Тема 2. Інтегральні мікросхеми

1.1. Планарна технологія

При виготовленні p-n-переходів напівпровідникових приладів ранніх випусків використовувались технологічні методи вирощування монокристала напівпровідника з розплаву і вплавлення домішки в монокристал (вирощені і сплавні р-n-переходи). Напівпровідникові прилади з такими p-n-переходами працювали на дуже низьких час­тотах. Робочі потужності цих приладів були невеликі. Тому головним завданням напівпровідникової електроніки в перше десятиріччя її існування було розв'язання двох проблем:

створення транзисторів, які спроможні підсилювати і генерувати електричні коливання у всьому діапазоні радіочастот аж до мілімет­рових хвиль;

збільшення робочих потужностей від частин вата до десятків і со­тень ват.

Скоро стало ясно, що розв'язання цієї проблеми здебільшого пов'я­зане з можливістю створення в глибині кристала і на його поверхні вкрай малих областей з особливими властивостями.

З метою зменшення площі p-n-переходу і відповідно його ємності розроблений електрохімічний метод, який дозволяє виготовляти так звані поверхнево-бар'єрні переходи, що конструктивно аналогічні сплавним. Суть цього методу полягає в тому, що на поверхні пласти­ни напівпровідника з допомогою тонкої струминки електроліта витрав­люється заглиблення (лунка), розміри якої визначають площу р-n-пе­реходу. В заглибленні на поверхню пластини електролітичним спосо­бом осаджують, а потім вплавляють відповідний метал, який є доміш­кою р- або n-типу. Так утворюється р-n-перехiд, тобто контакт метал-­напівпровідник. Напівпровідникові прилади з поверхнево-барєрними p-n-переходами (переходами мезаструктури) більш високочастотні порівняно з приладами, які мають вирощені або сплавні р-n-пере­ходи (переходи класичної структури).

Для переходів класичної структури характерне почергове розмі­щення шарів з різними типами провідності. В мезаструктурі окремі шари розміщені на підвищенні над монокристалом напівпровідника (основою), як на гірському плато (mesa). Однак у тому і другому ви­падках р-n-переходи виходять на поверхню кристала. При цьому навіть незначне забруднення або зволоження області p-n-переходу спричиняє погіршення і нестабільність його параметрів.

У 1959 р. була запропонована так звана планарна технологія ви­готовлення напівпровідникових приладів, яка відкрила нову еру в мікроелектроніці. Існує два різновиди планарної технології: планарно­дифузійна і планарно-епітаксійна. Етапи виготовлення p-n-переходів методом планарно-дифузійної технології показані на рис. 2.1.

На поверхні однорідної пластини монокристала кремнію p-типу термічним окисленням кремнію формується тонка захисна плівка дво­оксиду кремнію SіО₂ (рис. 2.1, а). Електронно-дірковий перехід утво­рюється в об’ємі напівпровідника під цим захисним шаром, що запобі­гає дії різних зовнішніх факторів на p-n-перехід, а також відіграє важливу роль у процесі виготовлення планарних структур, забезпечуючи проникнення домішки в певні ділянки кристала.

Рис. 2.1

Для цього способом фотолітографії виготовляється оксидна маска. Пластину кристала кремнію з рівномірною тонкою (товщина 0,5 мкм) плівкою SіО₂ вкривають шаром світлочутливої емульсії – ­фоторезистом, то6то наносять на пластину кілька краплин фоторезисту і вміщують її у стіл центрифуги. Під час обертання під дією відцентрової сили фоторезист розтікається, утворюючи тонку рівномірну плівку (рис, 2.1, б), яку висушують.

Фоторезист чутливий до дії ультрафіолетового світла. На кремнієву пластину накладають фотошаблон з рисунком ділянок, які в по­дальшому повинні бути оброблені, щільно притискують до пластини і освітлюють ультрафіолетовим світлом (рис. 2.1, в).

Світло, яке проходить через прозорі ділянки фотошаблона, впливає на фоторезист так, що засвітлені ділянки його полімеризуються і стають нерозчинними в проявнику. Потім пластин и з фоторезистом піддають спеціальній обробці, в результаті якої вилучається лак з тих ділянок, на які не діяло ультрафіолетове випромінювання. Решта ді­лянок кремнієвої пластини, які покриті двооксидом кремнію, захищені полімеризованою плівкою фоторезисту. Якщо тепер діяти на плас­тину плавиковою кислотою, яка розчинює двооксид кремнію, то оксид­на плівка буде видалена саме з тих місць, де потрібно ввести домішку. Плавикова кислота не діє на полімеризований фоторезист, який, однак, тепер не потрібний і в подальшому змивається спеціальним роз­чинником.

Таким чином, у плівці двооксиду кремнію утворюється сукупність вікон (рис. 2.1, г), а на поверхні пластини-потрібний рисунок, вигравійований у плівці. Ця плівка і являє собою оксидну маску, че­рез яку вводиться легуюча домішка. Домішка може бути введена в монокристал кремнію тільки через відкриті вікна, оскільки шар ДВООК­сиду кремнію SіО₂ добре затримує дифундуючі речовини.

Через утворені вікна дифундують із газової фази домішки n-типу, і проникаючи вглиб кристала, утворюють n-острівці. Задовільна швидкість дифузії буває при температурі порядку 1000-1200 ^ОС. Оскільки провідність кристала p-типу, то між ним і острівцями утворюються p-n-переходи (рис. 2.1, д).

