ЭЛЕКТРОНИКА

ВВОДНЫЕ ЗАМЕЧАНИЯ

Настоящий практикум выполняется на персональных компьютерах в компьютерных классах лаборатории кафедры «Электроника» МТУСИ. Основой программного обеспечения при этом являются разработанная на кафедре программа (лабораторная работа №5) пакет схемотехнического анализа «Microcap 10 evaluation», т.е. свободно распространяемая версия семейства программ «Microcap» [1]. Несмотря на отсутствие в ней многих функций и неполноту библиотек параметров элементов, данная программа является современным и мощным программным средством, успешно используемым в учебном процессе.

Хотя программа «Microcap 10 evaluation» может использоваться без ограничений, связанных с защитой авторских прав, в целом настоящий лабораторный практикум состоит из оригинальных лабораторных работ с описаниями, разработанными в МТУСИ. Поэтому лабораторный практикум может использоваться только с разрешения МТУСИ.

Лабораторные работы сопровождаются подробными методическими указаниями по выполнению и не требуют изучения программы. Однако некоторые её особенности должны постоянно учитываться:

Например, 1.3К. Или, в показательной форме, 1.3Е3.

3

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 5

ИЗУЧЕНИЕ ПЛАНАРНО-ЭПИТАКСИАЛЬНОЙ ТЕХНОЛОГИИ

1. Цель работы

Изучение основных технологических операций и в целом технологии изготовления интегральных схем (ИС) на примере полупроводниковых ИС на МДП и биполярных транзисторах.

2. Домашнее задание

Изучить раздел «Краткие теоретические сведения». К выполнению работы допускаются студенты, способные объяснить назначение основных технологических операций изготовления ИС, назначение фотошаблона, фоторезиста.

3.Задание

Врежиме «обучение», предусмотренном в выполняемой лабораторной работе, изучить последовательность применения основных технологических операций при изготовлении ИС на биполярных транзисторах. В режиме «зачет» ответить на десять вопросов по технологии изготовления. Удовлетворительным результатом можно считать не более 1 ошибки при времени выполнения задания не более нескольких минут.

Результат выполнения задания представляется преподавателю.

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

4

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.

кремниевая подложка с идеально обработанной поверхностью.

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

5

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.

6

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

7

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.

8