Sb95845
.pdfМИНОБРНАУКИ РОССИИ
_______________________________
Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ» им. В. И. Ульянова (Ленина)
___________________________________________________
О. В. АЛЕКСАНДРОВ
СПЕЦИАЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА ИНТЕГРАЛЬНЫХ МИКРОСХЕМ
Учебно-методическое пособие
Санкт-Петербург Издательство СПбГЭТУ «ЛЭТИ»
2017
УДК 621.3.049.77(07) ББК 3844.15–06я7
А46
Александров О. В.
A46 Специальные вопросы технологии производства интегральных микросхем: учеб.-метод. пособие. СПб.: Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2017. 28 с.
ISBN 978-5-7629-2058-2
Содержит комплекс учебно-методических материалов для подготовки к лекционным, практическим, лабораторным занятиям и самостоятельной работе по дисциплине «Специальные вопросы технологии производства интегральных микросхем». Может быть использовано при изучении дисциплины «Технологические особенности производства ИМС», при выполнении междисциплинарного курсового проекта, в ходе производственной и преддипломной практик, а также при подготовке выпускной квалификационной работы.
Предназначено для обучающихся в бакалавриате по направлению 11.03.04. «Электроника и наноэлектроника».
УДК 621.3.049.77(07) ББК 3844.15–06я7
Рецензент: канд. техн. наук, зам. ген. директора ПАО «Светлана» В. А. Клевцов.
Утверждено редакционно-издательским советом университета
в качестве учебно-методического пособия
ISBN 978-5-7629-2058-2 |
© СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2017 |
2
ВВЕДЕНИЕ
Современный технический прогресс в значительной мере опирается на достижения полупроводниковой микро- и наноэлектроники. Ее бурное развитие происходит исключительно за счет разработки новых и совершенствования существующих технологических процессов.
Задачей дисциплины «Специальные вопросы технологии производства интегральных микросхем» является изучение основных технологических процессов изготовления кремниевых биполярных и МДП интегральных микросхем (ИМС) и методов их моделирования.
Учебно-методическое пособие предназначено для студентов очной, оч- но-заочной (вечерней) и заочной форм обучения.
Цели и задачи дисциплины
1.Изучение особенностей технологии изготовления современных интегральных микросхем (ИМС), новых перспективных технологий и тенденций их развития.
2.Формирование умений и навыков моделирования основных технологических процессов, составления технологических маршрутов, расчета режимов основных технологических операций изготовления ИМС.
Врезультате освоения дисциплины студенты должны:
знать и понимать: технологические и конструкторские особенности современных ИМС;
уметь: составлять технологические маршруты изготовления биполярных и МОП ИМС;
владеть: методикой расчета режимов основных технологических операций изготовления биполярных и МОП ИМС.
CОДЕРЖАНИЕ РАБОЧЕЙ ПРОГРАММЫ
Введение. Тенденции развития полупроводниковой электроники. Тема 1. Интеграция элементов ИМС.
Основные элементы планарной технологии. Классификация ИМС. Степень интеграции. Выход годных ИМС. Факторы, влияющие на выход годных ИМС. Моделирование выхода годных ИМС. Надежность ИМС.
3
Функции распределения интенсивности отказов. Испытания ИМС. Механизмы отказов.
Тема 2. Моделирование технологических процессов изготовления ИМС.
Моделирование ИМС. Физико-технологическое моделирование. Термическое окисление. Перераспределение примесей при термическом окислении. Ионная имплантация. Диффузия с постоянным коэффициентом диффузии. Диффузионная загонка. Предэпитаксиальный отжиг. Эпитаксиальное автолегирование. Диффузионная разгонка. Ионное легирование. Диффузия с непостоянным коэффициентом диффузии. Эффекты высоких концентраций легирующей примеси. Особенности диффузии бора и фосфора. Особенности диффузии мышьяка и сурьмы. Диффузия при градиенте концентрации вакансий. Диффузия примеси в нескольких состояниях.
Тема 3. Изоляция элементов ИМС.
