3.2. Технология полупроводниковых интегральных микросхем

3.2.1. Общая характеристика технологического процесса

Особенности производства ИМС. В зависимости от структуры ИМС и конструкции корпуса общее количество операций технологического процесса может достигать 200. Процесс охватывает разнообразные по физическим принципам, методам контроля и технологическому оснащению методы обработки, причем характер связей между отдельными операциями во времени и пространстве также весьма различен. Таким образом, процесс производства ИМС представляет собой систему, оптимальная организация которой имеет первостепенное значение для ее эффективного функционирования. Изменения в процессе производства, связанные, например, с изменением структуры ИМС, увеличением диаметра полупроводниковых пластин, увеличением выхода годных ИМС, изме­нением объема выпуска ИМС и т. д., различным образом влияют на отдельные стадии производства ИМС. При этом с учетом непрерывного прогресса микроэлектроники организация производства ИМС по предметно-замкнутому принципу не является эффективной даже в условиях массового производства.

По своему назначению и месту, занимаемому в общем процессе производства ИМС, все операции объединяются в самостоятельные (частные) технологические процессы, которые, в свою очередь, могут быть подразделены на три группы (рис. 9).

Рис. 9. Классификация частных технологических процессов производства полупроводниковых ИМС

Первая группа включает заготовительные процессы, имеющие целью получение монокристаллических полупроводниковых слитков определенного типа электропроводности и заданного удельного сопротивления, резку слитков на пластины, обработку их поверхностей с заданной микро- и макрогеометрией, а также качеством поверхностного слоя, изготовление отдельных деталей и узлов корпуса ИМС.

Вторая группа процессов — обрабатывающая — объединяет все операции, необходимые для формирования структур ИМС в групповых пластинах и их контроля на функционирование. Сюда входят процессы окисления, диффузии примесей, эпитаксии, ионной имплантации, вакуумного напыления, фотолитографии, технохимической обработки.

В третью группу процессов — сборочно-контрольную - входят разделение групповой пластины на отдельные кристаллы, монтаж кристаллов в корпусах, разварка выводов, герметизация, контроль и классификация, механические и климатические испытания, окраска, маркировка и упаковка.

Из схемы видно, что первая группа процессов является обеспечивающей для процессов второй и третьей групп и по своему характеру близка к приборостроительному производству. Специфичность методов обработки и оборудования этой группы, а также независимость их от конкретной структуры ИМС делает целесообразным передачу заготовительных процессов специализированным предприятиям, связанным с предприятиями, составляющими вторую и третью группы процессов, по линии кооперации.

Третья группа процессов также характеризуется специфическими методами обработки и оборудованием, но имеет более тесную связь с процессами второй группы. В большинстве случаев целесообразной формой организации процессов третьей группы является создание специализированных цехов или участков (в зависимости от масштабов производства) в пределах одного предприятия.

Наиболее полно особенности структуры ИМС и главные черты интегральной технологии отражаются второй группой процессов. Несмотря на разнообразие физико-химических принципов, лежащих в основе процессов этой группы, их объединяет ряд характерных признаков, требующих концентрации этих процессов на различных участках одного предприятия. Важнейшие из этих признаков следующие:

1) взаимосвязь производственных участков, обусловленная цикличностью технологического процесса (групповые пластины многократно возвращаются на участки для формирования очередного слоя);

2) ограниченное время межоперационного хранения групповых пластин;

3) высокие требования к производственной гигиене (1-2-й классы помещений по климатическим параметрам и 1-2-й классы по запыленности воздушной среды).

Характер и последовательность операций, составляющих процессы второй группы, полностью определяются типом структуры ИМС. Режимы обработки на отдельных операциях зависят от толщины и. электрофизических свойств слоев и областей структуры.

Типы структур ИМС. При сравнительной оценке различных типов структур целесообразно учитывать ряд конструктивно-технологических показателей:

1) качество межэлементной изоляции, которое можно характеризовать удельной емкостью (пФ/мкм²);

2) площадь, занимаемую типичным функциональным элементом ИМС-вентилем;

3) количество циклов избирательного легирования;

4) количество циклов фотолитографии.

Среди планарных структур, в которых использованы биполярные транзисторы, исторически более ранней является диффузионно-планарная структура (см. рис. 1). Функции изоляции в ней выполняют р-n-переходы, ограничивающие области отдельных элементов и смещенные в обратном направлении. Для получения обратного смещения в области подложки, разделяющей элементы, формируется омический контакт, связанный с наиболее низким потенциалом источника питания, а к изолирующим областям резисторов с помощью контактов подводится высокий потенциал.

В качестве исходной заготовки используют пластину монокристаллического кремния, равномерно легированного акцепторной примесью (дырочная электропроводность). После того как на заготовку нанесен слой окиси кремния SiO₂, методом фотолитографии (рис. 10) в этом слое избирательно вытравливают участки прямоугольной формы и через образовавшиеся окна путем термической диффузии вводят атомы примеси-донора. Процесс диффузии совмещают с термическим окислением кремния, в результате которого на поверхности вновь образуется сплошной слой окисла. Таким образом, одновременно создаются коллекторные области всех транзисторов, а также изолирующие области всех диодов и резисторов для всех кристаллов групповой пластины. Вторичным вскрытием окон меньших размеров в окисле и последующей диффузией примеси-акцептора формируют р-области, выполняющие роль базовых областей транзисторов, анодов диодов и резисторов. В результате очередного (третьего) цикла фотолитографии, диффузии и окисления получают области эмиттеров, катоды диодов, а также высоколегированные области для последующего создания омических контактов к высокоомным коллекторным и изолирующим областям.

