3 Litografické procesy

4.4 Implantácia iónov

4.5 Metalizácia

4.6 Medzivrstvová izolácia

3. inžiniersko-ekonomické výpočty

Záver

Úvod

Technológia integrovaných obvodov sa vyvíjala extrémne rýchlym tempom a dosiahla neuveriteľný úspech. Elektronika prešla niekoľkými vývojovými štádiami, počas ktorých sa vystriedalo niekoľko generácií prvkovej základne: diskrétna elektronika elektrických vákuových zariadení, integrovaná elektronika mikroobvodov (mikroelektronika), integrovaná elektronika funkčných mikroelektronických zariadení (funkčná mikroelektronika). V súčasnosti zohráva rozhodujúcu úlohu pri zlepšovaní takmer všetkých odvetví národného hospodárstva (integrované obvody sa používajú v počítačoch, počítačovo podporovaných konštrukčných systémoch, priemyselných robotoch, komunikáciách a pod.).

Technologické postupy používané pri výrobe polovodičových integrovaných obvodov (IO) sú skupinového charakteru, t.j. Veľké množstvo integrovaných obvodov sa vyrába súčasne. Mnohé technologické operácie umožňujú spracovať až 200 doštičiek, čo umožňuje súčasnú výrobu viac ako milióna elektronických zariadení.

Na realizáciu veľkých možností planárnej technológie je potrebné splniť značné množstvo všeobecných výrobných požiadaviek a určité technologické podmienky, ktoré zabezpečia výrobu kvalitných vzoriek polotovarov vo všetkých technologických štádiách. A to nie je možné bez použitia obzvlášť čistých základných a pomocných materiálov, zaradených do špeciálnej triedy „na výrobu polovodičov“, presných technologických a riadiacich zariadení a výrobných zariadení, ktoré spĺňajú také vysoké požiadavky technologickej hygieny, aké sa nenachádzajú v žiadnej inej odvetvia.

Cieľom tohto projektu je študovať moderné technologické postupy pri výrobe polovodičových elektronických produktov a vyvinúť komplexný technologický postup výroby MOS tranzistora so Schottkyho diódou.

tranzistorový integrovaný obvod

1. Analytický prehľad

Izolovaný tranzistor s efektom poľa je tranzistor s efektom poľa, ktorého hradlo je elektricky oddelené od kanála vrstvou dielektrika. Izolovaný hradlový tranzistor s efektom poľa pozostáva z polovodičovej doštičky (substrát) s relatívne vysokým merným odporom, v ktorej sú vytvorené dve oblasti s opačnými typmi elektrickej vodivosti. Na tieto oblasti - zdroj a odtok sa aplikujú kovové elektródy. Povrch polovodiča medzi zdrojom a zvodom je pokrytý tenkou vrstvou dielektrika (zvyčajne vrstvou oxidu kremičitého). Na dielektrickú vrstvu je nanesená kovová elektróda - brána. Výsledkom je štruktúra pozostávajúca z kovu, dielektrika a polovodiča (obrázok 1). Preto sa tranzistory s efektom poľa s izolovaným hradlom často nazývajú MOS tranzistory alebo MOS tranzistory (metal-oxid (oxid)-polovodič).

Obrázok 1 - Topológia a hlavné prvky MOS tranzistora

Výrobná technológia MOS-IC zaujíma dominantné postavenie medzi výrobnými procesmi polovodičových integrovaných obvodov. Vysvetľuje to skutočnosť, že integrované obvody založené na tranzistoroch MOS tvoria významnú časť hlavných produktov mikroelektroniky na rôzne funkčné účely. Vďaka vysokej spoľahlivosti a vysokej funkčnej zložitosti majú MOS-IC menšie geometrické rozmery ako integrované obvody založené na bipolárnych tranzistoroch. Technológia výroby čipov MOS-IC je v mnohom podobná technológii bipolárnych integrovaných obvodov. Rozdiel je spôsobený množstvom dizajnových a technologických vlastností samotných MOS-IC.

Existujú tranzistory MOS so vstavaným a indukovaným kanálom:

· Jednokanálové MOSFETy majú špeciálny kanál na čipe, ktorého vodivosť je modulovaná predpätím brány. V prípade kanála typu p pozitívny kanál odpudzuje diery z kanála (režim vyčerpania) a negatívny kanál priťahuje (režim obohatenia). V súlade s tým sa vodivosť kanála buď znižuje alebo zvyšuje v porovnaní s jej hodnotou pri nulovej odchýlke.

· V MOSFET s indukovaným kanálom sa medzi silne dotovanými oblasťami zdroja a odtokom vyskytuje vodivý kanál, a preto sa značný zberný prúd objavuje iba pri určitej polarite a pri určitej hodnote hradlového napätia vzhľadom na zdroj (negatívne pre p-kanál a kladné pre n-kanál). Toto napätie sa nazýva prah.

Prvé v priemyselnej výrobe boli p-MOS-IC, pretože Výroba n-MOS-IC bola komplikovaná objavením sa na povrchu p-Si počas tepelnej oxidácie inverznej n-vrstvy, ktorá elektricky spája prvky IC. V súčasnosti však vo výrobe dominujú n-kanálové integrované obvody.

Tranzistory s kanálovou elektronickou vodivosťou majú lepšie vlastnosti, pretože pohyblivosť elektrónov v kremíku výrazne prevyšuje pohyblivosť otvorov.

MDP-IC sa vyrábajú pomocou planárnej technológie. Najkritickejšie momenty v technologickom procese sú: vytvorenie dielektrika brány, presné zarovnanie brány s kanálom a získanie štruktúr s krátkou dĺžkou kanála.

Pre tranzistor s efektom poľa s izolovaným hradlom môže byť kombinovaný so Schottkyho diódou. Integrovaná Schottkyho dióda je polovodičovo-kovový kontakt, na ktorom je vytvorená takzvaná Schottkyho bariéra. Prechody tohto typu, uskutočnené s prihliadnutím na určité požiadavky, sa vyznačujú takými účinkami, ako je asymetria charakteristiky prúdového napätia a prítomnosť bariérovej kapacity. Aby sa dosiahli takéto prechody, kov nanesený ako elektróda na povrchu elektronického polovodiča musí mať menšiu pracovnú funkciu ako je pracovná funkcia polovodiča; pre elektródu nanesenú na povrchu dierového polovodiča je potrebný kov s vyššou pracovnou funkciou (obrázok 2).

Obrázok 2 - Pásmový diagram tvorby Schottkyho barteru v mieste kontaktu medzi kovom a polovodičom typu p

V tomto prípade sa v polovodiči na rozhraní s kovom vytvorí vrstva obohatená o väčšinové nosiče poskytujúca vysokú vodivosť prechodu bez ohľadu na smer prúdu.

Vo všeobecnosti výroba MOS tranzistora so Schottkyho diódou nevyžaduje zavádzanie dodatočných technologických operácií.

2. Technologická časť

1 Popis technologického postupu

Obrázok 3 - Postupnosť technologických operácií na výrobu MOS tranzistora so Schottkyho diódou

Bór sa zavádza do pôvodného plátku pomocou iónovej implantácie, aby sa získal substrát typu p (obrázok 3, a).

Potom sa pomocou fotolitografie a iónovej implantácie fosforu vytvoria oblasti so zvýšeným obsahom donorov (obrázok 3, c-f).

Následne sa pestuje ďalšia vrstva oxidu kremičitého. Pretože teplota v tomto štádiu je vysoká, nečistoty fosforu počas tejto operácie sú rovnomernejšie rozložené po celej hrúbke blízkej povrchovej vrstvy substrátu (obrázok 3, g).

Pomocou pravidelnej fotolitografie odstraňujeme oxid kremičitý v oblasti oddeľujúcej odtok a zdroj budúceho tranzistora (obrázok 3h).

Teraz najdôležitejšou operáciou v celom výrobnom cykle je rast hradlového dielektrika (obrázok 3, i).

Teraz už zostáva len sformovať odtokové, zdrojové a hradlové elektródy, ako aj Schottkyho križovatku. Teraz si túto metalizáciu ukážeme zjednodušeným spôsobom (obrázok 3, j) a potom podrobnejšie zvážime princípy jej vzniku (časť 2.4.5).

2 Výber triedy výrobných priestorov

Moderné požiadavky na triedy čistoty čistých priestorov a čistých zón vychádzajú z noriem definovaných v americkej federálnej norme FS209E. Pripravený návrh ruskej normy je harmonizovaný s touto americkou normou.

Kritériom čistoty je neprítomnosť alebo minimálny počet kontaminujúcich častíc, ktoré sú na povrchu doštičky a môžu spôsobiť buď defekty v narastených vrstvách, alebo spôsobiť skraty v blízkych tesne umiestnených IC prvkoch.

Tabuľka 1 – Triedy čistoty pre častice vo vzduchu pre čisté priestory

Trieda čistoty Maximálna povolená koncentrácia častíc N (ks/m 3) veľkosť rovná a väčšia ako (µm)0,10,20,30,51,0Trieda 1 ISO102---Trieda 2 ISO10024104-Trieda 3 ISO1000237102358Trieda 4 ISO1000832Trieda 6 ISO1000000237000102000352008320Trieda 7 ISO---35200083200Trieda 8 ISO-- -3520000832000Trieda 9 ISO ---352000008320000

Kvantitatívne kritérium - kritická veľkosť častíc - jedna tretina minimálnej geometrickej horizontálnej veľkosti prvku IC:

Môžete si tak vybrať čistú miestnosť, ktorá zodpovedá triedam čistoty od ISO 1 do ISO 6. So zameraním na cenu vyberáme triedu čistoty ISO 2, pre ktorú je maximálna povolená koncentrácia polietavých častíc rovnaká alebo väčšia ako uvažovaná veľkosť je 0,2 mikrónu (počet častíc v 1 m3 vzduchu) je:

kde N je číslo triedy čistoty ISO; D je uvažovaná veľkosť častíc, mikróny.

3 Základné materiály a činidlá

Po mnoho rokov zostáva monokryštalický kremík hlavným polovodičovým materiálom používaným na výrobu integrovaných obvodov. Základom, v ktorých povrchových vrstvách sú vytvorené polovodičové oblasti so špecifikovanými elektrickými charakteristikami, sú kremíkové doštičky. Dielektrické vrstvy vznikajú na povrchu kremíka oxidáciou samotného polovodičového materiálu alebo aplikáciou dielektrika z vonkajších zdrojov; vznikajú štruktúry viacvrstvovej metalizácie, ochranné, stabilizačné vrstvy a pod. Požiadavky na kremíkové doštičky sú podrobne rozpracované, existuje celý katalóg medzinárodných noriem asociácie SEMI, pričom požiadavky na kremík sa neustále zvyšujú, čo je spojené s neustálou túžbou znižovať náklady konečného produktu – integrované obvody.

Nižšie sú uvedené niektoré geometrické charakteristiky kremíkových doštičiek v súlade s technickými špecifikáciami ETO.035.124TU, ETO.035.206TU, ETO.035.217TU, ETO.035.240TU, ETO.035.578TU, PBCO.032.015TU.

Priemer taniera 100 mm.

