Как производятся микропроцессоры. Технология изготовления интегральных микросхем

Процесс изготовления современных полупроводникоых ИС весьма сложен. Он проводится только в специальных помещениях с микроклимитом на прецезионном оборудовании. В настоящее время для создания полупроводниковых ИС на биполярных транзисторах используется несколько разновидностей технологических процессов, отличающихся главным образом способами создания изоляции между отдельными элементами . Основные технологические операции изготовления полупроводниковых микросхем можно разделить на шесть этапов.

1. Подготовка слитков к резке на пластины. Первоначально выращивают слиток кремния, затем этот слиток готовят к резке на пластины - отрезают затравочную и хвостовую часть, а также удаляют части слитка с электрофизическими параметрами, не соответствующими установленным нормам или с недопустимыми требованиями. Калибровка выполняется шлифовкой по образующей поверхности слитка (круглое шлифование) шлифовальным кругом. После калибровки торцы слитка подшлифовывают так, чтобы они были строго перпендикулярны геометрической оси слитка, а для удаления механически нарушенного слоя и загрязнений слиток травят. Контроль кристаллографической ориентации торца слитка и базового среза выполняется рентгеновским или оптическим методами. Базовый и дополнительные срезы получают сошлифовыванием слитка по образующей алмазным кругом на плоско-шлифовальном станке. Для получения срезов слиток соответствующим образом закрепляют в специальном зажиме. После базового среза слиток разворачивают в зажиме, закрепляют и сошлифовывают вспомогательный срез. После шлифования срезов слиток травят.

2. Резка слитков на пластины. Резка слитка является важной операцией в маршруте изготовления пластин, она обуславливает ориентацию поверхности, толщину, плоскостность и параллельность сторон, а также прогиб.

Основным методом резки кремниевых слитков на пластины является резка диском с внутренней режущей алмазосодержащей кромкой. Отрезаемые пластины в зависимости от устройства станков переносятся вакуумным съемником или остаются на оправке. Пластины после резки подвергаются очистке от клеющих, смазочных материалов, частиц пыли.

Преимущества резки диском с внутренней режущей кромкой: высокая скорость резания (до 40 мм/мин); хорошее качество обработки поверхности (8-ой класс шероховатости); малый разброс по толщине пластин (±20 мкм); небольшие отходы материала.

Недостатки резки диском с внутренней режущей кромкой: сложность установки алмазного диска, его натяжения и центровки, зависимость качества и точности обработки от точности и качества инструмента.

Этот метод в сравнении с другими методами обеспечивает лучшее качество пластин и большую производительность процесса.

3.Шлифование пластин кремния. Под шлифованием понимают процесс обработки поверхностей заготовок на твердых дисках - шлифовальниках из чугуна, стали, латуни, стекла и других материалов с помощью инструментов - шлифовальников и абразивной суспензии (обработка свободным абразивом) или с помощью алмазных шлифовальных кругов (обработка связанным абразивом).

Процесс двустороннего шлифования свободным образивом выполняется на специальных станках. Перед шлифованием пластины сортируют по толщине. Контролируют неплоскостность рабочей поверхности шлифовальников, в случае необходимости выполняют правку - подшлифовку с кольцевыми притирами. Затем шлифовальники очищают от пыли и других загрязнений, промывают водой смазывают глицерином. На поверхность нижнего шлифовальника устанавливают зубчатые кольца сепараторы, которые должны иметь специальные допуски по толщине, а толщина должна быть несколько меньше требуемой после шлифования толщины пластин. Обрабатываемые поверхности укладывают в отверстия сепараторов.

При вращении верхний шлифовальник свободно устанавливается на поверхности пластин. Движение шлифовальника через цевочные колеса передается сепараторам. Пластины, увлекаемые сепараторами совершают сложные перемещения между шлифовальниками, чем достигается равномерность их обработки и износа шлифовальников.

Для двустороннего шлифования применяют водные и глицериновые суспензии микропорошков карбида кремния зеленого или электрокорунда белого с зернистостью от М14 до М5.

Этот метод более производителен, обеспечивает высокую точность обработки поверхности, не требует наклейки пластины.

4.Снятие фаски. Фаски с боковых поверхностей пластин можно снимать абразивной обработкой либо химическим травлением собранных в специальной кассете заготовок. Наиболее часто фаски снимают методом шлифовки профильным алмазным кругом на специальном станке.

5.Полирование пластин. Полировка обеспечивает минимизацию микронеровностей поверхности пластин и наименьшую толщину нарушенного слоя.Её производят на мягких доводочных полировальниках (круги обтянутые замшей, фетром, батистом, велюром) с помощью использования алмазной пасты, суспензии.

Полирование выполняют в несколько этапов, постепенно уменьшая размер зерна и твердость абразива, а на последнем этапе полностью исключают абразивное воздействие на обрабатываемый материал. Последний этап безабразивного воздействия позволяет полностью удалить механически нарушенный слой с поверхности пластины.

Существует несколько методов полирования:

· Механическое (предварительное и промежуточное) полирование. Его выполняют алмазными суспензиями и пастами с размером зерна от 3 до 1 мкм. Механическое полирование по своей сущности не отличается от шлифования, отличие состоит лишь в применяемых абразивных материалах, их зернистости, материале полировальника и режиме обработки. При использовании для полирования алмазных суспензий и паст на поверхности пластин образуется тонкая сеть рисок (“алмазный фон”), возникающих под действием острых режущих граней алмазных зерен. С целью удаления “алмазного фона” и уменьшения шороховатости поверхности иногда выполняют механическое полирование более мягкими абразивными материалами.

· Тонкое механическое полирование выполняется мягкими полировальными составами на основе оксидов алюминия, кремния, хрома, циркония и других размером зерна менее 1 мкм с помощью полировальников из ворсовых материалов, в которых могут утопиться субмикронные зерна порошка. Это уменьшает рабочую поверхность зерен и улучшает качество обработки поверхности пластин.

· Химико-механическое полирование. Оно отличается тем, что кроме обычного абразивного воздействия поверхность подвергается химическому воздействию. Полирующие составы - суспензии, золи, гели из субмикронных порошков оксидов кремния (аэросил), циркония, алюминия - приготавливаются на основе щелочи.

Выберем механическое полирование, которое будет выполняться алмазной суспензией из порошка АСМ3, односторонняя, частота вращения полировальника не более 30…40 об/мин. При переходе на порошок АСМ1 частоту вращения полировальника снижаем, нагрузку на пластину увеличиваем. После полировки пластину надо тщательно промыть в мыльных растворах.

6.Физическая очистка. Для последующих операций очень важна чистота поверхности. Поэтому перед началом, а также неоднократно в течение технологического цикла производят очистку , удаляя посторонние вещества с помощью промывки, растворения и т.п. Процессы очистки пластин и подложек предназначены для удаления загрязнений до уровня, соответствующего технологически чистой поверхности. Наиболее важна очистка поверхности после механической обработки, перед термическими процессами, перед нанесением различного рода покрытий, плёнок, слоёв. При очистке в первую очередь необходимо удалить молекулярные органические и химически связанные с поверхностью загрязнения, а затем - остаточные ионные и атомарные. При физической жидкостной очистке происходит десорбция адсорбированных поверхностью загрязнений без изменения их состава, т.е. без химических реакций, путем простого растворения. Поскольку возможно обратное загрязнение поверхности из очищаемой жидкости, необходимо следовать принципу ее непрерывного обновления (освежения).

