Logo GenDocs.ru

Поиск по сайту:  


Загрузка...

Шпоры по ТТЭ - файл ГЛАВА 8.doc


Загрузка...
Шпоры по ТТЭ
скачать (3670.4 kb.)

Доступные файлы (14):

ГЛАВА 10.doc3655kb.15.01.2005 00:00скачать
ГЛАВА 12.doc4472kb.15.01.2005 00:09скачать
ГЛАВА 14.doc1723kb.15.01.2005 00:31скачать
ГЛАВА 16.doc489kb.15.01.2005 00:52скачать
ГЛАВА 18.doc2195kb.15.01.2005 01:20скачать
ГЛАВА 1.doc41kb.13.01.2005 18:16скачать
ГЛАВА 20.doc492kb.15.01.2005 01:44скачать
ГЛАВА 2.doc718kb.13.01.2005 19:41скачать
ГЛАВА 3.doc7420kb.13.01.2005 22:41скачать
ГЛАВА 4.doc233kb.13.01.2005 23:04скачать
ГЛАВА 5 .doc6394kb.14.01.2005 14:44скачать
ГЛАВА 6.doc476kb.14.01.2005 14:59скачать
ГЛАВА 7.doc804kb.14.01.2005 23:05скачать
ГЛАВА 8.doc1338kb.14.01.2005 23:12скачать

ГЛАВА 8.doc

Реклама MarketGid:
Загрузка...

ГЛАВА 8

КОНСТРУКТИВНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ИНТЕГРАЛЬНЫХ СХЕМ

8.1. Классификация изделий микроэлектроники. Термины и определения


Микроэлектроника – современное направление электроники, включающее исследование, конструирование и производство инте­гральных схем (ИС) и радиоэлектронной аппаратуры на их основе. Основной задачей микроэлектроники является создание микроми­ниатюрной аппаратуры с высокой надежностью и воспроизводимостью, низкой стоимостью, низким энергопотреблением и высокой функциональной сложностью.

^ Интегральная схема (микросхема) – микроэлектронное изде­лие, выполняющее определенную функцию преобразования, об­работки сигнала, накапливания информации и имеющее высокую плотность электрически соединенных элементов (или элементов и компонентов), которые с точки зрения требований к испытани­ям, приемке, поставке и эксплуатации рассматриваются как еди­ное целое.

Элемент – часть интегральной схемы, реализующая функцию какого-либо электрорадиоэлемента, которая не может быть выделе­на как самостоятельное изделие. Под радиоэлементом понимают транзистор, диод, резистор, конденсатор и т.п. Элементы могут вы­полнять и более сложные функции, например логические (логичес­кие элементы) или запоминание информации (элементы памяти).

Компонент – часть интегральной схемы, реализующая функцию какого-либо электрорадиоэлемента, которая может быть выделена как самостоятельное изделие. Компоненты устанавливаются на подложке микросхемы при выполнении сборочно-монтажных опера­ций. К простым компонентам относятся бескорпусные диоды и транзисторы, специальные типы конденсаторов, малогабаритные катуш­ки индуктивности и др. Сложные компоненты содержат несколько элементов, например диодные или транзисторные сборки.

Критерием сложности ИС, т.е. числа ^ N содержащихся в ней эле­ментов и простых компонентов, является степень интеграции, оп­ределяемая коэффициентом k=lgN, значение которого округляется до ближайшего большего целого числа. Так, ИС первой степени интеграции (k = 1) содержит до 10 элементов и простых компонентов, второй степени интеграции (k = 2) – свыше 10 до 100, третьей степе­ни интеграции (k = 3) – свыше 1000 до 10000 и т.д. Интегральную схему, содержащую 500 и более элементов, изготовленных по бипо­лярной технологии, или 1000 и более, изготовленных по МДП-технологии, называют большой интегральной схемой (БИС). Если число N превышает 10000, то ИС называют сверхбольшой (СБИС). На смену СБИС приходят так называемые ультрабольшие интегральные схемы (УБИС), содержащие на одном кристалле от нескольких сотен тысяч до нескольких миллионов элементов.

Важным показателем качества технологии и конструкции ИС является плотность упаковки элементов на кристалле – число элементов, приходящихся на единицу его площади. Кроме умень­шения размеров элементов для повышения плотности элементов на кристалле используется совмещение нескольких (обычно двух) функций некоторыми областями полупроводникового кристалла, а также трехмерные структуры, разделенные диэлектрическими про­слойками.

