Главная  Интегральный монолит 

[0] [ 1 ] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] [11] [12] [13] [14] [15] [16] [17] [18] [19] [20] [21] [22] [23] [24] [25] [26] [27] [28] [29] [30] [31] [32] [33] [34] [35] [36] [37] [38] [39] [40] [41] [42] [43] [44] [45] [46] [47] [48] [49] [50] [51] [52] [53] [54] [55] [56] [57] [58] [59] [60] [61] [62] [63] [64] [65] [66] [67] [68] [69] [70] [71] [72] [73] [74] [75] [76] [77] [78] [79] [80] [81] [82] [83] [84]

ГЛАВА ПЕРВАЯ

ТЕХНОЛОтЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ПРОИЗВОДСТВА ИНТЕГРАЛЬНЫХ СХЕМ

Микроэлектроника охватывает много различных технических дис-Кйплйн, начиная от физической химии и металлургии и кончая полупроводниковыми устройствами и теорией цепей. Поэтому в области микроэлектроники и в особенности в области монолитных интегральных схем разработчик должен быть хорошо знаком со смежными дисциплинами, а именно с технологическими процессами и проектирова-Еием полупроводниковых устройств.

. Цель настоящей главы - познакомить читателя с технологическими процессами, применяемыми при изготовлении аналоговых интегральных схем. Что касается разработчиков схем, то им, конечно, не обязательно знать специфические детали всех этапов технологического процесса, так как каждый из них сам по себе может быть самостоятельной областью специализации и объектом совершенствования. Однако разработчику схем совершенно необходимо представлять возможности и ограничения всех основных этапов технологических процессов, используемых при производстве интегральных схем.

М. ПЛАНАРНЫЯ ПРОЦЕСС

Для развития технологии интегральных схем от первых лабораторных опытов до ведущей отрасли электронной промышленности потребовалось всего около 10 лет. Та-

кое быстрое развитие интегральной техники было обусловлено разработкой соответствующих технологических процессов. Хотя технологические процессы изготовления монолитных схем весьма разнообразны и имеют специфический характер, но все же основную часть процессов производства современных интегральных устройств можно объединить в одну группу под названием планарные процессы. До разработки планарной технологии в полупроводниковой электронике применялись в основном германиевые устройства. С 1960 г., когда была разработана планарная технология, положение изменилось коренным образом. Основным полупроводниковым материалом для микроэлектронных схем стал уже не германий, а кремний.

Применительно к полупроводниковым устройствам термин планарный совсем не означает двумерный в точном значении этого слова. Наоборот, в данном контексте этот термин используется для того, чтобы показать, что при изготовлении монолитных элементов процесс распространяется в толщу кремниевой подложки. Однако после воздействия различных технологических процессов плоская поверхность полупроводника остается почти ровной. Планарная технология состоит из пяти независимых процессов: эпи-таксиального наращивания, пасси-



вирования поверхности, фотолитографирования, диффузии и осаждения тонких пленок. Эти этапы технологии схематически иллюстрируются на рис. 1-1 в виде поперечного сечения кремниевой пластины на каждом из этапов.

Эпитаксиальный процесс, название которого происходит от греческого слова, означающего «располагать в порядке на», является методом наращивания кристаллической решетки монокристаллического кремния путем осаждения из газовой фазы слоев атомов кремния на кремниевую подложку Благодаря изменению скорости осаждения и введению строго определенного количества примесей в газовый состав, применяемый для эпитаксиального наращивания, можно получить эпитаксиальный слой кремния точно заданной толщины и типа проводимости. На рис. 1-1,G показана монокристаллическая подложка р-типа, а на рис. 1-1,6 показан эпитаксиальный слой и-типа, наращенный на монокристаллическую подложку р-типа.

Термическое наращивание диэлектрического слоя, например двуокиси кремния Si02, обеспечивает электрическую изоляцию поверхности кремния и образует как бы защитную маску, которая препятствует проникновению вредных примесей в кремний. Защитный слой дву- окиси кремния показан на рис. 1-1,е.

Фотолитографические методы служат для селективного травления окон в пассивирующем слое двуокиси кремния. Сквозь эти окна методом диффузии в монокристаллический кремний или эпитаксиальный слой может быть введено строго определенное количество легирующей примеси, как это было показано на рис. 1-1,г. С помощью фотолитографических методов диффузи- . онные окна можно в сильной степени уменьшить в размерах без ухудшения точности их взаимного расположения и поперечных размеров.

Окно для диффузип

Эпитаксиальный слой \

р-п переход

Р

Слой, окиси

Соединительная метилмизация

Рис. 1-1. Основные этапы планарной технологии.