Обезжиривание (отмывка) в органических растворителях (толуоле, четыреххлористом углероде, дихлорэтане, спиртах: этиловом, метиловом, изопропиловом и др.) применяется для удаления с поверхности пластин (подложек) жиров животного и растительного происхождения, минеральных масел, смазок, воска, парафина и других органических и механических соединений.

Обезжиривание погружением выполняют в специальных герметичных установках с двумя-четырьмя сваренными в единый блок ваннами с повышающимся уровнем жидкости. Контролируемыми параметрами процесса обезжиривания для данного количества пластин и данной порции конкретного растворителя и время обработки.

Обезжиривание в парах растворителя применяют для удаления малорастворимых с высокой температурой плавления загрязнений. Для обработки в парах применяют изопропиловый спирт, фреоны, хлорированные углеводороды. Недостатки данного метода: необходимость предварительной очистки растворителей; необходимость создания герметичных рабочих камер установок; большие расходы растворителя.

Ультразвуковое обезжиривание выполняют в специальных ваннах, дно и стенки которых совершают колебания с ультразвуковой частотой. Данный метод обеспечивает гораздо большую производительность, и улучшают качество не только обезжиривания, но и других операций жидкостной обработки.

7.Отмывка водой применяется для очистки полярных растворителей после обезжиривания, от остатков травителей, флюсов, кислот, щелочей, солей и других соединений. Также как и в органических растворителях, отмывка в воде сопровождается растворением загрязнений или механическим смыванием пылинок ворсинок и других частиц. Отмывку выполняют в подогретой до 50 … 60 °С деионизованной воде.

8. Химическая очистка. Этот вид обработки предусматривает разрушение загрязнений или поверхностного слоя очищаемого обьекта в результате химических реакций.

Хорошие результаты обеспечивает очитка кремния в растворе” Каро” . Именно этот метод будет использован в данном курсовом проекте - очистку смесью Каро с последующей более “мягкой”

очисткой в перекисно-аммиачном растворе. Классический состав смеси Каро для химической очистки поверхности кремния и оксида кремния, объёмное соотношение компонент находится в пределах

H 2 SO 4: H 2 O 2 = 3:1

Химическая очистка в этой смеси проводится при Т = 90 -150 о С. Смесь Каро позволяет очистить поверхность полупроводниковой пластины от органических загрязнений и, частично, от ионных и атомарных примесей. Кислота Каро устойчива в кислых средах и является очень сильным окислителем. Эта смесь способна очистить поверхность кремниевой пластины и от неметаллических загрязнений.

9.Эпитаксия. Эпитаксия - процесс наращивания монокристаллических слоев на монокристаллических подложках. Монокристаллические подложки в процессе эпитаксиального наращивания выполняют ориентирующую роль заставки, на которой происходит кристаллизация. Основная особенность - слои и локальные области противоположного типа проводимости или с отличной от полупроводниковой пластины концентрацией примеси представляют собой новые образования над исходной поверхностью. В процессе роста эпитаксиальные слои легируют, т.е. в них вводят донорные или акцепторные примеси. Особенностью также является то, что появляется возможность получения высокоомных слоев полупроводника на низкоомных пластинах.

При жидкофазовой эпитаксии атомы растущего слоя оседают на подложку из расплава или раствора, из которого необходимо вырастить соответствыущий слой. Второй вид эпитаксии - из парогазовой фазы - который и будет использоваться в данной технологии, основан на взаимодействии газа с пластиной. Здесь важными параметрами процесса является температуры газового потока и пластины. Можно использовать тетрахлорид кремния SiCl 4 либо силан SiH 4 .

Хлоридный метод основан на использовании химического взаимодействия паров тетрахлорида кремния с чистым водородом при Т =1200 о С:

SiCl 4 (газ) + 2H 2 (газ) = Si(тв) + 4HCl(газ)

Скорость роста эпитаксиального слоя может быть ограничена либо процессами массопереноса, т.е. количеством подводимых к поверхности подложек молекул реагентов или отводимых диффузией от подложки продуктов химических реакций, либо скоростями химических реакций. Основной недостаток - высокие температуры процесса, приводящие к диффузии примесей из пластин в растущий слой, а также автолегированию. Кроме того, обратимость реакции восстановления тетрахлорида требует высокой точности поддержания режима осаждения слоя.

Силановый метод основан на использовании необратимой реакции

термического разложения силана:

SiH 4 ------------->Siv+2H 2 ^

Установка для выращивания слоев эпитаксиальных слоев силановым методом близка по устройству к установке, используемой в хлоридном методе, и для предосторожности при работе с моносиланом она снабжается системой для откачки воздуха и следов влаги. Совершенные монокристаллические слои получаются при температурах разложения моносилана 1000 … 1050 °С, что на 200 … 150°С ниже чем при восстановлении тетрахлорида кремния. Это уменьшает нежелательную диффузию и автолегирование, что позволяет изготовить эпитаксиальные структуры с более резкими границами переходов. Скорость роста слоев выше чем при восстановлении тетрахлорида кремния.

Недостаток этого метода - самовоспламеняемость и взрывоопасность моносилана, требующие специальных мер предосторожности. Токсичность силана.

В данном курсовом проекте будем использовать SiCl 4 . т.к. с этим газом удаётся выращивать монокристаллические слои кремния, сохраняющие кристаллическую ориентацию кремниевой подложки без поверхностных нарушений.

Процесс эпитаксиального наращивания будет происходить в эпитаксиальном реакторе.

10.Оксидирование. Оксидирование можно проводить несколькими способами, такими как анодное оксидирование, катодное напыление оксидного слоя, либо термическое оксидирование кремния. Термическое оксидирование, как и другие высокотемпературные процессы предъявляют жесткие требования к кремниевым исходным слиткам (нежелательно содержание в них кислорода и углерода), к качеству процессов изготовления и очистки пластин. Оксидирование кремния сопровождается: диффузией кислорода под слой диоксида кремния; обогащением поверхностного слоя толщиной 1…2 мкм кислородом выше предела растворимости за счет напряженного состояния решетки кремния; взаимодействием кислорода с дефектами исходной пластины и генерацией дополнительных дислокаций и дефектов упаковки. На дефектах быстро скапливаются примеси диффундирующих металлов натрия, меди, железа и др. Поскольку именно в этом тонком слое формируются элементы ИМС, все это приводит к деградации их электрических параметров. Концентрацию кислорода в при поверхностном слое кремния снижают при отжиге пластин кремния в атмосфере азота при 1000 … 1100 °С. Поиск путей совершенствования процесса термического оксидирования привел к появлению модификаций метода термического оксидирования кремния.

Нанесение плёнок SiO на пластины кремния термическим окислением кремния при атмосферном давлении в горизонтальных цилиндрических кварцевых реакторах - наиболее распространённый метод. Температура окисления лежит в интервале 800…1200 о С и поддерживается с точностью ± 1 о С для обеспечения однородности толщины плёнок. Будем производить комбинированное окисление как в сухом кислороде, т.к. в этом случае плёнки SiO 2 получаются высокого качества, несмотря на то, что скорость окисления в этих условиях мала, так и во влажном кислороде (происходит всё с точностью до наоборот).

