МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ РОСІЙСЬКОЇ ФЕДЕРАЦІЇ

ОРЛІВСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

Кафедра «ПТЕіВС»

КУРСОВА РОБОТА

на тему: " Технологія виготовлення кристалів напівпровідникових інтегральних мікросхем

Дисципліна: «Матеріалознавство та матеріали електронних засобів»

Виконав студент групи 31-Р

Козлов А. Н.

Керівник Косчинська О. В.

Орел, 2004

Вступ

Частина I. Аналітичний огляд

1.1 Інтегральні схеми

1.2 Вимоги до напівпровідникових підкладок

1.3 Характеристика монокристалічного кремнію

1.4 Обґрунтування застосування монокристалічного кремнію

1.5 Технологія отримання монокристалічного кремнію

1.5.1 Одержання кремнію напівпровідникової чистоти

1.5.2 Вирощування монокристалів

1.6 Механічна обробка монокристалічного кремнію

1.6.1 Калібрування

1.6.2 Орієнтація

1.6.3 Різання

1.6.4 Шліфування та полірування

1.6.5 Хімічне травлення напівпровідникових пластин та підкладок

1.7 Операція поділу підкладок на плати

1.7.1 Алмазне скрайбування

1.7.2 Лазерне скрайбування

1.8 Розламування пластин на кристали

Частина ІІ. Розрахунок

Висновок

Технологія виготовлення інтегральних мікросхем є сукупністю механічних, фізичних, хімічних способів обробки різних матеріалів (напівпровідників, діелектриків, металів), в результаті якої створюється ІС.

Підвищення продуктивності праці зумовлено насамперед удосконаленням технології, впровадженням прогресивних технологічних методів, стандартизацією технологічного обладнання та оснащення, механізацією ручної праці на основі автоматизації технологічних процесів. Значимість технології у виробництві напівпровідникових приладів та ІВ особливо велика. Саме постійне вдосконалення технології напівпровідникових приладів призвело на певному етапі її розвитку до створення ІВ, а надалі - широкого їх виробництва.

Виробництво ІС почалося приблизно з 1959 р. на основі запропонованої на той час планарної технології. Основою планарної технології стала розробка кількох фундаментальних технологічних методів. Поряд із розробкою технологічних методів розвиток ІС включало дослідження принципів роботи їх елементів, винахід нових елементів, удосконалення методів очищення напівпровідникових матеріалів, проведення їх фізико-хімічних досліджень з метою встановлення таких найважливіших характеристик, як граничні розчинності домішок, коефіцієнти дифузії донорних та акцепторних домішок. .

За короткий історичний термін сучасна мікроелектроніка стала одним із найважливіших напрямів науково-технічного прогресу. Створення великих та надвеликих інтегральних мікросхем, мікропроцесорів та мікропроцесорних систем дозволило організувати масове виробництво електронних обчислювальних машин високої швидкодії, різних видів електронної апаратури, апаратури управління технологічними процесами, систем зв'язку, систем та пристроїв автоматичного управління та регулювання.

Мікроелектроніка продовжує розвиватися швидкими темпами як у напрямку вдосконалення напівпровідникової інтегральної технології, так і в напрямку використання нових фізичних явищ.

1.6.1 Калібрування

Калібрування монокристалів напівпровідникових матеріалів. Забезпечує надання їм строго циліндричної форми та заданого діаметра. Калібрування монокристалів напівпровідників проводять найчастіше методом круглого шліфування на універсальних круглошліфувальних верстатах, з алмазним шліфувальним кругом з зернистістю, позначеної 50/40 (основна фракція 40 мкм, а кількість великої, розміром 50 мкм), не більше 1. Перед операцією калібрування до торців монокристалу наклеєчною мастикою приклеюють металеві конуси («центри») таким чином, щоб їх вісь збігалася з поздовжньою віссю монокристалу.

Після калібрування поверхні монокристалу утворюється порушений шар глибиною 50...250 мкм залежно від швидкості поздовжньої подачі. Присутність його на периферії підкладок може викликати появу сколів, а при подальшій високотемпературній обробці призводити до генерації структурних дефектів, що поширюються центральні області підкладки. Для зняття порушеного шару минулі операції калібрування монокристали напівпровідників піддають операції хімічного травлення.

6.2 Орієнтація

У процесі зростання монокристалів спостерігається невідповідність осі злитка кристалографічної осі. Для отримання пластин, орієнтованих заданої площині, до різання проводять орієнтацію злитків. Способи орієнтації кристалів визначаються їх природою, типом деталі та її функціональним призначенням. Оптично ізотропні діелектрики орієнтують до врахування впливу технологічних властивостей кристала на точність параметрів деталі. У анізотропних діелектриків положення заломлюючих і відбивають поверхонь деталі залежить від необхідного перетворення світлового потоку. Орієнтація напівпровідників передбачає визначення кристалографічної площини, де матеріал має задані електричні властивості. Орієнтацію напівпровідників проводять рентгенівськими чи оптичними методами.

p align="justify"> Рентгенівський метод заснований на відображенні рентгенівських променів від поверхні напівпровідникового матеріалу. Інтенсивність відображення залежить від густини упаковки атомами даної площини. Кристалографічній площині, щільніше упакованій атомами, відповідає більша інтенсивність відбиття променів. Кристалографічні площини напівпровідникових матеріалів характеризуються певними кутами відбиття рентгенівських променів, що падають на них. Величини цих кутів для кремнію: (111) -17 ° 56 ", (110) - 30 ° 12", (100) - 44 ° 23"

Рентгенівський діафрактометричний метод заснований на вимірі кута відображення характеристичного рентгенівського випромінювання від площини, що ідентифікується. Для цього застосовують рентгенівські дифрактометри загального призначення, наприклад типу ДРОН-1,5, або рентгенівські установки, наприклад типу УРС-50І (М), та інші, забезпечені рентгенівськими гоніометрами і пристроями, що забезпечують обертання монокристалу, що горизонтально розташовується навколо осі із заданою швидкістю.

При проведенні вимірювання падаючий на торцевий зріз монокристала рентгенівський промінь направляють під бреггівським кутом відбиття р. Лічильник рентгенівських квантів (Гейгера) розташовують під кутом 2р до падаючого променя. Якщо орієнтована площина, наприклад (111), становить деякий кут, а з торцевим зрізом монокристалу, то відбиття від неї можна отримати, повернувши монокристал на цей же кут.

Визначення кута відображення проводять щодо двох взаємно перпендикулярних осей, одна з яких лежить у площині креслення (рисунок 3)

Малюнок 3 - Схема орієнтації монокристалів напівпровідників рентгенівським методом: 1-падаючий рентгенівський промінь; 2 монокристал; 3 – відбитий рентгенівський промінь: 4 – лічильник Гейгера

Оптичний метод ґрунтується на тому, що на протруєній у селективному травнику поверхні напівпровідника виникають фігури травлення, конфігурація яких визначається її кристалографічною орієнтацією. На поверхні (111) фігури травлення мають форму тригранних пірамід, а на (100)-чотирьохгранних. При оснащенні такої поверхні паралельним пучком світла промені, що відбиваються, будуть утворювати на екрані світлові фігури.

Залежно від того, наскільки сильно відхилена площина торцевого зрізу монокристалу від площини (hkl), світлова фігура, утворена відбитим пучком світла, буде ближче або далі від центру екрана. За величиною відхилення світлової фігури від нульового поділу екрана визначають кут відхилення, а площині монокристалу торця від площини (hkl). Потім, повертаючи монокристал на 90°, визначають інший кут Р; після виконання орієнтації монокристалу на його торці твердосплавним різцем наносять стрілку, напрямок якої вказує, в яку сторону від торця монокристалу відхилена потрібна площина. Точність орієнтації монокристалів напівпровідників рентгенівським методом ± (2...6)", а оптичним ±(15...30)".

1.6.3 Різання

Таблиця 2- Порівняльна характеристика абразивних матеріалів

Алмаз – найтвердіший матеріал. При обробці кремнію використовуються як природні, так і синтетичні алмази, що поступаються першим за механічними властивостями. Іноді застосовують карбіди бору 4 С і кремнію SiC, а також електрокорунд Al 2 O 3 . В даний час при різанні злитків кремнію на пластини як ріжучий інструмент застосовують металеві диски з внутрішньою алмазною ріжучою кромкою.

Рисунок 5 – Схема установки для різання алмазним диском: а – внутрішній спосіб різання; б - гребінчастий спосіб різання (1 - барабан; 2 - диск; 3 - алмазне покриття; 4 - оправлення; 5 - пластина; 6 - злиток)

Поверхня пластин, отриманих після різання, не відповідає вимогам, які пред'являють до якості поверхні кремнію при планарній технології. За допомогою електронографа встановлюють наявність приповерхневих шарів, що не мають монокристалічної структури. Товщина порушеного шару після різання диском 10 – 30 мкм, залежно від швидкості обертання диска. Оскільки в ІВ глибина, де розташовуються p-n – переходи, становить одиниці і десяті частки мікрона, наявність порушених шарів товщиною 10 – 30 мкм неприйнятно. Мікронерівності на поверхні не повинні перевищувати 0,02 – 0,1 мкм. Крім того, проведення фотолітографії плоскопаралельності пластин слід підтримувати на рівні ±1 мкм діаметром пластини замість 10 мкм після різання.

6.4 Шліфування та полірування

Для забезпечення необхідної якості поверхні пластин повинні бути піддані подальшій обробці. Ця обробка полягає в шліфуванні та подальшому поліруванні пластин. Шліфування та полірування пластин проводиться на плоскошліфувальних прецизійних верстатах з використанням абразивних матеріалів з розміром зерна близько 40 мкм (мікропорошки). Найчастіше застосовують групи мікропорошків із зернами 14 мкм і менше. У таблиці 3 наведено марки та розміри зерен основної фракції використовуваних мікропорошків. Мікропорошки М14, М10, М7, М5 виготовляються з карбідів бору, кремнію та електрокорунду, мікропорошки марок АСМ – з алмазу.

Таблиця 3- Мікропорошки для шліфування та полірування пластин кремнію

Залежно від типу мікропорошку вибирається матеріал поверхні шліфувальника. При шліфуванні пластин мікропорошками М14-М15 застосовують скляний шліфувальник, при поліруванні мікропорошками АСМ – спеціальні шліфувальники з поверхнею з тканинних матеріалів. При обробці пластин на робочий шліфувальник встановлюються три головки з наклеєними пластинами. Головки утримуються від переміщення шліфувальником спеціальними направляючими кронштейнами з опорними роликами (рисунок 6). За рахунок сили тертя, що виникає між дотичними поверхнями робочого шліфувальника і головок, останні обертаються навколо своїх осей. Це обертання головок створює умови для рівномірного шліфування чи полірування.

Таблиця 4 - Характеристики мікропорошків

Тип порошку	Товщина порушеного шару, мкм	Швидкість видалення матеріалу, мкм/хв.	Клас шорсткості поверхні
М14	20 – 30	3	7
М10	15 – 25	1,5	8 – 9
АСМ3/2	9 – 11	0,5 – 1,0	12 – 13
АСМ1/0,5	5 – 7	0,35	13
АСМ0,5/0,3	Менш 3	0,25	13 – 14
АСМ0,3/0,1	Менш 3	0,2	14

Малюнок 6 - Схема плоскошліфувального верстата та розташування головок : 1- дозуючий пристрій з абразивною суспензією. ; 2- вантажі ; 3- головка ; 4- пластини ; 5- шліфувальник ; 6- напрямний ролик

Загалом механічна обробка пластин, що задовольняють вимоги планарної технології, призводить до великих втрат кремнію (близько 65%).

6.5 Хімічне травлення напівпровідникових пластин та підкладок

Супроводжується видаленням поверхневого шару з механічно порушеною кристалічною структурою, разом з яким видаляються та наявні на поверхні забруднення. Травлення є обов'язковою технологічною операцією.

Кислотне травлення напівпровідників відповідно до хімічної теорії йде в кілька етапів: дифузія реагенту до поверхні, адсорбція реагенту поверхнею, поверхневі хімічні реакції, десорбція продуктів реакції та дифузія їх від поверхні.