Рис. 10. Последовательность формирования диффузионно-планарной структуры:

а — исходная пластина;

б, г, е — вскрытие окон в окисле перед диффузией примеси в коллекторные, базовые и эмиттерные области соответственно;

в, д, ж — диффузия примеси в коллекторные, базовые и эмиттерные области соответственно и окисление поверхности;

з — вскрытие окон под контакты к диффузионным областям;

и — металлизация поверхности;

к — избирательное травление металлической пленки и образование межсоединений.

Для создания межэлементных связей в слое окисла вновь вскрывают окна и плоскость пластины покрывают сплошной металлической пленкой (обычно алюминиевой). При этом в местах, свободных от окисла, образуется контакт с соответствующими областями кремния. Заключительный цикл фотолитографии (по пленке алюминия) позволяет создать систему межсоединений, а также контакты по периферии кристаллов. Эти контакты будут использованы для коммутации кристаллов с внешними выводами корпуса.

Планарный транзистор (независимо от типа структуры) имеет коллекторный контакт в одной плоскости с базовым и эмиттерным контактами. Вследствие этого коллекторный ток преодолевает протяженный горизонтальный участок дна коллекторной области (под дном базы), имеющий малые поперечные размеры.

В диффузионном коллекторе концентрация активной примеси распределена по глубине неравномерно: она максимальна на поверхности и равна нулю — на дне коллектора, — поэтому слой коллектора под базой имеет высокое сопротивление, что увеличивает напряжение насыщения и время переключения транзистора.

Равномерное распределение примеси по толщине коллектора может быть получено с помощью процесса эпитаксиального наращивания кремния с дозированным количеством донорной примеси. Такой процесс применяют для создания эпитаксиально-планарной структуры.

Чтобы получить простейшую эпитаксиально-планарную структуру, в качестве исходной заготовки по-прежнему надо использовать монокристаллическую пластину кремния, равномерно легированную акцепторной примесью. Для нанесения эпитаксиального слоя на одну из сторон пластины ее освобождают окисла и тщательно очищают (рис. 11), после чего проводят осаждение монокристаллического слоя кремния n-типа. Далее поверхность пластины окисляют и методом фотолитографии вскрывают окна в виде узких замкнутых дорожек, соответствующих контуру коллекторных и изолирующих областей ИМС. Проводя через окна диффузию акцепторной примеси до смыкания ее с р-областью, получают таким образом изолированные друг от друга островки равномерно легированного эпитаксиального n-кремния. Рассмотренный процесс диффузии называют изолирующей или разделительной диффузией. В полученной на данной стадии заготовке (рис. 11) в дальнейшем формируют базовые и эмиттерные об­ласти (диффузионным методом), а также контакты и межсоединения (так же как в диффузионно-планарной структуре).

Концентрация легирующей примеси в эпитаксиальных пленках может изменяться в широких пределах. Однако с повышением концентрации примеси в эпитаксиальном коллекторе снижается пробивное напряжение перехода база – коллектор (рис. 12).

Рис. 11. Последовательность формирования эпитаксиально-планарной структуры:

а — исходная пластина;

б — стравливание окисла, подготовка поверхности;

в — эпитаксиальное наращивание n-слоя, окисление поверхности;

г — вскрытие окон в окисле под изолирующую (разделительную) диффузию примеси;

д — диффузия акцепторной примеси, окисление поверхности;

е — готовая структура после формирования диффузионных базовых и эмиттерных областей, а также получения межсоединений.

Рис. 12. Характер зависимости проводимости  эпитаксиального слоя и напряжения пробоя u_пр перехода от концентрации легирующей примеси N

Компромиссное решение удается получить в эпитаксиально-планарной структуре со скрытым слоем (рис. 13). Здесь эпитаксиальный коллектор легируют умеренно (необходимую концентрацию примеси рассчитывают из условия пробоя перехода база — коллектор), а малое сопротивление коллектора обеспечивают параллельно включенным скрытым слоем (n+), имеющим высокую концентрацию примеси.

Начальные стадии технологического процесса получения эпитаксиально-планарной структуры со скрытым слоем приведены на рис. 13. В поверхностном окисном слое пластины р-типа вскрываются окна, через которые проводят диффузию примеси с высокой концентрацией. Для того чтобы избежать значительного проникновения примеси в эпитаксиальный коллектор при последующих циклах высокотемпературной обработки (разделительная диффузия, базовая диффузия и т. д.), подбирают примесь с малым коэффициентом диффузии (например, мышьяк). Далее поверхность освобождают от окисла и наращивают эпитаксиальный слой кремния n-типа. После окисления поверхности процесс обработки протекает по той же схеме, что и для структуры без скрытого слоя.

Рис. 13. Последовательность формирования эпитаксиально-планарной структуры со скрытым n+-слоем:

а — исходная пластина;

б — вскрытие окон под диффузию скрытого слоя;

в — диффузия n+-примеси, окисление поверхности;

г — стравливание окисла, подготовка поверхности;

д —эпитаксиальное наращивание n-слоя, окисление поверхности;

е — готовая структура после разделительной диффузии, формирования базовых и эмиттерных областей, а также межсоединений

Для И²Л-структуры (см. рис. 6) используют описанные ранее технологические приемы обработки, последовательность которых нетрудно установить.

