2869

Технология изделий интегральной техники

Конспект

Физика

Весь потенциал твёрдотельной электроники скрывался в единственном экспериментальном образце транзистора, действие которого было не понятно даже его творцам. Через 10 лет твёрдотельные приборы уже выиграли сражение с лампами за...

Русский

2012-10-20

3.57 MB

71 чел.

ВВЕДЕНИЕ

В 1948 г. весь потенциал твёрдотельной электроники скрывался в единственном экспериментальном образце транзистора, действие которого было не понятно даже его творцам. Через 10 лет твёрдотельные приборы уже выиграли сражение с лампами за вычислительную технику и породили объект нового поколения – организованное скопление транзисторов в одном кристалле, называемое интегральной микросхемой.

Современный кристалл массой в десятки миллиграммов обладает значительно большей вычислительной производительностью, чем первые ЭВМ с массой в десятки тонн.

Микроэлектроника – это способ организации электронных процессов, который позволяет обрабатывать информацию в малы объёмах твёрдого тела. И идеальной целью является система, сочетающая совершенство организации мозга с быстродействием твёрдотельных процессов.

Задача данного курса ознакомить студента с основами типовых технологических процессов, используемых при изготовлении изделий микроэлектроники.

Взаимопроникновение процессов разработки, синтеза, функционирования и деградации в перспективе ведёт к схеме реализованной природой в биосистемах. При этом в микроэлектронике технология приобретает функциональное значение и определяет принципиальные возможности систем.

Точные информационные системы создаются методами физико-химической технологии. Ещё в 1874 г. Браун открыл выпрямляющее свойство контакта металл-полупроводник (PbS), и приборы этого типа даже получили довольно широкое распространение в последней четверти прошлого века. Но изобретение вакуумного диода (1904, Флеминг) и триода (1906, Ли де Форест) положило конец этой эре полупроводников. Настоящее время полупроводников наступило только в 50-х годах после изобретения транзистора, при этом уместно вспомнить работы Лишенфильда, который ещё в 1925 году высказал идею возможности создания полевого транзистора. Однако первым в 1948 году Бардиным, Браттейном и Шокли был создан биполярный транзистор, а спустя 10 лет был реализован и полевой транзистор.

Современная технология микроэлектроники основана на двух принципах: последовательном формировании тонких слоёв или плёнок при определённых режимах и создании топологических рисунков с помощью микролитографии. Технологические основы этих принципов уходят вглубь веков.

Одним из функциональных вопросов технологии является вопрос можно ли полностью устранить механические совмещения и осуществить синтез твёрдотельной структуры в едином физико-химическом процессе. Те сведения, которыми мы сегодня располагаем относительно материалов, физико-химической технологии и физических принципов не позволяют дать положительный ответ. Однако развитие живой природы (генетический код), история развития техники говорит о том, что такое решение возможно. Но радикальные изменения в технологии всегда сопряжены с новой физикой, новыми материалами и новой элементной базой.

Основная тенденция микроэлектроники, устойчиво сохраняющаяся уже более 40 лет – повышение степени интеграции N. Перспективность этой тенденции обусловлена тем, что при отлаженном серийном производстве стоимость изделий практически не зависит от их сложности и определяется в основном производительностью оборудования. Повысить степень интеграции N можно за счёт уменьшения размеров элементов или за счёт увеличения размера кристалла. Оба эти способа успешно реализуются на практике.

Здесь уместно отметить, что реальные машины создавали электротехники, ламповые – радиоинженеры, транзисторные – специалисты по физике твёрдого тела и твёрдотельной электронике, ЭВМ на малых микросхемах – специалисты по логическому проектированию, ЭВМ на больших интегральных микросхемах – специалисты по системотехнике.

Кремний был единственным материалом, раскрывшим потенциал твердотельной интегральной схемотехники, и он остаётся практически единственной основой планарной технологии до настоящего времени. Несмотря на многообразие новых материалов и новых принципов кремний и сегодня широко используется.

Среди полупроводников у кремния есть единственный серьёзный соперник – арсенид галлия. Обладая более высокой подвижностью носителей, GaAs позволяет достичь в 5 раз более высоких пределов быстродействия. Полуизолирующий арсенид галлия открывает путь к эффективной внутрисхемной изоляции, а как следствие – к более низкой мощности рассеяния, чем у кремния. Кремний не позволяет реализовать излучающие диоды, но он обеспечивает фотоприёмными системами весь видимый и близкий ИК-диапазоны.

Наконец, существует ещё два сильных фактора: доступность материала и его нетоксичность для человека. Кремний полностью удовлетворяет обоим критериям. Приведём данные распространённости в земной коре наиболее часто используемых материалов микроэлектроники: Si – 26,0%, Al – 7,45%, C – 0,35%, P – 0,12%, Gd – 7,5∙10-4 %, As - 5∙10-4%, Ge - 4∙10-4%, Ga - 1∙10-4%.

И так, сегодня монокристаллический кремний – основа активной структуры СБИС, поликремний – связи и сопротивления, окисел и нитрид кремния – идеальные диэлектрики, а также оптические волноводы. Кремний используется для чувствительных датчиков давления.

Кремний и углерод находятся в 4 группе периодической системы. Углерод служит основой жизни биосистем, а кремний основой “жизни” кристаллических информационных систем. Таким образом мыслящие C-системы дополняют себя быстродействующими Si-системами.

 

1. Физическая природа свойств твёрдых тел

1.1. Основные материалы микроэлектроники

Бурное развитие радиоэлектронной аппаратуры не могло происходить без существенного улучшения её параметров. В радиоэлектронике и электронной технике появилось новое, успешно развивающееся направление – микроэлектроника. За сравнительно короткий исторический отрезок времени (первый транзистор был изготовлен в 1948 году, первая интегральная схема – в 1958 году) микроэлектроника стала ведущим направлением, определяющим прогресс в развитии радиоэлектронной аппаратуры.

Твердотельная электроника – это новое научно-техническое направление, которое посредством физических, химических, схемотехнических и технологических методов и приёмов решает проблему создания высоконадёжных электронных устройств.

В качестве основных конструкционных материалов в микроэлектронике используются полупроводники, металлы и диэлектрики. Исторически различия между металлами, полупроводниками и диэлектриками связывалось с особенностями электропроводности этих тел. К металлам относили вещества имеющие удельную проводимость, измеряемую величинами порядка 104 (Ом∙см)-1 . Вещества, имеющие удельную проводимость в пределах 10-7 (Ом∙см)-1 и меньшую, относили к диэлектрикам. Все материалы, которые имели удельную проводимость в пределах 104 ÷ 10-7 (Ом∙см)-1, считались полупроводниками. С физической точки зрения такое определение не является достаточно точным. Например, с помощью введения примесей можно увеличить электропроводимость полупроводников на несколько порядков, сделав её по величине соизмеримой с проводимостью металлов, но при этом они не станут металлами. От металлов полупроводники отличаются не величиной, а характером зависимости удельной электрической проводимости, прежде всего, от температуры. В природе существует два типа полупроводниковых веществ: ионные полупроводники и электронные полупроводники.

Рис. 1.1. Образование двухкомпонентных полупроводников

Сегодня ионные полупроводники не получили широкого распространения в технике, так как при прохождении через них электрического тока изменяется их состав, структура и форма.

К электронным полупроводникам относятся огромное количество самых различных веществ. Так как в этих веществах ток переносится электронами, то при прохождении не происходит переноса вещества и приборы могу эксплуатироваться длительное время. К числу этих полупроводников относятся 13 простых веществ: бор B, углерод C, кремний Si, фосфор P, сера S, германий Ge, мышьяк As, серое олово Sn, сурьма Sb, висмут Bi, селен Se, теллур Te, йод J. К ним относятся и ряд бинарных соединений типа AXBVIII-X, где A – элемент группы X, а B – элемент группы VIII-X (рис. 1.1). Такие соединения как AgCl, CuBr, KBr, LiF и др. типа AIBVII ещё не нашли широкого применения.

В ближайшее время будут применены соединения типа AIIBVI, среди которых в первую очередь CdS, CdSe, CdTe, ZnS, ZnO, ZnSe, HgTe, HgSe. Их свойства сейчас интенсивно изучаются. Наряду с сульфатами, теллуридами и селенидами очень перспективными материалами являются антимониды, арсениды, фосфиды, нитриды алюминия, галлия, индия, бора, относящиеся к типу AIIIBV. Эти элементы уже сегодня являются одними из важнейших полупроводниковых материалов. Полупроводниковыми свойствами обладают SiC и SiGe, относящиеся к типу AIVBIV. Полупроводниковые свойства обнаружены у соединений типа AIVBVI, среди которых PbS, PbSe, PbTe, соединений типа AIBVI, среди которых CuS, CuO, Cu2O и др. Перспективными представляются сложные соединения и твердые растворы типа AXB1VIII-XB2VIII-X; A1XA2XBVIII-X; A1XA2XB1VIII-XB2VIII-X, например, GaAsP, JnGaSb, ZnCdSeTe. Кроме этих соединений полупроводниковыми свойствами обладает большое количество более сложных соединений. Наряду с неорганическими материалами к полупроводникам относятся и органические материалы, такие как антрацен, фталоцианин, коронен и целый рад других.

В науке и технике ведётся целенаправленный поиск материалов, обладающих новыми свойствами. В последние годы учёными интенсивно изучались структура и свойства таких материалов как серое олово, теллурид ртути, сплав висмута с сурьмой. Наиболее интенсивные свойства серого олова и теллурида ртути – это отсутствие запрещённой зоны. Эти материалы относят к бесщелевым полупроводникам. Запрещённая зона в них отсутствует при любых воздействиях, не меняющих симметрию кристаллической решётки: нагрев и охлаждение в определенном температурном интервале, всестороннее сжатие, введение примесей. Сплавы висмута с сурьмой, наоборот, приобретают новые свойства при различных внешних воздействиях. Так, например, под действием всестороннего давления, магнитного поля, при изменении химического состава этот материал может перейти в состояние, не имеющее запрещённой зоны. В некоторых сплавах системы висмут-сурьма под действием мощного магнитного поля образуются экситонные фазы, которые представляют собой электроны и дырки, объединенные в устойчивые комплексы, напоминающие атомы водорода и обладающие исключительно интересными свойствами. Эти свойства сейчас интенсивно изучаются с целью практического использования.

 

2. Фазовые диаграммы и твердые растворы

Фазовые диаграммы состояний являются неотъемлемой частью любого обсуждения свойств материалов в тех случаях, когда речь идет о взаимодействии различных материалов. Особенно фазовые диаграммы состояния важны в микроэлектронике, т.к. для изготовления выводов и пассивирующих слоев там приходится использовать большой набор различных материалов. Учитывая тот факт, что в производстве интегральных микросхем в тесном контакте с различными металлами находится кремний, особое внимание уделим тем фазовым диаграммам, в которых в качестве одной из компонент фигурирует именно кремний.

2.1. Типы фазовых диаграмм

Однофазовые диаграммы состояний – это графики, на которых в зависимости от давления, объем и температуры изображают фазовое состояние только одного материала. Обычно не принято рисовать трехмерный график на двумерной плоскости – изображают его проекцию на плоскость температура – давление. Пример однофазной диаграммы состояний дан на рис. 2.1.

Рис. 2.1. Однофазная диаграмма состояний

На диаграмме четко разграничены области, в которых материал может существовать только в одном фазовом состоянии – как твердое тело, жидкость или газ. Вдоль разграниченных линий вещество может иметь два фазовых состояния (две фазы), находящихся в контексте друг с другом. Имеет место любая из комбинаций: твердое тело – жидкость, твердое тело – пар, жидкость – пар. В точке пересечения линий диаграммы, так называемой тройной точке, могут одновременно существовать все три фазы. Причем это возможно при одной-единственной температуре, поэтому тройная точка служит хорошей точкой отсчета температур. Обычно в качестве точки отсчета выступает тройная точка воды (например, в прецизионных измерениях с использованием термопар, где опорный спай контактирует с системой лед – вода – пар).

Двойная фазовая диаграмма (диаграмма состояния двойной системы) представляет состояние системы с двумя компонентами. На таких диаграммах по оси ординат откладывается температура, по оси абсцисс – процентное соотношение компонент смеси (обычно это или процент от общей массы (вес. %), или процент от общего числа атомов (ат. %)). Давление обычно полагается равным 1 атм. Если рассматривается жидкая и твердая фазы, измерением объема пренебрегают. На рис. 2.2. представлена типичная двухфазная диаграмма состояний для компонент A и B с использованием весового или атомного процента.

Рис. 2.2. Двухфазная диаграмма состояний

Буквой a обозначена фаза вещества A с растворенным веществом B, b означает фазу вещества B с растворенным в нем веществом A, а a + b означает смесь этих фаз. Буква (от liquid - жидкий) означает жидкую фазу, а L+a и L+b означают жидкую фазу плюс фаза или соответственно. Линии, разделяющие фазы, т. е. линии, на которых могут существовать различные фазы вещества, имеют следующие названия: солидус – линия, на которой одновременно существуют фазы a или b с фазами L+a и L+b соответственно; сольвус – линия, на которой одновременно сосуществуют фазы a и a + b или b и a + b, и ликвидус – линия, на которой одновременно существует фаза L с фазой L+a или L+b.

Точка пересечения двух линий ликвидуса часто является точкой наименьшей температуры плавления для всех возможных комбинаций веществ A и B и называется эвтектической точкой. Смесь с соотношением компонент в эвтектической точке называется эвтектической смесью (или просто эвтектикой).

Поучительно будет рассмотреть, как происходит переход смеси из жидкого состояния (расплава) в твердое и как фазовая диаграмма помогает предсказать равновесную композицию всех фаз, существующих при данной температуре. Обратимся к рис. 2.3.

Рис. 2.3. Двухфазная диаграмма состояний, на которой показаны процессы отвердевания

Предположим, что вначале смесь имела состав CM при температуре T1, при температуре от T1 до T2 существует жидкая фаза, а при температуре T2 одновременно существуют фазы L и b. Состав присутствующей фазы L есть CМ,  состав фазы b есть Cb1. При дальнейшем снижении температуры до T3 состав жидкой меняется вдоль кривой ликвидуса, а состав фазы b – вдоль кривой солидуса до пересечения с изотермой (горизонтальной линией) T3. Теперь состав фазы L есть CL, а состав фазы есть Cb2. Следует отметить, что состав Cb2 должен иметь не только вещество, перешедшее в фазу при b при температуре T3, но и все вещество, перешедшее в фазу b при более высокой температуре, должно иметь состав Cb2. Это выравнивание составов должно произойти путем твердотельной диффузии компонента A в существующую фазу b, так что к моменту достижения температуры T3 все вещество, находящееся в фазе b, будет иметь состав Cb2. Дальнейшее снижение температуры приводит нас в эвтектическую точку. В ней фазы a и b существуют одновременно с жидкой фазой. При более низких температурах существуют только фазы a и b. Образуется смесь фаз a и b состава CE с агрегатами b с начальным составом Cb3. Затем, выдерживая эту смесь длительное время при температуре ниже эвтектической, можно получить твердое тело. Образовавшееся твердое тело будет состоять из двух фаз. Состав каждой из фаз можно определить в точке пересечения изотермы с соответствующей линией сольвуса.

Только что было показано, как определить состав каждой из присутствующих фаз. Теперь рассмотрим задачу определения количества вещества в каждой фазе. Во избежания путаницы на рис. 2.4. еще раз приводится простая двухфазная диаграмма. Предположим, что при температуре T1 состав расплава есть CM (имеется в виду компонента B), тогда при T2 фаза L имеет состав CL, а фаза b будет иметь состав Cs. Пусть ML – масса вещества, находящегося в твердом состоянии, а MS – масса вещества, находящегося в твердом состоянии. Условие сохранения суммарной массы приводит к следующему уравнению

(ML + MS)CM = MLCL + MSCS.

Рис. 2.4. Правило уровня

В нем нашел отражение тот факт, что общая масса вещества при температуре T1, умноженная на процент B, – есть общая масса вещества B. Она равна сумме масс вещества B, существующего в жидкой и в твердой фазах при температуре T2. Решая это уравнение, получаем

.                                                (2.1)

Это выражение известно как “правило уровня”. С помощью этого правила, зная начальный состав расплава и общую его массу, можно определить массы обеих фаз и количество вещества B в любой фазе для любого участка двухфазной диаграммы. Точно так же можно вычислить и

На рис. 2.5. приведен еще одни пример отвердения расплава. Снижение температуры от T1 до T2 приводит к смешиванию фаз L и b с составом соответственно CM и Cb. По мере дальнейшего охлаждения состав L меняется вдоль ликвидуса, а состав b - вдоль солидуса, как было описано ранее. При достижении температуры T3 состав b станет равным CМ, и, как следует из правила уровня, при температуре, меньшей T3, жидкая фаза существовать не может. При температуре, меньшей T4, фазы a и b существуют как агрегаты фаз a и b. Например, при температуре T5 агрегаты фазы b будут иметь состав, определяемый пересечением изотермы T5 и сольвуса b. Состав a определяется аналогично – пересечением изотермы и сольвуса a.

Рис. 2.5. Двухфазная диаграмма и процесс отвердевания

количество вещества A, присутствующего в любой из фаз

Участки двухфазной диаграммы, называемые до сих пор a и b, – это участки твердой растворимости: в области b растворено A и B. Максимальное количество A, которое может быть растворено в B при данной температуре, находятся в зависимости от температуры. При эвтектической или более высокой температуре может иметь место быстрое сплавливание A и B. Если полученный при этом сплав резко охладить, то атомы A могут быть “пойманы” в решетке B. Но если твердая растворимость при комнатной температуре намного ниже (это говорит о том, что при этой температуре рассматриваемый подход не слишком пригоден), то в сплаве могут возникать сильнейшие напряжения, существенно влияющие на его свойства (при наличии значительных напряжений возникают пересыщенные твердые растворы, и система находится не в равновесном состоянии, а диаграмма дает информацию только о равновесных состояниях). Иногда, такой эффект является желательным, например при упрочнении стали закалкой с получением мартенсита. Но в микроэлектронике его результат будет разрушительным. Поэтому легирование, т. е. внесение добавок в кремний до диффузии, проводится при повышенных температурах с таким расчетом, чтобы предупредить повреждение поверхности из-за избыточного сплавления. Если же количество легирующей примеси в подложке окажется выше предела твердой растворимости при любой температуре, то появляется вторая фаза и связанная с ней деформация.

 

2.2. Системы, имеющие важное значение в микроэлектронике

Существует ряд материалов, которые полностью растворимы друг в друге. Примером может служить система их двух таких важных для микроэлектроники веществ, как кремний и германий. Система кремний – германий показана на рис. 2.6.

Рис. 2.6. Система кремний – германий

Диаграмма не имеет эвтектической точки. Подобная диаграмма называется изоморфной. Для того чтобы два элемента были изоморфными, они должны подчиняться правилам Хьюма – Ротери, т.е. иметь различие в значениях атомных радиусов не более чем на 15%, одинаковую вероятность, одинаковую кристаллическую решетку и, кроме того, приблизительно одинаковую электроотрицательность (электроотрицательность атома – это присущее ему семейство привлекать или захватывать лишние электроны, при ковалентных связях). Системы CuNi, AuPt и AgPd, также являются изоморфными.

Система PbSn служит хорошим примером простой бинарной системы со значительной, хотя и ограниченной твердой растворимостью. Фазовая диаграмма состояний этой системы приведена на рис. 2.7. Точка пересечения солидуса и сольвуса называется граничной растворимостью, значение граничной растворимости как олова в свинце, так и свинца в олове будет большим. Данная система важна для микроэлектроники благодаря широкому применению оловянных-свинцовых припоев. Их двухфазной диаграммы этой системы видно, как изменение состава сплава меняет его температуру плавления. Когда при изготовлении микросхемы требуется провести несколько последовательных паек, то для каждой следующей пайки применяется припой с более низкой температурой плавления. Это делается для того, чтобы не потекли пайки, сделанные раньше.

Рис. 2.7. Фазовая диаграмма состояний системы свинец – олово

Для производства микросхем также важны свойства системы AuSi, поскольку эвтектическая температура этой системы крайне мала по сравнению с температурами плавления чистого золота или чистого кремния (рис 2.9). Растворимости золота в кремнии и кремния в золоте слишком малы, чтобы их отобразить на обычной фазовой диаграмме состояний. Из-за низкой эвтектической температуры оказывается выгодно устанавливать кристаллы микросхем на золотые подложки, держатели или платы с золотыми контактными площадками, пользуясь эвтектической реакцией AuSi в качестве основного механизма сварки (или пайки). Для пайки кремниевых кристаллов также используется золото, содержащее несколько процентов германия.

Комбинации элементов, образующих химические соединения, имеют более сложные диаграммы состояний. Их можно разбить на две (или несколько) более простых диаграммы, каждая из которых относится к определенной паре соединений или соединению и элементов. Например, AuAl2 образуется при соединении 33% (процент атомный) золота с алюминием при температуре менее 1060о (рис. 2.10). Слева от этой линии сосуществует AuAl2 и фаза чистого алюминия. Соединения, подобные AuAl2, называются интерметаллическими и образуются при соответствующем стехиометрическом соотношении двух элементов. Интерметаллические соединения характеризуются высокой температурой плавления, сложной кристаллической структурой и, кроме того, отличаются  твердостью и хрупкостью.

Фазовая диаграмма состояний AuAl может быть разбита на две или больше диаграмм, например на диаграмму AlAuAl2 и диаграмму AuAl2Au.

Рис. 2.8. Система алюминий – кремний

Диаграмма системы AuAl, показанная на рис. 2.10, имеет в микроэлектронике крайне важное значение, поскольку обычно золотые провода соединяются с алюминиевым слоем металлизации, расположенным поверх кремния. Здесь указано несколько важных интерметаллических соединений: AuAl2, Au2Al, Au5Al2 и Au4Al. В проводниках связей AuAl они могут присутствовать все. Проблемы, связанные с этими фазами, их называют пурпурной или рыжей чумой, обсуждаются в гл. 13.

Рис. 2.9. Система золото – кремний

Рис. 2.10. Система золото – алюминий

2.3. Твердая растворимость

Граничная растворимость большинства легирующих примесей в кремнии крайне мала и в действительности не является максимальной растворимостью. На рис. 2.11 представлена типичная кривая солидуса для примеси без кремния. Заметьте, что растворимость растет с температурой до определенного значения, а затем убывает до нуля при температуре плавления кремния. Такая кривая называется ретроградной кривой растворимости. Уточненная версия этой диаграммы в окрестности точки плавления кремния показана на рис. 2.12.

Рис. 2.11. Ретроградная растворимость кремния

Рис. 2.12. Типичная фазовая диаграмма кремния

Если состав расплава кремния равен CM в процентах массы растворенного вещества, то кремний будет застывать с содержанием растворенного вещества kCM, где k – коэффициент сегрегации (k=CS/CL). Когда концентрация в твердом теле достигнет значения CM при замораживании, концентрация в жидком растворе будет равна CM/k, поскольку соотношение концентраций в жидком и твердом растрах должна быть равна k. Наклон линии солидуса, следовательно, равен

,

а наклон ликвидуса равен

.

Отношение наклонов ликвидуса и солидуса оказывается равным коэффициенту сегрегации

.                                             (2.2)

 

2.4. Задачи

1. Свинцово-оловянный припой имеет весовую концентрацию свинца 70% при 300 оС. Определите концентрацию жидкой и твердой фаз при 200 оС. Найдите при той же температуре массы жидкости и твердого тела, если общая масса равна 5 г.

2. Раствор PbSn с весовой концентрацией Pb 80% остывает от 300 до 150 оС.

а) Опишите процесс остывания подробно.

б) Найдите массы жидкой и твердой фаз, если общая масса равна 25 г.

3. Нарисуйте эвтектическую фазовую диаграмму состояний. Обозначьте все фазы и линии раздела. Подробно опишите, каким образом отвердения расплава приводит к трем различным концентрациям (эвтектическую точку следует рассматривать, а нулевую или стопроцентную концентрацию – нет).

4. Какова максимальная растворимость Si в Al? При какой температуре она достигается?

5. Какова минимальная температура пайка, необходимая для установки кристалла кремния на золотую подложку? Какова при этой оптимальной температуре концентрация Si в Al?

Рис. 2.13. Диаграмма состояния непрерывных

твердых растворов с максимумом или минимумом

Рис. 2.14. Важнейшие типы диаграмм состояния в бинарных системах

Диаграммы плавкости непрерывных твердых растворов могут иметь максимум или минимум (рис. 2.13). Причины возникновения того или иного вида диаграмм состояния рассмотрены на рис. 2.14. На рис. 2.14 приведены важные типы диаграмм состояния по В.А. Немилову.

О диаграммах состояния тройных систем. В случае тройных систем ABC можно пользоваться треугольными диаграммами Гиббса (рис. 2.15). Для определения точки Ф опускают перпендикуляры на стороны диаграммы (рис. 2.15, а). Высота перпендикуляра в долях высоты треугольника показывает концентрацию компонента, символ которого помещен в вершине треугольника. Значение свойства задается двумя способами: 1) высотой перпендикуляра (например, Е0Е5 на рис. 2.15, b) к данной точке; 2) кривыми, отражающими на диаграмме геометрические места точек с равными свойствами (так, например, на географической карте изображаются изогипсы). На рис. 2.15, с показана диаграмма плавкости системы BiPbSn.

Рис. 2.15. Симметричная тройная диаграмма состояния по Гиббсу:

а – нахождение фигуральной точки;

b – диаграмма состояния в трех измерениях с построением поверхности свойства;

с – диаграмма плавкости для системы BiPbSn с нанесенными на ней изотермами и эвтектическими линиями

На рис. 2.15, b компоненты B и C образуют дистектическую диаграмму с эвтектиками Е3 и Е4. Компоненты А и В, а также А и С образуют эвтектические диаграммы с эвтектиками Е1 и Е2 и, наконец, возникают тройные эвтектики Е5 и Е6. В случае, когда компоненты диаграммы А – В – С простые соединения, несимметричная диаграмма (рис. 2.16) никаких преимуществ перед симметричной не имеет. Но если это сложные соединения, то введение несимметричной диаграммы дат существенное преимущества.

Рис. 2.16. Несимметричная тройная диаграмма состояния для системы альбит – анортит – диопсид. На сторонах диаграммы отложено содержание каждого простого оксида в процентах:

a – общий вид диаграммы;

b – эквиконцентрационные линии на пяти простых оксидов.