а - монокристаллическая подложка р-типа: 5-" эпитаксиальное наращивание; в - оксидироваиим г - травление; д - диффузия; е - металлизацк!6«

Через диффузионные окна в слое двуокиси кремния можно ввести точно заданное количество легирующей примеси в предварительно выбранные участки кремниевой пластины. Диффузия примесей в кремний при высокой температуре приводит к формированию р-п перехода в толще монокристаллического кремния, как это показано на рис. 1-1,(3. Поскольку диффузия осуществляется через окна в толщу кремния не только перпендикулярно к его поверхности, но и в боковых направлениях, грани р-п перехода оказываются защищенными слоем двуокиси кремния и не соприкасаются с внешней средой.

Электрические контакты на полупроводниковых областях можно изготовить путем нанесения тонкой металлической, пленки с хорошей проводимостью, например алюминиевой, в окнах, вытравленных в слое двуокиси кремния.

По сравнению с более ранними методами изготовления полупровод-



пиковых устройств планарная технология обладает Х1вумя основными преимуществами, которые делают ее почти идеальной для производства интегральных схем:

1. Полупроводниковые переходы ша поверхности защищены пленкой двуокиси кремния и не подвергаются воздействию внешней среды. Это снижает до минимума величину токов утечки и повышает надежность.

2. Методы фотоуменьшения, изготовления масок и травления, определяющие геометрическую форму схемы, позволяют обеспечить очень малые размеры и одновременное изготовление очень большого количества устройств и схем в пределах одной кремниевой пластины.

Благодаря этим двум уникальным свойствам планарной технологии производство монолитных интегральных схем быстро развивается и расширяется.

1-2. ДИФФУЗИЯ

Диффузионный процесс является наиболее широко используемым методом введения строго определенного количества примесей в кремниевую подложку. Этот процесс срав-мительно хорошо изучен, легко воспроизводится и очень просто реализует преимущества группового метода производства при планарной технологии, так как позволяет вести обработку большого количества кремниевых пластин («вафель») одновременно.

Диффузия как процесс является механизмом, с помощью которого различные группы частиц, заключенные в ограниченном объеме, стремятся распространиться и равномерно распределиться по всему объему. В случае полупроводниковых устройств и интегральных схем диффузионный процесс относится к движению атомов примесей в структуре кристаллической решетки. В кристаллическом твердом теле заметный диффузионный процесс имеет место только при повышенных температурах. При этом тепло-

вая энергия отдельных атомов кристаллической решетки имеет статистическую возможность превысить силы взаимодействия между ними, благодаря чему кристаллическая решетка сохраняет свою структуру.

В монокристаллическом кремнии атомы примеси могут двигаться сквозь решетку благодаря одному или комбинации двух основных механизмов диффузии. Физически эти механизмы кратко можно представить следующим образом.

Диффузия замещения. Атомы примеси распространяются сквозь кристаллическую решетку, замещая атомы кремния в ее узлах.

Промежуточная диффузия. Атомы примеси не замещают атомы кремния в узлах регулярной кристаллической решетки, а движутся в промежутках между узлами трехмерной кристаллической структуры.

При изготовлении аналоговых интегральных схем диффузия замещения имеет более важное значение, так как все примеси, специально вводимые в кремниевую подложку для формирования диодов и других структур, диффундируют именно таким образом. В случае же цифровых интегральных схем этот механизм диффузии не является необходимым, так как заданное количество «промежуточных» примесей (золото, медь, никель и т. п.) вводится в кристаллическую решетку для уменьшения времени жизни неосновных носителей.

Примеси, которые диффундируют в кремний и определяют тип и величину проводимости различных

Таблица 1-1

Легирующие примеси, применяемые для изготовления кремниевых устройств р- и п-типов

p-Ttma

гг-тша

Бор (В)

Алюминий (А1) Галлий (Ga) Индий (In)

Фосюр (Р) Мышьяк (As) Сурьма (Sb)



[0] [ 1 ] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] [11] [12] [13] [14] [15] [16] [17] [18] [19] [20] [21] [22] [23] [24] [25] [26] [27] [28] [29] [30] [31] [32] [33] [34] [35] [36] [37] [38] [39] [40] [41] [42] [43] [44] [45] [46] [47] [48] [49] [50] [51] [52] [53] [54] [55] [56] [57] [58] [59] [60] [61] [62] [63] [64] [65] [66] [67] [68] [69] [70] [71] [72] [73] [74] [75] [76] [77] [78] [79] [80] [81] [82] [83] [84] Строительная компания в Челябинске, заходите

0.0009