В диффузионно- и эпитаксиально-планарных структурах межэлементная изоляция обеспечивается, как было отмечено ранее, обратносмещенными переходами. Напряжение смещения, однако, не велико и ограничено единицами вольт (напряжение питания). Такие переходы обладают заметными токами утечки и емкостями. В результате уменьшается быстродействие схемы, а расстояние между элементами приходится делать значительным. Наилучшую электрическую развязку элементов обеспечивает структура с диэлектрической изоляцией (рис. 14). В такой структуре каждый элемент размещен в своеобразном «кармане», который представляет собой область монокристаллического кремния, ограниченную слоем окиси кремния. При этом расстояние между элементами может быть уменьшено до 8—10 мкм.

Рис. 14. Последовательность формирования изолированных

областей в структуре с диэлектрической изоляцией:

а — исходная пластина;

б — избирательное травление окисла, глубокое травление кремния, окисление поверхности;

в — осаждение поликристаллического кремния;

г — шлифование в полирование обратной стороны пластины;

д — окисление поверхности;

е — готовая структура после базовой и эмиттерной диффузии и получения межсоединений

На рис. 14 представлена последовательность формирования структуры с диэлектрической изоляцией. В исходной пластине кремния n-типа методом фотолитографии вытравливают участки окиси кремния, а затем и кремния по контуру будущих элементов. В результате образуются канавки по замкнутому контуру. Полученную рельефную поверхность окисляют. Далее эту поверхность покрывают толстым слоем кремния методом осаждения. Вследствие дезориентирующего влияния окисного слоя осажденный кремний имеет поликристаллическую структуру и служит конструкционным основанием будущей ИМС. Обратную сторону шлифуют, удаляя монокристаллический слой до вскрытия окиси кремния по границам областей, и производят доводку (для удаления нарушенного слоя). После протравливания и отмывки поверхности ее окисляют. Далее в образовавшихся изолированных областях монокристаллического кремния л-типа диффузионным методом формируют элементы (базовые области, резисторы, эмиттеры, области под контакты). Обычным путем получают и межсоединения на поверхности пластины. Если исходная пластина содержит эпитаксиальный n+-слой, то транзисторы получаются со скрытым слоем.

Структуры с диэлектрической изоляцией характеризуются высокой трудоемкостью главным образом из-за необходимости шлифования и полирования подложек. Нарушение монолитности подложки (толстый слой поликристаллического кремния) вызывает внутренние механические напряжения, которые приводят к короблению пластины после снятия монокристаллического слоя. Коробление пластины, в свою очередь, затрудняет или делает невозможным использование фотолитографии.

Все это обусловило поиск комбинированных методов изоляции элементов ИМС. На рис. 15, е представлена изопланарная структура транзистора, в которой донная часть 2 коллектора изолирована от монокристаллической пластины р-n-переходом, а боковая 1 - толстым слоем окисла, полученным сквозным локальным окислением эпитаксиального слоя. По существу эта структура аналогична эпитаксиально-планарной, при изготовлении которой разделительная диффузия заменена сквозным окислением.

Рис. 15. Последовательность формирования

изолированных областей в изопланарной структуре:

а — пластина с эпитаксиальным и скрытым слоями;

б — нанесение слоя нитрида кремния;

в — избирательное травление нитрида кремния по контуру будущих элементов;

г — глубокое окисление кремния;

д — стравливание нитрида кремния и окисление поверхности;

е — готовая структура после формирования базовых и эмиттерных областей, а также межсоединений

Начальные стадии процесса получения изопланарной структуры следующие (рис. 15). На поверхность пластины, содержащей эпитаксиальные n+- и n-слои, осаждают (из газовой фазы) слой ни­трида кремния Si3N4. Методом фотолитографии в этом слое обра­зуют защитную маску с окнами по контуру коллекторных областей. В процессе окисления нитридная маска сохраняется. Затем ее стравливают и всю поверхность окисляют. Далее проводят диф­фузию для формирования базы и эмиттера, формируют контактные окна и межсоединения.

Технологическим недостатком изопланарной структуры является необходимость длительного окисления для образования разделительных областей SiO₂, что может вызвать нежелательное перераспределение примеси из скрытого слоя в эпитаксиальный коллектор. Для сокращения времени, затрачиваемого на окисление, уменьшают толщину эпитаксиального слоя и соответственно базы и эмиттера. На практике изопланарный процесс возможно осуществить при толщине эпитаксиального слоя не более 3—4 мкм.

Усовершенствованным вариантом рассмотренной структуры является структура с изолирующими V-канавками (рис. 16, е). При ее формировании вместо сквозного окисления проводят сквозное протравливание эпитаксиального слоя с последующим окислением полученных канавок и заполнением их поликристаллическим кремнием. Такая структура получила название полипланарной.

На начальных этапах получения полипланарной структуры (рис. 16) заготовку с предварительно сформированными n+- и n-эпитаксиальными слоями окисляют. Затем методом фотолитографии в слое окисла вскрывают окна, замкнутые по контуру будущих элементов. Далее методом анизотропного травления получают канавки строго определенной (V-образной) формы. Ширина канавки l и ее глубина d связаны соотношением l/d=1,41. Для надежного разделения элементов ИМС глубина канавки должна быть немного больше толщины эпитаксиального слоя. При использовании специального травителя бокового подтравливания практически не происходит.

Затем поверхность окисляют и на ней осаждают кремний (поликристаллический). Слой кремния должен иметь минимальную толщину, необходимую для полного заращивания всех канавок. Путем шлифования с последующим полированием снимают излишки кремния до вскрытия окисной пленки. После окисления поверхности окончательно формируют структуру транзисторов и других элементов ИМС.