Поясним сказанное на примере системы альбит – анортит – диопсид (соответственно AbAnDi, на рис. 2.16). Состав альбита: ; анортита: ; диопсида: . Таким образом, система слагается из пяти оксидов: Na2O, MgO, CaO, Al2O3, и SiO2. Химический анализ содержание именно простых оксидов, а не сложных соединений – компонентов тройной диаграммы. Поэтому, определив химический состав, приходится делать сложные пересчеты для нахождения фигуральной точки. Положение значительно упрощается с использованием метода несимметричной диаграммы по Ормонту (рис. 2.16, а).

Математический анализ показал, что концентрация любого простого оксида может быть представлена эквиконцентрационными углами к сторонам диаграммы (рис. 2.16, а). Отложив на сторонах последней концентрационный масштаб и используя шаблоны, стороны которых направлены под углами, отвечающими эквиконцентрационным линиям (рис. 2.17, а), можно без всякого расчета найти по положению точки ее состав в простых оксидах. Напротив, по химическому составу можно немедленно найти фигуральную точку (рис. 2.17, b). Для этой цели нужно, оказывается, знать содержание не всех (в нашем примере пять), а только некоторых (двух, для надежности трех) простых оксидов, ибо в идеальном случае все прямые должны пересечься в точке S. Можно установить надежность химического анализа (также графическим путем) и т.д.

Рис. 2.17. Построение и применение шаблонов для нахождения фигуральной точки по содержанию простых веществ и определение содержания простых веществ по положению фигуральной точки:

а – построение шаблонов; b – применение шаблонов для расчетных цепей.

Так как в производстве диэлектриков часто используются сложные составы, применение несимметричной диаграммы может облегчить работу и исследователя, и технолога. Возникает возможность непосредственно связать химический и фазовый состав с ходом температур плавления, механических, оптических, электрических и  магнитных свойств фигуральных точек, значительно сократить количество аналитических определений.

 

2.5. Фазовые переходы

Переходы из одного фазового состояния в другое при изменении параметров системы.

Фазовые переходы первого рода (испарение, конденсация, плавление, кристаллизация, переходы из одной кристаллической модификации в другую).

Напомним, что кристаллическое состояние веществ классифицируется по семи сингониям (триклинная, моноклинная, ромбическая, тетрагональная, тригональная или ромб…., гексагональная, кубическая) при этом расположение атомов в этих сингониях характеризуется 14 типами решеток (решетки Браве). Степень упаковки атомов в этих решетках различна:

Простая кубическая

f = 0,52

Объемно центрировая кубическая

f = 0,68

Гранецентрированная кубическая

f = 0,74

Гексагональная плотная упаковка

f = 0,74

Из этих данных следует очень важный вывод, при полиморфных превращениях (изменение типа кристаллической решетки) происходит изменение объема и следовательно физико-химических свойств материалов.

При переходах первого рода в точке перехода сосуществует две фазы. Aa -> Bb

а) переход осуществляется при определенной температуре Tпер

б) при переходе изменяются скачком первые производные энергии: энтальпии, энтропии, объема (следовательно значит и плотности)

Фазовые переходы второго рода.

При переходах второго рода первые производные свободной энергии, энтальпии, энтропии, объема, плотности изменяются монотонно.

Титанат бария – кубическая структура –> тетрагональный типичный пьезоэлектрик.

MnO – антиферромагнетик при 117 К переходит в парамагнитную фазу.

1. Согласно классификации фазовых превращений, предложенной в 1933 г. Эрипреситом, превращения подразделяются на превращения (переходы) I и II родов.

Переходы первого рода характеризуются тем, что первые производные термодинамического потенциала m по температуре и давлению изменяются скачкообразно

   ,

здесь S – энтропия, V – объем

Так как термодинамический потенциал при фазовых переходе меняется непрерывно определяется выражением

то энергия U также должна изменяться скачком. Так как , то теплота перехода

равна произведению температуры на разность энтропии фаз, т. е. скачкообразное изменение или поглощение теплоты.

Важным является непрерывное изменение термодинамического потенциала. Функция (Т) и (Т) не изменяют особенностей вблизи точки фазового перехода, при этом с обеих сторон точки фазового перехода имеются минимумы термодинамического потенциала.

Этой особенностью объясняется возможность перегрева или переохлаждения фаз в случае фазовых переходов в системе.

Определим взаимосвязи между скачками термодинамических функций и . После дифференцировании по температуре соотношение Функция (Р,Т) = (Р,Т) с учетом выражения для S, V и q получим

.

Эта известная формула Клайперона-Клаузиса. Она позволяет определить изменение давлений, находящихся в равновесии фаз при изменении температуры либо изменении температуры перехода между двумя фазами при изменении давления. Скачкообразное изменение объема приводит к отсутствию определенной связи между структурой и системой фаз, преобразующихся при фазовом переходе первого рода, которые в связи с этим изменяются скачком.

Типичными для фазовых переходов первого рода являются переходы между агрегатными состояниями вещества, аллотропическими превращения многие фазовые превращения в многокомпонентных материалах.

Принципиальное отличие фазовых переходов второго рода от фазовых переходов первого рода заключается в следующем: переходы второго рода характеризуются как непрерывностью изменения термодинамического потенциала, так и непрерывностью изменения производных термодинамического потенциала .

Химическое равновесие

Термодинамическая функция – функция состояния, определяющая изменение   термодинамических потенциалов при изменении числа частиц в системе. Другими словами  – есть функция, которая определяет направление и предел самопроизвольного перехода компонента из одной фазы в другую при соответствующих превращениях и условиях (T, P, V, S, ni).

Термодинамические потенциалы связаны с друг другом следующими соотношениями

F = U – TS

H = U + pV

G = F + pV

- количество вещества в граммах;  - количества вещества в молях;

М – молекулярный вес соответствующего вещества.

Для теории твердых растворов, на которых работают все приборы микроэлектроники огромное значение имеет развитый Гиббсом метод химических потенциалов. Химическое равновесие можно определить с помощью химических потенциалов.

Химический потенциал характеризуется энергией, приходящейся на 1 атом

- химический потенциал; G – энергия Гиббса;

No – число Авогадро, NАL = моль-1

т. е. (Р,Т) = (Р,Т)

Обе кривые характеризуют монотонное убывание  с температурой, определяя значение энтропии фаз

и .

2.6. Термодинамические диаграммы

Функцией состояния называется такая физическая характеристика системы, изменение которой при переходе системы из одного состояния в другое не зависит от вида соответствующего этому переходу термодинамического процесса, а целиком определяется значениями параметров начального и конечного состояний.

Важнейшие функции состояний:

1. Внутренняя энергия E. Внутренней энергией E называется энергия системы, зависящая только от её термодинамического состояния

,

– полная энергия системы;

– кинетическая энергия макроскопического движения системы;

– потенциальная энергия, связанная с действием на систему внешних силовых полей.

Первый закон термодинамики.

Количество теплоты, сообщенное системе, расходуется на изменение её внутренней энергии и на совершение системой работы против внешних сил.

Второй закон термодинамики:

  1.  невозможен процесс, единственным результатом которого является совершение работы, эквивалентной количеству теплоты, полученной от нагревателя;
  2.  невозможен процесс, единственным результатом которого является передача энергии в форме теплоты от холодного тела к горячему.

Для изолированной системы, находящейся в равновесии, энтропия должна быть минимальной

.

Для неизолированной системы при постоянной температуре (изотермический процесс)

.

Напомним, что

Свободная энергия Гельмгольца (F)

– свободная энергия, изохорно-изотермический потенциал.

Свободная энергия Гиббса

– термодинамический потенциал, изобарно-изотермический потенциал.

Следствие.

При постоянных температуре и давлении свободная энергия Гиббса системы, находящейся в равновесии будет минимальной, а при отклонениях от равновесия

.

2. Энтальпия H (теплосодержание, тепловая функция) – это функция состояния термодинамической системы, равная сумме её внутренней энергии и произведения давления на объём системы

.

3. Энтропия S. Энтропией называется функция S состояния системы, дифференциал которой в элементарном обратном процессе равен отношению бесконечно малого количества теплоты, сообщённого системе, к абсолютной температуре системы:

.

4. Изобарно-изотерический потенциал G. Характеристической функцией и термодинамическим потенциалом является функция состояния системы

.

Это изобарно-изотермический потенциал (изобарный потенциал, термодинамический потенциал Гиббса).

5. Изохорно-изотермический потенциал

Функция Гельмгольца (изохорный потенциал, свободная энергия)

2.6.1. Диаграмма состояния (диаграмма равновесия, фазовая диаграмма)

Любая термодинамическая система может в зависимости от условий находится в 4-х агрегатных состояниях: плазма, газ, жидкость, твёрдое тело.

Геометрическое изображение равновесных состояний термодинамической системы при различных значениях параметров (T, p, xi – концентрации компонентов, мольного объёма V и др.) называется диаграммой состояния.

Диаграмма состояния даёт информацию о фазовом составе системы в зависимости от параметров

O – равновесие трёх фаз, тройная точка;

OA – кривая возгонки или сублимации;

OK – кривая испарения;

OB – кривая плавления;

A, K, B – критические точки, в точке K исчезает различие GL, в BLS, в ASG.

Полиморфные превращения (алмаз – графит) усложняют диаграмму состояния. У SiO2 – 11 полиморфных превращений в технологическом варианте синтеза изделий микроэлектроники, при этом изменяется не только тип кристаллической решётки, но и мольный объём V.

2.6.2. Растворимость

Концентрация вакансий от 1 до 1023. 1023 – число атомов в единице объёма.

S – энтропия, увеличивается значительно.

При равновесии

В результате можно показать, что число вакансий увеличивается с температурой.

Равновесные состояния физически однородной системы и совершаемые ею равновесные процессы можно изображать графически соответственно точками и кривыми на плоскости с прямоугольными декартовыми координатами, вдоль осей которых откладываются параметры состояния системы, или однозначно связанные с ними функции состояния. Наиболее распространённые диаграммы VP, ST, SH (первый символ – ось абсцисс, второй – ось ординат).

2.6.3. Международная система единиц СИ (метр, килограмм, секунда, градус, Кельвин, моль)

Кельвин, К, единица термодинамической температуры, 1/273,16 – части термодинамической температуры тройной точки воды.

Моль – единица количества вещества, равная количеству вещества системы, в которой содержится столько структурных элементов (молекул, атомов, ионов, электронов, других частиц или специфицированных групп частиц), сколько атомов содержится в 0,012 кг нуклида 12C (изотопа углерода с атомной массой 12).

Прежде, чем перейти к рассмотрению диаграмм состояния вспомним некоторые определения. (У каждой науки свой язык, …)

Фаза – в термодинамике, не путать с радиотехникой, совокупность частей системы, тождественных по химическому составу и термодинамическим свойствам и находящихся между собой в термодинамическом равновесии.

Гомогенная система однофазна, в ней отсутствуют внутренние границы раздела.

Гетерогенная система содержит как минимум две фазы. Вода в тройной точке содержит три фазы: лед, жидкость, пар. Фаза отделена друг от друга поверхностями раздела. Вещество может существовать в виде различных фаз (напр. агрегатных состояний, полиморфных модификаций).

В отсутствии внешних полей и химических реакций состояние фазы, содержащей k – компонентов, определяется k+1 независимыми переменными (температура, давление) и (k-1) мольными долями компонентов.

В общем виде правило фаз определяется соотношением

,

где  - число компонентов;

 - число фаз;

- число параметров, определяющих равновесие;

- число степеней свободы, т.е. число независимых способов, которыми можно изменить состояние системы, при изменении параметров системы.

Иногда используется для определения  термин вариантность системы.

Обычно состояние системы определяется двумя параметрами T и P. В этом случае правило фаз определяется соотношением Гиббса.

,

при  - нонвариантная (инвариантная система ();

и  - моновариантная система;

и  - дивариантная система.

Многие вещества при постоянном давлении имеют определенную температуру плавления. При этом жидкая и твердая фаза таких веществ в определенном температурном интервале будут находиться в равновесии.

Для двойных сплавов (A, B) свободная энергия на 1 моль фазы при P=const, полностью определяется температурой системы и ее составом. Зависимость молярной свободной энергии от состава можно изобразить графически.

Для жидкой фазы значение свободной энергии ниже, чем для твердой фазы при температуре T, независимо от соотношения компонентов A, B.

Если система состоит из твердой или жидкой фазы состава NB(2) свободная энергия системы может быть понижена превращением системы в твердую фазу состава NB(1) или жидкую фазу состава NВ(3).

Значение свободной энергии смесей состава NB(1) и NB(3) должно лежать на пунктирной линии, зависимости G от NB.

Рис . Зависимость молярной свободной энергии жидкой и твердой фаз от атомной доли компонента B(NB) для температуры T1(а).

Диаграмма состояния (б).

Диаграмма состояния показывает, что при температуре выше T1 сплавы всех составов будут представлять собой равновесную жидкую фазу. Сплав NВ(3) до температуры T2 находится только в жидком состоянии, после T3 – только в твердом состоянии. В промежутке от T2 до T3 в обоих (жидкость + твердое тело) фазах.

Зависимость молярной свободной энергии жидкой и твердой фаз от атомной доли компонента B(NB) для температуры T2(в).

2.6.4. Метод построения диаграмм состояния

Твердые растворы двойных сплавов AB могут иметь в зависимости от концентрации разные кристаллические решетки, т.е. разные фазы. AB – гексагональная, A3B – кубическая и т. д.

Термодинамический потенциал

                

, тогда

                .

- свободная энергия Гельмгольца.

То же. Показано равновесие жидкой и твердой фаз при температуре T3

Кривые свободной энергии для жидких и твердых растворов в системе с неограниченной растворимостью компонентов в жидком и твердом состоянии. Показано равновесие жидкой и твердой фаз при температуре T4.

Равновесная диаграмма состояния, соответствующая кривым свободной энергии при температуре T1, T2, T3, T4

Составы твердой и жидкой фаз находящихся в равновесии друг с другом, определяются точками касания общей касательной к обеим кривым свободной энергии. Условие равновесия имеет вид в точке X

T2 – температура, при которой кристаллизуется или плавится компонент A;

Tn – температура, при которой кристаллизуется или плавится компонент B.

При этих температурах соответственно для A и B твердая и жидкая фаза имеют одну и ту же свободную энергию.

Состав твердой и жидкой фаз, находящихся в равновесии друг с другом при различных температурах, можно нанести на диаграмму в координатах температура – состав. При таком построении получается фазовая, или равновесная, диаграмма состояния, которая обобщает все сведения, вытекающие из проведенного анализа кривых свободной энергии.

При температурах выше кривой MNO, называемой кривой ликвидуса, сплавы различного состава находятся в жидком состоянии.

При температурах ниже кривой MPO, называемой кривой солидуса, все сплавы находятся в твердом состоянии и представляют собой твердые растворы.

В области MNOP система представляет собой смесь жидкой и твердой фаз, находящимся в равновесии друг с другом.

В области MNOP – система характеризуется одной термодинамической степенью свободы. Области MNO и MPO система характеризуется двумя термодинамическими степенями свободы.

2.6.5. Системы с ограниченной взаимной растворимостью компонентов в твердом состоянии

A и B имеют различную кристаллическую структуру. Они неограниченно растворяются друг в друге в жидком состоянии и ограничено в твердом.

Кривые свободной энергии при температуре T1 для систем с ограниченной растворимостью компонентов в твердом состоянии

а – минимум для кривой свободной энергии жидкой фазы находится между минимумами свободной энергии для твердых фаз A и B.

б – интервалы для минимумов свободной энергии в твердом и жидком состояниях не совпадают.

В результате построения свободных энергий для различных температур для случая а получим

Равновесная диаграмма состояния с ограниченной растворимостью компонентов в твердом состоянии:

а – система эвтектического типа;

б – система перитектического типа.

Сплав состава точки E называют эвтектическим. Жидкость этого состава кристаллизуется при эвтектической температуре TE, образуя смесь кристаллов двух твердых растворов составов p2t2.

Отношение весовых количеств этих твердых фаз измеряется отношением отрезков .

Для диаграмм второго типа, где минимум для свободной энергии жидкой фазы находится за пределами интервала для минимумов свободной энергии для твердых фаз. Имеется особая температура Tp, при которой в равновесии находятся три фазы: жидкая, состава p0 и твердые растворы α- и β-состава p2 и t2 соответственно.

Система состоящая из трех фаз, находящихся в равновесии друг с другом, не имеет степеней свободы, т. е. является нонвариантной.

Точку p называют перитектикой. Значение этой диаграммы состояния заключается в том, что при температуре Tp жидкость состава p0 реагирует с кристаллами α-твердого раствора состава p2, в результате чего образуются кристаллы β-твердого раствора состава t2.

В равновесных условиях температура остается постоянной и равной Tp до тех пор, пока не закончится перитектическая реакция; такая система является нонвариантной (три фазы находятся в равновесии и нет степеней свободы).

 

3. Структура твердотельных интегральных микросхем

3.1. Введение

3.1.1. Основные понятия и определения

Твердотельная интегральная микросхема – это законченный функциональный электронный узел, элементы которого конструктивно не разделены и изготавливаются в едином технологическом процессе, в объеме и на поверхности полупроводникового кристалла.

Процесс создания полупроводниковой микросхемы сводится к формированию в приповерхностном слое полупроводниковой пластины элементов (транзисторов, диодов, резисторов) и к последующему их объединению в функциональную схему пленочными проводниками по поверхности пластины (межсоединения).

Для характеристики типа применяемых в ИМС транзисторов, а также технологических методов их изготовления пользуются понятием структура ИМС. В общем случае структура ИМС определяет последовательность слоев в составе микросхемы по нормали к поверхности кристалла, различающихся материалов, толщиной и электрофизическими свойствами. Так, в практике производства ИМС используют структуры на биполярных транзисторах (в частности, диффузионно-планарные, эпитаксиально-планарные и др.) на МДП-приборах, структуры И²Л и т. д. Заданная структура ИМС позволяет установить состав и последовательность технологических методов обработки пластины и определить технологические режимы для каждого метода.

На рис. 1 представлен фрагмент ИМС с диффузионно-планарной структурой, включающий биполярный транзистор и резистор. Для одновременного формирования транзистора и резистора необходимо, чтобы р-область резистора и изолирующая его n-область имели глубину и электрофизические свойства, одинаковые с областями соответственно базы и коллектора транзистора. Аналогичное соответствие должно обеспечиваться для всех элементов, входящих в состав ИМС. Оно является главным признаком и непременным условием применения интегральной технологии и позволяет минимизировать число технологических операций, составляющих цикл обработки.

Таким образом, интегральная технология представляет собой совокупность методов обработки, позволяющую при наличии структурного подобия (технологической совместимости) различных элементов ИМС формировать их одновременно в едином технологическом процессе.

Важно отметить, что выпускаемые в составе той или иной серии ИМС различного функционального назначения имеют единую структуру и, следовательно, единую базовую технологию. Для базовой технологии характерны не только определенная технологическая последовательность обработки и определенный комплект оборудования, но и постоянная, отработанная настройка оборудования, т. е. жесткие технологические режимы. Последнее является существенным для экономичности и эффективности процесса производства ИМС.

Очевидно, что базовая технология не зависит от размеров элементов в плане, их взаимного расположения и рисунка межсоединений. Все эти свойства конкретной ИМС

Рис. 1. Фрагмент ИМС с диффузионно-планарной структурой:

T — транзистор; R — резистор

определяются в процессе топологического проектирования, а обеспечиваются фотолитографией — процессом избирательного травления поверхностных слоев с применением защитной фотомаски.

Топология микросхемы — чертеж, определяющий форму, размеры и взаимное расположение элементов и соединений ИМС в плоскости, параллельной плоскости кристалла. Поскольку элементы и соединения формируются путем последовательного.

отдельных слоев (коллекторный слой, базовый слой и т. д.), различают общую и послойную топологию (рис. 2 в соответствии с рис. 1). По чертежу базового слоя, например, может быть разработан чертеж фотошаблона, с помощью которого создают окисную маску для избирательной диффузии примеси р-типа.

Рис. 2. Фрагменты общей (а) и послойной (базового слоя) (б) топологии ИМС:

1 дефекты, возникшие на этапе металлизации;

2 дефекты, возникшие на этапе диффузии примеси

При заданном наборе элементов топология ИМС (точнее, рисунок межсоединений) определяет ее функциональные свойства. Можно представить себе кристалл, содержащий некоторый универсальный набор элементов (очевидно, с некоторой избыточностью) и сплошной слой металлизации. Такие кристаллы в составе общей пластины могут быть «доработаны» по желанию заказчика до конкретных функциональных ИМС в зависимости от рисунка межсоединений, выполненного с помощью соответствующего фотошаблона. Описанная универсальная пластина-заготовка, получившая название базового кристалла, позволяет обеспечить экономичность производства ИМС более узкого, специального применения, выпускаемых в небольших количествах.

Гибридные и совмещенные интегральные микросхемы. Применение полупроводниковых интегральных микросхем, однако, ограничено рядом причин. Одна из них заключается в том, что производство полупроводниковых ИМС оказывается целесообразным лишь в крупносерийном и массовом производстве, когда становятся экономически оправданными значительные затраты на подготовку производства (главным образом на проектирование и изготовление комплекта фотошаблонов). Другая причина лежит в ряде ограничений на параметры элементов и ИМС в целом: невысокая точность диффузионных резисторов (±10%) и отсутствие возможности их подгонки, невозможность получать конденсаторы достаточно больших емкостей, температурные ограничения, ограничения по мощности и др.

Наряду с полупроводниковыми ИМС поэтому разрабатывают и выпускают комбинированные гибридные интегральные микросхемы. Технологической основой таких ИМС являются процессы нанесения резисторов, конденсаторов, проводников и контактов в виде пленок соответствующих материалов на диэлектрическую пассивную подложку. Поскольку активные элементы - транзисторы, диоды - не могут быть изготовлены по пленочной технологии, их изготовляют по известной полупроводниковой технологии, а затем монтируют на общей подложке (рис. 3).

Рис. 3. Фрагмент гибридной ИМС:

R — резистор, С — конденсатор, ПП — кристалл полупроводникового прибора

Гибридная пленочная интегральная микросхема — ИМС, которая наряду с пленочными элементами, полученными с помощью интегральной технологии, содержит компоненты, имеющие самостоятельное конструктивное оформление. В зависимости от метода нанесения пленочных элементов на подложку различают тонкопленочные (напыление в вакууме) и толстопленочные (трафаретная печать) гибридные ИМС.

Гибридные ИМС имеют худшие технические показатели (размеры, массу, быстродействие, надежность), чем полупроводниковые ИМС. В то же время они позволяют реализовать широкий класс функциональных электронных схем, являясь при этом экономически целесообразными в условиях серийного и даже мелкосерийного производства. Последнее объясняется менее жесткими требованиями к фотошаблонам и трафаретам, с помощью которых формируют пленочные элементы, а также применением менее дорогостоящего оборудования. В составе пленочных ИМС возможно получить резисторы с точностью ±5%, конденсаторы ±10%, а с применением подгонки — до десятых долей процента. Гибридно-пленочная технология позволяет реализовать практически любые функциональные схемы.

Стремление расширить область применения полупроводниковых ИМС привело к созданию другого типа комбинированных микросхем (рис. 4). При их изготовлении полупроводниковую технологию совмещают с тонкопленочной технологией для создания некоторых пассивных элементов, к которым предъявляются повышенные требования по точности и температурной стабильности.

Совмещенная интегральная микросхема — это комбинированная интегральная полупроводниковая микросхема, в которой некоторые элементы (обычно пассивные) наносят на поверхность пластины (кристалла) методами пленочной технологии.

Рис. 4. Фрагмент совмещенной ИМС:

Т транзистор, R  пленочный резистор.

Степень интеграции. Известно, что полупроводниковые интегральные микросхемы по сравнению с аналогичными печатными схемами с навесными элементами имеют лучшие технико-экономические показатели: размеры и массу, надежность, быстродействие, стоимость. Известно также, что эти показатели улучшаются с повышением функциональной сложности ИМС, т. е. с увеличением числа элементов, полученных с помощью интегральной технологии, с возрастанием степени интеграции.

Степень интеграции — это показатель степени сложности ИМС, характеризуемой числом элементов, полученных с помощью интегральной технологии на общем кристалле. Для характеристики степени интеграции используют показатель К=lgN, где N — число элементов ИМС. В зависимости от значения К условно различают ИМС малой степени интеграции, средней степени интеграции, большие интегральные схемы (БИС) и сверхбольшие (СБИС).

Повышение степени интеграции ИМС является, таким образом, важнейшей задачей микроэлектроники, в значительной мере определяющей основные тенденции схемотехнических и конструкторско-технологических разработок.

Факторы, ограничивающие степень интеграции. Среди факторов, ограничивающих степень интеграции, важное место занимает технологический фактор. В полупроводниковой интегральной микросхеме нельзя заменить или даже исправить дефектный элемент. При наличии хотя бы одного дефектного элемента ИМС целиком бракуется. Плотность дефектов в свою очередь -определяется качеством технологического процесса и прежде всего процесса фотолитографии.

Качество защиты пластины окисной пленкой, с помощью которой избирательно вводят примеси для получения р- и n-областей (рис. 5), зависит от ее однородности, сплошности. При наличии в слое окисной маски микроотверстий («проколов») примесь проникает через них, образуя в полупроводнике незапланированные легированные микро-области, которые (в зависимости от их расположения) могут вывести соответствующий элемент из строя.

Рис. 5. Формирование окисной маски:

а — окисление поверхности пластины;

б — нанесение фотослоя (1 — «прокол» в фотослое);

в — экспонирование через фотошаблон (2 — непрозрачный дефект на фотошаблоне);

г — проявление и образование фотомаски (3 — «проколы» в фотомаске);

д — травление окисла и снятие фотомаски (4 — «проколы» в окисной маске)

Причинами образования «проколов» могут явиться неоднородности в светочувствительном слое (частицы пыли, пузырьки и т. п.), а также дефекты в рисунке фотошаблона («проколы» на непрозрачных участках рисунка или светонепроницаемые точечные дефекты на прозрачных участках). Элемент (а следовательно, и вся схема) выходит из строя при попадании дефекта в некоторую критическую зону. Например, в процессе эмиттерной диффузии примесей через проколы в окисной маске могут образоваться высоколегированные микрообласти n+-типа. Такие области, если они приходятся на граничную зону коллекторных и базовых областей, приводят к возникновению токов утечки через переход и пробою перехода (дефекты 2, см. рис. 2). Проколы в окисной маске, образующиеся при вытравливании в окисном слое окон под металлические контакты, приводят на этапе металлизации пластины к образованию паразитных контактов (дефекты 1, см. рис. 2) и к коротким замыканиям областей эмиттер — база, база — коллектор, резистор—изолирующая область и т. д.