Основные реакции:

1. сухое оксидирование в атмосфере чистого кислорода:

Si(тв) > SiO 2 (тв)

2. влажное оксидирование в смеси кислорода с водяным паром:

Si(тв) + 2H 2 O > SiO 2 (тв) + H 2

Скорость оксидирования определяется самым медленным этапом диффузионного проникновения окислителя сквозь растущую пленку к границе раздела SiO 2 >Si. Коэффициенты диффузии сильно зависят от температуры. При низких температурах коэффициенты диффузии, а следовательно, скорость роста пленки малы. Повысить скорость роста можно либо увеличением давления в реакционной камере установки, либо повышением температуры процесса.

11.Фотолитография. Суть процесса фотолитографии состоит в следующем. Чувствительные к свету фоторезисты наносятся на поверхность подложки и подвергаются воздействию излучения(экспонированию). Использование специальной стеклянной маски с прозрачными и непрозрачными полями (фотошаблона) приводит к локальному воздействию на фоторезист и, следовательно, к локальному изменению его свойств. При последующем воздействии определенных химикатов происходит удаление с подложки отдельных участков пленки фоторезиста, освещенных и неосвещенных в зависимости от типа фоторезиста (проявления). Таким образом, из пленки фоторезиста создается защитная маска с рисунком, повторяющим рисунок фотошаблона.

В зависимости от механизма фотохимических процессов, протекающим под действием излучения, растворимость экспонированных участков может либо возрастать, либо падать. Соответственно, при этом фоторезисты является либо позитивными, либо негативными. Пленка позитивного фоторезиста под действием излучения становится неустойчивой и растворяется при проявлении, пленка негативного фоторезиста, наоборот, под действием излучения становится нерастворимой, в то время как неосвещенные участки при проявлении растворяются.

Свойства фоторезистов определяются рядом параметров:

· Чувствительность к излучению

В свою очередь, существуют некоторые критерии чувствительности: высокие защитные свойства локальных участков.

· Разрешающая способность фоторезиста.

· Кислостойкость (стойкость фоторезистов к воздействию агресивных травителей)

Технологический процесс фото литографии проводится в следующей последовательности:

1. Очистка поверхности подложки;

2. Нанесение фоторезиста (ФП-330) и распределение его по всей поверхности с помощью центрифугирования;

3. Сушка фоторезиста (15 мин при Т = 20 о С).

4. Совмещение фотошаблона с подложкой:

5. Экспонирование - засветка через фотошаблон УФ-лучами, t = 1ч2с;

6. Проявление: химическая обработка в специальных проявителях;

7. Задубливание производят для окончательной полимеризации оставшегося фоторезиста: термообработка при Т = 120 о С, t = 20мин;

8. Травление оксида кремния водным раствором плавиковой кислоты, лучше применяют буферные добавки солей плавиковой кислоты;

9. Удаление фоторезиста производится в щелочных средах.

10. Промывка пластины кремния в деионизованной воде с использованием УЗ и сушат при Т = 120 о С.

Для изготовления фотошаблонов используется, в основном, два метода. Первый метод основан на сочетании оптических и прецизионных механических процессов. Суть метода состоит в механическом вырезании первичного оригинала (увеличенного в 200…500 раз рисунка), в последующем фотографическом уменьшении размеров рисунка и его мультиплицировании. Во втором методе - фотоноборе - весь топологический рисунок разделяется на прямоугольники различной площади и с различным отношением сторон в зависимости от формы составляющих его элементов. Эти прямоугольники последовательной фотопечатью наносятся на фотопластинку, где, в конечном счете, образуется промежуточный фотошаблон с десятикратным увеличением рисунка по сравнению с заданным.

В данном курсовом проекте будем использовать позитивный фоторезист, т.е. свет разрушает полимерные цепочки: растворяются засвеченные участки. Позитивные фоторезисты обеспечивают более резкие границы растворённых (проявленных) участков, чем негативные, т.е. обладают повышенной разрешающей способностью, но имеют меньшую чувствительность и требуют большего времени экспонирования. Фотошаблон будет представлять собой стеклянную пластину, на одной из сторон которой нанесена тонкая непрозрачная плёнка Cr. Несколько капель раствора фоторезиста необходимо нанести

на окисленную поверхность кремниевой пластины, а потом с помощью центрифуги его распределить тонким (около 1мкм) слоем, высушить.

Существует контактная фотолитография, при которой фотошаблон плотно прилегает к поверхности подложки с нанесённым фоторезистом, и бесконтактная.

Бесконтактная фотолитография на микрозазоре основана на использовании эффекта двойного или множественного источника излучения. УФ-лучи подаются на фотошаблон под одинаковым углом, за счёт чего дифракционные явления сводятся к минимуму, и повышается точность передачи рисунка. Недостатком является очень сложное оборудование. Проекционная фотолитография основана на упрощённом процессе совмещения, т.к. с помощью специальных объективов изображение фотошаблона проектируется на пластину.

Удаление фоторезиста обычно производят в щелочных составах (NaOH).

12.Легирование. Легирование - введение примесей в пластину или эпитаксиальную плёнку. При высокой температуре (около 1000 о С) примесные атомы поступают через поверхность и распространяются вглубь вследствие теплового движения. Легирование полупроводников бывает трёх видов:

1. Диффузионное легирование - основано на использовании известного явления диффузии, т.е. направленного перемещения частиц вещества в сторону убывания их концентрации. Движущей силой является градиент концентрации атомов или молекул вещества. При диффузии выпрямляющие или концентрационные контакты получают в исходной пластине, изменяя ее свойства легированием на необходимую глубину. Диффузионные слои имеют толщины от сотых долей микрометров. Отличительной особенностью является неравномерное распределение концентрации примеси по глубине: концентрация максимальна возле поверхности и убывает вглубь слоя. Концентрация и распределение примеси во многом определяются свойствами примеси, легируемого материала и источника примеси.

2. Ионное легирование - осуществляется ионизированными атомами примеси, имеющими энергию, достаточную для внедрения в полупроводник. Также необходим отжиг для устранения радиационных нарушений структуры полупроводника и для электрической активации донорных и акцепторных примесей. Основной особенностью является возможность воспроизводимого получения заданной концентрации примеси на данной глубине практически на любой площади пластины. Это обусловлено тем, что можно с большой точностью задавать ток ионного луча. Распределениями примесей можно легко управлять в широких пределах, изменяя дозу облучения, энергию и угол падения ионов. Ионы примеси получают в специальных источниках, ускоряют и фокусируют в электрическом поле. Пучок ионов бомбардирует подложку. Ионы примеси размещаются в кристаллической решётке. Характеристики ионнолегированных слоев получаются более воспроизводимыми, чем при диффузии.

3. Радиационно-стимулиронанная диффузия - основана на внедрении примеси в результате бомбардировки кристалла лёгкими ионами с энергией, достаточной для смещения атомов подложки. Облучение проводится в процессе термообработки (t = 600-700 о С) или непосредственно перед ней.

Для данного курсового проекта будет использована высокотермическая диффузия, т.к. недостатком ионной имплантации является нарушение структуры поверхностного слоя и увеличение дефектов, а также сложность технологического оборудования. Диффузия будет проводиться традиционным методом открытой трубы из газообразных источников (BBr 3 ,PH 3) и твёрдых источников (оксид сурьмы).

13. Металлизация. Все системы металлизации, применяемые в настоящее время, можно разделить на следующие типы: однослойная, многослойная, многоуровневая, объемная (объемные выводы).

· Однослойная аллюминевая металлизация применяется преимущественно в ИМС малой степени интеграции, маломощных, работающих на частотах до 1 ГГц, не рассчитанные на высокие требования к надежности.