Orientácia (100) kremíkového substrátu má oproti (111) orientácii vyššiu mobilitu elektrónov v dôsledku nízkej hustoty povrchových stavov na rozhraní kremík-izolátor.

Hrúbka dosky 500 mikrónov.

Rozpätie hodnôt hrúbky v dávke je ±10 µm.

Rozpätie hodnôt hrúbky naprieč platňou je ±12 µm.

Priehyb 20 mikrónov.

Odchýlka rovinnosti ±5 µm.

Na deionizovanú vodu sú kladené vysoké požiadavky na nečistoty a mechanické častice. V tabuľke 2 sú uvedené výňatky z metodického materiálu medzinárodnej asociácie SEMI s uvedením odporúčaných parametrov ultračistej vody na výrobu polovodičových integrovaných obvodov s minimálnou veľkosťou prvku 0,8-1,2 mikrónu. Zodpovedajúce indexovanie kvapalných činidiel podľa noriem SEMI je napísané ako SEMI C7.

Hodnota parametra elektrického odporu vody by sa mala blížiť teoretickej hodnote 18,2 MOhm cm.

Obsah oxidovateľných organických látok, 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<5SiO2Obsah 3 iónov, ppb Na +K +Cl -Br -NIE 3-SO 42-Celkový počet iónov, ppb 0,025 0,05 0,025 0,05 0,05 0,2<0.2Сухой остаток, ppm<0,05

Okrem parametrov uvedených v tabuľke poskytujú odporúčania SEMI údaje o prítomnosti stôp množstva kovov vo vode. Analýza sa vykonáva na obsah nasledujúcich kovov: Li, Na, K, Mg, Ca, Sr, Ba, B, Al, Cr, Mn, Fe, Ni, Cu, Zn, Pb.

Pre vodu triedy SEMI C7 sa pre všetky tieto prvky bez výnimky pohybujú prípustné stopové koncentrácie od 0,001 do 0,005 ppb.

Úroveň čistoty kvapalných chemikálií používaných pri výrobe integrovaných obvodov je určená radom medzinárodných noriem a má rôzne stupne v súlade s úrovňou zložitosti integrovaných obvodov.

"Stupeň 2" má štandardné označenie začínajúce symbolmi SEMI C7. Činidlá s úrovňou čistoty „Grade 2“ sa používajú pri výrobe integrovaných obvodov s konštrukčnými štandardmi v rozsahu 0,8-1,2 mikrónov, čo zodpovedá požiadavke úlohy. V reagentoch "Grade 2" sú kontrolované cudzie častice s veľkosťou 0,5 mikrónu a viac. V takmer celej škále činidiel je maximálna norma 25 častíc na 1 ml činidla. Špecifikácie pre takéto činidlá uvádzajú obsah stopových kovov 5-10 ppb.

Okrem noriem pre chemikálie s vysokou čistotou boli vyvinuté špecifikácie vo forme smerníc.

V súlade s nimi boli vytvorené tri úrovne (stupne) požiadaviek na čistotu: A, B, C (v anglickom pravopise - Tier A, Tier B, Tier C). Úroveň A spĺňa požiadavky normy SEMI C7. V súlade s tým musia činidlá pre tento technologický proces spĺňať úroveň A.

Plyny hrajú výnimočnú úlohu v technológii výroby integrovaných obvodov. Takmer všetky technologické procesy prebiehajú v plynnom prostredí a problém vytvorenia „bezznečistej“ výroby polovodičových súčiastok je do značnej miery problémom čistoty plynu. Existujú dva druhy plynných médií: nosné plyny a plyny chemických reakcií v technologických procesoch. Parciálny tlak nosných plynov je spravidla vysoký, a preto je ich čistota s prihliadnutím na vysokú koncentráciu v pracovnom plynnom prostredí obzvlášť technologicky kritická.

Tabuľka 3 - Plyny vo výrobných procesoch integrovaných obvodov

č. Názov Chemický vzorec Obsah hlavnej látky, % Celkový obsah nečistôt (ppm diely mol/mol) 1 Amoniak NH 399,998122ArgonAr99,999900,953ArsineAsH 399,94533 (z toho 500 ppm je vodík H 2)4 chlorid boritýBCl 399,9995 (hmotnostne v kvapalnej fáze)5 (hmotnostne v kvapalnej fáze)5Fluorid boritý BF 399,00,94 % - plyny nerozpustné vo vode, 200 ppm - SiF 4. Ostatné nečistoty - 28 ppm.6 Fluorid uhličitýCF 499,99730, vrátane 20 - N 2, 5 - O 27DiboranB 2H 699.81012, z toho 500 CO 2 300 - B 4H 10- tetraboran 50 - H 250 - N 28DichlórsilánH 2SiCl 299Hlavnými nečistotami sú ostatné chlórsilány v kvapalnej fáze9HéliumHe99.99954.510HexafluóretánC 2F 699,9963911 vodík H 299,99972,812 ChlorovodíkHCl99,9972813 Anhydrid fluoroHF99,94525, vrátane 200 - vodná para podľa objemu14 DusíkN 299,999990,115 Fluorid dusnatýNF 399,81000, vrátane CF 4- 500, CO - 130, N 2-100, O 2- 10016 Oxid dusnýN 2O99.99726, vrátane 10 - N 217 Kyslík O 299,998218PhosphinePH 399,98181, vrátane 100 - H 2, 50 - N 219MonosilanSiH 499,9945920Chlorid kremičitýSiCl 499,6 Hlavné nečistoty: SiH 2Cl 2- 0,2 % v kvapalnej fáze, SiHCl 3- 0,2 % v kvapalnej fáze 21 Fluorid sírovýSF 699,97209 vrátane 100 - CF 422Fluorid volfrámový WF 699,99639, vrátane 20 - HF23 Fluorid chlóruClF 3

4 Základné technologické operácie

2.4.1 Čistenie podkladu

Je jasné, že každý substrát obsahuje určité množstvo kontaminantov. Môžu to byť prachové častice, molekuly rôznych látok, anorganických aj organických. Prachové častice sú odstránené buď mechanickou kefou alebo ultrazvukovým čistením. Používajú sa metódy využívajúce odstredivé prúdy. Postup chemického čistenia sa zvyčajne vykonáva po odstránení anorganických molekúl a atómov a pozostáva z odstraňovania organických nečistôt.

Bežný postup čistenia sa vykonáva v zmesi H 2O-H 2O 2-NH 4OH, ktorý zabezpečuje odstránenie organických zlúčenín vďaka solvatačnému účinku hydroxidu amónneho a oxidačnému účinku peroxidu vodíka. Na odstránenie ťažkých kovov použite roztok H 2O-H 2O 2-HCl. Takéto čistenie substrátov sa vykonáva pri teplote ~80 º C počas 10-20 minút, potom sa umyjú a vysušia.

4.2 Tepelná oxidácia

Oxidácia polovodičov sa týka procesu ich interakcie s oxidačnými činidlami: kyslík, voda, ozón atď.

Vrstva oxidu kremičitého sa zvyčajne vytvorí na kremíkovej doštičke v dôsledku chemickej interakcie atómov kremíka a kyslíka v oblasti blízkej povrchu polovodiča. Kyslík je obsiahnutý v oxidačnom prostredí, s ktorým je v kontakte povrch kremíkového substrátu zahriateho v peci na teplotu 900 - 1200 °C. Oxidačným médiom môže byť suchý alebo vlhký kyslík. Schematický pohľad na inštaláciu je znázornený na obrázku 4 (v moderných inštaláciách sú dosky v držiaku substrátu umiestnené vertikálne).

Obrázok 4 – Schéma inštalácie procesu tepelnej oxidácie

Požiadavky na vybavenie:

1)teplota držiaka substrátu riadená s presnosťou na 1 stupeň;

2)zabezpečenie plynulého zvyšovania a znižovania teploty v reaktore (dvojstupňový ohrev);

)neprítomnosť cudzích častíc v reaktore (držiak substrátu sa najskôr vloží do potrubia reaktora a potom sa spustí na dno);

)neprítomnosť cudzích nečistôt, najmä sodných iónov, na vnútornom povrchu reaktora (na ich odstránenie sa potrubie reaktora vopred prepláchne chlórom);

)zabezpečenie zavedenia kremíkových plátkov do reaktora ihneď po ich chemickom čistení.

Chemická reakcia prebiehajúca na povrchu kremíkového plátku zodpovedá jednej z nasledujúcich rovníc:

· oxidácia v atmosfére suchého kyslíka (suchá oxidácia): Si TV + O 2= SiO 2;

· oxidácia vo vodnej pare (mokrá oxidácia): Si TV +2H 2O = SiO 2+ 2H 2;

· tepelná oxidácia v prítomnosti chlóru (oxidácia chlóru);

· oxidácia vo vodnej pare pri zvýšenej teplote a tlaku (hydrotermálna oxidácia).

Pri rovnakej teplote je koeficient difúzie vody v oxide kremičitom výrazne vyšší ako koeficient difúzie kyslíka. To vysvetľuje vysokú rýchlosť rastu oxidu vo vlhkom kyslíku. Pestovanie fólií len vo vlhkom kyslíku sa nepoužíva kvôli zlej kvalite oxidu. Lepšie filmy sa získajú v suchom kyslíku, ale ich rýchlosť rastu je príliš nízka.

Na maskovanie počas lokálnych ošetrení sa oxidácia vykonáva v režime suchý-mokrý-suchý kyslík. Na vytvorenie hradlového dielektrika štruktúr MOS sa používa suchý kyslík, pretože Filmy sú kvalitnejšie.

4.3 Litografické procesy

Hlavným účelom litografie pri výrobe mikroobvodových štruktúr je získanie kontaktných masiek s okienkami na povrchu dosiek, ktoré zodpovedajú topológii vytváraných technologických vrstiev, a ďalší prenos topológie (vzoru) z masky na materiál tejto vrstvy. Litografia je zložitý technologický proces založený na využití javov vyskytujúcich sa v rezistoch pri aktinickom ožarovaní.

Rezistenty, ktorých rozpustnosť vo vývojke sa po ožiarení zvýši, sa nazývajú pozitívne. Negatívne rezisty sa po ožiarení stanú vo vývojke prakticky nerozpustné.

Štandardnou praxou v elektronickom priemysle je optická litografia - fotolitografia (obrázok 5) - na ktorú sa používajú fotorezisty citlivé na aktinické žiarenie s vlnovou dĺžkou od 200 do 450 nm. Fotorezisty sú komplexné polymérne kompozície obsahujúce fotosenzitívne a filmotvorné zložky, rozpúšťadlá a špeciálne prísady.

Projekt využíva pozitívny, kvalitný a stabilný fotorezist FP-20F, určený na realizáciu kontaktných a projekčných fotolitografických procesov pri výrobe polovodičových súčiastok a integrovaných obvodov. V súlade s tým sa na leptanie môže použiť slabý vodný roztok KOH alebo NaOH.

Najoptimálnejším spôsobom aplikácie fotorezistu je centrifugácia. Substrát je fixovaný na horizontálnej odstredivke. Na substrát sa nanesie 1-5 ml fotorezistu (v závislosti od veľkosti substrátu). Centrifúga sa otáča rýchlosťou 1000-3000 otáčok za minútu (v závislosti od značky fotorezistu). Rotácia pokračuje 1-2 minúty, kým sa nevytvorí fotorezistentný film, kým sa rozpúšťadlo odparí.