Способы изоляции элементов ИМС. Изоляция p–n-переходом: п- и р- карманы, изолирующая диффузия, коллекторная изолирующая диффузия, базовая изолирующая диффузия, двусторонняя диффузия, двойная диффузия. Диэлектрическая изоляция: кремний на сапфире, ЭПИК, ДИАК. Комбинированная изоляция: изопланар, полипланар, эпипланар, щелевая изоляция. Новые методы создания КНИ-структур: прямое термическое сращивание, зонная перекристаллизациия, ионный синтез (SIMOX, SIMNI).
Тема 4. Технология биполярных ИМС.
Классификация биполярных ИМС. Технология n–p–n биполярных ИМС. Изопланарная технология. Изопланар 1, Изопланар 2, Изопланар S. Технология с поликремниевым эмиттером. Самосовмещенная технология. Технология И2Л и И3Л. Особенности технологии биполярных ИМС.
Тема 5. Технология МОП ИМС.
Классификация МОП ИМС. Технология р-МОП ИМС. Технология п- МОП ИМС. Технология с поликремниевым затвором. Самосовмещение. LOCOS-технология. ДМОП-технология. Биполярная МОП- и биполярная КМОП-технология. Особенности технологии МОП ИМС.
4
Тема 6. Геттерирование.
Загрязнения в технологии ИМС. Меры по обеспечению чистоты в технологии ИМС. Твердофазная растворимость примесей. Распад твердых растворов. Уравнение Аврами. Способы геттерирования быстродиффундирующих примесей: нарушенным слоем; легированным слоем; наносимым слоем; газовое геттерирование; внутреннее геттерирование.
Тема 7. Импульсный отжиг.
Виды импульсного отжига. Режимы импульсного отжига: поверхностный нагрев, поверхностно-объемный нагрев, объемный нагрев. Сравнение импульсного отжига с термическим. Области применения импульсного отжига.
Тема 8. Тенденции развития ИМС.
Пути совершенствования ИМС: увеличение степени интеграции, улучшение быстродействия, повышение выхода годных. Разработка новых технологических процессов. Ограничения в развитии субмикронных ИМС. ИМС на новых полупроводниковых материалах.
Заключение. Кремниевые ИМС – основа техноэволюции.
Материалы по курсу лекций см. в учебном пособии [1].
ЛАБОРАТОРНЫЕ РАБОТЫ
№ |
|
Трудоем- |
|
|
Наименование лабораторной работы |
кость, |
Темы |
||
п/п |
||||
|
ауд. ч |
|
||
|
|
|
||
|
|
3 |
|
|
1 |
Термическое окисление кремния |
2, 3 |
||
|
|
3 |
|
|
2 |
Диффузионное легирование |
2, 3 |
||
|
|
3 |
|
|
3 |
Ионная имплантация |
2, 3 |
||
|
|
3 |
|
|
4 |
Плазмохимическое осаждение |
4, 5 |
||
|
|
1 |
|
|
5 |
Контроль параметров диэлектрических пленок |
4, 5 |
||
|
|
1 |
|
|
6 |
Определение параметров легированных слоев |
4, 5 |
||
|
|
4 |
|
|
7 |
Фотолитография |
|
||
|
|
18 |
|
|
|
Итого |
|
||
|
|
|
|
|
|
5 |
|
|
Описание лабораторных работ см. в методических указаниях [2].
КУРСОВОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ
Задание к курсовой работе предусматривает расчет технологических режимов основных операций производства микросхем: термического окисления, диффузии, имплантации, эпитаксии. В ходе выполнения курсовой работы студенты должны составить технологический маршрут, определить по исходным данным последовательность операций с указанием поперечных сечений полупроводниковой структуры, разработать чертежи топологического расположения элементов микросхемы на кристалле, промоделировать заданный технологический процесс.
Ориентировочная трудоемкость выполнения курсовой работы – 36 ч.
Тема курсовой работы: «Разработка маршрута и расчет технологических режимов изготовления логического элемента».
В индивидуальных заданиях варьируются:
1.Тип логики: ДТЛ, ТТЛ, ТТЛШ, ЭСЛ, n-МОП, р-МОП, K-МОП,
Д-МОП.
2.Вид технологии: биполярная и МОП-технология.
3.Логические функции: НЕ, И-НЕ, ИЛИ, ИЛИ-НЕ.