Травителі, для яких найповільнішими, визначальними сумарний процес травлення етапами є дифузійні, називаються поліруючими. Вони нечутливі до фізичних та хімічних неоднорідностей поверхні, згладжують шорсткості, вирівнюючи мікрорельєф. Швидкість травлення в поліруючих травника істотно залежить від в'язкості і перемішування травника і мало залежить від температури.

Травителі, для яких найповільнішими стадіями є поверхневі хімічні реакції, називаються селективними. Швидкість травлення в селективних травниках залежить від температури, структури та кристалографічної орієнтації поверхні і не залежить від в'язкості та перемішування травника. Селективні травники з великою різницею швидкостей травлення у різних кристалографічних напрямках прийнято називати анізотропними.

Поверхневі хімічні реакції при поліруючому травленні проходять у дві стадії: окислення поверхневого шару напівпровідника та переведення окис у розчинні сполуки. При травленні кремнію роль окислювача виконує азотна кислота:

Фтористоводнева (плавикова) кислота, що входить до складу травника, переводить окис кремнію в тетрафторид кремнію:

Для травлення, що дає дзеркальну поверхню пластин використовують суміш зазначених кислот у співвідношенні 3:1, температура травлення 30 ... 40 ° С, час травлення близько 15 с.

Ломка проскрайбованих пластин – дуже відповідальна операція. При неправильному розламуванні навіть добре проскрайбованих пластин виникає шлюб: подряпини, відколи, порушення форми кристалів тощо.

7.1 Алмазне скрайбування

Якість скрайбування та подальшої ломки значною мірою залежать від стану робочої частини алмазного різця. Робота різцем у зношеному ріжучому ребром або вершиною призводить до сколів при скрайбуванні та неякісній ломці. Зазвичай скрайбування виконують різцями, виготовленими з натурального алмазу, які порівняно з дешевшими різцями із синтетичних алмазів мають велику вартість. Набули поширення різці, що мають ріжучу частину у формі тригранної або усіченої чотиригранної піраміди (рисунок 7, в), різальними елементами якої є її ребра.

7.2 Лазерне скрайбування

При лазерному скрайбуванні (рисунок 8) розділові ризики між готовими структурами створюють випаровуванням вузької смуги напівпровідникового матеріалу з поверхні пластини під час її переміщення щодо сфокусованого лазерного променя. Це призводить до утворення пластини порівняно глибоких (до 50...100 мкм) і вузьких (до 25...40 мкм) канавок. Канавка, вузька і глибока формою, грає роль концентратора механічних напруг. При розламуванні пластини напруги, що виникають, призводять до утворення на дні канавки тріщин, що поширюються крізь усю товщину пластини, в результаті чого відбувається її поділ на окремі кристали.

Поряд із створенням глибокої розділової канавки гідністю лазерного скрайбування є його висока продуктивність (100...200 мм/с), відсутність напівпровідникової пластини мікротріщин і сколів. Як ріжучий інструмент використовують імпульсний оптичний квантовий генератор з частотою проходження імпульсів 5...50 кГц і тривалістю імпульсу 0,5 мс.

Малюнок 8 - Схема лазерного скрайбування напівпровідникової пластини

8 Розламування пластин на кристали

Розламування пластин на кристали після скрайбування здійснюється механічно, приклавши до неї згинальний момент. Відсутність дефектів кристалів залежить від прикладеного зусилля, яке залежить від співвідношення габаритних розмірів та товщини кристалів.

Малюнок 10 - Розламування напівпровідникової пластини прокочуванням між валиками: 1 - пластина; 2 – пружний валик; 3 – захисна плівка; 4 – сталевий валик; 5 - плівка-носій

Пластину 1, розташовану ризиками вгору, прокочують між двома циліндричними валиками: верхнім пружним (гумовим) 2 і нижнім сталевим 4. Для збереження початкової орієнтації кристалів пластину закріплюють на термопластичній або адгезійній плівці-носії 5 і захищають її робочу поверхню поліети. Відстань між валиками, що визначається товщиною пластини, встановлюють, переміщуючи один з них.

При розламуванні на сферичній опорі (малюнок 11) пластину 2, розташовану між двома тонкими пластичними плівками, поміщають ризиками вниз на гумову діафрагму 3, підводять зверху сферичну опору 1 і за допомогою діафрагми пневмонічним і гідравлічним способами притискають до неї пластин . Достоїнствами цього є простота, висока продуктивність, (ломка займає трохи більше 1¸1,5 хв) і одностадійність, і навіть досить високу якість, т.к. кристали не зміщуються щодо один одного.

Таблиця 5 – Глибина порушеного шару пластин кремнію після різних видів механічної обробки

Частина ІІ. Розрахунок

ВИЗНАЧЕННЯ СУМАРНОГО ПРИПУСК НА МЕХАНІЧНУ ОБРОБКУ

Z = Z ГШ + Z ТШ + Z ПП + Z ФП,

де Z – сума припусків на обробку, Z ГШ – припуск на грубе шліфування, Z ТШ – припуск на точне шліфування, Z ПП – припуск на попереднє полірування, Z ФП – припуск на фінішне полірування.

m ∑ = ρ* l ∑ * S,

де S – площа заготовки, = 2,3 г/см – щільність кремнію.

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

Маса обробленої заготівлі:

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

M П = (N * m) / n,

де M П - Корисна маса матеріалу.

k ІМ = M П / M,

де k ІМ – коефіцієнт використання матеріалу.

K ІМ = 11,903/16,479 = 0,722

Висновок

У роботі був розроблений технологічний процес для виготовлення кристалів напівпровідникових інтегральних мікросхем з монокристалічного кремнію. У цьому коефіцієнт використання матеріалу для розглянутих виробничих умов становив 0,722. Це свідчить, що технологічність виробництва перебуває в досить високому рівні, особливо у етапі обробки заготовок, т. до. вихід придатного з обробки дорівнює 81%. Значення коефіцієнта використання матеріалу досить високо, хоча цей технологічний процес був порівняно недавно впроваджений з виробництва.

Список використаної літератури

1. Березін А.С., Мочалкіна О.Р.: Технологія та конструювання інтегральних мікросхем. – М. Радіо та зв'язок, 1983. – 232 с., іл.

2. Готра З. Ю. Технологія мікроелектронних пристроїв: Довідник. - М: Радіо і зв'язок, 1991. - 528 с.: іл.

3. Коледов Л. А. Технологія та конструкції мікросхем, мікропроцесорів та мікроскладань: Підручник для вузів. - М: Радіо і зв'язок,1989. – 400 с., іл.

4. Конструювання та технологія мікросхем. Курсове проектування: під ред. Л. А. Колєдова. - М: Вищ. шк., 1984. – 231 с., іл.

5. СтепаненкоІ. Основи мікроелектроніки: Навчальний посібник для вузів. - 2-ге вид., перераб. та дод. – М.: Лабораторія Базових Знань, 2000 – 488 с., іл.

6. Черняєв В. Н. Технологія виробництва інтегральних мікросхем та мікропроцесорів: Підручник для вузів. - 2-ге вид., перераб. та дод. - М: Радіо і зв'язок, 1987. - 464 с.: іл.

Вступ

1.аналітичний огляд

2. Технологічна частина

1 Опис технологічного процесу

2 Вибір класу виробничих приміщень

3 Основні матеріали та реактиви

4 Основні технологічні операції

4.1 Очищення підкладки

4.2 Термічне окиснення

4.3 Літографічні процеси

4.4 Іонна імплантація

4.5 Металізація

4.6 Міжшарова ізоляція

3. інженерно – економічні розрахунки

Висновок

Вступ

Технологія інтегральних схем, розвиваючись винятково швидкими темпами, досягла неймовірних успіхів. Електроніка пройшла кілька етапів розвитку, протягом яких змінилося кілька поколінь елементної бази: дискретна електроніка електровакуумних приладів, інтегральна електроніка мікросхем (мікроелектроніка), інтегральна електроніка функціональних мікроелектронних пристроїв (функціональна мікроелектроніка). В даний час вона відіграє визначальну роль у вдосконаленні практично всіх галузях народного господарства (інтегральні схеми використовуються в комп'ютерах, системах автоматизованого проектування, промислових роботах, засобах зв'язку та ін.).

Застосовувані під час виготовлення напівпровідникових інтегральних мікросхем (ІМС) технологічні процеси носять груповий характер, тобто. одночасно виготовляється велика кількість ІМС. Багато технологічних операцій дозволяють здійснити обробку до 200 пластин, що дозволяє одночасно виготовити понад мільйон електронних приладів.

p align="justify"> Для реалізації великих можливостей планарної технології необхідне виконання чималої кількості загальних вимог виробництва та певних технологічних умов, що забезпечують отримання зразків напівфабрикатів високої якості на всіх технологічних етапах. А це неможливо без застосування особливо чистих основних та допоміжних матеріалів, що виділяються у спеціальний клас «для напівпровідникового виробництва», точного технологічного та контрольного обладнання, виробничих приміщень, що задовольняють настільки високі вимоги технологічної гігієни, які не зустрічаються в жодних інших галузях.

Метою даного проекту є вивчення сучасних технологічних прийомів у виробництві виробів твердотільної електроніки та розробка наскрізного технологічного процесу виготовлення МДП-транзистора з діодом Шоттки.

транзистор інтегральна схема

1. Аналітичний огляд

Польовий транзистор із ізольованим затвором - це польовий транзистор, затвор якого відокремлений в електричному відношенні від каналу шаром діелектрика. Польовий транзистор із ізольованим затвором складається з пластини напівпровідника (підкладки) з відносно високим питомим опором, у якій створено дві області із протилежним типом електропровідності). На ці області нанесені металеві електроди - витік та стік. Поверхня напівпровідника між витоком та стоком покрита тонким шаром діелектрика (зазвичай шаром оксиду кремнію). На шар діелектрика нанесено металевий електрод - затвор. Виходить структура, що складається з металу, діелектрика та напівпровідника (рисунок 1). Тому польові транзистори з ізольованим затвором часто називають МДП-транзисторами або МОП-транзисторами (метал-оксид (окис)-напівпровідник).

Рисунок 1 - Топологія та основні елементи МОП-транзистора

Технологія виготовлення МОП-ІМС займає домінуюче становище серед процесів виготовлення напівпровідникових ІМС. Це тим, що ІМС на МОП-транзисторах становлять значну частину основних виробів мікроелектроніки різного функціонального призначення. Завдяки високій надійності та великій функціональній складності МОП-ІМС мають менші геометричні розміри, ніж ІМС на біполярних транзисторах. Технологія виготовлення кристалів МОП-ІМС багато в чому схожа на технологію біполярних ІМС. Відмінність у своїй обумовлено низкою конструктивно-технологічних особливостей самих МОП-ИМС.

Розрізняють МОП-транзистори з вбудованим та індукованим каналом:

· У МОП-транзисторах із вбудованим каналом є спеціальний вбудований канал, провідність якого модулюється зміщенням на затворі. У разі каналу типу позитивний канал відштовхує дірки з каналу (режим збіднення), а негативний притягує (режим збагачення). Відповідно провідність каналу або зменшується, або збільшується, порівняно з її значенням при нульовому зміщенні.

· МОП-транзистори з індукованим каналом провідний канал виникає між сильнолегованими областями витоку і стоку і, отже, помітний струм стоку з'являються тільки при певній полярності і при певному значенні напруги на затворі щодо витоку (негативного при p-каналі і позитивного при n-каналі). Цю напругу називають пороговою.

Першими у промисловому виробництві були p-МОП-ІМС, т.к. виготовлення n-МОП-ІМС утруднювалося виникненням на поверхні p-Si при термічному оксидуванні інверсного n-шару, який електрично зв'язує елементи ІМС. Але нині у виробництві переважають n-канальні ІМС.

Транзистори з електронною провідністю каналу мають кращі характеристики, оскільки рухливість електронів у кремнії значно перевищує рухливість дірок.

МДП-ІМС виготовляють за планарною технологією. Найбільш відповідальні моменти у технологічному процесі це: створення підзатворного діелектрика, точне поєднання затвора з каналом та отримання структур з малою довжиною каналу.