Obrázok 5 - Schéma hlavných operácií fotolitografického procesu

V projekte budeme používať bezkontaktné metódy expozície (obrázok 6). Projekčná tlač úplne eliminuje poškodenie povrchu šablóny. Obraz topologického vzoru šablóny sa premieta na dosku potiahnutú rezistom, ktorá je umiestnená vo vzdialenosti niekoľkých centimetrov od šablóny.

Zdroj svetla; 2- optický systém; 3- šablóna;

fotorezist; 5- kremíkový plátok.

Obrázok 6 – Schéma projekčnej tlače

Na dosiahnutie vysokého rozlíšenia sa zobrazí len malá časť návrhu šablóny. Táto malá odrazená plocha sa skenuje alebo posúva po povrchu plátku. V skenovacích projekčných tlačových zariadeniach sa šablóna a platňa pohybujú synchrónne.

Pri sušení fotorezistu je veľmi dôležité zvoliť správnu teplotu a čas. Vysušenie fotorezistu sa uskutoční najbežnejšou metódou - IR žiarením. V tomto prípade sa rozpúšťadlo odstraňuje rovnomerne po celej hrúbke vrstvy rezistu a nedochádza k jeho zhutneniu a čas schnutia sa skráti na niekoľko minút.

4.4 Implantácia iónov

Najdôležitejšou technologickou úlohou zostáva dopovanie polovodičových materiálov za účelom získania špecifikovaných elektrických parametrov vrstiev pri vytváraní určitej geometrickej štruktúry IO. Existujú dva typy dopingu: difúzny (zahŕňa fázy poháňania nečistoty a následného zrýchlenia) a iónový.

Najbežnejšia je iónová implantácia (iónový doping) ako proces zavádzania ionizovaných atómov do cieľa s energiou dostatočnou na preniknutie do jeho blízkych povrchových oblastí (obrázok 7). Táto metóda sa vyznačuje všestrannosťou (do akejkoľvek pevnej látky je možné zaviesť akúkoľvek nečistotu), čistotou a presnosťou procesu legovania (vnik nekontrolovateľných nečistôt je prakticky eliminovaný) a nízkymi procesnými teplotami.

Iónový zdroj; 2 - hmotnostný spektrometer; 3 - membrána; 4 - zdroj vysokého napätia; 5 - urýchľovacia trubica; 6 - šošovky; 7 - napájanie objektívu; 8 - systém vertikálneho vychyľovania lúča a systém vypnutia lúča; 9 - systém horizontálneho vychyľovania nosníka; 10 - terč pre absorpciu neutrálnych častíc; 11 - substrát.

Obrázok 7 - Schéma inštalácie iónového dopingu

Počas implantácie iónov sa objavuje množstvo nežiaducich efektov, ako je channeling efekt, amorfizácia povrchovej vrstvy substrátu a vznik radiačných defektov.

Channeling efekt sa pozoruje, keď ión vstúpi do voľného priestoru medzi radmi atómov. Takýto ión postupne stráca energiu v dôsledku slabých kĺzavých zrážok so stenami kanála a nakoniec opustí túto oblasť. Vzdialenosť, ktorú prejde ión v kanáli, môže byť niekoľkonásobne väčšia ako dĺžka dráhy iónu v amorfnom cieli, čo znamená, že profil distribúcie nečistôt je nerovnomerný.

Keď sú ióny zavedené do kremíkového kryštalického substrátu, podliehajú elektronickým a jadrovým zrážkam, avšak iba jadrové interakcie vedú k premiestneniu atómov kremíka. Ľahké a ťažké ióny interagujú so substrátom odlišne.

Ľahké ióny, keď sa dostanú do cieľa, spočiatku zažívajú hlavne elektronické brzdenie. V profile distribúcie vytesnených atómov po hĺbke substrátu je skryté koncentračné maximum. Keď ťažké ióny preniknú, okamžite začnú byť silne inhibované atómami kremíka.

Ťažké ióny vytláčajú veľké množstvo cieľových atómov z miest kryštálovej mriežky blízko povrchu substrátu. V konečnom profile distribúcie hustoty defektov žiarenia, ktorý opakuje distribúciu voľných dráh vyrazených atómov kremíka, je široký skrytý vrchol. Napríklad ľahké ióny 11B skúsenosti hlavne elektronické brzdenie, ťažké ióny 31P alebo 75As - inhibovaný atómami kremíka.

V tomto ohľade je po iónovom dopovaní potrebné vykonať post-implantačné žíhanie, aby sa obnovila oblasť blízko povrchu cieľa.

Vytvoríme odtokové a zdrojové oblasti zavedením fosforu a na získanie substrátu typu p dopujeme počiatočný substrát bórom.

4.5 Metalizácia

Metalizácia ukončuje proces tvorby polovodičových štruktúr. Pre každý IO je vhodné vykonať metalizáciu z jedného materiálu. Proces metalizácie pozostáva z implementácie nízkoodporových prepojení a vytvárania nízkoodporových kontaktov na vysoko dotované oblasti typu p a n a vrstvy polykryštalického kremíka.

Podľa zadania pre projekt kurzu je potrebné vytvarovať 3 vrstvy metalizácie. Táto metalizácia plne vyhovuje požiadavkám, ale je menej technologicky vyspelá, pretože obsahuje viac ako jednu vrstvu kovu.

Ako prvá vrstva pokovovania na oxide sa najčastejšie používajú žiaruvzdorné kovy, najmä molybdén a vanád. Majú väčšiu vodivosť ako iné žiaruvzdorné kovy, vyznačujú sa vysokou stabilitou, dobrou priľnavosťou a ľahko sa leptajú fotolitografiou. Musia mať nízku rozpustnosť v materiáli substrátu a vytvárať dobrý ohmický kontakt s polovodičom a nízke prahové napätie. Druhá vrstva je zvyčajne hliník a v obzvlášť kritických zariadeniach - zlato. Musí byť vysoko vodivé.

Posledná metalizačná vrstva v poradí nanášania, nazývaná vodivá vrstva, musí mať dobrú elektrickú vodivosť a zabezpečiť kvalitné pripojenie kontaktných plôšok na svorky puzdra. Pre vodivé vrstvy sa používa meď, hliník a zlato.

Existuje mnoho spôsobov výroby kovových fólií. Získanie vysokokvalitných, nekontaminovaných filmov pomocou tepelného vákuového nanášania je ťažké. Hliníkové fólie získané tepelným vákuovým naparovaním majú veľkú nerovnomernosť veľkosti zŕn a vysokú koncentráciu vo vnútri zŕn. Ich následné tepelné spracovanie vedie k migrácii atómov kovov a ich akumulácii okolo veľkých častíc s tvorbou vysokých tuberkul. Získavanie vzorov na takýchto filmoch fotolitografiou vedie k veľkým nepravidelnostiam okrajov v dôsledku anizotropie leptania pozdĺž hraníc zŕn. Preto sa na získanie metalizačných línií s veľmi malou šírkou upúšťa od tepelných vákuových procesov. V laboratórnych podmienkach sa častejšie používa metóda chemického nanášania filmov zo zmesi pary a plynu. Elektrónový lúč, napriek tomu, že komplikuje návrh inštalácie, môže znížiť kontamináciu filmu a zvýšiť produktivitu procesu (obrázok 8). Optimálna rýchlosť rastu filmu je 0,5 µm/min. Touto metódou sa nanášajú filmy z hliníka a jeho zliatin, ako aj Si, Pd, Au, Ti, Mo, Pt, W.

Výhody odparovania elektrónovým lúčom zahŕňajú:

· schopnosť používať zdroje veľkej hmoty (pri aplikácii hrubých fólií nie je potrebný reštart);

· možnosť postupného nanášania rôznych filmov zo susedných zdrojov umiestnených v tej istej komore;

· vysoká rýchlosť rastu filmu;

· možnosť striekania žiaruvzdorných materiálov.

Schottkyho bariéra z hľadiska svojich funkcií nepatrí medzi metalizáciu, ale podľa technológie jej tvorby ju možno zaradiť medzi metalizáciu, pretože je to podobné ako pri získavaní ohmických kontaktov s aktívnymi oblasťami. Najdôležitejšou etapou pri vytváraní Schottkyho bariér je výber páru kov-polovodič a optimálnych režimov.

Na kontaktnú vrstvu teda použijeme silicid platiny, ktorý sa nanesie naparovaním elektrónovým lúčom spoločným naparovaním z dvoch zdrojov. Schottkyho bariéru zabezpečí zliatina titánu a volfrámu nanesená na kremík rovnakou metódou. Táto zliatina bude v podstate podobná silne legovanej oblasti. Na vodivú vrstvu používame hliník, tiež nanesený odparovaním elektrónovým lúčom.

4.6 Medzivrstvová izolácia

Pre LSI a VLSI sa používa viacúrovňová metalizácia. Zvýšením počtu prvkov sa zväčšuje aj plocha medziprvkových spojení, preto sú umiestnené v niekoľkých úrovniach, oddelené izolačnými vrstvami a prepojené na správnych miestach.

Izolačné dielektrické fólie musia mať vysoké prierazné napätie, nízku dielektrickú konštantu a straty, minimálnu chemickú interakciu so susednými fóliami, nízke úrovne mechanického namáhania, nízku hustotu súvisiaceho elektrického náboja, vysokú chemickú stabilitu a vyrobiteľnosť pri získavaní fólií a vytváraní vzorov. Prítomnosť priechodných mikrootvorov, ktoré môžu viesť ku skratu medzi vrstvami pokovovania, je neprijateľná.

Technológia viacúrovňovej metalizácie zahŕňa vytvorenie prvého stupňa metalizácie, získanie izolačnej vrstvy s následným otvorením medziúrovňových kontaktných okienok, vytvorenie druhej vrstvy metalizácie atď.

Mnoho komerčne vyrábaných integrovaných obvodov je vyrobených na báze pokovovania hliníka s izolačnými vrstvami SiO 2. Filmy oxidu kremičitého sa môžu nanášať s legovacími prísadami alebo bez nich. Najdôležitejší parameter pri ukladaní SiO 2- reprodukovateľnosť reliéfu (obrázok 9).

Obrázok 9-Konformná reprodukcia. Hrúbka fólie na stenách stupňa sa nelíši od hrúbky na dne a povrchu. Kvôli rýchlej povrchovej migrácii

V tomto projekte sa ako izolačný film medzi viacúrovňovou metalizáciou používa nedopovaný oxid kremičitý aplikovaný chemickým naparovaním (obrázok 10). Ten je založený na využití fenoménu pyrolýzy alebo chemických reakcií pri tvorbe filmov izolačného materiálu.

Obrázok 10 - Inštalácia na vytváranie filmu chemickým nanášaním pár pri normálnom tlaku

Ako reaktívny plyn sa používa monosilán SiH. 4a kyslík a dusík ako tlmivý plyn.