Рис. 1. Последовательность формирования

изолированных областей в полипланарной структуре:

а — пластина с эпитаксиальным и скрытым слоями, покрытая окисью кремния;

б — избирательное травление окиси кремния и анизотропное травление кремния;

в — стравливание окиси и окисление всей поверхности;

г — осаждение поликристаллического кремния;

д — шлифование, полирование и окисление поверхности;

е — готовая структура после формирования базовых и эмиттерных областей, а также межсоединений

Специфическим недостатком описанной структуры является необходимость применять пластины с ориентацией по плоскостям {100}, которые не являются наилучшими с точки зрения электрических характеристик транзистора, но удовлетворяют требованиям анизотропного травления. Технологическим недостатком структуры является введение в процесс операций трудоемкого шлифования и полирования.

При изготовлении структур с диэлектрической и комбинированной изоляциями можно применять пластины–заготовки с заранее сформированным сплошным скрытым слоем, серийно выпускаемые специализированными предприятиями. Примером таких заготовок являются пластины диаметром 60 и 75 мм с толщиной основания из р-Si 300—550 мкм (ρ=10 Ом∙см), эпитаксиального n-слоя 2,5–20 мкм (р=0,15…7 Ом∙см), скрытого n+-слоя 3–15 мкм (удельное поверхностное сопротивление 10–50 Ом).

Анализ рассмотренных структур на биполярных транзисторах позволяет сделать вывод, что их развитие привело к созданию совершенной изоляции, возможности более компактного размещения элементов ИМС и в конечном счете к улучшению электрических характеристик, в частности к повышению быстродействия. При этом площадь транзистора, а следовательно, и типового элемента — вентиля практически не изменилась. Особый случай представляет структура И²Л, в которой резисторы, занимающие обычно большую площадь, заменены транзисторами, что позволило уменьшить размеры вентиля.

Существенное уменьшение площади под вентиль с одновременным упрощением технологии имеет место при использовании структур «металл — диэлектрик — полупроводник» (МДП-структуры). Основным элементом функциональных схем на МДП-структурах является МДП-транзистор с индуцированным каналом n- или р-типа.

МДП-транзистор имеет симметричную структуру (рис. 17, е), включающую область истока, область стока и изолированный затвор, с помощью которого можно индуцировать канал и управлять его проводимостью. Так как переходы, ограничивающие области истоков и стоков, всегда смещены в обратном направлении и перенос основных носителей заряда происходит в тонком приповерхностном слое полупроводника между истоком и стоком каждого транзистора, то дополнительных мер для взаимной изоляции приборов с одноименным типом электропроводности канала не требуется. Во избежание образования паразитных каналов вводят охранные (каналоограничивающие) области.

Рис. 17. Последовательность формирования КМДП-структуры:

а — исходная пластина;

б — последовательное получение р-, р+ и n+-областей методом диффузии;

в — избирательное травление SiO₂;

г — термическое окисление кремния (получение подзатворного диэлектрика);

д — избирательное травление SiO₂ под контакты к истокам и стокам;

е — готовая структура после получения межсоединений

Структура, содержащая МДП–транзисторы обоих типов, позволяет на 2–3 порядка по сравнению с n– или р–МДП–структурами снизить мощность, потребляемую устройством в статическом режиме (что важно для систем с ограниченным ресурсом питания). Такие структуры получили название структур на дополняющих МДП-транзисторах или комплементарных МДП-структур (КМДП-структуры).

Для взаимной изоляции МДП-транзисторов n- и р-типа в КМДП-структуре необходимо сформировать дополнительную область. Из технологических соображений целесообразно КМДП-структуры формировать в пластине n-типа и все приборы с n-каналами объединять в одной р-области.

Последовательность получения КМДП-структуры представлена на рис. 17. Методом диффузии формируют р-область, далее р+-области истоков и стоков р-канальных приборов, а также охранные области, а затем в р-области — n+-области истоков и стоков n-канальных приборов. Для формирования областей затворов методом фотолитографии вытравливают участки SiO₂, а затем методом термического окисления кремния получают в них тонкие слои SiO₂ расчетной толщины (диэлектрик под будущим затвором). Далее вскрывают в окисле окна под контакты и формируют межсоединения (включая затворы).

Полная изоляция МДП-транзисторов обеспечивается при формировании их в виде островков на монокристаллической изолирующей пластине (рис. 18, д). В качестве изолирующей пластины обычно используют синтетический сапфир, имеющий достаточно хорошее кристаллографическое сопряжение с кремнием. Поэтому эти структуры получили название «структур кремний на сапфире» или сокращенно КНС. Эпитаксиально выращенный на сапфире кремний имеет высокую плотность структурных нарушений (дислокации), что заметно снижает подвижность носителей заряда. Вследствие этого структуры на биполярных транзисторах оказались не эффективными и наиболее широкое применение нашли МДП-КНС-структуры, особенно КМПД-КНС-структуры. В отличие от структур, изолированных р-n-переходом, когда используется высокоомная (слаболегированная) пластина, структуры на изолирующей пластине устойчивы к температурным и радиационным воздействиям.

