Технология кремниевой наноэлектроники

ская норма для схем памяти достигнет величины 14 нм, а физическая длина затвора для микропроцессорных ИС составит 6 нм.

Непрерывное уменьшение характерных размеров элементов и рост числа транзисторов на кристалле обусловливают ещѐ одну достаточно очевидную тенденцию – уменьшение стоимости изготовления одного транзистора. Так, за 30 лет, начиная с 1970 г., стоимость изготовления одного транзистора упала на 5 порядков величины и в настоящее время составляет менее 10–7 доллара.

Ещѐ одна чрезвычайно важная тенденция – это увеличение диаметра полупроводниковых пластин, используемых для изготовления ИС. При этом площадь растѐт пропорционально увеличению квадрата диаметра и, следуя аналогичной закономерности, увеличивается количество кристаллов ИС (чипов), снимаемых с пластины. Последнее обстоятельство существенно уменьшает себестоимость изготовления одного чипа, что экономически оправдывает переход на больший диаметр пластин, сопровождаемый сменой технологического оборудования. За сравнительно короткий период времени полупроводниковая промышленность освоила технологию изготовления ИС на пластинах диаметром 100 мм (начало выпуска пластин – 1975 г.), 150 мм (начало выпуска пластин – 1983 г.), 200 мм (1987 г.) и в настоящее время работает на пластинах с максимальным диаметром 300 мм (1995 г.). Согласно ITRS переход на пластины кремния диаметром 450 мм начнѐтся в 2012 г., и пластины данного диаметра будут использоваться вплоть до 2020 г.

Новая тенденция в микроэлектронике, которую необходимо отметить, касается конструирования ИС и заключается в объединении нескольких функционально различных ИС на одном кристалле, что приводит к созданию так называемых «систем на кристалле» (system- on-chip, SoC). Другой вариант интеграции заключается в объединении нескольких различных кристаллов ИС в одном корпусе и создание так называемых «систем в корпусе» (system-in-package, SiP). Такая интеграция позволяет с помощью одного устройства микроэлектроники решать целый комплекс задач. Например, микропроцессоры общего назначения могут соединяться с системами обработки сигналов для приложений беспроводной связи.

Прогресс в микроэлектронной промышленности происходит на фоне непрерывного усложнения технологии производства, удорожания разработки ИС, а также увеличения стоимости технологического оборудования и фабрики в целом. Так, например, если в 1979 г. при производстве схем динамической памяти емкостью 64 Кбит с минимальным размером элементов 3,0 мкм проводилось 100 технологических операций и семь операций литографии, то производство 1-Гбит

11

схем с минимальным размером элементов 0,13 мкм в 2001 г. потребовало 440 технологических операций и 21 операцию литографии. За 30 лет, начиная с 1970 г., стоимость литографического оборудования выросла на 3 порядка величины. Чуть меньшими темпами происходит рост стоимости создания новой фабрики. Начиная с 1970 г. стоимость фабрики возросла на 2 порядка величины и в настоящее время составляет около 2,5 млрд долларов. Ожидается, что в ближайшем будущем эта цифра может возрасти до 5–10 млрд долларов. Рассмотренные экономические тенденции свидетельствуют о том, что прогресс микроэлектроники лимитируется не только темпами внедрения новых технических решений или технологий, но и в значительной мере экономикой производства.

12

3. Технологические среды

3.1.Чистые производственные помещения

Впроизводстве СБИС весьма актуальной задачей является проблема создания чистых производственных помещений (ЧПП) с жесткими требованиями:

а) к микроклимату помещений (запыленность воздушной среды, влажность, температура, скорости воздушных потоков, перепад давления в смежных помещениях);

б) к технологическому оборудованию и оснастке (отсутствие вибрации, шума, открытых движущихся частей, использование специальных материалов и др.);

в) к производственному персоналу (одежда, правила поведения в рабочих помещениях).

Понятно, что чистое помещение – это помещение, в котором чисто. Однако в настоящее время этот термин имеет специальное значение. Согласно стандарту ISO 14644-1, разработанному Международной организацией стандартизации (ISO), чистое помещение – это помещение, в котором контролируется концентрация аэрозольных частиц и которое построено и используется так, чтобы свести к минимуму поступление, генерацию и накопление частиц внутри помещения, и в котором, при необходимости, контролируются другие параметры, например температура, влажность и давление. Первые два из трех пунктов определения это и есть, в сущности, ответ на вопрос, что такое чистое помещение. Итак, чистое помещение – это помещение, снижающее до минимума поступление, генерацию и накопление частиц. Это достигается, во-первых, подачей в чистое помещение больших объемов воздуха, фильтруемого высокоэффективными фильтрами. Он подается для разбавления и удаления частиц и бактерий, выделяемых персоналом и технологическим оборудованием, установленным в чистом помещении, а также для того, чтобы создать в помещении барьер от попадания загрязненных воздушных потоков извне. Во-вторых, чистое помещение построено из материалов, которые не генерируют аэрозолей и могут легко очищаться. И, наконец, работающий в чистом помещении персонал носит спецодежду, изолирующую его от окружающей среды и снижающую количество выделяемых персоналом частиц и микроорганизмов. В чистых помещениях могут также контролироваться температура, влажность, уровень шума, освещенность и вибрация.

Втабл. 3.1 показаны источники микрозагрязнений в воздухе и характерные для них размеры.