SiH 4+ O 2→ SiO 2+ 2H 2

Tento proces je najnižšou teplotou na získanie vysoko kvalitných dielektrických vrstiev SiO 2(reakcia sa uskutočňuje pri teplote v rozmedzí 200-400 °C º S). Nevýhodou je, že silán je horľavý a výbušný. Fólie sú vytvorené veľmi čisté, ale vplyvom nízkych teplôt sú uvoľnené. Aby sa tomu zabránilo, je potrebné prísne regulovať koncentráciu silanu v plynnej fáze a privádzať ho priamo na povrch platní, čím sa zabráni rastu SiO 2v plynnej fáze.

3. inžiniersko-ekonomické výpočty

Téma projektu: Vývoj technologického postupu výroby polovodičových integrovaných obvodov

Typ technológie: MOSFET so Schottkyho diódou

Materiál podkladu: Si

Počiatočné údaje o projekte:

Veľkosť kryštálu (čipu). 10 x 10 mm2

Minimálny štandard dizajnu pre prvok IP 0,3 um

Hustota defektov na vrstvu 0,1def/cm2

Počet vrstiev metalizácie 1

Percento výťažnosti vhodných štruktúr na doske (Y) sa vypočíta pomocou nasledujúceho vzorca:

kde D0 je špecifická hustota defektov na fotolitografiu, def/cm2; A je aktívna plocha kryštálu, cm2; F je počet fotolitografických procesov v celom technologickom cykle výroby IC.

Výpočet celkového objemu výroby vhodných produktov sa vykonáva na základe počiatočných údajov. Výťažnosť vhodných štruktúr na platni: ,

kde Apl je aktívna plocha dosky s priemerom 100 mm, A je plocha prvku, cm2.

Ročný objem výroby pri uvedení Z=300 doštičiek za deň, za predpokladu, že percento výťažnosti vhodných produktov v montážnych operáciách je W=95%:

Tabuľka. Výpočet prahového napätia tranzistora MOS.

N a , cm -31∙1016 => 1∙1022m -3W H , um1,5 = 1,5∙10 -6mt vôl nm40 => 4-10 -8ml H , um1,5 = 1,5∙10 -6ml, um1,5 => 1,5∙10 -6mU DD , B3W, um16 => 1,6∙10 -5m ε Si ,11,9μ n 0.15ε Si02 3.9ε 08.85∙10-12F/m 2

8,6∙10-4 F/m

kde je povrchový potenciál.

kde je pokles napätia cez vrstvu oxidu.

ZÁVER

Táto práca v kurze skúma technológiu výroby polovodičových dosiek s integrovanými obvodmi. Polovodičový integrovaný obvod je mikroobvod, ktorého prvky sú vyrobené v blízkej povrchovej vrstve polovodičového substrátu. Tieto integrované obvody tvoria základ modernej mikroelektroniky. Rozmery kryštálov moderných polovodičových integrovaných obvodov dosahujú mm2, čím väčšia je plocha kryštálu, tým viac viacprvkových integrovaných obvodov naň možno umiestniť. S rovnakou plochou kryštálu môžete zvýšiť počet prvkov zmenšením ich veľkosti a vzdialenosti medzi nimi.

Použitím iného typu hradlového dielektrika, iných kovov pri vytváraní kontaktov s kremíkom a iných izolačných vrstiev je možné získať zložitejšie obvody s ešte menšími veľkosťami prvkov.

Zoznam použitých zdrojov

1.Yezhovsky Yu.K. Základy vedy o tenkovrstvových materiáloch a technológie integrovaných zariadení: Učebnica/ SPbGTI.- SPb., 2005.-127s.

2.Integrované zariadenia rádioelektroniky UMK, SZTU, Petrohrad 2009

.Malysheva I.A. Technológia výroby integrovaných obvodov: Učebnica pre technické školy - M.: Rádio a spoje., 1991. - 344 s.

4. , Gurtov V.A. Pevná elektronika: Učebnica. -Petrozavodsk, 2005.-405 s.

Tsvetov V.P. Technológia materiálov a produktov polovodičovej elektroniky: Smernice/ SPbGTI.- SPb., 1998.-67s.

Http://www.analog.energomera.ru, doštičky z monokryštalického kremíka.

. , Kurz prednášok z disciplíny „Technológia SBIS“.

3 TECHNOLOGICKÉ ZÁKLADY VÝROBY

POLOVODIČOVÉ INTEGRÁLNE OBVODY

Technológia výroby polovodičových integrovaných obvodov (SIC) sa vyvinula z technológie planárnych tranzistorov. Pre pochopenie technologických cyklov výroby IC je preto potrebné oboznámiť sa s typickými technologickými procesmi, z ktorých sa tieto cykly skladajú.

3.1 Prípravné operácie

Monokryštalické kremíkové ingoty, podobne ako iné polovodiče, sa zvyčajne získavajú kryštalizáciou z taveniny - Czochralského metóda. Pri tejto metóde sa tyčinka so zárodkom (vo forme monokryštálu kremíka) po kontakte s taveninou pomaly zdvihne za súčasného otáčania. V tomto prípade sa po semene vytiahne rastúci a tuhnúci ingot.

Kryštalografická orientácia ingotu (jeho prierez) je určená kryštalografickou orientáciou zárodku. Najčastejšie sa používajú ingoty s prierezom ležiacim v rovine (111) alebo (100).

Typický priemer ingotov je v súčasnosti 80 mm a maximálny môže dosiahnuť 300 mm alebo viac. Dĺžka ingotov môže dosiahnuť 1-1,5 m, ale zvyčajne je niekoľkonásobne menšia.

Kremíkové ingoty sú narezané na veľa tenkých plátkov (hrúbka 0,4-1,0 mm), na ktorých sa potom vyrábajú integrované obvody. Povrch doštičiek po rezaní je veľmi nerovný: veľkosti škrabancov, výčnelkov a jamiek sú oveľa väčšie ako veľkosti budúcich prvkov IC. Preto sa pred začatím hlavných technologických operácií dosky opakovane brúsia a následne leštia. Účelom brúsenia je okrem odstránenia mechanických defektov aj zabezpečenie požadovanej hrúbky plechu (200-500 mikrónov), nedosiahnuteľnej rezom, a rovnobežnosti rovín. Na konci brúsenia zostáva na povrchu ešte mechanicky poškodená vrstva hrubá niekoľko mikrónov, pod ktorou je ešte tenšia, takzvaná fyzicky poškodená vrstva. Ten je charakterizovaný prítomnosťou „neviditeľných“ deformácií kryštálovej mriežky a mechanického namáhania, ktoré vzniká počas procesu brúsenia.

Leštenie spočíva v odstránení oboch poškodených vrstiev a redukcii povrchových nerovností na úroveň charakteristickú pre optické systémy – stotiny mikrometra. Okrem mechanického leštenia sa používa chemické leštenie (leptanie), teda v podstate rozpúšťanie povrchovej vrstvy polovodiča v určitých činidlách. Výčnelky a praskliny na povrchu sú odleptané rýchlejšie ako základný materiál a povrch je spravidla vyrovnaný.

Dôležitým procesom v polovodičovej technike je aj čistenie povrchu od kontaminácie organickými látkami, najmä tukmi. Čistenie a odmasťovanie sa vykonáva v organických rozpúšťadlách (toluén, acetón, etylalkohol atď.) pri zvýšených teplotách.

Leptanie, čistenie a mnohé ďalšie procesy sú sprevádzané umývaním platní deionizované voda.

3.2 Epitaxia

Epitaxia je proces rastu monokryštálových vrstiev na substráte, pri ktorom kryštalografická orientácia narastenej vrstvy opakuje kryštalografickú orientáciu substrátu.

V súčasnosti sa epitaxia zvyčajne používa na získanie tenkých pracovných vrstiev do 15 μm homogénneho polovodiča na relatívne hrubom substráte, ktorý plní úlohu nosnej konštrukcie.

Typické - chlorid Proces epitaxie aplikovaný na kremík je nasledujúci (obrázok 3.1). Monokryštalické kremíkové doštičky sa vložia do člnového téglika a vložia sa do kremennej trubice. Cez potrubie sa vedie prúd vodíka s malou prímesou chloridu kremičitého SiCl4. Pri vysokých teplotách (okolo 1200°C) dochádza na povrchu platní k reakcii SiCl4 + 2H2 = Si + 4HC1.

V dôsledku reakcie sa na substrát postupne ukladá vrstva čistého materiálu.

kremík a výpary HCl sú unášané prúdom vodíka. Epitaxná vrstva naneseného kremíka je monokryštalická a má rovnakú kryštalografickú orientáciu ako substrát. Chemická reakcia v dôsledku výberu teploty prebieha iba na povrchu platne a nie v okolitom priestore.

Obrázok 3.1 – Proces epitaxie

Proces prebiehajúci v prúde plynu sa nazýva preprava plynu reakcia, a hlavný plyn (v tomto prípade vodík), ktorý nesie nečistotu do reakčnej zóny, je nosný plyn.

Ak sa k parám chloridu kremičitého pridajú páry zlúčenín fosforu (PH3) alebo bóru (B2H6), epitaxná vrstva už nebude mať svoju vlastnú, ale podľa toho elektrickú alebo dierovú vodivosť (obrázok 3.2a), pretože počas reakcie donor atómy budú zavedené do nanesených atómov akceptora kremíka, fosforu alebo bóru.

Epitaxia teda umožňuje rásť na substráte monokryštálové vrstvy akéhokoľvek typu vodivosti a akéhokoľvek odporu, ktoré majú akýkoľvek typ a veľkosť vodivosti, napríklad na obrázku 3.2a je znázornená vrstva n a n+ alebo p+ môže byť vytvorená vrstva.

Obrázok 3.2 – Substráty s epitaxným a oxidovým filmom

Hranica medzi epitaxnou vrstvou a substrátom nie je dokonale ostrá, pretože nečistoty čiastočne difundujú z jednej vrstvy do druhej počas procesu epitaxie. Táto okolnosť sťažuje vytvorenie ultratenkých (menej ako 1 μm) a viacvrstvových epitaxných štruktúr. V súčasnosti hrá hlavnú úlohu jednovrstvová epitaxia. Výrazne rozšírila arzenál polovodičovej techniky; získanie takých tenkých homogénnych vrstiev (mm), aké poskytuje epitaxia, je nemožné inými prostriedkami.

Na obrázku 3.2a a nasledujúcich nie je dodržaná vertikálna mierka.

Inštalácia znázornená na obrázku 3.1 zahŕňa niektoré ďalšie operácie: prečistenie potrubia dusíkom a plytké leptanie povrchu kremíka v pare HCl (na účely čistenia). Tieto operácie sa vykonávajú pred začiatkom hlavných.

Epitaxný film sa môže líšiť od substrátu v chemickom zložení. Spôsob výroby takýchto filmov sa nazýva tzv heteroepitaxia, Na rozdiel od homoepitaxia, popísané vyššie. Samozrejme, pri heteroepitaxii musia mať materiály filmu aj substrátu stále rovnakú kryštálovú mriežku. Môžete napríklad pestovať silikónový film na zafírovom substráte.

Na záver poznamenávame, že okrem opísanej plynovej epitaxie existuje kvapalná epitaxia, pri ktorej sa rast monokryštalickej vrstvy uskutočňuje z kvapalnej fázy, t.j. z roztoku obsahujúceho potrebné zložky.

