Технологические основы електроники / TOE-MK-1

ПИТАННЯ до модульного контролю №1.

з дисципліни «Технологічні основи електроніки»

МОДУЛЬНИЙ КОНТРОЛЬ №1.

1. Мiкроклiмат та виробнича гігієна.

2. Класифікація технологічних процесів за призначенням у виробництві.

3. Класифікація технологічних процесів оброблюючої групи.

4. Вимоги до кремнiєвих пластин

5. Зобразити структуру елементів напівпровідникових інтегральних мікросхем:

а) МОН - транзистор; б) діод на базі біполярного транзистора.

6. Зобразити структуру елементів напівпровідникових інтегральних мікросхем:

а) біполярний транзистор; б) конденсатор на базі МОН-транзистора.

7. Зобразити структуру елементів напівпровідникових інтегральних мікросхем:

а) МОН - транзистор; б) резистор на базі біполярного транзистора.

8. Зобразити структуру елементів напівпровідникових інтегральних мікросхем:

а) біполярний транзистор; б) діод на базі МОН-транзистора.

9. Зобразити структуру елементів напівпровідникових інтегральних мікросхем:

а) МОН - транзистор; б) конденсатор на базі біполярного транзистора.

10. Зобразити структуру елементів напівпровідникових інтегральних мікросхем:

а) біполярний транзистор; б) резистор на базі МОН-транзистора.

11. Зобразити та описати послідовність формування дифузійно-планарної структури напівпровідникових мікросхем на прикладі транзистора

12. .Зобразити та описати послідовність формування епітаксійно-планарної структури без схованого шару напівпровідникових мікросхем на прикладі транзистора

13. Зобразити та описати послідовність формування епітаксійно-планарної структури зі схованим шаром напівпровідникових мікросхем на прикладі транзистора

14. Зобразити та описати послідовність формування структури з діелектричною ізоляцією напівпровідникових мікросхем на прикладі транзистора

15. Зобразити та описати послідовність формування ізопланарної структури напівпровідникових мікросхем на прикладі транзистора

16. Зобразити та описати послідовність формування поліпланарної структури (з ізолюючим V-каналом) напівпровідникових мікросхем на прикладі транзистора

17. Зобразити та описати послідовність формування комплементарної структури (КМОН) напівпровідникових мікросхем на прикладі транзистора

18. Зобразити та описати послідовність формування структури “кремній на сапфірі” (КМОН-КНС) напівпровідникових мікросхем на прикладі транзистора

19. Розробити схему технологічного процесу виготовлення дифузійно-планарної структури.

20. Розробити схему технологічного процесу виготовлення епітаксійно-планарної структури без схованого шару

21. Розробити схему технологічного процесу виготовлення епітаксійно-планарної структури зі схованим шаром.

22. Розробити схему технологічного процесу виготовлення структури з діелектричною ізоляцією

23. Розробити схему технологічного процесу виготовлення ізопланарної структури

24. Розробити схему технологічного процесу виготовлення поліпланарної структури.

25. Розробити схему технологічного процесу виготовлення комплементарної структури (КМОН

26. Розробити схему технологічного процесу виготовлення структури кремній на сапфірі (КНС).).

2. Послідовність виготовлення напівпровідни-кових мікросхем

Тип структури мікросхеми визначається напівпровідниковим матеріалом, що використовується в технології виготовлення локальних областей, методом ізоляції елементів в кристалі, типом та структурою транзистора. Переважна більшість НІМС (90%) виготовляється на основі кремнію. З цієї причини нами буде розглянута послідовність виготовлення лише кремнієвих мікросхем.