Для польового транзистора із ізольованим затвором можливе його поєднання з діодом Шоттки. Діод Шоттки в інтегральному виконанні є контактом напівпровідник - метал, на якому утворюється так званий бар'єр Шоттки. Переходам такого типу, виконаних з урахуванням певних вимог, притаманні такі ефекти як несиметрія вольт-амперної характеристики та наявність бар'єрної ємності. Для отримання подібних переходів метал, що наноситься як електрод на поверхню електронного напівпровідника, повинен мати роботу виходу, меншу за роботу виходу напівпровідника; для електрода, що наноситься на поверхню діркового напівпровідника, потрібен метал з більшою роботою виходу (рисунок 2).

Малюнок 2 - Зонна діаграма утворення бартеру Шоттки в місці контакту металу та напівпровідника p-типу

В цьому випадку в напівпровіднику на кордоні з металом утворюється збагачений основними носіями шар, що забезпечує високу провідність переходу незалежно від напрямку струму.

Загалом виготовлення МДП-транзистора з діодом Шоттки не вимагає введення додаткових технологічних операцій.

2. Технологічна частина

1 Опис технологічного процесу

Малюнок 3 - Послідовність технологічних операцій виробництва МОП-транзистора з діодом Шоттки

У вихідну пластину методом іонної імплантації впроваджуються бор для отримання підкладки p-типу (рисунок 3 а).

Після цього за допомогою фотолітографії та іонної імплантації фосфору формуються з підвищеним вмістом донорів (рисунок 3, в-е).

Згодом вирощується додатковий шар діоксиду кремнію. Так як температура на цій стадії висока, то домішки фосфору протягом цієї операції більш рівномірно розподіляються в товщі шару підповерхневого підкладки (рисунок 3, ж).

За допомогою чергової фотолітографії видаляємо оксид кремнію в ділянці, що розділяє стік та виток майбутнього транзистора (рисунок 3, з).

Тепер найвідповідальніша у всьому циклі виробництва операція - вирощування підзатворного діелектрика (рисунок 3, і).

Тепер залишається сформувати електроди стоку, витоку та затвора, а також перехід Шоттки. Зараз спрощено покажемо цю металізацію (рисунок 3, к-м), а далі детальніше розглянемо принципи її формування (розділ 2.4.5).

2 Вибір класу виробничих приміщень

За основу сучасних вимог щодо класів чистоти чистих приміщень та чистих зон беруться норми, визначені у Федеральному стандарті США FS209E. Підготовлений проект Російського стандарту гармонізований із цим стандартом США.

Критерій чистоти - це відсутність або мінімальна кількість частинок забруднень, які, перебуваючи на поверхні пластини, можуть викликати або дефекти в шарах, що вирощуються, або спричиняти короткі замикання сусідніх близько розташованих елементів ІС.

Таблиця 1-Класи чистоти за зваженими в повітрі частинками для чистих приміщень

Клас чистоти Гранично допустима лічильна концентрація частинок N (шт/м 3) розміром рівним і перевищує (мкм)0,10,20,30,51,0Клас 1 ISO102---Клас 2 ISO10024104-Клас 3 ISO1000237102358Клас 4 ISO100002370102000 3520832Клас 6 ISO1000000237000102000352008320Клас 7 ISO---35200083200Клас 8 ISO---3520000832000Клас 9 ISO---352000008320000

Кількісний критерій - критичний розмір частинок - одна третина мінімального геометричного горизонтального розміру елемента ІС:

Таким чином, можна вибирати чисте приміщення, що відповідає класам чистоти від ISO 1 до ISO 6. Орієнтуючись також на вартість, вибираємо клас чистоти ISO 2, для якого максимально допустима концентрація зважених у повітрі частинок, рівних або більших за розмір 0,2 мкм ( число частинок в 1м3 повітря) складає:

де N – номер класу чистоти ISO; D - розмір частинок, що розглядається, мкм.

3 Основні матеріали та реактиви

Протягом багатьох років основним напівпровідниковим матеріалом, що використовується для виготовлення інтегральних схем, залишається монокристалічний кремній. Пластини кремнію є основою, в поверхневих шарах якої створюються напівпровідникові області із заданими електрофізичними характеристиками. На поверхні кремнію формуються діелектричні шари окисленням напівпровідникового матеріалу або нанесенням діелектриків із зовнішніх джерел; утворюються структури багатошарової металізації, захисні шари, що стабілізують і так далі. Вимоги до пластин кремнію детально відпрацьовані, існує цілий каталог міжнародних стандартів асоціації SEMI, водночас продовжується постійне підвищення вимог до кремнію, що пов'язане із постійним прагненням до зниження собівартості кінцевого продукту – інтегральних схем.

Нижче наведені деякі геометричні характеристики пластин кремнію відповідно до технічних умов ЕТО.035.124ТУ, ЕТО.035.206ТУ, ЕТО.035.217ТУ, ЕТО.035.240ТУ, ЕТО.035.578ТУ, ПБЦО.032.015ТУ.

Діаметр пластини 100 мм.

Орієнтація кремнієвої підкладки (100) має перевагу в порівнянні з (111), що полягає з більш високою рухливістю електронів, обумовленої низькою щільністю поверхневих станів на межі кремній діелектрик.

Товщина пластини 500 мкм.

Розкид значень товщини партії ±10 мкм.

Розкид значень товщини пластини ±12 мкм.

Прогин 20 мкм.

Відхилення від площинності ±5 мкм.

Високі вимоги щодо домішок та механічних частинок пред'являються до деіонізованої води. У таблиці 2 наведені виписки з керівного матеріалу міжнародної асоціації SEMI із зазначенням рекомендованих параметрів надчистої води для напівпровідникових інтегральних схем з мінімальним розміром елемента 0,8-1,2 мкм. Відповідна індексація рідких реагентів за стандартами SEMI записується як SEMI C7.

Значення параметра питомого електричного опору води має бути близьким до теоретичної величини 18,2 Мм·см.

Зміст органіки, що окислюється, 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<5SiO23Зміст іонів, ppb Na +K +Cl -Br -NO 3-SO 42-Загальна кількість іонів, ppb 0,025 0,05 0,025 0,05 0,05 0,2<0.2Сухой остаток, ppm<0,05

Крім параметрів, вказаних у таблиці, у рекомендаціях SEMI наведено дані щодо наявності слідів ряду металів у воді. Аналіз проводиться зміст таких металів: Li, Na, K, Mg, Ca, Sr, Ba, B, Al, Cr, Mn, Fe, Ni, Cu, Zn, Pb.

Для води градації SEMI C7 для всіх зазначених елементів допустима концентрація слідів лежить в межах від 0,001 до 0,005 ppb.

Рівень чистоти рідких хімічних реактивів, що застосовуються у виробництві інтегральних схем, визначається серією міжнародних стандартів та має різні градації відповідно до рівня складності інтегральних схем.

«Grade 2» має позначення стандарту, що починається із символів SEMI C7. Реактиви, що мають рівень чистоти Grade 2, використовуються при виготовленні інтегральних схем з проектними нормами в діапазоні 0,8-1,2 мкм, що відповідає вимогі завдання. У реактивах градації Grade 2 контролюються сторонні частинки розміром 0,5 мкм і вище. Практично у всій номенклатурі реактивів максимальна норма – 25 частинок на 1 мл реактиву. У специфікаціях на такі реактиви вміст слідів металів зазначається 5-10 ppb.

Крім стандартів для хімічних реактивів підвищеної чистоти, розроблені специфікації у вигляді керівних матеріалів.

Відповідно до них сформовано три рівні (ярусу) вимог до чистоти: A, B, C (в англійському написанні - Tier A, Tier B, Tier C). Рівню А відповідають вимогам стандарту SEMI C7. Відповідно, реактиви для цього технологічного процесу повинні відповідати Tier A (ярус A).

У технології виготовлення інтегральних схем виняткову роль відіграють гази. Практично всі технологічні процеси проходять у газовому середовищі і проблема створення виробництва напівпровідникових приладів «без забруднень» - це проблема чистоти газів. Розрізняють два типи газових середовищ: гази - носії та гази хімічних реакцій у технологічних процесах. Парціальний тиск газів-носіїв, як правило, високий, тому їх чистота з урахуванням високої концентрації в робочому газовому середовищі особливо критична в технології.

Таблиця 3 - Гази у технологічних процесах виготовлення ІВ

№НайменуванняХімічна формулаЗміст основної речовини, %Сумарний вміст домішок (ppm частин моля/моль)1АміакNH 399,998122АргонAr99,999900,953АрсінAsH 399,94533 (з них 500 ppm - водень H 2)4Трьоххлористий борBCl 399,9995 (за вагою у рідкій фазі)5 (за вагою у рідкій фазі)5Трифторид боруBF 399,00,94% - гази нерозчинні у воді, 200 ppm - SiF 4. Інші домішки - 28 ppm.6Чотирьохфтористий вуглецьCF 499,99730, у т. ч. 20 - N 2, 5 - O 27ДіборанB 2H 699,81012, з них 500 - CO 2 300 - B 4H 10- Тетраборан 50 - H 250 - N 28ДихлорсиланH 2SiCl 299Основні домішки - інші хлорсилани в рідкій фазі9ГелійHe99,99954,510ГексафторетанC 2F 699,9963911 Водень H 299,99972,812Хлористий воденьHCl99,9972813Фтористий ангідридHF99,94525, в т. ч. 200 - водяні пари за обсягом14АзотN 299,999990,115Трифторид азотуNF 399,81000, у т. ч. CF 4- 500, CO - 130, N 2-100, O 2- 10016Закис азотуN 2O99,99726, у т. ч. 10 - N 217КисеньO 299,998218ФосфінPH 399,98181, у т. ч. 100 - H 2, 50-N 219МоносіланSiH 499,9945920Чотирьоххлористий кремнійSiCl 499,6Основні домішки: SiH 2Cl 2- 0,2% у рідкій фазі, SiHCl 3- 0,2% у рідкій фазі21Гексафторид сіркиSF 699,97209, у т. ч. 100 - CF 422Гексафторид вольфрамуWF 699,99639, у т. ч. 20 - HF23Трифторид хлоруClF 3

4 Основні технологічні операції

2.4.1 Очищення підкладки

Зрозуміло, що на будь-якій підкладці в якійсь кількості є забруднення. Це можуть бути частинки пилу, молекули різних речовин як неорганічних, так і органічних. Пилоподібні частинки видаляються або механічною кистьовою, або ультразвуковою відмиванням. Застосовуються методи з використанням відцентрових струменів. Процедура хімічної очистки зазвичай проводиться після ліквідації неорганічних молекул та атомів, і полягає у видаленні органічних забруднень.

Звичайна процедура очищення виконується у суміші H 2O-H 2O 2-NH 4OH, яка забезпечує видалення органічних сполук за рахунок сольватуючої дії гідроксиду амонію та окислювальної дії перекису водню. Для видалення важких металів використовують розчин H 2O-H 2O 2-HCl. Подібне очищення підкладок проводиться при температурі ~80 º З протягом 10-20 хвилин, після чого здійснюється їх відмивання та сушіння.

4.2 Термічне окиснення

Під окисленням напівпровідників розуміють процес їх взаємодії з агентами, що окислюють: киснем, водою, озоном і т.д.

Шар двоокису кремнію формується зазвичай на кремнієвій пластині за рахунок хімічної взаємодії в приповерхневій ділянці напівпровідника атомів кремнію та кисню. Кисень міститься в окислювальному середовищі, з яким контактує поверхню кремнієвої підкладки, нагрітої в печі до температури 900 - 1200 °С. Окислювальним середовищем може бути сухий або вологий кисень. Схематично вид установки показаний малюнку 4 (у сучасних установках пластини в подложкодержателе розташовуються вертикально).

