Полупроводниковые микросхемы

Подготовка кремния

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 соприкосновения с расплавом медленно поднимают с одновременным вращением (рисунок 65). При этом вслед за затравкой вытягивается нарастающий и застывающий слиток.

Рисунок 65 - Схема выращивания монокристалла методом Чохральского:

1 — тигель; 2 — расплав полупроводника; 3 — выращиваемый монокристалл; 4 — затравка: 5 — катушка высокочастотного нагрева

Кристаллографическая ориентация слитка (его поперечного сечения) определяется кристаллографической ориентацией затравки. 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.

Поверхность пластин после резки весьма неровная. 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.

По окончании шлифовки на поверхности 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 используется химическая полировка (травление), т. е, по существу растворение поверхностною слоя полупроводника в тех или иных реактивах. Выступы и трещины на поверхности стравливаются быстрее, чем основной материал, и в целом поверхность выравнивается.

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.

Диффузия

Процесс изготовления полупроводниковых интегральных микросхем состоит из следующих основных этапов: диффузии, эпитаксиального выращивания, оксидирования, фотолитографии, селективного травления и осаждения топких пленок. Некоторые из них повторяются по несколько раз.

Большинство методов образования р - n-переходов в ИС основано на использовании явления диффузии в твердом теле.

Диффузией атомов или молекул называется процесс их переноса, происходящий в результате хаотического теплового движения. При неравномерном распределении и наличии градиента концентрации вещества создается направленное диффузионное движение, стремящееся им равнять концентрацию во всем объеме. В этом случае движение частиц хотя и носит хаотический характер, но существует некоторая составляющая скорости движения, направленная в сторону уменьшения концентрации.

Если температуру полупроводникового материала повысить до 1200° С, приведя одновременно одну из его поверхностей в соприкосновение с объемом газа, имеющего однородную концентрацию N_Д донорной примеси, например фосфора. Атомы фосфора будут диффундировать из газовой фазы в кремний, образуя градиент, при котором концентрация фосфора понижается по мере удаления от поверхности, соприкасающейся с газовой фазой.

Возрастание температуры вызывает увеличение скорости диффузии: чем выше температура, тем большая энергия сообщается атомам диффузанта, что приводит к увеличению скорости их движения через кристаллическую решетку. Практически процессы диффузии в кремнии проводятся при температуре 1000 - 1300°С. При такой температуре заданный профиль образуется от нескольких минут до десятков минут.

Сильное влияние температуры на процесс диффузии обусловливается сильной температурной зависимостью коэффициента диффузии. Увеличение температуры на несколько градусов вызывает увеличение коэффициента диффузии вдвое. При этом увеличиваются как глубина р-n-перехода, так и количество продиффундировавшей примеси. Выполнить более трех последовательных диффузий в кремнии практически нельзя, так как во время каждой последующей диффузии число атомов примеси, необходимое для компенсации ранее введенных атомов примеси, увеличивается экспоненциально, а подвижность дырок и электронов обратно пропорциональна полному количеству примесей, содержащемуся в материале полупроводника. Уменьшение подвижности ухудшает все электрические параметры изготавливаемых из этого материала приборов.

Эпитаксия

Эпитаксия — это процесс, в результате которого можно расположить атомы на монокристаллической подложке так, что структура решетки полученного слоя является точной копией структуры кристалла подложки. Механизм эпитаксиального процесса заключается в том, что атомы в газообразной фазе движутся к поверхности раздела, на которой выращивается слой, и перемещаются вблизи нее, пока не приобретут устойчивое состояние и не образуют жесткую структуру.

При выращивании эпитаксиальной пленки требуемого типа проводимости атомы примеси внедряются в кристаллическую решетку при выращивании пленки. Отношение числа атомов примеси к числу атомов кремния в разовой фазе регулируется таким образом, чтобы пленка содержала требуемую концентрацию примесей. При изменении типа или концентрации примеси в газовой фазe характеристики эпитаксиальной пленки могут изменяться почти неограниченно, причем без необходимости компенсации.

При выращивании эпитаксиальной пленки одного типа проводимости на подложке другого типа проводимости получается хороший исходный материал для изготовления полупроводниковых интегральных микросхем.

Технология получения эпитаксиальной пленки состоит в следующем. После механической полировки и тщательной очистки пластины, используемые в качестве подложки, помещаются на графитовой лодочке, а лодочка помещается в реакционную камеру. Эта система герметизируется и наполняется азотом, вытесняющим воздух. Затем в реакционную камеру впускается водород со скоростью потока 30 л/мин. Пластины нагреваются до 1200° С специальным ВЧ нагревателем, Затем в реакционную камеру впускаются пары хлористого водорода. Соотношение количества водорода и хлористого водорода 100:1. Реакция ведется в течение 6 мин, затем с поверхности пластины стравливается слой 3 мкм. В этот момент подача хлористого водорода прекращается и подаются тетрахлорид кремния и фосфин. Реакция должна протекать 40 мин, в результате на подложке р - типа выращивается пленка n - типа толщиной 20 мкм.