Уровень технологии характеризуется минимальным технологи­ческим размером , т.е. наименьшими достижимыми размерами ле­гированной области в полупроводниковом слое или пленочном слое на поверхности, например минимальной шириной эмиттера, шири­ной проводников, расстояниями между ними. Для полупроводнико­вых ИС уменьшение по мере совершенствования технологии приво­дит к улучшению их электрических параметров, например повыше­нию быстродействия из-за снижения паразитных емкостей р-n-переходов, увеличению крутизны полевых транзисторов.

По функциональному назначению ИС подразделяются на ана­логовые и цифровые. В аналоговых ИС сигнал изменяется как не­прерывная функция. Самая распространенная аналоговая ИС – так называемый операционный усилитель (см. § 10.6), а также ИС диапазона сверхвысоких частот. Цифровые ИС предназначены для преобразования и обработки сигналов, представленных в дис­кретном виде.

Конструктивно-технологическая классификация ИС отражает способ изготовления и получаемую при этом структуру. По этому критерию различают полупроводниковые и гибридные ИС. В полу­проводниковых ИС все элементы и межэлементные соединения изготовлены в объеме и на поверхности полупроводника. В гибридных ИС на диэлектрической подложке изготовляются пленочные пассив­ные элементы (резисторы, конденсаторы) и устанавливаются наве­сные активные и пассивные компоненты. Подробнее оба типа ИС будут рассмотрены в § 8.3. Промежуточным типом ИС являются совмещенные интегральные схемы, в которых транзисторы изготовля­ются в активном слое кремния, а пленочные резисторы и диоды – как и проводники на изолирующем слое двуокиси кремния.

По типу применяемых активных элементов (транзисторов) инте­гральные схемы делятся на ИС на биполярных транзисторах (бипо­лярных структурах) и ИС на МДП-транзисторах (МДП-структурах).
^

8.2. Типовые технологические процессы и операции создания полупроводниковых ИС


8.2.1. Подготовительные операции

Создание полупроводниковых ИС [14,15] начинается с получения монокристаллических слитков кремния или германия. Мы будем далее говорить о кремнии, являю­щемся основой интегральных схем. Известно несколько методов получения монокристаллических слитков. Кратко остановимся на методе Чохральского и методе зонной плавки.

^ Метод Чохральского. В расплавленное нагревателем 1 вещество 3, которое на­ходится в тигле 2 и имеет температуру, близкую к температуре плавления, опускают монокристаллическую затравку 4 того же состава, что и расплав (рис. 8.1). Далее при­водится в действие механизм подъема и вращения затравки; при этом затравка сма­чивается расплавом и увлекает его вверх, вследствие чего расплав на затравке нара­стает в виде кристаллической фазы. Метод обеспечивает получение полупроводни­кового материала в форме совершенных монокристаллов с определенной кристал­лической ориентацией и минимальным числом дефектов. Нагреватель может быть резистивным, высокочастотным, электронно-лучевым.

Метод зонной плавки (метод перекристаллизации). На рис. 8.2 показана схема безтигельной вертикальной зонной плавки. Обозначения такие же, как на рис. 8.1.

Перед началом кристаллизации расплавляется не вся твердая фаза кристалла 4, а только узкая зона 3, которую перемещают вдоль кристалла смещением нагрева­теля. Большинство примесей обладают хорошей растворимостью в жидкой фазе по сравнению с твердой, поэтому по мере продвижения зона плавления все больше насыщается примесями, которые концентрируются на конце слитка. Обычно про­цесс зонной плавки повторяют несколько раз, по окончании очистки загрязненный конец слитка отрезают.

Достоинством метода является совмещение процесса глубокой очистки полупроводника с последующим выращивани­ем его монокристалла. Обычно изготовля­ют монокристаллы с равномерным распре­делением легирующей примеси (донорной или акцепторной). Легирование кремния или германия элементами осуществляется введением в расплав соответствующей примеси. Таким образом, слитки могут иметь электронную электропроводность (n-тип) или дырочную (р-тип). Максималь­ная длина может достигать 100…150 см, а диаметр слитка до 150 мм и более.

Слитки кремния разрезают на множество тонких пластин (толщиной 0,4...0,5 мм) с помощью вращающихся стальных дисков с внутренней и внешней режущими кром­ками, армированными искусственными или природными алмазами. Применяется так же резка с помощью тонкой проволоки (0,08...0,1 мм), совершающей возвратно-поступательное движение. Резку проводят вольфрамовой проволокой, покрытой тон­ким слоем алмазной крошки.

После резки слитков на пластины для получения параллельности сторон пла­стин, точного соответствия заданным размерам и уменьшения глубины нарушенного слоя проводят шлифование пластин. Для шлифования применяются абразивные ма­териалы, алмазные порошки, полировочные пасты.