Дифузійна планарна структура. Як вхідна заготовка використовується монокристалічна пластина кремнію, рівномірно легована акцепторними домішками (має провідність р-типу). Послідовність формування структури приведена на рисунку 2.3. На першому етапі на пластину наноситься шар оксиду кремнію SiO₂ (рис.2.3,а). У цьому шарі шляхом літографії вибірково витравлюють ділянки прямокутної форми (рис 2.3,б) та через утворені вікна шляхом термічної дифузії вводяться атоми домішки донора (утворюються ділянки n-типу, які будуть виконувати роль колектора транзистора). Після цього проводиться термічне окислення (рис 2.3, в.). У результаті на поверхні монокристалу знову утворюється суцільний шар SiO₂. Таким чином, одночасно створюються колекторні області, всіх транзисторів та ізолюючі області резисторів. Вторинним повторним травленням віком менших розмірів у шарі оксиду та послідуючої дифузії акцепторної домішки формуються базові області транзисторів з провідністю р-типу (рис.2.3,г,д). Далі в результаті послідуючих циклів: літографії, дифузії та окислення виготовляються області емітерів, а також високолеговані ділянки з провідністю n⁺-типу для створення низькоомних контактів (рис 2.3,е,є).

Рисунок 2.3. Послідовність формування дифузійно-планарної структури.

Для створення міжелементного зв’язку у шарі оксиду відкриваються вікна (рис.2.3.ж) і пластина покривається суцільною металевою плівкою, як правило з алюмінію (рис.2.3.з), при цьому у місцях вільних від оксиду утворюються контакти з відповідними областями кремнію. Заключний цикл літографії по плівці алюмінію дозволяє створити систему з’єднань та периферійні контактні майданчики в кристалах (рис.2.3,і) .

У дифузійному колекторі концентрація активних домішок розподілена нерівномірно: вона максимальна на поверхні та дорівнює 0 на дні колектора. З цієї причини ділянка колектора під базою має велике електричний опір, що збільшує напругу насичення та час переключення транзистора. Рівномірний розподіл домішок за товщиною у колекторі може бути отриманий за допомогою епітаксійного нарощування дозованої кількості донорної домішки. Процес епітаксії використовується в епітаксійно-планарній структурі.

Епітаксійно - планарна структура. Для того, щоб виготовити просту епітаксійно-планарну структуру, як вхідну заготовку можна взяти монокристалічну пластину кремнію п-р-типу. Після очищення на поверхню пластини шляхом епітаксії наносять монокристалічний шар кремнію n-типу провідності, після чого проводиться окислення поверхні (рис. 2.4,б)

Рисунок 2.4. Послідовність формування епітакійно-планарної структури

Методом літографії травляться вікна у вигляді тонких замкнутих доріжок по контуру колекторних областей транзистора (рис.2.4.г).

Провівши через вікна дифузію акцепторних домішок до змикання їх з р-областями пластини, отримують таким чином ізольовані один від одного острівці рівномірно легованого кремнію з провідністю п-типу (рис.2.4, д). Такий процес дифузії отримав назву ізолюючої або роздільної. В отриманій на даній стадії заготівці формують базові та емітерні ділянки транзистора, а також системи з’єднань (рис.2.4.,е).

Концентрація легуючих домішок у епітаксійній плівці (N) можна змінювати у широких межах, але з підвищенням концентрації домішок у епітаксійному колекторі зменшується пробивна напруга переходу база-колектор (рис.2.5).

Рисунок 2.5. Характер залежності електропровідності () епітаксійного шару та пробивної напруги переходу від концентрації легуючої домішки (N)

Компромісне вирішення вдалось отримати у використанні так званого схованого шару на дні колектора з провідністю n⁺ у епітаксійно-планарній структурі зі схованим шаром. У цьому випадку епітаксійний колектор легується потрібного концентрацією домішки, розрахованої із умови пробою переходу база-колектор, низький опір колектора забезпечується паралельно включеним схованим шаром з провідністю n⁺-типу.

Епітаксійно-планарна структура зі схованим шаром. Початкова стадія технологічного процесу виготовлення епітаксійно-планарної структури приведена на рисунку 2.6. Як вихідна заготовка використовується монокристалічна пластинка кремнію з провідністю р типу покрита оксидом кремнію SiO₂.