Окисление

При изготовлении интегральных микросхем широко используется двуокись кремния. Пленка двуокиси кремния очень прочна, не имеет пор, химически инертна и может применяться для защиты поверхности микросхемы от воздействия окружающей среды. Пленка используется для маскирования поверхности кремния при проведении диффузии.

Коэффициент диффузии целого ряда примесных элементов в двуокись кремния на несколько порядков меньше коэффициента диффузии тех же элементов в кремний. Поэтому двуокись кремния обычно используется как маскирующее вещество, предохраняющее кремний от диффузии.

Окись кремния может быть наращена на кремний или нанесена химическим путем, а затем снята с тех мест, где предполагается диффузия. Для эффективного маскирования требуется слой двуокиси кремния толщиной от 0,2 до 1 мкм в зависимости от температуры и времени диффузии. Слой двуокиси кремния такой толщины получают при температуре 1000 - 1200° С в присутствии водяного пара, влажного или сухого кислорода. При использовании водяного пара процесс роста двуокиси кремния протекает наиболее быстро, а в атмосфере сухого кислорода слой двуокиси кремния получается наиболее плотным.

При образовании окисного слоя кремний берется из кремниевой пластины, а кислород — из окружающего газа. Окисная пленка образуется гораздо быстрее на сильно легированной поверхности кремния.

Фотолитография

Для выборочной диффузии необходимо выборочно либо наносить слой окиси, либо удалять его. Последнее проще, а потому используется гораздо чаще. С пластины кремния, целиком покрытой окисным слоем, фотолитографическим методом удаляется окисел с тех мест, где должна произойти диффузия. Для этого на кремниевую пластину, покрытую сплошным слоем окисла, наносится тонкая (около 0,7 мкм) пленка светочувствительного вещества (фоторезиста). Затем пластина накрывается стеклянной маской (фотошаблоном) с прозрачными и непрозрачными областями и облучается ультрафиолетовыми лучами. Под прозрачными областями маски ультрафиолетовое излучение полимеризует фоторезист. Полимеризованный фоторезист нерастворим в трихлорэтилене, в то время как неполимеризованный хорошо растворяется в нем. Поэтому после обработки поверхности пластины трихлорэтиленом слой фоторезиста остается только в местах, соответствующих прозрачным областям маски. Затем пластина помещается в сосуд с разбавленной плавиковой кислотой, которая растворяет двуокись кремния в местах, не защищенных фоторезистом. На кремний плавиковая кислота не действует. Полимеризованный фоторезист удаляется горячей серной кислотой, после чего пластина готова к диффузии. Таким образом, фотолитография используется для создания на выбранных в соответствии с рисунком маски участках пластины окон в слое окисла.

Для изготовления микросхемы необходимо иметь несколько фотошаблонов разной конфигурации. При последовательном их использовании требуется высокая точность совмещения. С помощью системы совмещения рисунок на маске совмещается с полученным ранее на пластине рисунком, при этом маска и рисунок на пластине просматриваются через микроскоп. Когда совмещение достигнуто, пластину прижимают к поверхности маски.

Полупроводниковые микросхемы занимают площадь подложки в несколько квадратных миллиметров, что позволяет на одной пластине диаметром 35—40 мм получить одновременно около 100 микросхем.

При изготовлении комплекта фотошаблонов сначала вычерчивается комплект топологических чертежей, на которых изображены увеличенные в несколько сотен раз поэтапные рисунки для одного типа микросхемы. Чем крупнее чертеж, тем точнее будет выполнен уменьшенный фотошаблон. Затем каждый чертеж фотографическим методом уменьшается и на специальной шагово - множительной установке наносится на фотопластину, которая и является фотошаблоном.

При изготовлении нескольких микросхем на одной пластине кремния потребуется несколько таких шаблонов на одной пластине. Размножают эти маски, аккуратно двигая их от позиции к позиции и фотографируя в каждой на фотопластину больших размеров. Каждый элемент маски перемещается сначала по оси X, а затем по оси Y, образуя таким образом матрицу шаблонов на пластине. Наконец, производится фотографическое уменьшение этой пластины и процесс изготовления маски заканчивается.

Осаждение тонких пленок

Одним из основных этапов изготовления интегральных микросхем является создание тонких пленок. В полупроводниковых микросхемах пленки осаждаются на окисное покрытие кремниевой пластины для обеспечения межсоединений отдельных компонентов, узлов и устройств, а также для создания контактных площадок, которым присоединяются выводы микросхем.

Существует несколько методов формирования тонких пенок. В таблице приведены методы формирования тонких пленок, используемых в качестве тонкопленочных элементов гибридных микросхем.

Таблица