Рис. 18. Последовательность формирования КМДП-КНС-структуры:

а — исходная пластина «сапфир — эпитаксиальный кремний — окись кремния»;

б — избирательное анизотропное травление кремния с помощью оксидной маски (образование островков);

в — избирательная диффузия акцепторной примеси;

г — снятие маски с островков;

д — маскирование островков с помощью SiO₂;

е — избирательное покрытие фосфорсиликатным стеклом (ФСС) р-островков и общее покрытие боросиликатным стеклом (БСС);

ж — структура после диффузии примесей и стравливания БСС, ФСС и SiO₂;

з — готовая структура после нанесения SiO₂ и формирования межсоединений

В процессе формирования КМДП-КНС-структуры (рис. 18) методом эпитаксиального наращивания (процесс гетероэпитаксии) создают сплошной слой высокоомного n-Si. После маскирования окисью кремния и анизотропного травления получают отдельные изолированные островки n-Si. Проведя повторное маскирование окисью кремния, методом диффузии часть островков легируют акцепторной примесью на всю глубину, превращая их в островки р-Si. Предварительно защитив маской из окиси кремния участки будущих каналов, избирательно покрывают р-островки фосфоро-силикатным (SiO₂*P₂O₅), а n-островки — боросиликатным (SiO₂*B₂O₃) стеклами. Последующим нагревом диффундируют донорную (Р) и акцепторную (В) примеси из легированных стекол в области стоков и истоков. В дальнейшем стекло и участки SiO₂ стравливают, наносят слой окиси кремния, вытравливают участки окисла под затвор, выращивают тонкий слой диэлектрика и формируют затворы, а также межсоединения. Гетероэпитаксиальные слои, полученные в таких структурах, имеют небольшую толщину (~1мкм), что обусловлено относительным несовершенством кристаллической структуры, выращиваемой на сапфире: с увеличением толщины пленки плотность дислокации увеличивается.

МДП-приборы, в которых в качестве канала используется тонкий приповерхностный слой, вполне могут быть реализованы в тонких эпитаксиальных слоях порядка десятых долей микрометра. Однако тонкие эпитаксиальные слои практически исключают возможность многократного образования окиси кремния за счет термического окисления, так как толщина слоя SiO2, необходимого для защиты при термической диффузии, соизмерима с толщиной такого эпитаксиального слоя. Поэтому обычно слои окиси кремния получают методом осаждения из газовой фазы, что, кстати, позволяет использовать относительно низкие температуры.

Для производства КМДП ИМС на основе КНС целесообразно применять сапфировые пластины с эпитаксиальным слоем кремния, выпускаемые специализированными предприятиями. Слой кремния n-типа имеет ориентацию {100} и толщину 0,6; 0,8 и 1,2 мкм; подвижность носителей в гетероэпитаксиальном слое толщиной 1,2 мкм не менее 300 см2/(В-с).

Сравнительная характеристика рассмотренных структур приведена в табл. 1. Описанные структуры не исчерпывают всех типов и модификаций, которые используются в серийном производстве ИМС или исследуются как перспективные.

Табл. 1. Сравнительная характеристика некоторых типов структур ИМС

Основные типы структур микросхем	Емкость изоляции 10-4, пФ/мкм²	Площадь на один вентиль, мм²	Число циклов избирательного легирования	Число циклов литографии
Диффузионно-планарная	2	0,025	3	5
Эпитаксиально-планарная
без скрытого слоя	1,5	0,025	3	5
со скрытым слоем	1.5	0.02	4	6
С инжекционным питанием (И²Л)	1	0,003	3	5
С диэлектрической изоляцией	0,03	0,02	2	5
Изопланарная	0,2	0.02	2	5
Полипланарная	0,15	0,02	2	5
n-МДП	1,5	0,0036	2	5
р-МДП	1,5	0,0068	2	5
КМДП	1,5	0.012	3	6
КМДП-КНС	0,002	0,01	3	8

Требования к кремниевым пластинам. Групповая кремниевая заготовка всегда представляет собой круглую плоскопараллельную пластину диаметром до 150 мм и толщиной (в зависимости от диаметра) до 1 мм. Последующие термическая и фотолитографическая обработки для создания структур ИМС обусловливают определенные требования, предъявляемые к геометрическим и структурным параметрам пластин:

1) необходимо, чтобы пластины имели совершенную кристаллическую решетку как по объему, так и в поверхностном слое, так как нарушения структуры в поверхностном слое, будучи следствием механической обработки, могут вызвать появление дефектов (дислокации, дефектов упаковки) в эпитаксиальном слое или исказить фронт диффузии. Плотность дислокации должна быть не более 10 см^-2;

2) шероховатость поверхности пластины должна быть не ниже 14б—14в классов (R_z=0,05…0,032 мкм). Высота микронеровностей — в несколько раз меньше толщины пленки фоторезиста, наносимого на этапе фотолитографии: это уменьшает вероятность появления локальных дефектов вытравленного рисунка;

3) прогиб пластин должен быть не более 8 — 10 мкм. Прогиб обычно обусловлен разностью остаточных напряжений на сторонах пластины и проявляется после разрезания слитка на пластины. Возникающий в результате зазор между пластиной и фотошаблоном при контактной фотолитографии приводит к дифракции света и искажению рисунка фотомаски. При эпитаксиальном наращивании неплотный контакт подложки с нагревателем приводит к неравномерному ее нагреву и соответственно к неодинаковым свойствам эпитаксиального слоя в пределах пластины;

4) неплоскостность и неплоскопараллельность (клиновидность) пластин должна быть выдержана в пределах ±10 мкм. Влияние этих параметров такое же, как и прогиба;

5) разориентация поверхности относительно заданной кристаллографической плоскости должна быть не хуже ±1°. Кристаллографическая ориентация определяет скорость эпитаксии, диффузии, окисления, травления и, следовательно, воспроизводимость результатов этих процессов. Перед разрезкой на пластины монокристаллический слиток должен быть достаточно точно ориентирован относительно режущего инструмента;

6) разнотолщинность пластин в пределах партии не должна превышать ±(5…8) мкм, отклонение по диаметру ±0,5 мм. Эти параметры обеспечивают идентичность геометрии пластин при многоместной их обработке в газовых потоках (эпитаксия, диффузия, окисление и т. п.) и определяют воспроизводимость результатов в пределах партии. Идентичность геометрии облегчает также автоматизацию подачи и ориентирования пластин при выполнении некоторых операций;

7) пластины должны иметь технологические элементы: базовый срез и фаску. Базовый срез указывает направление наивыгоднейшего расположения кристаллов с точки зрения качества разделения пластины, получения канавок заданного профиля при анизотропном травлении. На втором и последующих циклах совмещения с фотошаблоном он служит ориентиром для правильной установки пластины. Базовый срез образуется в результате снятия лыски с цилиндрического слитка и последующей разрезки его на пластины.