· Многослойная металлизация в ряде случаев полнее отвечает предъявляемым требованиям, но менее технологична, т.к. содержит не один слой металла. Обычно состоит из нескольких слоев: контактный слой - первый по порядку нанесения на кремниевую пленку (вольфрам, молибден, хром, никель, алюминий, титан, палладий, силициды тугоплавких металлов); разделительный слой - применяется в случаях, когда сложно подобрать согласующиеся материалы контактного и проводящего слов; проводящий слой - последний по порядку нанесения слой металлизации, должен иметь хорошую электропроводность и обеспечивать качественное надежное подсоединение контактных площадок к выводам корпуса (медь, алюминий, золото)

· Многоуровневая металлизация применяется в больших и сверхбольших ИМС. Увеличение числа элементов увеличивает и площадь межэлементных соединений, поэтому их размещают в несколько уровней.

В данном курсовом проекте будем проводить однослойная аллюминевую металлизацию.

14.Скрайбирование. Осуществлять скрайбирование необходимо алмазным резцом. Это приводит к образованию в пластине сравнительно глубоких (до 50…100мкм) и узких (до 25…40мкм) канавок. Достоинством этого скрайбирования является простота и низкая стоимость.

Разламывание пластин на кристаллы после скрайбирования необходимо осуществлять механически, приложив к ней изгибающий момент. Эту операцию выполняется на сферической опоре.

Достоинством этого способа являются простота, высокая производительность (ломка занимает не более 1…1.5мин) и одностадийность, а также достаточно высокое качество, так как кристаллы не смещаются относительно друг друга.

Укрупненные схемы технологических процессов изготовления полупроводниковых (монолитных) приведена ниже.

Рис. 1.

Опишем технологический процесс производства интегральной микросхемы генератора напряжения.

На первоначальном этапе происходит формирование слитков кремния и резка этих слитков алмазными дисками с внутренней режущей кромкой на пластины - базовые кристаллы, на которых будут сформированы в последствии элементы микросхем. Поверхность кристалла тщательно шлифуют для устранения поверхностных повреждений, полученных в результате резки. Производят полировку, причем разными материалами - алмазной суспензии, порошкообразными материалами. Затем производят очистку с целью удаления поверхностного слоя, в которых находятся поверхностные механические напряжения. Для этого над поверхностью пластины пропускают HCl при высокой температуре и обмывают кристалл деионизованной водой, растворами моющих порошков, проточной воде и, затем, сушат пластину до полного высыхания.

На следующем этапе производят окисление поверхности кристалла с целью образования двуокиси кремния с определенной толщиной.

Это делается для того, чтобы при проведении легирования, легированным оказался не весь кристалл, а только определенный участок.

Соответственным образом поверх слоя двуокиси кремния наносят слой фоторезиста, контактным (или другим способом) производят процесс фотолитографии. При этом используется фотошаблон (см. приложение). Открытые участки проявляют, задубливают и ликвидируют, и таким образом получают участок двуокиси кремния для последующего травления.

Образовавшиеся окна травят, в результате область подложки становится открытой для последующего легирования и образования скрытого n+ слоя. Слой фоторезиста ликвидируют. Поверхность оксида кремния тщательным образом очищают, омывают в проточной деионизованной воде и сушат центрифугированием. Таким образом, подложка становится полностью готовой для проведения операции легирования.

Для получения высоколегированного слоя n+ типа, производится высокотермическая диффузия сурьмой до предела ее растворимости. Таким образом, формируется скрытый n+ слой. Производится разгонка сурьмы в n+ кармане.

Слой двуокиси кремния стравливают в плавиковой кислоте, образуется открытая поверхность подложки с тремя участками высоколегированного слоя. Поверхность подложки тщательно очищают химическими методами и омывают в проточной деионизованной воде. После проведения этих операций, подложка становится готовой к проведению эпитаксиального наращивания кремния n-типа проводимости. Таким образом получают т.н. коллекторный слой, который присутствует в структурах активных элементов, и в этом же слое формируются резисторы среднего номинала (5кОм, 10 кОм), также этот слой присутствует в структуре МДП-конденсатора.

Далее производят разделительную диффузию с целью отделения одних элементов от других. Для этого повторяют ранее описанные процессы: нанесение слоя двуокиси кремния, нанесение фоторезиста, совмещение с фотошаблоном (см. приложение), экспонирование, проявление, удаление засвеченных участков фоторезиста, травления слоя двуокиси кремния в окне фоторезиста. После этого производят разделительную диффузию путем легирования бора в эпитаксиальный слой на поверхности подложки.

Для каждого элемента таким образом образовался свой эпитаксиальный слой. Далее производят диффузию фосфора в эпитаксиальный слой с целью создания базовой области. Для этого повторяют ранее описанные процессы: нанесение слоя двуокиси кремния, нанесение фоторезиста, совмещение с фотошаблоном, экспонирование, проявление, удаление засвеченных участков фоторезиста, травления слоя двуокиси кремния в окне фоторезиста. Затем производится легирование фосфором (см. приложение). Базовая область используется как база у активных элементов и в качестве резистивного слоя у резисторов.

Далее создаются области, которые у активных элементов используются как эмиттерная область, у резисторов она может отсутствовать. Перед этим производится совокупность ранее описанных процессов: нанесение слоя двуокиси кремния, нанесение фоторезиста, совмещение с фотошаблоном, экспонирование, проявление, удаление засвеченных участков фоторезиста, травления слоя двуокиси кремния в окне фоторезиста. Затем производится легирование сурьмы (см. приложение) и ликвидация фоторезиста и слоя двуокиси кремния с последующей тщательной очисткой поверхности.

После этого кристалл готов к нанесению на его поверхность внешней изоляции и нанесения алюминиевых выводов на базовую, коллекторную имиттерную области кристалла. Для этого производят тщательную очистку поверхности кристалла и осаждают нитрид кремния. Затем производят нанесение фоторезиста, совмещение с фотошаблоном, экспонирование, проявление, удаление засвеченных участков фоторезиста, травления слоя нитрида кремния в окне фоторезиста и удаление фоторезиста со вcей поверхности нитрида кремния.

Затем на всю поверхность кристалла наносят сплав алюминия и кремния методом катодного распыления. Далее производят операцию фотолитографии и травление алюминия. Таким образом производится электрическое соединение элементов схемы в соответствии со схемой электрической принципиальной.

Вся поверхность кристалла подлежит тщательной очистке и сушке центрифугированием. Затем на поверхность кристалла наносится слой двуокиси кремния методом окисления моносилана. Производится изготовление окон в изоляционном слое для соединения токоведущих дорожек микросхемы с внешними выводами.

Многие наверняка не раз задавались вопросом, почему процессоры, видеокарты и материнские платы которые мы покупаем в магазинах - разработаны и сделаны где угодно, только не в России? Почему так получается, неужели мы только нефть качать можем?

Сколько стоит запуск производства микросхемы, и почему при наличии 22нм фабрик, бОльшая часть микросхем по всему миру до сих пор делается на «устаревшем» 180нм-500нм оборудовании?

Ответы на эти и многие другие вопросы под катом.

Как же работает микроэлектронное производство и сколько все это стоит?