3.3 Tepelná oxidácia

Oxidácia kremíka je jedným z najcharakteristickejších procesov v technológii moderných PPIMS. Výsledný film oxidu kremičitého SiO2 (obrázok 3.2b) plní niekoľko dôležitých funkcií, vrátane:

Ochranná funkcia - pasivácia povrch a najmä ochrana zvislých úsekov p - n prechody smerujúce na povrch;

Funkcia masky, cez okienka, do ktorých sa difúznou metódou vnášajú potrebné nečistoty (obrázok 3.4b);

Funkcia tenkého dielektrika pod bránou tranzistora alebo kondenzátora MOS (obrázky 4.15 a 4.18c);

Dielektrická základňa na spojenie prvkov PP IC s kovovým filmom (obrázok 4.1).

Povrch kremíka je vždy pokrytý „vlastným“ oxidovým filmom, ktorý vzniká „prirodzenou“ oxidáciou pri najnižších teplotách. Tento film je však príliš tenký (asi 5 nm) na to, aby vykonával niektorú z týchto funkcií. Preto sa pri výrobe polovodičových integrovaných obvodov umelo získavajú hrubšie filmy SiO2.

Umelá oxidácia kremíka sa zvyčajne vykonáva pri vysokej teplote (°C). Takáto tepelná oxidácia sa môže uskutočňovať v kyslíkovej atmosfére (suchá oxidácia), v zmesi kyslíka a vodnej pary ( mokrá oxidácia) alebo jednoducho vo vodnej pare.

Vo všetkých prípadoch sa proces uskutočňuje v oxidačných peciach. Základom takýchto pecí, ako v epitaxii, je kremenná trubica, v ktorej je umiestnená „loďka“ s kremíkovými doštičkami, vyhrievaná buď vysokofrekvenčnými prúdmi alebo iným spôsobom. Cez potrubie prechádza prúd kyslíka (suchého alebo navlhčeného) alebo vodnej pary, ktorá reaguje s kremíkom vo vysokoteplotnej zóne. Film SiO2 získaný týmto spôsobom má amorfnú štruktúru (obrázok 3.2b).

Je zrejmé, že rýchlosť rastu oxidov by sa mala časom znižovať, pretože nové atómy kyslíka musia difundovať cez čoraz silnejšiu vrstvu oxidu. Semi-empirický vzorec týkajúci sa hrúbky oxidového filmu k času tepelnej oxidácie má tvar:

kde k - parameter v závislosti od teploty a vlhkosti kyslíka.

Suchá oxidácia je desaťkrát pomalšia ako mokrá oxidácia. Napríklad rast Si02 filmu s hrúbkou 0,5 µm v suchom kyslíku pri 1000 °C vyžaduje asi 5 hodín a vo vlhkom kyslíku len 20 minút. Kvalita filmov získaných vo vlhkom kyslíku je však nižšia. S poklesom teploty o každých 100°C sa doba oxidácie zvyšuje 2-3 krát.

V technológii IC sa rozlišuje medzi „hrubými“ a „tenkými“ oxidmi SiO2. Husté oxidy ( d = 0,7-1,0 µm) vykonávajú funkcie ochrany a maskovania a tenké (d = 0,1-0,2 µm) - funkcie hradlového dielektrika v MOS tranzistoroch a kondenzátoroch.

Jedným z dôležitých problémov pri pestovaní filmu SiO2 je zabezpečenie jeho homogenity. V závislosti od kvality povrchu plátku, čistoty činidiel a režimu rastu vznikajú vo filme určité problémy. vady. Bežným typom defektov sú mikro- a makropóry, dokonca aj cez otvory (najmä v tenkom oxide).

Kvalita oxidového filmu sa zvyšuje s klesajúcou teplotou jeho rastu, ako aj pri použití suchého kyslíka. Preto sa suchou oxidáciou získa tenký hradlový oxid, ktorého kvalita určuje stabilitu parametrov MOS tranzistora. Pri pestovaní hustého oxidu striedajte suchú a mokrú oxidáciu: prvá zaisťuje absenciu defektov a druhá vám umožňuje skrátiť čas procesu.

Ďalšie spôsoby výroby filmov Si02 sú diskutované v.

3.4 Litografia

V technológii polovodičových zariadení majú masky dôležité miesto: poskytujú lokálne ukladanie, doping, leptanie a v niektorých prípadoch aj epitaxiu. Každá maska ​​obsahuje sadu vopred navrhnutých otvorov - okienok. Výroba takýchto okien je litografická úloha(rytiny). Vedúce postavenie v technológii výroby masiek zostáva fotolitografia a elektrolitografia.

3.4.1. Fotolitografia. Fotolitografia je založená na použití materiálov tzv fotorezistom. Ide o typ fotografickej emulzie známej v konvenčnej fotografii. Fotorezisty sú citlivé na ultrafialové svetlo, takže ich možno spracovať aj v nie veľmi tmavej miestnosti.

Existujú fotorezisty negatívne a pozitívne. Negatívne fotorezisty pri vystavení svetlu polymerizujú a stávajú sa odolnými voči leptadlám (kyslým alebo zásaditým). To znamená, že po lokálnej expozícii budú neexponované oblasti vyleptané (ako v bežnom foto negatíve). V pozitívnych fotorezistoch svetlo naopak ničí polymérne reťazce, a preto budú exponované oblasti vyleptané.

Nákres budúcej masky je vyhotovený formou tzv fo­ do šablóny. Fotomaska ​​je hrubá sklenená doska, na ktorej jednej strane je nanesená tenká nepriehľadná fólia s potrebným vzor vo forme priehľadných otvorov. Rozmery týchto otvorov (prvky vzoru) v mierke 1: 1 zodpovedajú rozmerom budúcich prvkov IC, t.j. môžu byť 20-50 mikrónov alebo menej (do 2-3 mikrónov). Keďže integrované obvody sa vyrábajú skupinovou metódou, mnoho podobných vzorov je umiestnených na fotomaske v „riadkoch“ a „stĺpcoch“. Veľkosť každého výkresu zodpovedá veľkosti budúcej IC matrice.

Fotolitografický proces výroby okienok v maske oxidu Si02 pokrývajúceho povrch kremíkového plátku je nasledujúci (obrázok 3.3). Napríklad negatívny fotorezist (NP) sa aplikuje na oxidovaný povrch plátku. Fotorezistová fotomaska ​​sa aplikuje na platňu potiahnutú fotorezistom (so vzorom smerujúcim k fotorezistu) a vystaví sa ultrafialovým (UV) lúčom kremennej lampy (obrázok 3.3a). Potom sa fotomaska ​​odstráni a fotorezist sa vyvolá a zafixuje.

Ak sa použije pozitívny fotorezist, potom po vyvolaní a fixácii (ktorá pozostáva z vytvrdzovania a tepelného spracovania fotorezistu) sa získajú okienka na tých miestach, ktoré zodpovedajú priehľadným oblastiam na fotomaske.

Ako vravia, kreslenie presunutý od fotomasky po fotorezist. Teraz je vrstva fotorezistu maska ​​tesne priliehajúca k vrstve oxidu (obrázok 3.3b).

Prostredníctvom fotorezistickej masky sa vrstva oxidu vyleptá až na kremík (toto leptadlo neovplyvňuje kremík). Kyselina fluorovodíková a jej soli sa používajú ako leptadlo. Výsledkom je, že vzor z fotorezistu sa prenesie na oxid. Po odstránení (leptaní) fotorezistovej masky je konečným výsledkom fotolitografie kremíková doska pokrytá oxidovou maskou s okienkami (obrázok 3.3c). Cez okienka sa môže uskutočňovať difúzia, implantácia iónov, leptanie atď.

Obrázok 3.3 – Proces fotolitografie

V technologických cykloch výroby IC prvkov sa fotolitografia využíva opakovane (samostatne na získanie základných vrstiev, žiaričov, ohmických kontaktov a pod.). V tomto prípade vzniká takzvaný problém kombinovania fotomasiek. Pri opakovanom použití fotolitografie (pri technológii PPIMS až 5-7 krát) tolerancia zarovnania dosahuje zlomky mikrónu. Technika registrácie pozostáva z vytvárania špeciálnych „značiek“ (napríklad krížikov alebo štvorcov) na fotomaskách, ktoré sa menia na vzor na oxide a sú viditeľné cez tenký film fotorezistu. Pri aplikácii ďalšej fotomasky opatrne (pod mikroskopom) sú značky na oxide zarovnané s podobnými značkami na fotomaske.

Uvažovaný proces fotolitografie je typický pre získanie oxidových masiek na kremíkových doštičkách za účelom následnej lokálnej difúzie. V tomto prípade je fotorezistová maska ​​stredná, pomocná, pretože nemôže odolať vysokej teplote, pri ktorej sa uskutočňuje difúzia. Avšak v niektorých prípadoch, keď sa proces vyskytuje pri nízkych teplotách, môžu byť fotorezistové masky hlavné - pracovné. Príkladom je proces vytvárania kovových vodičov v polovodičových integrovaných obvodoch.

Pri použití fotomasky sa jej emulzná vrstva po 15-20 aplikáciách opotrebuje (vymaže). Životnosť fotomasiek možno zvýšiť o dva rády alebo viac pokovovaním: nahradením fotoemulzného filmu filmom z kovu odolného voči opotrebovaniu, zvyčajne chrómu.

Fotomasky sa vyrábajú v sadách podľa počtu fotolitografických operácií v technologickom cykle. V rámci sady sú fotomasky koordinované, t.j. zabezpečujú zarovnanie výkresov pri zarovnaní zodpovedajúcich značiek.

3.4.2 Elektrónová litografia. Opísané metódy sú už dlho jedným zo základov mikroelektronických technológií. Stále nestratili svoj význam. S narastajúcim stupňom integrácie a zmenšovaním veľkosti prvkov IS sa však objavilo množstvo problémov, z ktorých niektoré sú už vyriešené a niektoré sú predmetom štúdia.

Jedno z hlavných obmedzení sa týka rozhodnutie, teda minimálne rozmery vo vytvorenom vzore masky. Faktom je, že vlnové dĺžky ultrafialového svetla sú 0,3-0,4 mikrónov. V dôsledku toho, bez ohľadu na to, aký malý je otvor vo vzore fotomasky, rozmery obrazu tohto otvoru vo fotorezise nemôžu dosiahnuť špecifikované hodnoty (v dôsledku difrakcie). Preto je minimálna šírka prvkov asi 2 mikróny a v hlbokom ultrafialovom (vlnová dĺžka 0,2-0,3 mikrónu) - asi 1 mikróny. Medzitým veľkosti rádovo 1-2 mikróny už nie sú dostatočne malé pri vytváraní veľkých a ultraveľkých integrovaných obvodov.

Najzrejmejším spôsobom zvýšenia rozlíšenia litografie je použitie žiarenia s kratšou vlnovou dĺžkou počas expozície.