Важным в полупроводниковой технологии является также очистка поверхности от загрязнений органическими веществами, особенно жирами. Для этого используют органические растворители (толуол, ацетон, этиловый спирт и др.) при повышенной температуре. Травление, очистка и многие другие процессы сопровождаются отмыв­кой пластины в деионизованной воде.

8.2.2. Эпитаксия

Это процесс наращивания монокристаллических слоев на полупроводниковую подложку, при котором кристаллическая структура наращиваемого слоя повторяет кристаллографическую ориентацию подложки. Эпитаксия обычно используется для получения тонких рабочих слоев однородного полупроводника на сравнительно толстых подложках, играющих роль несущей конструкции. Эпитаксия позволяет вы­ращивать монокристаллические слои любого типа электропроводности и любого удельного сопротивления на подложке, обладающей также любым типом электро­проводности и удельным сопротивлением. Граница между эпитаксиальным слоем и подложкой не получается идеально резкой, поэтому затруднено создание сверхтон­ких (менее 1 мкм) слоев и многослойных эпитаксиальных структур. Однако она поз­волила получить достаточно тонкие слои (1...10 мкм), которые невозможно полу­чить другими средствами.

Возможна как газовая, так и жидкостная эпитаксия, при которых наращивание монокристаллического слоя осуществляется из газовой или жидкой фазы, содер­жащей необходимые компоненты-соединения кремния, бора (акцептор) или фос­фора (донор).

^ 8.2.3. Термическое окисление

Получаемая в этом процессе пленка двуокиси кремния (SiО2) выполняет не­сколько важных функций: функцию защиты поверхности; функцию маски, через окна которой вводятся необходимые примеси; функцию тонкого диэлектрика под затвором МДП-транзистора. Это стало одной из причин того, что кремний является основным материалом для изготовления полупроводниковых интегральных схем.

Следует заметить, что поверхность кремния всегда покрыта собственной окисной пленкой даже при самых низких температурах, но эта пленка имеет слишком ма­лую толщину (около 5 нм). Поэтому ее нельзя использовать для выполнения перечис­ленных функций. Пленки SiО2 приходится получать искусственным путем.

Искусственное окисление кремния обычно осуществляется при высокой температуре (1000...1200°С) и называется термическим окислением. Оно может быть проведено в атмосфере кислорода (сухое окисление) и в смеси кислорода с парами воды (влажное окисление) или просто в парах воды. Сухое окисление идет в десятки раз медленнее влажного. Например, для выращивания пленки SiО2 толщиной 0,5 мкм в сухом кислороде при 1000°С требуется около 5 ч, а во влажном – 20 мин. С уменьшением температуры на каждые 100°С время окисления растет в 2...3 раза.

8.2.4. Легирование

Легирование – операция введения необходимых примесей в монокристалличес­кий полупроводник. Основным способом легирования является диффузия примес­ных атомов при высокой температуре. Широкое распространение получил и другой способ – ионное легирование (имплантация).

^ Диффузионное легиро­вание может быть общим (по всей поверхности, рис. 8.3,а) и локальным (на опре­деленных участках через ок­на в масках, рис. 8.3, б).

Диффузию можно про­водить однократно и много­кратно (двойная и трехкрат­ная диффузия). Существует предельная растворимость примеси, которая зависит от температуры. При некоторой температуре концентрация примеси достигает максимального значения, а затем умень­шается. Это значение в кремнии для мышьяка составляет 20·1020 см-3 (1150°С), фос­фора 13·1020 см -3 (1150°С), бора 5·1020 см-3 (1200°С) и сурьмы 0,6·1020 см-3 (1300°С). Источниками примеси могут быть химические соединения их в виде жидкости, твердого тела или газа.

Время проведения диффузии пропорционально квадрату необходимой глубины диффузии, поэтому получение глубоких диффузионных слоев требует большого вре­мени: в интегральных схемах глубина рабочих диффузионных слоев обычно 1...4 мкм. Так как зависимость коэффициентов диффузии от температуры сильная (экспоненци­альная), то предусматривается очень точная регулировка температуры. Допустимая нестабильность температуры составляет сотые доли процента.

^ Ионное легирование осуществляется путем бомбардировки пластины ионами примеси, ускоренными в специальных установках (ускорителях частиц) до значи­тельной энергии. На схеме установки ионного легирования (рис. 8.4) ионы примеси из источника ионов 1 входят в анализатор по массе 2. Необходимость разделения ионов по массе вызвана тем, что вытягиваемый из источника поток ионов неодно­роден по составу; в нем присутствуют ионы различных элементов и соединений и многозарядные ионы. Для разделения ионов по отношению массы к заряду приме­няют различные сепараторы, которые основаны на взаимодействии движущегося иона с магнитными и электрическими полями или с комбинацией этих полей. В большинстве установок сепараторами являются секторные магнитные системы, в которых происходит поворот пучка ионов на угол менее 180° (например, 45°, 60° или 90°).