Таким образом, для конкретной ИМС на каждом этапе обработки можно говорить о некоторой критической площади, обусловливающей вероятность выхода из строя интегральной микросхемы. Если обозначить Sкр критическую площадь кристалла ИМС, просуммированную по всем циклам фотолитографической обработки, d среднее число проколов на единицу площади, а распределение числа проколов, приходящихся на кристалл ИМС, принять пуассоновским, то вероятность получения годного кристалла ИМС после всех операций обработки:

                                                        (3.1)

Из соотношения (1) прежде всего следует, что повышение степени интеграции уменьшает вероятность выхода годных ИМС, если площади элементов и качество процесса фотолитографии остаются на неизменном уровне. Таким образом, повышение степени интеграции ИМС должно сопровождаться уменьшением площади элементов и совершенствованием процесса формирования защитных фотомасок. Высокое качество фотомаски предполагает прежде всего отсутствие в фотослое пылевидных частиц, газовых (воздушных) включений, остатков растворителя, а также высокое качество фотошаблонов (низкую плотность дефектов). В свою очередь, при изготовлении фотошаблонов также используются фотомаски, к которым предъявляются еще более жесткие требования.

Для повышения качества фотолитографических процессов в производственных помещениях создают обеспыленную атмосферу, а для производственного персонала устанавливают определенные правила производственной гигиены.

С другой стороны, из выражения (3.1) видно, что повышение степени интеграции при неизменном качестве технологического процесса возможно за счет уменьшения площади, занимаемой элементами ИМС, и, следовательно, площади критических зон. К этому же результату приводит и сокращение числа циклов фотолитографии. Этот второй путь реализуется разработкой новых типов структур либо с уменьшенной площадью, либо таких, для производства которых требуется меньшее число фотолитографических циклов обработки (либо то и другое одновременно).

На рис. 6 представлены структуры ИМС (на примере инвертора). Сокращение площади структуры S в случае КМДП достигнуто заменой коллекторного резистора дополняющим (нагрузочным) МДП-транзистором, а в случае И²Л — многоколлекторным биполярным транзистором, причем благодаря применению n-р-n- и р-n-р-транзисторов достигается совмещение отдельных областей переключательного транзистора и транзистора-инжектора. Во всех трех случаях сохраняется свойство универсальности структур: каждая из них пригодна для построения широкого класса функциональных электронных устройств.

Рис. 6. Реализация инвертора с помощью различных структур:

а — эпитаксиально-планарной с питанием через резистор;

б — КМДП-структуры; в — с инжекционным питанием (И²Л)

Для создания устройств более узкого функционального класса могут быть использованы специальные структуры, позволяющие достичь высокой степени интеграции ИМС. Примером могут служить структуры на приборах с зарядовой связью (ПЗС), на которых могут быть построены сдвиговые регистры, запоминающие устройства и некоторые логические элементы.

Для выбранной структуры ИМС минимальные размеры элементов ИМС в целом зависят от возможностей фотолитографического процесса, которые характеризуются тремя основными параметрами: 1) минимальным размером элемента, надежно воспроизводимым на полупроводниковой пластине, которым оценивается разрешающая способность процесса; 2) предельными отклонениями размеров элементов рисунка одного топологического слоя от номинальных; 3) предельным смещением рисунка одного топологического слоя относительно предыдущего (например, базового слоя относительно коллекторного, эмиттерного относительно базового и т. д.). Все эти параметры имеют характер технологических ограничений и учитываются при определении размеров областей в плане, т. е. при топологическом расчете. Основной тенденцией развития литографических процессов является повышение разрешающей способности этапа экспонирования рисунка.

Важнейшей причиной, ограничивающей минимальные размеры элементов при экспонировании через фотошаблон, является дифракция света. Поэтому стремятся использовать излучения с более короткими, чем световые, длинами волн (электронные, рентгеновские). В связи с этим все большее развитие получают электроно- и рентгенолитография.

Для реализации высоких потенциальных возможностей, заложенных в электроно и рентгенолитографии, "необходимы и более совершенные методы. травления, с тем чтобы уменьшить разброс в размерах элементов на полупроводниковой пластине. Применение химических растворов для избирательного травления, например окиси кремния, становится неприемлемым из-за бокового подтравливания, размеры которого нестабильны по площади пластины. Здесь перспективным является распыление ионной бомбардировкой при наличии защитной маски (вакуум-плазменное травление).

Наконец, для уменьшения погрешности совмещения топологических слоев ИМС требуются методы и средства совмещения шаблонов с подложкой, обладающие повышенной точностью, а также специальные приемы структурно-топологического проектирования, позволяющие достичь эффекта самосовмещения. Технологически самосовмещение достигается за счет естественных физико-химических механизмов, для чего необходимо расширять круг технологических методов обработки (осаждение из газовой фазы, электролитическое окисление и наращивание, ионное легирование и т. п.).

Повышение качества маскирующих пленок, разработка структур малой площади, совершенствование процессов литографии — все это прямой, естественный путь повышения степени интеграции ИМС. Он отражает непрерывный эволюционный процесс совершенствования производства ИМС, постепенного накопления условий и возможностей для повышения степени интеграции.

Однако требования разработки сложных функциональных устройств в миниатюрном исполнении опережают возможности интегральной технологии и заставляют прибегать к компромиссным конструктивно-технологическим решениям. Одно из таких решений — объединение ряда кристаллов ИМС средней степени интеграции с помощью пленочных межсоединений на общей диэлектрической подложке и в общем корпусе [создание так называемой микросборки (рис. 7)].

Рис. 7. Микросборка цифрового устройства:

а — общий вид (со снятой крышкой);

б — кристалл ИМС и участок межсоединений.

В общем случае микросборка представляет собой изделие типа большой гибридной интегральной микросхемы, включающее элементы, компоненты и (или) интегральные  микросхемы (корпусные и безкорпусные). Микросборки позволяют в малых размерах реализовать устройства со сложными функциями. Их разрабатывают и изготовляют применительно к конкретной радиоэлектронной аппаратуре с целью улучшения показателей ее миниатюризации. Типовой элемент замены (ТЭЗ) современных ЭВМ обычно выполняют на основе многослойной печатной платы (МПП) и набора ИМС в индивидуальных корпусах. Освобождая кристаллы ИМС от корпусов и заменяя печатный монтаж пленочными микросоединениями, получают микросборку, выполняющую функции ТЭЗ, но обладающую малыми размерами и массой. Этот пример иллюстрирует общую тенденцию в развитии конструкций ЭВА, сопровождающую процесс повышения степени интеграции ИМС (передачу ей функций ТЭЗ, передачу ТЭЗ функций панели или блока и т. д., в том числе замену печатными платами трудоемкого .проводного монтажа) и состоящую в проникновении ИМС на все более высокие уровни функциональной иерархии ЭВА. Это объективно приводит к повышению технологичности конструкций ЭВА.

Использование микросборок дает возможность преодолеть и еще одно противоречие, порождаемое требованием повышения степени интеграции, а именно: сужение области применения функционально сложных ИМС, увеличение их номенклатуры и связанные с этим трудности стандартизации. Поскольку микросборка представляет собой набор кристаллов ИМС средней степени интеграции, производство которых обособлено от производства собственно микросборок, появляется возможность изготовлять микросборки по единой типовой технологии независимо от состава кристаллов ИМС и функционального назначения микросборки.

Высокий процент выхода годных БИС может быть достигнут за счет элементной избыточности. При проектировании топологии функциональную схему БИС расчленяют на ряд составных функциональных частей (ячеек), каждую из которых дублируют в пределах кристалла БИС несколько раз, образуя группы. После формирования структур создают первый уровень межсоединений и периферийных контактов в пределах каждой ячейки. В результате контроля на функционирование определяют дефектные ячейки.

Второй уровень межсоединений (а при необходимости и третий) объединяет группы ячеек в общую систему, причем дефектные и неиспользуемые годные ячейки отключают от общей схемы путем' разрыва проводников с помощью лазера или фотолитографии.

Микросборки и метод элементной избыточности — это компромиссное решение задачи повышения степени интеграции, так как оба метода основаны на использовании экономически целесообразной степени интеграции ячеек — составных частей БИС. В.первом случае дефектные ячейки-кристаллы отбраковываются на ранних стадиях процесса и не пропускаются на сборку, во втором — сохраняются в составе кристалла, увеличивая его площадь. Однако во втором случае обеспечиваются более высокие быстродействие и надежность.

Конструкторско-технологические возможности для повышения степени интеграции ИМС далеко не исчерпаны. Однако уменьшение размеров элементов требует и снижения потребляемой ими мощности, что влечет за собой снижение быстродействия, помехоустойчивости, надежности. Уменьшение объемов, занимаемых элементами, приводит к тому, что флуктуации электрофизических свойств полупроводникового материала в микрообъемах снижают воспроизводимость параметров элементов даже в пределах одного кристалла.

Выход из положения — отказ от традиционных методов построения функциональных схем как совокупности простейших элементов (транзисторов, диодов, резисторов) и разработка элементов с более широкими функциональными возможностями. Такие возможности открывает функциональная микроэлектроника. В функциональной микроэлектронике носителем информации является многомерный сигнал, параметрами которого управляют динамические неоднородности среды, возникающие под действием управляющего сигнала. Например, в оптоэлектронных ИМС носителем информации является оптический сигнал, который может быть промодулирован по интенсивности (амплитуде), фазе, поляризации иди длине волны (частоте). Поскольку в качестве управляющих (в частности выходных) сигналов удобнее использовать электрические сигналы, функциональная ИМС может включать в себя несколько звеньев «фотон-электронного» и «электрон-фотонного» преобразования.

Рис. 8. Фрагмент структуры оптоэлектронной ИМС

На рис. 8 приведен фрагмент монолитной оптоэлектронной ИМС где происходит преобразование типа «электрон-фотон-электрон». Для модуляции оптического сигнала в ней могут быть использованы электрооптический (изменение показателя преломления), магнитооптический (поворот плоскости поляризации) и другие эффекты.

Развитие различных направлений функциональной микроэлектроники базируется на исследованиях новых материалов (прежде всего полупроводниковых) и новых методах их обработки. Подобно тому, как основой микроэлектроники в начале ее развития был опыт производства полупроводниковых приборов, в функциональной микроэлектронике используется весь арсенал технологических методов и средств современной микроэлектроники.

3.2. Технология полупроводниковых интегральных микросхем

3.2.1. Общая характеристика технологического процесса

Особенности производства ИМС. В зависимости от структуры ИМС и конструкции корпуса общее количество операций технологического процесса может достигать 200. Процесс охватывает разнообразные по физическим принципам, методам контроля и технологическому оснащению методы обработки, причем характер связей между отдельными операциями во времени и пространстве также весьма различен. Таким образом, процесс производства ИМС представляет собой систему, оптимальная организация которой имеет первостепенное значение для ее эффективного функционирования. Изменения в процессе производства, связанные, например, с изменением структуры ИМС, увеличением диаметра полупроводниковых пластин, увеличением выхода годных ИМС, изменением объема выпуска ИМС и т. д., различным образом влияют на отдельные стадии производства ИМС. При этом с учетом непрерывного прогресса микроэлектроники организация производства ИМС по предметно-замкнутому принципу не является эффективной даже в условиях массового производства.

По своему назначению и месту, занимаемому в общем процессе производства ИМС, все операции объединяются в самостоятельные (частные) технологические процессы, которые, в свою очередь, могут быть подразделены на три группы (рис. 9).

Рис. 9. Классификация частных технологических процессов производства полупроводниковых ИМС

Первая группа включает заготовительные процессы, имеющие целью получение монокристаллических полупроводниковых слитков определенного типа электропроводности и заданного удельного сопротивления, резку слитков на пластины, обработку их поверхностей с заданной микро- и макрогеометрией, а также качеством поверхностного слоя, изготовление отдельных деталей и узлов корпуса ИМС.

Вторая группа процессов — обрабатывающая — объединяет все операции, необходимые для формирования структур ИМС в групповых пластинах и их контроля на функционирование. Сюда входят процессы окисления, диффузии примесей, эпитаксии, ионной имплантации, вакуумного напыления, фотолитографии, технохимической обработки.

В третью группу процессов — сборочно-контрольную - входят разделение групповой пластины на отдельные кристаллы, монтаж кристаллов в корпусах, разварка выводов, герметизация, контроль и классификация, механические и климатические испытания, окраска, маркировка и упаковка.

Из схемы видно, что первая группа процессов является обеспечивающей для процессов второй и третьей групп и по своему характеру близка к приборостроительному производству. Специфичность методов обработки и оборудования этой группы, а также независимость их от конкретной структуры ИМС делает целесообразным передачу заготовительных процессов специализированным предприятиям, связанным с предприятиями, составляющими вторую и третью группы процессов, по линии кооперации.

Третья группа процессов также характеризуется специфическими методами обработки и оборудованием, но имеет более тесную связь с процессами второй группы. В большинстве случаев целесообразной формой организации процессов третьей группы является создание специализированных цехов или участков (в зависимости от масштабов производства) в пределах одного предприятия.

Наиболее полно особенности структуры ИМС и главные черты интегральной технологии отражаются второй группой процессов. Несмотря на разнообразие физико-химических принципов, лежащих в основе процессов этой группы, их объединяет ряд характерных признаков, требующих концентрации этих процессов на различных участках одного предприятия. Важнейшие из этих признаков следующие:

1) взаимосвязь производственных участков, обусловленная цикличностью технологического процесса (групповые пластины многократно возвращаются на участки для формирования очередного слоя);

2) ограниченное время межоперационного хранения групповых пластин;

3) высокие требования к производственной гигиене (1-2-й классы помещений по климатическим параметрам и 1-2-й классы по запыленности воздушной среды).

Характер и последовательность операций, составляющих процессы второй группы, полностью определяются типом структуры ИМС. Режимы обработки на отдельных операциях зависят от толщины и. электрофизических свойств слоев и областей структуры.

Типы структур ИМС. При сравнительной оценке различных типов структур целесообразно учитывать ряд конструктивно-технологических показателей:

1) качество межэлементной изоляции, которое можно характеризовать удельной емкостью (пФ/мкм2);

2) площадь, занимаемую типичным функциональным элементом ИМС-вентилем;

3) количество циклов избирательного легирования;

4) количество циклов фотолитографии.

Среди планарных структур, в которых использованы биполярные транзисторы, исторически более ранней является диффузионно-планарная структура (см. рис. 1). Функции изоляции в ней выполняют р-n-переходы, ограничивающие области отдельных элементов и смещенные в обратном направлении. Для получения обратного смещения в области подложки, разделяющей элементы, формируется омический контакт, связанный с наиболее низким потенциалом источника питания, а к изолирующим областям резисторов с помощью контактов подводится высокий потенциал.

В качестве исходной заготовки используют пластину монокристаллического кремния, равномерно легированного акцепторной примесью (дырочная электропроводность). После того как на заготовку нанесен слой окиси кремния SiO2, методом фотолитографии (рис. 10) в этом слое избирательно вытравливают участки прямоугольной формы и через образовавшиеся окна путем термической диффузии вводят атомы примеси-донора. Процесс диффузии совмещают с термическим окислением кремния, в результате которого на поверхности вновь образуется сплошной слой окисла. Таким образом, одновременно создаются коллекторные области всех транзисторов, а также изолирующие области всех диодов и резисторов для всех кристаллов групповой пластины. Вторичным вскрытием окон меньших размеров в окисле и последующей диффузией примеси-акцептора формируют р-области, выполняющие роль базовых областей транзисторов, анодов диодов и резисторов. В результате очередного (третьего) цикла фотолитографии, диффузии и окисления получают области эмиттеров, катоды диодов, а также высоколегированные области для последующего создания омических контактов к высокоомным коллекторным и изолирующим областям.

Рис. 10. Последовательность формирования диффузионно-планарной структуры:

а — исходная пластина;

б, г, е — вскрытие окон в окисле перед диффузией примеси в коллекторные, базовые и эмиттерные области соответственно;

в, д, ж — диффузия примеси в коллекторные, базовые и эмиттерные области соответственно и окисление поверхности;

з — вскрытие окон под контакты к диффузионным областям;

и — металлизация поверхности;

к — избирательное травление металлической пленки и образование межсоединений.

Для создания межэлементных связей в слое окисла вновь вскрывают окна и плоскость пластины покрывают сплошной металлической пленкой (обычно алюминиевой). При этом в местах, свободных от окисла, образуется контакт с соответствующими областями кремния. Заключительный цикл фотолитографии (по пленке алюминия) позволяет создать систему межсоединений, а также контакты по периферии кристаллов. Эти контакты будут использованы для коммутации кристаллов с внешними выводами корпуса.

Планарный транзистор (независимо от типа структуры) имеет коллекторный контакт в одной плоскости с базовым и эмиттерным контактами. Вследствие этого коллекторный ток преодолевает протяженный горизонтальный участок дна коллекторной области (под дном базы), имеющий малые поперечные размеры.

В диффузионном коллекторе концентрация активной примеси распределена по глубине неравномерно: она максимальна на поверхности и равна нулю — на дне коллектора, — поэтому слой коллектора под базой имеет высокое сопротивление, что увеличивает напряжение насыщения и время переключения транзистора.

Равномерное распределение примеси по толщине коллектора может быть получено с помощью процесса эпитаксиального наращивания кремния с дозированным количеством донорной примеси. Такой процесс применяют для создания эпитаксиально-планарной структуры.

Чтобы получить простейшую эпитаксиально-планарную структуру, в качестве исходной заготовки по-прежнему надо использовать монокристаллическую пластину кремния, равномерно легированную акцепторной примесью. Для нанесения эпитаксиального слоя на одну из сторон пластины ее освобождают окисла и тщательно очищают (рис. 11), после чего проводят осаждение монокристаллического слоя кремния n-типа. Далее поверхность пластины окисляют и методом фотолитографии вскрывают окна в виде узких замкнутых дорожек, соответствующих контуру коллекторных и изолирующих областей ИМС. Проводя через окна диффузию акцепторной примеси до смыкания ее с р-областью, получают таким образом изолированные друг от друга островки равномерно легированного эпитаксиального n-кремния. Рассмотренный процесс диффузии называют изолирующей или разделительной диффузией. В полученной на данной стадии заготовке (рис. 11) в дальнейшем формируют базовые и эмиттерные области (диффузионным методом), а также контакты и межсоединения (так же как в диффузионно-планарной структуре).

Концентрация легирующей примеси в эпитаксиальных пленках может изменяться в широких пределах. Однако с повышением концентрации примеси в эпитаксиальном коллекторе снижается пробивное напряжение перехода база – коллектор (рис. 12).

Рис. 11. Последовательность формирования эпитаксиально-планарной структуры:

а — исходная пластина;

б — стравливание окисла, подготовка поверхности;

в — эпитаксиальное наращивание n-слоя, окисление поверхности;

г — вскрытие окон в окисле под изолирующую (разделительную) диффузию примеси;

д — диффузия акцепторной примеси, окисление поверхности;

е — готовая структура после формирования диффузионных базовых и эмиттерных областей, а также получения межсоединений.

Рис. 12. Характер зависимости проводимости эпитаксиального слоя и напряжения пробоя uпр перехода от концентрации легирующей примеси N

Компромиссное решение удается получить в эпитаксиально-планарной структуре со скрытым слоем (рис. 13). Здесь эпитаксиальный коллектор легируют умеренно (необходимую концентрацию примеси рассчитывают из условия пробоя перехода база — коллектор), а малое сопротивление коллектора обеспечивают параллельно включенным скрытым слоем (n+), имеющим высокую концентрацию примеси.

Начальные стадии технологического процесса получения эпитаксиально-планарной структуры со скрытым слоем приведены на рис. 13. В поверхностном окисном слое пластины р-типа вскрываются окна, через которые проводят диффузию примеси с высокой концентрацией. Для того чтобы избежать значительного проникновения примеси в эпитаксиальный коллектор при последующих циклах высокотемпературной обработки (разделительная диффузия, базовая диффузия и т. д.), подбирают примесь с малым коэффициентом диффузии (например, мышьяк). Далее поверхность освобождают от окисла и наращивают эпитаксиальный слой кремния n-типа. После окисления поверхности процесс обработки протекает по той же схеме, что и для структуры без скрытого слоя.

Рис. 13. Последовательность формирования эпитаксиально-планарной структуры со скрытым n+-слоем:

а — исходная пластина;

б — вскрытие окон под диффузию скрытого слоя;

в — диффузия n+-примеси, окисление поверхности;

г — стравливание окисла, подготовка поверхности;

д —эпитаксиальное наращивание n-слоя, окисление поверхности;

е — готовая структура после разделительной диффузии, формирования базовых и эмиттерных областей, а также межсоединений

Для И²Л-структуры (см. рис. 6) используют описанные ранее технологические приемы обработки, последовательность которых нетрудно установить.

В диффузионно- и эпитаксиально-планарных структурах межэлементная изоляция обеспечивается, как было отмечено ранее, обратносмещенными переходами. Напряжение смещения, однако, не велико и ограничено единицами вольт (напряжение питания). Такие переходы обладают заметными токами утечки и емкостями. В результате уменьшается быстродействие схемы, а расстояние между элементами приходится делать значительным. Наилучшую электрическую развязку элементов обеспечивает структура с диэлектрической изоляцией (рис. 14). В такой структуре каждый элемент размещен в своеобразном «кармане», который представляет собой область монокристаллического кремния, ограниченную слоем окиси кремния. При этом расстояние между элементами может быть уменьшено до 8—10 мкм.

Рис. 14. Последовательность формирования изолированных

областей в структуре с диэлектрической изоляцией:

а — исходная пластина;

б — избирательное травление окисла, глубокое травление кремния, окисление поверхности;

в — осаждение поликристаллического кремния;

г — шлифование в полирование обратной стороны пластины;

д — окисление поверхности;

е — готовая структура после базовой и эмиттерной диффузии и получения межсоединений

На рис. 14 представлена последовательность формирования структуры с диэлектрической изоляцией. В исходной пластине кремния n-типа методом фотолитографии вытравливают участки окиси кремния, а затем и кремния по контуру будущих элементов. В результате образуются канавки по замкнутому контуру. Полученную рельефную поверхность окисляют. Далее эту поверхность покрывают толстым слоем кремния методом осаждения. Вследствие дезориентирующего влияния окисного слоя осажденный кремний имеет поликристаллическую структуру и служит конструкционным основанием будущей ИМС. Обратную сторону шлифуют, удаляя монокристаллический слой до вскрытия окиси кремния по границам областей, и производят доводку (для удаления нарушенного слоя). После протравливания и отмывки поверхности ее окисляют. Далее в образовавшихся изолированных областях монокристаллического кремния л-типа диффузионным методом формируют элементы (базовые области, резисторы, эмиттеры, области под контакты). Обычным путем получают и межсоединения на поверхности пластины. Если исходная пластина содержит эпитаксиальный n+-слой, то транзисторы получаются со скрытым слоем.

Структуры с диэлектрической изоляцией характеризуются высокой трудоемкостью главным образом из-за необходимости шлифования и полирования подложек. Нарушение монолитности подложки (толстый слой поликристаллического кремния) вызывает внутренние механические напряжения, которые приводят к короблению пластины после снятия монокристаллического слоя. Коробление пластины, в свою очередь, затрудняет или делает невозможным использование фотолитографии.

Все это обусловило поиск комбинированных методов изоляции элементов ИМС. На рис. 15, е представлена изопланарная структура транзистора, в которой донная часть 2 коллектора изолирована от монокристаллической пластины р-n-переходом, а боковая 1 - толстым слоем окисла, полученным сквозным локальным окислением эпитаксиального слоя. По существу эта структура аналогична эпитаксиально-планарной, при изготовлении которой разделительная диффузия заменена сквозным окислением.

Рис. 15. Последовательность формирования

изолированных областей в изопланарной структуре:

а — пластина с эпитаксиальным и скрытым слоями;

б — нанесение слоя нитрида кремния;

в — избирательное травление нитрида кремния по контуру будущих элементов;

г — глубокое окисление кремния;

д — стравливание нитрида кремния и окисление поверхности;

е — готовая структура после формирования базовых и эмиттерных областей, а также межсоединений

Начальные стадии процесса получения изопланарной структуры следующие (рис. 15). На поверхность пластины, содержащей эпитаксиальные n+- и n-слои, осаждают (из газовой фазы) слой нитрида кремния Si3N4. Методом фотолитографии в этом слое образуют защитную маску с окнами по контуру коллекторных областей. В процессе окисления нитридная маска сохраняется. Затем ее стравливают и всю поверхность окисляют. Далее проводят диффузию для формирования базы и эмиттера, формируют контактные окна и межсоединения.

Технологическим недостатком изопланарной структуры является необходимость длительного окисления для образования разделительных областей SiO2, что может вызвать нежелательное перераспределение примеси из скрытого слоя в эпитаксиальный коллектор. Для сокращения времени, затрачиваемого на окисление, уменьшают толщину эпитаксиального слоя и соответственно базы и эмиттера. На практике изопланарный процесс возможно осуществить при толщине эпитаксиального слоя не более 3—4 мкм.

Усовершенствованным вариантом рассмотренной структуры является структура с изолирующими V-канавками (рис. 16, е). При ее формировании вместо сквозного окисления проводят сквозное протравливание эпитаксиального слоя с последующим окислением полученных канавок и заполнением их поликристаллическим кремнием. Такая структура получила название полипланарной.

На начальных этапах получения полипланарной структуры (рис. 16) заготовку с предварительно сформированными n+- и n-эпитаксиальными слоями окисляют.  Затем методом фотолитографии в слое окисла вскрывают окна, замкнутые по контуру будущих элементов. Далее методом анизотропного травления получают канавки строго определенной (V-образной) формы. Ширина канавки l и ее глубина d связаны соотношением l/d=1,41. Для надежного разделения элементов ИМС глубина канавки должна быть немного больше толщины эпитаксиального слоя. При использовании специального травителя бокового подтравливания практически не происходит.

Затем поверхность окисляют и на ней осаждают кремний (поликристаллический). Слой кремния должен иметь минимальную толщину, необходимую для полного заращивания всех канавок. Путем шлифования с последующим полированием снимают излишки кремния до вскрытия окисной пленки. После окисления поверхности окончательно формируют структуру транзисторов и других элементов ИМС.

Рис. 1. Последовательность формирования

изолированных областей в полипланарной структуре:

а — пластина с эпитаксиальным и скрытым слоями, покрытая окисью кремния;

б — избирательное травление окиси кремния и анизотропное травление кремния;

в — стравливание окиси и окисление всей поверхности;

г осаждение поликристаллического кремния;

д — шлифование, полирование и окисление поверхности;

е готовая структура после формирования базовых и эмиттерных областей, а также межсоединений

Специфическим недостатком описанной структуры является необходимость применять пластины с ориентацией по плоскостям {100}, которые не являются наилучшими с точки зрения электрических характеристик транзистора, но удовлетворяют требованиям анизотропного травления. Технологическим недостатком структуры является введение в процесс операций трудоемкого шлифования и полирования.

