Общая характеристика технологического процесса изготовления
Nbsp;
Федеральное агентство по образованию
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования
Ульяновский государственный технический университет
В. И. Смирнов
ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ТЕХНОЛОГИИ
ЭЛЕКТРОННЫХ СРЕДСТВ
Учебное пособие
для студентов, обучающихся по специальности 21020165 –
Проектирование и технология радиоэлектронных средств
Ульяновск 2005
ОГЛАВЛЕНИЕ
Предисловие………………………...………………………………….. 5
1. Общие сведения о технологии интегральных
микросхем……..……………………………………….………..…… 6
1.1. Классификация интегральных микросхем по технологии
их изготовления………...……………………..…………………. 6
1.2.Особенности формирования структуры полупроводниковой
ИМС на примере эпитаксиально-планарного транзистора….... 8
1.3.Общая характеристика технологического процесса
изготовления полупроводниковых ИМ…...…………………… 9
2. Физико-химические основы технологии
выращивания монокристаллического кремния…..… 12
2.1. Получение поликристаллического кремния………………...… 12
2.2.Выращивание монокристаллических слитков кремния
методом Чохральского…...……………………………...………13
2.3.Получение монокристаллического кремния методом
бестигельной зонной плавки……………………….……………15
3. Физико-химические основы технологии
полупроводниковых интегральных микросхем……... 16
3.1. Эпитаксиальные процессы в технологии полупроводниковых
интегральных микросхем………………………………….…… 16
3.2.Формирование диэлектрических слоев на поверхности
кремния………………………………………….………………..24
3.3.Формирование структур методом диффузии………………..…31
3.4.Формирование структур методом ионной имплантации…...…39
3.5.Ядерное (трансмутационное) легирование кремния………..…44
3.6.Процессы в кремниевых структурах, стимулированные
лазерным излучением……….……………...……………………46
3.7.Процессы в кремниевых структурах, стимулированные
радиационными дефектами…………………………..…….……48
3.8.Литографические процессы в технологии электронных
средств…………………………….………………………………51
3.9.Травление...………………………………………………………64
4. Физико-химические основы технологии
гибридных интегральных микросхем…………….……… 72
4.1.Термовакуумное напыление тонких пленок………………...…72
4.2.Ионно-плазменные методы получения тонких пленок…….…79
4.3.Технология толстопленочных ГИС………………….…………89
5.Физико-химические процессы в металлических
проводниках и контактах.…………..……………..………… 96
5.1.Металлы и сплавы, применяемые в технологии электронных
средств…………………….…………………….………………. 96
5.2.Электромиграция ионов в металлических проводниках…..… 99
5.3.Диаграммы состояния бинарных сплавов…………...…..……101
Заключение…………………………………………………………… 106
ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ………………………………………...… 109
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК…………………………………… 111
Предисловие
Производство электронных средств, в особенности микросхем и микропроцессоров, в настоящее время переживает бурный подъем. Резко улучшились основные технические характеристики микроэлектронных устройств, в первую очередь быстродействие и энергопотребление. Номенклатура выпускаемой продукции непрерывно расширяется, возникают новые направления такие, как нанотехнология и микросистемотехника. Современному инженеру-технологу электронных средств все сложнее ориентироваться в новых технологических методах и конструктивных решениях. Помочь ему в этом может знание физико-химических основ технологии электронных средств.
В настоящем учебном пособии рассматриваются основные технологические операции производства электронных средств с точки зрения физических явлений, сопутствующих или лежащих в основе той или иной операции. Основное внимание уделено технологии полупроводниковых микросхем, которые реализуются в приповерхностном слое полупроводниковой пластины. Рассмотрены также основные операции изготовления гибридных интегральных микросхем. Вопросы, связанные с такими технологическими операциями, как сборка и функциональный контроль микросхем или технология печатных плат в данном учебном пособии не рассматриваются.