V posledných rokoch boli vyvinuté metódy elektronická litografia . Ich podstatou je sústredený lúč elektrónov skenovať(t. j. pohybujú sa „riadok po riadku“) pozdĺž povrchu dosky potiahnutej elektrónovým rezistom a intenzita lúča je riadená v súlade s daným programom. V bodoch, ktoré by mali byť „exponované“, je prúd lúča maximálny a v bodoch, ktoré by mali byť „stmavené“, je nulový. Priemer elektrónového lúča je priamo závislý od prúdu v lúči: čím menší je priemer, tým nižší je prúd. So znižovaním prúdu sa však zvyšuje expozičný čas. Preto je zvýšenie rozlíšenia (zníženie priemeru lúča) sprevádzané predĺžením trvania procesu. Napríklad pri priemere lúča 0,2-0,5 μm sa doba skenovania plátku v závislosti od typu elektrónového odporu a veľkosti plátku môže pohybovať od desiatok minút až po niekoľko hodín.

Jedna z odrôd elektrónovej litografie je založená na opustení elektrón-rezistentných masiek a zahŕňa pôsobenie elektrónového lúča priamo na vrstvu oxidu SiO2. Ukazuje sa, že v oblastiach „expozície“ sa táto vrstva následne leptá niekoľkonásobne rýchlejšie ako v „tmavých“ oblastiach.

Minimálne rozmery pre elektrónovú litografiu sú 0,2 mikrónu, hoci maximálne dosiahnuteľné rozmery sú 0,1 mikrónu.

Ďalšie litografické metódy sú vo výskume, napríklad mäkké röntgenové lúče (s vlnovými dĺžkami 1-2 nm) umožňujú získať minimálne veľkosti 0,1 μm a litografia s iónovým lúčom 0,03 μm.

3.5 Legovanie

Vnášanie nečistôt do pôvodného plátku (resp. do epitaxnej vrstvy) difúziou pri vysokých teplotách je pôvodnou a stále hlavnou metódou dopovania polovodičov za účelom vytvorenia tranzistorových štruktúr a iných prvkov na nich založených. Nedávno sa však rozšírila ďalšia dopingová metóda – iónová implantácia.

3.5.1 Difúzne metódy. Difúzia môže byť všeobecná a lokálna. V prvom prípade sa vykonáva po celom povrchu plátku (obrázok 3.4a) a v druhom - v určitých oblastiach plátku cez okná v maske, napríklad v hrubej vrstve SiO2 (obrázok 3.4b) .

Všeobecná difúzia vedie k vytvoreniu tenkej difúznej vrstvy v doštičke, ktorá sa od epitaxnej vrstvy líši nehomogénnym (do hĺbky) rozmiestnením nečistôt (pozri krivky N(x) na obrázkoch 3.6a a b).

Obrázok 3.4 – Všeobecná a lokálna difúzia

V prípade lokálnej difúzie (obrázok 3.4b) sa nečistota šíri nielen hlboko do platničky, ale aj vo všetkých kolmých smeroch, teda pod masku. V dôsledku tejto takzvanej laterálnej difúzie je oblasť p-n prechodu vznikajúca na povrchu „automaticky“ chránená oxidom . Vzťah medzi hĺbkou bočnej a hlavnej -

„vertikálna“ difúzia závisí od množstva faktorov, vrátane hĺbky difúznej vrstvy . Za typickú hodnotu hĺbky laterálnej difúzie možno považovať 0,8×L .

Difúziu je možné vykonať jednorazovo alebo opakovane. Napríklad počas 1. difúzie je možné zaviesť akceptorovú nečistotu do počiatočnej dosky typu n a získať p-vrstvu a potom počas 2. difúzie zaviesť donorovú nečistotu do výslednej p-vrstvy (do a menšia hĺbka) a tým poskytujú trojvrstvovú štruktúru. Podľa toho sa rozlišuje medzi dvojitou a trojitou difúziou (pozri časť 4.2).

Pri vykonávaní viacnásobnej difúzie je potrebné mať na pamäti, že koncentrácia každej novej zavedenej nečistoty musí prekročiť koncentráciu predchádzajúcej, inak sa typ vodivosti nezmení, čo znamená, že sa nevytvorí p-n križovatka. Medzitým koncentrácia nečistôt v kremíku (alebo inom zdrojovom materiáli) nemôže byť taká veľká, ako sa požaduje: je obmedzená špeciálnym parametrom - limit rozpustnosť nečistôtN.S.. Hranica rozpustnosti závisí od teploty. Pri určitej teplote dosiahne maximálnu hodnotu a potom opäť klesne. Maximálne limity rozpustnosti spolu so zodpovedajúcimi teplotami sú uvedené v tabuľke 3.1.

Tabuľka 3.1

Preto, ak sa vykonáva viacnásobná difúzia, potom pre poslednú difúziu je potrebné vybrať materiál s maximálnou obmedzujúcou rozpustnosťou. Keďže rozsah nečistôt je obmedzený,

nie je možné poskytnúť viac ako 3 po sebe idúce difúzie.

Nečistoty vnesené difúziou sú tzv difúzory(bór, fosfor atď.). Zdrojom difúzantov sú ich chemické zlúčeniny. Môžu to byť kvapaliny (BBr3, POCl), pevné látky (B2O3, P2O5) alebo plyny (B2H6, PH3).

Zavádzanie nečistôt sa zvyčajne uskutočňuje pomocou reakcií transportu plynu, rovnako ako počas epitaxie a oxidácie. Na tento účel buď jednozónový alebo dvojzónový difúzne pece.

V prípade pevných difúzantov sa používajú dvojzónové pece. V takýchto peciach (obrázok 3.5) sú dve vysokoteplotné zóny, jedna na odparovanie difúzneho zdroja, druhá na samotnú difúziu.

Obrázok 3.5 - Proces difúzie

Pary difúzneho zdroja získané v 1. zóne sa miešajú s prúdom neutrálneho nosného plynu (napríklad argónu) a spolu s ním sa dostávajú do 2. zóny, kde sa nachádzajú kremíkové doštičky. Teplota v 2. pásme je vyššia ako v 1. zóne. Tu sa do platní zavádzajú difúzne atómy a ostatné zložky chemickej zlúčeniny sú unášané nosným plynom zo zóny.

V prípade kvapalných a plynných zdrojov difúzantov nie je potrebné ich vysokoteplotné odparovanie. Preto sa používajú jednozónové pece ako pri epitaxii, do ktorých difúzny zdroj vstupuje v plynnom stave.

Pri použití kvapalných zdrojov difuzantu sa difúzia uskutočňuje v oxidačnom prostredí pridaním kyslíka do nosného plynu. Kyslík oxiduje povrch kremíka a vytvára oxid Si02, t.j. v podstate sklo. V prítomnosti difúzneho činidla (bór alebo fosfor), borosilikát alebo fosfosilikát sklo. Pri teplotách nad 1000 °C sú tieto sklá v tekutom stave a pokrývajú povrch kremíka tenkým filmom , takže difúzia nečistoty pochádza, prísne vzaté, z kvapalnej fázy. Po vytvrdnutí sklo chráni povrch kremíka v miestach difúzie,

teda v okienkach oxidovej masky. Pri použití pevných zdrojov difúzantu - oxidov - dochádza k tvorbe skiel počas difúzneho procesu bez špeciálne privádzaného kyslíka.

Existujú dva prípady distribúcie nečistôt v difúznej vrstve.

1 Prípad neobmedzeného zdroja nečistôt. V tomto prípade difúzor kontinuálne prúdi k doske, takže v jej povrchovej vrstve je koncentrácia nečistôt udržiavaná konštantná a rovná NS. S rastúcim časom difúzie sa hĺbka difúznej vrstvy zväčšuje (obrázok 3.6a).

2 Prípad obmedzeného zdroja nečistôt. V tomto prípade sa najprv do tenkej povrchovej vrstvy platne zavedie určitý počet difúznych atómov (čas t1), potom sa vypne zdroj difúzie a atómy nečistôt sa prerozdelia po celej hĺbke platne s ich celkovým počtom. nezmenené (obrázok 3.6b). V tomto prípade sa koncentrácia nečistôt na povrchu znižuje a hĺbka difúznej vrstvy sa zvyšuje (krivky t2 a t3). Prvá fáza procesu sa nazýva „pohon“, druhá - „rozptyl“ nečistoty.

Obrázok 3.6 – Distribúcia difúzantov

3.5.2 Implantácia iónov.

Implantácia iónov je spôsob dopovania plátku (alebo epitaxnej vrstvy) jeho bombardovaním iónmi nečistôt, ktoré sú urýchlené na energiu dostatočnú na ich prienik hlboko do pevnej látky.

Ionizácia atómov nečistôt, urýchľovanie iónov a fokusácia iónového lúča sa vykonávajú v špeciálnych zariadeniach, ako sú urýchľovače častíc v jadrovej fyzike. Ako nečistoty sa používajú rovnaké materiály, aké sa používajú na difúziu.

Hĺbka prieniku iónov závisí od ich energie a hmotnosti. Čím väčšia je energia, tým väčšia je hrúbka implantovanej vrstvy. S pribúdajúcou energiou sa však zvyšuje aj množstvo radiačné defekty v kryštáli, teda zhoršujú sa jeho elektrické parametre. Preto je energia iónov obmedzená na 100-150 keV. Spodná úroveň je 5-10 keV. Pri tomto energetickom rozsahu leží hĺbka vrstiev v rozsahu 0,1 - 0,4 μm, t.j. je podstatne menšia ako typická hĺbka difúznych vrstiev.

Koncentrácia nečistôt v implantovanej vrstve závisí od hustoty prúdu v iónovom lúči a doby procesu alebo, ako sa hovorí, od výstavný čas-pozície. V závislosti od hustoty prúdu a požadovanej koncentrácie sa doba expozície pohybuje od niekoľkých sekúnd do 3-5 minút alebo viac (niekedy až

1-2 hodiny). Samozrejme, čím dlhší čas expozície, tým väčší počet radiačných defektov.

Typická distribúcia nečistôt počas implantácie iónov je znázornená na obrázku 3.6c, plná krivka. Ako vidíme, toto rozloženie sa výrazne líši od rozdelenia difúzie prítomnosťou maxima v určitej hĺbke.

Pretože plocha iónového lúča (1-2 mm2) je menšia ako plocha dosky (a niekedy aj kryštálu), je potrebné skenovať lúčom, t.j. posúvať ho plynulo alebo v „krokoch“ (pomocou špeciálnych vychyľovacích systémov) striedavo po všetkých „radoch“ platne, na ktorej sú umiestnené jednotlivé IO.

Po dokončení procesu legovania sa musí platňa podrobiť žíhanie pri teplote °C za účelom usporiadania kryštálovej mriežky kremíka a eliminácie (aspoň čiastočne) nevyhnutných defektov žiarenia. Pri teplote žíhania difúzne procesy mierne menia distribučný profil (pozri prerušovanú krivku na obrázku 3.6c).

Implantácia iónov sa uskutočňuje cez masky, v ktorých by mala byť dĺžka dráhy iónov výrazne kratšia ako v prípade kremíka. Materiály pre masky môžu byť oxid kremičitý alebo hliník, ktoré sú bežné v integrovaných obvodoch. Zároveň je dôležitou výhodou implantácie iónov to, že ióny, pohybujúce sa v priamke, prenikajú iba do hĺbky platne a prakticky chýba analógia laterálnej difúzie (pod maskou).