Рисунок 4-Схема встановлення процесу термічного окиснення

Вимоги до обладнання:

1)контрольована з точністю до 1 градуса температура підкладкоутримувача;

2)забезпечення плавного підвищення та зниження температури в реакторі (двостадійний нагрівання);

)відсутність сторонніх частинок в реакторі (підкладкотримач спочатку вводиться в трубу реактора, а потім опускається на дно);

)відсутність сторонніх домішок, зокрема іонів натрію на внутрішній поверхні реактора (з метою їх видалення проводиться попереднє продування труби реактора хлором);

)забезпечення введення кремнієвих пластин у реактор відразу після їх хімічної очистки.

Хімічна реакція, що йде на поверхні кремнієвої пластини, відповідає одному з наступних рівнянь:

· окиснення в атмосфері сухого кисню (сухе окиснення): Si ТБ + O 2= SiO 2;

· окиснення в парах води (вологе окиснення): Si ТБ +2H 2O = SiO 2+ 2H 2;

· термічне окиснення у присутності хлору (хлорне окиснення);

· окислення в парах води при підвищених температурі та тиску (гідротермальне окислення).

При одній і тій же температурі коефіцієнт дифузії води в діоксид кремнію істотно вище коефіцієнта дифузії кисню. Цим пояснюються високі швидкості зростання оксиду у вологому кисні. Вирощування плівок тільки у вологому кисні не застосовується через погану якість оксиду. Більш якісні плівки виходять у сухому кисні, але швидкість їхнього зростання занадто мала.

Для маскування при локальних обробках оксидування ведуть в режимі сухий кисень. Для формування підзатворних діелектрика МОП-структур застосовують сухий кисень, т.к. плівки виходять якісніші.

4.3 Літографічні процеси

Основне призначення літографії при виготовленні структур мікросхем - отримання на поверхні пластин контактних масок з вікнами, що відповідають топології технологічних шарів, що формуються, і подальша передача топології (малюнку) з маски на матеріал даного шару. Літографія є складним технологічним процесом, заснованим на використанні явищ, що відбуваються в резистах при актинічному опроміненні.

Резисти, розчинність яких у проявнику збільшується після опромінення, називаються позитивними. Негативні резисти після опромінення стають практично нерозчинними у проявнику.

Стандартно в електронній промисловості застосовується оптична літографія – фотолітографія (рисунок 5), – для якої застосовують фоторезисти, чутливі до актинічного випромінювання з довжиною хвилі від 200 до 450 нм. Фоторезисти являють собою складні полімерні композиції, у складі яких є фоточутливі та плівкоутворюючі компоненти, розчинники та спеціальні добавки.

У проекті використовується позитивний високоякісний та стабільний фоторезист ФП-20Ф, призначений для реалізації контактних та проекційних фотолітографічних процесів у виробництві напівпровідникових приладів та інтегральних схем. Відповідно, для травлення можна застосовувати слабкий водний розчин KOH або NaOH.

Найбільш оптимальний спосіб нанесення фоторезиста – центрифугування. Підкладка закріплюється на горизонтальній центрифузі. На підкладку наноситься 1-5 мл фоторезисту (залежно від розмірів підкладки). Центрифуга приводиться у обертання до швидкості 1000-3000 об/хв (залежно від марки фоторезиста). Обертання триває 1-2 хв до формування плівки фоторезиста, розчинник при цьому випаровується.

Рисунок 5 – Схема основних операцій фотолітографічного процесу

Існує кілька способів експонування, у проекті будемо використовувати безконтактний (рисунок 6). Проекційний друк дозволяє повністю унеможливити пошкодження поверхні шаблону. Зображення топологічного малюнка шаблону проектується на покриту резистом пластинку, яка розташована на відстані кількох сантиметрів від шаблону.

Джерело світла; 2-оптична система; 3 шаблон;

Фоторезист; 5 кремнієва пластина.

Малюнок 6-Схема проекційного друку

Для досягнення високої роздільної здатності відображається лише невелика частина малюнка шаблону. Це невелика область, що відображається, сканується або переміщається по поверхні пластини. У скануючих проекційних пристроях друку шаблон та пластина синхронно переміщуються.

При сушінні фоторезиста дуже важливо підібрати потрібну температуру і час. Сушіння фоторезиста буде здійснюватися найбільш поширеним способом - ІЧ-випромінюванням. При цьому розчинник видаляється рівномірно по товщині шару резиста і не відбувається ущільнення, а час сушіння знижується до декількох хвилин.

4.4 Іонна імплантація

Легування напівпровідникових матеріалів з метою отримання заданих електрофізичних параметрів шарів для формування певної геометричної структури ІС залишається найважливішим технологічним завданням. Існує два види легування: дифузійне (включає стадії загонки домішки і наступної розгонки) і іонне.

Найбільш поширеним є іонна імплантація (іонне легування) як процес впровадження у мету іонізованих атомів з енергією, достатньої для проникнення в її приповерхневі області (рисунок 7). Цей спосіб відрізняється універсальністю (можна вводити будь-які домішки у будь-яке тверде тіло), чистотою та точністю процесу легування (практично виключається попадання неконтрольованих домішок) та низькими температурами процесу.

Джерело іонів; 2 – мас-спектрометр; 3 – діафрагма; 4 - джерело високої напруги; 5 - прискорювальна трубка; 6 – лінзи; 7 - джерело живлення лінз; 8 - система відхилення променя по вертикалі та система відключення променя; 9 – система відхилення променя по горизонталі; 10 - Мета для поглинання нейтральних частинок; 11 – підкладка.

Малюнок 7 - Схема встановлення іонного легування

При іонній імплантації проявляється ряд небажаних ефектів, таких як ефект каналювання, аморфізація шару підповерхневого шару підкладки, утворення радіаційних дефектів.

Ефект каналування спостерігається при попаданні іона у вільний простір між рядами атомів. Такий іон поступово втрачає енергію за рахунок слабких зіткнень зі стінками каналу і, зрештою, залишає цю область. Відстань, що проходить іоном у каналі, може у кілька разів перевищувати довжину пробігу іона в аморфній мішені, а значить профіль розподілу домішки виходить нерівномірним.

При впровадженні іонів у кремнієву кристалічну підкладку вони піддаються електронним та ядерним зіткненням, проте лише ядерні взаємодії призводять до зміщення атомів кремнію. Легкі та важкі іони по-різному взаємодіють із підкладкою.

Легкі іони під час впровадження у мету спочатку відчувають переважно електронне гальмування. На профілі розподілу зміщених атомів по глибині підкладки існує прихований максимум концентрації. При запровадження важких іонів вони відразу починають сильно гальмуватися атомами кремнію.

Тяжкі іони зміщують велику кількість атомів мішені з вузлів кристалічних ґрат поблизу поверхні підкладки. На остаточному профілі розподіл густини радіаційних дефектів, що повторює розподіл довжин пробігу вибитих атомів кремнію, існує широкий прихований пік. Наприклад, легкі іони 11B відчувають в основному електронне гальмування, важкі іони 31P або 75As - гальмуються атомами кремнію.

У зв'язку з цим після проведення іонного легування необхідно провести постімплантаційне відпал, щоб відновити приповерхневу область мішені.

Області стоку та витоку формуватимемо використанням фосфору, а для отримання підкладки p-типу вихідну підкладку легуватимемо бором.

4.5 Металізація

Металізація завершує процес формування напівпровідникових структур. Для кожної ІМС металізацію бажано виконувати з одного матеріалу. Процес металізації полягає в реалізації міжкомпонентних сполук з низьким опором та створення контактів з низьким опором до високолегованих областей p- і n-типу та шарів полікристалічного кремнію.

Відповідно до завдання на курсовий проект необхідно сформувати 3 шари металізації. Така металізація повніше відповідає вимогам, але менш технологічна, т.к. містить не один шар металу.

Як перший шар металізації на оксиді найчастіше використовують тугоплавкі метали, особливо молібден та ванадій. Ім'я більшу провідність, ніж інші тугоплавкі метали, вони відрізняються високою стабільністю, гарною адгезією, легко труїться при фотолітографії. Повинні мати малу розчинність у матеріалі підкладки і створювати хороший омічний контакт з напівпровідником, невеликою пороговою напругою. Другим шаром зазвичай служить алюміній, а особливо відповідальних пристроях - золото. Він має бути високопровідним.

Останній по порядку нанесення шар металізації, званий провідним шаром, повинен мати хорошу електропровідність та забезпечувати якісне приєднання контактних майданчиків до висновків корпусу. Для провідних шарів використовуються мідь, алюміній, золото.

Існує безліч методів одержання металевих плівок. Отримання якісних незабруднених плівок методом термовакуумного напилення складно. Плівки алюмінію, отримані термовакуумним випаром, мають велику нерівномірність розмірів зерен і високо концентрацію всередині зерен. Їхня подальша термообробка призводить до міграції атомів металу і скупчення їх навколо великих частинок з утворенням високих горбків. Отримання малюнків на таких плівках фотолітографією призводить до більших нерівностей країв внаслідок анізотропії травлення по межах зерен. Тому для отримання ліній металізації дуже малої ширини відмовляються від термовакуумних процесів. Спосіб хімічного осадження плівок із парогазової суміші частіше застосовується у лабораторних умовах. Електронно-променеве незважаючи на те, що ускладнює конструкцію установки, дозволяють знизити забруднення плівок та підвищити продуктивність процесу (рисунок 8). Оптимальна швидкість зростання плівки становить 0,5 мкм/хв. За допомогою даного методу плівки алюмінію наносять і його сплавів, а також Si, Pd, Au, Ti, Mo, Pt, W.

До переваг електронно-променевого випаровування належать:

· можливість використання великих за масою джерел (не потрібно перезавантаження при нанесенні товстих плівок);

· можливість послідовного нанесення різних плівок із сусідніх джерел, розташованих в одній камері;

· висока швидкість зростання плівок;

· можливість напилення тугоплавких матеріалів.

Бар'єр Шоттки за функціями, що виконуються, не відноситься до металізації, але за технологією формування його можна віднести до металізації, т.к. вона аналогічна отриманню омічних контактів до активних областей. Найважливішим етапом формування бар'єрів Шоттки є вибір пари метал – напівпровідник та оптимальних режимів.

Отже, для контактного шару застосуємо силіцид платини, який буде нанесений методом електронно-променевого випаровування шляхом випаровування спільного з двох джерел. Бар'єр Шоттки забезпечить сплав титану та вольфраму, нанесений на кремній тим самим методом. По суті, цей сплав буде аналогічним до сильнолегованої області. Для провідного шару застосовується алюміній, також нанесений методом електронно-променевого випаровування.

4.6 Міжшарова ізоляція

Багаторівнева металізація застосовується для БІС та НВІС. Збільшення числа елементів збільшує і площу міжелементних з'єднань, тому їх розміщують у кілька рівнів, розділених ізолюючими шарами та з'єднаними між собою у потрібних місцях.

Ізолювальні діелектричні плівки повинні мати високу напругу пробою, низькі діелектричну постійну та втрати, мінімальну хімічну взаємодію з прилеглими плівками, низький рівень механічних напруг, низьку щільність зв'язаного електричного заряду, високу хімічну стабільність та технологічність при отриманні плівок та створенні. Неприпустимим є наявність наскрізних отворів, які можуть призвести до короткого замикання між шарами металізації.

Технологія багаторівневої металізації включає формування першого рівня металізації, отримання ізолюючого шару з наступним розкриттям контактів міжрівневих вікон, формування другого шару металізації і т.д.

Багато серійно випускаються ІМС виготовляються на основі алюмінієвої металізації з ізолюючими шарами SiO 2. Плівки діоксиду кремнію можуть осідати як з легуючими добавками, так і без них. Найважливіший параметр при осадженні SiO 2- Відтворюваність рельєфу (рисунок 9).

Малюнок 9-Конформне відтворення. Товщина плівки на стінках сходинки не відрізняється від товщини на дні та поверхні. Зумовлено швидкою поверхневою міграцією

В даному проекті як ізолююча плівка між багаторівневою металізацією використовується нелегований діоксид кремнію, що наноситься методом хімічного осадження з газової фази (рисунок 10). Останній заснований на використанні явища піролізу або хімічних реакцій для формування плівок ізолюючого матеріалу.

Малюнок 10 - Установка формування плівок методом хімічного осадження з газової фази за нормального тиску

Як хімічно активний газ застосовують моносилан SiH 4і кисень, а як буферний газ - азот.