В первой главе представлены общие сведения о технологии интегральных микросхем, дана их классификация и кратко описаны основные технологические операции при изготовлении полупроводниковых микросхем. Вторая глава посвящена методам выращивания кремниевых монокристаллических слитков.
Третья глава является основной, в ней рассмотрены все основные технологические операции формирования структуры полупроводниковой микросхемы, а именно, окисление поверхности кремниевой пластины, эпитаксия, фотолитография, легирование с помощью диффузии и ионной имплантации и так далее. Для анализа технологических операций в качестве примера выбран эпитаксиально-планарный транзистор. Хотя он и не обладает оптимальной конструкцией, но для его изготовления используются практически все типичные технологические операции.
В четвертой главе рассмотрены процессы, лежащие в основе технологии изготовления тонкопленочных и толстопленочных гибридных интегральных микросхем. В первую очередь это относится к напылению на диэлектрическую подложку тонких пленок ионно-плазменными методами и термовакуумным испарением, а также формированию пленок методом трафаретной печати. В пятой главе отдельно выделены вопросы, связанные с процессами, протекающими в металлических проводниках и контактных соединениях.
1. Общие сведения о технологии
интегральных микросхем
1.1 Классификация интегральных микросхем
по технологии их изготовления
Интегральная микросхема (ИМС) - это микроэлектронное изделие, выполняющее определенную функцию преобразования, обработки сигнала и (или) хранения информации, элементы которого изготовлены в виде слоев в приповерхностном слое подложки или на ее поверхности в едином технологическом процессе. Обычно ИМС имеет герметичный корпус и внешние электрические выводы. Особенностью ИМС являются малые размеры и расположение всех элементов (транзисторов, сопротивлений, конденсаторов и так далее) на одной подложке, так что вся микросхема представляет собой механически единый блок.
По технологии изготовления ИМС делятся на две основные группы: полупроводниковые и гибридные микросхемы. В полупроводниковых ИМС все элементы формируют в приповерхностном слое полупроводниковой пластины (обычно кремниевой), используя локальное введение различных примесей через специально сформированную на поверхности маску. Это позволяет создавать всевозможные р-п-переходы, составляющие основу диодов и транзисторов, а также обеспечивающие изоляцию элементов друг от друга.
Соединение элементов в соответствии с принципиальной схемой устройства осуществляется с помощью металлизации, наносимой на поверхность пластины и ее селективного травления. Фрагмент полупроводниковой микросхемы, а именно, структура биполярного и полевого транзисторов показаны на рис. 1.1. Области эмиттера Э, базы Б и коллектора К биполярного п-р-п-транзистора (рис. 1.1а) сформированы с помощью локального легирования кремниевой пластины р-типа. Все выводы транзистора находятся на одной плоскости (планарная структура). Серым цветом показан слой SiO2, черным цветом – металлизация. Буквами И, З и С обозначены соответственно исток, затвор и сток полевого транзистора с индуцированным каналом (на рис. 1.1б он показан пунктиром).
По объему производства полупроводниковые ИМС значительно превосходят гибридные. Это объясняется рядом преимуществ таких, как лучшие массо-габаритные показатели, стоимость, надежность и так далее. Тем не менее в данной технологии существует ряд ограничений, которые не позволяют реализовать любой электронный блок в интегральном исполнении.
Если, например, электронный блок содержит прецизионные резисторы, то сформировать их с помощью полупроводниковой технологии проблематично, поскольку существует технологический разброс параметров порядка 10 %. Если блок содержит резисторы больших номиналов, то сформировать его в приповерхностном слое пластины можно, но такой резистор будет занимать слишком большую площадь на кристалле. Если требуется сформировать конденсатор небольшой емкости, то для этого может быть использована барьерная емкость р-п-перехода. Если же емкость конденсатора относительно велика, то сделать это практически невозможно. Существуют также ограничения по изготовлению индуктивных элементов. Имеются проблемы с реализацией в интегральном исполнении электронных блоков с большой рассеиваемой тепловой мощностью.
