0

Конспект лекций

по дисциплине

«Технология изделий интегральной техники»

для специальности 39.02.02 (Т08.01.00)

«Проектирование и производство радиоэлектронных средств»

ВВЕДЕНИЕ 4

1. Физическая природа свойств твёрдых тел 6

1.1. Основные материалы микроэлектроники 6

2. Фазовые диаграммы и твердые растворы 8

2.1. Типы фазовых диаграмм 8

2.2. Системы, имеющие важное значение в микроэлектронике 13

2.3. Твердая растворимость 17

2.4. Задачи 19

2.5. Фазовые переходы 25

2.6. Термодинамические диаграммы 27

2.6.1. Диаграмма состояния (диаграмма равновесия, фазовая диаграмма) 29

2.6.2. Растворимость 30

2.6.3. Международная система единиц СИ (метр, килограмм, секунда, градус, Кельвин, моль) 31

2.6.4. Метод построения диаграмм состояния 33

2.6.5. Системы с ограниченной взаимной растворимостью компонентов в твердом состоянии 35

3. Структура твердотельных интегральных микросхем 38

3.1. Введение 38

3.1.1. Основные понятия и определения 38

3.2. Технология полупроводниковых интегральных микросхем 47

3.2.1. Общая характеристика технологического процесса 47

4. Диффузионные процессы в твердых телах 68

4.1. Введение 68

4.2. Законы диффузии 68

4.3. Основы кинетической теории газов 70

4.4. Диффузия как двухстадийный процесс 71

4.5. Диффузия в гетерогенном твердом теле 74

4.6. Техника проведения процессов диффузии 75

4.6.1. Диффузия из газовой фазы 75

4.6.2. Диффузия из жидкой фазы 77

4.6.3. Диффузия из твердой фазы 77

4.7. Способы проведения диффузии 77

5. Основы ионного легирования 79

5.1. Понятие о технологии ионного легирования 79

5.2. Оборудование для ионного легирования 80

5.3. Длина пробега ионов 82

5.4. Монокристалл 84

5.6. Синтез веществ с помощью ионного легирования 84

5.7. Отжиг легированных слоев 85

6. Технологические основы микроэлектроники 87

6.1. Введение 87

6.2. Подготовительные операции 87

6.3. Эпитаксия 88

6.4. Термическое окисление 90

6.5. Легирование 92

6.5.1. Способы диффузии 92

6.5.2. Теоретические основы диффузии 94

6.5.3. Ионная имплантация 97

6.6. Травление 98

6.7. Техника масок 100

6.7.1. Фотолитография 101

6.7.2. Фотошаблоны 104

8.7.3. Новые решения и тенденции 104

6.8. Нанесение тонких пленок 106

6.8.1. Термическое (вакуумное) напыление 106

6.8.2. Катодное напыление 107

6.8.3. Ионно–плазменное напыление 109

6.8.4. Анодирование 110

6.8.5. Электрохимическое осаждение 110

6.9. Металлизация 111

6.10. Сборочные операции 113

6.11. Технология тонкопленочных гибридных ИС 116

6.11.1. Изготовление пассивных элементов 116

6.11.2. Монтаж навесных компонентов 119

6.12. Технология толстопленочных гибридных ИС 121

ЛИТЕРАТУРА 124

Введение

В 1948 г. весь потенциал твёрдотельной электроники скрывался в единственном экспериментальном образце транзистора, действие которого было не понятно даже его творцам. Через 10 лет твёрдотельные приборы уже выиграли сражение с лампами за вычислительную технику и породили объект нового поколения – организованное скопление транзисторов в одном кристалле, называемое интегральной микросхемой.

Современный кристалл массой в десятки миллиграммов обладает значительно большей вычислительной производительностью, чем первые ЭВМ с массой в десятки тонн.

Микроэлектроника – это способ организации электронных процессов, который позволяет обрабатывать информацию в малы объёмах твёрдого тела. И идеальной целью является система, сочетающая совершенство организации мозга с быстродействием твёрдотельных процессов.

Задача данного курса ознакомить студента с основами типовых технологических процессов, используемых при изготовлении изделий микроэлектроники.