V zásade sa implantácia iónov, podobne ako difúzia, môže vykonávať opakovane, pričom sa jedna vrstva „vloží“ do druhej. Avšak kombinácia energií, expozičných časov a režimov žíhania potrebných pre viacnásobné implantácie sa ukazuje ako ťažká. Preto sa implantácia iónov rozšírila pri vytváraní tenkých jednotlivých vrstiev.

3.6 Aplikácia tenkých vrstiev

Tenké vrstvy nie sú len základom tenkovrstvových hybridných integrovaných obvodov, ale sú široko používané aj v polovodičových integrovaných obvodoch. Preto sa spôsoby výroby tenkých vrstiev týkajú všeobecných problémov technológie mikroelektroniky.

Existujú tri hlavné spôsoby nanášania tenkých vrstiev na substrát a na seba navzájom: tepelný(vákuum) a iónovej plazmy striekanie, ktorý má dve odrody: katódové naprašovanie a samotná iónová plazma.

3.6.1 Tepelné (vákuové) striekanie.

Princíp tejto metódy naprašovania je znázornený na obrázku 3.7a. Na základnej doske 2 je umiestnený kovový alebo sklenený uzáver 1. Medzi nimi je tesnenie 3, ktoré zabezpečuje udržanie vákua po odčerpaní vzduchu z priestoru pomocného uzáveru. Substrát 4, na ktorom sa vykonáva naprašovanie, je namontovaný na držiaku 5 . Držiak susedí so zahrievaním a naprašovanie sa vykonáva na vyhrievanom substráte). Výparník 7 obsahuje ohrievač a zdroj rozprašovanej látky. Rotačná klapka 8 blokuje tok pary z výparníka na podklad: striekanie trvá tak dlho, kým je klapka otvorená.

Ohrievač je zvyčajne závit alebo špirála vyrobená zo žiaruvzdorného kovu (volfrám, molybdén atď.), Cez ktorý prechádza dostatočne veľký prúd. Zdroj striekanej látky je pripojený k ohrievaču rôznymi spôsobmi: vo forme konzol („husárov“) zavesených na vlákne; vo forme malých tyčiniek pokrytých špirálou, vo forme prášku nasypaného do

Obrázok 3.7 – Aplikácia fólií

téglik vyhrievaný špirálou a pod. Namiesto filamentov sa v poslednom čase používa vyhrievanie pomocou elektrónového lúča alebo laserového lúča.

Najpriaznivejšie podmienky pre kondenzáciu pár sú vytvorené na podklade, hoci k čiastočnej kondenzácii dochádza aj na stenách digestora. Príliš nízka teplota substrátu bráni rovnomernej distribúcii adsorbovaných atómov: sú zoskupené do „ostrovov“ rôznych hrúbok, ktoré často nie sú navzájom spojené. Naopak, príliš vysoká teplota substrátu vedie k oddeľovaniu novo uložených atómov, k ich „opätovnému vyparovaniu“. Preto na získanie vysokokvalitného filmu musí teplota substrátu ležať v určitých optimálnych medziach (zvyčajne 200-400 °C). Rýchlosť rastu filmu v závislosti od množstva faktorov (teplota substrátu, vzdialenosť od výparníka k substrátu, typ ukladaného materiálu atď.) sa pohybuje v desatinách až desiatkach nanometrov za sekundu.

Pevnosť väzby – priľnavosť fólie k podkladu alebo inej fólii – je tzv priľnavosť. Niektoré bežné materiály (napr. zlato) majú slabú priľnavosť k typickým substrátom vrátane kremíka. V takýchto prípadoch sa používa tzv podvrstva, vyznačujúci sa dobrou priľnavosťou a následne sa na ňu nastrieka základný materiál, ktorý má tiež dobrú priľnavosť k podvrstve. Napríklad pre zlato môže byť podvrstvou nikel alebo titán.

Aby atómy striekaného materiálu letiaceho z výparníka na substrát mali minimálny počet zrážok s atómami zvyškového plynu a tým aj minimálny rozptyl, musí byť v priestore pod uzáverom zabezpečené dostatočne vysoké vákuum. Kritériom pre požadované vákuum môže byť podmienka, že stredná voľná dráha atómov je niekoľkonásobne väčšia ako vzdialenosť medzi výparníkom a substrátom. Táto podmienka však často nestačí, pretože akékoľvek množstvo zvyškového plynu je spojené s kontamináciou striekaného filmu a zmenou jeho vlastností. Preto by v zásade malo byť vákuum v tepelných striekacích systémoch čo najvyššie. V súčasnosti je vákuum pod 10-6 mmHg. čl. sa považuje za neprijateľné a v mnohých prvotriednych striekacích zariadeniach sa zvyšuje na 10-11 mm Hg. čl.

Hlavným materiálom, na základe ktorého sa vyrábajú polovodičové integrované obvody, je kremík, pretože na jeho základe je možné získať film oxidu kremičitého s vysokým výkonom a relatívne jednoduchými metódami.

Okrem toho treba mať na pamäti ďalšie výhody kremíka v porovnaní s germániom: väčšia zakázaná pásma, a teda menší vplyv teploty, nižšie spätné prúdy menšinových nosičov náboja; nižšia dielektrická konštanta, teda nižšie kapacity bariéry, pričom všetky ostatné veci sú rovnaké.

Aby kremík získal určitý typ vodivosti, do kryštálu sa zavádzajú donorové a akceptorové nečistoty, v dôsledku čoho sa v každej oblasti P- alebo N-kremíka nachádzajú väčšinové a menšinové nosiče náboja. Pohyb nosičov náboja v polovodičových IC štruktúrach prebieha ako obvykle: buď vo forme difúzie v dôsledku rozdielu v koncentrácii nosičov náboja, alebo vo forme driftu pod vplyvom síl elektrického poľa. Vo výsledných PN prechodoch sa vyskytujú obvyklé javy opísané skôr.

Hlavná technológia výroby polovodičových integrovaných obvodov je planárna. Vlastnosti integrovaných obvodov sú do značnej miery určené technológiou ich výroby.

Uvažujme len o niektorých črtách použitia planárnej technológie pri výrobe integrovaných obvodov.

Čistenie povrchu. Treba mať na pamäti, že akákoľvek kontaminácia povrchu substrátu negatívne ovplyvní vlastnosti IC a jeho spoľahlivosť. Je tiež potrebné vziať do úvahy, že rozmery prvkov IC sú porovnateľné s najmenšou škvrnou prachu. Z toho vyplýva potreba čo najdôkladnejšieho čistenia povrchu. Čistenie sa vykonáva pomocou organických rozpúšťadiel; na dôkladnejšie čistenie sa používajú ultrazvukové metódy, pretože vibrácie urýchľujú rozpúšťanie kontaminantov. V konečnom štádiu sa kremíkové doštičky premyjú deionizovanou vodou.

Tepelná oxidácia povrchu. Vykonáva sa na vytvorenie ochrannej vrstvy na povrchu doštičky, ktorá chráni povrch pred vplyvmi prostredia počas procesu vytvárania IC. V integrovaných obvodoch založených na tranzistoroch MOS slúži film získaný oxidáciou ako dielektrikum pre bránu.

Legovanie. Ide o vnesenie nečistôt do čistého kremíka na vytvorenie spojov, aby sa vytvorili diódové a tranzistorové štruktúry. Existujú dva spôsoby dopingu - pomocou difúzie a zavádzania iónov nečistôt.

V poslednej dobe je metóda iónovej implantácie široko používaná pre množstvo jej výhod, predovšetkým nižšie teploty v porovnaní s difúznou metódou.

Podstatou metódy je zavedenie iónov nečistôt do plátku čistého kremíka, ktoré obsadzujú miesta v uzloch kryštálovej mriežky. Ióny nečistôt sa vytvárajú, urýchľujú, sústreďujú a odchyľujú v špeciálnych inštaláciách a dopadajú na povrch dosky, bombardujú ju a vstupujú do kryštálovej štruktúry mriežky. Vychýlenie vzniká v magnetickom poli. Pripomeňme, že polomer vychýlenia závisí od hmotnosti nabitých častíc. Preto, ak sú v zaostrenom lúči cudzie ióny, budú sa odchyľovať pozdĺž iných trajektórií a oddelia sa od hlavného lúča donorovej alebo akceptorovej nečistoty. To je ďalšia výhoda tejto metódy - vysoká čistota nečistôt.

Fotolitografia. Umožňuje získať dané usporiadanie prvkov a je jedným z najcharakteristickejších technologických procesov na vytvorenie IC. Pripomeňme, že fotolitografia je založená na využití fotosenzitívnych vlastností špeciálnych materiálov nazývaných fotorezisty.

Ako sa technológia IC vyvíja, nevýhody tejto metódy sú čoraz významnejšie: možnosť získania minimálnych rozmerov vzoru na fotomaske a mechanický kontakt fotomasky s polovodičovým plátkom vedie k deformáciám vzoru.

Nedávno bola vyvinutá metóda elektrónovej litografie. Je založená na pohybe zaostreného elektrónového lúča po povrchu rezistom potiahnutej doštičky. Prúd lúča je riadený napätím, ktoré sa mení v závislosti od toho, kde na povrchu sa lúč nachádza. Ak je potrebné získať okno, prúd lúča je maximálny v tých oblastiach, ktoré by mali zostať nezmenené, prúd lúča je blízky nule.

Metalizácia na vytváranie obvodových spojení v integrovaných obvodoch. Obvodové spojenia v integrovaných obvodoch sa vyrábajú pomocou tenkých kovových filmov nanesených na oxid kremičitý, ktorý je izolantom. Pre základné požiadavky na spojovací prvok pre IO sa ako najvhodnejší ukázal hliník, ktorý má vysokú mernú vodivosť, nekoroduje a umožňuje zváranie kontaktov s vonkajšími vývodmi.

K vytvoreniu požadovaného reliéfu kovových spojov dochádza pomocou fotolitografie. Na povrch oxidu kremičitého je nanesený súvislý film hliníka. Film je potiahnutý fotorezistom, nad ním je umiestnená fotomaska ​​a potom je hliník odleptaný, pričom zostanú iba pruhy, ktoré vytvárajú vhodné kontakty s vrstvami substrátu v predtým vyrobených oknách, ktoré boli vytvorené na získanie požadovanej štruktúry vrstiev v IC.

Analýza hlavných operácií ukazuje, že všetky sa delia na tri hlavné – tepelné spracovanie, chemické spracovanie a fotolitografia. Dôležitým faktorom pre zabezpečenie stability parametrov a spoľahlivosti IO je vytvorenie filmu oxidu kremičitého, ktorý chráni spoje pred okolím pri vytváraní IO.

Zmenou vzoru fotomasky a režimu tepelného spracovania môžete vytvoriť rôzne obvody IC. Hlavnými štruktúrami na výrobu prvkov IC sú bipolárne a MOS tranzistory.

Popis obvodu

1. Hodnotenia pasívnych prvkov:

R6 = R11 = 4,7 kOhm

• 2. T1, T2, T3, T4, T5 - n-p-n tranzistory IC; T6 - pnp tranzistorový integrovaný obvod;
• 3. s=200 Ohm/kV
• 4. Napájacie napätie 15V
• 5. Planárno-epitaxiálna technológia.
• 6. Izolácia p-n prechodom.