Ионы с определенным отношением массы к заряду входят в электростатический ускоритель ионов 3, к электродам которого от отдельного высоковольтного исто­чника 9 подводится напряжение, в отдельных установках до 200 кВ и выше. Уско­ренные ионы через щель 4 поступают в фокусирующую систему 5, а затем в скани­рующую систему 6, которая обеспечивает перемещение сфокусированного пучка ионов по полупроводниковой пластине 8, расположенной в приемной камере 7. В ус­тановке обеспечивается необходимый высокий вакуум. Получаемый ток пучка ио­нов в различных установках составляет от десятков микроампер до нескольких мил­лиампер. Сканирование пучка в одном поперечном направлении механическое, а в другом электростатическое, площадь сечения пучка 1 ...2 мм2. Число одновременно закладываемых в камеру пластин с диаметром 75... 150 мм в разных установках со­ставляет 96...24. Следует заметить, что глубина проникновения ионов, зависящая от их энергии, составляет 0,1 ...0,5 мкм, т.е. очень мала и недостижима при диффу­зионном легировании. Это позволяет получать резкие профили (большие градиен­ты) распределения примеси.

Ионное легирование характеризуется универсальностью и гибкостью, позволя­ет с высокой точностью управлять количеством легирующей примеси (путем регу­лировки тока пучка ионов) и глубиной внедрения – изменением энергии (напряже­ния источника). Процесс ионного легирования может осуществляться при низких температурах, вплоть до комнатных, благодаря чему сохраняются исходные элект­ростатические свойства кристаллов. Это большое преимущество метода перед диффузионным легированием. Низкая температура позволяет проводить ионное легирование на любом этапе технологического цикла. Однако недостатком метода (кроме необходимости сканирования пучка) является возникновение обилия радиа­ционных дефектов в облученном полупроводнике, вплоть до образования аморф­ного слоя. Такие дефекты полностью удается устранить путем кратковременного отжига (в кремнии при 900...1100°С).
8.2.5. Травление

Мы уже упоминали о травлении как об одной из подготовительных операций, связанной с полировкой и очисткой поверхности полупроводника. Однако травление имеет более широкое применение.

Остановимся сначала на химическом травлении. Оно подразделяется на изо­тропное, анизотропное и селективное. ^ Изотропное травление – это растворение полупроводникового материала с одинаковой скоростью по всем кристаллографи­ческим направлениям. Такое травление позволяет равномерно стравливать тонкие слои и получать ровную поверхность. Такое травление называют также полирую­щим или химическим полированием. Анизотропное травление – растворение по­лупроводникового материала с неодинаковой скоростью по различным кристалло­графическим направлениям позволяет вытравливать глубокие канавки и щели. Се­лективное (избирательное) травление – растворение полупроводникового мате­риала с повышенной скоростью травления в местах выхода на поверхность струк­турных дефектов.

Анизотропным травлением получают углубление различных конфигураций на поверхности полупроводниковых пластин, разделительные канавки для диэлектри­ческой изоляции и др. Обычно это травление является локальным, т.е. выполняется через окна и дорожки в маскирующих пленках SiO2 или нитрида кремния Si3N4, поэто­му его скорость, форма углубления и боковое расширение («подтравливание») зави­сят от кристаллографического направления их сторон. Например, можно получить V-образный профиль углублений. Селективное травление применяют для выявления на поверхности пластин дислокаций, дефектов, микроцарапин. Для повышения избирательности действия в состав травителя вводят поверхностно-активные вещества, которые увеличивают разность между скоростью травления дефектного и безде­фектного участков.

Перед травлением пластины обязательно обезжиривают, а после выполнения операции химической очистки или травления пластины промывают деионизованной водой. Применяется жидкостное и сухое травление. Сухое травление осуществля­ется путем ионно-плазменной и ионно-лучевой обработки. Сухое травление поверх­ности пластин, используемое в технологическом процессе изготовления ИС после фотолитографии (см. § 8.2.6) для создания рельефа (канавок, углублений и др.), от­носится к классу анизотропного травления, но является более эффективным, чем жидкостное травление.

8.2.6. Литография

Литографией называют процесс получения требуемой конфигурации в диэлектрических и металлических пленках, нанесенных на поверхность полупроводниковых или диэлектрических подложек. Литография основана на использовании особых со­единений – резистов, обладающих свойством изменять свои свойства под действием различных излучений: ультрафиолетового (фотолитография), рентгеновского (рентгенолучевая литография), потока электронов (электронная литография).