SiH 4+ O 2→ SiO 2+ 2H 2

Такий процес є найнижчим для отримання якісних діелектричних шарів SiO 2(реакцію проводять у діапазоні температур 200-400 º З). Недоліком є ​​горючість та вибухонебезпечність силану. Плівки формуються дуже чистими, але через низькі температури виходять нещільними. Щоб уникнути цього, потрібно строго регулювати концентрацію силану в газовій фазі і подавати його безпосередньо на поверхні пластин, запобігаючи росту SiO 2у газовій фазі.

3. Інженерно-економічні розрахунки

Тема проекту: Розробка технологічного процесу виготовлення напівпровідникових інтегральних схем

Тип технології: МОП транзистор з діодом Шоттки

Матеріал підкладки: Si

Вихідні дані щодо проекту:

Розмір кристала (чіпа) 10х10 мм2

Мінімальна проектна норма елемента ІС 0,3 мкм

Щільність дефектів на шар 0,1 деф/см2

Число шарів металізації 1

Обчислення відсотка виходу придатних структур на пластині (Y) провадиться за такою формулою:

де D0 - питома густина дефектів, що припадають на одну фотолітографію, деф/см2; A – активна площа кристала, см2; F – число фотолітографічних процесів у повному технологічному циклі виготовлення ІВ.

Розрахунок загального обсягу випуску придатних виробів проводиться за вихідними даними. Вихід придатних структур на пластині: ,

де Aпл – активна площа пластини діаметром 100 мм, A – площа елемента, см2.

Річний обсяг виробництва при запуску Z=300 пластин на добу за умови, що відсоток виходу придатних виробів на складальних операціях W=95%:

Таблиця. Розрахунок порогової напруги МОП транзистора.

N a , см -31∙1016 => 1∙1022м -3W H мкм1,5 = 1,5∙10 -6мt ox , Нм40 => 4∙10 -8мL H мкм1,5 = 1,5∙10 -6мL, мкм1,5 => 1,5∙10 -6мU DD , В3W, мкм16 => 1,6 ∙ 10 -5м ε Si ,11,9μ n 0.15ε Si02 3.9ε 08.85∙10-12Ф/м 2

8,6∙10-4 Ф/м

де, - Поверхневий потенціал.

де - падіння напруги на шарі оксиду.

ВИСНОВОК

У цій роботі розглянуто технологію виготовлення плат напівпровідникових інтегральних мікросхем. Напівпровідникова інтегральна мікросхема - це мікросхема, елементи якої виконані у приповерхневому шарі напівпровідникової підкладки. Ці ІВ складають основу сучасної мікроелектроніки. Розміри кристалів у сучасних напівпровідникових інтегральних мікросхем досягають мм2, чим більша площа кристала, тим більше багатоелементну ІВ можна на ній розмістити. При одній і тій же площі кристала можна збільшити кількість елементів, зменшуючи їх розміри та відстані між ними.

При використанні іншого типу підзатворного діелектрика, інших металів при формуванні контактів з кремнієм, інших шарів, що ізолюють, можливе отримання більш складних схем з ще меншим розміром елементів.

Список використаних джерел

1.Єжовський Ю.К. Основи тонкоплівкового матеріалознавства та технології інтегральних пристроїв: Навчальний посібник/ СПбГТІ.- СПб., 2005.-127с.

2.Інтегральні пристрої радіоелектроніки УМК, СЗТУ, СПб 2009

.Малишева І.А. Технологія виробництва інтегральних мікросхем: Підручник для технікумів. - М.: Радіо та зв'язок., 1991. - 344с.

4. , Гуртов В.А. Твердотільна електроніка: Навчальний посібник. -Петрозаводськ., 2005.-405с.

Квітів В.П. Технологія матеріалів та виробів твердотільної електроніки: Методичні вказівки / СПбГТІ. - СПб., 1998.-67с.

http://www.analog.energomera.ru, Пластини кремнію монокристалічного.

. , Курс лекцій з дисципліни «Технологія СБІС».

3 ТЕХНОЛОГІЧНІ ОСНОВИ ВИРОБНИЦТВА

НАПІВПРОВІДНИКОВИХ ІНТЕГРАЛЬНИХ МІКРОСХЕМ

Технологія виробництва напівпровідникових інтегральних мікросхем (ПІМС) розвинулася на основі планарної технології транзисторів. Тому, щоб розумітися на технологічних циклах виготовлення ІМС, необхідно ознайомитися з типовими технологічними процесами, з яких ці цикли складаються.

3.1 Підготовчі операції

Монокристалічні зливки кремнію, як і інших напівпровідників, отримують зазвичай шляхом кристалізації з розплаву - методом Чохральського. При цьому методі стрижень із затравкою (у вигляді монокристалу кремнію) після зіткнення з розплавом повільно піднімають з одночасним обертанням. При цьому слідом за затравкою витягується злиток, що наростає і застигає.

Кристалографічна орієнтація зливка (його поперечного перерізу) визначається кристалографічної орієнтацією затравки. Найчастіше використовуються зливки з поперечним перерізом, що лежить у площині (111) або (100).

Типовий діаметр злитків становить нині 80 мм, а максимальний може досягати 300 мм і більше. Довжина злитків може досягати 1-1,5 м, але зазвичай вона у кілька разів менша.

Зливки кремнію розрізають на безліч тонких пластин (товщиною 04-10 мм), на яких потім виготовляють інтегральні схеми. Поверхня пластин після різання дуже нерівна: розміри подряпин, виступів та ямок набагато перевищують розміри майбутніх елементів ІВ. Тому перед початком основних технологічних операцій пластини багаторазово шліфують, а потім полірують. Мета шліфування, крім видалення механічних дефектів, полягає також у тому, щоб забезпечити необхідну товщину пластини (200-500 мкм), недосяжну при різанні, і паралельність площин. Після закінчення шліфування на поверхні все ж таки залишається механічно порушений шар товщиною в кілька мікрон, під яким розташований ще більш тонкий, так званий фізично порушений шар. Останній характерний наявністю «незримих» спотворень кристалічних ґрат і механічних напруг, що виникають у процесі шліфування.

Полірування полягає у видаленні обох порушених шарів і зниженні нерівностей поверхні рівня, властивого оптичним системам - соті частки мікрометра. Крім механічної, використовується хімічне полірування (труєння), тобто по суті розчинення поверхневого шару напівпровідника в тих чи інших реактивах. Виступи та тріщини на поверхні стравлюються швидше, ніж основний матеріал, і в цілому поверхня вирівнюється.

Важливим процесом напівпровідникової технології є також очищення поверхні від забруднень органічними речовинами, особливо жирами. Очищення та знежирення проводять в органічних розчинниках (толуол, ацетон, етиловий спирт та ін.) при підвищеній температурі.

Травлення, очищення та багато інших процесів супроводжуються відмиванням пластин у деіонізованоюводі.

3. 2 Епітаксія

Епітаксієюназивають процес нарощування монокристалічних шарів на підкладку, при якому кристалографічна орієнтація шару, що нарощується, повторює кристалографічну орієнтацію підкладки.

В даний час епітаксия зазвичай використовується для отримання тонких робочих шарів до 15 мкм однорідного напівпровідника на порівняно товстій підкладці, що відіграє роль несучої конструкції.

Типовий - хлориднийпроцес епітаксії стосовно кремнію полягає в наступному (рисунок 3.1). Монокристалічні кремнієві пластини завантажують у тигель «човник» і поміщають у кварцову трубу. Через трубу пропускають потік водню , що містить невелику домішок кремнію тетрахлориду SiCl4. При високій температурі (близько 1200 ° С) на поверхні пластин відбувається реакція SiCl4 + 2Н2 = Si + 4HC1.

В результаті реакції на підкладці поступово осаджується шар чистого

кремнію, а пари HCl відносяться потоком водню. Епітаксіальний шар осадженого кремнію монокристалічний і має ту ж кристалографічну орієнтацію, що і підкладка. Хімічна реакція завдяки підбору температури відбувається тільки на поверхні пластини, а не в навколишньому просторі.

Рисунок 3.1 – Процес епітаксії

Процес, що проходить у потоці газу, називають газотранспортної реакцією,а основний газ (в даному випадку водень), що переносить домішка в зону реакції, - газом-носієм.

Якщо до пар тетрахлориду кремнію додати пари сполук фосфору (РН3) або бору (В2Н6), то епітаксійний шар буде мати вже не власну, а відповідно електронну або дірочну провідність (рисунок 3.2а), оскільки в ході реакції в кремній, що осаджується, впроваджуватимуться донорні атоми. фосфору чи акцепторні атоми бору.

Таким чином, епітаксія дозволяє вирощувати на підкладці монокристалічні шари будь-якого типу провідності і будь-якого питомого опору, що володіють будь-яким типом і величиною провідності, наприклад, на малюнку 3.2а показаний шар n, а можна сформувати шар n + або р +.

Рисунок 3.2 – Підкладки з епітаксійною та окисною плівками

Кордон між епітаксійним шаром і підкладкою не виходить ідеально різким, так як домішки в процесі епітаксії частково дифундують з одного шару в інший. Ця обставина ускладнює створення надтонких (менше 1 мкм) та багатошарових епітаксійних структур. Основну роль, нині, грає одношарова епітаксия. Вона суттєво поповнила арсенал напівпровідникової технології; отримання таких тонких однорідних слоевмкм), які забезпечує епітаксія, неможливо іншими засобами.

На малюнку 3.2а та наступних масштабів по вертикалі не дотримується.

В установці, наведеній на малюнку 3.1, передбачені деякі додаткові операції: продування труби азотом і неглибоке травлення поверхні кремнію в парах НСl (з метою очищення). Ці операції проводяться на початок основних.

Епітаксіальна плівка може відрізнятись від підкладки за хімічним складом. Спосіб отримання таких плівок називають гетероепітаксією,на відміну від гомоепітаксії,описаної вище. Звичайно, при гетероепітаксії та матеріали плівки та підкладки повинні як і раніше мати однакову кристалічну решітку. Наприклад, можна вирощувати кремнієву плівку на сапфіровій підкладці.

На закінчення зауважимо, що крім описаної газової епітаксії, існує рідинна епітаксія, при якій нарощування монокристалічного шару здійснюється з рідкої фази, тобто розчину, що містить необхідні компоненти.

3.3 Термічне окиснення

Окислення кремнію - один із найхарактерніших процесів у технології сучасних ППІМС. При цьому плівка двоокису кремнію SiO2 (рисунок 3.2б) виконує кілька важливих функцій, в тому числі:

Функцію захисту - пасиваціїповерхні та, зокрема, захисту вертикальних ділянок p - n переходів, що виходять поверхню;

функцію маски, через вікна в якій вводяться необхідні домішки методом дифузії (рисунок 3.4б);

функцію тонкого діелектрика під затвором МОП-транзистора або конденсатора (рисунки 4.15 і 4.18в);

Діелектрична основа для з'єднання металевою плівкою елементів ПП ІМС (рисунок 4.1).

Поверхня кремнію завжди покрита "власною" окисною плівкою, що виходить в результаті "природного" окислення при найнижчих температурах. Однак ця плівка має занадто малу товщину (близько 5 нм), щоб виконувати якусь із перерахованих функцій. Тому при виробництві напівпровідникових ІМС товстіші плівки SiO2 отримують штучним шляхом.

Штучне окислення кремнію здійснюється зазвичай за високої температури (° З). Таке термічне окиснення можна проводити в атмосфері кисню (Сухе окислення),у суміші кисню з парами води ( вологе окиснення) або просто в парах води.

У всіх випадках процес проводиться в окисних печах. Основу таких печей становить, як і при епітаксії, кварцова труба, в якій розміщується «човник» з пластинами кремнію, що нагрівається або струмами високої частоти, або іншим шляхом. Через трубу пропускається потік кисню (сухого чи зволоженого) або пари води, які реагують із кремнієм у високотемпературній зоні. Утворювана таким чином плівка SiO2 має аморфну ​​структуру (рисунок 3.2б).