4.Способы изоляции элементов: изолирующая диффузия, изопланар, LOCOS, КСДИ.
5.Моделируемые процессы.
Материалы по курсовому проектированию см. в [3].
ПРАКТИЧЕСКИЕ ЗАНЯТИЯ
№ |
Наименование темы занятия |
Трудоем- |
Тема |
п/п |
кость, |
||
|
ауд, ч. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
Расчет толщины пленки термического диоксида кремния |
2 |
2, 3 |
|
|
|
|
2 |
Расчет толщины пленки диоксида кремния при последова- |
2 |
2, 3 |
|
тельном окислении |
|
|
|
|
|
|
|
6 |
|
|
3 |
Расчет толщины пленки диоксида кремния при окислении под |
2 |
2, 3 |
|
давлением |
|
|
|
|
|
|
4 |
Расчет температуры и времени изолирующей диффузии |
2 |
2, 3 |
|
|
|
|
5 |
Расчет глубины залегания коллекторного p–n-перехода |
2 |
2, 4 |
|
биполярного транзистора |
|
|
|
|
|
|
6 |
Расчет толщины защитной пленки при ионной имплантации |
2 |
2, 5 |
|
|
|
|
7 |
Расчет распределения примеси при имплантации через |
2 |
2, 5 |
|
пленку |
|
|
|
|
|
|
8 |
Расчет глубины залегания имплантированного p–n-перехода |
2 |
2, 4, 5 |
|
|
|
|
9 |
Расчет температуры и времени геттерирования |
2 |
4, 5 |
|
|
|
|
10 |
Расчет ширины зоны, очищенной геттерированием |
3 |
4, 5 |
|
|
|
|
|
Итого |
21 |
|
|
|
|
|
Студенты заочной формы обучения выполняют контрольную работу (КР) по дисциплине в ходе самостоятельной работы в течение семестра и выступают с краткими сообщениями во время лабораторно-экзаменационной сессии.
Практические занятия № 1–3
Расчет толщины пленки диоксида кремния
При термическом окислении кремния в среде сухого кислорода или водяного пара вырастает пленка диоксида кремния (SiO2), толщина которой в отсутствие начальной пленки согласно модели Дила–Гроува определяется выражением
x |
k p |
1 4tk 2 / k |
p |
1 |
, |
(1) |
|
|
|
||||||
|
|
l |
|
|
|
||
|
2kl |
|
|
|
|
||
где t – время окисления; kl |
и k p – |
константы |
скорости линейного и |
||||
параболического окисления, зависящие от среды окисления, ориентации кремния и от температуры в виде
7
|
|
E |
|
|
|
E |
p |
|
|
|
|
|
|
l |
|
; k p k p0 exp |
|
|
|
|
, |
(2) |
|
kl kl0 exp |
|
|
|
kT |
|
||||||
|
|
kT |
|
|
|
|
|
|
|||
где k – постоянная Больцмана (k = 8,62 10–5 эВ/К); T – абсолютная температура. При наличии на поверхности кремния начальной пленки диоксида кремния формула принимает вид
|
x |
k p |
|
1 4(x2 |
k |
p |
x |
/ k |
l |
k |
p |
t)k 2 / k 2 |
1 , |
(3) |
||
|
|
|||||||||||||||
|
|
|
|
0 |
|
0 |
|
|
l |
p |
|
|
|
|||
|
|
2kl |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
где x0 – начальная толщина пленки. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
Значения |
предэкспоненциальных |
множителей kl0 , |
k p0 и |
энергий |
||||||||||||
активации El , |
E p приведены |
в [3] |
для |
ориентации |
|
кремния |
(111) и |
|||||||||
парциального давления окислителя (сухого кислорода или водяного пара) равного атмосферному pa = 105 Па. Для ориентации кремния (100) имеем
kl (100) = 0,6 kl (111); k p (100) = k p (111). |
|
При давлении окислителя p 105 Па |
|
kl (p) = kl p / pa ; k p (p) = k p p / pa . |
(4) |
При окислении в смеси газов |
|
kl kl (O2 ) p(O2 ) / p kl (H2O) p(H2O) / p , |
(5а) |
k p k p (O2 ) p(O2 ) / p k p (H2O) p(H2O) / p , |
(5б) |
где p – суммарное давление газов в системе (кислорода, водяного газа и газа носителя, или разбавителя азота, или другого неактивного газа),
p p(O2 ) p(H2O) p(N2 ) .