Гибридная технология в значительной степени свободна от этих ограничений. В гибридных интегральных микросхемах (ГИС) пассивные элементы (резисторы, конденсаторы, индуктивные элементы), а также электрические проводники и контактные площадки изготавливаются на поверхности диэлектрической подложки по пленочной технологии, а активные (бескорпусные транзисторы, диоды и так далее) монтируются на подложке с помощью навесного монтажа. Фрагмент структуры ГИС показан на рис. 1.2. На подложке (обычно керамика, ситалл или другие материалы) по пленочной технологии сформированы резистор R и конденсатор С. Соединение активного элемента АЭ с контактными площадками осуществляется микросваркой.
В зависимости от технологии формирования пассивных элементов различают тонкопленочные и толстопленочные ГИС. Тонкопленочные элементы (обычно толщина менее 1 мкм) формируют термовакуумным испарением или ионно-плазменными методами. Толстопленочные элементы формируют методом трафаретной печати, нанося на подложку через трафарет пасту специального состава, а затем осуществляя ее температурную обработку (сушку и вжигание).
Иногда выделяют в отдельные группы пленочные и совмещенные интегральные микросхемы. Их доля в общем объеме производства невелика. Пленочные ИМС – это обычно наборы резисторов или конденсаторов с одинаковыми параметрами или параметрами, образующими геометрическую прогрессию (R, 2R, 4Rи так далее). Совмещенная ИМС – это интегральная полупроводниковая микросхема, в которой активные элементы (транзисторы и диоды) формируются в приповерхностном слое полупроводниковой пластины, а пассивные элементы (резисторы, конденсаторы и так далее) – на ее поверхности по пленочной технологии.
Особенности формирования структуры полупроводниковой ИМС на примере эпитаксиально-планарного транзистора
Рассмотрим фрагмент электронного устройства, изображенного на рис. 1.3. Данный фрагмент представляет собой простейший инвертор, который работает следующим образом. При поступлении на базу транзистора напряжения высокого уровня (логической единицы) он открывается и напряжение, снимаемое с коллектора, будет иметь низкий уровень (логический ноль). И наоборот, если на вход поступает сигнал низкого уровня, на выходе будет сигнал высокого уровня. В цепи коллектора имеется резистор, к которому подключается напряжение питания Un. Следует отметить, что в действительности схема обладает некоторой паразитной емкостью Спар (емкость коллекторного перехода, проводников и так далее). На схеме эта емкость показана пунктиром.
 |
Реализация этого фрагмента в интегральном исполнении представлена на рис. 1.4. В приповерхностном слое кремниевой пластины р-типа с помощью безмасочной диффузии доноров сформирован слой п-типа. Затем через окна в маске, специально сформированной на поверхности с помощью фотолитографии, вводят в большом количестве акцепторы, формируя области р+-типа. Образующиеся при этом переходы р+-п и р-п обеспечивают изоляцию друг от друга двух карманов: правого для транзистора и левого для резистора. Диффузионный резистор представляет собой область р-типа в кармане, обладающем п-типом проводимости. Его сопротивление определяется удельным сопротивлением этой области и ее геометрическими размерами. Соединение элементов инвертора осуществляется металлизацией по поверхности пластины.
Приведенная на рис. 1.4 структура биполярного транзистора обладает одним серьезным недостатком. Как уже отмечалось, реальная схема инвертора обладает паразитной емкостью. Процессы переключения транзистора из закрытого состояния в открытое и наоборот будут сопровождаться перезарядкой этой паразитной емкости. Длительность процесса перезарядки Спар зависит от величины этой емкости и от сопротивления тела коллектора, по которому протекает ток. Для уменьшения времени перезарядки паразитной емкости и, соответственно, для повышения быстродействия транзистора необходимо уменьшить сопротивление тела коллектора. Это можно было бы сделать, увеличив количество донорной примеси, вводимой для формирования области коллектора. Но тогда увеличится концентрация примеси вблизи поверхности пластины, а это приведет к снижению напряжения пробоя перехода коллектор – база.