Основные характеристики степперов/сканеров - длина волны света, на которой они работают (на ртутных лампах i-line - 365nm, затем на эксимерных лазерах - 248nm и 193nm), и численная апертура объектива . Чем короче длина волны, и чем больше апертура - тем меньшие детали могут быть нарисованы объективом в соответствии с дифракционным пределом:

Например, для одного из самых совершенных сканеров ASML NXT 1950i с длиной волны 193нм и численной апертурой 1.35, и k1=0.4(обычное значение для фотолитографии без «хитростей») получаем теоретическое разрешение 57нм. Применяя хитрости вроде фазовых масок, многократной экспозиции, оптической коррекции близости, off-axis illumination , поляризации света - получают минимальные элементы до 22нм.

Другие параметры степперов/сканеров - производительность (сколько пластин в час они могут обработать, до 220 пластин), и ошибка совмещения (на сколько нанометров в штуках промахивается позиционирование пластины относительно заданной позиции. На современных сканерах - до 3-5нм).

Степперы/сканеры печатают уменьшенное в 4–5 раз изображение вот такой маски (стеклянной пластинки с рисунком микросхемы, размер примерно 15x15см) в точно заданных местах.

Операцию печати рисунка (с разными масками) нужно повторить от ~10 (для самых простых и старых микросхем) до ~40 раз чтобы сформировать все нужные слои на микросхеме (начиная от самих транзисторов, и заканчивая 2–10 слоями металлических соединений). Между операциями фотолитографии пластины подвергаются различной обработке - их греют в печке до 1100 градусов, травят в растворах и плазме. На выходе остаётся пластину разрезать на отдельные кристаллы, протестировать и поместить в корпус.

«Крутость» технологии измеряют размером минимального рисуемого элемента (отдельные части транзистора, например затвор - могут быть как меньше так и больше этой цифры - т.е. это величина достаточно условная). Понятно что чем меньше транзисторы - тем быстрее работает микросхема, и больше кристаллов влезет на пластину (но не везде нужна максимальная скорость).

Сейчас начинается медленный и мучительный переход на EUV-литографию, с длиной волны 13.5nm и зеркальной оптикой . EUV сканеры пока дороже и медленнее обычных 193нм, и только-только начинают превосходить их по достижимому разрешению.

Сколько стоит свой процессор сделать?

Лицензия софта на одно рабочее место разработчика микросхем - от 20"000 до 100"000$ в год и выше. Можно конечно и воровать, но за этим все вокруг следят.

Далее - изготовление масок. Они не должны иметь ни одного повреждения, и их изготовление обходится очень дорого: от ~7"000$ за комплект для микросхем на 1000нм, ~100"000$ для микросхем на 180нм и до ~5"000"000$ для микросхем на 32нм. А ведь микросхема с первого раза скорее всего не заработает - и после нахождения ошибки маски придётся переделывать. Частично с этой проблемой можно бороться размещая тестовые микросхемы от многих заказчиков на одном наборе масок - тогда все получат по чуть–чуть тестовых микросхем за 1/3–1/10 цены полного набора масок (это называют Shuttle или MPW - multi project wafer).

Каждая произведённая пластина стоит от 100–400$ для старых технологий на 1000нм, ~1000$ на 180нм и до ~5000$ для самых современных (помимо нанометров тут оказывает влияние и сложность технологии - простая логика дешевле, флеш память дороже, но не в разы). Тут также важно помнить и о размере пластин: самые современные производства сейчас работают с пластинами диаметром 300мм - они по площади примерно вдвое больше пластин на 200мм (которые сейчас используются в России на Микроне, Интеграле и в туманном будущем на Ангстрем-Т), а последние примерно вдвое больше ещё более старых 150мм. Пластины бОльшего размера позволяют получать микросхемы меньшей стоимости при большИх заказах т.к. количество телодвижений для изготовления 100 пластин примерно одинаковое, независимо от диаметра (это одна из причин планируемого перехода передовых производств на пластины диаметром 450мм в 2018 году по оптимистичным оценкам).

Допустим мы хотим разработать x86-совместимый процессор (или любую другую относительно сложную микросхему), по более-менее современной коммерчески доступной технологии 28/32нм (22нм хоть и существует, но коммерческие заказы пока не разместить - так что доступ к технологиям иногда как любовь: за деньги не продается). Вопрос со стоимостью патентов опустим, это вообще очень печальная тема. Предположим, для разработки нужно 200 мифических человеко-лет (это если мы делаем скромный процессор, не претендующий на первое место).

Лицензии на софт - 50k$*100 = 5 млн$ (грубая оценка, не всем нужны лицензии).
Зарплата разработчиков - допустим 3k$*1,5(налоги)*12*200 = 10.8 млн$
Тестовые запуски в MPW - 2*1.5 млн$
Изготовление масок для серийного производства 2*5млн$ = 10 млн$ (2 - потому что как ни старайся - с первого раза не выйдет)

Итого - 28.8 млн$

Это было то, что называется Non-recurring engineering (NRE) - единоразовые затраты, которые не зависят от объема производства, и успеха всего мероприятия.

Если процессор у нас получился площадью 200мм2, пластины по технологии 32нм диаметром 300мм стоят 5000$, то с пластины у нас получится 70690/200 = 350 кристаллов (оценка сверху), из которых работать допустим будет 300. Т.е. себестоимость кристалла - 16.6$, 20$ после корпусировки. За сколько теперь такой процессор можно будет продавать? 50$? 100$? Отнимем налоги и наценку магазинов…

И вот теперь вопрос - сколько же нужно продать таких процессоров, чтобы окупить наши NRE, проценты по кредитам, налоги и проч? Миллион? 5 миллионов? А главный вопрос - есть ли какие-то гарантии, что эти 5 миллионов процессоров удастся продать, учитывая что конкурентам ничего не стоит произвести на 5 миллионов больше их уже готового продукта?

Вот такой вот адский бизнес получается - огромные капитальные расходы, огромные риски и умеренная прибыль в лучшем случае.

Китай - решил проблему по своему, они решили во все школы поставить компьютеры со своими процессорами и Linux - и проблема с объёмами производства решена ( ).

Таким образом, главный вопрос при создании микросхем - это не как и где произвести, а как разработать и кому потом продать миллионы штук получившейся продукции?

А сколько стоит завод построить?

Это просто не укладывалось у меня в голове - как же так, вкладывать миллиарды, и едва–едва их отбивать? Оказалось, все просто - по всему миру микроэлектроника жесточайше дотируемая отрасль - заводы постоянно выклянчивают освобождение от налогов, льготные кредиты и демпингуют (в Китае пошли ещё дальше - SMIC заводы строит за государственный счёт, и потом ими «управляет» - это у них называется Reverse Build-Operate-Transfer). После появления каждой новой технологии (45нм, 32нм...) - первые заводы-монополисты обладающие ей и рубят основную прибыль, а те, кто приходят на 2-5-10 лет позже старта - вынуждены работать практически по себестоимости. В результате денег тут заработать крайне сложно (без монополии и без дотаций).

Это похоже поняли и в России - и проекты больших микроэлектронных заводов пока отложили, и строят маленькие производства - чтобы если и терять деньги, то терять их мало. А даже 3000 пластин в месяц, производимых на Микроне - это с головой покрывает объёмы потребления билетов Метрополитена и оборонки (кристалл билета метро имеет размеры 0.6x0.6мм, на одной 200мм пластине получается 87"000 билетов в метро - но о грустной истории с билетами метро я расскажу в одной из следующих статей).

