6.1.2. Понятие о технологическом цикле производства имс

В процессе технологического цикла производства твердотельных интегральных микросхем используются различные операции, содержание которых кратко можно описать следующим образом.

Первоначально выращивается полупроводниковый кристалл кремния. Специальными методами достигается идеальность его кристаллической решетки и необходимое содержание примесей. В исходном состоянии диаметр кристалла кремния может достигать десятки сантиметров.

Цилиндрический кристалл кремния разрезается на тонкие пластины толщиной до 50-80 мкм, которые в дальнейшем выступают как подложка. На каждой подложке в процессе дальнейшего технологического процесса одновременно будет формироваться сотни одинаковых микросхем.

Фотолитография (рентгеновская литография, электронолитография) как процесс переноса рисунков с фотошаблонов на поверхность пластины кремния (подложки), включает в себя следующие неоднократные процедуры (итерации):

– выращивание на поверхности кремния слоя окиси SiO₂;

– нанесение на поверхность пластины слоя фоторезиста – полимера, ″твердеющего″ под действием света;

– первичная сушка;

– установка фотошаблонов (фотомаски) на поверхность подложки;

– экспозиция (облучение) кристалла через маску в ультрафиолетовом свете;

– проявление (обработка облученного фоторезиста);

– вторичная сушка фоторезиста;

– химическое травление и удаление остатков фоторезиста;

– формирование металлических электродов на поверхности подложки;

– "раскрытие" новых окон в пленке окисла, в которые путем диффузии направляются примеси для создания областей эмиттеров и коллекторов, истоков и стоков и т. п. Это достигается использование новых фотошаблонов.

Свет обладает дифракционными свойствами, поэтому при облучении маски граница между темными и светлыми участками схемы не резкая, а размытая. Этот эффект приводит к ограничению минимального размера окна, через которое идет формирование структуры (облучение, легирование и т.п.) до 1 мкм. Этот размер сравним с применяемой длиной волны ультрафиолета (УФ).

Таким образом, дифракционные свойства света накладывают дальнейшие ограничения на увеличение степени интеграции схемы.

В то же время размеры некоторых элементов в современных микросхемах составляют десятые доли микрон (субмикронные размеры). Для получения таких схем необходимо уменьшать длину волны света, используемого для облучения фотомаски. Поэтому вместо УФ перспективным является использование рентгеновского излучения или электронных пучков. В частности, при использовании рентгеновского излучения и электронных пучков с энергией 10⁴ эВ можно получить минимальные размеры элемента на схеме менее 10 100 нм.

Как правило, перечисленный выше процесс повторяется неоднократно (5 – 6 итераций) в зависимости от сложности схемы.

Диффузия – процесс, при котором формируются области р- и n- переходов, области стока (С), истока (И), базы (Б), эмиттера (Э), коллектора (К). В качестве акцептора используется обычно бор, в качестве донора – мышьяк.

Эпитаксиальный процесс – ориентированное выращивание одного монокристалла на поверхности другого. В частности, выращивается второй или третий кремниевый слой на поверхности окисла кремния из газовой фазы и создается объемная многослойная конструкция микросхемы.

Термическое оксидирование – создание на поверхности кремния пленки окисла во влажной среде. Пленка SiO₂ служит не только защитой структуры от окисления, но и выполняет диэлектрическую (электроизоляционную) функцию, например в МОП-конденсаторах, полевых транзисторах и т. п.

Ионная имплантация – внедрение в объем пластины примесей (бора, фосфора, мышьяка) в виде ионов с высокой энергией как для устранения неоднократных высокотемпературных нагревов для диффузии, так и для удобства процесса, поскольку при ионной имплантации ионы не проникают через тонкие слои окисла, которые можно использовать для защиты отдельных структур.

Металлизация – процесс осаждения металла (золото, алюминий, никель) на электрические соединения, контакты, выводы.

После проведения многочисленных технологических операций наступает завершающая фаза – скрайбирование, которая представляет собой механическое разрезание описанной выше плоской кремниевой пластины с сотнями одинаковых микросхем на отдельные кристаллы. Каждый из данных кристаллов является готовой микросхемой, помещаемой в отдельный корпус. После того, как к каждой твердотельной микросхеме привариваются (обычно, лазерная сварка) золотые проволочки в качестве электрических контактов, происходит ″заваривание″ микросхемы в пластмассовый корпус.