Существенным является и то, что при нагревании пластины кремния в кислородной среде на ее поверхности образуется пленка SiО2. Она защищает кристалл и сформированные в нем миниобласти с заданным типом электропроводности от загрязнений, из нее формируется маска для локальной диффузии примесей, она может выполнять роль диэлектрика в схеме.

ИМС в отполированной пластине кремния изготовляют групповым методом: тысячи одинаковых схем формируют одновременно. Затем в пластине алмазным резцом делают насечки по границам схем и разламывают ее на кристаллики. Полученные заготовки снабжают внешними выводами, герметизируют, помещают в корпуса и оформляют в виде серийных электронных приборов.

Групповая обработка обеспечивает высокую стандартизацию и экономичность производства.

Возможность серийного производства ИМС была подготовлена созданием и совершенствованием планарно-эпитаксиальной технологии.

Карточка № 21.6 (210).

Полупроводниковые интегральные микросхемы

§21.7. Планарно-эпитаксиальная технология изготовления ИМС

Процесс осаждения молекул вещества на монокристаллическую пластину (подложку) с образованием пленки, повторяющей ее структуру, называют эпитаксией.

Процесс эпитаксии может быть прямым и непрямым. При прямом процессе полупроводниковый материал распыляют и его атомы осаждаются на подложке. В непрямом процессе распыляют химические соединения полупроводникового материала, молекулы которого диссоциируют, и ионы полупроводника оседают на подложке, повторяя ее кристаллическую структуру.

В практике распространены два метода создания кремниевого эпитаксиального слоя:

восстановление кремния из его тетрахлорида водородом и термическое разложение соединений кремния (пиролиз).

Водородное восстановление тетрахлорида кремния осуществляют при температуре 1500 К по следующей реакции: SiCl4 + 2H2→Si+4HCl. Этот метод легко управляем и дает возможность получить эпитаксиальный слой с заданными параметрами.

В процессе наращивания эпитаксиальный слой кремния можно легировать донорными и акцепторными примесями. При этом в кварцевый реактор, где размещена монокристаллическая подложка, вместе с парами SiCl4 и молекулярным Н2 подают, газообразные соединения водорода с мышьяком (АsН3), фосфором (РН3) или бором (В2Н6). Подложки в кварцевом реакторе крепят на графитовом основании. Нагрев осуществляют индукционными токами высокой частоты.

Процесс термического разложения соединений кремния протекает при температурах на 150—200 К меньших, чем восстановительный процесс. В реакции пиролиза SiH4→Si+2H2 выделяется атомарный кремний, оседающий на монокристаллической подложке.

Для повышения качества эпитаксиальных слоев кремния применяют комбинацию методов восстановления и пиролиза.

Различают однослойные и многослойные эпитаксиальные структуры кремния. Однослойные структуры диаметром 25—40 мм представляют собой кремниевую монокристаллическую пластину толщиной 0,2 мм, покрытую эпитаксиальной кремниевой пленкой толщиной от 8 до 15 мкм. У многослойных структур пленка наращивается с двух сторон пластины.

Наша промышленность изготовляет также гетероэпитаксиальные структуры, в которых кремниевый слой наращивается на монокристаллическую сапфировую подложку.

Применение эпитаксии в технологии интегральных схем более чем в десять раз увеличило выход годной продукции, значительно сократило время технологического процесса и улучшило экономические показатели.

(Ответьте на карт. № 21.7а)

Карточка № 21.7а (196) Планарно-эпитаксиальная технология изготовления ИМС

Планарную технологию изготовления полупроводниковых приборов начали внедрять в промышленное производство в 60-х годах. Полупроводниковые микросхемы, изготовляемые по этой технологии, формируются в тонком приповерхностном слое кристалла, образуя плоские конфигурации.

Основу планарной технологии составляют уже известные процессы:

1)окисление кремниевой подложки с целью защиты ее поверхности пленкой двуокиси кремния (иногда в качестве защитной пленки используют другой диэлектрик, например нитрид кремния Si3N4);

2)превращение защитной пленки в маску заданной конфигурации с помощью фотолитографии;

3) диффузия легирующих примесей в верхний слой подложки через окна в маске.