При планарно-дифузійній технології дифузія домішки відбуваєть­ся з поверхні кристала, що зумовлює малу чіткість меж р-n-перехо­дів. При цьому домішка розподіляється нерівномірно по товщині ос­нови: концентрація на поверхні більша, ніж у глибині. Недостатня чіткість p -n-переходів знижує якість напівпровідникових приладів.

Вказаний недолік значною мірою усувається за допомогою планарно­-епітаксійної технології.

Планарно-епітаксійна технологія дозволяє нарощувати тонкий напівпровідниковий шар на напівпровідникову основу з будь-яким ти­пом провідності, при якій кристалічні гратки вирощеного шару є точним продовженням кристалічних граток основи. Склад вирощеного шару епітаксійної плівки може відрізнятись від складу матеріалу ос­нови. Вирощений епітаксійний шар n-типу на підкладці p -типу пока­заний на рис. 2.2, а. Якщо виконати всі технологічні операції описа­ним вище способом по виготовленню оксидної маски за допомогою ме­тоду фотолітографії (див. рис. 2.1, б, в, г) і внести через розкриті вікна p-домішку, то одержимо n-острівці епітаксійного шару і відповідно р-n-переходи між острівцями і p-підкладкою (рис. 2.2, б). Вико­ристання тонкого епітаксійного шару при планарно-епітаксійній тех­нології дозволяє отримати рівномірний розподіл домішки по товщині і достатньо чіткі р-n-переходи.

Одне із важливих досягнень планарної технології є можливість за­хисту p -n-переходу від зовнішнього впливу. Утворені р-n-переходи і відповідні контакти виходять на одну площину підкладки (основи). Тому захисний шар, нанесений на поверхню основи, відіграє не тільки важливу роль в процесі виготовлення планарних структур, забезпе­чуючи проникання домішки в певні ділянки основи, але й запобігає дії зовнішніх факторів на р-n-переходи. r х можна додатково захис­тити ще легкоплавким склом, лаком, запресувати в пластмасу і т. п. Стало можливим автоматизувати найбільш Трудомісткі процеси виготовлення напівпровідникових приладів - складання і герметиза­цію.

Рис. 2.2

Процес фотолітографії у планарній технології дає змогу одержува­ти в кристалі напівпровідника області і р-n-переходи з лінійними розмірами не тільки в десятки, але й одиниці мікрометрів, що суттєво розширило частотний діапазон напівпровідникових приладів. По­чали швидко розвиватись прилади із структурою метал–діелектрик–напівпровідник - МДН (МОН)-структури.

Однак найголовніше досягнення планарної технології полягає в тому, що вона дозволила одночасно в єдиному технологічному циклі виготовляти на одному кристалі велику кількість p-n-переходів і з’єднань між ними, а отже, і напівпровідникових приладів, об’єднаних в єдину інтегральну мікросхему. Саме тому планарну технологію, яка відкрила дорогу новому напряму в напівпровідниковій техніці - мікроелектроніці, розглядають як другу революцію в електроніці.

Створення великих і надвеликих інтегральних мікросхем (BІС і HВІС) - в центрі уваги сучасної мікроелектроніки і вимагає розвит­ку нових технологічних методів, які б дозволили різко підвищити ступінь інтеграції і швидкодію HBІС. Проте оксидні маски, які створені методом фотолітографії, обмежені мінімальними розмірами еле­ментів у зв'язку з явищем дифракції світла на елементах рисунка. Мінімальний розмір елементів становить приблизно 1-2 мкм.

Подальше збільшення ступеня інтеграції компонентів мікросхем вимагає створення елементів з розмірами в десяті частки мікрометра. Для цього розроблено нові методи мікролітографії: електронний, рентгенівський та іонний. Найпоширеніша у виробництві сучасних мікросхем разом з фотолітографією електронна літографія.

Суть електронної літографії полягає в тому, що маска з потрібним рисунком створюється в процесі засвічування електронним потоком спеціального шару, який чутливий до електронів. Такий шар нази­вають електронним резистом. Дифракція електронів не е обмежуючим фактором у випадку використання електронних зондів з енергією електронів в десятки кіловольт. Практична межа роздільної здатності обробки визначається розсіюванням електронів в резисті і стано­вить 0,2 мкм.

Електронний резист засвічується за точно визначеним рисунком або з допомогою тонкосфокусованих пучків електронів, які відхиля­ються електричними і магнітними полями за заданою програмою з до­помогою ЕОМ або в результаті одночасного переносу зображення ри­сунка за шаблонами маски. Перший спосіб засвітки здійснюють пристрої, які називаються генераторами зображення, а другий - проек­тори.

Пристрої електронної літографії являють собою складний комплекс обладнання, до якого входять електронно-оптична система, джерело електронів і елементи, які формують електричні або магнітні поля для керування рухом електронів; система завантаження-розванта­ження пластин; координатний стіл з прецизійним переміщенням; ЕОМ або мікропроцесор, який керує роботою всіх систем; система ва­куумного забезпечення, джерело стабілізованого живлення і різнома­нітні контрольні системи.

Дуже часто пристрої електронної літографії використовуються в змішаних процесах, коли велика частина операцій проводиться мето­дом фотолітографії, а найбільш відповідальні ділянки обробляються електронним променем. При цьому досягається висока точність і особ­лива роздільна здатність обробки.