Вопреки расхожему мнению, особых ограничений на продажу оборудования для микроэлектроники в Россию нет - на поправку Джексона - Вэника в США ежегодно накладывается президентский мораторий, и нужно только получать обычное разрешение на экспорт. Сами производители оборудования кровно заинтересованы заработать побольше денег, и сами пинают со своей стороны выдачу разрешений. Но естественно, без денег никто ничего не делает. Так что за ваши деньги - любой каприз.

Но нужно помнить и о том, что свой завод не гарантирует полной независимости производства, и не дешевле производства за рубежом: основную стоимость составляют технологии/лицензии и стоимость закупаемого оборудования - а если своих технологий и оборудования нет, и все импортировать - то и дешевле получится не может. Многие расходные материалы также в любом случае придется импортировать. Отдельный больной вопрос - производство масок, только очень крупные фабрики могут иметь «своё» производство масок.

А сколько нанометров нужно для счастья?

Есть и другие факторы - та же стоимость масок. Если нам нужно сделать простую микросхему, то делать для её изготовления по 32нм маски стоимостью 5 млн $ - может быть выгодно если эту микросхему потом производить тиражом в десятки и сотни миллионов копий. А если нам нужно всего 100"000 микросхем - выгоднее экономить на масках, и выпускать микросхему по самой «толстой» технологии. Кроме этого, на микросхеме есть контактные площадки, к которым подсоединяются выводы микросхем - их уменьшать некуда, и следовательно, если площадь микросхемы сравнима с площадью контактных площадок - то делать микросхему по более тонкой технологии также нет смысла (если конечно «толстые нормы» удовлетворяют требованиям по скорости и энергопотреблению).

В результате - подавляющее большинство микросхем в мире делается по «толстым» технологиям (350–500нм и толще), и миллиарды микросхем уходящие на экспорт с Российских заводов (правда в основном в виде пластин) - вполне себе востребованы и продаются (так что в материнских платах и сотовых телефонах есть наши микросхемы и силовые транзисторы - но под зарубежными именами).

Ну и наконец, американский F–22 Raptor до недавнего времени летал на процессоре Intel 960mx, разработанном в 1984–м году, производство в США тогда было по нормам 1000–1500nm - никто особо не жужжал о том, что американцы ставят в самолеты отсталую электронику (хотя ладно, немного жужжали). Главное ведь не нанометры, а соответствие конечного продукта техзаданию.

Резюме

Не удивительно, что в России стараются иметь маленькое, но своё производство, чтобы сохраняя независимость, терять меньше денег. Ни о какой прибыли на рыночных условиях говорить не приходится.

Ну и не для всех микросхем нужно 22-32нм производство, подавляющее большинство микросхем выгоднее производить на более старом 180-500нм оборудовании из-за стоимости масок и объемов производства.

В следующих статьях - расскажу об особенностях космической и военной микроэлектроники, и о текущем состоянии микроэлектроники в России.

Основными технологическими процессами, применяемыми при изготовлении полупроводниковых интегральных микросхем, являются оксидирование, фотолитография, диффузия, эпитаксия, ионное легирование.

Оксидирование кремния. Этот процесс имеет важное значение в технологии изготовления полупроводниковых интегральных микросхем. Диоксид кремния Si0 2 представляет собой стеклообразный оксид, имеющий тот же химический состав, что и кварцевое стекло. Эти оксиды являются хорошей изоляцией для отдельных элементов схемы, служат маской, препятствующей проникновению примесей при диффузии, применяются для защиты поверхности и создания активных диэлектрических элементов (например, в МОП-транзисторах). Они образуют равномерное сплошное покрытие на поверхности кремния, которое легко стравливается и удаляется с локальных участков. Повторное оксидирование обеспечивает защиту P-N -перехода от воздействия окружающей среды. Коэффициенты термического расширения кремния и диоксида кремния близки. Диоксид кремния обладает хорошей адгезией и сравнительно легко создается на поверхности пластины.

В зависимости от метода получения различают термические и анодные оксиды.

Термические оксиды получают при ускоряемых нагревом реакциях кремния с кислородом и другими веществами, содержащими кислород. Такие оксиды имеют толщину ~ 1 мкм и обладают высокой плотностью.

Метод термического оксидирования имеет две разновидности:

1) высокотемпературное оксидирование в потоке сухого кислорода и увлажненных газов;

2) оксидирование в парах воды при высоком давлении (до 50 МПа), при сравнительно невысоких температурах (5ОО...900°С).

Оксидирование в потоке увлажненных газов выполняется по рис.1.8. Пластины кремния помещают в кварцевую трубу, где установлена температура 1100°С. Один конец трубы соединен с увлажнителем (деионизованной водой), через которую пропускают газ (аргон, азот и др.). При отключенном увлажнителе осушенный кислород поступает непосред-ственно в кварцевую трубу. Оксидирование проводится в такой последовательности: предварительная выдержка в сухом кислороде (~15 мин); длительное оксидирование во влажном кислороде (2 ч) и окончательное оксидирование в сухом кислороде. Первая операция дает прочную пленку малой толщины. Термическая обработка в среде влажного кислорода обеспечивает быстрый рост пленки (до 1 мкм), но плотность ее получается недостаточной. Последующая обработка в сухом кислороде приводит к уплотнению пленки и улучшению ее структуры.

Наиболее часто используют толщину оксида, составляющую десятые доли микрометра, а верхний предел по толщине равен 1 мкм. Добавление в оксидированную среду хлорсодержащих компонентов повышает скорость оксидирования и увеличивает напряженность пробоя. Главная роль хлора заключается в превращении случайно попавших в диоксид кремния примесных атомов (калия, натрия и др.) в электрически неактивные.

Окисление кремния в парах воды при высоком давлении осуществляется в камере, внутренняя поверхность которой покрывается золотом или другим инертным металлом во избежание нежелательной реакции. В камеру помещают пластины кремния и определенное количество воды высокой чистоты, которая нагревается до температуры оксидирования (500 ...800°С). Толщина пленки зависит от длительности оксидирования, давления и концентрации паров воды.

На качество оксидной пленки влияет чистота рабочего объема, в котором производится процесс. Попадание даже ничтожного количества примесных атомов может существенно изменить свойства материала исходной заготовки. Наиболее вредное воздействие оказывают примеси меди, коэффициент диффузии которых в кремнии очень велик.

Большое значение имеет предокислительная очистка кремния от загрязнений, приводящих к прерывистости в пленках. Преимущество оксидирования при высоком давлении состоит в возможности снижения температуры процесса без увеличения продолжительности.

Анодное оксидирование кремния имеет две модификации: оксидирование в жидком электролите и в газовой плазме. Процесс анодного оксидирования дает возможность получать оксидные пленки при более низких температурах, что ограничивает пере-распределение примесей в предварительно сформированных диффузионных областях.

Для создания межслойной изоляции процесс оксидирования не применяют, а диэлектрические слои получают осаждением.

Пленки диоксида кремния как защитные слои обладают следующими недостатками: 1) пористостью структуры, что приводит к возможности проникновения водяных паров и некоторых примесей к исходной поверхности кремния; 2) способностью атомов ряда элементов мигрировать сквозь пленку диоксида кремния, что приводит к нестабильности характеристик полупроводниковых приборов.

Фотолитография. Фотолитография представляет собой процесс образования на поверхности диоксида подложки фоторезистивного изображения топологии схемы и последующего переноса его на подложку. По структуре он совпадает с методами, применяемыми при образовании проводников печатных плат. Однако этот процесс имеет свою специфику, обусловленную требованиями высокой разрешающей способности и повышенными требованиями к качеству применяемых материалов и чистоте окружающей среды.

