Раздел 3. Микроэлектроника

Подраздел электроники, связанный с изучением и производством электронных компонентов с геометрическими размерами характерных элементов порядка нескольких микрометров и меньше^[1]. Такие устройства обычно производят из полупроводников и полупроводниковых соединений, используя фотолитографию и легирование. Большинство компонентов обычной электроники: резисторы, конденсаторы, катушки индуктивности, диоды, транзисторы, изоляторы и проводник — также применяются и в микроэлектронике, но уже в виде миниатюрных устройств в интегральном исполнении. Цифровые интегральные микросхемы по большей части состоят из транзисторов. Аналоговые интегральные схемы также содержат резисторы и конденсаторы. Катушки индуктивности используются в схемах, работающих на высоких частотах. С развитием техники размеры компонентов постоянно уменьшаются. При очень большой степени интеграции компонентов, а следовательно при очень малых размерах каждого компонента, очень важна проблема межэлементного взаимодействия — паразитные явления. Одна из основных задач проектировщика — компенсировать или минимизировать эффект паразитных утечек.

Различают такие направления микроэлектроники, как интегральная и функциональная^[2].

Тема 3.1. Технологические основы интегральных схем.

Интегра́льная микро-схе́ма (ИС, ИМС, м/сх, англ. integrated circuit,IC,microcircuit), чип, микрочи́п (англ. microchip, silicon chip, chip — тонкая пластинка — первоначально термин относился к пластинке кристалла микросхемы) — микроэлектронное устройство — электронная схема произвольной сложности (кристалл), изготовленная на полупроводниковой подложке (пластине или плёнке) и помещённая в неразборный корпус, или без такового, в случае вхождения в состав микросборки.^[1]

Планарная интегральная технология.— совокупность технологических операций, используемая при изготовлении планарных (плоских, поверхностных) полупроводниковых приборов иинтегральных микросхем. На вход технологии поступают пластины, называемыми подложками. Состав материала подложек, кристаллическая структура (вплоть до межатомных расстояний в подложках для современных процессоров) и кристаллографическая ориентация строго контролируются. В ходе технологического процесса в приповерхностном слое полупроводникового материала, являющегося подложкой или нанесённого на подложку, создают области с различным типом или величиной проводимости, определяемой в конечном счёте различной концентрацией донорных и акцепторных примесей, а также материалом слоя. Поверх слоя полупроводникового материала, с использованием в нужных местах прослоек диэлектрического материала, наносятся слои проводящего материала, образующего контактные площадки и необходимые соединения между областями. Области и слои проводника, полупроводника и диэлектрика в совокупности образуют структуру полупроводникового прибора или интегральной микросхемы.

Особенность планарной технологии состоит в том, что после завершения каждой технологической операции, восстанавливается плоская (планарная) форма поверхности пластины, что позволяет создавать достаточно сложную структуру, используя конечный набор технологических операций.

Планарная технология обеспечивает возможность одновременного изготовления в едином технологическом процессе огромного числа дискретных полупроводниковых приборов или интегральных микросхем на одной подложке, что позволяет существенно снизить их стоимость. Также в случае изготовления на одной пластине идентичных приборов параметры всех приборов оказываются близкими. Ограничителем является только площадь подложки, поэтому диаметр подложек по мере развития технологий производства подложек стремятся увеличивать.

Для контроля качества выполнения промежуточных операций на подложке, как правило, выделяют несколько малых областей (обычно в центре и на периферии), на которых в ходе штатного технологического процесса формируются тестовые проводящие дорожки и элементарные приборы (конденсаторы, диоды, транзисторы и т.п.). В этих же областях формируют контактные площадки относительно большой площади для тестирования годности пластин перед скрабированием (разделением на отдельные приборы). Для совмещения изображений при фотолитографии также в специально выделенной области формируются знаки совмещения, подобные тем, какие можно встретить на многоцветной печатной продукции.

Применение компенсированных полупроводников.

Компенсированный полупроводник - легированный полупроводник с примерно одинаковой концентрацией доноров и акцепторов, свойства которого близки к собственным полупроводникам.

Для многих практических применений возникает потребность получать полупроводники с малой проводимостью. Лучше всего этой потребности соответствуют собственные полупроводники, но для их получения требуется совершенная очистка от примесей. Часто это слишком трудно, особенно, когда возникает потребность в высокоомной области внутри уже легированного участка полупроводникового прибора.

Для получения малой проводимости необходимо сместить уровень химического потенциала внутрь запрещённой зоны. Этого можно достичь, добавляя акцепторы к исходному полупроводнику n-типа, или доноров к полупроводнику p-типа. Как следствие, возникают компенсированные полупроводники. В них электроны с донорных уровней переходят на акцепторные уровни, заполняя их и уменьшая концентрацию дырок.

Подготови­тельные операции.