Рисунок 2.6. Послідовність формування епітакійно-планарної структури зі схованим шаром

У поверхневому шарі оксиду відкривають вікна (рис. 2.6,б) через які проводять дифузію донорної домішки з високою концентрацією, після чого поверхня окислюється. Таким чином отримуються області з провідністю n⁺-типу які є майбутніми схованими шарами, розмір яких трохи менший майбутніх колекторних областей транзистора. Після звільнення поверхні від оксиду шляхом епітаксії нарощується шар кремнію n-типу провідністі (рис. 2.6. г, д). Після окислення поверхні пластини процес обробки відбувається за схемою, що нами була розглянута вище.

У дифузійно-планарних та епітаксійно-планарних мікросхемах ізоляція одного від іншого та кристалів здійснюється завдяки обернено-зміщеного переходу кристал-колектор (на кристал мікросхеми подається від’ємний потенціал). Такі переходи мають помітні втрати струму та ємності. В результаті цього зменшується швидкодія схеми, а відстані між елементами приходиться виготовляти великими, що не може не вплинути на ступінь інтеграції. Найкращу ізоляцію елементів один від одного і від кристалу забезпечує структура з діелектричною ізоляцією.

Структура з діелектричною ізоляцією.У такій структурі кожний елемент розміщують в окремій “кишені”, що представляє собою область, обмежену шаром SiO₂. У цьому випадку відстань між елементами може бути зменшена до 8-10 мкм. На рисунку 2.7 приведена послідовність формування структури з діелектричною ізоляцією.

Рисунок 2.7. Послідовність формування структури з діелектричною ізоляцією

У вихідній окисленій пластині кремнію n-типу провідності, у поверхневому шарі якої створено тонкий шар з провідністю n⁺-типу шляхом епітаксії, який у майбутньому буде являти схований шар у колекторі. Методом фотолітографії спочатку у шарі оксиду, а потім у кремнії відкривають вікна по контуру майбутніх елементів, глибина каналу відповідає товщині транзистора (до 15мкм). Отриману рельєфну поверхню окислюють (рис.2.7, б). На наступному етапі на поверхню пластини наносять товстий шар кремнію (рис.2.7, в). У наслідок впливу SiO₂ осаджений кремній має полікристалічну структуру, та служить конструкційною основою майбутньої мікросхеми. Обернену сторону шліфують, вилучаючи монокристалічний кремній, та після доводки і промивання окислюють (рис. 2.7, г, д). Таким чином отримують заготовку, яка представляє собою монолітний шар кремнію в якому розмішені кишені із SiO₂ , які містять монокристалічний кремній з провідністю n типу. Ці ділянки представляють собою колекторні області майбутнього транзистора, далі для формування структури та міжз’єднань застосовують дифузію, літографію та покриття шаром алюмінію аналогічно тим, які розглядались раніше.

Структура з діелектричною ізоляцією має ряд недоліків. По перше, виникає проблема у введені у технологію технологічних процесів, які пов’язані із механічною обробкою пластини (шліфування, полірування). Внаслідок того, що пластина складається з полікристалічного кремнію, в якому поміщені острівці з монокристалічного кремнію, втрачається монолітність пластини, це призводить до виникнення макронапружень в виробі, що призводить до короблення пластини, що, в свою чергу, затруднює процес літографії.

Зазначених недоліків можна уникнути в ізопланарних мікросхемах.

Ізопланарна структура. Ізопланарна мікросхема має тип структури подібний до епітаксійно-планарних мікросхем з різницею, що при її формуванні роздільна дифузія (застосовується при виготовлені ділянок з провідність р⁺) замінюється наскрізним окисленням. Таким чином елементи ізопланарної мікросхеми ізолюються один від одного шаром оксиду, а від кристалу - за допомогою обернено-зміщеного n-р–переходу (рис.2.8.).