Фоторезисты - тонкие плёнки органических растворов, которые должны обладать свой-ствами после экспонирования ультрафиолетовым светом полимеризоваться и переходить в нерастворимое состояние. Основные требования, предъявляемые к фоторезистам, - высокая разрешающая способность, светочувствительность, устойчивость к воздействию травителей и различных химических растворов, хорошая адгезия с поверхностью изделия.

Под разрешающей способностью фоторезиста понимается число линий, которое можно нанести на один миллиметр поверхности платы с расстоянием между ними, равным их ширине. Разрешающая способность зависит от вида фоторезиста и толщины слоя. При тон­ких слоях она больше, чем при толстых.

По способу образования рисунка фоторезисты делятся на негативные и позитивные (рис. 1.9).

Участки негативного фоторезиста, находящиеся под прозрачными участками фотошаблона, под действием ультрафиолетового света получают свойство не растворяться при проявлении. Участки фоторезиста, расположенные под непрозрачными местами фотошаблона, легко удаляются при проявлении в растворителе. Таким образом создается; рельеф, представляющий собой изображение светлых элементов фотошаблона (рис. 1.9, а).

Негативные фоторезисты изготовляют на основе поливинилового спирта. Их широко применяют вследствие отсутствия токсичных составляющих, приемлемой разрешающей способности (до 50 ли-ний/мм), простоте проявления и низкой стоимости. Недостатком является невозможность хранения более 3...5 ч заготовок с нанесенным слоем, так как послед-ний задубливается и в темноте. Кроме того, с пони-жением влажности и температуры окружающей среды уменьшается механическая прочность светочувствительного слоя и его адгезия с поверхностью.

Позитивный фоторезист под действием облучения изменяет свои свойства таким образом, что при обработке в проявителях растворяются его облученные участки, а необлученные (находящиеся под непрозрачными участками фотошаблона) остаются на поверхности платы (рис. 1.9, б).

Для позитивных фоторезистов применяют материалы на основе диазосоединений, которые состоят из светочувствительной полимерной основы (новолачной смолы), растворителя и некоторых других компонентов. По адгезионной и разрешающей способности они превосходят негативные фоторезисты, но имеют более высокую стоимость и содержат токсичные растворители. Разрешающая способность позитивных фоторезистов составляет до 350 линий/мм. Достоинством позитивного фоторезиста является отсутствие дубления при хранении заготовок с нанесенным светочувствительным слоем.

В технологическом процессе производства ИМС применяют жидкие и сухие фоторезисты.

Жидкие фоторезисты наносят погружением (окунанием), поливом с центрифугированием, накатыванием ребристым роликом и другими способами.

Сухие фоторезисты, получившие более широкое распространение ввиду большей технологичности и простоте применения, представляют собой тонкую структуру из трёх слоёв: оптически прозрачной плёнки (обычно полиэтилентерефталата), светочув-ствительного полимера и защитной лавсановой плёнки. Нанесение их проводится при повышенной температуре с предварительным удалением защитного слоя и приклеиванием фоторезиста. После экспонирования рисунка снимается оптическая плёнка и изображение проявляется в воде. При этом неэкспонированные участки рисунка удаляются.

Высокую разрешающую способность рисунка схемы обеспечивают позитивные фоторезисты. Однако их преимущества не исключают возможности использования негативных фоторезистов, обладающих большей кислотоустойчивостью и простотой проявления.

Основные этапы процесса фотолитографии при реализации контактной печати приведены на рис.1.10.

Подготовка повер-хности подложки (рис. 1.10,а) существенно влияет на адгезию фоторезиста. Пос-ледний следует наносить сразу же после окисления пластины без каких-либо дополнительных обработок поверхности. Если подложки хранятся более часа, то производится термообработка в сухом кислороде или азоте при t=1000°С в течение нескольких минут. Она позволяет устранить гидрофильность поверхности подложки.

Нанесение фото-резиста производят цен-трифугированием (рис. 1.10,6). Оптимальная толщина слоя фоторезиста находится в пределах 0,3... 0,8 мкм. При толщине слоя менее 0,2 мкм вероятность появления проколов резко увеличивается, а при толщинах более 1 мкм снижается разрешающая способность процесса, что не дает возможности получать элементы с малыми размерами.

При нанесении фоторезиста необходимо обеспечить однородность слоя (отсутствие пор, инородных частиц и др.) и равномерность его по толщине. Однородность слоя зависит от чистоты исходного фоторезиста, чистоты окружающей среды, режимов и способа сушки. Равномерность толщины слоя зависит от вязкости фоторезиста и режимов его нанесения. Неравномерность слоя по толщине является причиной ухудшения контраст-ности вследствие неполного прилегания фотошаблона к фотослою при экспонировании.

Удаление растворителя из слоя фоторезиста для образования прочной и однородной пленки осуществляется сушкой при t =18... 20°С в течение 15...30 мин, а затем при t=90... 100 °С в течение 30 мин.

Перенос изображения с фотошаблона на пластину, покрытую слоем фоторезиста, реализуется путем экспонирования (рис. 1.10, в). Если процесс фотолитографии повторяется, то необходимо ранее полученный рисунок совместить с рисунком на фотошаблоне. Точность совмещения составляет 0,25... 0,5 мкм. В качестве источника света используют ксеоновые и ртутно-кварцевые лампы.

На качество переноса существенно влияют дифракционные явления, возникающие при наличии зазоров между шаблоном и пластиной. Зазоры возникают вследствие неплоскостности подложки, достигающей 20 мкм. Качество переноса изображения с фотошаблона на слой фоторезиста может быть оценено только после проявления.

Проявление скрытого изображения (рис. 1.10,г) в негативном фоторезисте заключается в удалении участков, находившихся под темными местами фотошаблона. В случае позитивного фоторезиста удаляются облученные участки. Негативные фоторезисты проявляют в органических растворителях (трихлорэтилене и др.), а позитивные- в щелочных растворах. Для улучшения защитных свойств полученный слой сушат при t=100... 120°С, а затем задубливают при t=200... 250°С в течение 30...40 мин.

Требуемый рисунок схемы получают травлением не защищенных фоторезистом участков подложки в смеси азотной и плавиковой кислоты (рис. 1.10,д).

Травление должно обеспечивать полное вытравливание оксидных пленок. При этом встречаются случаи, когда надо одновременно вытравливать оксидные пленки различной толщины. Точность операций травления зависит от точности изготовления негатива и качества фоторезиста. В случае плохой адгезии слоя с поверхностью заготовки плавиковая кислота может проникать под задубленный слой и вытравливать защищенные им участки оксидной пленки. Оставшийся на поверхности слой фоторезиста удаляют в растворителе, в качестве которых применяют органические жидкости и серную кислоту. После набухания пленки фоторезиста удаляют тампоном.

Фотолитография является одним из основных технологических процессов при производстве полупроводниковых микросхем. Ее широкое применение объясняется высокой воспроизводимостью и разрешающей способностью, позволяющей получить рисунок малых размеров, универсальностью и гибкостью метода, высокой производительностью. Недостатком контактной фотолитографии являются быстрый износ фотошаблона и возникновение дефектов на соприкасающихся поверхностях. При контактировании фотошаблон вдавливает в фоторезистивный слой любые частицы (например, пылинки), которые приводят к дефектам в защитном слое фоторезиста.