Наиболее широкое применение в производстве интегральных схем получила фотолитография. Чувствительные к свету соединения (фоторезисты) наносятся на поверхность подложки и подвергаются воздействию света через специальные стеклянные маски с прозрачными и непрозрачными участками (фотошаблоны). Это обеспечивает воздействие излучения на фоторезист на определенных участках. При последующем воздействии соответствующих химикатов происходит удаление с подложки отдельных участков пленки фоторезиста, освещенных или неосвещен­ных в зависимости от типа использованного фоторезиста (проявление). Таким обра­зом, из пленки фоторезиста создается защитная маска с рисунком, повторяющим рисунок фотошаблона.

В зависимости от типа фоторезиста его растворимость после облучения может либо возрастать (позитивные фоторезисты), либо падать (негативные фоторезисты). Пленка позитивного фоторезиста под действием излучения становится неустойчивой и растворяется при проявлении (рис. 8.5,а), а пленка негативного фоторезиста, на­оборот, под действием излучения становится нерастворимой, а растворяются при проявлении неосвещенные участки (рис. 8.5,б). На этом рисунке ФШ – фотошаблон, ФР – фото­резист, ЗП – защитная пленка фоторезиста на полупроводни­ковой подложке (двуокись крем­ния, боросиликатное стекло, фосфоросиликатное стекло, алю­миний и др.). Слои фоторезиста имеют толщину от 2,5 до 20 мкм.

В настоящее время практи­ческое применение нашли контактноe и проекционное экспо­нирование. При контактном экс­понировании размер изображения после проявления совпадает с размером окон на фотошаблоне с точностью до дифракционного рассеяния на краях. При серийном производстве контактная фотолитография обеспечивает в слое фоторезиста мини­мальный размер 0,8 мкм. Проекционное экспонирование позволяет уменьшить этот размер до 0,4 мкм. При этом способе размеры рисунка на фотошаблоне могут превышать заданные, так как проецирование на фоторезист осуществляется с по­мощью оптической системы в масштабе 10:1, 4:1 и др.

Фотошаблоны представляют собой прозрачные пластинки с рисунком, состоящим из сочетания непрозрачных и прозрачных для света определенной длины волны участ­ков, создающих топологию одного из слоев структуры прибора или элемента инте­гральной схемы, многократно повторенной в пределах поля пластинки для одновре­менного изготовления большого числа ИС. Обычно используют металлостеклянные фотошаблоны, в которых рисунок создается тонкой металлической пленкой, нанесен­ной на стеклянную подложку. Для изготовления фотошаблонов применяют в основном два метода. Первый состоит в механическом вырезании первичного оригинала -уве­личенного в 200... 500 раз рисунка, фотографическом уменьшении рисунка и его муль­типликации. Второй – метод генерации изображений или метод фотонабора – основан на разделении топологической структуры фотошаблона на элементарные прямоуголь­ники различной величины и последовательной фотопечати этих прямоугольных эле­ментов на фотопластинку, на которой образуется промежуточный фотошаблон с 10-кратным увеличением рисунка по сравнению с его окончательным размером. Рабо­та на фотонаборных установках осуществляется с помощью ЭВМ. Технические харак­теристики микрофотонаборных установок следующие: размер пластин 70×70 мм, дис­кретность перемещения 2,5 мкм, точность позиционирования ±1,5 мкм, производитель­ность 900 экспозиций в час.

Мы уже отмечали, что при контактной фотолитографии в серийном производст­ве минимальный размер элемента 0,8 мкм, а при проекционной – 0,4 мкм. Поскольку минимальный размер элемента интегральной схемы определяет плотность упаков­ки, надежность, стоимость и такие важные параметры, как быстродействие и по­требляемая мощность, то получение субмикронных размеров элементов является одной из основных задач БИС, СБИС и УБИС. Для борьбы с дифракционным рассе­янием, препятствующим уменьшению размера элементов, перспективным являет­ся использование коротковолнового УФ-излучения, рентгеновского излучения, а также электронных пучков.

При рентгеновской литографии поток мягких рентгеновских лучей с длиной вол­ны 0,4...1,4 нм направляется на шаблон, под которым располагается подложка, по­крытая резистом, чувствительным к рентгеновскому излучению. Время экспонирова­ния составляет несколько минут. Для изготовления шаблона можно использовать кремний с толщиной несколько микрометров, прозрачный для рентгеновского излуче­ния. Для получения маски используется пленка золота (0,3 мкм), наносимая на тонкий слой кремния. В качестве источников рентгеновского излучения могут быть использо­ваны рентгеновские трубки с ускоряющим напряжением около 8 кВ. Минимальный размер элемента, получаемый при рентгеновской литографии, 0,1 мкм.