Планарная технология позволяет получать в подложке или в эпитаксиальном слое легированные области, измеряемые единицами микрометров.

Изготовление полупроводниковой интегральной микросхемы начинается с формирования в подложке изолированных областей («карманов»). Существуют различные способы получения и изоляции таких областей. Рассмотрим один, наиболее распространенный, способ — диффузию примеси в эпитаксиальный слой с последующей изоляцией кармана с помощью р-n-перехода (рис. 21.9).

Рис. 21.9. Этапы процесса образования изолированной области n-типа

Технологический процесс состоит из десяти этапов:

1)на монокристаллическую кремниевую пластинку р-типа толщиной 0,2—0,4 мм наращивают эпитаксиальный слой кремния n-типа толщиной 15—20 мкм;

2)при нагревании в кислородной среде на поверхности эпитаксиального слоя образуется пленка диоксида кремния Si02;

3)в центрифуге или с помощью пульверизатора на поверхность оксидной пленки наносят фоторезист;

4)на высушенную многослойную пластину накладывают стеклянный фотошаблон с заданным микрорисунком и осуществляют экспозицию фоторезиста в ультрафиолетовом свете;

5)фотошаблон снимают; засвеченный фоторезист имеет измененную структуру;

6)специально подобранным растворителем засвеченные участки фоторезиста и расположенную под ними пленку диоксида кремния растворяют, обнажая эпитаксиальный слой;

7)растворителем, не действующим на пленку диоксида кремния, смываются остатки фоторезиста;

8)в газовой среде осуществляют диффузию акцепторной примеси в открытые участки эпитаксиального слоя;

9)под действием акцепторной примеси обнаженные участки эпитаксиального слоя изменяют тип электропроводности (n-тип на р-тип); участки, защищенные пленкой диоксида, сохранили электропроводность n-типа:

10)смывают защитную пленку диоксида кремния. Пластина со сформированными «карманами» по ступает на последующие операции.

(Ответьте на карт. № 21.7 б.)

или акцепторных примесей в микрообласти. Пример многослойной структуры приведен на рис. 21.10.

Сложные микросхемы требуютмногократного снятия и повторного нанесения новой маски методом фотолитографии. Смена масок может осуществляться до полутора десятков раз. При этом важную проблему составляет совмещение масок в соответствии с топологией схемы. На рис. 21.11 приведена часть полупроводниковой микросхемы, представляющая собой однокаскадный усилитель на транзисторе.

Рис. 21.11. Структура части полупроводниковой ИМС

Сформированную планарную структуру покрывают пленкой оксида кремния, в которой вытравливают окна для напыления алюминиевых или золотых контактов.

Достаточно сложные схемы не удается выполнить без пересечения токопроводящих дорожек. В этих случаях, а также для повышения компактности схемы соединения напыляют в два слоя и более, разделенных изолирующими пленками. Кроме внутриэлементных соединений напыляют стандартизованные по размерам контактные площадки для подвода питания, входных и выходных сигналов.

Полностью сформированные и испытанные на отсутствие брака интегральные микросхемы крепят на керамическом основании корпуса, имеющего внешние выводы. Контактные площадки соединяют с внешними выводами с помощью тончайших золотых проволочек (рис. 21.12). Для

повышения прочности соединения и уменьшения переходного сопротивления между контактной площадкой и проволочкой применяют термокомпрессионную (нагрев и давление) или ультразвуковую сварку.

Рис. 21.12. Монтаж интегральных схем:

а—в круглом корпусе; б—в плоском корпусе; 1—керамика; 2 — контактные площадки; 3 — выводы

После выполнения проволочных соединений схемы герметизируют, заливая компаундами на основе эпоксидных или кремнийорганических смол.

Корпуса интегральных микросхем изготовляют из металлических сплавов, стекла, керамики и различных пластмасс, обладающих механической и электрической прочностью, коррозионной стойкостью и не вызывающих химического загрязнения кристалла микросхемы.