Технологическая цепочка состоит из серии циклов (до нескольких десятков), включающих в себя следующие основные операции (в порядке следования):

• подготовка подложки: применяется механическая и химическая полировка для получения плоской поверхности без механических дефектов (выполняется 1 раз, при поступлении подложки в техпроцесс);

• формирование на поверхности подложки слоя необходимого материала с заданной структурой: эпитаксиальное наращивание, осаждение диэлектрических или металлических плёнок (операция выполняется не в каждом цикле);

• создание на поверхности подложки защитного слоя: в случае кремниевых подложек для этого используется окисление поверхности, для удешевления процесса, а также в случае других подложек, часто используется эпитаксиальное наращивание слоя диоксида или нитрида кремния, либо другого материала с низким коэффициентом диффузии легирующих примесей. Толщина слоя подбирается так, чтобы за время, необходимое для создания легированной области необходимой конфигурации в подложке, легирующий элемент не достиг подложки сквозь защитный слой;

• нанесение слоя фоторезиста, обладающего устойчивостью к используемым травителям;

• совмещение изображений по знакам совмещения и экспонирование рисунка окон на слой фоторезиста (выполняется на степперах);

• стравливание исключительно засвеченных (либо незасвеченных -- зависит от типа фоторезиста) участков слоя фоторезиста;

• стравливание защитного слоя с подложки на участках, не закрытых фоторезистом;

• удаление остатков слоя фоторезиста;

• возможная операция: внедрение легирующих примесей нередко проводят в двухстадийном процессе, разделяя фазы загонки примеси в приповерхностную область и разгонки загнанной примеси по требуемому объёму (отжига); загонка производится путём локальной (с поверхности или из газовой фазы) диффузии или ионной имплантации легирующих примесей через окна в защитном слое в поверхность подложки; режимы диффузии (имплантации) подбираются так, чтобы за время этой и всех последующих технологических операций размер легированной области достиг требуемых размеров по площади и глубине, а нарушенная радиацией при ионном легировании кристаллическая решётка восстановилась;

• возможная операция: плазменное или химическое травление поверхности подложки для удаления излишков слоя ранее осаждённого материала.

• плазменное или химическое травление поверхности подложки для удаления защитного слоя (выполняется не в каждом цикле).

• планаризация^[1] (сглаживание неровностей) поверхности перед переходом к новому циклу, например при помощи процесса CMP.

Основные циклы, выполняемые при создании полупроводниковых приборов, следующие:

• формирование областей р-типа (локальное внедрение примесей)

• формирование областей n-типа (локальное внедрение примесей)

• формирование проводящих дорожек и контактных площадок (удаление излишков слоя металла)

Эпитаксия.  — это закономерное нарастание одного кристаллического материала на другой (от греч. επι — на и ταξισ — упорядоченность), т.е. ориентированный рост одногокристалла на поверхности другого (подложки). Строго говоря, рост всех кристаллов можно назвать эпитаксиальным: каждый последующий слой имеет ту же ориентировку, что и предыдущий. Различают гетероэпитаксию, когда вещества подложки и нарастающего кристалла различны (процесс возможен только для химически не взаимодействующих веществ, например так изготавливают интегральные преобразователи со структурой кремний на сапфире), и гомоэпитаксию, когда они одинаковы. Ориентированный рост кристалла внутри объёма другого называется эндотаксией.

Эпитаксия особенно легко осуществляется, если различие постоянных решёток не превышает 10 %. При больших расхождениях сопрягаются наиболее плотноупакованные плоскости и направления. При этом часть плоскостей одной из решёток не имеет продолжения в другой; края таких оборванных плоскостей образуют дислокации несоответствия.

Эпитаксия происходит таким образом, чтобы суммарная энергия границы, состоящей из участков подложка-кристалл, кристалл-среда и подложка-среда, была минимальной.

Эпитаксия является одним из базовых процессов технологии полупроводниковых приборов и интегральных схем.

Диффузионное и ионное легирование.

Легирование (нем. legieren — «сплавлять», от лат. ligare — «связывать») — добавление в состав материалов примесей для изменения (улучшения) физических и химических свойств основного материала. Легирование является обобщающим понятием ряда технологических процедур, различают объёмное (металлургическое) и поверхностное (ионное, диффузное и др.) легирование.

В разных отраслях применяются разные технологии легирования.

В металлургии легирование производится в основном введением в расплав или шихту дополнительных химических элементов (например, в сталь — хрома, никеля, молибдена), улучшающих механические, физические и химические свойства сплава. Для изменения различных свойств (повышения твёрдости, износостойкости, коррозионной стойкости и т. д.) приповерхностного слоя металлов и сплавов применяются также и разные виды поверхностного легирования. Легирование проводится на различных этапах получения металлического материала с целями повышения качества металлургической продукции и металлических изделий.

При изготовлении специальных видов стекла и керамики часто производится поверхностное легирование. В отличие от напыления и других видов покрытия, добавляемые вещества диффундируют в легируемый материал, становясь частью его структуры.

При изготовлении полупроводниковых приборов под легированием понимается внесение небольших количеств примесей или структурных дефектов с целью контролируемого изменения электрических свойств полупроводника, в частности, его типа проводимости.