В электронной литографии используются электронные пучки. Длина волны при энергии электронов 15 кэВ около 10-15 мкм, т.е. примерно на четыре порядка меньше, чем у светового излучения, и на два порядка меньше, чем у рентгеновского излучения. Однако вследствие рассеяния электронов и образования вторичных электронов с дос­таточно высокими энергиями размер области резиста, которая экспонируется электро­нами, превышает размеры сечения электронного пучка и позволяет по оценкам полу­чить разрешающую способность лишь 0,2 мкм. Общий недостаток всех систем элект­ронной литографии состоит в необходимости помещения подложки в вакуум, что усло­жняет технологию процесса литографии. От этого недостатка свободна рентгено-лучевая литография; при этом используется более простое и дешевое оборудование.
^ 8.2.7. Нанесение тонких пленок

Тонкие пленки используются в полупроводниковых и гибридных интегральных схемах для создания проводниковых соединений, резисторов, конденсаторов и изоля­ции между элементами и проводниками. Применяется ряд методов нанесения пленок.

^ Термическое вакуумное напыление. В результате нагревания в вакууме происходят испарение вещества и осаждение его на подложке. Нагрев может быть прямым или косвенным. Недостатками этого метода являются невысокая воспро­изводимость параметров пленки из-за трудности обеспечения контроля темпера­туры и кратковременности процесса. Метод применяется в основном для напыле­ния чистых металлов.

^ Распыление ионной бомбардировкой. В вакууме создают газовый разряд. Возникающие в разряде положительные ионы бомбардируют распыляемый мате­риал, выбивая из него атомы или молекулы, которые затем осаждаются на под­ложке. Этот метод (в отличие от термического напыления) позволяет получать пленки тугоплавких металлов, наносить диэлектрические пленки, соединения, сплавы, точно выдерживая их состав, равномерность и толщину. Существует не­сколько разновидностей метода: катодное распыление, ионно-плазменное напы­ление, высокочастотное распыление.

^ Химическое осаждение из газовой фазы. Этот метод широко используется для получения пленок поликристаллического кремния и диэлектриков (SiО2, Si3N4). Осаждение происходит в результате химической реакции в газовой фазе при повы­шенной температуре. Для осаждения пленок поликристаллического кремния на пла­стины, покрытые слоем SiО2, используется реакция разложения силана SiH4 → Si + H2 при t° = 600°С. Пленка SiO2, используемая в качестве защитных покрытий пластин или изоляции между слоями соединений, осаждается окислением силана SiH4 + O2 SiО2 + H2 при t° = 200...300°С. Нитрид кремния получают в реакции силана с аммиа­ком SiN4 + NH3 Si3N4 + H2 при t° = 800°С.

Достоинством химического осаждения из газовой фазы являются простота, хоро­шая технологическая совместимость с другими процессами создания полупроводнико­вых ИС (эпитаксия, диффузия) и сравнительно невысокая температура. Скорость оса­ждения пленки составляет в среднем несколько сотых долей микрометра в минуту.

^ Химическое осаждение из водных растворов. При прохождении электричес­кого тока на катоде осаждается металлическая пленка, толщина которой зависит от значения тока и времени осаждения. Можно получать не только тонкие, но и толстые пленки (20 мкм и более).

^ 8.2.8. Пленочные проводниковые соединения и контакты

Элементы в интегральных схемах соединяют тонкопленочными проводниками. Предварительно в слое SiО2, покрывающем поверхность пластины, вытравливают контактные отверстия. Проводящую пленку наносят на всю поверхность, а затем ее травят через маску, чтобы получить требуемый рисунок соединений. Материал пленки должен обеспечивать омический контакт с кремнием, иметь низкое удельное сопротивление и выдерживать высокую плотность тока. Он должен быть механически точным, не повреждаться при изменениях температуры из-за разных коэффициен­та расширения пленки, пластины и слоя SiО2, а также не подвергаться коррозии и не обраэовывать химических соединений с кремнием. Наиболее полно этим требованиям отвечает алюминий, имеющий удельное сопротивление 2,6·10-6 Ом·см, наноси­ли термическим вакуумным напылением.

После создания рисунка соединений производится вжигание алюминиевых контактов при температуре 550°С в течение 5...10 мин. Алюминий является акцептором, поэтому контакт с областью р-типа всегда омический. Для получения омического контакта с областью n-типа концентрация доноров в ней должна быть выше, чем алюминия. Если концентрация доноров ниже, то произойдет перекомпенсация поверхностного слоя акцепторами (Аl), т.е. изменение электропровод­ности с n-типа на р-тип, приводящее к образованию р-n-перехода. Для формиро­вания омического контакта к n-области с низкой концентрацией доноров необхо­димо предварительно создать сильно легированную контактную n+-область с концентрацией доноров порядка 1020 см-3. В этом случае перекомпенсация акце­пторами невозможна.