Практические занятия № 4–5
Расчет глубины залегания p–n-перехода при диффузии
Глубина диффузии легирующей примеси и, соответственно, глубина p–n-перехода определяются температурой, временем и видом источника диф-
8
фузии. Температура задает коэффициент диффузии
|
|
E |
a |
|
|
|
|
|
|
|
, |
(6) |
|
|
|
|||||
D D0 exp |
|
|
|
|||
|
|
kT |
|
|
||
где D0 – предэкспоненциальный множитель; Ea – энергия активации
диффузии. Эти параметры зависят от вида примеси; для основных легирующих примесей они приведены в [3].
При диффузии из неограниченного источника распределение примеси по глубине имеет вид
|
|
x |
|
|
|
С(x,t) Сserfc |
|
|
|
, |
(7) |
2 |
|
||||
|
Dt |
|
|
||
где CS – поверхностная концентрация; t – время диффузии; erfc – дополнительная функция ошибок. Положение p–n-перехода, определяемое из
условия С(x j ,t) Cb , где Cb – концентрация примеси в подложке, |
в этом |
||||||
случае имеет вид |
|
|
|
|
|
|
|
x |
j |
2 |
Dt erfc 1(C |
/ C |
s |
) , |
(8) |
|
|
b |
|
|
|
||
где Cb – концентрация примеси в подложке. При расчете глубины диффузии
удобно пользоваться простой аппроксимацией дополнительной функции ошибок
|
|
|
|
|
2 |
|
. |
|
(9) |
|
erfc(z) exp |
z 0,3 |
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
При диффузии из ограниченного источника распределение примеси по |
||||||||||
глубине имеет вид |
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
Q |
|
|
|
x2 |
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
, |
(10) |
|
С(x,t) Сs πDt |
exp |
|
4Dt |
|||||||
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
где Q – количество примеси в источнике. В этом случае глубина p–n-пере- хода
x j 2 Dt ln |
|
Q |
. |
(11) |
|
Cb |
πDt |
||||
|
|
|
|||
|
|
9 |
|
|
При диффузии в две стадии (загонка и разгонка) в качестве Q берется количество примеси, введенное на первой стадии (загонке),
Q 2Cs1 D1t1 / π . |
(12) |
Практические занятия № 6–8
Расчет глубины имплантации и залегания p–n-перехода
Распределение примеси при ионной имплантации обычно описывается функцией Гаусса
C(x) Q 
2π R p
exp
(x R p )2 2 R2p
, (13)
где Q – количество внедренной примеси, или доза имплантации, ион/см2; Rр – средний проецированный пробег; Rр – среднеквадратичный разброс (страгглинг) проецированных пробегов. Значения Rр и Rр зависят от энергии имплантации, вида примеси, материала мишени. Для основных легирующих примесей и мишеней Si и SiO2 значения Rр и Rрприведены в [3].
Концентрация имплантированной примеси становится равной заданной концентрации или концентрации примеси в подложке Cb на глубине xb :
|
|
|
|
|
Q |
|
|
|
|
|
x R |
|
|
2 R2 ln |
|
|
|
. |
(14) |
||
|
|
|
|
|
||||||
b |
p |
|
p |
|
2π R |
|
C |
|
|
|
|
|
p |
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
b |
|
||
При термическом отжиге происходит электрическая активация и диффузия примеси из имплантированного слоя, распределение принимает вид
|
Q |
|
|
|
(x R p ) |
2 |
|
|
(x |
R p ) |
2 |
|
|
|
||
C(x,t) |
|
|
exp |
|
exp |
|
|
|
. (15) |
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
2π( R2 |
|
2( R2 |
|
|
2( R2 |
|
|
|
||||||||
|
|
|
2Dt) |
|
|
2Dt) |
|
|||||||||
|
2Dt) |
|
|
|
||||||||||||
|
p |
|
|
|
p |
|
|
|
|
p |
|
|
|
|
|
|
Глубина залегания имплантированного p–n-перехода определяется выражением
10