Фаска по контуру подложки повышает качество выполнения ряда операций. В частности, на операциях эпитаксиального наращивания и нанесения фотослоя центрифугированием уменьшаются размеры (или полностью исключается образование) краевого валика, что обеспечивает более плотное прилегание фотошаблона к пластине.

Схема технологического процесса. На рис. 19 представлена укрупненная схема технологического процесса производства ИМС на примере эпитаксиально-планарной структуры со скрытым слоем (с транзисторами n-р-n-типа). Отдельные этапы технологического процесса — фотолитография, диффузия, контроль и испытания — включают от 3 до 10 операций, выполняемых по типовым операционным процессам и технологическим инструкциям. Например, каждый этап диффузии, указанный на схеме, в действительности состоит из предварительного внедрения примеси в поверхностный слой, снятия окисла, измерения поверхностного сопротивления и глубины диффузионного слоя на контрольной пластине, перераспределения примеси (с одновременным окислением), контроля вольт-амперных характеристик перехода (на контрольной пластине). Таким образом, общее число операций изготовления ИМС (без учета заготовительного этапа получения пластины) приблизительно равно 150, а продолжительность полного цикла обработки составляет около 100 ч.

Рис. 19. Схема технологического процесса изготовления — ИМС

эпитаксиально-планарной структуры со скрытым слоем

Из схемы видно, что основная часть технологического процесса связана с получением структур в групповой пластине. Цикл групповых процессов обработки ИМС заканчивается получением межсоединений на поверхности групповой пластины. Межоперационный контроль параметров диффузионных и эпитаксиальных слоев, выполняемый на контрольных пластинах, имеет целью слежение за стабильностью технологического процесса и корректировку режимов обработки (температуры, концентрации, времени) в случае недопустимых отклонений. По данным межоперационного контроля партия пластин может оказаться забракованной и снятой с дальнейшей обработки.

При нормальном протекании процесса часть кристаллов в составе групповой пластины оказываются дефектными, например, из-за проколов в защитных масках. Принцип интегральной технологии исключает возможность обнаружения дефектных ячеек на ранних стадиях формирования структур. Лишь на завершающем этапе групповой обработки — получения межсоединений и периферийных контактов — становится возможным контроль ИМС на правильность функционирования. Начиная с этой контрольной операции дальнейшая обработка может быть групповой либо индивидуальной.

Зондовый контроль осуществляется на автоматических установках путем перемещения групповой пластины под головкой, несущей контактные щупы (зонды), с шагом, соответствующим размерам ячейки, и последовательного контактирования зондов с периферийными контактами каждой ячейки. При наличии годной ячейки вырабатывается сигнал на очередное перемещение на шаг, в противном случае — сигнал на маркировочное устройство, наносящее цветную метку на дефектную ячейку. В дальнейшем на групповой пластине наносятся риски по границам ячеек (операция скрайбирования), пластина разламывается на отдельные ячейки-кристаллы и дефектные кристаллы (несущие метку) отбраковываются.

Монтаж кристалла в полых корпусах сводится к его установке и фиксации с помощью приклеивания или пайки на основании корпуса, а в сплошных (полимерных) корпусах — на промежуточном носителе. Затем периферийные контакты кристалла соединяют с внешними выводами корпуса. Способ монтажа выводов, так же как и способ герметизации ИМС (пайка, сварка, заливка и др.), зависят от конструкции корпуса. Монтажно-сборочные операции чередуются с межоперационным контролем, имеющим цель не пропустить бракованные изделия на дальнейшую обработку и выявить нарушения в технологическом процессе. На завершающем этапе производятся электрический контроль ИМС по статическим и динамическим параметрам, их классификация и маркировка, а также выборочные механические и климатические испытания.

Основную часть производственного цикла по длительности составляют этапы формирования структуры ИМС. Однако групповая обработка, а также возможность многоместной обработки (одновременно нескольких групповых пластин) на ряде операций (диффузия, эпитаксия, окисление, химическая обработка) снижают трудоемкость в пересчете на одну ИМС, поэтому особое внимание должно быть обращено на снижение трудоемкости операций индивидульной обработки. На этой стадии процесса производства необходимо использовать автоматические средства сборки и контроля, что, в свою очередь, требует разработки конструкций корпусов, до­пускающих возможность применения группового контактирования, многоместной обработки при установке кристалла и герметизации, автоматической подачи и ориентации изделий при сборке и электрическом контроле и других прогрессивных технологических методов.

Экономическая целесообразность автоматизации операций данной группы подкрепляется единообразием технологических операций и применяемого оборудования, которые для определенной конструкции корпуса практически не зависят от структуры ИМС и ее функционального назначения. На этом основании может оказаться эффективным выделение процессов третьей группы в специализированные предприятия.

Микроклимат и производственная гигиена. Исключительно важное значение для обеспечения высокого процента выхода годных ИМС и воспроизводимости их параметров имеют стабильность климатических условий производства, а также высокая чистота производственной атмосферы, технологических газов и жидкостей в сочетании с использованием сверхчистых основных материалов (полупроводниковых, легирующих, изолирующих и др.).