Очевидно, що швидкість зростання оксиду з часом повинна зменшуватися, оскільки новим атомам кисню доводиться дифундувати через товстіший шар оксиду. Напівемпірична формула, що зв'язує товщину окисної плівки з часом термічного окислення, має вигляд:

де k - параметр, що залежить від температури та вологості кисню.

Сухе окислення йде в десятки разів повільніше за вологе. Наприклад, для вирощування плівки SiO2 товщиною 0,5 мкм в сухому кисні при 1000 ° С потрібно близько 5 год, а у вологому - всього 20 хв. Однак, якість плівок, отриманих у вологому кисні, нижче. Зі зменшенням температури на кожні 100° З час окиснення зростає в 2-3 рази.

У технології ІМС розрізняють "товсті" та "тонкі" оксиди SiO2. Товсті оксиди ( d = 0,7-1,0 мкм) виконують функції захисту та маскування, а тонкі (d = 0,1-0,2 мкм) - функції підзатворного діелектрика в МОП-транзисторах та конденсаторах.

Однією з важливих проблем під час вирощування плівки SiO2 є забезпечення її однорідності. Залежно від якості поверхні пластини, від чистоти реагентів та режиму вирощування у плівці виникають ті чи інші дефекти.Поширеним типом дефектів є мікро- і макропори, аж до наскрізних отворів (особливо тонкому оксиді).

Якість окисної плівки збільшується зі зменшенням температури її вирощування, а також при використанні сухого кисню. Тому тонкий підзатворний оксид, від якості якого залежить стабільність параметрів транзистора МОП, отримують сухим окисленням. При вирощуванні товстого оксиду чергують сухе та вологе окиснення: перше забезпечує відсутність дефектів, а друге дозволяє скоротити час процесу.

Інші методи отримання плівки SiO2 розглянуті у .

3.4 Літографія

У технології напівпровідникових приладів важливе місце займають маски: вони забезпечують локальний характер напилення, легування, травлення, а деяких випадках і епітаксії. Будь-яка маска містить сукупність заздалегідь спроектованих отворів – вікон. Виготовлення таких вікон є завдання літографії(гравірування). Провідне місце у технології виготовлення масок зберігають фотолітографія та електронолітографія.

3.4.1. Фотолітографія.В основі фотолітографії лежить використання матеріалів, які називають фоторезистами. Це різновид фотоемульсій, відомих у звичайній фотографії. Фоторезисти чутливі до ультрафіолетового світла, тому їх можна обробляти не дуже затемненому приміщенні.

Фоторезисти бувають негативні та позитивні.Негативні фоторезисти під дією світла полімеризуються та стають стійкими до травників (кислотних або лужних). Значить, після локального засвічення витравлюватимуться не засвічені ділянки (як у звичайному фото негативі). У позитивних фоторезистах світло, навпаки, руйнує полімерні ланцюжки і, отже, витравлюватимуться засвічені ділянки.

Малюнок майбутньої маски виготовляється у вигляді так званого фо­ тошаблону. Фотошаблон є товстою скляною пластиною, на одній із сторін якої нанесена тонка непрозора плівка з необхідним малюнкому вигляді прозорих отворів. Розміри цих отворів (елементів малюнка) у масштабі 1: 1 відповідають розмірам майбутніх елементів ІВ, тобто можуть становити 20-50 мкм і менше (до 2-3 мкм). Оскільки ІС виготовляються груповим методом, на фотошаблоні по рядків і стовпчиків розміщується безліч однотипних малюнків. Розмір кожного малюнка відповідає розміру майбутнього кристала ІВ.

Процес фотолітографії для отримання вікон в окисній масці SiO2, що покриває поверхню кремнієвої пластини, полягає в наступному (рисунок 3.3). На окислену поверхню пластини наноситься, наприклад, негативний фоторезист (ФР). На пластину, покриту фоторезистом, накладають фотошаблон ФШ (малюном до фоторезисту) та експонують його в ультрафіолетових (УФ) променях кварцової лампи (рисунок 3.3а). Після цього фотошаблон знімають, а фоторезист виявляють та закріплюють.

Якщо використовується позитивний фоторезист, то після прояву та закріплення (яке полягає в задублюванні та термообробці фоторезиста) у ньому виходять вікна на тих місцях, які відповідають прозорим ділянкам на фотошаблоні.

Як кажуть, малюнок перенеслиз фотошаблону на фоторезист. Тепер шар фоторезиста є маскою, що щільно прилягає до окисного шару (рисунок 3.3б).

Через фоторезистивну маску проводиться травлення окисного шару до кремнію (на кремній цей травник не діє). Як травник використовується плавикова кислота та її солі. Внаслідок цього малюнок з фоторезиста переноситься на оксид. Після видалення (травлювання) фоторезистивної маски кінцевим результатом фотолітографії виявляється кремнієва пластина покрита окисною маскою з вікнами (рисунок 3.3в). Через вікна можна здійснювати дифузію, іонну імплантацію, травлення тощо.

Рисунок 3.3 – Процес фотолітографії

У технологічних циклах виготовлення елементів ІМС процес фотолітографії використовується багаторазово (окремо для отримання базових шарів, емітерів, омічних контактів тощо). При цьому виникає так звана проблема суміщення фотошаблонів. При багаторазовому використанні фотолітографії (в технології ППІМС до 5-7 разів) допуск на суміщення сягає часток мікрона. Техніка суміщення полягає в тому, що на фотошаблонах роблять спеціальні позначки (наприклад, хрестики або квадрати), які переходять у малюнок на оксиді і просвічують крізь тонку плівку фоторезиста. Накладаючи черговий фотошаблон, акуратним чином (під мікроскопом) поєднують позначки на оксиді з аналогічними відмітками на фотошаблоні.

Розглянутий процес фотолітографії характерний для одержання окисних масок на кремнієвих пластинах з метою подальшої локальної дифузії. У цьому випадку фоторезистивна маска є проміжною, допоміжною, оскільки вона не витримує високої температури, коли проводиться дифузія. Однак у деяких випадках, коли процес йде за низької температури, фоторезистивні маски можуть бути основними - робітниками. Прикладом може бути процес створення металевої розведення в напівпровідникових ІМС.

При використанні фотошаблону його емульсійний шар зношується (прається) вже після 15-20 накладень. Термін служби фотошаблонів можна збільшити на два порядки та більше шляхом металізації: замінюючи плівку фотоемульсії на плівку зносостійкого металу, зазвичай хрому.

Фотошаблони виготовляються комплектами за кількістю операцій фотолітографії у технологічному циклі. У межах комплекту фотошаблони узгоджені, тобто забезпечують суміщення малюнків при суміщенні відповідних позначок.

3.4.2 Електронолітографія.Описані методи тривалий час становили одну з основ мікроелектронної технології. Вони й досі не втратили свого значення. Однак у міру підвищення ступеня інтеграції та зменшення розмірів елементів ІС виникла низка проблем, які частково вже вирішені, а частково перебувають у стадії вивчення.

Одне з важливих обмежень стосується роздільної здатності - ності, тобто мінімальних розмірів у створюваному малюнку маски. Справа в тому, що довжини хвиль ультрафіолетового світла становлять 0,3-0,4 мкм. Отже, яким би малим не було отвір у малюнку фотошаблону, розміри зображення цього отвору у фоторезисті не можуть досягати зазначених значень (через дифракцію). Тому мінімальна ширина елементів становить близько 2 мкм, а при глибокому ультрафіолеті (довжина хвилі 0,2-0,3 мкм) – близько 1 мкм. Тим часом розміри порядку 1-2 мкм вже виявляються недостатньо малими при створенні великих та надвеликих ІМС.

Найбільш очевидний шлях для підвищення роздільної здатності літо - графії - використання при експозиції короткохвильових випромінювань.

За останні роки розроблено методи електронної літографії . Їхня сутність полягає в тому, що сфокусований пучок електронів сканують(т. е. переміщають «построчно») по поверхні пластини, покритої електронорезистом, і керують інтенсивністю пучка відповідно до заданої програми. У тих точках, які мають бути «засвічені», струм пучка максимальний, а в тих, які мають бути «затемнені», дорівнює нулю. Діаметр пучка електронів знаходиться у прямій залежності від струму в пучку: чим менший діаметр, тим менший струм. Однак із зменшенням струму зростає час експозиції. Тому підвищення роздільної здатності (зменшення діаметра пучка) супроводжується збільшенням тривалості процесу. Наприклад, при діаметрі пучка 0,2-0,5 мкм час сканування пластини, залежно від типу електронорезиста та розмірів пластини, може лежати в межах від десятків хвилин до кількох годин.

Один із різновидів електронної літографії заснований на відмові від електронорезистивних масок і передбачає вплив електронного пучка безпосередньо на окисний шар SiO2. Виявляється, що у місцях «засвітки» цей шар надалі труїться у кілька разів швидше, ніж у «затемнених» ділянках.

Мінімальні розміри при електронолітографії становлять 0,2 мкм, хоча досяжні – 0,1 мкм.

У стадії дослідження є інші методи літографії, наприклад, м'яке рентгенівське випромінювання (з довжинами хвиль 1-2 нм) дозволяє отримати мінімальні розміри 0,1 мкм, а іонно-променева літографія 0,03 мкм.

3.5 Легування

Впровадження домішок у вихідну пластину (або епітаксиальний шар) шляхом дифузії при високій температурі є вихідним і досі основним способом легування напівпровідників з метою створення транзисторних структур і на їх основі інших елементів. Проте останнім часом стала вельми поширеною й інший спосіб легування - іонна імплантація.

3.5.1 Методи дифузії.Дифузія може бути загальною та локальною. У першому випадку вона здійснюється по всій поверхні пластини (малюнок 3.4а), а в другому - на певних ділянках пластини через вікна в масці, наприклад, у товстому шарі SiO2 (малюнок 3.4б) .

Загальна дифузія призводить до утворення пластини тонкого дифузійного шару, який відрізняється від епітаксійного неоднорідним (по глибині) розподілом домішки (див. криві N(x) на малюнках 3.6а і б).

Рисунок 3.4 – Загальна та локальна дифузії

У разі локальної дифузії (рисунок 3.4б) домішка поширюється у глиб пластини, а й у всіх перпендикулярних напрямах, т. е. під маску. В результаті цієї так званої бічної дифузії ділянка р-n переходу, що виходить на поверхню, виявляється «автоматично» захищеним окислом . Співвідношення між глибинами бічної та основної -

«вертикальна» дифузія залежить від ряду факторів, у тому числі від глибини дифузійного шару . Типовим для глибини бічної дифузії вважатимуться значення 0,8×L .

Дифузію можна проводити одноразово та багаторазово. Наприклад, у вихідну пластину n-типу можна під час 1-ї дифузії впровадити акцепторну домішку і отримати р-шар, а потім під час 2-ї дифузії впровадити в отриманий р-шар (на меншу глибину) донорну домішку і тим самим забезпечити тришарову структуру. Відповідно розрізняють подвійну та потрійну дифузію (див. розділ 4.2).

При проведенні багаторазової дифузії слід мати на увазі, що концентрація кожної нової домішки, що вводиться, повинна перевищувати концентрацію попередньої, в іншому випадку тип провідності не зміниться, а значить, не утворюється р-n перехід. Тим часом концентрація домішки в кремнії (або іншому вихідному матеріалі) не може бути будь-якої великої: вона обмежена особливим параметром - граничною розчинністю домішкиNS. Гранична розчинність залежить від температури. За деякої температури вона досягає максимального значення, а потім знову зменшується. Максимальні граничні розчинності разом із відповідними температурами наведені у таблиці 3.1.

Таблиця 3.1

Отже, якщо проводиться багаторазова дифузія, для останньої дифузії потрібно вибирати матеріал з максимальною граничною розчинністю. Оскільки асортимент домішкових матеріалів обмежений,

не вдається забезпечити більше трьох послідовних дифузій.

Домішки, що вводяться шляхом дифузії, називають дифузантами(Бір, фосфор та ін). Джерелами дифузантів є їх хімічні сполуки. Це можуть бути рідини (ВВr3, РОСl), тверді тіла (В2О3, P2O5) або гази (В2Н6, РН3).