При изготовлении структур с диэлектрической и комбинированной изоляциями можно применять пластины–заготовки с заранее сформированным сплошным скрытым слоем, серийно выпускаемые специализированными предприятиями. Примером таких заготовок являются пластины диаметром 60 и 75 мм с толщиной основания из р-Si 300—550 мкм (ρ=10 Ом∙см), эпитаксиального n-слоя 2,5–20 мкм (р=0,15…7 Ом∙см), скрытого n+-слоя 3–15 мкм (удельное поверхностное сопротивление 10–50 Ом).

Анализ рассмотренных структур на биполярных транзисторах позволяет сделать вывод, что их развитие привело к созданию совершенной изоляции, возможности более компактного размещения элементов ИМС и в конечном счете к улучшению электрических характеристик, в частности к повышению быстродействия. При этом площадь транзистора, а следовательно, и типового элемента — вентиля практически не изменилась. Особый случай представляет структура И²Л, в которой резисторы, занимающие обычно большую площадь, заменены транзисторами, что позволило уменьшить размеры вентиля.

Существенное уменьшение площади под вентиль с одновременным упрощением технологии имеет место при использовании структур «металл — диэлектрик — полупроводник» (МДП-структуры). Основным элементом функциональных схем на МДП-структурах является МДП-транзистор с индуцированным каналом n- или р-типа.

МДП-транзистор имеет симметричную структуру (рис. 17, е), включающую область истока, область стока и изолированный затвор, с помощью которого можно индуцировать канал и управлять его проводимостью. Так как переходы, ограничивающие области истоков и стоков, всегда смещены в обратном направлении и перенос основных носителей заряда происходит в тонком приповерхностном слое полупроводника между истоком и стоком каждого транзистора, то дополнительных мер для взаимной изоляции приборов с одноименным типом электропроводности канала не требуется. Во избежание образования паразитных каналов вводят охранные (каналоограничивающие) области.

Рис. 17. Последовательность формирования КМДП-структуры:

а  исходная пластина;

б — последовательное получение р-, р+ и n+-областей методом диффузии;

в  избирательное травление SiO2;

г — термическое окисление кремния (получение подзатворного диэлектрика);

д  избирательное травление SiO2 под контакты к истокам и стокам;

е — готовая структура после получения межсоединений

Структура, содержащая МДП–транзисторы обоих типов, позволяет на 2–3 порядка по сравнению с n– или р–МДП–структурами снизить мощность, потребляемую устройством в статическом режиме (что важно для систем с ограниченным ресурсом питания). Такие структуры получили название структур на дополняющих МДП-транзисторах или комплементарных МДП-структур (КМДП-структуры).

Для взаимной изоляции МДП-транзисторов n- и р-типа в КМДП-структуре необходимо сформировать дополнительную область. Из технологических соображений целесообразно КМДП-структуры формировать в пластине n-типа и все приборы с n-каналами объединять в одной р-области.

Последовательность получения КМДП-структуры представлена на рис. 17. Методом диффузии формируют р-область, далее р+-области истоков и стоков р-канальных приборов, а также охранные области, а затем в р-области — n+-области истоков и стоков n-канальных приборов. Для формирования областей затворов методом фотолитографии вытравливают участки SiO2, а затем методом термического окисления кремния получают в них тонкие слои SiO2 расчетной толщины (диэлектрик под будущим затвором). Далее вскрывают в окисле окна под контакты и формируют межсоединения (включая затворы).

Полная изоляция МДП-транзисторов обеспечивается при формировании их в виде островков на монокристаллической изолирующей пластине (рис. 18, д). В качестве изолирующей пластины обычно используют синтетический сапфир, имеющий достаточно хорошее кристаллографическое сопряжение с кремнием. Поэтому эти структуры получили название «структур кремний на сапфире» или сокращенно КНС. Эпитаксиально выращенный на сапфире кремний имеет высокую плотность структурных нарушений (дислокации), что заметно снижает подвижность носителей заряда. Вследствие этого структуры на биполярных транзисторах оказались не эффективными и наиболее широкое применение нашли МДП-КНС-структуры, особенно КМПД-КНС-структуры. В отличие от структур, изолированных р-n-переходом, когда используется высокоомная (слаболегированная) пластина, структуры на изолирующей пластине устойчивы к температурным и радиационным воздействиям.

Рис. 18. Последовательность формирования КМДП-КНС-структуры:

а — исходная пластина «сапфир — эпитаксиальный кремний — окись кремния»;

б — избирательное анизотропное травление кремния с помощью оксидной маски (образование островков);

в — избирательная диффузия акцепторной примеси;

г — снятие маски с островков;

д — маскирование островков с помощью SiO2;

е — избирательное покрытие фосфорсиликатным стеклом (ФСС) р-островков и общее покрытие боросиликатным стеклом (БСС);

ж — структура после диффузии примесей и стравливания БСС, ФСС и SiO2;

з — готовая структура после нанесения SiO2 и формирования межсоединений

В процессе формирования КМДП-КНС-структуры (рис. 18) методом эпитаксиального наращивания (процесс гетероэпитаксии) создают сплошной слой высокоомного n-Si. После маскирования окисью кремния и анизотропного травления получают отдельные изолированные островки n-Si. Проведя повторное маскирование окисью кремния, методом диффузии часть островков легируют акцепторной примесью на всю глубину, превращая их в островки р-Si. Предварительно защитив маской из окиси кремния участки будущих каналов, избирательно покрывают р-островки фосфоро-силикатным (SiO2*P2O5), а n-островки — боросиликатным (SiO2*B2O3) стеклами. Последующим нагревом диффундируют донорную (Р) и акцепторную (В) примеси из легированных стекол в области стоков и истоков. В дальнейшем стекло и участки SiO2 стравливают, наносят слой окиси кремния, вытравливают участки окисла под затвор, выращивают тонкий слой диэлектрика и формируют затворы, а также межсоединения. Гетероэпитаксиальные слои, полученные в таких структурах, имеют небольшую толщину (~1мкм), что обусловлено относительным несовершенством кристаллической структуры, выращиваемой на сапфире: с увеличением толщины пленки плотность дислокации увеличивается.

МДП-приборы, в которых в качестве канала используется тонкий приповерхностный слой, вполне могут быть реализованы в тонких эпитаксиальных слоях порядка десятых долей микрометра. Однако тонкие эпитаксиальные слои практически исключают возможность многократного образования окиси кремния за счет термического окисления, так как толщина слоя SiO2, необходимого для защиты при термической диффузии, соизмерима с толщиной такого эпитаксиального слоя. Поэтому обычно слои окиси кремния получают методом осаждения из газовой фазы, что, кстати, позволяет использовать относительно низкие температуры.

Для производства КМДП ИМС на основе КНС целесообразно применять сапфировые пластины с эпитаксиальным слоем кремния, выпускаемые специализированными предприятиями. Слой кремния n-типа имеет ориентацию {100} и толщину 0,6; 0,8 и 1,2 мкм; подвижность носителей в гетероэпитаксиальном слое толщиной 1,2 мкм не менее 300 см2/(В-с).

Сравнительная характеристика рассмотренных структур приведена в табл. 1. Описанные структуры не исчерпывают всех типов и модификаций, которые используются в серийном производстве ИМС или исследуются как перспективные.

Табл. 1. Сравнительная характеристика некоторых типов структур ИМС

Основные типы структур микросхем

Емкость изоляции 10-4, пФ/мкм²

Площадь на один вентиль, мм²

Число циклов избирательного легирования

Число циклов литографии

Диффузионно-планарная

2

0,025

3

5

Эпитаксиально-планарная

без скрытого слоя

1,5

0,025

3

5

со скрытым слоем

1.5

0.02

4

6

С инжекционным питанием (И²Л)

1

0,003

3

5

С диэлектрической изоляцией

0,03

0,02

2

5

Изопланарная

0,2

0.02

2

5

Полипланарная

0,15

0,02

2

5

n-МДП

1,5

0,0036

2

5

р-МДП

1,5

0,0068

2

5

КМДП

1,5

0.012

3

6

КМДП-КНС

0,002

0,01

3

8

Требования к кремниевым пластинам. Групповая кремниевая заготовка всегда представляет собой круглую плоскопараллельную пластину диаметром до 150 мм и толщиной (в зависимости от диаметра) до 1 мм. Последующие термическая и фотолитографическая обработки для создания структур ИМС обусловливают определенные требования, предъявляемые к геометрическим и структурным параметрам пластин:

1) необходимо, чтобы пластины имели совершенную кристаллическую решетку как по объему, так и в поверхностном слое, так как нарушения структуры в поверхностном слое, будучи следствием механической обработки, могут вызвать появление дефектов (дислокации, дефектов упаковки) в эпитаксиальном слое или исказить фронт диффузии. Плотность дислокации должна быть не более 10 см-2;

2) шероховатость поверхности пластины должна быть не ниже 14б—14в классов (Rz=0,05…0,032 мкм). Высота микронеровностей — в несколько раз меньше толщины пленки фоторезиста, наносимого на этапе фотолитографии: это уменьшает вероятность появления локальных дефектов вытравленного рисунка;

3) прогиб пластин должен быть не более 8 — 10 мкм. Прогиб обычно обусловлен разностью остаточных напряжений на сторонах пластины и проявляется после разрезания слитка на пластины. Возникающий в результате зазор между пластиной и фотошаблоном при контактной фотолитографии приводит к дифракции света и искажению рисунка фотомаски. При эпитаксиальном наращивании неплотный контакт подложки с нагревателем приводит к неравномерному ее нагреву и соответственно к неодинаковым свойствам эпитаксиального слоя в пределах пластины;

4) неплоскостность и неплоскопараллельность (клиновидность) пластин должна быть выдержана в пределах ±10 мкм. Влияние этих параметров такое же, как и прогиба;

5) разориентация поверхности относительно заданной кристаллографической плоскости должна быть не хуже ±1°. Кристаллографическая ориентация определяет скорость эпитаксии, диффузии, окисления, травления и, следовательно, воспроизводимость результатов этих процессов. Перед разрезкой на пластины монокристаллический слиток должен быть достаточно точно ориентирован относительно режущего инструмента;

6) разнотолщинность пластин в пределах партии не должна превышать ±(5…8) мкм, отклонение по диаметру ±0,5 мм. Эти параметры обеспечивают идентичность геометрии пластин при многоместной их обработке в газовых потоках (эпитаксия, диффузия, окисление и т. п.) и определяют воспроизводимость результатов в пределах партии. Идентичность геометрии облегчает также автоматизацию подачи и ориентирования пластин при выполнении некоторых операций;

7) пластины должны иметь технологические элементы: базовый срез и фаску.  Базовый срез указывает направление наивыгоднейшего расположения кристаллов с точки зрения качества разделения пластины, получения канавок заданного профиля при анизотропном травлении. На втором и последующих циклах совмещения с фотошаблоном он служит ориентиром для правильной установки пластины. Базовый срез образуется в результате снятия лыски с цилиндрического слитка и последующей разрезки его на пластины.

Фаска по контуру подложки повышает качество выполнения ряда операций. В частности, на операциях эпитаксиального наращивания и нанесения фотослоя центрифугированием уменьшаются размеры (или полностью исключается образование) краевого валика, что обеспечивает более плотное прилегание фотошаблона к пластине.

Схема технологического процесса. На рис. 19 представлена укрупненная схема технологического процесса производства ИМС на примере эпитаксиально-планарной структуры со скрытым слоем (с транзисторами n-р-n-типа). Отдельные этапы технологического процесса — фотолитография, диффузия, контроль и испытания — включают от 3 до 10 операций, выполняемых по типовым операционным процессам и технологическим инструкциям. Например, каждый этап диффузии, указанный на схеме, в действительности состоит из предварительного внедрения примеси в поверхностный слой, снятия окисла, измерения поверхностного сопротивления и глубины диффузионного слоя на контрольной пластине, перераспределения примеси (с одновременным окислением), контроля вольт-амперных характеристик перехода (на контрольной пластине). Таким образом, общее число операций изготовления ИМС (без учета заготовительного этапа получения пластины) приблизительно равно 150, а продолжительность полного цикла обработки составляет около 100 ч.

Рис. 19. Схема технологического процесса изготовления — ИМС

эпитаксиально-планарной структуры со скрытым слоем

Из схемы видно, что основная часть технологического процесса связана с получением структур в групповой пластине. Цикл групповых процессов обработки ИМС заканчивается получением межсоединений на поверхности групповой пластины. Межоперационный контроль параметров диффузионных и эпитаксиальных слоев, выполняемый на контрольных пластинах, имеет целью слежение за стабильностью технологического процесса и корректировку режимов обработки (температуры, концентрации, времени) в случае недопустимых отклонений. По данным межоперационного контроля партия пластин может оказаться забракованной и снятой с дальнейшей обработки.

При нормальном протекании процесса часть кристаллов в составе групповой пластины оказываются дефектными, например, из-за проколов в защитных масках. Принцип интегральной технологии исключает возможность обнаружения дефектных ячеек на ранних стадиях формирования структур. Лишь на завершающем этапе групповой обработки — получения межсоединений и периферийных контактов — становится возможным контроль ИМС на правильность функционирования. Начиная с этой контрольной операции дальнейшая обработка может быть групповой либо индивидуальной.

Зондовый контроль осуществляется на автоматических установках путем перемещения групповой пластины под головкой, несущей контактные щупы (зонды), с шагом, соответствующим размерам ячейки, и последовательного контактирования зондов с периферийными контактами каждой ячейки. При наличии годной ячейки вырабатывается сигнал на очередное перемещение на шаг, в противном случае — сигнал на маркировочное устройство, наносящее цветную метку на дефектную ячейку. В дальнейшем на групповой пластине наносятся риски по границам ячеек (операция скрайбирования), пластина разламывается на отдельные ячейки-кристаллы и дефектные кристаллы (несущие метку) отбраковываются.

Монтаж кристалла в полых корпусах сводится к его установке и фиксации с помощью приклеивания или пайки на основании корпуса, а в сплошных (полимерных) корпусах — на промежуточном носителе. Затем периферийные контакты кристалла соединяют с внешними выводами корпуса. Способ монтажа выводов, так же как и способ герметизации ИМС (пайка, сварка, заливка и др.), зависят от конструкции корпуса. Монтажно-сборочные операции чередуются с межоперационным контролем, имеющим цель не пропустить бракованные изделия на дальнейшую обработку и выявить нарушения в технологическом процессе. На завершающем этапе производятся электрический контроль ИМС по статическим и динамическим параметрам, их классификация и маркировка, а также выборочные механические и климатические испытания.

Основную часть производственного цикла по длительности составляют этапы формирования структуры ИМС. Однако групповая обработка, а также возможность многоместной обработки (одновременно нескольких групповых пластин) на ряде операций (диффузия, эпитаксия, окисление, химическая обработка) снижают трудоемкость в пересчете на одну ИМС, поэтому особое внимание должно быть обращено на снижение трудоемкости операций индивидульной обработки. На этой стадии процесса производства необходимо использовать автоматические средства сборки и контроля, что, в свою очередь, требует разработки конструкций корпусов, допускающих возможность применения группового контактирования, многоместной обработки при установке кристалла и герметизации, автоматической подачи и ориентации изделий при сборке и электрическом контроле и других прогрессивных технологических методов.

Экономическая целесообразность автоматизации операций данной группы подкрепляется единообразием технологических операций и применяемого оборудования, которые для определенной конструкции корпуса практически не зависят от структуры ИМС и ее функционального назначения. На этом основании может оказаться эффективным выделение процессов третьей группы в специализированные предприятия.

Микроклимат и производственная гигиена. Исключительно важное значение для обеспечения высокого процента выхода годных ИМС и воспроизводимости их параметров имеют стабильность климатических условий производства, а также высокая чистота производственной атмосферы, технологических газов и жидкостей в сочетании с использованием сверхчистых основных материалов (полупроводниковых, легирующих, изолирующих и др.).

К климатическим параметрам производственных помещений относят температуру и влажность, совокупность которых определяет понятие микроклимата. Определенная и стабильная температура необходима прежде всего для фотолитографических операций и операций, связанных с изготовлением фотошаблонов. В условиях жестких требований к точности элементов топологического слоя ИМС (десятые и сотые доли микрометра) существенным является стабильность линейных размеров пластины, фотошаблона и элементов технологической установки для совмещения и экспонирования. Аналогичные требования имеют место при изготовлении фотооригиналов, при фотосъемках и других операциях по изготовлению фотошаблонов.

Для ряда технологических процессов (диффузия, эпитаксия и др.) требуется рабочая температура 800-1200°С, стабилизированная с точностью до десятых долей градуса. Создание определенных условий теплообмена технологического оборудования с окружающей средой облегчает задачу поддержания рабочей температуры процесса в этих пределах. Наконец, стабилизация температуры помещений обеспечивает высокую точность измерений при межоперационном контроле и окончательных электрических испытаниях ИМС.

Из-за влажности воздуха производственных помещений происходит адсорбция паров воды поверхностью пластин, кристаллов, а также элементами рабочих объемов технологических установок, что при нагреве может приводить к образованию нежелательных окислов. Следует отметить, что адсорбция паров воды поверхностью изделий происходит более активно, чем кислорода воздуха, вследствие малых размеров молекул воды, поэтому влажность в производственных помещениях должна быть минимальной (но не ниже 30 %, установленных санитарными нормами). По температурно-влажностным параметрам соответствующим отраслевым стандартом устанавливается три класса производственных помещений (табл. 2).

Табл. 2 - Параметры воздушной среды производственных помещений (по ОСТ 4.091.172—81)

Характеристика воздушной среды

Класс помещения

1

2

3

4

5

Температура, °С

летом

22±0,5

20±1

20±2

По ГОСТ 12.1.005-76

зимой

22±0,5

23±1

23±2

Относительная влажность, %

45±5

50±5

50±10

Максимальное число частиц размером

≥0,5мкм на 1 л воздуха

4

35

350

1000

3500

Производственная гигиена  комплекс технологических и организационно-технических мероприятий, направленных на обеспечение чистоты воздушной среды производственных помещений и чистоты технологических сред и имеющих целью повышение качества выпускаемых изделий.

С точки зрения производственной гигиены воздушная среда производственного помещения характеризуется запыленностью. Присутствие в воздухе механических частиц — аэрозолей является одной из причин появления проколов в защитном слое окисла и выхода из строя элементов и ИМС в целом. Частицы пыли, осевшие на поверхности готовых структур, могут привести к пробоям и коротким замыканиям при электрических испытаниях ИМС или ее эксплуатации.

Запыленность воздушной среды принято оценивать количеством частиц размером не менее 0,5 мкм, приходящихся на единицу объема (1 л или 1 м3). По степени запыленности производственные помещения (или ограниченные рабочие объемы) подразделяют на пять классов (табл. 2).

Для обеспечения обеспыленности производственной воздушной среды предприятия микроэлектронного производства стараются размещать в зеленых зонах вдали от других промышленных предприятий. Для промышленных зданий и помещений используются материалы, легко поддающиеся очистке и не загрязняющие окружающий воздух. Перед подачей в помещения воздух проходит специальную систему фильтрации, а производственные помещения оборудуются системами кондиционирования. Давление воздуха внутри зданий должно несколько превышать атмосферное для уменьшения самопроизвольного проникновения наружного воздуха (минуя фильтр и вентилятор). Особо тщательно оборудуются помещения 1-3-го классов, которые принято называть чистыми комнатами или гермозонами.

Чистая комната имеет рабочее помещение, где размещается технологическое оборудование и выполняются операции; гардеробные помещения для подготовки обслуживающего персонала к работе; переходные и обдувочные шлюзы; помещения для обработки приточного воздуха. Пример планирования чистой комнаты приведен на рис. 20. В чистых комнатах обеспечиваются не только определенные температура, влажность, запыленность, но и определенные скорость и направление перемещения воздуха, способствующие эффективному удалению пыли, образующейся при работе оборудования и движениях персонала.

Обеспечение необходимых требований по микроклимату и чистоте воздушной среды связано со значительными материальными затратами, поэтому целесообразно отдельные операции, к которым предъявляются единые требования, группировать в общем помещении. Рекомендуемые для различных операций классы микроклимата и чистоты производственных помещений приведены в таблице 3.

Рис. 20. Пример планировки помещений чистой комнаты:

а  участок диффузии;

б  участок фотолитографии;

в  участок химической обработки;

г  участок напыления;

д  коридор-шлюз;

е  обдувочный шлюз;

ж  гардероб чистой одежды;

з  гардероб общецеховой одежды;

и  туалетная комната;

1, 2, 3, 4  оборудование для диффузии, фотолитографии, химической обработки и вакуумного напыления соответственно

Табл. 3. Классы производственных помещений и рабочих объемов для выполнения различных операций

Наименование технологических операций

Класс помещения

Класс рабочего объема по запыленности

Класс помещения

Класс рабочего объема по запыленности

Наименование технологических операций

Фотолитографические

1

3

1

Вакуумное напыление

3

2

2

Химическая обработка пластин и подложек, окисление пластин, диффузия примесей

3

3

2

Скрайбирование и разделение пластин, монтаж кристалла в корпус, присоединение выводов

3

5

5

Герметизация и контроль герметичности, изготовление толстопленочных ИМС

3

5

-

Рис. 21. Схемы рабочих боксов для операций без выделения (а)

и с выделением (б) продуктов химических реакций:

1  лампы освещения;

2  фильтр;

3  воздухозаборная решетка с фильтром;

4  вентилятор;

5 подъемная стеклянная шторка;

6  щель для отвода воздуха;

7  патрубок для отвода воздуха

Достичь высокой степени обеспыленности проще в ограниченных, локальных рабочих объемах — боксах или скафандрах. На рис. 21 представлены некоторые варианты рабочих боксов. Внутри бокса может быть установлено то или иное технологическое оборудование небольших размеров (центрифуга для нанесения фотослоя, установка совмещения и экспонирования, установка для микросварки, установки межоперационного контроля, ванны для химической обработки и т. д.). Такой бокс может обслуживать и крупногабаритное оборудование, например диффузионную печь, а также служить для перегрузки пластин из герметичной цеховой тары. Оператор сообщается с рабочим объемом через лицевой проем при поднятой шторке. Достоинством боксов является возможность создать в них необходимую для выполнения операции среду (воздух высокой степени осушенности, заполнение инертным газом и т. д.).

Для фотолитографического цикла операций целесообразно создавать поточные линии из герметизированных боксов — скафандров (рис. 22). В этом случае необходимые манипуляции оператор осуществляет с помощью резиновых перчаток, герметично вмонтированных в скафандр, а передача изделий с одного рабочего места на другое производится через шлюзовые окна, соединяющие смежные скафандры.

Определенные требования предъявляют к содержанию помещений, рабочим местам, инструменту, технологической таре, технологической документации, специальной одежде персонала.

К технологическим средам относятся прежде всего технологические газы и технологическую воду.

Технологические газы в производстве ИМС используют в разных целях. Защитные газы (азот, аргон, гелий) применяют для исключения процессов окисления и коррозии на операциях с высокой температурой (пайка, сварка, герметизация, продувка реакторов эпитаксиальных и диффузионно-окислительных установок, транспортировка газов-реагентов и т. п.). Газы-реагенты используются в качестве диффузантов, окислителей, травителей, восстановителей и т. д. Такие газы, как аргон, азот, кислород, могут применяться в качестве плазмообразующих в процессах ионно-плазменного распыления, плазмохимической обработки, вакуум-плазменного травления. В таблице 4 приведены требования к чистоте технологических газов, наиболее широко используемых при производстве ИМС.

Рис. 22. Общий вид, скафандра:

1  шлюзовое окно; 2  смотровое стекло; 3  резиновые перчатки

Табл. 4. Требования к чистоте технологических газов

Газ

Содержание примесей (не более)

кислород, об. %

водород, об. %

пары воды, °С (по точке росы)

аэрозоли размером ≥0,5 мкм, част./л

Азот

-65

4

Аргон

-65

4

Водород

-

-75

4

Кислород

-

-65

4

Промышленно выпускаемые газы не имеют достаточной чистоты (например, аргон высшего сорта по ГОСТ 10157—79 содержит до 0,001% кислорода и имеет точку росы -58 °С), поэтому необходима их очистка непосредственно на предприятии (централизованно) с использованием серийно выпускаемых газоочистительных установок (УОГА-25, УОГВ-25 и др.). Установка ЖК.30.21, например, позволяет снизить содержание кислорода в аргоне до об. % и точку росы до -70 °С. Особенно тщательно осушать и очищать от водорода и кислорода технологические газы нужно для процессов эпитаксии: в газовой смеси, содержащей водород и кислород, при температурах свыше 550 °С протекает процесс гидрирования, т. е. образования паров воды; при температуре 1200 °С (типичной для процесса эпитаксии) окисление кремния начинается в газовой смеси с точкой росы -40 °С, что приводит к структурным нарушениям выращиваемой эпитаксиальной пленки.

Для межоперационного хранения изделий используют боксы или специальные емкости (эксикаторы) с активным влагопоглотителем (силикагелем).

В производстве ИМС в больших количествах используется вода. Она применяется для отмывки пластин-подложек от следов различных химических реактивов (травителей, проявителей и т. п.), ионы которых способны проникать в поверхностный слой полупроводника и изменять его электрофизические свойства. Вода служит растворителем при получении различных технологических растворов, а также выступает в роли химического реагента (например, термическое окисление кремния в парах воды). Во всех перечисленных случаях требуется, чтобы в воде не было механических частиц (гидрозолей), растворенных солей и газов, примесей металлов, микроорганизмов и т. п.

Предварительно воду очищают от взвешенных и коллоидно-растворенных частиц. Для этого используют методы дистилляции, сорбции с помощью специальных фильтров, коагуляции и др. Предварительно очищенная вода содержит в основном растворимые соли, поэтому окончательная очистка воды осуществляется с помощью ионно-обменных смол путем связывания катионов и анионов диссоциированных в воде солей, в результате чего в воду поступают ионы водорода Н+ и гидроксильных групп ОН-. Такой процесс очистки получил название деионизации, а получаемая вода — деионизованной.

Основным показателем чистоты воды является ее объемное удельное сопротивление. Различают деионизованную воду марок А. Б и В, для которых удельное сопротивление составляет соответственно 18, 10 и 1 МОм [для сравнения укажем, что водопроводная вода имеет сопротивление 3-6 кОм, вода двойной дистилляции — 0,3…0,6 МОм, а идеально чистая вода (теоретическое значение при 20 °С) — 25 МОм].