Взаимопроникновение процессов разработки, синтеза, функционирования и деградации в перспективе ведёт к схеме реализованной природой в биосистемах. При этом в микроэлектронике технология приобретает функциональное значение и определяет принципиальные возможности систем.

Точные информационные системы создаются методами физико-химической технологии. Ещё в 1874 г. Браун открыл выпрямляющее свойство контакта металл-полупроводник (PbS), и приборы этого типа даже получили довольно широкое распространение в последней четверти прошлого века. Но изобретение вакуумного диода (1904, Флеминг) и триода (1906, Ли де Форест) положило конец этой эре полупроводников. Настоящее время полупроводников наступило только в 50-х годах после изобретения транзистора, при этом уместно вспомнить работы Лишенфильда, который ещё в 1925 году высказал идею возможности создания полевого транзистора. Однако первым в 1948 году Бардиным, Браттейном и Шокли был создан биполярный транзистор, а спустя 10 лет был реализован и полевой транзистор.

Современная технология микроэлектроники основана на двух принципах: последовательном формировании тонких слоёв или плёнок при определённых режимах и создании топологических рисунков с помощью микролитографии. Технологические основы этих принципов уходят вглубь веков.

Одним из функциональных вопросов технологии является вопрос можно ли полностью устранить механические совмещения и осуществить синтез твёрдотельной структуры в едином физико-химическом процессе. Те сведения, которыми мы сегодня располагаем относительно материалов, физико-химической технологии и физических принципов не позволяют дать положительный ответ. Однако развитие живой природы (генетический код), история развития техники говорит о том, что такое решение возможно. Но радикальные изменения в технологии всегда сопряжены с новой физикой, новыми материалами и новой элементной базой.

Основная тенденция микроэлектроники, устойчиво сохраняющаяся уже более 40 лет – повышение степени интеграции N. Перспективность этой тенденции обусловлена тем, что при отлаженном серийном производстве стоимость изделий практически не зависит от их сложности и определяется в основном производительностью оборудования. Повысить степень интеграции N можно за счёт уменьшения размеров элементов или за счёт увеличения размера кристалла. Оба эти способа успешно реализуются на практике.

Здесь уместно отметить, что реальные машины создавали электротехники, ламповые – радиоинженеры, транзисторные – специалисты по физике твёрдого тела и твёрдотельной электронике, ЭВМ на малых микросхемах – специалисты по логическому проектированию, ЭВМ на больших интегральных микросхемах – специалисты по системотехнике.

Кремний был единственным материалом, раскрывшим потенциал твердотельной интегральной схемотехники, и он остаётся практически единственной основой планарной технологии до настоящего времени. Несмотря на многообразие новых материалов и новых принципов кремний и сегодня широко используется.

Среди полупроводников у кремния есть единственный серьёзный соперник – арсенид галлия. Обладая более высокой подвижностью носителей, GaAs позволяет достичь в 5 раз более высоких пределов быстродействия. Полуизолирующий арсенид галлия открывает путь к эффективной внутрисхемной изоляции, а как следствие – к более низкой мощности рассеяния, чем у кремния. Кремний не позволяет реализовать излучающие диоды, но он обеспечивает фотоприёмными системами весь видимый и близкий ИК-диапазоны.

Наконец, существует ещё два сильных фактора: доступность материала и его нетоксичность для человека. Кремний полностью удовлетворяет обоим критериям. Приведём данные распространённости в земной коре наиболее часто используемых материалов микроэлектроники: Si – 26,0%, Al – 7,45%, C – 0,35%, P – 0,12%, Gd – 7,5∙10^-4 %, As - 5∙10^-4%, Ge - 4∙10^-4%, Ga - 1∙10^-4%.

И так, сегодня монокристаллический кремний – основа активной структуры СБИС, поликремний – связи и сопротивления, окисел и нитрид кремния – идеальные диэлектрики, а также оптические волноводы. Кремний используется для чувствительных датчиков давления.

Кремний и углерод находятся в 4 группе периодической системы. Углерод служит основой жизни биосистем, а кремний основой “жизни” кристаллических информационных систем. Таким образом мыслящие C-системы дополняют себя быстродействующими Si-системами.