В БИС и СБИС недостаточно одного слоя проводниковых соединений, так как не удается осуществить разводку проводников без пересечений. Поэтому создают два или три слоя проводников, разделенных слоями диэлектрика, получаемых ме­тодом осаждения из газовой фазы. В слое SiO2 делают отверстия для контактов ме­жду проводниками соседних слоев.

Для присоединения внешних выводов к ИС изготовляют контактные площадки (металлизированные участки на кристалле). Как правило, их располагают по перифе­рии полупроводникового кристалла. Они представляют собой расширенные области пленочных проводников и формируются одновременно с разводкой.

^ 8.2.9. Разделение пластин на кристаллы и сборочные операции

Разделение пластин на кристаллы осуществляется в две стадии. Сначала на поверхности пластин между изготовленными ИС в двух взаимно перпендикуляр­ных направлениях наносят неглубокие риски (скрайбирование), а затем по этим рискам разламывают пластину на прямоугольные или квадратные части («кристаллы»). Скрайбирование производится алмазными резцами. Обычно ши­рина риски 10...20 мкм, глубина 5...10 мкм, скорость движения резца 50...75 мм/с. Применяется также лазерное скрайбирование, при котором разделительные ри­ски создаются испарением узкой полосы полупроводникового материала с по­верхности пластины во время ее перемещения относительно сфокусированного лазерного луча. Достоинства этого метода: создание глубокой разделительной канавки, высокая производительность (100...200 мм/с), отсутствие на полупро­водниковой пластине микротрещин и сколов. Используются импульсные лазеры счастотой следования импульсов 5...50 кГц и длительностью импульсов пример­но 0,5 мкс.

Разламывание пластин на кристаллы после скрайбирования осуществляется ме­ханически, созданием изгибающего момента. Наиболее простым способом является разламывание пластин валиком (рис. 8.6); при этом пластину кладут рисками вниз на мягкую гибкую опору из резины. Разламывание сначала производится на полоски, а затем на от­дельные кристаллы. Применяется также разламы­вание на сферической опоре. В этом случае пла­стины сразу разламываются на отдельные кри­сталлы. Достоинства этого способа: простота, вы­сокая производительность (процесс занимает не более 1... 1,5 мин) и одностадийность, а также дос­таточно высокое качество из-за отсутствия смеще­ния кристаллов относительно друг друга.

Сборка кристалла в корпусе начинается с крепления его к дну корпуса путем при­клеивания или припаивания легкоплавким припоем. Затем контактные площадки на кристалле соединяются со штырьками – внешними выводами корпуса. Соединение осуществляется с помощью тонких (20...30 мкм) алюминиевых или золотых проволочек. Наиболее распространенным является соединение проволочек с контактной площадкой термокомпрессией – прижатием деталей друг к другу при большом давле­нии и повышенной температуре (200...300°С), способствующей взаимной диффузии атомов. По окончании монтажа кристалла производится корпусирование, т.е. оконча­тельное внешнее оформление. Корпусирование обеспечивает также защиту кристал­ла от влияния внешней среды, поэтому его проводят либо в вакууме, либо в среде инертного газа (азот, аргон). Имеются и бескорпусные варианты. Начальным этапом герметизации как бескорпусных, так и корпусных изделий является пассивация по­верхности кристалла с помощью пленок, например SiO2, Si3N4. При бескорпусном ва­рианте затем наносят более толстые слои герметиков: эмалей, лаков, компаундов. Как правило, бескорпусные ИС имеют прямоугольную или квадратную форму, что бо­лее удобно для оптимального их размещения на подложке или на плате. Число выво­дов у простых ИС составляет 8...14, а y больших до 64 и более. Корпуса могут быть металлическими и пластмассовыми с выводами, лежащими в плоскости корпуса или перпендикулярно ей.
^

8.3. Способы электрической изоляции элементов полупроводниковых ИС


8.3.1. Общие сведения

В полупроводниковых ИС используются как биполярные, так и МДП-структуры. Различие в структурах, а также способах элек­трической изоляции элементов приводит к различию функцио­нальных возможностей и электрических характеристик.

Технологии изготовления биполярных и МДП-транзисторов близки, хотя есть и некоторые особенности: необходимость спе­циальных процессов для изоляции элементов в биполярных схе­мах и процессов получения тонких пленок подзатворного диэлек­трика в МДП-схемах.

Технологический процесс производства полупроводниковых ИС многооперационный и длительный. Общее число технологи­ческих операций превышает 500, а длительность технологичес­кого цикла-до 50 дней. Характеристика основных технологичес­ких процессов уже была дана. Здесь мы остановимся лишь на способах создания электрической изоляции.