Кроме удельного сопротивления для деионизованной воды определяют содержание органических примесей и кремниевой кислоты, а в особых случаях (для сложных ИМС) — микрочастиц, микроорганизмов и др.

 

4. Диффузионные процессы в твердых телах

4.1. Введение

Из термодинамики, а так же из практического опыта следует, что любая однофазная система, находящаяся в равновесии, должна быть гомогенной. Например, смесь воды и чернил или наполненная дымом комната, через определенный промежуток времени становятся однородными.

Диффузия имеет место в газах, жидкостях и твердых телах, причем диффундировать могут как растворенные в веществе посторонние частицы, так и частицы самого вещества (самодиффузия).

 Диффузия – это обусловленное тепловым движением перемещением частиц в направлении убывания их концентрации. (Движущей силой диффузии является градиент концентрации атомов. Чем больше градиент концентрации, тем интенсивнее осуществляется перемещение атомов.)

4.2. Законы диффузии

 Диффузионные законы – это соотношения между величинами, характеризующими процессы диффузии.

Первый закон диффузии определяет количество вещества диффундирующего в направлении убывания концентрации. Если градиент концентрации С вдоль направления Х равен , то этот закон дает для массы вещества dm, диффундирующего за время dt через площадку S, перпендикулярную направлению Х, выражение:

dm = –DSdt,                                                     (1)

где   знак (–) указывает, что диффузия происходит в сторону уменьшения концентрации;

 D – коэффициент диффузии, численно измеряемый массой вещества, диффундирующего через площадку за время t=1, при градиенте концентрации, равном 1 ([Д]=[см2∙сек-1]).

Коэффициент диффузии определяет скорость процесса и зависит от природы диффундирующего вещества и вещества, в котором происходит диффузия.

Из первого закона диффузии выводится второй:

=D.

Когда =0 (стационарный поток) второй закон легко проверяется, т.к. из него следует, что при =0 концентрация диффундирующего вещества должна линейно уменьшатся вдоль направления диффундирующего потока. Опыт подтвердил правильность этого заключения.

Рассмотрим элементарный объем с единичной поверхностью S=1, перпендикулярной направлению Х и толщиной dx, и получим выражение для скорости изменения концентрации ()

.

Если толщина dx мала, то поток dm(x1+dx) может быть связан с dm(x1) следующим выражением:

;

;

Градиентом скалярной величины С, зависящей от координат, называется вектор, характеризующий быстроту изменения этой величины в пространстве: Если концентрация С изменяется вдоль оси Х, то grad C =, а поскольку изменения происходят только вдоль оси Х, так мы предположим что частную производную можно заменить на полную

Grad C =.

Математические уравнения диффузии были впервые применены в 1858 году Адольфом Фиком, хотя аналогичные уравнения были получены десятилетием раньше Фурье при анализе теплового потока.

;

.                                                (2)

Это и есть второй закон диффузии. Аналогичным путем задача может быть решена для двух- и трех-мерного случаев в декартовых, цилиндрических или полярных координатах. Однако для мы ограничились рассмотрением одномерной задачи.

Рассмотрим основные механизмы диффузии атомов в кристаллах:

  1.  механизм обмена атомов местами;
  2.  кольцевой механизм;
  3.  механизм перемещения по междуузлиям;
  4.  вакансионный механизм

Механизм обмена двух атомов местами в кристаллической решетке является наиболее простым и элементарным актом диффузии. Обмен местами в плотноупакованной структуре требует преодоления большого потенциального барьера, связанного с необходимостью раздвижением соседних атомов.

В случае кольцевого механизма несколько атомов, расположенных примерно по кольцу, согласованно перемещаются так, что все кольцо из атомов поворачивается на одно межатомное расстояние. В этом случае доля энергии потенциального барьера, приходящегося на каждый атом будет меньше, чем при обмене пары  атомов. Однако эта энергия возрастает с увеличением числа атомов в кольце и вероятность осуществления такого процесса за счет флуктуационного накопления необходимой энергии резко падает. Оба эти механизма могут проявляться лишь в совершенных кристаллических решетках с рыхлой упаковкой.

В реальных материалах с большим числом дефектов наиболее вероятными являются междуузельный и вакансионный механизмы диффузии. (+ границы, дислокации)

Вероятность перехода (ω) частицы в решетке из одного положения в другое в следствии статистического характера процесса возрастает с повышением температуры по экспоненциальному закону:

,

где – высота потенциального барьера.

Введем понятие среднего времени нахождения атома в одном из положений равновесия ():

.                                                  (3)

4.3. Основы кинетической теории газов

В кинетической теории газов коэффициент диффузии определяется следующим выражением:

,

где – длина свободного пробега, а – время между двумя столкновениями.

Выражение для коэффициента диффузии в кристалле приобретает вид:

,                                                              (4)

где – множитель, учитывающий геометрию решетки и механизм диффузии.

На основании (3) и (4) получим выражение коэффициента диффузии в кристалле:

,

где .

В этой формуле  – называют энергией активации (энергию, которую необходимо сообщить атому для единичного скачка в кристаллической решетке, называют энергией активации диффузии).

Примесные атомы, перемещаются по вакансионному механизму – называются примесями замещения, а перемещающиеся по междуузельному механизму – примесями внедрения.

Практически все диффузанты в полупроводниковых кристаллах имеют предельную растворимость. Под предельной растворимостью примеси подразумевается максимальная концентрация примесных атомов при данной температуре, которая может быть введена в полупроводник:

,

где  – теплота растворения.

В ряде случаев введение инородных атомов приводит к возникновению в диффузионной области новой фазы (химического соединения). Такой процесс получил название – реактивная диффузия (окисление кремния).

4.4. Диффузия как двухстадийный процесс

С помощью процесса диффузии осуществляют изменение свойств, а именно, электропроводности, диффузионной длины и времени жизни не основных носителей заряда в локальных областях полупроводникового материала.

Для формирования локальных областей в полупроводнике, как правило, используют двухстадийные диффузионные процессы. Первую стадию, соответствующую диффузии из неограниченного источника называют загонкой. Вторую стадию, соответствующую диффузии из ограниченного источника, созданного на первой стадии называют разгонкой.

Процессы диффузии осуществляются при повышенных температурах. В этом случае сопутствующим процессом является процесс окисления полупроводника. В частности, на поверхности кремния образуется пленка диоксида кремния (SiO2). Диоксид кремния обладает высокими маскирующими свойствами. При наличии на поверхности кремния слоя диоксида кремния при выполнении второй стадии диффузионного процесса – разгонки, поток диффузионных частиц через поверхность кремни будет отсутствовать. Если приписать поверхности кремния координату х=0, то для всех значений времени t можно записать:

                                                 (1)

где – концентрация примесных атомов.

Рассмотрим вторую стадию диффузионного процесса – разгонку. На первой стадии процесса – загонке получен диффузионный слой толщиной h. В первом приближении можно считать распределение примеси по толщине h постоянной. Тогда начальное условие для второй стадии процесса будет иметь вид:

при

при

(2)

Второй закон Фика для диффузии имеет вид:

.                                                 (3)

Решив (3), для граничного (1) и начального (2) условий получим:

.                                    (4)

Это уравнение описывает диффузию из бесконечно тонкого слоя h в полубесконечное тело. Бесконечно тонкий слой обычно характеризуют отнесенным к единице поверхности полным количеством атомов примеси Q, находящимся в слое в начальный момент времени.

Условие (1) говорит о том, что количество примеси Q в течении всего диффузионного процесса сохраняется постоянным, т. е. в слое толщиной h оно уменьшается, а в остальном объеме полупроводника увеличивается. Диффузионное распределение в бесконечно тонком слое h определяется с использованием уравнения (4). Подставим в него Ns=Q/h и перейдем к пределу в правой части при , т. е.

.                     (5)

Поверхностную концентрацию атомов при х=0 для такого распределения получим в виде:

.                                                    (6)

В общем случае Q не является постоянной величиной. Однако можно считать, что в течении второй стадии диффузии у поверхности кремниевой пластины образуется существенно планарный источник и распределение атомов примеси подчиняется закону Гаусса:

,                                            (7)

где   D2 – коэффициент диффузии на второй стадии диффузионного процесса – загонке;

 Q – количество введенных на стадии загонки атомов примеси, отнесенное к единице поверхности;

 t – длительность разгонки.

Определим Q из первого закона Фика. На первой стадии диффузионного процесса – загонке атомы примеси распределены по закону:

.                                                 (8)

Поток диффундирующих атомов через единицу поверхности на первой стадии имеет вид:

,                     (9)

где    D1 – коэффициент диффузии атомов примеси на первой стадии;

 Ns1 – поверхностная концентрация атомов, диффудирующих на этой стадии.

Проинтегрировав (9) по времени в пределах от 0 до t1 получим:

,                                          (10)

где t1 – длительность стадии загонки.

В результате закон распределения атомов примет на второй стадии диффузионного процесса примет вид:

.                                   (11)

На основании (11) определим поверхностную концентрацию примеси на стадии разгонки:

.                                              (12)

При поверхностная концентрация атомов неограниченно возрастает, в то время как она не может превысить поверхностную концентрацию атомов из стадии загонки Ns1, т.е. это выражение справедливо при больших временах второй стадии процесса.

Для процессов разгонки малой длительности необходимо исходить из приумножения, что диффузия осуществляется из ограниченного источника конечной толщины h с однородной концентрацией слоя Ns1 на стадии загонки. В этом случае полное количество атомов примеси на единицу поверхности примет вид:

.                                                     (13)

Сравнивая (13) и (10), определим эффективную ширину диффузионного слоя на стадии разгонки:

.                                                  (14)

С использованием (14) на основании (4) получим:

.                        (15)

Откуда определим поверхностную концентрацию диффузирующих атомов на стадии разгонки:

.                                           (16)

 N(0, t) при t→0 показывает, что поверхностная концентрация в начале стадии разгонки равна поверхностной концентрации на стадии загонки:

.                                                  (17)

Значение этой величины равно поверхностной концентрации в начале диффузионного процесса и не устремляется в бесконечность, как это наблюдалось в случае планарного источника (6).

4.5. Диффузия в гетерогенном твердом теле

Диффузионные процессы с участием двух гетерогенных тел находят широкое применение при  изготовлении микроэлектронных структур. К таким процессам в первую очередь относятся процессы перераспределения примеси между эпитаксиально выраженным слоем одного полупроводника на поверхности другого полупроводника и диффузии примеси в эту структуру, а так же диффузия примеси в полупроводник сквозь слой окисла или диэлектрика, и диффузия примесей в полупроводник из этих слоев.

Особенностью таких процессов является различие в коэффициентах диффузии составных гетерогенных тел.

Имеем гетерогенное твердое тело, состоящее из полубесконечного полупроводника, на поверхности которого расположим гетерогенный слой толщиной L. В эту структуру осуществляется диффузия из бесконечного источника. Коэффициенты диффузии в гетерогенном слое и полупроводнике различны и равны соответственно D1 и D2. Пусть граница раздела сред совпадает с координатой х = 0. Распределение концентрации примеси в такой структуре, очевидно, описывается решением диффузионных уравнений:

для –L<x<0;

для x>0.

При следующих начальных условиях

при x > –L.

Граничными условиями являются:

а) постоянство концентрации примеси на поверхности гетерогенного тела

С1 = С0 при x = -L;

б) равенство потоков на границе раздела сред ( отсутствие накопления примеси на границе)

;

в) отсутствие концентрации на большом расстоянии от границы раздела

С2 = 0 при х = ;

г) линейность изменения функции С2 = f (C1) на границе раздела сред

С2 = mC1, при х = 0,

где m – коэффициент, показывающий в каком соотношении находятся концентрации примеси в средах на границе раздела в любой момент времени t >0.

4.6. Техника проведения процессов диффузии

Диффузию проводят в сравнительно ограниченном диапазоне температур, например для кремния 1100 – 1300 °С.

Различают диффузию из газовой фазы, жидкой фазы, твердой фазы.

4.6.1. Диффузия из газовой фазы

Если в изолированный объем поместить полупроводник и сублимирующую примесь, нагреть их до температуры сублимации или выше, то в объеме вскоре установится определенное парциальное давление сублимирующего вещества.

Молекулы пара адсорбируются на всех поверхностях, в том числе и на поверхности полупроводника. При достаточно высокой температуре начинается диффузия примеси в полупроводник. Если скорость притока новых молекул взамен ушедших в полупроводник равна или больше скорости диффузии, то в поверхностном слое устанавливается равновесие концентрации атомов, равная предельной растворимости при данной температуре.

Для разбавленных растворов, какими можно считать твердые растворы примесей в полупроводниках, поверхностная концентрация С0 связана с давлением примесных  паров рi над полупроводником следующим соотношением:

,

где      – собственная концентрация атомов полупроводника;

 p – давление пара над чистым примесным веществом при температуре Т;

  – постоянная, характеризующая систему;

 R – газовая постоянная.

Если равновесие на поверхности достигается за время, меньшее чем длительность диффузии, то поверхностную концентрацию можно считать постоянной. Поэтому в большинстве случаев распределение примесей при диффузии из газовой фазы описывается функцией дополнения к интегралу ошибок. Распределение концентрации примеси по глубине диффузионного слоя в момент времени t описывается выражением:

 Символом  обозначена функция дополнения интеграла ошибок до 1 (error function complementary). Между ней и функцией ошибок  существует соотношение:

.

Иногда требуется вычислить интеграл или производную от функции ошибок:

 Функция  (1) и exp(-z2) (2) в полулогарифмическом (а) и линейном (б) масштабах.

4.6.2. Диффузия из жидкой фазы

При больших парциальных давлениях концентрация примеси в поверхностном слое может быть такой, что возникнет жидкая фаза.

 Al, In, Ga на поверхности кремния образуют жидкий сплав. Поверхностная концентрация определяется только термодинамическими свойствами системы примесь-полупроводник и равна предельной растворимости примеси при данной температуре диффузии.

Второй тип взаимодействий на поверхности заключается в быстрой химической реакции донорной или акцепторной примеси с полупроводником.

4.6.3. Диффузия из твердой фазы

Это диффузия из твердого раствора примеси в одной области полупроводника в другую свободную от примеси область полупроводника.

4.7. Способы проведения диффузии

Диффузионные процессы проводят в закрытой или открытой трубе.

В первом случае рис. а, пластины полупроводника 1 и источника 2 загружают в кварцевую ампулу 3, которую вакуумируют, герметизируют и помещают в печь 4.

Термин “открытая труба” обусловлен тем, что выходной конец диффузионной трубы сообщается с атмосферой (рис. бд), через него в зону диффузии загружают кремниевые пластины 1. Чтобы свести к минимуму загрязнения из атмосферы, над выходом трубы 2 устанавливают вытяжную систему. Во входной конец диффузионной трубы вставляют шлиф для введения газа носителя 3 – азота или кислорода. Диффудент А либо наносят на поверхность пластины (б) либо вводят в виде пара или газа в газ носитель (в).

г) – схема двухзонной печи, применяемой в основном для диффузии из твердых источников методом открытой трубы.

д) – схема бокс-метода. Пластины и источник находятся в полугерметичном контейнере 5 однозонной печи.

Наибольшее распространение имеет диффузия в открытой трубе, проводимая из твердых, жидких и газообразных источников.

 

5. Основы ионного легирования

Интенсивная разработка метода ионного легирования (ионной имплантации) полупроводников началась как в нашей стране, так и за рубежом в начале 60-х годов.

Интерес к методу ионного легирования (ионно-лучевого легирования) вызван тем, что он обладает рядом существенных преимуществ по сравнению с традиционно существующими – диффузией, вплавлением и легированием из расплава.

Сравнительно низкая температура обработки полупроводниковых подложек, точный контроль глубины и профиля распределения примеси, гибкость и универсальность, возможность полной автоматизации – основные достоинства метода.

5.1. Понятие о технологии ионного легирования

Ускоренный ион, внедряясь в полупроводниковую пластину, являющуюся мишенью, теряет энергию и производит так называемое ионное легирование. Это явление можно рассматривать как рассеяние падающих ионов на отдельных атомах, образующих твердое вещество.

Процесс ионного легирования зависит от:

1) скорости ионов,

2) массы ионов,

3) материала мишени,

4) ориентации пучка.

Так как при этом ионы пучка и кристаллической решетки взаимодействуют, возникает ряд интересных явлений.

На рисунке приведена схема распределения внедренных ионов в кристалле.

А – область, в которой распределение имеет такой же вид, как и в аморфной мишени.

Б – область деканалирования.

В – распределение атомов, создаваемое каналированием.

Внедряя ионы III и V групп в монокристалл кремния можно получить p-n-переход в любом месте, на любой площади. Для аморфных тел глубина внедрения ионов пропорциональна ускоряющему напряжении, и ее можно регулировать, изменяя энергию падающих ионов. Используя ионы высокой энергии в результате их глубокого проникновения в кремний n-типа можно получить скрытую область p-типа и, наоборот в p-кремнии создать скрытую область n-типа.

Низкая энергия                                                      Высокая энергия

 Переход, образованный в результате ионного легирования.

Основное преимущество метода ионного легирования перед диффузией – это свобода выбора легирующей примеси независимо от вида полупроводникового материала, так как при ионном легировании нет необходимости учитывать степень растворимости примесей и коэффициент диффузии.

5.2. Оборудование для ионного легирования

Возможности методов диффузии оказались ограниченными при миниатюризации приборов и повышение точности определения количества вводимых примесей. По методу ионного легирования введение примесей в полупроводник осуществляется за счет кинетической энергии ионов примеси, и их количество может быть точно определено электрическими методами.

Конструктивная схема установки ионного легирования:

 Наиболее типичными являются:

  1.  высококачественный ионный источник;
  2.  ионный источник с электронной бомбардировкой;
  3.  ионный источник питания;
  4.  уроплазмотрон.

Движение электронов в магнитном поле описывается системой уравнений в ортогональных координатах:

где      e – заряд электрона;

 m – масса заряженной частицы;

 B – напряженность магнитного поля.

Электроны и ионы совершают вращательное движение в соответствии с этим уравнением.

5.3. Длина пробега ионов

Распределение внедренных ионов по глубине распределяется:

  1.  величиной ускоряющего напряжения;
  2.  направлением движения ионов относительно мишени;
  3.  температурой мишени при внедрении;
  4.  температурой последующей термообработки.

Внедряемые ионы при многократном столкновении с атомами мишени постоянно теряют свою первоначальную энергию и останавливаются.

Рассмотрим случай, когда мишень является аморфной. Внедряемые в мишень ионы, двигаясь, меняют направление своего движения из-за столкновений с атомами мишени. В свою очередь атомы мишени в результате столкновений могут приобрести энергию, достаточную для движения в твердом теле (рис.).

 В результате вдоль траектории внедренных ионов образуется многочисленное число вакансий и между узловых атомов. Если процесс происходит в кристаллическом поле, то в результате больших искажений его кристаллической решетки может произойти аморфизация решетки такого тела.

Расстояния, проходимые внедренными атомами до остановки, имеют определенные, но различные для каждого вида ионов значения. Теория вероятности позволяет их вычислить.

 Длинна пробега внедренных ионов:

 R - полная длинна пробега;

 Rпр – проекция полной длинны пробега.

К механизмам потери энергии внедряемыми ионами можно отнести взаимодействие между внедряемыми ионами и электронами мишени (неупругие столкновения), а также упругие столкновения внедряемых ионов с ядрами атомов мишени. Если энергия ионов относительно мала, они теряют ее при упругом столкновении с ядрами мишени, а если энергия велика – при взаимодействии с электронами. С увеличением массы внедряемых ионов потери энергии за счет столкновений с ядрами возрастают.

Для определения длинны пробега внедряемых ионов будем считать, что эти механизмы потери энергии действуют одновременно и повсеместно. Средняя величина энергии, теряемой на единице длинны пробега внедряемого иона:

,                                              (1)

где      N – среднее количество атомов в единице объема мишени;

 Sn(E) – ядерная тормозная способность;

 Se(E) – электронная тормозная способность.

Средняя полная длинна пробега R для ионов с энергией Ei определяется интегрированием (1):

.                                           (2)

Поскольку при определении длинны пробега таким методом пренебрегают погрешностью в энергии, теряемой на расстоянии dx, и учитывают лишь среднюю величину, определение длинны пробега действительно лишь в первом приближении.

Если известны значения Sn(E) и Se(E), то по формуле (2) можно определить R (полную среднюю длину пробега). Величиной, определяемой экспериментально, является проекция пробега на направление первичного ионного пучка.

Закон распределения концентрации ионов, внедрившихся в полупроводник, записывается в виде:

,

где Q – поверхностная плотность внедряемых примесных ионов, определяемая дозой облучения D=qlQ (l – целое число, соответствующее заряду иона).

Максимальную концентрацию внедряемых ионов определяют по выражению:

 Графики распределения внедренных ионов обычно строят в относительных единицах (N(a)/Nmax). При ионном легировании максимальное значение концентрации Nmax наблюдается на некотором удалении от поверхности, зависящем от энергии ионов, при этом чем больше энергия, тем глубже располагается максимум концентрации внедряемых ионов.

При внедрении ионов акцепторной примеси коэффициент использования вводимых ионов определяется по формуле:

,

где p – средняя концентрация дырок в легированном слое, NД – средняя концентрация внедренных атомов акцепторной примеси.

5.4. Монокристалл

Если посмотреть на монокристалл вдоль определенного кристаллографического направления, то можно увидеть, что атомы полностью упорядочены и в кристалле имеются окна. Если проводить ионное легирование в таком направлении, то ионы могут внедряться довольно глубоко, не сталкиваясь с атомами мишени. Такое явление называется каналированием.

На практике наиболее распространенными методами определения распределения внедренных примесей являются:

метод радиоактивных изотопов;

метод измерения дифференциальной проводимости;

метод измерения дифференциальной проводимости с помощью эффекта Холла;

метод, основанный на определении глубины значения p-n-перехода.

При ионном легировании элементарных полупроводников внедренные ионы оказывают сильное влияние на изменение электрических характеристик. При ионном легировании сложных полупроводников большое влияние на электрические характеристики кристаллов оказывает нарушение стехиометрии.

Ионное легирование сложных полупроводников является интересной проблемой. Однако в связи с исключительной сложностью явлений, возникающих в них при ионном легировании, в настоящее время не проведено глубоких исследований по этому вопросу. Вопрос находится в стадии изучения.

5.6. Синтез веществ с помощью ионного легирования

При легировании GaAs ионами P и Al можно получить сложные соединения типа GaAsP и GaAlAs. GaAs – это основной материал фотодиодов. Для того чтобы спектр излучения сместить в видимую область необходимо использовать GaAsP, являющийся сложным кристаллическим веществом состоящим GaAs и GaP или GaAlAs, состоящий из GaAs и AlAs. На рисунке показана зависимость ширины запрещенной зоны от концентрации фосфора (x) в GaAs1-xPx.

 Если после образования соединения GaAsP образец облучать светом со стороны легированного P слоя, то максимальный фототок будет при длине волны света 0,65 мкм, при облучении с обратной стороны максимальный фототок наблюдается при длине волны 0,89 мкм.

5.7. Отжиг легированных слоев

Если в полупроводниковый материал, например кремний, вести донорную примесь (фосфор), то получается полупроводник n-типа (КЭФ) (КДБ). Однако полное легирование отличается от диффузии тем, что при обычном внедрении примесей получить полупроводник n-типа нельзя. Для этого необходима после легирования соответствующая термообработка, вызванная двумя причинами:

Необходимо восстановить упорядоченное расположение атомов в кристалле, которое было нарушено при легировании ионами высокой энергии.

При ионном легировании внедряемые ионы кроме положений замещения могут занимать и междуузельные положения в кристаллической решетке.

В междоузлии примесь находится в нестабильном положении. Местоположение энергетических уровней атомов, находящихся в междоузлии пока не известно. Однако установлено, что донорные уровни, как это имеет место в случае атомов замещения, для атомов в междоузлиях – отсутствуют. Перемещение атомов из междоузлий в положение замещения достигается термообработкой.

На рисунке приведены данные процентного содержания примесных атомов замещения и в междоузлиях в зависимости от температуры подложки при легировании кремния сурьмой Sb.

Если температуру подложки повысить во время легирования Sb до 300 oC, то почти все ее атомы перейдут в положение замещения. Следовательно, в кристалле образуются донорные уровни, что приводит к инверсии типа проводимости легированного слоя из p-типа в n-тип. В настоящее время ведутся интенсивные исследования процессов ионного легирования.

 

6. Технологические основы микроэлектроники

6.1. Введение

Технология полупроводниковых ИС развилась на основе планарной технологии транзисторов, а последняя, в свою очередь, впитала в себя весь предшествующий опыт производства полупроводниковых приборов. Поэтому чтобы разбираться в технологических циклах изготовления ИС, необходимо ознакомиться с типовыми технологическими процессами, из которых эти циклы складываются. Технология ГИС также зародилась не на пустом месте, а обобщила и развила те методы нанесения пленок, которые ранее использовались в радиотехнической промышленности, машиностроении и оптике.

6.2. Подготовительные операции

Монокристаллические слитки кремния, как и других полупроводников, получают обычно путем кристаллизации из расплава — методом Чохральского. При этом методе стержень с затравкой (в виде монокристалла кремния) после соприкосновение с расплавом медленно поднимают с одновременным вращением (рис. 6.1). При этом вслед за затравкой вытягивается нарастающий и застывающий слиток.

Кристаллографическая ориентация слитка (его поперечного сечения) определяется кристаллографической ориентацией затравки. Чаще других используются слитки с поперечным сечением, лежащим в плоскости (111) или (100) (см. 2.2).

Типовой диаметр слитков составляет в настоящее время 80 мм, а максимальный может достигать 120 мм и более. Длина слитков может достигать 1—1,5 м, но обычно она в несколько раз меньше.

Слитки кремния разрезают на множество тонких пластин (толщиной 0,4— 0,5 мм), на которых затем изготавливают интегральные схемы или другие приборы. Во время резки слиток прочно закрепляют, причем очень важно обеспечить перпендикулярное расположение слитка относительно режущих полотен или дисков с тем, чтобы пластины имели необходимую кристаллографическую ориентацию.

