14.3 Технология производства сверхбольших интегральных схем

Изготовление микропроцессора – это сложнейший процесс, включающий более 300 этапов. Основная задача производства – изготовить сотни миллионов КМОП-пар изолированных друг от друга транзисторов в одном кристалле и соединить их тонкими металлическими проводниками в единую электрическую схему. В общих чертах формирование микросхемы выглядит так.

I. Выращивание кристалла кремния

1. Из расплава чистого кремния вытягивается монокристалл кремния цилиндрической формы по методу Чахральского. Этот цилиндр режется на пластины толщиной около 0,6 мм и диаметром 300 мм.

2. Поверхность каждой пластины полируется до тех пор, пока она не станет зеркально гладкой и свободной от дефектов.

II. Создание проводящих областей

3. Затем с одной стороны пластина покрывается защитной пленкой диоксида кремния SiO₂ в электрической печи в кислородной среде при высокой температуре и давлении. Толщина оксидного слоя зависит от температуры и времени, которое пластина проводит в печи.

Для образования областей полупроводников с p- и n‑проводимостями применяется следующая технология.

4. Пластина покрывается слоем фоторезиста – материала, исходно стойкого к воздействию реагента, используемого для травления, но теряющего это свойство после обработки светом определенной длины волны (ультрафиолетом).

При проектировании микросхемы изготавливаются фотошаблоны, каждый из которых соответствует, фактически, слою микросхемы и имеет отверстия в форме областей, обрабатываемых на этом слое. На каждом этапе изготовления микросхемы используется определенный шаблон.

5. Шаблон накладывается на пластину, покрытую фоторезистом.

6. После чего на пластину, закрытую фотошаблоном, направляется световой поток ультрафиолета. Засвеченные участки фоторезиста становятся растворимыми.

7. Засвеченный фоторезист удаляют с помощью растворителя (плавиковая кислота), открывая находящийся под ними диоксид кремния.

8. Открытый диоксид кремния удаляют сухим травлением, при котором пластина обрабатывается ионизированным газом, образующим при химической реакции с диоксидом кремния летучие соединения. Поэтому после сухого травления пластины пленка диоксида кремния остается там, где был незасвеченный фоторезист, и удаляется в областях, подвергшихся засветке.

9. Далее с пластины растворителем удаляется оставшийся фоторезист в результате чего на полупроводниковой пластине остается рисунок из диоксида кремния.

10. На следующем этапе проводят легирование – внесение в кремниевую подложку путём диффузии донорной или акцепторной примеси. В качестве “классической” донорной примеси используется пятивалентное вещество мышьяк (Arsenicum), придающий n‑проводимость четырёхвалентному кремнию. В качестве “классической” акцепторной примеси используется трёхвалентное вещество индий (Indium), придающий p‑проводимость. В результате диффузии атомы примеси равномерно внедряются в кристаллическую решетку кремния, не защищённую диоксидом кремния, образуя область полупроводника с требуемым типом проводимости.

11. После легирования рисунок из диоксида кремния удаляется сухим травлением.

На этом заканчивается один цикл создания проводящих областей заданного типа проводимости. Этот цикл состоит из литографии, травления и легирования, и описан в п.п. 3-11.

Для внесения другого типа проводимости, а также для создания внутри области с одним типом проводимости области с другим типом проводимости, описанный цикл повторяется: фотолитография (покрытие окисной пленкой и пленкой фоторезиста, засветка под соответствующим шаблоном), образование травлением окон для доступа к областям, в которые должна быть проведена диффузия заданной примеси, и собственно легирование.

С помощью ряда дополнительных операций фотолитографии и травления на пластину наносят также поликристаллический кремний, обладающий свойствами проводника из которого делают затворы транзисторов и соединения.

После формирования полупроводниковых структур транзисторов необходимо связать их проводниками для образования схемы. В связи с тем, что в микросхеме может быть создан только планарный слой проводников, т.е. не пересекающихся друг с другом, то для формирования сложной схемы соединений используется несколько слоев проводников с межслойными переходами. Для того чтобы иметь быстродействующую схему и снизить энергопотребление, в современных микропроцессорах требуется около десяти слоев металлизации. Важность увеличения количества слоев для формирования сложной схемы соединений на кристалле демонстрирует следующий пример. В процессоре Pentium 4 с ядром Northwood используется 55 млн. транзисторов, размещенных на площади 145 мм² при шести слоях металлизации, а в процессоре Athlon XP при девяти слоях металлизации 54,3 млн. транзисторов занимают площадь только 101 мм². В современных же микропроцессорах количество транзисторов доходит до полумиллиарда, а в графических процессорах – до миллиарда.

Для формирования слоя металлических проводников применяется одна из двух технологий металлизации.

12.1. При первой технологии каждый слой проводников формируется следующим образом. Пластина покрывается тонким слоем окисла, затем там, где должен быть электрический контакт, слой окисла удаляется травлением, после чего на пластину наносится слой металла, например алюминия. Далее этот слой металла покрывается фоторезистом, который засвечивается под шаблоном, не допускающим засветки того, что в последствии будет соединением. Металл, покрытый засвеченным фоторезистом, удаляется травлением, что приводит к формированию требуемого слоя соединений. При этой технологии возникает следующая проблема, препятствующая увеличению количества слоев металлических соединений. После формирования очередного слоя металлических проводников поверхность пластины перестает быть плоской, и на ней выделяются возвышенности, соответствующие рельефу сформированных соединений. При нанесении слоя окисла соответствующей толщины, можно добиться более или менее плоской поверхности путем последующего шлифования, но этот процесс достаточно трудоемок. Если же поверхность пластины недостаточно плоская, то при засвечивании фоторезиста через шаблон рисунок линий искажается, что ведет к изменению параметров формируемых соединений, вплоть до их разрыва.

12.2. Другой технологический процесс формирования металлических соединений, разработанный применительно к получению медных проводников, состоит в том, что посредством засвечивания фоторезиста в слое окисла образуются канавки там, где должны быть проложены медные проводники. Далее на поверхность пластины методом электронного осаждения наносится слой меди. Затем путем шлифования пластины вплоть до достижения слоя окисла добиваются того, что медь остается только в заранее сформированных канавках. При этом технологическом процессе поверхность пластины вследствие шлифования остается плоской после формирования каждого слоя проводников, что позволяет иметь большее количество слоев металлических соединений, чем при ранее представленной технологии.

Конечно, технологический процесс производства микросхем существенно сложнее, но суть его состоит именно в послойном массовом формировании на каждом слое некоторых областей из материалов, являющихся проводниками, полупроводниками и диэлектриками. Каждый слой процессора имеет свой собственный рисунок, в совокупности все эти слои образуют трехмерную электронную схему. Нанесение слоев повторяют 20‑25 раз в течение нескольких недель.