Використання домішок зазвичай здійснюється за допомогою газотран - спортивних реакцій - так само, як при епітаксії та окисленні. Для цього використовуються або однозонні або двозонні. дифузійні печі.

Двохзонні печі використовуються у разі твердих дифузантів. У таких печах (малюнок 3.5) є дві високотемпературні зони, одна - для випаровування джерела дифузанта, друга - для дифузії.

Рисунок 3.5 – Процес дифузії

Пари джерела дифузанта, отримані в 1-й зоні, домішуються до струму нейтрального газу-носія (наприклад, аргону) і разом з ним доходять до 2-ї зони, де розташовані пластини кремнію. Температура у 2-й зоні вища, ніж у 1-й. Тут атоми дифузанта впроваджуються в пластини, а інші складові хімічної сполуки забираються газом-носієм із зони.

У разі рідких і газоподібних джерел дифузанта немає необхідності - мости в їх високотемпературному випаровуванні. Тому використовуються однозонні печі, як при епітаксії, в які джерело дифузанта надходить вже в газоподібному стані.

При використанні рідких джерел дифузанта дифузію проводять в окисному середовищі, додаючи до газу-носія кисень. Кисень окислює поверхню кремнію, утворюючи оксид SiO2, тобто по суті - скло. У присутності дифузанта (бору або фосфору) утворюється боросилікатнеабо фосфорносилікатнеСкло. При температурі вище 1000оС ці скла знаходяться в рідкому стані, покриваючи поверхню кремнію тонкою плівкою , так що дифузія домішки йде, строго кажучи, рідкої фази. Після застигання скло захищає поверхню кремнію в місцях дифузії,

тобто у вікнах окисної маски. При використанні твердих джерел дифузанта - оксидів - утворення скла відбувається в процесі дифузії без спеціально кисню, що вводиться.

Розрізняють два випадки розподілу домішки у дифузійному шарі.

1 Випадок необмеженого джерела домішки.У цьому випадку диф-фузант безперервно надходить до пластини, так що в її поверхневому шарі концентрація домішки підтримується постійною рівною NS. Зі збільшенням часу дифузії збільшується глибина дифузійного шару (рисунок 3.6а).

2 Випадок обмеженого джерела домішки.У цьому випадку спочатку тонкий приповерхневий шар пластини вводять деяку кількість атомів дифузанта (час t1), а потім джерело дифузанта відключають і атоми домішки перерозподіляються по глибині пластини при їх загальній кількості (рисунок 3.6б). При цьому концентрація домішки на поверхні знижується, а глибина дифузійного шару збільшується (криві t2 та t3). Першу стадію процесу називають «загонкою», другу - «розгонкою» домішки.

Рисунок 3.6 – Розподіл дифузанта

3.5.2 Іонна імплантація.

Іонною імплантацією називають метод легування пластини (або епітаксійного шару) шляхом бомбардування іонами домішки, прискореними до енергії, достатньої для їх впровадження в глиб твердого тіла.

Іонізація атомів домішки, прискорення іонів та фокусування іонного пучка здійснюються у спеціальних установках типу прискорювачів частинок у ядерній фізиці. Як домішки використовуються ті ж матеріали, що і при дифузії.

Глибина застосування іонів залежить від їхньої енергії та маси. Чим більша енергія, тим більше виходить товщина імплантованого шару. Однак із зростанням енергії зростає і кількість радіаційних дефектіву кристалі, т. е. погіршуються його електрофізичні параметри. Тому енергію іонів обмежують величиною 100-150 кеВ. Нижній рівень становить 5-10 кеВ. При такому діапазоні енергії глибина шарів лежить у межах 0,1 - 0,4 мкм, тобто вона значно менша за типову глибину дифузійних шарів.

Концентрація домішки в імплантованому шарі залежить від щільності струму в іонному пучку та часу процесу або, як кажуть, від часу експо-ції.Залежно від щільності струму та бажаної концентрації час експозиції становить від кількох секунд до 3-5 хв і більше (іноді

1-2 год). Зрозуміло, що більше часу експозиції, то знову ж таки більше кількість радіаційних дефектів.

Типове розподіл домішки при іонної імплантації показано малюнку 3.6в суцільний кривою. Як бачимо, цей розподіл суттєво відрізняється від дифузійного наявністю максимуму на певній глибині.

Оскільки площа іонного пучка (1-2 мм2) менша за площу пластини (а іноді й кристала), доводиться скануватипучок, т. е. плавно чи «кроку - ми» переміщати його (за допомогою спеціальних систем, що відхиляють) оче - редно по всіх «рядків» пластини, на яких розташовані окремі ІМС.

Після завершення процесу легування пластину обов'язково піддають. відпалупри температурі °С для того, щоб упорядкувати кристалічну решітку кремнію і усунути (хоча б частково) неминучі радіаційні дефекти. При температурі відпалу процеси дифузії дещо змінюють профіль розподілу (див. штрихову криву малюнку 3.6в).

Іонна імплантація проводиться через маски, в яких довжина пробігу іонів повинна бути значно меншою, ніж у кремнії. Матеріалом для масок можуть бути поширені в ІМС двоокис кремнію або алюміній. При цьому важливим достоїнством іонної імплантації є те, що іони, рухаючись прямою лінією, впроваджуються тільки в глиб пластини, а аналогія бічної дифузії (під маску) практично відсутня.

У принципі іонну імплантацію, як і дифузію, можна проводити багаторазово, вбудовуючи один шар в інший. Однак поєднання енергій, часів експозиції та режимів відпалу необхідне для багаторазової імплантації виявляється скрутним. Тому іонна імплантація набула головного поширення при створенні тонких одинарних шарів.

3.6 Нанесення тонких плівок

Тонкі плівки є не тільки основою тонкоплівкових гібридних ІМС, але широко використовуються і в напівпровідникових інтегральних схемах. Тому методи одержання тонких плівок належать до загальних питань технології мікроелектроніки.

Існує три основні методи нанесення тонких плівок на підкладку та один на одного: термічне(вакуумне) та іоно-плазмове напилення,яке має два різновиди: катодне напиленнята власне іонно-плазмове.

3.6.1 Термічне (вакуумне) напилення.

Принцип цього напилення показаний малюнку 3.7а. Металевий або скляний ковпак 1 розташований на опорній плиті 2. Між ними знаходиться прокладка 3, забезпечує підтримку вакууму після відкачування повітря з підковпачного простору. Підкладка 4, на яку проводиться напилення, закріплена на тримачі 5 . До тримача примикає нагрівання проводиться на нагріту підкладку). Випарник 7 включає нагрівач і джерело напилюваної речовини. Поворотна заслінка 8 перекриває потік пар від випарника до підкладки: напилення триває протягом часу, коли заслінка відкрита.

Нагрівач зазвичай є ниткою або спіралью з тугоплавкого металу (вольфрам, молібден та ін.), через яку пропускається досить великий струм. Джерело речовини, що напилюється, зв'язується з нагрівачем по-різному: у вигляді дужок («гусариків»), що навішуються на нитку розжарення; у вигляді невеликих стрижнів, що охоплюються спіраллю, у вигляді порошку, засипаного в

Рисунок 3.7 – Нанесення плівок

тигель, що нагрівається спіраллю, і т. п. Замість ниток розжарення останнім часом використовують нагрівання за допомогою електронного променя або лазерного променя.

На підкладці створюються найбільш сприятливі умови для конденсації пари, хоча частково конденсація відбувається і на стінках ковпака. Занадто низька температура підкладки перешкоджає рівномірному розподілу атомів, що адсорбуються: вони групуються в «острівці» різної товщини, часто не пов'язані один з одним. Навпаки, занадто висока температура підкладки призводить до відриву атомів, що щойно осіли, до їх «реіспарення». Тому для отримання якісної плівки температура підкладки має лежати в деяких оптимальних межах (зазвичай 200-400 ° С). Швидкість зростання плівок в залежності від ряду факторів (температура підкладки, відстань від випарника до підкладки, тип напилюваного матеріалу та ін) лежить в межах від десятих часток до десятків нанометрів в секунду.

Міцність зв'язку - зчеплення плівки з підкладкою або іншою плівкою - називається адгезією. Деякі поширені матеріали (наприклад, золото) мають погану адгезію з типовими підкладками, у тому числі кремнієм. У таких випадках на підкладку спочатку наносять так званий підшар, характерний гарною адгезією, а потім на нього напилюють основний матеріал, у якого адгезія з підшаром теж хороша. Наприклад, для золота підшаром можуть бути нікель або титан.

Для того щоб атоми напилюваного матеріалу, що летять від випарника до підкладки, відчували мінімальну кількість зіткнень з атомами залишкового газу і тим самим мінімальне розсіювання в підковпачному просторі потрібно забезпечувати досить високий вакуум. Критерієм необхідного вакууму може бути умова, щоб середня довжина вільного пробігу атомів у кілька разів перевищувала відстань між випарником і підкладкою. Однак цієї умови часто недостатньо, оскільки будь-яка кількість залишкового газу може призвести до забруднення напилюваної плівки і зміни її властивостей. Тому в принципі вакуум в установках термічного напилення має бути якомога вищим. В даний час вакуум нижче 10-6 мм рт. ст. вважається неприйнятним, а ряді першокласних напилювальних установок він доведено до 10-11 мм рт. ст.

Основним матеріалом, на основі якого виготовляють напівпровідникові ІМС, є кремній, так як на його основі можна отримати плівку двоокису кремнію з високими показниками та порівняно простими способами.

Крім того, слід мати на увазі й інші переваги кремнію в порівнянні з германієм: більша ширина забороненої зони, і, отже, менший вплив температури, менші зворотні струми неосновних носіїв заряду; менша діелектрична проникність, отже, менші бар'єрні ємності за інших рівних умов.

Для надання кремнію певного типу провідності в кристал вводять донорні та акцепторні домішки, в результаті чого в кожній області Р або N-кремнію є основні і неосновні носії заряду. Рух носіїв заряду в напівпровідникових структурах ІМС відбувається як завжди: або у вигляді дифузії за рахунок різниці концентрації носіїв заряду, або у вигляді дрейфу під дією сил електричного поля. У PN-переходах, що утворюються, відбуваються звичайні явища, описані раніше.

Основна технологія виготовлення напівпровідникових ІМС – планарна. Властивості ІМС багато в чому визначаються технологією створення.

Розглянемо лише деякі особливості застосування планарної технології під час виготовлення ІМС.

Очищення поверхні.Слід мати на увазі, що будь-які забруднення поверхні підкладки негативно позначаться на властивостях ІМС та її надійності. Необхідно враховувати і те, що розміри елементів ІМС можна порівняти з найменшою порошинкою. Звідси й необхідність у найретельнішому очищенні поверхні. Очищення проводиться за допомогою органічних розчинників, для ретельнішого очищення застосовують ультразвукові методи, так як вібрація прискорює розчинення забруднюючих домішок. На заключному етапі пластини кремнію відмивають деіонізованою водою.

Термічне окиснення поверхні. Воно проводиться для створення поверхні пластини захисного шару, оберігаючи поверхню від впливу навколишнього середовища в процесі створення ІМС. В ІМС, створених на основі МДП-транзисторів, отримана шляхом окислення плівка є діелектриком для затвора.

Легування. Це - введення домішок у чистий кремній для отримання переходів з метою створення діодних та транзисторних структур. Є два способи легування – за допомогою дифузії та впровадженням іонів домішки.

Останнім часом широко використовують метод іонного впровадження, завдяки низці його переваг, в першу чергу нижчих температур порівняно з методом дифузії.

Сутність методу полягає у впровадженні в пластину чистого кремнію домішкових іонів, які займають місця у вузлах кристалічних ґрат. Іони домішки створюються, прискорюються, фокусуються та відхиляються у спеціальних установках і, потрапляючи на поверхню пластини, бомбардують її, впроваджуючись у кристалічну структуру грат. Відхилення проводиться у магнітному полі. Нагадаємо, що радіус відхилення залежить від маси заряджених частинок. Тому якщо у сфокусованому пучку є сторонні іони, вони відхилиться по інших траєкторіях і відокремляться від основного пучка донорної або акцепторної домішки. У цьому ще одна перевага даного методу – висока чистота домішок.