Рис. 6.1. Схема выращивания монокристалла методом Чохральского:

1 — тигель; 2 — расплав полупроводника; 3 — выращиваемый

монокристалл; 4 — затравка; 5 — катушка высокочастотного нагрева

Поверхность пластин после резки весьма неровная: размеры царапин, выступов и ямок намного превышают размеры будущих элементов ИС. Поэтому перед началом основных технологических операций пластины многократно шлифуют, а затем полируют. Цель шлифовки, помимо удаления механических дефектов, состоит также в том, чтобы обеспечить необходимую толщину пластины (200—300 мкм), недостижимую при резке, и параллельность плоскостей. Шлифовку осуществляют на вращающихся шлифовальных кругах. Шлифующим агентом являются суспензии из микропорошков, размер зерен которых выбирают все меньшим при каждом цикле шлифовки, вплоть до 1—2 мкм.

По окончании шлифовки на поверхности все же остается механически нарушенный слой толщиной несколько микрон, под которым расположен еще более тонкий, так называемый физически нарушенный слой. Последний характерен наличием «незримых» искажений кристаллической решетки и механических напряжений, возникающих в процессе шлифовки.

Полировка состоит в удалении обоих нарушенных слоев и снижении неровностей поверхности до уровня, свойственного оптическим системам — сотые доли микрона. Помимо механической (с помощью еще более мелкозернистых суспензий), используется химическая полировка (травление), т. е. по существу растворение поверхностного слоя полупроводника в тех или иных реактивах. Выступы и трещины на поверхности стравливаются быстрее, чем основной материал, и в целом поверхность выравнивается.

Достигаемая в процессе шлифовки и полировки параллельность плоскостей пластины, составляет единицы и даже доли микрона на сантиметр длины.

Важным процессом в полупроводниковой технологии является также очистка поверхности от загрязнений органическими веществами, особенно жирами. Очистку и обезжиривание проводят в органических растворителях (толуол, ацетон, этиловый спирт и др.) при повышенной температуре.

Травление, очистка и многие другие процессы сопровождаются отмывкой пластин в деионизованной воде. Деионизация осуществляется в специальных установках путем пропускания предварительно, дистиллированной воды через гранулированные смолы, в которых благодаря химическим реакциям происходит связывание растворенных ионов. Степень деионизации оценивается по удельному сопротивлению воды, которое обычно лежит в пределах 10—20 МОм∙см и выше (удельное сопротивление бидистиллированной воды не превышает 1—2 МОм∙см).

6.3. Эпитаксия

Эпитаксией называют процесс наращивания монокристаллических слоев на подложку, при котором кристаллографическая ориентация наращиваемого слоя повторяет кристаллографическую ориентацию подложки.

В настоящее время эпитаксия обычно используется для получения тонких рабочих слоев однородного полупроводника на сравнительно толстой подложке, играющей роль несущей конструкции.

Типовой — хлоридный процесс эпитаксии применительно к кремнию состоит в следующем (рис. 6.2). Монокристаллические кремниевые пластины загружают в тигель «лодочку» и помещают в кварцевую трубу. Через трубу пропускают поток водорода, содержащий небольшую примесь тетрахлорида кремния . При высокой температуре (около 1200 °С), которая обеспечивается высокочастотным нагревом тигля, на поверхности пластин ходит реакция

В результате реакции на подложке постепенно осаждается слой чистого кремния, а пары уносятся потоком водорода. Эпитаксиальный слой осажденного кремния монокристалличен и имеет ту же кристаллографическую ориентацию, что и подложка. Химическая реакция, благодаря подбору температуры, происходит только на поверхности пластины, а не в окружающем пространстве.

Процесс, проходящий в потоке газа, называют газотранспортной реакцией, а основной газ (в данном случае водород), переносящий примесь в зону реакции, — газом-носителем.

Рис. 6.2. Схема хлоридного процесса эпитаксии:

1 — кварцевая труба; 2 — катушка ВЧ нагрева; 3 — тигель с пластинами;

4 — пластина кремния; 5 — вентиль для перекрытия соответствующего газа;

6 — измеритель скорости потока.

Если к парам тетрахлорида кремния добавить пары соединений бора () или фосфора (), то эпитаксиальный слой будет иметь уже не собственную, а соответственно дырочную или электронную проводимость, поскольку в ходе реакции в осаждающийся кремний будут внедряться акцепторные атомы бора или донорные атомы фосфора.

В установке, показанной на рис. 6.2, предусмотрены некоторые дополнительные операции: продувка трубы азотом и неглубокое травление поверхности кремния в парах  (с целью очистки). Эти операции проводятся до основных.

Таким образом, эпитаксия позволяет выращивать монокристаллические слои любого типа проводимости и любого удельного сопротивления на подложке, обладающей тоже любым типом и величиной проводимости (рис. 6.3).

Эпитаксиальная пленка может отличаться от подложки по химическому составу. Способ получения таких пленок называют гетероэпитаксией, в отличие от гомоэпитаксии, описанной выше. Конечно, при гетероэпитаксии материалы пленки и подложки должны по-прежнему иметь одинаковую кристаллическую решетку. Например, можно выращивать кремниевую пленку на сапфировой подложке.

Граница между эпитаксиальным слоем и подложкой не получается идеально резкой, так как примеси в процессе эпитаксии частично диффундируют из одного слоя в другой. Это обстоятельство затрудняет создание сверхтонких (менее 1 мкм) и многослойных эпитаксиальных структур. Основную роль в настоящее время играет однослойная эпитаксия. Она существенно пополнила арсенал полупроводниковой технологии; получение таких тонких однородных слоев (110 мкм), какие обеспечивает эпитаксия, невозможно иными средствами.

Рис. 6.3. Примеры эпитаксиальных структур:

а — пленка n-типа на n+ - подложке; б- пленка p+ - типа на n-подложке;

в-пленка n-типа на р-подложке

В заключение заметим, что помимо описанной газовой эпитаксии, существует жидкостная эпитаксия, при которой наращивание монокристаллического слоя осуществляется из жидкой фазы, т. е. из раствора, содержащего необходимые компоненты.

6.4. Термическое окисление

Окисление кремния один из самых характерных процессов в технологии современных ИС. Получаемая при этом пленка двуокиси кремния () выполняет несколько важных функций, в том числе:

функцию защиты пассивации поверхности и, в частности, защиты вертикальных участков -переходов, выходящих на поверхность (рис. 6.4, а);

функцию маски, через окна которой вводятся необходимые примеси (рис. 6.4, б);

функцию тонкого диэлектрика под затвором МОП-транзистора (рис. 6.4, в).

Такие широкие возможности двуокиси кремния — одна из причин того, что кремний стал основным материалом для изготовления полупроводниковых ИС.

Поверхность кремния всегда покрыта «собственной» окисной пленкой, получающейся в результате «естественного» окисления при самых низких температурах. Однако эта пленка имеет слишком малую толщину (оксло 5 нм), чтобы выполнять какую-либо из перечисленных функций. Поэтому в технологии ИС пленки  получают искусственным путем.

Искусственное окисление кремния осуществляется обычно при высокой температуре (1000—1200 °С). Такое термическое окисление можно проводить в атмосфере кислорода (сухое окисление), в смеси кислорода с парами воды (влажное окисление) или просто в парах воды.

Во всех случаях процесс проводится в окислительных печах. Основу таких печей составляет, как и при эпитаксии, кварцевая труба, в которой размещается «лодочка» с пластинами кремния, нагреваемая либо токами высокой частоты, либо иным путем. Через трубу пропускается поток кислорода (сухого или увлажненного) или пары воды, которые реагируют с кремнием в высокотемпературной зоне. Получаемая таким образом пленка имеет аморфную структуру.

Рис. 6.4. Функции двуокисной пленки кремния:

а — пассивация поверхности; б — маска для локального легирования;

в — тонкий подзатворный окисел

Механизм окисления имеет два варианта. Первый вариант состоит из следующих этапов: 1) диффузия атомов кремния через уже имеющуюся пленку окисла к поверхности; 2) адсорбция молекул кислорода поверхностью из газовой фазы; 3) собственно окисление, т. е. химическая реакция. В этом случае пленка нарастает над исходной поверхностью кремния. Второй вариант состоит из следующих этапов: 1) адсорбция кислорода поверхностью уже имеющегося окисла; 2) диффузия кислорода через окисел к еще не окисленному кремнию; 3) собственно окисление. В этом случае пленка нарастает вглубь от исходной поверхности кремния. На практике оба механизма сочетаются, но главную роль обычно играет второй.

Очевидно, что скорость роста окисла со временем должна убывать, так как новым атомам кислорода приходится диффундировать через все более толстый слой окисла. Полуэмпирическая формула, связывающая толщину окисной пленки со временем термического окисления, имеет вид:

где   параметр, зависящий от температуры и влажности кислорода.

При влажном окислении кислород предварительно пропускают через сосуд с водой.

Сухое окисление идет в десятки раз медленнее влажного. Например, для выращивания пленки  толщиной 0,5 мкм в сухом кислороде при 1000 °С требуется около 5 ч., а во влажном — всего 20 мин. С уменьшением температуры на каждые 100 °С время окисления возрастает в 2—3 раза.

В технологии ИС различают «толстые» и «тонкие» окислы . Толстые окислы (d=0,7—0,8 мкм) выполняют функции защиты и маскировки, а тонкие (d=0,1—0,2 мкм) — функции подзатворного диэлектрика в МОП—транзисторах.

Одной из важных проблем при выращивании пленки  является обеспечение ее однородности. В зависимости от качества поверхности пластины, от чистоты реагентов и режима выращивания в пленке возникают те или иные дефекты. Распространенным типом дефектов являются микро— и макропоры, вплоть до сквозных отверстий (особенно в тонком окисле).

Качество окисной пленки повышается с уменьшением температуры ее выращивания, а также при использовании сухого кислорода. Поэтому тонкий подзатворный окисел, от качества которого зависит стабильность параметров МОП—транзистора, получают сухим окислением. При выращивании толстого окисла чередуют сухое и влажное окисление: первое обеспечивает отсутствие дефектов, а второе позволяет сократить время процесса.

6.5. Легирование

Внедрение примесей в исходную пластину (или в эпитаксиальный слой) путем диффузии при высокой температуре является исходным и до сих пор основным способом легирования полупроводников с целью создания диодных и транзисторных структур. Этому способу мы уделим главное внимание. Однако за последние 10 лет широкое распространение получил и другой способ легирования — ионная имплантация, который рассматривается в конце параграфа.

6.5.1. Способы диффузии

Диффузия может быть общей и локальной. В первом случае она осуществляется по всей поверхности пластины (рис. 6.5, а), а во втором – на определенных участках пластины через окна в маске, например, в слое  (рис. 6.5, б).

Общая диффузия приводит к образованию в пластине тонкого диффузионного слоя, который отличается от эпитаксиального неоднородным (по глубине) распределением примеси (см. кривую   на рис. 6.5).

В случае локальной диффузии примесь распространяется не только в глубь пластины, но и во всех перпендикулярных направлениях, т. е. под маску. В результате этой так называемой боковой диффузии участок –перехода, выходящий на поверхность, оказывается «автоматически» защищенным окислом (рис. 6.5, б). Соотношение между глубинами боковой и основной «вертикальной» диффузии зависит от ряда факторов, в том числе от глубины диффузионного слоя . Типичным для глубины боковой диффузии можно считать значение.

Диффузию можно проводить однократно и многократно. Например, в исходную пластину –типа можно во время 1–й диффузии внедрить акцепторную примесь и получить –слой, а затем во время 2–й диффузии внедрить в полученный –слой (на меньшую глубину) донорную примесь и тем самым обеспечить трехслойную структуру. Соответственно различают двойную и тройную диффузию.

При проведении многократной диффузии следует иметь в виду, что концентрация каждой новой вводимой примеси должна превышать концентрацию предыдущей, в противном случае тип проводимости не изменится, а значит, не образуется –переход. Между тем концентрация примеси в кремнии (или другом исходном материале) не может быть сколь угодно большой: она ограничена особым параметром – предельной растворимостью примеси. Предельная растворимость зависит от температуры. При некоторой температуре она достигает максимального значения , а затем снова уменьшается. Максимальные предельные растворимости вместе с соответствующими температурами приведены в табл. 6.1.

Рис. 6.5. Общая (а) и локальная (б) диффузия примеси в кремний

Следовательно, если проводится многократная диффузия, то для последней диффузии нужно выбирать материал с максимальной предельной растворимостью. Поскольку ассортимент примесных материалов ограничен, не удается обеспечить более 3–х последовательных диффузий.

Табл. 6.1. Максимальная предельная растворимость типичных примесей

Примесь

1150°С

1150°С

1200°С

1300°С

Примеси, вводимые путем диффузии, называют диффузантами (бор, фосфор и др.). Источниками диффузантов являются их химические соединения. Это могут быть и жидкости (,), и твердые тела (,), и газы (,).

Внедрение примесей обычно осуществляется с помощью газотранспортных реакций — так же, как при эпитаксии и окислении. Для этого используются либо однозонные, либо двухзонные диффузионные печи.

Двухзонные печи используются в случае твердых диффузантов. В таких печах (рис. 6.6) имеются две высокотемпературные зоны, одна – для испарения источника диффузанта, вторая — собственно для диффузии. Пары источника диффузанта, полученные в 1–й зоне, примешиваются к потоку нейтрального газа–носителя (например, аргона) и вместе с ним доходят до 2–й зоны, где расположены пластины кремния.

Рис. 6.6. Схема двухзонной диффузионной печи:

1 — кварцевая труба; 2 — поток газа-носителя; 3 — источник диффузанта;

4 — пары источника диффузанта; 5 — тигель с пластинами; 6 — пластина кремния;

7 — первая высокотемпературная зона; 8 — вторая высокотемпературная зона

Температура во 2–й зоне выше, чем в 1–й. Здесь атомы диффузанта внедряются в пластины, а другие составляющие химического соединения уносятся газом–носителем из зоны.

В случае жидких и газообразных источников диффузанта нет необходимости в их высокотемпературном испарении. Поэтому используются однозонные печи, в которые источник диффузанта поступает уже в газообразном состоянии.

При использований жидких источников диффузанта диффузию проводят в окислительной среде, добавляя к газу–носителю кислород. Кислород окисляет поверхность кремния, образуя окисел , т. е. в сущности – стекло. В присутствии диффузанта (бора или фосфора) образуется боросиликатное или фосфорносиликатное стекло. При температуре выше 1000 °С эти стекла находятся в жидком состоянии, покрывая поверхность кремния тонкой пленкой, так что диффузия примеси идет, строго говоря, из жидкой фазы. После застывания стекло защищает поверхность кремния в местах диффузии, т. е. в окнах окисной маски. При использовании твердых источников диффузанта – окислов – образование стекол происходит в процессе диффузии без специально вводимого кислорода.

6.5.2. Теоретические основы диффузии

Теория диффузии основана на двух законах Фика. 1–й закон Фика связывает плотность потока частиц  с градиентом их концентрации. В одномерном случае

                                                 (6.1a)

где  – коэффициент диффузии,  – концентрация.

2–й закон Фика характеризует скорость накопления частиц (в нашем случае – атомов примеси):

                                               (6.1б)

Из уравнения (6.1б) можно найти функцию , т. е. распределение концентрации  в любой момент времени. Для этого нужно задаться двумя граничными условиями,

Пусть координата  соответствует той плоскости пластины, через которую вводится примесь (рис. 6.5). Тогда координата противоположной плоскости равна толщине пластины . Ha практике глубина диффузионных слоев всегда меньше толщины пластины (см. рис. 6.5); поэтому можно положить. С математической точки зрения удобнее считать пластину бесконечно толстой и в качестве 1го граничного условия принять

(∞,).                                                   (6.2)

2е граничное условие имеет два варианта, которые соответствуют двум разновидностям реального технологического процесса.

1) Случай неограниченного источника примеси. В этом случае диффузант непрерывно поступает к пластине, так что в ее приповерхностном слое концентрация примеси поддерживается постоянной.

Граничное условие для этого варианта имеет вид:

                                       (6.За)

где  – поверхностная (точнее – приповерхностная) концентрация. Обычно количество поступающего диффузанта обеспечивает режим предельной растворимости, т. е.  (макс).

2) Случай ограниченного источника примеси. В этом случае сначала в тонкий приповерхностный слой пластины вводят некоторое количество атомов диффузанта, а потом источник диффузанта отключают и атомы примеси перераспределяются по глубине пластины при неизменном их общем количестве. Первую стадию процесса называют «загонкой», вторую — «разгонкой» примеси.

Для этого варианта можно записать условие в виде

                                             (6.3б)

где  – количество атомов примеси на единицу площади (задается на этапе «загонки»).

Решая уравнение (6.1б) при граничных условиях (6.2) и (6.3а), получаем распределение концентрации при неограниченном источнике (рис. 6.7, а):

                                          (6.4a)

где  () – дополнительная функция ошибок, близкая к экспоненциальной функции  (см. сноску на с. 68).

Рис. 6.7. Распределение примеси при диффузии из неограниченного (а)

и ограниченного (б) источников для разных моментов времени

Решая уравнение (6.1б) при условиях (6.2) и (6.3б), получаем распределение концентрации при ограниченном источнике (рис. 6.7, б):

                                    (6.4б)

В данном случае распределение описывается функцией Гаусса, которая характерна нулевой начальной производной, наличием точки перегиба и почти экспоненциальным «хвостом» после этой точки.

Под глубиной диффузионного слоя (глубиной диффузии) понимают координату , при которой концентрация введенной примеси  равна концентрации исходной примеси  (рис. 6.7). Величину  нетрудно найти из выражений (6.4), полагая в левой части .

Аппроксимируя функцию (6.4а) экспонентой, получаем для неограниченного источника

логарифмируя обе части (6.4б), получаем для ограниченного источника

Оба выражения имеют одинаковую структуру и позволяют сделать два важных общих вывода:

 время проведения диффузии пропорционально квадрату желательной глубины диффузии; поэтому получение глубоких диффузионных слоев требует большого времени; в ИС глубина рабочих диффузионных слоев обычно лежит в пределах 1–4 мкм;

при заданной глубине диффузионного слоя изменения коэффициента диффузии эквивалентны изменениям времени процесса.

Рис. 6.8. Зависимость коэффициентов диффузии

типичных (для кремния) примесей от температуры

Второй вывод заслуживает более детального рассмотрения. На рис. 6.8 показана температурная зависимость коэффициентов диффузии для некоторых материалов, применяемых в технологии ИС. Как видим, эта зависимость экспоненциальная, т. е. весьма сильная: при  коэффициент диффузии меняется на порядок, а при  – на %.

Последняя цифра, казалось бы, невелика, но ее истинное значение можно проиллюстрировать следующим простым расчетом. Если %, то разброс глубины диффузии составит ±1,25% или, при =4 мкм, около ±0,05%. Значит ширина базы , равная  может получится с ошибкой 0,1 мкм, что при  мкм составит 20%. Поскольку коэффициент  и предельная частота  обратно пропорциональны величине , их разброс превысит 40%.

Из сказанного ясна необходимость прецизионной регулировки температуры в диффузионных печах. Допустимая нестабильность температуры составляет до ±0,2°C (т. е. сотые доли процента).

6.5.3. Ионная имплантация

Ионной имплантацией называют метод легирования пластины (или эпитаксиального слоя) путем бомбардировки ионами примеси, ускоренными до энергии, достаточной для их внедрения в глубь твердого тела.

Ионизация атомов примеси, ускорение ионов и фокусировка ионного пучка осуществляются в специальных установках типа ускорителей частиц в ядерной физике. В качестве примесей используются те же материалы, что и при диффузии.

Глубина внедрения ионов зависит от их энергии и массы. Чем больше энергия, тем больше получается толщина имплантированного слоя. Однако с ростом энергии возрастает и количество радиационных дефектов в кристалле, т. е. ухудшаются его электрофизические параметры. Поэтому энергию ионов ограничивают величиной 100–150 кэВ. Нижний уровень составляет 5–10 кэВ. При таком диапазоне энергии глубина слоев лежит в пределах 0,1–0,4 мкм, т.е. она значительно меньше типичной глубины диффузионных слоев.

Концентрация примеси в имплантированном слое зависит от плотности тока в ионном пучке и времени процесса или, как говорят, от времени экспозиции, В зависимости от плотности тока и желательной объемной концентрации время экспозиции составляет от нескольких секунд до 3–5 мин и более (иногда до 1–2 ч). Разумеется, чем больше время экспозиции, тем опять же больше количество радиационных дефектов.

Типичное распределение примеси при ионной имплантации показано на рис. 6.9 сплошной кривой. Как видим, это распределение существенно отличается от диффузионного наличием максимума. Вблизи максимума кривая хорошо аппроксимируется функцией Гаусса, см. (6.4б).

Поскольку площадь ионного пучка (1–2 мм2) меньше площади пластины (а иногда и кристалла), приходится сканировать пучок, т. е. плавно или «шагами» перемещать его (с помощью специальных отклоняющих систем) поочередно по всем «строкам» пластины, на которых расположены отдельные ИС.

Рис. 6.9. Распределение примеси при ионной имплантации

По завершении процесса легирования пластину обязательно подвергают отжигу при температуре 500–800°C для того, чтобы упорядочить кристаллическую решетку кремния и устранить (хотя бы частично) неизбежные радиационные дефекты. При температуре отжига процессы диффузии несколько меняют профиль распределения (см. штриховую кривую на рис. 6.9).

Ионная имплантация, так же как диффузия, может быть общей и локальной (избирательной). В последнем, более типичном случае облучение (бомбардировка) проводится через маски, в которых длина пробега ионов должна быть значительно меньше, чем в кремнии. Материалом для масок могут служить распространенные в ИС двуокись кремния и алюминий. При этом важный достоинством ионной имплантации является то, что ионы, двигаясь по прямой линии, внедряются только в глубь пластины, аналогия боковой диффузии (под маску) практически отсутствует.

В принципе ионную имплантацию, как и диффузию, можно проводить многократно, «встраивая» один слой в другой. Однако сочетание энергий, времен экспозиции и режимов отжига, необходимое для многократной имплантации, оказывается затруднительным. Поэтому ионная имплантация получила главное распространение при создании тонких одинарных слоев.

Главными преимуществами ионной имплантации являются: низкая температура процесса и его хорошая контролируемость. Низкая температура обеспечивает возможность проведения ионной имплантации на любом этапе технологического цикла, не вызывая при этом дополнительной диффузия примесей в ранее изготовленных слоях.

 

6.6. Травление

Обычно травление ассоциируется с использованием специальных растворов – травителей для общего или локального удаления поверхностного слоя твердого тела на ту или иную глубину. Действительно, жидкие травители остаются главным средством для достижения указанной цели. Однако в технологии микроэлектроники появились и другие средства, выполняющие ту же задачу. Поэтому в общем случае травление можно рассматривать как не механические способы изменения рельефа поверхности твердого тела.

Классический процесс химического травления состоит в химической реакции жидкого травителя с твердым телом с образованием растворимого соединения; последнее смешивается с травителем и в дальнейшем удаляется вместе с ним. Переход поверхностного слоя твердого тела в раствор означает удаление этого слоя. Однако, в отличие от механического удаления, травление обеспечивает гораздо большую прецизионность процесса: стравливание происходит плавно – один мономолекулярный слой за другим. Подбирая травитель, его концентрацию, температуру и время травления, можно весьма точно регулировать толщину удаляемого слоя. Например, при химической полировке пластины кремния (см. 6.2), используя соответствующий травитель, можно обеспечить скорость травления 0,1 мкм/мин, т. е. за 20–30 снять слой толщиной всего 40–50 нм.

Для большей равномерности травления и удаления продуктов реакции с поверхности ванночку с раствором вращают в наклонном положении (динамическое травление) или вводят в раствор ультразвуковой вибратор (ультразвуковое травление).

Конечно, травление подчиняется законам физической химии, но в реальных условиях имеется столько привходящих обстоятельств, что рецептура травителей для каждого материала подбирается не расчетным путем, а экспериментально.

Характерной особенностью локального травления (через защитную маску) является так называемое подтравливание (рис. 6.10, а) – эффект, в какой-то мере аналогичный боковой диффузии (рис. 6.5, б). Он выражается в том, что травление идет не только в глубь пластины, но и в стороны – под маску. В результате стенки вытравленного рельефа оказываются не совсем вертикальными,  а площадь углубления – несколько больше площади окна в маске.

Электролитическое травление отличается тем, что химическая реакция жидкости с твердым телом и образование растворимого соединения происходят в условиях протекания тока через жидкость, причем твердое тело играет роль одного из электродов – анода. Значит, твердое тело в данном случае должно обладать достаточной электропроводностью, что, конечно, ограничивает круг используемых материалов. Преимуществом электролитического травления является возможность регулировать скорость травления путем изменения тока в цепи и прекращать процесс путем ее обрыва.

Рис. 6.10. Локальное травление кремния: а - изотропное; б – анизотропное

Так называемое ионное травление (один из специфических процессов в микроэлектронике) не связано с использованием жидкостей. Пластина кремния помещается в разреженное пространство, в котором, невдалеке от пластины, создается тлеющий разряд. Пространство тлеющего разряда заполнено квазинейтральной электронноионной плазмой. На пластину относительно плазмы подается достаточно большой отрицательный потенциал. В результате положительные ионы плазмы бомбардируют поверхность пластины и слой за слоем выбивают атомы с поверхности, т. е. травят ее. Аналогичным способом достигается очистка поверхности от загрязнений – ионная очистка. Структура ионно-плазменных установок описана в 6.9.

Ионное травление, как и химическое, может быть общим и локальным. Несомненным преимуществом локального ионного травления является отсутствие «подтравливания» под маску: стенки вытравленного рельефа практически вертикальны, а площади углублений равны площади окон в маске,

Общее преимущество ионного травления заключается в его универсальности (не требуется индивидуального кропотливого подбора травителей для каждого материала), а общий недостаток – в необходимости дорогостоящих установок и значительных затратах времени на создание в них нужного вакуума.

За последние годы разработаны и широко используются методы так называемого анизотропного травления. Эти методы основаны на том, что скорость химической реакции, лежащей в основе классического травления, зависит от кристаллографического направления. Наименьшая скорость свойственна направлению [111], в котором плотность атомов на единицу площади максимальна (рис. 2.2), а наибольшая – направлению [100], в котором плотность атомов минимальна. Поэтому при использовании специальных анизотропных травителей скорость травления оказывается разной в разных направлениях и боковые стенки лунок приобретают определенный рельеф – огранку. Пример огранки при травлении в плоскости (100) показан на рис. 6.10, б. Как видим, в данном случае травление идет параллельно плоскостям (111), поскольку в направлении [111], перпендикулярном этой плоскости, скорость травления намного меньше, чем в других направлениях.

Углы, под которыми вытравливаются боковые стенки лунок, строго определены и поддаются расчету [например, на рис. 6.10, б угол между плоскостями (100) и (111) составляет 61,5°]. Поэтому вместе методом масок метод анизотропного травления дает разработчику ИС возможность проектировать рельеф отверстий не только по плоскости, но и по глубине.