При виготовленні ізопланарної структури на поверхню пластини кремнію р-типу, яка містять епітаксійні n⁺ та n-шари, напиляють шар нітриду кремнію Si₃N_4. Методом фотолітографії у цьому шарі утворюють захисну маску з вікнами по контуру колекторних областей, після чого проводиться наскрізне окислення пластини на глибину

Рисунок 2.8. Послідовність формування ізопланарної структури

транзистора. На наступному етапі шляхом травлення вилучають шар Si₃N₄ і поверхня пластини окислюється. Послідовність формування решти областей є аналогічно розглянутих вище.

Технологічним недоліком ізопланарної структури є необхідність довгого в часі окислення. На практиці ізопланарний процес можливий при товщині епітаксійного шару не більше 3-4 мкм.

Удосконаленим варіантом розглянутої структури є структура із ізольованим V-каналом або поліпланарна (рис 2.9). При її формуванні замість наскрізного окислення проводять наскрізне травлення, з послідуючим окисленням отриманих канавок та їх заповненням полікристалічним кремнієм. Слід відмітити, що ширина канавки l та її глибина d пов’язані співвідношенням l/d = 1.41 для надійності розділення елементів, тобто глибина канавки повинна бути трохи більша товщини епітаксійного шару.

Спочатку в оксидному шарі, а потім і кремнії витравлюються V-канали, після чого проводиться окислення одержаної рельєфної поверхні. Далі на поверхню наноситься шар полікристалічного кремнію, після чого методом шліфування з послідуючим поліруванням знімають залишки кремнію до відкриття

Рисунок 2.9. Послідовність формування поліпланарної структури

оксидної плівки. Після окислення поверхні (рис. 2.9., д) одержують ізольовані оду від одної колекторні області. На заключних етапах методами фотолітографії, термічної дифузії та окислення формують структуру транзистора.

КМОН-структури. Поряд з біполярними транзисторами при виготовлені напівпровідникових мікросхем використовуються польові транзистори, які мають структури: метал-оксид-напівпровідник (МОН) або метал-діелектрик-напівпровідник (МДН). Вони є більш технологічними (на 30% відсотків менше операцій при виготовленні, ніж біполярних), вони мають значно менші розміри, ніж біполярні. Останнє приводить до того, що ступінь інтеграції мікросхем на основі МОН-транзисторів є більшою, і це є причиною використання даного типу транзисторів при створені сучасних мікропроцесорів, хоча вони за своїми характеристиками поступаються біполярним. Основним елементом функціональної схеми на МДП-структурах є МДП-транзистор (польовий транзистор). Він має симетричні структури і складається з джерела, стоку, затвору. Транзистор зі структурою МОН можна виготовляти як із вбудованим, так і індукованим каналом. Він може мати провідність n- або р-типу. Мікросхеми називаються n-канальними або р-канальними. При виготовлені мікросхем на МОН-транзисторах можна в одній структурі достатньо легко створити як n- так і р-канальні транзистори. Ці транзистори отримали назву комплементарних або КМОН.

Слід відмітити, що дані мікросхеми виготовляються за планарною технологією, але є свої особливості, зумовлені конструкцією та структурою МДН-транзисторів:

• весь процес виготовлення зводиться до формування МДН-транзисторів та з’єднань між ними, оскільки в мікросхем всі елементи виготовляються на основі транзистора;

• у технологічному процесі відсутні операції для ізоляції структур, оскільки в МДК-ІМС вони не потрібні із-за самоізольованих елементів;

• внутрісхемні виводи формуються не тільки за допомогою металевих шарів, а і із самолегованих шарів кремнію;

• порівняно легко в одному кристалі можна створити МОН-транзистор з різним типом провідності каналу, що дозволяє виготовляти МДН-ІМС з більшими функціональними можливостями на комплекторних структурах (КМДН-ІМС).