При создании полупроводниковых ИС малой и средней степени интеграции широко используются способы изоляции обратновключенным р-n-переходом и диэлектрическими пленками Двуокиси кремния. Для БИС разработана технология изоляции с одновременным использованием р-n-перехода и диэлектричес­ких пленок.
^ 8.3.2. Изоляция p-n-переходом

На рис. 8.7 показана структура интегрального n-р-n-транзистора изолированного p-n-переходом. В этом транзисторе подложкой является кремний р-типа; на ней созданы эпитаксиальный n-слой и так на­зываемый скрытый n+-cлoй. Подробнее о транзисторе будет расска­зано в § 9.1. Изолирующий р-n-переход создается путем диффузии ак­цепторной примеси на глубину, обеспечивающую соединение образу­ющихся при этой диффузии р-областей с р-подложкой. В этом случае эпитаксиальный n-слой разделяется на отдельные n-области (изоли­рующие «карманы»), в которых и создаются потом транзисторы. Эти области будут электрически изолированы только в том случае, если образовавшиеся р-n-переходы имеют обратное включение. Это дости­гается, если потенциал под­ложки n-р-n-транзистора бу­дет наименьшим из потенци­алов точек структуры. В этом случае обратный ток через р-n-переход незначителен и практически исключается связь между n-областями (карманами) соседних тран­зисторов.

^ 8.3.3. Изоляция коллекторной диффузией

При этом способе (рис. 8.8) исходным является создание на под­ложке p-Si равномерного эпитаксиального р-слоя, а в определенных местах под ним – скрытого n+ слоя. Затем производят диффузию до­норов через маску и создают боковые n+-области, касающиеся скры­того n+ слоя. В отличие от рис. 8.7 образуется карман р-типа для со­здания р-базы и n-эмиттера. Совокупность скрытого n+ слоя и боко­вых n+ областей будет выполнять в транзисторе функцию коллек­торной области с выводом К на поверхности. Переход между n+-об­ластями и подложкой и обеспечивает изоляцию от другого элемента ИС, если подложка имеет наименьший потенциал.
^ 8.3.4. Изоляция диэлектрическими пленками

На рис. 8.9 показана пос­ледовательность операций изоляции элементов тонкими диэлектрическими пленками. На исходной пластине n-кремния выращивается эпитаксиаль­ный n+-cлой (рис. 8.9,а). На по­верхности пластины анизотроп­ным травлением на глубину 20...30 мкм создаются канавки треугольной (V-образной) фор­мы (рис. 8.9,б). Рельефная по­верхность термически окисляет­ся, так что получается изолиру­ющая пленка SiO2 толщиной около 1 мкм. Затем на поверх­ность SiO2 наносится слой высокоомного поликристалличес­кого кремния толщиной 200... 250 мкм (рис. 8.9,в). Исходный монокристалл n-кремния со-шлифовывается снизу до тех пор, пока не вскроются верши­ны вытравленных канавок (рис. 8.9,г), в результате чего обра­зуются изолированные друг от друга слоем SiO2 монокристал­лические области (карманы). Потом в этих карманах будут создаваться элементы инте­гральной схемы.

Диэлектрическая изоляция позволяет на несколько порядков снизить токи утечки и на порядок удельную емкость по сравнению с p-n-переходом. Существенным недостатком диэлектрической изо­ляции является необходимость точной шлифовки. Диэлектрические канавки могут быть и прямоугольной формы.

^ 8.3.5. Совместная изоляция p-n-переходом и диэлектрическими пленками
При этом варианте (рис. 8.10) изоляция р-n-переходом осуществляет­ся внизу структуры и сло­ем SiO2 на поверхностях прямоугольных или V-образных канавок.

^ 8.3.6. Интегральные схемы на непроводящих подложках

Паразитные емкости между отдельными элементами и емкости между элементами и подложкой снижают быстродействие ИС. Эти емкости можно существенно уменьшить заменой полупроводнико­вой подложки на непроводящую, например сапфировую (структура «кремний на сапфире», КНС). На сапфире (рис. 8.11) выращивается эпитаксиальный слой n-кремния толщиной 1...З мкм. «Островки» со­здаются локальным травлением кремния до сапфировой подложки. В островках создаются транзисторные структуры. После этого воз­душные зазоры ме­жду островками за­полняются изолиру­ющим поликристал­лическим кремнием, на поверхности ко­торого создаются соединения элемен­тов схемы.


Скачать файл (3670.4 kb.)

Поиск по сайту:  

© gendocs.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации
Рейтинг@Mail.ru