Напряжение, свойственное ионному травлению (2–3 кэВ), значительно меньше ускоряющих напряжений при ионной имплантации, поэтому внедрение ионов в пластину не происходит.

Тот факт, что плоскость (111) как бы «непроницаема» для травителя, обеспечивает еще одно преимущество анизотропного травления: если края окон в маске ориентированы по осям (100), то отсутствует явление  подтравливания, свойственное изотропному травлению ис. 6.10, а). Соответственно при анизотропном травлении наружные размеры лунок могут практически совпадают с размерами окон в маске.

6.7. Техника масок

В технологии полупроводниковых приборов важное место занимают маски: они обеспечивают локальный характер напыления, легирования, травления, а в некоторых случаях и эпитаксии. Всякая маска содержит совокупность заранее спроектированных отверстий – окон. Изготовление таких окон есть задача литографии (гравировки). Ведущее место в технологии изготовлен ля масок сохраняет фотолитография, которой мы уделим главное внимание.

6.7.1. Фотолитография

В основе фотолитографии лежит использование материалов, которые называют фоторезистами. Это разновидность фотоэмульсий, известных в обычной фотографии. Фоторезисты чувствительны к ультрафиолетовому свету, поэтому их можно обрабатывать в не очень затемненном помещении.

Фоторезисты бывают негативные и позитивные. Негативные фоторезисты под действием света полимеризуются и становятся устойчивыми к травителям (кислотным или щелочным). Значит, после локальной засветки будут вытравливаться незасвеченные участки (как в обычном фотонегативе). В позитивных фоторезистах свет, наоборот, разрушает полимерные цепочки и, значит, будут вытравливаться засвеченные участки.

Рисунок будущей маски изготавливается в виде так называемого фотошаблона (рис. 6.11). Фотошаблон представляет собой толстую стеклянную пластину, на одной из сторон которой нанесена тонкая непрозрачная пленка с необходимым рисунком в виде прозрачных отверстий. Размеры этих отверстий (элементов рисунка) в масштабе 1:1 соответствуют размерам будущих элементов ИС, т. е. могут составлять 20–50 мкм и менее (до 2–3 мкм). Поскольку ИС изготавливаются групповым методом (см. 1.2), на фотошаблоне по «строкам» и «столбцам» размещается множество однотипных рисунков. Размер каждого рисунка соответствует размеру будущего кристалла ИС.

Рис. 6.11. Фрагмент фотошаблона (в плане и разрезе)

Рис. 6.12. Этапы процесса фотолитографии:

а – экспозиция фоторезиста через фотошаблон;

б – локальное травлениедвуокиси кремния через фоторезистную маску;

в – окисная маска после удаления фоторезиста

Процесс фотолитографии для получения окон в окисной маске  покрывающей поверхность кремниевой пластины, состоят в следующем (рис. 6.12).

На окисленную поверхность пластины наносится капля фоторезиста (ФР). С помощью центрифуги каплю распределяют тонким слоем (около 1 мкм) по всей поверхности. Полученную пленку фоторезиста высушивают до затвердевания. На пластину, покрытую фоторезистом, накладывают фотошаблон ФШ (рисунком к фоторезисту) и экспонируют его в лучах кварцевой лампы (рис. 6.12, а). После этого фотошаблон снимают.

Если используется позитивный фоторезист (см. выше), то после проявления и закрепления (которое состоит в задубливании и термообработке фоторезиста) в нем получаются окна на тех местах, которые соответствуют прозрачным участкам на фотошаблоне. Как говорят, мы перенесли рисунок с фотошаблона на фоторезист. Теперь слой фоторезиста представляет собой маску, плотно прилегающую к окисному слою (рис. 6.12, б).

Рис. 6.13. Совмещение фотошаблона с рисунком на поверхности ИС

Через фоторезистивную маску производится травление окисного слоя вплоть до кремния (на кремний данный травитель не действует). В результате рисунок с фоторезиста переносится на окисел. После удаления (стравливания) фоторезистной маски конечным итогом фотолитографии оказывается кремниевая пластина покрытая окисной маской (рис. 6.12, в и 6.4, б). Через нее можно осуществлять диффузию, ионную имплантацию, травление и т. п.

В технологических циклах изготовления диодов, транзисторов и тем более ИС процесс фотолитографии используется многократно (отдельно для получения базовых слоев, эмиттеров, омических контактов и т. д.). При этом возникает так называемая проблема совмещения фотошаблонов. Суть этой проблемы иллюстрируется на рис. 6.13.

Пусть с помощью предыдущей фотолитографии и диффузии в пластине выполнен –слой шириной 30 мкм, а с помощью следующей фотолитографии и диффузии нужно внутри –слоя получить –слой шириною 10 мкм (показан штрихами), смещенный на 7 мкм относительно центра –слоя. Для этого рисунок 2–го фотошаблона необходимо совместить с уже существующим рельефом (т. е. с границами –слоя) с точностью 1–2 мкм.

При многократном использовании фотолитографии (в технологии ИС до 5–7 раз) допуск на совмещение доходит до долей микрона. Техника совмещения состоит в том, что на фотошаблонах делают специальные «отметки» (например, крестики или квадраты), которые переходят в рисунок на окисле и просвечивают сквозь тонкую пленку фоторезиста. Накладывая очередной фотошаблон, аккуратнейшим образом (под микроскопом) совмещают отметки на окисле с аналогичными отметками на фотошаблоне.

Если используется негативный фоторезист, то и фотошаблон должен быть негативным, т. е. будущим отверстиям в окисной маске должны соответствовать непрозрачные участки.

Рассмотренный процесс фотолитографии характерен для получения окисных масок на кремниевых пластинах с целью последующей локальной диффузии. В этом случае фоторезистная маска (рис. 6.12, б) является промежуточной, вспомогательной, так как она не выдерживает высокой температуры, при которой проводится диффузия. Однако в некоторых случаях, когда процесс идет при низкой температуре, фоторезистные маски могут быть основными – рабочими. Примером может служить процесс создания металлической разводки в полупроводниковых ИС (см. 6.9).

Рис. 6.14. Схема координатографа

6.7.2. Фотошаблоны

Первым этапом процесса изготовления фотошаблонов является вычерчивание оригинала. Оригинал представляет собой рисунок одного из элементов фотошаблона, увеличенный в масштабе от 100:1 до 1000:1. Следовательно, микроскопическому прямоугольнику  мкм на фотошаблоне соответствует на оригинале прямоугольник  мм или  мм, в зависимости от принятого увеличения. Прямоугольники таких размеров можно выполнить с большой точностью (неровность краев не превышает ±25 мкм, т. е. несколько процентов). При размерах кристалла  мм размеры оригинала могут быть  см и более.

Элементом фотошаблона называют участок, соответствующий одному кристаллу. При групповом методе изготовления ИС на пластине (а значит, и на фотошаблоне) располагаются сотни таких элементов (рис. 6.11).

Оригиналы изготавливают на координатографах (рис. 6.14). Координатограф представляет собой стол (1) с плоской поверхностью, над которой расположена система из двух подвижных взаимоперпендикулярных реек (2 и 3). В месте пересечения реек расположена скользящая муфта (4) с острым штифтом (5), касающимся поверхности стола. Перемещая рейки параллельно самим себе, можно процарапывать штифтом горизонтальные и вертикальные линии. На столе закрепляется стекло или пластик (6) необходимых размеров, покрытые вверху тонкой темной пленкой нитроэмали (7). Штифтом координатографа процарапывают в пленке контуры (периметры) будущих отверстий, после чего оконтуренную пленку отслаивают – сдирают, обнажая соответствующие участки.

Следующим этапом является так называемый промежуточный отсъем оригинала, т. е. его фотографирование на стеклянную фотопластинку с уменьшением (редуцированием) изображения в 10–20 раз. При особо больших масштабах оригинала промежуточных отсъемов бывает два с суммарным редуцированием в 50–100 раз.

Заключительным этапом является финальный отсъем с одновременным размножением (мультипликацией) рисунка по фотошаблону (см. рис. 6.11). Редуцирование размеров при финальном отсъеме зависит от редуцирования при промежуточном отсъеме; обычно оно составляет 5–10. Мультипликация, осуществляется с помощью так называемых фотоштампов – фотоаппаратов, у которых предусмотрено шаговое перемещение фотопластинки в фокальной плоскости. Если, например, размеры будущего кристалла составляют  мм, то шаг перемещения по горизонтали и вертикали должен составлять примерно 2 мм.

При использовании фотошаблона его эмульсионный слой изнашивается (стирается) уже после 15–20 наложений. Поэтому изготовленный фотошаблон хранится в специальной библиотеке, а с него время от времени снимаются рабочие копии (методам контактной фотопечати). Срок службы фотошаблонов можно увеличить на два порядка и более путем металлизации: замеряя пленку фотоэмульсии на пленку износостойкого металла, обычно хрома. Meталлизированные фотошаблоны получают примерно тем же способом, что и металлическую  разводку  (см. ниже), т. е. использованием фотолитографии.

Фотошаблоны изготавливаются комплектами по числу операций фотолитографии в технологическом цикле. В пределах комплекта фотошаблоны согласованы, т. е. обеспечивают совмещение рисунков при совмещении соответствующих отметок.

8.7.3. Новые решения и тенденции

Описанные методы долгое время составляли одну из основ микроэлектронной технологии. Они и до сих пор не потеряли своего значения. Однако по мере повышения степени интеграции и уменьшения размеров элементов ИС возник ряд проблем, которые частично уже решены, а частично находятся в стадии изучения.

Фотолитографии, при всем ее современном значении, свойственны ограничения, которые становятся все более существенными по мере прогресса микроэлектроники.

Одно из принципиальных ограничений касается разрешающей способности, т.е. минимальных размеров в создаваемом рисунке маски. Дело в том, что длины волн ультрафиолетового света составляют 0,2–0,3 мкм. Следовательно, каким бы малым не было отверстие в рисунке фотошаблона, размеры изображения этого отверстия в фоторезисте не могут достигать указанных значений (из–за дифракции). Поэтому разрешающая способность фотолитографии оценивается как 1000 линий/мм (имеется в виду получение в фоторезисте разделенных окон полосок шириной 0,5 мкм). После проявления и травления окисла разрешающая способность снижается до 250–500 линий/мм. Между тем размеры порядка 1–2 мкм уже оказываются недостаточно малыми при создании больших и сверхбольших ИС.

Наиболее очевидный путь для повышения разрешающей способности литографии – использование при экспозиции более коротковолновых излучений, например, мягкого рентгеновского (с длинами волн 1–2 нм). Этот путь находится в стадии исследования. Однако простое уменьшение длины волны не решает проблему совмещения рисунков.

Одним из слабых мест классической фотолитографии является механический контакт фотошаблона с пластиной, покрытой фоторезистом. Такой контакт никогда не может быть совершенным и сопровождается разного рода искажениями рисунка. Конкурирующим методом является проекционная фотолитография, при которой рисунок фотошаблона проектируется на пластину с помощью специальной оптической системы.

За последние годы разработаны методы электронной литографии. Их сущность состоит в том, что сфокусированный пучок электронов сканируют (т. е. перемещают «построчно») по поверхности пластины, покрытой резистом, и управляют интенсивностью пучка в соответствии с заданной программой. В тех точках, которые должны быть «засвечены», ток пучка максимален, а в тех, которые должны быть «затемнены», – минимален или равен нулю. Диаметр пучка электронов находится в прямой зависимости от тока в пучке: чем меньше диаметр, тем меньше ток. Однако с уменьшением тока растет время экспозиции. Поэтому повышение разрешающей способности (уменьшение диаметра пучка) сопровождается увеличением длительности процесса. Например, при диаметре пучка 0,2–0,5 мкм время сканирования пластины, в зависимости от типа резиста и размеров пластины, может лежать в пределах от десятков минут до нескольких часов.

Одна из разновидностей электронной литографии основана на отказе от резистных масок и предусматривает воздействие электронного пучка непосредственно на окисный слой . Оказывается, что в местах «засветки» этот слой в дальнейшем травится в несколько раз быстрее, чем в «затемненных» участках.

Что касается проблемы совмещения рисунков, то ее стараются решать путем самосовмещения. Этот принцип можно охарактеризовать как использование ранее полученных структурных элементов в качестве масок для получения последующих элементов. Примерами могут служить изопланарная технология (рис. 7.10) и технология МОП–транзисторов с самосовмещенным затвором (рис. 7.30 и 7.31).

6.8. Нанесение тонких пленок

Тонкие пленки не только являются основой тонкопленочных ГИС, но широко используются и в полупроводниковых интегральных схемах. Поэтому методы получения тонких пленок относятся к общим вопросам технологии микроэлектроники.

Существует три основных метода нанесения тонких пленок на подложку и друг на друга: термическое (вакуумное) напыление, ионноплазменное напыление и электрохимическое осаждение. Ионно-плазменное напыление имеет две разновидности: катодное напыление и собственно ионно–плазменное.

6.8.1. Термическое (вакуумное) напыление

Схема этого метода показана на рис. 6.15. Металлический или стеклянный колпак 1 расположен на опорной плите 2. Между ними находится прокладка 3, обеспечивающая поддержание вакума после откачки подколпачного пространства. Подложка 4, на которую проводится напыление, закреплена на держателе 5. К держателю примыкает нагреватель 6 (напыление проводится на нагретую подложку). Испаритель 7 включает в себя нагреватель и источник напыляемого вещества. Поворотная заслонка 8 перекрывает поток паров от испарителя к подложке: напыление длится в течение времени, когда заслонка открыта.

Нагреватель обычно представляет собой нить или спираль из тугоплавкого металла (вольфрам, молибден и др.), через которую пропускается достаточно большой ток. Источник напыляемого вещества связывается с нагревателем по–разному: в виде скобок («гусариков), навешиваемых на нить накала; в виде небольших стержней, охватываемых спиралью, в виде порошка, засыпанного в тигель, нагреваемый спиралью, и т. п. Вместо нитей накала в последнее время используют нагрев с помощью электронного луча или луча лазера.

Рис. 6.15. Схема установки термического напыления

На подложке создаются наиболее благоприятные условия для конденсации паров, хотя частично конденсация происходит и на стенках колпака. Слишком низкая температура подложки препятствует равномерному распределению адсорбируемых атомов: они группируются в «островки» разной толщины, часто не связанные друг с другом. Наоборот, слишком высокая температура подложки приводит к отрыву только что осевших атомов, к их «реиспарению». Поэтому для получения качественной пленки температура подложки должка лежать в некоторых оптимальных пределах (обычно 200 – 400°С). Скорость роста пленок в зависимости от ряда факторов (температура нагревателя, температура подложки, расстояние от испарителя до подложки, тип напыляемого материала и др.) лежит в пределах от десятых долей до десятков нанометров в секунду.

Прочность связи – сцепления пленки с подложкой или другой пленкой – называется адгезией. Некоторые распространенные материалы (например, золото) имеют плохую адгезию с типичными подложками, в том числе с кремнием. В таких случаях на подложку сначала наносят так называемый подслой, характерный хорошей адгезией, а затем на него напыляют основной материал, у которого адгезия с подслоем тоже хорошая. Например, для золота подслоем могут быть никель или титан.

Для того, чтобы атомы газа, летящие от испарителя к подложке, испытывали минимальное количество столкновений с атомами остаточного газа и тем самым минимальное рассеяние, в подколпачном пространстве нужно обеспечивать достаточно высокий вакуум. Критерием, необходимого вакуума может служить условие, чтобы средняя длина свободного пробега атомов в несколько раз превышала расстояние между испарителем и подложкой. Однако этого условия часто недостаточно, так как любое количество остаточного газа чревато загрязнением напыляемой пленки и изменением ее свойств. Поэтому в принципе вакуум в установках термического напыления должен быть как можно более высоким. В настоящее время вакуум ниже  мм рт. ст. считается неприемлемым, а в ряде первоклассных напылительных установок он доведен до  мм рт. ст.

Главными достоинствами рассмотренного метода являются его простота и возможность получения исключительно чистых пленок (при высоком вакууме). Однако у него есть и серьезные недостатки: трудность напыления тугоплавких материалов и трудность (а иногда невозможность) воспроизведения на подложке химического состава испаряемого вещества. Последнее объясняется тем, что при высокой температуре химические соединения диссоциируют, а их составляющие конденсируются на подложке раздельно. Естественно, имеется вероятность того, что новая комбинация атомов на подложке не будет соответствовать структуре исходной молекулы.

6.8.2. Катодное напыление

Схема этого метода показана на рис. 6.16. Здесь большинство компонентов те же, что и на рис. 6.15. Однако отсутствует испаритель; его место по расположению (и по функции) занимает катод 6, который либо состоит из напыляемого вещества, либо электрически контактирует с ним. Роль анода выполняет подложка вместе с держателем.

Подколпачное пространство сначала откачивают до - мм рт. ст., а затем в него через штуцер 8 вводят некоторое количество очищенного нейтрального газа (чаще всего аргона), так что создается давление  мм рт. ст. При подаче высокого (2–3 кВ) напряжения на катод (анод заземлен из соображений электробезопасности) в пространстве анод-катод возникает аномальный тлеющий разряд, сопровождающийся образованием квазинейтральной электронно–ионной плазмы.

Рис. 6.16. Схема установки катодного напыления

Специфика аномального тлеющего разряда состоит в том, что в прикатодном пространстве образуется настолько сильное электрическое поле, что положительные ионы газа, ускоряемые этим полем и бомбардирующие катод, выбивают из него не только электроны (необходимые для поддержания разряда), но и нейтральные атомы. Тем самым катод постепенно разрушается. В обычных газоразрядных приборах разрушение катода недопустимо (поэтому в них используется тлеющий разряд), но в данном случае выбивание атомов из катода является полезным процессом, аналогичным испарению.

Важным преимуществом катодного напыления по сравнению с термическим является то, что распыление катода не связано с высокой температурой. Соответственно отпадают трудности при напылении тугоплавких материалов и химических соединений (см. последний абзац предыдущего раздела).

Однако в данном методе катод (т. е. напыляемый материал), будучи элементом газоразрядной цепи, должен обладать высокой электропроводностью. Такое требование ограничивает ассортимент напыляемых материалов. В частности, оказывается невозможным напыление диэлектриков, в том числе многих окислов и других химических соединений, распространенных в технологии полупроводниковых приборов.

Это ограничение в значительной мере устраняется при использовании так называемого реактивного (или химического) катодного напыления, особенность которого состоит в добавлении к основной массе инертного газа небольшого количества активных газов, способных образовывать необходимые химические соединения с распыляемым материалом катода. Например, примешивая к аргону кислород, можно вырастить на подложке пленку окисла. Примешивая азот или моноокись углерода, можно получить нитриды или карбиды соответствующих металлов. В зависимости от парциального давления активного газа химическая реакция может происходить либо на катоде (и тогда на подложке осаждается уже готовое соединение), либо на подложке–аноде.

Недостатками катодного напыления в целом являются некоторая загрязненность пленок (из-за использования сравнительно низкого вакуума), меньшая по сравнению с термическим методом скорость напыления (по той же причине), а также сложность контроля процессов.

6.8.3. Ионно–плазменное напыление

Схема этого метода показана на рис. 6.17. Главная его особенность по сравнению с методом катодного напыления состоит в том, что в промежутке между электродом 9 – мишенью (с нанесенным на нее напыляемым материалом) и подложкой 4 действует независимый, «дежурный» газовый разряд. Разряд имеет место между электродами 6 и 7, причем типа разряда – несамостоятельный дуговой. Для этого типа разряда характерны: наличие специального источника электронов в виде накаливаемого катода 6, низкие рабочие напряжения (десятки вольт) и большая плотность электронно-ионной плазмы. Подколпачное пространство, как и при катодном напылении, заполнено нейтральным газом, но при более низком давлении ( мм рт. ст.).

Процесс напыления состоит в следующем. На мишень относительно плазмы (практически – относительно заземленного анода 7) подается отрицательный потенциал (2–3 кВ), достаточный для возникновения аномального тлеющего разряда и интенсивной бомбардировки мишени положительными ионами плазмы. Выбиваемые атомы мишени попадают на подложку и осаждаются на ней. Таким образом, принципиальных различий между процессами катодного и ионно-плазменного напыления нет. Различаются лишь конструкции установок: их называют соответственно двух– и трех–электродными.

Начало и конец процесса напыления определяются подачей и отключением напряжения на мишени. Если предусмотреть механическую заслонку (см. рис. 6.15), то ее наличие позволяет реализовать важную дополнительную возможность: если до начала напыления закрыть заслонку и подать потенциал на мишень, то будет иметь место ионная очистка мишени (см. 6.6). Такая очистка полезна для повышения качества напыляемой пленки. Аналогичную очистку можно проводить на подложке, подавая на нее (до напыления пленки) отрицательный потенциал.

Рис. 6.17. Схема установки ионно–плазменного напыления

При напылении  диэлектрических пленок возникает затруднение, связанное с накоплением на мишени положительного заряда, препятствующего дальнейшей ионной бомбардировке. Это затруднение преодолевается путем использования так называемого высокочастотного ионно-плазменного напыления. В этом случае на мишень наряду с постоянным отрицательным напряжением подается переменное напряжение высокой частоты (около 15 МГц) с амплитудой, несколько превышающей постоянное напряжение. Тогда во время большей части периода результирующее напряжение отрицательно; при этом происходит обычный процесс распыления мишени и на ней накапливается положительный заряд. Однако во время небольшой части периода результирующее напряжение положительно; при этом мишень бомбардируется электронами из плазмы, т.е. распыления не происходит, но зато компенсируется накопленный положительный заряд.

Вариант реактивного (химического) ионно-плазменного напыления открывает те же возможности получения окислов, нитридов и других соединений, что и реактивное катодное напыление (см. предыдущий раздел).

Преимущества собственно ионно–плазменного метода по сравнению с катодным состоят в большей скорости напыления и большей гибкости процесса (возможность ионной очистки, возможность отключения рабочей цепи без прерывания разряда и др.); Кроме того, на качестве пленок сказывается более высокий вакуум.

6.8.4. Анодирование

Один из вариантов химического ионно–плазменного напыления называют анодированием. Этот процесс состоит в окислении поверхности металлической пленки (находящейся под положительным потенциалом) отрицательными ионами кислорода, поступающими из плазмы газового разряда. Для этого к инертному газу (как и при чисто химическом напылении) следует добавить кислород. Таким образом, анодирование осуществляется не нейтральными атомами, а ионами.

Химическое напыление и анодирование, вообще говоря, проходят совместно, так как в газоразрядной плазме (если она содержит кислород) сосуществуют нейтральные атомы и ионы кислорода. Для того, чтобы анодирование превалировало над чисто химическим напылением, подложку располагают «лицом» (т. е. металлической пленкой) в сторону, противоположную катоду, е тем чтобы на нее не попадали нейтральные атомы.

Если подавать на мишень чисто переменное напряжение, то за время положительного полупериода заряд электронов благодаря их большей подвижности превысит заряд ионов, и мишень приобретет отрицательный потенциал.

По мере нарастания окисного слоя ток в анодной цепи падает, так как окисел является диэлектриком. Для поддержания тока нужно повышать питающее напряжение. Поскольку часть этого напряжения падает на пленке, процесс анодирования протекает в условиях большой напряженности поля в окисной пленке. В результате и в дальнейшем, при эксплуатации, она обладает повышенной электрической прочностью.

К числу других преимуществ анодирования относятся большая скорость окисления (поскольку поле в пленке окисла ускоряет взаимные перемещения атомов металла и кислорода) и возможность управления процессом путем изменения тока в цепи разряда. Качество окисных пленок, получаемых методом анодирования, выше, чем при использовании других методов.

6.8.5. Электрохимическое осаждение

Это метод получения пленок отличается от предыдущих тем, что рабочей средой является жидкость. Однако характер процессов сходен с ионно-плазменным напылением, поскольку и плазма, и электролит представляют собой квазинейтральную смесь ионов и неионизированных молекул или атомов. А главное, осаждение происходит так же постепенно (послойно) как и напыление, т. е. обеспечивает возможность получения тонких пленок.

Электрохимическое осаждение исторически развилось значительно раньше всех других рассмотренных методов – еще в XIX веке. Уже десятки лет назад оно широко использовалось в машиностроении для разного рода тонких гальванических покрытий (никелирование, хромирование и т. п.). В микроэлектронике электрохимическое осаждение не является альтернативой термическому и ионно–плазменному напылению; оно дополняет их и сочетается с ними.

В основе электрохимического осаждения лежит электролиз раствора, содержащего ионы необходимых примесей. Например, если требуется осадить медь, используется раствор медного купороса, а если золото или никель – растворы соответствующих солей.

Ионы металлов имеют в растворе положительный заряд. Поэтому, чтобы осадить металлическую пленку, подложку следует использовать, как катод. Если подложка является диэлектриком или имеет низкую проводимость, на нее предварительно наносят тонкий металлический подслой, который и служит катодом. Подслой можно нанести методом термического или ионно–плазменного напыления.

Чтобы осуществить электрохимическое анодирование, окисляемую пленку металла следует использовать как анод, а электролит должен содержать ионы кислорода.

Большое преимущество электрохимического осаждения перед напылением состоит в гораздо большей скорости процесса, которая к тому же легко регулируется изменением тока. Поэтому основная область применения электролиза в микроэлектронике – это получение сравнительно толстых пленок (10–20 мкм и более). Качество (структура) таких пленок хуже, чем при напылении, но для ряда применений они оказываются вполне приемлемыми.

6.9. Металлизация

В полупроводниковых ИС процесс металлизации призван обеспечить омические контакты со слоями полупроводника, а также рисунок межсоединений и контактных площадок.

Основным материалом для металлизации служит алюминий. Он оказался оптимальным в силу следующих положительных качеств: малое удельное сопротивление ( Ом∙см); хорошая адгезия к окислу  (металлизация осуществляется по окислу); возможность сварных контактов с алюминиевой к золотой проволокой (при осуществлении внешних выводов); отсутствие коррозии; низкая стоимость и др.

При создании металлической разводки сначала на всю поверхность ИС напыляют сплошную пленку алюминия толщиной около 1 мкм (рис. 6.18). Эта пленка контактирует: со слоями кремния в специально сделанных (с помощью предыдущей фотолитографии) окнах в окисле (1, 2 и 3 на рис. 6.18).

Рис. 6.18. Получение металлической разводки методом фотолитографии

Основная же часть алюминиевой пленки лежит на поверхности окисла. Покрывая пленку алюминия фоторезистом, экспонируя его через соответствующий фотошаблон и проявляя, получают фоторезистную маску, которая защищает будущие полоски металлизации и контактные площадки (КП) от травителя. После вытравливания алюминия с незащищенных участков к удаления фоторезиста остается запланированная металлическая разводка (на рис. 6.18 ее рельеф, прилегающий к контактам 1, 2, 8, заштрихован).