Послідовність формування КМОН-структур представлена на рис.2.10. Для створення цієї структури використовується технологічні процеси термічної дифузії, літографії, розпилення. Вихідна заготовка представляє собою монокристалічну пластинку кремнію п-типу провідності. Шляхом фотолітографії у шарі оксиду SiO₂ відкриваються вікна, через які проводиться термічна дифузія і виготовляються ділянки з провідністю р-типу для майбутніх n-канальних транзисторів, далі одержують області з р⁺- та n⁺-типом провідності. Для виготовлення

Рисунок 2.10. Послідовність формування комплементарної структури (КМОН)

області джерела та стоку n-канальних транзисторів у шарі оксиду відкриваються вікна, що відповідають розміру цих структурних елементів, а далі проводиться термічна дифузія, таким чином ділянки джерел та стоків для n-канальних транзисторів є сформованими і мають провідність n⁺ типу. Для виготовлення стоків і джерел р-канальних транзисторів та охоронних кілець для n-канальних транзисторів по контуру ділянки напівпровідника з р-провідністю, тобто навколо n–каналів транзистора, бажано мати охороні кільця провідністю р⁺-типу. Для ізоляції у шарі оксиду відкривається вікна по контуру зони з р-провідністю у місцях майбутніх джерел та стоків, через ці вікна проводиться дифузія акцепторних домішок, і пластина окислюється. Далі необхідно створити зовнішню розводку на мікросхемі, заслони із плівки алюмінію, але спочатку необхідно виготовити тонкий шар оксиду над каналами. Для цього шляхом фотолітографії над каналами відкриваються вікна у шарі оксиду, потім наноситься шар оксиду необхідної товщини. Послідовним використанням літографії на SiO₂, термічним розпиленням алюмінію та фотолітографії по алюмінію виготовляються контакти із джерелами, стоками і заслонами, система між з’єднань та периферійні контакти кристалів. Таким чином структура транзисторів є сформованою.

Структура кремній на сапфірі (МОН-КНС). Як вихідна заготовка для виготовлення мікросхем використовується монокристалічна пластина штучного сапфіру, який є діелектриком (рис.2.11).

Рисунок 2.11. Послідовність формування структури кремній на сапфірі (КНС).

На очищену поверхню шляхом гетероепітаксії наноситься шар монокристалічного кремнію товщиною 1мкм. За допомогою фотолітографії кремній розбивається на окремі ізольовані один від одного острівці. Частина острівців покривається шаром оксиду кремнію за допомогою термічної дифузії, у непокритих SiO₂ острівцях змінюється тип провідності з n-типу на р-тип, ісля чого пластина звільняється від оксиду. Це майбутні n- та р- канальні транзистори. Над майбутніми каналами наноситься шар оксиду кремнію, потім р острівці покриваються фосфороселікатним склом пP₂O₅*рSiO₂, а потім вся пластина покривається бороселікатним склом пB₂O₃*рSiO_2. При нагріванні пластини із скла виділяється фосфор та бор, які дифундують у кремній. У результаті такої дифузії створюються ділянки з провідністю n⁺- та р⁺-типу, далі пластина звільняються від скляного покриття травленням, поверхня пластини покривається щільною оксидною плівкою і за допомогою фотолітографії над каналами виготовляються вікна, далі знову наноситься шар оксиду потрібної товщини. Для виготовлення контактів, заслонів системи, міжз’єднань та периферійних контактних майданчиків послідовно використані літографія, термічне розпилення алюмінію у вакуумі, фотолітографія по алюмінію. Таким чином, ми розглянули на прикладі транзистора, як формується структури інтегральних мікросхем деяких типів. Розглянуті типи структур не вичерпують усіх існуючих, або тих, які розробляються, як перспективні.

3. Схема технологiчного процесу.