Решение проблемы повышения быстродействия транзистора заключается в формировании слоя с повышенным содержанием доноров на некотором расстоянии от поверхности пластины. Этот так называемый скрытый слой уменьшает сопротивление тела коллектора. В то же время снижения пробивного напряжения коллекторного перехода не происходит. Сформировать скрытый слой можно с помощью операции эпитаксии. Структура эпитаксиально-планарного транзистора представлена на рис. 1.5.
Толщина исходной кремниевой пластины, составляет обычно величину порядка 400 мкм. Толщина эпитаксиального слоя, как правило, находится в диапазоне от 4 до 15 мкм. Транзистор изолирован от соседних элементов по периметру высокоомной границей р+-п-перехода, а снизу - такой же границей р--п+-перехода. Металлизация осуществляется обычно с помощью напыления пленки из алюминия с последующим селективным травлением. Данная структура транзистора не является единственно возможной, существуют и другие конструкции.
Общая характеристика технологического процесса изготовления
Полупроводниковых ИМС
Начальным этапом изготовления полупроводниковых микросхем является выращивание монокристаллического слитка кремния, содержащего заранее определенное количество примесных атомов. Слитки разрезают на пластины и обрабатывают их поверхности. С помощью многократно повторяющихся операций окисления, фотолитографии, эпитаксии, диффузии, ионной имплантации, металлизации и травления формируют элементы микросхемы, соединенные проводящими дорожками на поверхности пластины. На одной пластине может быть изготовлено большое количество однотипных кристаллов (чипов). Затем все кристаллы тестируют, маркируя дефектные, и разрезают пластину на кристаллы. После этого кристаллы монтируют в корпус и проводят заключительный функциональный контроль.
Самыми важными операциями являются те из них, с помощью которых непосредственно формируется структура микросхемы, то есть окисление, эпитаксия, диффузия и так далее. Рассмотрим более подробно эти операции на примере эпитаксиально-планарного транзистора. Основные операции технологического процесса формирования структуры транзистора представлены на рис. 1.6.
 |
Исходную пластину (рис. 1.6а) окисляют и наносят по всей поверхности тонкий слой фоторезиста (рис. 1.6б). Фоторезист представляет собой вещество, изменяющее под воздействием ультрафиолетового излучения растворимость в определенных травителях. Поверхность пластины облучают через специальный фотошаблон (рис. 1.6в), после чего облученные участки стравливают. Образуется маска из фоторезиста, рисунок которой переносят на нижележащий слой SiO2 (рис. 1.6г), после чего слой фоторезиста удаляют. Через образовавшуюся маску из SiO2проводят диффузию доноров и формируют скрытый слой (рис. 1.6д). Затем маску из оксида кремния удаляют и наращивают на поверхности пластины эпитаксиальный слой монокристаллического кремния п-типа с последующим его окислением (рис. 1.6е). После этого наносят слой фоторезиста и облучают его через второй фотошаблон, формируя маску для диффузии акцепторов. С помощью диффузии акцепторов через окна в маске формируются области р+-типа, которые изолируют по периметру карман п-типа проводимости от соседних карманов (рис. 1.6ж). Повторяя операции окисления, нанесения фоторезиста и облучения его через другие фотошаблоны, формируют области базы и эмиттера транзистора.
Металлизацию поверхности проводят с помощью еще двух операций фотолитографии. Вначале с помощью первой операции в слое SiO2 формируют маску, окна в которой обеспечивают доступ к областям эмиттера, базы и коллектора. После этого напыляют тонкий слой алюминия по всей поверхности (в том числе и в окна). Термообработка позволяет сформировать омический (невыпрямляющий) контакт алюминия к кремнию. Последняя операция фотолитографии позволяет удалить ненужные участки металлизации, оставив на поверхности только проводящие дорожки, соединяющие элементы микросхемы друг с другом, и контактные площадки, обеспечивающие электрическое соединение внешних выводов микросхемы с кристаллом. В результате всех этих операций получается эпитаксиально-планарный транзистор, изображенный на рис. 1.6з.
