2. Технология изготовления интегральных схем

2.1. Технологические разновидности ис

К настоящему времени сложилось абсолютное преобладание одного типа ИС – это цифровые ИС с МДП-транзисторами, на пластинах (подложках) из кристаллического кремния. Только малая часть ИС, количеством не более 1%, отличается от этого типа. К их числу относятся аналоговые и цифро-аналоговые ИС, ИС на биполярных транзисторах, гибридные ИС. Известны немногочисленные примеры использования подложек из арсенида галлия, сапфира, других веществ. Доминирование кремниевых цифровых ИС с МДП-транзисторами только укрепляется, хотя, по прогнозам специалистов, их возможности исчерпают себя уже через несколько лет.

Исключительная роль цифровых ИС с МДП-транзисторами на кремниевых подложках (в дальнейшем – просто ИС) позволяет ограничиться изучением технологии изготовления только этого типа. В основе этой технологии лежат всего несколько хорошо отработанных технологических операций. Изучение этих операций позволяет понять, как изготавливаются и другие типы ИС.

2.2. Изготовление подложек ис

Как уже было отмечено, подложки ИС изготавливаются почти исключительно из кристаллического кремния. Для этого выращиваются монокристаллы кремния с высочайшей степенью очистки. Затем монокристаллы разрезаются на тонкие, толщиной около 0,5 мм, пластины. Диаметр таких пластин в настоящее время достигает полуметра и более, что позволяет изготовить на такой пластине несколько десятков тысяч ИС (групповой принцип изготовления). В дальнейшем, после изготовления ИС, пластины разрезаются на отдельные подложки, на каждой из которых находится уже изготовленная ИС.

Несмотря на тщательную очистку и полировку поверхности, совершенно исключить дефекты исходной пластины в виде посторонних атомов или дефектов кристаллической решётки невозможно. Роль дефектов такого рода поясняют рис. 4а,б. Здесь крестиками обозначены места расположения дефектов. Рис. 4а показывает, что при разрезании пластины на небольшие по размерам подложки большинство из них будет бездефектным. При попытке разрезания на подложки большого размера (для увеличения степени интеграции) большинство подложек придётся забраковать.

Рис. 4,а Рис. 4,б

2.3. Фотолитография

Все элементы ИС очень тонкие, плоские и располагаются в приповерхностном слое подложки. Их изготовление осуществляется обработкой одной из поверхностей исходной пластины. Нижняя поверхность 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. 5.

Рис. 5

Защитный слой маски –это слой двуокиси кремния SiO₂ на поверхности кремниевой подложки. Окна маски делают доступной для обработки поверхность кремния (Si) в необходимых местах. Упрощённо процесс фотолитографии поясняют рисунки рис. 6.

	Рис. 6,а. Подготовленная к фотолитографии кристаллическая кремниевая подложка с идеально обработанной поверхностью.
	Рис. 6,б. Создание защитного слоя SiO2, например окислением кремния.
	Рис. 6,в. Нанесение на защитный слой фоторезиста – светочувствительного вещества, которое под действием света полимеризуется и затвердевает.
	Рис. 6,г. Наложение на фоторезист фотошаблона – стеклянной фотопластинки, на которую сфотографировано с большим уменьшением необходимое чёрно-белое изображение.
	Рис. 6,д. Засветка. Свет проникает сквозь прозрачные участки фотошаблона и засвечивает под ними фоторезист.
	Рис. 6,е. Удаление фотошаблона.
	Рис. 6,ж. Смывка незасвеченного фоторезиста растворителем, не действующим на засвеченный фоторезист.
	Рис. 6,з. Травление слоя SiO2 плавиковой кислотой (не действует на засвеченный фоторезист).
	Рис. 6,и. Смывка засвеченного фоторезиста.

Именно качеством фотолитографии определяется минимальный размер окон, так называемый минимальный топологический размер w. От величины w зависят размеры и количество транзисторов ИС. Главным фактором, ограничивающим минимальный топологический размер, является дифракция (рассеивание) света при засветке, рис. 7. 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. 7

Проявление дифракции можно ослабить, уменьшив длину волны света (излучения), используемого при засветке. В настоящее время используемые длины волн соответствуют мягкому рентгеновскому излучению. В массовом производстве достигнут w около 10 нм, а в лабораторных условиях – около 5 нм.

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. вызвать брак. Значительной проблемой является также точное наложение фотошаблонов. При изготовлении ИС фотолитография выполняется несколько раз, что требует идеального совмещения рисунков всех используемых фотошаблонов.