Схема технологічного процесу являє собою маршрутний лист по якому здійснюється формування структури. Схема складається у відділі головного технолога підприємства і передається у цехи для безпосереднього використання. Складання схеми технологічного процесу представляє собою технологічний процес узагальненої схеми, тобто перелік усіх базових технологічних операцій, які використовуються у базових технологічних процесах.

Наприклад при проведені термічної дифузії використовують наступні технологічні операції: попереднє внесення домішки у напівпровідник (загонка), контроль якості загонки на контрольній пластині, перерозподіл домішки (розгонка), вимірювання глибини залягання n-р переходу, вимірювання поверхневого опору n-р переходу.

При фотолітографії використовуються операції: підготовка поверхні пластини, нанесення фоторезисту, чистка фоторезисту, суміщення шаблону, експонування, проявлення захисного рельєфу, задублення, травлення, вилучення фоторезисту.

Загальна кількість операцій виготовлення ІМС приблизно дорівнює 150, а тривалість повного циклу обробки складає приблизно 100 годин. При підготовці схеми необхідно чітко вказувати номер фотолітографії, і матеріал, на якому вона здійснюється, вказувати вид термічної дифузії, записи повинні бути лаконічними.

На рис. 2.12 наведено узагальнену схему технологічного процесу для виготовлення дифузійно-планарної структури.

Зі схеми видно, що основна частина технологічного процесу зв’язана з одержанням структур у груповій пластині. Цикл групових процесів обробки ІМС закінчується одержанням міжз’єднань на поверхні групової пластини. Межопераційний контроль параметрів дифузійних та епітаксій них шарів виконується на контрольній пластині. Його метою є спостереження за стабільністю технологічного процесуі коректування режимів обробки (температури, концентрації, часу) уу випадку неприпустимих відхилень. За даними межопераційного контролю партія пластин може опинитися забракованою ї знятою з подальшої обробки.

При нормальному протіканні процесу частина кристалів у складі групової пластини виявляються дефектними, наприклад, через проколи в захисних масках. Принцип інтегральної технології включає можливість виявлення дефектних ділянок на ранніх стадіях формування структур. Лише на завершальному етапі групової обробки – одержання міжз’єднань та периферійних контактів стає можливим контроль ІМС на правильність функціонування. Починаючи з цієї контрольної операції подальша обробка може бути індивідуальною. Це здійснюється за допомогою зондового контролю.

Окислена пластина р-типу

Колекторна

дифузія

n- домішки

1-а фотоліт.

на SiO₂

Окиснення

3 -а фотоліт.

на SiO₂

Окиснення

Базова дифузія

p- домішки

2 -а

фотоліт.

на SiO₂

Емітерна дифузія

n⁺ - домішки

4 -а фотолітог.

на SiO₂

Металі-

зація Al

Окиснення

Контроль електричних параметрів МСХМСХ

Розділення пластин на кристали

5 -а фотоліт.

на Al

Відпалю-вання

контактів

Монтаж кристала в корпус

Випробу-

вання

ІМС

Герметизація

Монтаж зовнішніх виводів

Маркування, пакування

Рисунок 2.12. Схема технологічного процесу виготовлення дифузійно-планарної структури

Мета зондового контролю - виявлення бракованих кристалів. Зондовий контроль здійснюється на автоматичних установках шляхом переміщення групової пластини під голівкою зонда, яка містить контактні щупи (зонди), із кроком, що відповідає розмірам кристала мікросхеми. Якщо мікросхема придатна, то сигнал йде на чергове переміщення на крок, у противному випадку – подається сигнал на пристрій, що наносить кольорову мітку на дефектну ділянку. При зондовому контролі тестується майбутня мікросхема на її працездатність.

Далі на груповій пластині наносяться риски по межах кристалів (операція скрайбування), пластина розламується на окремі кристалиі дефектні кристали (помічені фарбою) відбраковуються.

Монтаж кристала в корпус зводиться до його установки та фіксації за допомогою приклеювання або припаювання. Потім периферійні контакти кристала з’єднують з зовнішніми виводами корпусу.