Фотолітографія. Дозволяє одержати задане розташування елементів та є одним із найбільш характерних технологічних процесів створення ІМС. Нагадаємо, що фотолітографія заснована на використанні світлочутливих властивостей особливих матеріалів, які називаються фоторезистами.

У міру розвитку техніки ІМС все більш суттєвими стають недоліки, притаманні даному способу: можливості отримання мінімальних розмірів малюнка на фотошаблоні та механічний контакт фотошаблону з пластиною напівпровідника призводить до спотворень малюнка.

Останнім часом розроблено метод електронної літографії. В основі його лежить переміщення сфокусованого електронного променя поверхнею пластини, покритої резистом. Струм променя управляється напругою, яка змінюється в залежності від того, на якій ділянці поверхні знаходиться промінь. Якщо потрібно отримати вікно, струм променя максимальний на тих ділянках, які повинні залишитися без зміни, струм променя близький до нуля.

Металізація для створення внутрішньосхемних з'єднань в ІМС.Внутрішньосхемні сполуки ІМС виконують за допомогою тонких металевих плівок, нанесених на оксиді кремнію, який є ізолятором. Найбільш відповідним основним вимогам до сполучного елементу для ІМС виявився алюміній, що має велику питому провідність, відсутність корозії, що допускає можливість зварних контактів із зовнішніми висновками.

Створення необхідного рельєфу металевих сполук відбувається шляхом фотолітографії. На поверхню окису кремнію наноситься суцільна алюмінієва плівка. Плівку покривають фоторезистом, над ним розташовують фотошаблон, а потім витравлюють алюміній, залишаючи тільки смужки, що створюють відповідні контакти з шарами підкладки в раніше зроблених вікнах, які були створені для отримання потрібної структури шарів ІМС.

Аналіз основних операцій показує, що всі вони зводяться до трьох основних - термічної обробки, хімічної обробки та фотолітографії. Створення плівки двоокису кремнію, що захищає переходи від навколишнього середовища у процесі створення ІМС, є важливим фактором, що забезпечує стабільність параметрів та надійність ІМС.

Зміною малюнка фотошаблону та режиму термічної обробки можна створювати різні схеми ІМС. Основними структурами для виготовлення елементів ІМС є біполярні та МДП-транзистори.

Опис схеми

1. Номінали пасивних елементів:

R6 = R11 = 4.7 кОм

• 2. Т1, Т2, Т3, Т4, Т5 - n-p-n транзистори ІВ; Т6 – p-n-p транзистор ІВ;
• 3. з = 200 Ом / кв
• 4. Напруга живлення 15В
• 5. Технологія планарно-епітаксіальна.
• 6. Ізоляція p-n переходом.

Висновок 6 – харчування; висновок 1 – земля.

Технологія виготовлення ІМС

Будь-які елементи напівпровідникових ІМС можна створити на основі максимум трьох p-n-переходів та чотирьох шарів двох типів електропровідності (електронної та діркової). Ізоляція елементів часто здійснюється за допомогою зміщеного назад p-n-переходу. Принцип цього способу ізоляції полягає в тому, що подачею великого негативного потенціалу на p-підкладку отримують зворотно зміщений p-n-перехід на межі колекторних областей і p-підкладки. Опір назад зміщеного p-n-переходу велике і досягає МОм, тому виходить хороша ізоляція елементів один від одного.

Технологія виробництва напівпровідникових ІМС є складним процесом, що включає десятки операцій, і описати його повністю в короткому методичному посібнику та курсовій роботі неможливо.

Тому ми розглянемо скорочений маршрут виготовлення ІМС з ізоляцією елементів і обернено зміщеними p-n-переходами методом планарно-епітаксіальної технології. Операція ізоляції елементів здійснюється груповим методом, поєднується з технологією виготовлення ІМС загалом та реалізується методом розділової (ізолюючої) дифузії на всю глибину епітаксійного шару. Ця технологія дозволяє отримувати необхідний ступінь легування колектора та підкладки незалежно один від одного. При виборі високоомної підкладки та не дуже високоомного епітаксійного шару (колектора) можна забезпечити оптимальні ємності переходу колектор-база та його напругу пробою. Наявність епітаксійного шару дозволяє точно регулювати товщину та опір колектора, який, однак, залишається досить високим (70-100 Ом). Зниження опору колектора досягається створенням високолегованого прихованого n + -шару шляхом дифузії в p-підкладку домішки n-типу перед нарощуванням епітаксійного шару. Цей шар забезпечує низькоомний шлях струму від активної колекторної зони до колекторного контакту без зниження пробивної напруги переходу колектор-база.

Послідовність операцій планарно-епітаксіальної технології виробництва біполярних напівпровідникових ІМС з ізоляцією елементів p-n-переходами:

• 1) Механічна обробка поверхні робочої сторони кремнієвої пластини p-типу до 14-го класу чистоти та травлення в парах HCl для видалення порушеного шару. Спочатку пластини Si шліфують до заданої товщини, потім полірують, травлять і промивають.
• 2) Окислення до створення захисної маски при дифузії домішки n-типу. На поверхні кремнію вирощується щільна плівка двоокису кремнію (SiO2), який має близькі до кремнію коефіцієнт теплового розширення, що дозволяє використовувати її як маску при дифузії. Найбільш технологічним методом одержання плівок SiO2 є термічне окиснення поверхні кремнію. Як окислювальне середовище використовується сухий або зволожуючий кисень або пари води. Температура робочої зони при окисненні 1100-1300С. Окислення проводиться шляхом відкритої труби в потоці окислювача. У сухому кисні вирощується найбільш досконалий структурою окисний шар, але процес окислення у своїй проходить повільно (при Т=1200С, товщина шару SiO2 становить 0,1 мкм). Насправді доцільно проводити окислення на три стадії: в сухому кисні, вологому кисні і знову сухому. Для стабілізації властивостей захисних окисних шарів у процесі окислення в середовище вологого кисню або водної пари додають борну кислоту, двоокис титану та ін.

3) Фотолітографія для розкриття вікон в оксиді та проведення локальної дифузії у місцях формування прихованих шарів (рис. 3). Фотолітографія це створення на поверхні підкладки захисної маски малих розмірів практично будь-якої складності, яка використовується надалі для проведення дифузії, епітаксії та інших процесів. Утворюється вона за допомогою спеціального шару, який називається фоторезистом - матеріал, який змінює свою структуру під дією світла. За здатністю змінювати властивості при опроміненні фоторезисти бувають негативні та позитивні.

Фоторезист повинен бути чутливим до опромінення, мати високу роздільну здатність і кислотостійкість.

На окислену поверхню кремнію з товщиною окис 3000-6000 Г наносять шар фоторезиста за допомогою центрифуги. Фоторезист сушать спочатку при кімнатній, потім за температури 100-150 С.

Підкладку поєднують з фотошаблоном і висвітлюють. Засвічений фоторезист виявляють, а потім промивають у деіонізованій воді. Фоторезист, що залишився, задублюють при кімнатній температурі і температурі 200С протягом однієї години, після чого окислена поверхня кремнію відкривається в місцях, відповідних малюнку фотошаблону.

4) Дифузія до створення прихованого n+ шару (рис. 4). Локальна дифузія є однією з основних технологічних операцій під час створення напівпровідникових ІМС. Процес дифузії визначає концентраційний профіль інтегральної структури та основні параметри компонентів ІМС. Дифузія в напівпровідникових кристалах є спрямоване переміщення домішкових атомів у бік зменшення їх концентрації. При заданій температурі швидкість дифузії визначається коефіцієнтом дифузії, що дорівнює числу атомів, що проходять через поперечний переріз 1 см2 за 1 с при градієнті концентрації 1 см-4. Як легуючі домішки в кремнії використовується в основному бор і фосфор, причому бор створює домішки акцепторного типу, а фосфор-донорного. Для бору та фосфору енергія активації відповідно дорівнює 3,7 та 4,4 еВ.

У виробництві ІМС реалізують два типи дифузії. Дифузія з необмеженого джерела являє собою перший етап дифузії, в результаті якого напівпровідник вводиться певну кількість домішки. Цей процес називають загонкою домішки.

Для створення заданого розподілу домішки в глибині та на поверхні напівпровідника проводиться другий етап дифузії з обмеженого джерела. Цей процес називається розгонкою домішки.

5) Зняття оксиду та підготовка поверхні перед процесом епітаксії (рис. 5).

6) Формування епітаксійної структури (рис. 6). Епітаксія є процесом зростання монокристала на орієнтуючій підкладці. Епітаксіальний шар продовжує кристалічну решітку підкладки. Товщина його може бути від моношару до кількох десятків мікронів. Епітаксіальний шар кремнію можна виростити на самому кремнії. Цей процес називається авто-або гомоепітаксія. На відміну від автоепітаксії процес вирощування монокристалічних шарів на підкладках, що відрізняються за хімічним складом, називається гетероепітаксією.

Епітаксіальний процес дозволяє отримувати шари напівпровідника, однорідні за концентрацією домішок та з різним типом провідності (як електронним, так і дірковим). Концентрація домішок у шарі може бути вищою і нижчою, ніж у підкладці, що забезпечує можливість отримання високоомних шарів на низькоомній підкладці. У виробництві епітаксійні шари отримують за рахунок реакції на поверхні підкладки пар кремнієвих сполук з використанням реакцій відновлення SiCl 4 , SiBr 4 . У реакційній камері на поверхні підкладки у температурному діапазоні 1150-1270С протікає реакція

SiCl4+2H2=Si+4HCl,

в результаті якої чистий кремній у вигляді твердого осаду добудовує решітку підкладки, а летюче з'єднання видаляється з камери.

Процес епітаксійного нарощування проводиться у спеціальних установках, робочим об'ємом яких є кварцова труба, а як газ-носій використовується водень і азот.

Товщина епітаксійного шару n-типу становить 10-15 мкм із питомим опором 0,1-10 Ом*см. В епітаксійному шарі формуються колектори транзисторів та кишені резисторів.

7) Окислення поверхні епітаксійного шару для створення захисної маски при роздільній дифузії (рис. 7).

8) Фотолітографія для розтину вікон під роздільну дифузію (рис. 8).

9) Проведення розділової дифузії та створення ізольованих кишень (рис. 9).

Роздільна дифузія проводиться в дві стадії: перша (загін) - при температурі 1100-1150С, друга (розгін) - при температурі 1200-1250С. Як дифузант використовується бор. Роздільна дифузія здійснюється на всю глибину епітаксійного шару; при цьому у підкладці кремнію формуються окремі області напівпровідника, розділені p-n-переходами. У кожній ізольованій ділянці в результаті подальших процесів формується інтегральний елемент.

10) Окислення поверхні щодо фотолітографії під базову дифузію (рис. 10).

11) Фотолітографія для розтину вікон під базову дифузію (рис. 11).

12) Формування базового шару дифузією домішки p-типу (рис. 12).

13) Окислення поверхні щодо четвертої фотолітографії (рис. 13).

14) Фотолітографія для розтину вікон під емітерну дифузію (рис. 12).

15) Формування емітерного шару дифузією домішки n-типу, а також подальше окиснення поверхні (рис. 15).

Емітерна дифузія проводиться в одну стадію при температурі близько 1050С. Поруч із емітерами формуються області під контакти колекторів. Як легуюча домішка використовується фосфор. Товщина шару d? 0,5-2,0 мкм, концентрація акцепторів N ?10 21 cм -3 Використовується для створення емітерів транзисторів, низькоомних резисторів, підлеглення колекторних контактів та ін.

16) П'ята фотолітографія для розтину контактних вікон (рис. 16).

17) Напилення плівки алюмінію (рис. 17).

Сполуки елементів ІМС створюються металізацією. На поверхню ІМС методом термічного випаровування у вакуумі наноситься шар алюмінію завтовшки 1 мкм.

18) Фотолітографія для створення малюнка розведення та нанесення шару захисного діелектрика (рис. 18).

Після Фотолітографії метал обпалюється у середовищі азоту при температурі 500С.

Розрахунок інтегральних компонентів