Ширина полосок в обычных ИС составляет 10–15 мкм, а в больших ИС до 5 мкм и менее. Погонное сопротивление полоски шириной 10 мкм и толщиной 1 мкм составляет около 2 Ом/мм. Для контактных площадок, к которым в дальнейшем присоединяются внешние выводы, типичны размеры  мкм. Присоединение внешних выводов непосредственно к полоскам металлизации невозможно из-за их малой ширины.

Разумеется, рисунок межсоединений предполагает отсутствие пересечение, т.е. коротких замыканий. Однако в ИС с высокой степенью интеграции не удается спроектировать металлическую разводку так, чтобы избежать пересечений. В этих случаях используется многослойная или многоуровневая разводка, т. е. несколько «этажей» металлизации, разделенных изолирующими слоями. Необходимые соединения между разными уровнями осуществляются через специальные окна в изолирующих слоях (рис. 6.19). Изоляцию между слоями обычно обеспечивают путем напыления диэлектрика по завершении очередной металлической разводки. В качестве диэлектрика чаще всего используют моноокись кремния . Количество «этажей» при многоуровневой металлизации для современных БИС лежит в пределах от двух до четырех.

Проблема омических контактов при использовании алюминия состоит в следующем. Если пленку алюминия просто напылить на поверхность кремния, то образуются барьеры Шоттки (см. 3.3), причем барьер на границе с –слоем является не омическим, а выпрямляющим. Чтобы избежать барьеров Шоттки, алюминий вжигают в кремний при температуре около 600°C, близкой к температуре эвтектики сплава . При такой температуре на границе алюминиевой пленки с кремнием образуется слой, в котором растворен практически весь прилегающий алюминий. После застывания сплав представляет собой кремний, легированный алюминием; концентрация последнего составляет около  см-3.

Поскольку алюминий является акцептором по отношению к кремнию, возникает новая проблема: предотвращение образования –переходов в –слоях. Действительно, если концентрация доноров в –слое меньше  см-3, то атомы алюминия создадут в нем припоповерхностный –слой. Чтобы этого избежать, область –слоя вблизи контакта специально легируют, превращая ее в –слой с концентрацией доноров 1020 см-3, и более (см. рис. 6.18). Тогда концентрация алюминия оказывается недостаточной для образования –слоя, и –переход не образуется.

Рис. 6.19. Многослойная металлическая разводка

Если n–слой с самого начала сильно легирован (например, эмиттерный слой транзистора), то дополнительного легирования не требуется. Не возникает проблем и при контакте алюминия с –слоями, так как растворение, в них алюминия приводит к образованию приповерхностных –слоев, что способствует повышению качества омического контакта.

6.10. Сборочные операции

После того как: все основные технологические этапы (включая металлизацию) за кончены, пластина, содержащая сотни ИС, разделяется на отдельные кристаллы.

Разделение осуществляется методом скрайбирования, т.е. процарапыванием вертикальных и горизонтальных рисок в промежутках между транзисторами (см. рис. 1.1 и 1.2). После скрайбирования пластину помещают на мягкую резиновую подушку и путем нажатия разламывают по рискам подобно тому, как стекольщик разламывает стекло по риске, нанесенной алмазным резцом. Годные кристаллы далее монтируются в корпусах.

Сборка кристалла в корпусе начинается с операции, которую называют посадкой на ножку (под ножкой имеют в виду дно корпуса).

При этом кристалл приклеивается или припаивается (легкоплавким припоем) в средней части ножки (на рис. 6.20 показан простой транзистор). Затем контактные площадки на кристалле соединяются со штырьками – выводами корпуса. Соединения осуществляются с помощью тонких (20–30 мкм) алюминиевых или золотых проволочек, которые одним концом закрепляются на контактных площадках, а другим на торцах штырьков.

Надежный электрический контакт между металлическими деталями (в данном случае контакт проволочек со штырьками и контактными площадками) может быть обеспечен разными методами.

Рис. 6.20. Монтаж кристалла на ножке корпуса

Наибольшее распространение в настоящее время имеет метод термокомпрессии, т. е. сочетание достаточного давления (прижатия деталей друг к другу) с повышенной температурой (200–300°C), способствующей, взаимной диффузии атомов из одной детали в другую.

Термокомпрессия, в свою очередь, реализуется в виде разных конструктивных вариантов. Два типичных примера показаны на рис. 6.21. На рис. 6.21, а используется клинообразный пуансон, который прижимает

 

проволочку к металлической поверхности в поперечном направлении; на проволочке образуется поперечный шов. На рис. 6.21, б используется пуансон, в котором проволочка проходит по его внутреннему каналу. У выхода из пуансона при отрезании проволочки пламенем газовой горелки образуется шарообразная капля (образование капли свойственно золотым проволочкам). Когда пуансон снова прижимается к металлической поверхности, капля расплющивается, и площадь контакта оказывается больше, чем поперечное сечение проволочки (термокомпрессия типа «шляпки гвоздя»). Затем пуансон поднимается и пропускает через себя отрезок проволочки, достаточный для присоединения к другой детали. После этого проволочка снова перерезается газовым пламенем. Операция термокомпрессии, если она осуществляется оператором, производится под микроскопом. Однако возможен и автоматический процесс.

По окончании монтажа кристалла на ножке следует корпусирование, т.е. окончательное внешнее оформление транзистора. Ножка корпуса соединяется с крышкой (рис. 6.20) путем горячей или холодной сварки (последняя по существу близка к термокомпрессии.

Рис. 6.21. Термокомпрессия:

а — клинообразный пуансон; б — капиллярный пуансон

Корпусирование предполагает также защиту кристалла от влияния внешней среды, поэтому его проводят либо в вакууме, либо в среде инертного газа (азот, аргон). Бескорпусные варианты транзисторов описаны в разд. 6.11.2.

Рис. 6.22. Типичные корпуса интегральных схем

Главная специфика сборочных операций применительно к интегральным схемам состоит в том, что корпуса ИС многовыводные: у простых ИС количество выводов составляет 8–14, а у больших ИС доходит до 64 и более. Номенклатура корпусов для ИС довольно разнообразна: наряду с круглым корпусом, похожим на транзисторный (см. рис. 6.20), используются прямоугольные корпуса: металлические или пластмассовые, с выводами, лежащими в плоскости корпуса или перпендикулярными ей (рис. 6.22). Выбор корпуса в значительной степени зависит от назначения аппаратуры и способов ее конструирования.

6.11. Технология тонкопленочных гибридных ИС

Согласно определению, приведенному в 1.2, гибридные ИС представляют собой совокупность пленочных пассивных элементов и навесных активных компонентов. Поэтому технологию тонкопленочных ГИС можно разбить на технологию тонкопленочных пассивных элементов и технологию монтажа активных компонентов.

6.11.1. Изготовление пассивных элементов

Тонкопленочные элементы ГИС осуществляются с помощью технологических методов, описанных в 6.8, т. е. путем локального (через маски) термического, катодного или ионно–плазменного напыления того или иного материала на диэлектрическую подложку.

В качестве масок длительное время использовались накладные металлические трафареты. Такие трафареты представляли собой тонкую биметаллическую фольгу с отверстиями – окнами. Основу трафарета составлял слой бериллиевой бронзы толщиной 100–150 мкм, к которому прилегал слой электрохимически нанесенного никеля толщиной 10–20 мкм, Последний определял размеры окон, т. е. рисунок трафарета, а слой бериллиевой бронзы выполнял роль несущей конструкции.

Серьезные недостатки металлических накладных трафаретов заключаются в том, что, во-первых, в процессе напыления пленок происходит напыление на сами трафареты, что меняет их толщину и постепенно приводит их негодность. Во-вторых, металлические трафареты мало пригодны при катодном и ионно-плазменном напылении, так как металл искажает электрическое поле и, следовательно, влияет на скорость напыления. Поэтому в последние годы от металлических накладных трафаретов практически отказались и используют для получения необходимого рисунка фотолитографию – метод заимствован из технологии полупроводниковых ИС.

Фотолитографию осуществляют следующим образом. На подложку наносят сплошные пленки необходимых материалов, например, резистивньй слой и поверх него – проводящий слой. Затем поверхность покрывают фоторезистом с помощью соответствующего фотошаблона создают в нем рисунок для проводящего слоя (например, для контактных площадок будущего резистора, 6.23, а). Через окна в фоторезистной маске проходит травление проводящего слоя, после чего фоторезист удаляют. В результате пока еще сплошной поверхности резистивного слоя получаются готовые контактные площадки (рис. 6.23, б). Снова наносят фоторезист и с помощью другого фотошаблона создают рисунок полоски резистора (рис. 6.23, в). Затем проводят травление, удаляют фоторезист и получают готовую конфигурацию резистора с контактными площадкам (рис. 6.23, г).

Конечно, важно, чтобы травитель, действующий на проводящий слой, не действовал на резистивный и наоборот. Имеется и еще ряд ограничений, которых мы не будем касаться. Заметим лишь, что с помощью фотолитографии не удается получать многослойные структуры типа конденсаторов. Однако это ограничение не очень существенно, так как в последнее время предпочитают использовать в ГИС навесные конденсаторы (ради экономии площади).

Для резистивных пленок чаще всего используют хром, нихром () и кермет из смеси хрома и моноокиси кремния (1:1). Метод напыления для этих материалов – термический (вакуумный) Омические контакты к резистивным пленкам (полоскам) осуществляются так, как показано на рис. 6.23.

Для обкладок конденсаторов используют алюминий, причем до напыления нижней обкладки (прилегающей к подложке) приходится предварительно напылять тонкий подслой из сплава , так как адгезия алюминия непосредственно с подложкой оказывается недостаточной.

Для диэлектрических слоев пленочных конденсаторов по совокупности требований (большая диэлектрическая проницаемость ξ, малый тангенс угла потерь , большая пробивная напряженность и др.) наибольшее распространение имеют моноокись кремния  и моноокись германия . Особое место среди диэлектриков занимают окислы  и , которые получают не методом напыления, а методом анодирования нижних металлических обкладок ( или ).

Для проводниковых пленок и омических контактов используют, как правило, либо золото с подслоем , либо медь с подслоем ванадия (назначение подслоев – улучшить адгезию с подложкой). Толщина проводящих пленок и контактных площадок обычно составляет 0,5–1 мкм. Размеры контактных площадок от  мкм и более.

Рис. 6.23. Получение тонкопленочных резисторов методом фотолитографии:

а – фоторезистная маска (3) под рисунок проводящего слоя (2);

б – готовый рисунок проводящего слоя (2);

в – фоторезистная маска (3) под рисунок резистивного слоя (1);

г – готовый резистор с проводящими выводами

Толщина наносимых пленок контролируется в процессе напыления. Для этого используется несколько методов. Один из них, пригодный только в случае резистивных пленок, состоит в использовании так называемого свидетеля. Свидетель представляет собой вспомогательный (не входящий в структуру ГИС) слой, напыляемый одновременно с рабочими слоями, но расположенный на периферии подложки и снабженный двумя заранее предусмотренными внешними выводами. Через эти выводы осуществляется контроль сопротивления свидетеля в процессе напыления. Геометрия свидетеля известна. Поэтому, когда его сопротивление достигает значения, соответствующего необходимой толщине, напыление прекращают (перекрывают заслонку). Толщина рабочих слоев будет такой же, как у свидетеля, так как они напылялись в одинаковых условиях.

Другой способ контроля состоит в использовании в качестве свидетеля тонкой кварцевой пластины, которая через внешние выводы присоединена к колебательному контуру генератора колебаний. Как известно, кварцевая пластина обладает свойствами колебательного контура, причем резонансная частота однозначно связана с толщиной пластины. В процессе напыления толщина пластины меняется и меняется частота генератора. Изменения частоты легко измерить и остановить процесс напыления в нужный момент.

Подложки тонкопленочных ГИС должны прежде всего обладать хорошими изолирующими свойствами. Кроме того, желательны малая диэлектрическая проницаемость, высокая теплопроводность, достаточная механическая прочность. Температурный коэффициент расширения должен быть близким к температурным коэффициентам расширения используемых пленок. Типичные параметры подложек следующие:    .

В настоящее время наибольшее распространение в качестве подложек имеют ситалл и керамика; стекло утратило свое первоначальное значение. Ситалл представляет собой кристаллическую разновидность стекла (обычной стекло аморфно), а керамика – смесь окислов в стекловидной и кристаллической фазах (главные составляющие  и ).

Толщина подложек составляет 0,5–1 мм в зависимости от площади. Площадь подложек у ГИС значительно больше площади кристаллов у полупроводниковых ИС. Стандартные размеры подложек лежат в пределах от 12*10 до 48*30 мм. Требования к гладкости поверхности примерно такие же, как и в случае кремния: допустимая шероховатость не превышает 25*50 нм (класс шероховатости 12–14).

Обычно ГИС, как и полупроводниковые ИС, изготавливаются групповым методом на ситалловых или иных пластинах большой площади. По завершении основных технологических операций, связанных с получением пленочных пассивных элементов и металлической разводки, пластина разделяется на отдельные подложки. Это обычно осуществляют методом скрайбирования, как и в случае полупроводниковых ИС. После разделения подложек каждая из них снабжается навесными компонентами и заключается в корпус.

6.11.2. Монтаж навесных компонентов

В качестве навесных компонентов используются бескорпусные диоды и транзисторы. Простейшим вариантом бескорпусного транзистора является кристалл, полученный после скрайбирования, к трем контактным площадкам которого присоединены тонкие проволочные выводы и который защищен от внешней среды каплей эпоксидной смолы, обволакивающей кристалл со всех сторон. Такой транзистор приклеивается к подложке вблизи тех пленочных элементов, с которыми он должен быть соединен (рис. 1.5), после чего проволочные выводы транзистора методом термокомпрессии присоединяются к соответствующим контактным площадкам на подложке.

Имеется два других варианта бескорпусных транзисторов, монтаж которых осуществляется иначе. Первый вариант называют транзистором с шариковыми выводами (рис. 6.24, а). Шарики диаметром  мкм связаны с контактными площадками транзистора, а через них – с тем или иным слоем кремния: эмиттерным, базовым или коллекторным. Материалом для шариков служат золото, медь или сплав . Из того же материала на диэлектрической подложке пленочной ГИС делаются контактные столбики высотой 10–15 мкм и диаметром 150–200мкм, расположенные в точном соответствии с расположением шариков на кристалле кремнии (рис. 6.24, б). Соединение шариков со столбиками осуществляется методом перевернутого монтажа (англ. термин flip-chip): кристалл транзистора переворачивается «вверх ногами», т. е. шариками вниз, и накладывается шариками на столбики подложки (рис. 6.24, в). Сочетая давление на кристалл с повышением температуры (т. е. в сущности используя термокомпрессию), обеспечивают прочное соединение шариков со столбиками. Как видим, метод перевернутого монтажа – групповой: за одну операцию получаются все три необходимых соединения. Количество соединений при таком монтаже вдвое меньше, чем при проволочном, а транзистор не требует специального места на подложке. Главная трудность состоит в совмещении шариков со столбиками, поскольку кристалл при наложении перевернут «вверх ногами» и закрывает от оператора места соединения.

Рис. 6.24. Монтаж бескорпусных транзисторов с шариковыми выводами:

а – транзистор с шариковыми выводами;

б – контактные столбики на подложке пленочной ИС;

в  соединение шариков с контактными столбиками;

1 – контактные площадки на подложке выводы от них

Рис. 6.25. Бескорпусные транзисторы с балочными выводами:

а – транзистор с балочными выводами;

б  получение балок и разделение транзисторов на пластине

Трудность совмещения контактных площадок кристалла и подложки облегчается при использовании второго варианта бескорпусных транзисторов – транзистора с балочными выводами (рис. 6.25, а). Здесь контактные площадки продлены за пределы кристалла и нависают над его краями на 100–150 мкм, откуда и название – балки. Толщина балок (10–15 мкм) значительно больше толщины металлической разводки на кристалле. Поэтому их получают не напылением, а электрохимическим суждением золота подслоем из титана. Длина балочных выводов 200–250 мкм включая выступ, а ширина такая же, как у обычных контактных площадок (50 –200 мкм).

Получение балок основано на сквозном травлении кремния через фоторезистную маску, нанесенную на нижнюю поверхность пластины (рис. 6.25, б). При сквозном травлении одновременно с получением балок достигается разделение пластины на отдельные кристаллы без механического скрайбирования. До начала травления пластина приклеивается верхней (лицевой) поверхностью к стеклу. Чтобы сократить время травления и избежать бокового растравливания пластины, ее (после приклеивания к стеклу) сошлифовывают от обычной толщины 200–300мкм до 50 мкм. По окончании травления клей растворяют и разделенные кристаллы отпадают от стекла.

Монтаж навесных компонентов с балочными выводами может осуществляться так же, как и в случае шариковых выводов – методом перевернутого монтажа. При этом выступающие балки хорошо видны и их совмещение с контактными площадками на подложке не представляет затруднений. Можно монтировать кристалл и «лицом вверх», но тогда в подложке следует предусмотреть углубление для кристалла.

Несмотря на то, что изготовление шариковых и балочных выводов сложнее и дороже, чем проволочных, они обеспечивают существенное упрощение и удешевление сборочных операций (самых дорогих в технологическом цикле), а также заметное повышение процента выхода годных ИС и их надежности.

6.12. Технология толстопленочных гибридных ИС

Пассивные элементы толстопленочных ГИС получаются локальным нанесением на подложку полужидких пастстеклоэмалей с последующим их высушиванием и вжиганием в подложку. Следовательно, в данном случае пленки приобретают свою толщину сразу, а не постепенно – слой за слоем – как при тонкопленочной технологии.

Последовательность технологических операций при нанесении толстых пленок следующая:

а) нанесение слоя пасты на подложку через маску – накладной трафарет (отсюда название – метод трафаретной печати);

б) выжигание (испарение) растворителя при температуре 300–400°C и тем самым превращение пасты из полужидкого состояния в твердое;

в) вжигание затвердевшего вещества пасты в подложку – спекание – при температуре 500-700°C (в зависимости от состава пасты).

Операция вжигания – самая ответственная в технологическом цикле; она требует высокой стабилизации температуры: с точностью ±1°С.

В основе всех паст–стеклоэмалей лежит так называемая фритта – тончайший порошок стекла, к которому, в зависимости от назначения пасты, примешивается порошок резистивного, проводящего или диэлектрического материала. Дисперсная (т. е. совершенно однородная) смесь фритты и примесного материала приобретает вязкость при добавлении специальных органических веществ и растворителей. На этапе выжигания (см. выше) растворитель испаряется, а органические вещества связывают частицы порошка в единую компактную массу.

Для проводящих паст примесью обычно служит серебро или золото, для резистивных – смесь серебра и палладия (1:1), а для диэлектрических – титанат бария с высокой диэлектрической проницаемостью. Варьируя материал и процентное содержание примесей, можно варьировать электрические параметры пленок в очень широких пределах (см. 7.11).

Масками для нанесения паст на подложку служат сетчатые трафареты (рис. 6.26, а). Они представляют собой тонкую сетку из капрона или нержавеющей стали, натянутую на дно рамки. Размер ячеек сетки – около 100 мкм, диаметр нитей – около 50 мкм. Большая часть сетки покрыта пленкой, но в пленке имеются окна. Рисунок окон получают методом фотолитографии, вытравливая отверстия в пленке. Учитывая ячеистую структуру сетки, размеры окон трудно сделать менее 10–200 мкм.

Рис. 6.23. Метод локального нанесения пасты:

а – сетчатый трафарет; б – продавливание пасты через трафарет;

1 – ракель; 2 – сетка; 3 – подложка; 4 – паста

Это предопределяет минимальные размеры элементов толстопленочных ГИС и ширину линий.

Рамка с трафаретом заполняется пастой и размещается над подложкой на расстоянии 0,5–1 мм. После этого па сетку опускается специальный нож – ракель, который, перемещаясь вдоль рамки, продавливает пасту через отверстия в сетке (рис. 6.26, б). Несмотря на простоту идеи продавливания, эта операция – прецизионная; на качество будущей пленки и повторяемость результатов оказывают влияние угол заточки ракеля, его наклон относительно подложки, скорость перемещения и другие факторы.

Вообще говоря, сетка на трафарете не обязательна: можно продавливать пасту и через сплошные отверстия. Однако качество пленок при этом хуже, так как сетка обеспечивает более однородные слои в результате слияния отдельных «капель», прошедших через ячейки сетки. Толщина получаемых пленок зависит от диаметра нитей и размеров ячеек. Обычно она составляет 20–40 мкм.

Исходным материалом для сеток был шелк и потому методику нанесения паст через сетчатые трафареты часто называли шелкографией.

К подложкам для толстопленочных ГИС предъявляются в общем те же требования, что и для тонкопленочных. Особое внимание часто уделяется повышенной теплопроводности, так как толстопленочный вариант ГИС характерен для мощных схем. Поэтому распространены высокоглиноземистые керамики (96% ) и бериллиевые керамики (99,5% ); последние в 7–10 раз превышают глиноземистые по теплопроводности, но уступают им по прочности. Важная отличительная особенность подложек для толстопленочных ГИС состоит в том, что их поверхность должна быть достаточно шероховатой, чтобы обеспечить необходимую адгезию с веществом пасты. Степень шероховатости характеризуется неровностями до 1–2 мкм.

Методы монтажа навесных компонентов те же, что и у тонкопленочных ГИС, но размеры контактных площадок делают больше:  мкм.

В целом толстоплёночная технология характерна простотой и низкой стоимостью ИС. Однако по сравнению с тонкопленочной технологией плотность компоновки оказывается меньше (из–за большей ширины линий), а разброс параметров – больше (из–за неконтролируемой толщины пленок).

ЛИТЕРАТУРА

Основная литература

1. Достанко А. П. Технология интегральных схем. – Мн.: Вышэйшая школа, 1982. – 207 с.

2. Парфенов О. Д. Технология микросхем. – М.: Высшая школа,  1986. – 320 с.

3. Аваев Н. А., Наумов Ю. Ф., Фролкин В. Т. Основы микроэлектроники. – М.: Радиосвязь, 1991.

4. Гурский Л. И., Степанец В. Я. Проектирование микросхем. – Мн.: Н-ка i тэх-ка, 1991. – 295 с.

5. Маршрутная технология производства кристаллов СБИС. Методическое пособие / Под общей ред. проф. А. П. Достанко. Часть I. – Мн.: – 1994 – 23 с.; Часть II. – Мн.: – 1994 – 28 с.; Часть III. – Мн.: – 1995. – 33 с.; Часть IV. – Мн.: – 2000. – 24 с.

6. Ормонт Б. Ф. Введение в физическую химию и кристаллохимию полупроводников. – М.: Высшая школа, 1973.

7. Физическое металловедение / Под редакцией Кана Р., вып. 2. Фазовые превращения. Металлография. – М.: Мир, 1968.

Дополнительная литература

8. Болтакс Б. И. Диффузия и точечные дефекты в  полупроводниках. – М.: Наука, 1972. – 430 с.

9. Курносов А. И. Материалы для полупроводниковых приборов и интегральных микросхем. – М.: Высшая школа, 1980. – 450 с.

10. Чистяков Ю. Д., Райкова Ю. П. Физико-химические основы технологии микроэлектроники. –М.: Металлургия, 1979. – 230 с.

11. Гурский Л. И., Румак Н. В., Куксо В. В. Зарядовые свойства МОП-структур. – Мн.: Наука и техника, 1980. – 200 с.

12. Достанко А. П., Грушецкий С. В., Киселевский Л. И., Пикуль М. И., Ширипов В. Я. Плазменная металлизация в вакууме. - Мн.: Наука и техника,  1983. – 279 с.

13. Гурский Л. И., Зеленин В. А., Жебин А. П., Вахрин Г. Л. Структура, топология и свойства тонкопленочных резисторов. - Мн.: Наука и техника, 1987. – 369 с.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

3830. Внутренний фотоэффект в полупроводниках 95 KB
  Внутренний фотоэффект в полупроводниках. Цель работы. Определение опытным путем влияния освещенности на проводимость полупроводника и установление закона рекомбинации неосновных носителей заряда. Указания по организации самостоятельной работы....
3831. Определение удельной теплоемкости жидкости с помощью элекnрокалориметра 119.5 KB
  Определение удельной теплоемкости жидкости с помощью электрокалориметра Приборы и принадлежности Два электрокалориметра, два термометра, технические весы с разновесами, исследуемая жидкость, сосуд с водой. Теория работы и описание прибора Удельной т...
3832. Определение скорости монтажного патрона с помощью баллистического крутильного маятника 81 KB
  Определение скорости монтажного патрона с помощью баллистического крутильного маятника Цель работы - изучение законов сохранения на примере баллистического маятника. Приборы и принадлежности: баллистический крутильный маятник комплект монтажных пат...
3833. Дослідне вивчення властивостей математичного маятника. 96.5 KB
  Дослідне вивчення властивостей математичного маятника. Мета роботи: Перевірити справедливість формули періоду коливань математичного маятника для різних довжин маятника і різних кутів відхилення від положення рівноваги. Прилади і матеріали: Штатив...
3834. Исследование температурной зависимости электропроводности твердых тел 132 KB
  Исследование температурной зависимости электропроводности твердых тел/ Цель работы: Установление опытным путем законов изменения электропроводности твердых тел при их нагревании и определение энергии активации полупроводника. Теоретические исслед...
3835. Определение влажности воздуха 98.5 KB
  Определение влажности воздуха Приборы и принадлежности: Психрометр, барометр, пипетка и сосуд с водой. Теория работы и описание прибора Такие явления, как быстрота испарения, высыхание различных веществ, тканей, увядание растений, состояние организм...
3836. Определение удельной теплоты парообразования 135 KB
  Определение удельной теплоты парообразования Приборы и принадлежности: Кипятильник, сухопарник, термометр, штатив, технические весы, разновес, барометр-анероид, калориметр, сосуд с водой, стакан. Рис. 12 Теория работы и описание приборов Парообразов...
3837. Физический маятник 88 KB
  Цель работы: Экспериментальное определение физических характеристик колебаний физического и математического маятников. Имеется в виду сравнить экспериментальное и расчётное значение периода колебаний физического маятника и период колебаний математич...
3838. Определение ускорения свободного падения 146.5 KB
  Определение ускорения свободного падения Цель: Изучение динамики движения тел в поле гравитационного притяжения. Задача: измерение ускорения свободного падения с помощью математического и физического маятников Оборудование: универс...