1.3 Сущность технологии полупроводниковых интегральных схем

Технология ИС представляет собой совокупность физических и химических способов групповой обработки различных материалов - полупроводников, металлов, диэлектриков. В классической планарно-эпитаксиальной технологии кремниевых ИС используются следующие основные операции [2-4]: окисление, травление, литография, диффузия, ионное легирование, эпитаксия, осаждение пленок.

Окисление. Исходную кремниевую пластину нагревают до 800 - 1200 ºС и подвергают воздействию кислорода (или паров воды). В окислительной среде атомы кремния на поверхности пластины взаимодействуют с кислородом с образованием тонкого диэлектрического слоя SiO₂. На начальных этапах изготовления ИС слой SiO₂ толщиной до 1 мкм используют как маску для проведения избирательной диффузии на участках пластины, не покрытых SiO₂. Маска предотвращает диффузию примесей в полупроводник, находящийся под SiO₂, т. к. коэффициент диффузии примесей в SiO₂ много меньше, чем в полупроводнике. Слои SiO₂ используют также в качестве диэлектрика для изоляции затворов МДП - структур и для пассивации и защиты кристалла - предохранения ИС от воздействия окружающей среды.

Травление. Для проведения селективной (избирательной) диффузии окна требуемых размеров в слое SiO₂ вытравливаются при помощи травителей на основе плавиковой кислоты.

Литография. «Рисунок» окон в слое SiO₂ формируют методом фотолитогафии. При этом поверх SiO₂ на пластину наносят фоторезист, представляющий собой тонкую пленку светочувствительного органического материала. Затем накладывается фотошаблон в виде стеклянной маски, на которой имеется рисунок, состоящий из прозрачных и непрозрачных областей. Через маску фоторезист подвергается облучению ультрафиолетовыми лучами, в результате чего под действием проявителя удаляются либо экспонированные области (позитивный резист), либо неэкспонированные (негативный резист). При травлении в плавиковой кислоте фоторезист не растворяется, поэтому окна в слое SiO₂ вскрываются только на участках, не защищенных фоторезистом.

Диффузия. Пластины нагревают до 800 - 1250 ºС и над их поверхностью пропускается газ, содержащий примесь. Другой вариант процесса предполагает предварительное осаждение примеси на поверхность пластины (например, в виде фосфоро- или боросиликатного стекла) и собственно диффузию. Области, предварительно защищенные SiO₂, остаются нелегированными. Глубину залегания диффузионного слоя и его сопротивление регулируют путем изменения режима диффузии (температуры и длительности). Применяют для легирования пластин с целью формирования p- и n-слоев, образующих эмиттер, базу, коллектор биполярных транзисторов, сток, исток, канал униполярных транзисторов, резистивные слои, а также изолирующие p-n - переходы.

Ионное легирование (имплантация). Ионы примеси с энергией 80 - 300 кэВ направляют на подложку, защищая при помощи маски те участки, которые не должны подвергаться легированию. Главное достоинство этого метода заключается в достижении высокой точности глубины проникновения легирующей примеси благодаря хорошей управляемости процессом.

Эпитаксия. Применяют для выращивания на поверхности пластин полупроводниковых слоев с проводимостью n- или p-типа. Такие слои толщиной несколько микрометров образуется при пропускании над нагретой до 1250 ºС подложкой потока газа, содержащего несколько соединений. На поверхности пластины эти соединения вступают в химическую реакцию с образованием эпитаксиального слоя. Структура эпитаксиального слоя повторяет структуру подложки, но характеризуется обычно меньшим количеством дефектов.

Осаждение пленок. После вытравливания в слое SiO₂ с помощью фотолитографии окон под контакты на всю поверхность пластины в вакууме наносят алюминиевую пленку. Затем проводят фотолитографию и формируют рисунок межсоединений. Подобным образом формируют также металлические площадки, к которым присоединяются выводы микросхемы.

В се технологические операции изготовления ИС можно объединить в 4 группы: 1) получение исходных пластин; 2) формирование на пластинах слоев различных материалов; 3) создание рельефа (рисунка) топологии ИС; 4) сборка и монтаж ИС. Операции второй и третьей групп выполняются неоднократно.

Рисунок 1.3 - Структура интегрального транзистора:

К -коллектор; Э - эмиттер; Б - база

На рис. 1.3 показана планарно-эпитаксиальная транзисторная структура с изолирующим p-n-переходом. Технологический процесс изготовления таких структур включает 6 операций нанесения фоторезиста с последующим травлением для локализации: 1) захороненного n⁺-слоя; 2) изолирующих p-областей; 3) базовых p-областей; 4) эмиттеров (n⁺-типа); 5) окон для омических контактов; 6) мест, с которых нужно удалить металл при формировании межэлементных соединений. Рассмотрим последовательность основных операций изготовления таких структур более подробно.

1. Исходную кремниевую пластину p-типа с удельным сопротивлением 10 Омсм после надлежащей механической и химической обработки подвергают первой операции окисления.

2. С использованием соответствующего шаблона (маски) проводят фотолитографию и в слое SiO₂ вытравливают окна для диффузии мышьяка или фосфора, формирующей скрытые («захороненные») коллекторные слои. Эти слои представляют собой сильно легированные участки с n⁺-проводимостью и служат для уменьшения сопротивления коллектора.

3. Со всей поверхности пластины удаляют слой SiO₂ и наращивают эпитаксиальный слой высокоомного кремния n-типа. При этом примесь из n⁺-области частично проникает в растущий эпитаксиальный слой, ввиду высокой температуры проведения процесса.

4. Пластину вновь окисляют и после фотолитографии (шаблон 2) проводят диффузию бора для создания изолирующих p-n - переходов. При этом подбирают такой режим диффузии, чтобы изолирующий p⁺-слой проник через эпитаксиальную пленку до поверхности подложки только после проведения всей совокупности термических операций. Изолирующую диффузию обычно проводят в окислительной среде, поэтому одновременно с диффузией бора в кремний происходит образование на поверхности пластины нового слоя SiO₂.

5. В слое SiO₂ с помощью фотолитографии (шаблон 3) вскрывают окна, через которые осуществляют предварительную диффузию бора («загонку») для формирования базовых областей.

6. Проводят диффузию фосфора через окна, сформированные на участках эмиттеров и коллекторных контактов (шаблон 4). Одновременно происходит перераспределение («разгонка») базовой примеси.

7. Проводят окисление поверхности пластины, с помощью фотолитографии в слое SiO₂ вытравливают окна под контакты (шаблон 5) и методом термического испарения в вакууме на всю поверхность пластины наносят пленку алюминия.

8. Алюминий удаляют с участков, на которых он не нужен, с помощью фотолитографии (шаблон 6), затем осуществляют золочение нижней стороны пластины (если требуется).

После формирования всех слоев и рисунков ИС на пластине, каждая ИС проходит контроль на соответствие заданным электрическим параметрам, и пластину разделяют на кристаллы. Затем производят монтаж каждого годного кристалла на основание или выводную рамку корпуса, присоединяют выводы и герметизируют ИС.

С увеличением степени интеграции ИС растет стоимость изготовления кристаллов (особенно с учетом процента выхода годных), но падают затраты на сборку по отношению к одному элементу, поэтому существует минимум затрат на один элемент [1].