Pin 6 - napájanie; kolík 1 - zem.

Technológia výroby IC

Akékoľvek prvky polovodičových integrovaných obvodov môžu byť vytvorené na základe maximálne troch p-n prechodov a štyroch vrstiev dvoch typov elektrickej vodivosti (elektronická a dierová). Izolácia prvkov sa často vykonáva pomocou reverzného predpojatého p-n spojenia. Princíp tejto izolačnej metódy spočíva v tom, že aplikovaním veľkého záporného potenciálu na p-substrát sa získa reverzne vychýlený p-n prechod na hranici kolektorových oblastí a p-substrátu. Odpor reverzne vychýleného p-n prechodu je vysoký a dosahuje MOhm, takže prvky sú od seba dobre izolované.

Technológia výroby polovodičových integrovaných obvodov je zložitý proces, ktorý zahŕňa desiatky operácií a nie je možné ho úplne opísať v krátkom manuáli a kurze.

Preto zvážime skrátenú cestu na výrobu IC s izolovanými prvkami a reverzne vychýlenými p-n spojmi pomocou planárno-epitaxiálnej technológie. Činnosť izolačných prvkov sa vykonáva skupinovou metódou kombinovanou s technológiou výroby IC ako celku a realizovaná metódou separačnej (izolačnej) difúzie do celej hĺbky epitaxnej vrstvy. Táto technológia umožňuje získať požadovaný stupeň dopovania kolektora a substrátu nezávisle od seba. Výberom vysokoodporového substrátu a nie veľmi vysokoodporovej epitaxnej vrstvy (kolektora) je možné zabezpečiť optimálnu kapacitu prechodu kolektor-báza a jeho prierazné napätie. Prítomnosť epitaxnej vrstvy umožňuje presne regulovať hrúbku a odpor kolektora, ktorý však zostáva dosť vysoký (70-100 Ohmov). Zníženie kolektorového odporu sa dosiahne vytvorením vysoko dotovanej zakopanej n+ vrstvy difúziou nečistoty typu n do p-substrátu pred vytvorením epitaxnej vrstvy. Táto vrstva poskytuje nízkoodporovú prúdovú cestu z aktívnej zóny kolektora ku kontaktu kolektora bez zníženia prierazného napätia spojenia kolektor-báza.

Postupnosť operácií planárno-epitaxiálnej technológie na výrobu bipolárnych polovodičových integrovaných obvodov s izoláciou prvkov p-n prechodmi:

• 1) Mechanická povrchová úprava pracovnej strany kremíkového plátku typu p na čistotu triedy 14 a leptanie v pare HCl na odstránenie poškodenej vrstvy. Si doštičky sú najprv brúsené na špecifikovanú hrúbku, potom leštené, leptané a umývané.
• 2) Oxidácia na vytvorenie ochrannej masky počas difúzie nečistôt typu n. Na povrchu kremíka rastie hustý film oxidu kremičitého (SiO2), ktorý má koeficient tepelnej rozťažnosti blízky kremíku, čo umožňuje jeho použitie ako masky na difúziu. Technologicky najpokročilejším spôsobom výroby SiO2 filmov je tepelná oxidácia povrchu kremíka. Ako oxidačné médium sa používa suchý alebo zvlhčujúci kyslík alebo vodná para. Teplota pracovného priestoru počas oxidácie je 1100-1300C. Oxidácia sa uskutočňuje metódou otvoreného potrubia v prúde oxidačného činidla. V suchom kyslíku rastie štruktúrne najdokonalejšia vrstva oxidu, ale proces oxidácie je pomalý (pri T = 1200C je hrúbka vrstvy SiO2 0,1 mikrónu). V praxi je vhodné uskutočňovať oxidáciu v troch stupňoch: v suchom kyslíku, vlhkom kyslíku a opäť v suchom kyslíku. Na stabilizáciu vlastností ochranných oxidových vrstiev počas oxidačného procesu sa do prostredia vlhkého kyslíka alebo vodnej pary pridáva kyselina boritá, oxid titaničitý atď.

3) Fotolitografia na otvorenie okienok v oxide a vedenie lokálnej difúzie v miestach, kde sa tvoria skryté vrstvy (obr. 3). Fotolitografia je vytvorenie malej ochrannej masky takmer akejkoľvek zložitosti na povrchu substrátu, ktorá sa následne používa na difúziu, epitaxiu a ďalšie procesy. Vytvára sa pomocou špeciálnej vrstvy nazývanej fotorezist – materiálu, ktorý vplyvom svetla mení svoju štruktúru. Na základe ich schopnosti meniť vlastnosti po ožiarení môžu byť fotorezisty klasifikované ako negatívne alebo pozitívne.

Fotorezist musí byť citlivý na žiarenie, mať vysoké rozlíšenie a odolnosť voči kyselinám.

Vrstva fotorezistu sa nanesie na povrch oxidovaného kremíka s hrúbkou oxidu 3000-6000 G pomocou odstredivky. Fotorezist sa suší najskôr pri izbovej teplote, potom pri teplote 100-150 C.

Substrát je kombinovaný s fotomaskou a osvetlený. Exponovaný fotorezist sa vyvolá a potom sa premyje v deionizovanej vode. Zvyšný fotorezist sa vytvrdzuje pri izbovej teplote a teplote 200 °C počas jednej hodiny, potom sa povrch oxidovaného kremíka exponuje na miestach zodpovedajúcich vzoru fotomasky.

4) Difúzia na vytvorenie skrytej n+ vrstvy (obr. 4). Lokálna difúzia je jednou z hlavných technologických operácií pri vytváraní polovodičových integrovaných obvodov. Proces difúzie určuje koncentračný profil integrálnej štruktúry a hlavné parametre komponentov IC. Difúzia v polovodičových kryštáloch je riadený pohyb atómov nečistôt v smere znižovania ich koncentrácie. Pri danej teplote je rýchlosť difúzie určená difúznym koeficientom, ktorý sa rovná počtu atómov prechádzajúcich prierezom 1 cm2 za 1 s s koncentračným gradientom 1 cm-4. Bór a fosfor sa používajú hlavne ako prímesi v kremíku, pričom bór vytvára nečistoty akceptorového typu a fosfor vytvára nečistoty donorového typu. Pre bór a fosfor je aktivačná energia 3,7 a 4,4 eV.

Pri výrobe integrovaných obvodov sa implementujú dva typy difúzie. Neobmedzená zdrojová difúzia je prvým stupňom difúzie, ktorý vnáša do polovodiča určité množstvo nečistôt. Tento proces sa nazýva jazdné nečistoty.

Na vytvorenie danej distribúcie nečistôt v hĺbke a na povrchu polovodiča sa uskutočňuje druhý stupeň difúzie z obmedzeného zdroja. Tento proces sa nazýva destilácia nečistôt.

5) Odstránenie oxidu a príprava povrchu pred procesom epitaxie (obr. 5).

6) Vytvorenie epitaxnej štruktúry (obr. 6). Epitaxia je proces pestovania jediného kryštálu na orientačnom substráte. Epitaxná vrstva pokračuje v kryštálovej mriežke substrátu. Jeho hrúbka môže byť od monovrstvy až po niekoľko desiatok mikrónov. Na samotnom kremíku môže byť pestovaná epitaxná vrstva kremíka. Tento proces sa nazýva auto- alebo homoepitaxia. Na rozdiel od autoepitaxie sa proces rastu monokryštálových vrstiev na substrátoch, ktoré sa líšia chemickým zložením, nazýva heteroepitaxia.

Epitaxný proces umožňuje získať polovodičové vrstvy, ktoré sú jednotné v koncentrácii nečistôt a s rôznymi typmi vodivosti (elektrónové aj dierové). Koncentrácia nečistôt vo vrstve môže byť vyššia alebo nižšia ako v substráte, čo umožňuje získať vrstvy s vysokým odporom na substráte s nízkym odporom. Pri výrobe sa epitaxné vrstvy získavajú reakciou pár zlúčenín kremíka na povrchu substrátu pomocou redukčných reakcií SiCl 4, SiBr 4. V reakčnej komore na povrchu substrátu prebieha reakcia v teplotnom rozsahu 1150-1270C

SiCl4+2H2=Si+4HCl,

v dôsledku čoho čistý kremík vo forme tuhej usadeniny dopĺňa mriežku substrátu a prchavá zlúčenina sa odstraňuje z komory.

Proces epitaxného rastu sa vykonáva v špeciálnych zariadeniach, ktorých pracovným objemom je kremenná trubica a ako nosný plyn sa používa vodík a dusík.

Hrúbka epitaxnej vrstvy typu n je 10-15 mikrónov s rezistivitou 0,1-10 Ohm*cm. V epitaxnej vrstve sú vytvorené kolektory tranzistorov a vrecká rezistorov.

7) Oxidácia povrchu epitaxnej vrstvy na vytvorenie ochrannej masky pri separačnej difúzii (obr. 7).

8) Fotolitografia na otváranie okienok pre difúziu separácie (obr. 8).

9) Uskutočnenie separačnej difúzie a vytvorenie izolovaných vreciek (obr. 9).

Separačná difúzia sa uskutočňuje v dvoch stupňoch: prvý (pohon) - pri teplote 1100-1150 °C, druhý (disperzný) - pri teplote 1200-1250 °C. Ako difúzor sa používa bór. Separačná difúzia prebieha v celej hĺbke epitaxnej vrstvy; v tomto prípade sa v kremíkovom substráte vytvoria samostatné polovodičové oblasti oddelené p-n prechodmi. V každej izolovanej oblasti sa v dôsledku následných procesov vytvára integrálny prvok.

10) Oxidácia povrchu pre fotolitografiu pri základnej difúzii (obr. 10).

11) Fotolitografia na otvorenie okien pre základnú difúziu (obr. 11).

12) Vznik základnej vrstvy difúziou nečistoty typu p (obr. 12).

13) Oxidácia povrchu pre štvrtú fotolitografiu (obr. 13).

14) Fotolitografia na otváranie okienok pre difúziu žiariča (obr. 12).

15) Vznik vrstvy emitora difúziou nečistoty typu n, ako aj následná oxidácia povrchu (obr. 15).

Difúzia žiariča sa uskutočňuje v jednom stupni pri teplote asi 105 °C. Súčasne s žiaričmi sa vytvárajú oblasti pre kontakty kolektorov. Fosfor sa používa ako dopant. Hrúbka vrstvy d? 0,5-2,0 mikrónov, koncentrácia akceptora N ? 10 21 cm -3 Používa sa na vytváranie tranzistorových žiaričov, nízkoodporových odporov, kontaktov dopingových kolektorov atď.

16) Piata fotolitografia na otváranie kontaktných okienok (obr. 16).

17) Naprašovanie hliníkovej fólie (obr. 17).

Spoje prvkov IC sú vytvorené metalizáciou. Na povrch IC sa pomocou tepelného odparovania vo vákuu nanesie vrstva hliníka s hrúbkou 1 mikrón.

18) Fotolitografia na vytvorenie schémy zapojenia a nanesenie vrstvy ochranného dielektrika (obr. 18).

Po Vo fotolitografii sa kov vypaľuje v prostredí dusíka pri teplote 500C.

Výpočet integrálnych zložiek