К климатическим параметрам производственных помещений относят температуру и влажность, совокупность которых определяет понятие микроклимата. Определенная и стабильная температура необходима прежде всего для фотолитографических операций и операций, связанных с изготовлением фотошаблонов. В условиях жестких требований к точности элементов топологического слоя ИМС (десятые и сотые доли микрометра) существенным является стабильность линейных размеров пластины, фотошаблона и элементов технологической установки для совмещения и экспонирования. Аналогичные требования имеют место при изготовлении фотооригиналов, при фотосъемках и других операциях по изготовлению фотошаблонов.

Для ряда технологических процессов (диффузия, эпитаксия и др.) требуется рабочая температура 800-1200°С, стабилизированная с точностью до десятых долей градуса. Создание определенных условий теплообмена технологического оборудования с окружающей средой облегчает задачу поддержания рабочей темпе­ратуры процесса в этих пределах. Наконец, стабилизация температуры помещений обеспечивает высокую точность измерений при межоперационном контроле и окончательных электрических испытаниях ИМС.

Из-за влажности воздуха производственных помещений происходит адсорбция паров воды поверхностью пластин, кристаллов, а также элементами рабочих объемов технологических установок, что при нагреве может приводить к образованию нежелательных окислов. Следует отметить, что адсорбция паров воды поверхностью изделий происходит более активно, чем кислорода воздуха, вследствие малых размеров молекул воды, поэтому влажность в производственных помещениях должна быть минимальной (но не ниже 30 %, установленных санитарными нормами). По температурно-влажностным параметрам соответствующим отраслевым стандартом устанавливается три класса производственных помещений (табл. 2).

Табл. 2 - Параметры воздушной среды производственных помещений (по ОСТ 4.091.172—81)

Характеристика воздушной среды		Класс помещения
		1	2	3	4	5
Температура, °С	летом	22±0,5	20±1	20±2	По ГОСТ 12.1.005-76
	зимой	22±0,5	23±1	23±2
Относительная влажность, %		45±5	50±5	50±10
Максимальное число частиц размером ≥0,5мкм на 1 л воздуха		4	35	350	1000	3500

Производственная гигиена — комплекс технологических и организационно-технических мероприятий, направленных на обеспечение чистоты воздушной среды производственных помещений и чистоты технологических сред и имеющих целью повышение качества выпускаемых изделий.

С точки зрения производственной гигиены воздушная среда производственного помещения характеризуется запыленностью. Присутствие в воздухе механических частиц — аэрозолей является одной из причин появления проколов в защитном слое окисла и выхода из строя элементов и ИМС в целом. Частицы пыли, осевшие на поверхности готовых структур, могут привести к пробоям и коротким замыканиям при электрических испытаниях ИМС или ее эксплуатации.

Запыленность воздушной среды принято оценивать количеством частиц размером не менее 0,5 мкм, приходящихся на единицу объема (1 л или 1 м³). По степени запыленности производственные помещения (или ограниченные рабочие объемы) подразделяют на пять классов (табл. 2).

Для обеспечения обеспыленности производственной воздушной среды предприятия микроэлектронного производства стараются размещать в зеленых зонах вдали от других промышленных предприятий. Для промышленных зданий и помещений используются материалы, легко поддающиеся очистке и не загрязняющие окружающий воздух. Перед подачей в помещения воздух проходит специальную систему фильтрации, а производственные помещения оборудуются системами кондиционирования. Давление воздуха внутри зданий должно несколько превышать атмосферное для уменьшения самопроизвольного проникновения наружного воздуха (минуя фильтр и вентилятор). Особо тщательно оборудуются помещения 1-3-го классов, которые принято называть чистыми комнатами или гермозонами.

Чистая комната имеет рабочее помещение, где размещается технологическое оборудование и выполняются операции; гардеробные помещения для подготовки обслуживающего персонала к ра­боте; переходные и обдувочные шлюзы; помещения для обработки приточного воздуха. Пример планирования чистой комнаты приведен на рис. 20. В чистых комнатах обеспечиваются не только определенные температура, влажность, запыленность, но и определенные скорость и направление перемещения воздуха, способствующие эффективному удалению пыли, образующейся при работе оборудования и движениях персонала.

Обеспечение необходимых требований по микроклимату и чистоте воздушной среды связано со значительными материальными затратами, поэтому целесообразно отдельные операции, к которым предъявляются единые требования, группировать в общем помещении. Рекомендуемые для различных операций классы микроклимата и чистоты производственных помещений приведены в таблице 3.

Рис. 20. Пример планировки помещений чистой комнаты:

а — участок диффузии;

б — участок фотолитографии;

в — участок химической обработки;

г — участок напыления;

д — коридор-шлюз;

е — обдувочный шлюз;

ж — гардероб чистой одежды;

з — гардероб общецеховой одежды;

и — туалетная комната;

1, 2, 3, 4 — оборудование для диффузии, фотолитографии, химической обработки и вакуумного напыления соответственно

Табл. 3. Классы производственных помещений и рабочих объемов для выполнения различных операций

Наименование технологических операций	Класс помещения		Класс рабочего объема по запыленности
	Класс помещения	Класс рабочего объема по запыленности	Наименование технологических операций
Фотолитографические	1	3	1
Вакуумное напыление	3	2	2
Химическая обработка пластин и подложек, окисление пластин, диффузия примесей	3	3	2
Скрайбирование и разделение пластин, монтаж кристалла в корпус, присоединение выводов	3	5	5
Герметизация и контроль герметичности, изготовление толстопленочных ИМС	3	5	-

Рис. 21. Схемы рабочих боксов для операций без выделения (а)