13

В табл. 3.2 представлена взаимосвязь классов чистоты помещений по ISO 14644-1 с концентрацией аэрозольных частиц и их размеров. Чистота по взвешенным в воздухе частицам обозначается классификационным числом N. Максимальная допустимая концентрация

однонаправленным потоком воздуха. Турбулентно вентилируемые чистые помещения называются еще помещениями с неоднонаправленным потоком воздуха. Первоначально чистые помещения с однонаправленным потоком называли чистыми помещениями с «ламинарным потоком». В чистых помещениях с однонаправленным потоком используется гораздо большее количество воздуха, чем в турбулентно вентилируемых чистых помещениях, и они обеспечивают более высокий уровень чистоты.

На рис. 3.1 представлена конструкция чистого помещения, которая была популярна в последние годы.

виброизолятор

Рис. 3.1. Чистое помещение с вертикальным однонаправленным потоком воздуха

Однонаправленный воздушный поток движется от потолка, состоящего сплошь из высокоэффективных фильтров, вниз через пол чистого помещения. В некоторых проектах возврат воздуха осуществляется через камеры, расположенные под фальшполом, в то время как в других вариантах (см. рис. 3.1) имеются большие подпольные пространства для технического обслуживания. Тип чистого помещения, представленный на рис. 3.1, часто называют ballroom (буквально «танцзал»), поскольку такое чистое помещение представляет собой единый большой объем. Подобное решение типично для помещений площадью более 1000 м2. Оно дорого, но легко адаптируется к новым задачам.

В чистом помещении зального типа потолок из высокоэффективных фильтров снабжает чистым воздухом всю комнату безотносительно к реальным нуждам. Понятно, что воздух лучшего качества необходим там, где находится изделие, а в других местах будет при-

17

емлем и менее чистый воздух. На базе такой концепции были спроектированы более дешевые чистые помещения, в которых сервисные коридоры, соответствующие более низкому классу чистоты, чередуются в виде «гребенки» с чистыми туннелями более высокого класса, где и происходит работа с продукцией (рис. 3.2).

мини-зона

Рис. 3.2. Схематическое изображение чистых помещений трех типов: а – чистое помещение зального типа; б – чистое помещение туннельного типа; в – чистое помещение с мини-зонами

Оборудование встроено в перегородки так, чтобы подвод трубопроводов находился в сервисных коридорах. Обслуживающий персонал может получить доступ к технологическому оборудованию, не входя в чистое помещение, где проводится технологический процесс с участием полупроводниковых пластин. В чистых помещениях зального типа это также возможно, но требует установки дополнительных стеновых перегородок, обеспечивающих выделение чистых туннелей и сервисной зоны. Такие перегородки можно демонтировать и вновь собирать в разных конфигурациях по мере необходимости.

Всервисную зону обычно подается меньшее количество воздуха, и его чистота соответствует более низкому классу. Чистые туннели могут быть спроектированы так, чтобы обеспечить разные классы чистоты. Однонаправленный воздушный поток может идти от потолка или стены, поверхность которых целиком состоит из фильтров; в системах, не требующих самого высокого класса чистоты, фильтры могут не занимать 100% поверхности.

Вмини-зонах (см. рис. 3.2, в) для изоляции чувствительного к загрязнениям производственного участка используется физический барьер (как правило, ограждение из стекла, пластиковой пленки и др.). Внутри мини-зоны обеспечивается большее количество воздуха высокого качества, чем в остальном объеме помещения.

18

Из диаграммы, приведенной на рис. 3.3, видно, что проблема чистых помещений носит комплексный характер.

Рис. 3.3. Диаграмма основных источников микрочастиц пыли: П – обслуживающий персонал; ТП – технологический процесс;

ПО – оборудование, оснастка, средства

Недостаточно создать собственно чистое производственное помещение, которое обеспечивает нужный класс чистоты при отсутст-

вии технологического оборудования и персонала. Нужно одновре-

В Г П ТП О

менно применять оборудование, выделяющее минимум загрязнений или не выделяющее их вообще, одеть людей в «непылящую» одежду, научить их правильно вести себя и т.д. Иначе значительные затраты на создание чистых помещений попросту бессмысленны.

3.2. Жидкие химические и газообразные среды

3.2.1.Очистка газов

Всовременном производстве СБИС используется более 270 химических веществ в жидком и газообразном состоянии. С уменьшением размеров элементов количество химических веществ становится фактором, определяющим выход годных ИМС (раньше эту роль исполняла фотолитография). Назначение газов в полупроводниковом производстве – создавать при выполнении отдельных операций защитные, восстановительные или окислительные среды.

Наиболее широко используемым газом является азот, который, как правило, применяется в качестве псевдоинертного газа в печах во время отжига. Применяют азот в системах химического осаждения из паровой фазы как инертный наполнитель на финишной стадии процесса. Наконец, азот применяют в качестве среды, свободной от воздуха и частиц, в различном оборудовании, начиная от сложного технологического оборудования до простых шкафов для хранения фотошаблонов или пластин.

Для защитной среды используют также аргон, гелий и сухой воздух. Для восстановления поверхности полупроводника пользуются

19

водородом. Окислительные среды получают либо парами воды, либо сухим или влажным кислородом.

В табл. 3.3 приведен качественный перечень примесей, присутствие которых в технологических газах создает проблемы при их использовании в полупроводниковом производстве, а также причины этих проблем.

Т а б л и ц а 3.3

Примеси в газах высокой чистоты и их влияние на полупроводниковое производство