Технология изготовления полевого транзистора (МДП-транзистора), структура которого изображена на рис. 1.1б, значительно проще, чем биполярного. При изготовлении МДП-транзистора используется меньше операций фотолитографии (количество этих операций в основном и определяет трудоемкость технологического процесса), обычно нет необходимости в эпитаксиальном процессе, меньше проблем с изоляцией транзисторов друг от друга. Полевые транзисторы занимают на кристалле существенно меньшую площадь, чем биполярные. Они имеют большое входное сопротивление, их потребляемая мощность, как правило, невелика. Вместе с тем полевые транзисторы уступают биполярным по быстродействию. Поэтому иногда применяют комбинированную технологию, а именно, входные каскады микросхемы изготовляют на полевых транзисторах, а остальную часть – на основе биполярных транзисторов.
Контрольные вопросы
1. Как классифицируют интегральные микросхемы по технологии их изготовления?
2. Чем отличаются структуры биполярного и полевого транзисторов полупроводниковых ИМС?
3. В чем проявляются ограничения полупроводниковой технологии ИМС?
4. Перечислите основные технологические операции изготовления полупроводниковых ИМС и объясните их назначение.
2. Физико-химические основы технологии
выращивания монокристаллического кремния
2.1. Получение поликристаллического кремния
В производстве полупроводниковых интегральных микросхем наибольшее распространение получил кремний. Причин этому несколько. Во-первых, на поверхности кремния можно легко сформировать оксидную пленку, используемую в качестве маскирующего покрытия при фотолитографии. Во-вторых, свойствами кремния легко управлять с помощью легирования его примесными атомами. В-третьих, кремний имеет достаточно высокую механическую прочность и теплопроводность. В-четвертых, кремний широко распространен в природе в виде соединений, хорошо обрабатывается и имеет невысокую стоимость.
Монокристаллический Si получают из поликристаллического, исходным сырьем для которого, в свою очередь, является кварц SiO2 (в свободном состоянии кремний в природе не встречается). Технология получения поликристаллического Si включает в себя следующие основные операции.
Восстановление SiO2 углеродом путем нагрева кварцевого песка и кокса до 1500 - 1750° С. В результате получается технический кремний, существенно загрязненный различными примесными атомами:
SiO2 + 2C ® Si + 2CO.
Степень загрязнения технического кремния примесями (Fe, Al, B, P и другие) составляет 1-2 %. Использовать такой кремний для получения каких-либо полупроводниковых приборов нельзя, требуется его очистка. Очистка от примесей кремния, находящегося в твердой фазе, является очень сложной задачей. Поэтому данную операцию проводят в два этапа. На первом этапе кремний переводят в какое-нибудь газообразное соединение и производят его очистку. В качестве газообразных соединений кремния используются SiCl4, SiHCl3, SiH4, SiI4 и другие. Примеры реакций:
Si + 2Cl2 ® SiCl4 ,
Si + 3HCl ® SiHCl3 + H2 .
Вторым этапом является восстановление кремния из газообразного соединения и получение чистого кремния с содержанием примесных атомов на уровне 10-7 - 10-6 %. Примеры реакций:
SiCl4 + 2H2 ® Si + 4HCl ,
SiH4 ® Si + 2H2 .
Из полученного таким способом поликристаллического кремния можно вырастить кремний монокристаллический. При этом следует учитывать тот факт, что кремний при переходе из расплавленного состояния в кристаллическое увеличивает свой объем примерно на 10 %. Если проводить этот процесс в тигле, то воздействие стенок тигля на растущий кристалл вызовет образование в последнем большого количества дислокаций. Поэтому используют методы выращивания, исключающие воздействие стенок тигля на кристалл. Наиболее широко используются методы Чохральского и бестигельной зонной плавки.
Дата добавления: 2018-05-12; просмотров: 641; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!