4. Краткие теоретические сведения

Основным типом элементов современной электронной аппаратуры являются полупроводниковые интегральные схемы (ИС). Они содержат до нескольких миллиардов транзисторов с минимальным топологическим размером (минимальным размером областей) порядка 10 нм. Все элементы ИС очень тонкие, плоские и располагаются в приповерхностном слое общего кристалла полупроводника – подложки. Их изготовление осуществляется обработкой одной из поверхностей плоской подложки. Нижняя поверхность подложки при этом не используется. Технология изготовления таких ИС часто называется планарной, т.е. плоскостной.

Планарная технология стала возможной благодаря применению главной технологической операции – фотолитографии. Её задачей является создание так называемой маски на поверхности подложки. В типичном случае фрагмент подложки с маской имеет вид рис. 1.

Рис. 1

Здесь защитный слой маски – двуокись кремния SiO₂ на поверхности кремниевой подложки. Окна маски делают доступной для обработки поверхность полупроводника в необходимых местах.

Упрощённо процесс фотолитографии поясняют рисунки рис. 2.

Рис. 2,а. Подготовленная к фотолитографии кристаллическая кремниевая подложка с идеально обработанной поверхностью.

Рис. 2,б. Создание защитного слоя SiO₂, например окислением кремния.

Рис. 2,в. Нанесение на защитный слой фоторезиста – светочувствительного вещества, которое под действием света полимеризуется и затвердевает.

Рис. 2,г. Наложение на фоторезист фотошаблона – стеклянной фотопластинки, на которую сфотографировано с большим уменьшением необходимое чёрнобелое изображение.

Рис. 2,д. Засветка. Свет проникает сквозь прозрачные участки фотошаблона и засвечивает под ними фоторезист.

Рис. 2,е. Удаление фотошаблона.

Рис. 2,ж. Смывка незасвеченного фоторезиста растворителем, не действующим на засвеченный фоторезист.

Рис. 2,з. Травление слоя SiO₂ плавиковой кислотой (не действует на засвеченный фоторезист).

Рис. 2,и. Смывка засвеченного фоторезиста.

Именно качеством фотолитографии определяется минимальный размер окон и, тем самым, размеры и количество транзисторов ИС. Главным фактором, ограничивающим минимальный топологический размер, является дифракция (рассеивание) света при засветке, рис. 3. Из-за дифракции наблюдается частичная засветка затенённого фоторезиста, границы света и тени становятся нечёткими. Это приводит к недопустимым изменениям формы и размеров окон и изменению свойств элементов ИС.

Рис. 3

Проявление дифракции можно ослаблять, уменьшая длину волны света (излучения), используемого при засветке. В настоящее время используемые длины волн соответствуют мягкому рентгеновскому излучению.

Качество фотолитографии зависит также от степени очистки воздуха. Мельчайшие пылинки в нём, попавшие под фотошаблон при засветке, способны затенить участки поверхности будущих ИС, т.е. вызывать брак. Значительной проблемой является также точное наложение фотошаблонов. При изготовлении ИС фотолитография выполняется несколько раз, что требует идеального совмещения рисунков всех используемых фотошаблонов.

Через окна в маске осуществляется диффузия примесей в полупроводник в необходимых местах. Для этого кремниевые пластины с будущими ИС помещают в так называемую диффузионную печь. В ней создается атмосфера, содержащая донорную или акцепторную примесь в газообразном состоянии при высокой температуре. Примесь проникает через окна в полупроводник и превращает его в полупроводник n- или p- типа. Концентрация примеси в полупроводнике тем больше, чем больше температура и время такой обработки.

Недостатком операции диффузии является формирование слоёв с убывающей с глубиной концентрацией примеси, поскольку вероятность проникновения атомов примеси уменьшается с увеличением расстояния от поверхности.

Однородные слои примесного полупроводника, в которых концентрация примеси одинакова по всей толщине примесного слоя, позволяет получить операция «эпитаксия». Эпитаксия использует способность кристаллов «расти», когда они захватывают, присоединяют к себе атомы такого же вещества из окружающей среды. Для этого кремниевую подложку помещают в атмосферу, содержащую газообразный атомарный кремний. Атомы кремния оседают на поверхности подложки в строгом порядке, повторяющем кристаллическую структуру подложки. Если в атмосферу газообразного кремния добавлена газообразная донорная или акцепторная примесь, наращенный слой будет полупроводником n- или p- типа. При неизменности условий эпитаксии будет неизменной и концентрация примеси во всем эпитаксиальном слое. Толщина эпитаксиального слоя, как и в случае диффузии примесей, тем больше, чем больше температура и время обработки подложки.

При изготовлении ИС применяется также операция напыления самых различных веществ – металлов, диэлектриков, полупроводников. Для этого напыляемое вещество нагревается в вакууме до температуры испарения. Пары вещества, оседая на всех холодных поверхностях, например, на подложке, конденсируются, т.е. возвращаются в твёрдое состояние. Толщина напыленного слоя зависит, прежде всего, от длительности такой операции. В ИС это, как правило, металлические плёнки, образующие контакты металл-полупроводник и проводники между элементами.