и с выделением (б) продуктов химических реакций:

1 — лампы освещения;

2 — фильтр;

3 — воздухозаборная решетка с фильтром;

4 — вентилятор;

5 — подъемная стеклянная шторка;

6 — щель для отвода воздуха;

7 — патрубок для отвода воздуха

Достичь высокой степени обеспыленности проще в ограниченных, локальных рабочих объемах — боксах или скафандрах. На рис. 21 представлены некоторые варианты рабочих боксов. Внутри бокса может быть установлено то или иное технологическое оборудование небольших размеров (центрифуга для нанесения фотослоя, установка совмещения и экспонирования, установка для микросварки, установки межоперационного контроля, ванны для химической обработки и т. д.). Такой бокс может обслуживать и крупногабаритное оборудование, например диффузионную печь, а также служить для перегрузки пластин из герметичной цеховой тары. Оператор сообщается с рабочим объемом через лицевой проем при поднятой шторке. Достоинством боксов является возможность создать в них необходимую для выполнения операции среду (воздух высокой степени осушенности, заполнение инертным газом и т. д.).

Для фотолитографического цикла операций целесообразно создавать поточные линии из герметизированных боксов — скафандров (рис. 22). В этом случае необходимые манипуляции оператор осуществляет с помощью резиновых перчаток, герметично вмонтированных в скафандр, а передача изделий с одного рабочего места на другое производится через шлюзовые окна, соединяющие смежные скафандры.

Определенные требования предъявляют к содержанию помещений, рабочим местам, инструменту, технологической таре, технологической документации, специальной одежде персонала.

К технологическим средам относятся прежде всего технологические газы и технологическую воду.

Технологические газы в производстве ИМС используют в разных целях. Защитные газы (азот, аргон, гелий) применяют для исключения процессов окисления и коррозии на операциях с высокой температурой (пайка, сварка, герметизация, продувка реакторов эпитаксиальных и диффузионно-окислительных установок, транспортировка газов-реагентов и т. п.). Газы-реагенты используются в качестве диффузантов, окислителей, травителей, восстановителей и т. д. Такие газы, как аргон, азот, кислород, могут применяться в качестве плазмообразующих в процессах ионно-плазменного распыления, плазмохимической обработки, вакуум-плазменного травления. В таблице 4 приведены требования к чистоте технологических газов, наиболее широко используемых при производстве ИМС.

Рис. 22. Общий вид, скафандра:

1 — шлюзовое окно; 2 — смотровое стекло; 3 — резиновые перчатки

Табл. 4. Требования к чистоте технологических газов

Газ	Содержание примесей (не более)
	кислород, об. %	водород, об. %	пары воды, °С (по точке росы)	аэрозоли размером ≥0,5 мкм, част./л
Азот			-65	4
Аргон			-65	4
Водород		-	-75	4
Кислород	-		-65	4

Промышленно выпускаемые газы не имеют достаточной чистоты (например, аргон высшего сорта по ГОСТ 10157—79 содержит до 0,001% кислорода и имеет точку росы -58 °С), поэтому необходима их очистка непосредственно на предприятии (централизованно) с использованием серийно выпускаемых газоочистительных установок (УОГА-25, УОГВ-25 и др.). Установка ЖК.30.21, например, позволяет снизить содержание кислорода в аргоне до об. % и точку росы до -70 °С. Особенно тщательно осушать и очищать от водорода и кислорода технологические газы нужно для процессов эпитаксии: в газовой смеси, содержащей водород и кислород, при температурах свыше 550 °С протекает процесс гидрирования, т. е. образования паров воды; при температу­ре 1200 °С (типичной для процесса эпитаксии) окисление кремния начинается в газовой смеси с точкой росы -40 °С, что приводит к структурным нарушениям выращиваемой эпитаксиальной пленки.

Для межоперационного хранения изделий используют боксы или специальные емкости (эксикаторы) с активным влагопоглотителем (силикагелем).

В производстве ИМС в больших количествах используется вода. Она применяется для отмывки пластин-подложек от следов различных химических реактивов (травителей, проявителей и т. п.), ионы которых способны проникать в поверхностный слой полупроводника и изменять его электрофизические свойства. Вода служит растворителем при получении различных технологических растворов, а также выступает в роли химического реагента (например, термическое окисление кремния в парах воды). Во всех перечисленных случаях требуется, чтобы в воде не было механических частиц (гидрозолей), растворенных солей и газов, примесей металлов, микроорганизмов и т. п.

Предварительно воду очищают от взвешенных и коллоидно-растворенных частиц. Для этого используют методы дистилляции, сорбции с помощью специальных фильтров, коагуляции и др. Предварительно очищенная вода содержит в основном растворимые соли, поэтому окончательная очистка воды осуществляется с помощью ионно-обменных смол путем связывания катионов и анионов диссоциированных в воде солей, в результате чего в воду поступают ионы водорода Н⁺ и гидроксильных групп ОН^-. Такой процесс очистки получил название деионизации, а получаемая вода — деионизованной.

Основным показателем чистоты воды является ее объемное удельное сопротивление. Различают деионизованную воду марок А. Б и В, для которых удельное сопротивление составляет соответственно 18, 10 и 1 МОм [для сравнения укажем, что водопроводная вода имеет сопротивление 3-6 кОм, вода двойной дистилляции — 0,3…0,6 МОм, а идеально чистая вода (теоретическое значение при 20 °С) — 25 МОм].

Кроме удельного сопротивления для деионизованной воды определяют содержание органических примесей и кремниевой кислоты, а в особых случаях (для сложных ИМС) — микрочастиц, микроорганизмов и др.