Пылинка на поверхности фоторезиста может воспрепятствовать его задублению и привести к образованию отверстия («прокола») в оксиде. Такой же эффект может дать пылинка или какие-нибудь темные точки на прозрачной части фотошаблона. Отверстие в за-темненной части фотошаблона может привести к неполному удалению оксидной пленки. Размеры частичек пыли соизмеримы с размерами областей контактных элементов. Их наличие приводит к браку микросхемы.

Вероятность появления дефектов, возникающих вследствие попадания на поверхность кремния нерастворимых частиц пыли и других точечных загрязнений, пропорциональна площади пластины. Наличие таких дефектов ограничивает максимальную величину площади микросхем.

Бесконтактная (проекционная) фотолитография устраняет контакт между фотошаблоном и слоем фоторезиста, что позволяет избежать целого ряда недостатков, присущих контактной фотолитографии.

Метод проекционной печати заключается в проецировании изображения с фотошаблона на покрытую слоем фоторезиста пластину, размещенных на значительном расстоянии друг от друга. Размеры рисунка на фотошаблоне могут быть выполнены в увеличенном масштабе. При этом методе повышаются требования к плоскостности подложек и однородности толщины слоя фоторезиста. Высокие требования предъявляются к объективу, который должен обеспечить нужное разрешение на всем рабочем поле подложки. В настоящее время наилучшее разрешение (0,4 мкм) может быть получено на площади 2x2 мм. Трудности создания объективов, обеспечивающих высокое разрешение на большой площади, препятствуют широкому внедрению метода проекционной фотолитографии.

Фотолитография на микрозазоре сочетает достоинства контактного и проекционного методов фотолитографии. При этом методе между пластиной и фотошаблоном устанавливается зазор в 10... 20 мкм. Такой зазор является достаточно большим, чтобы свести к минимуму явление дифракции, и в то же время достаточно малым, чтобы пренебречь нелинейными искажениями в зазоре при передаче изображения. Промышленное оборудование для экспонирования на микрозазоре значительно сложнее, чем установки для контактного экспонирования.

Диффузия. Это процесс переноса легирующих примесей из областей с большей концентрацией в области с меньшей концентрацией. Если в твердом теле имеется градиент концентрации атомов какого-либо элемента, то создается направленное диффузионное движение, стремящееся выравнить концентрацию этих атомов во всем объеме. Процессы выравнивания концентрации происходят при достаточно высоких температурах, когда резко увеличиваются скорости движения частиц. Они характеризуются коэффициентом диффузии D, который определяется массой вещества, проникающего через единичную площадку за единицу времени при градиенте концентрации, равном единице.

Коэффициент диффузии для определенного материала и диффундирующей примеси в первом приближении зависит только от температуры (экспоненциальная зависимость).

Коэффициент диффузии элементов III группы (В, А1,Iп) в кремний на 1... 1,5 порядка выше, чем элементов V группы (As; P; Sb). Например, коэффициент диффузии бора в кремний при t==1473 К составляет 10,5 см 2 /с, мышьяка - 0,3 см 2 /с.

Процесс диффузии осуществляется в два этапа. На первом этапе из бесконечного источника (газовая фаза) на кристалле создается слой, насыщенный примесью. Этот этап называется загонкой примеси. Он проводится в присутствии кислорода, что способствует образованию на поверхности слоя боросиликатного стекла (для примеси В 2 0 3) или фосфорно-силикатного стекла (для примеси Р 2 О 5). Параметрами процесса загонки являются концентрация диффузанта и кислорода в газе-носителе, скорость газовой смеси и время процесса. На втором этапе примесь подвергается перераспределению. Этот этап называется разгонкой примеси. Она выполняется при t = 800...1000°С в отсутствие внешнего источника примеси. Рабочей атмосферой служит смесь инертного газа с кислородом. Разгонка примеси в глубь пластины сопровождается выращиванием защитной пленки оксида кремния.

Диффузию проводят в диапазоне температур 1100... 1300°С, а с учетом процесса загонки при двухстадийном процессе -1000... 1300°. Ниже 1000 °С значения коэффициентов диффузии очень малы и глубина диффузии незначительна. Выше 1300°С происходят нарушения поверхности пластин под действием высокой температуры.

В качестве источников примеси применяют твердые, жидкие и газообразные соединения. Наиболее часто используют бор и фосфор в виде химических соединений В 2 0 5 , Р 2 О 5 и др.

Диффузия в пото-ке газа-носителя из твердого источника выполняется в двухзонных установках (рис. 1.11). Источник примесей поме-щают в низкотемпературной зоне, а кремниевые плас-тины - в высокотемператур-ной зоне (1100... 1200°С). Трубу продувают смесью инертного газа с кислоро-дом и после установления температурного режима пластины помещают в рабочую зону. Испаряющи-еся молекулы примеси переносятся газом-носите-лем к пластинам и через слой жидкого стекла попадают на их поверхности. Жидкое стекло защищает поверхности пластин от испарения и попадания посторонних частиц. Недостатки процесса диффузии из твердого источника - сложность установки и трудность регулирования давления паров.

Диффузия в потоке газа-носителя из жидкого источника проводится на более простой однозонной установке, где возможно получить более широкий интервал значений поверхностных концентраций. Недостаток такого процесса-большая токсичность концентраций.

Диффузия в замкнутом объеме. Такая диффузия обеспечивает хорошую вос-производимость параметров диффузионных слоев. В этом случае пластину кремния и источ-ник примесей помещают в кварцевую ампулу, которую откачивают до давления 10 -3 Па или заполняют инертным газом. Затем ампулу запаивают и помещают в нагревательную печь. Молекулы пара примеси адсорбируются поверхностями полупроводниковой пластины и диффундируют в глубь ее. Такой метод применяют для диффузии бора, сурьмы, мышьяка, фосфора. Эти примеси являются высокотоксичными, а диффузия в ампуле исключает возможность отравления.

Достоинством метода является возможность применения одной печи для диффузии нес-кольких примесей без взаимного их загрязнения, недостатком-низкая производительность и необходимость тщательного ведения процесса загрузки, так как любое вещество, попавшее в ампулу, диффундирует вместе с основной примесью.

При всех способах диффузии необходимо обеспечить равномерное распределение температуры вдоль оси горячей зоны. Если допуск на глубину диффузионного слоя, равен 100%, то достаточно температуру выдерживать с точностью ±5°С. При допуске 20% температуру необходимо выдерживать с точностью ±0,5°С.

Глубина диффузии изменяется от нескольких микрометров (для элементов схемы) до 10 ... 100 мкм для их изоляции. Большая глубина диффузии требует значительного времени (до 60 ч).

Примеси, диффундирующие в кремний через отверстие в оксиде, распространяются в боковых направлениях почти на такую же величину, как и в глубину.

Наиболее распространенными дефектами при диффузии являются отклонения в глубине диффузионного слоя. Причины таких отклонений - пыль и другие частицы, находящиеся на поверхности пластины, а также остатки фоторезиста. Дефекты поверхности и нарушения в кристаллической решетке способствуют более глубокому проникновению диффузанта в материал. Для уменьшения количества таких дефектов необходимо весьма тщательно соблюдать чистоту окружающей среды, материалов и оборудования на подготовительных операциях и в процессе проведения диффузии.

Получение P-N -переходов методами диффузии позволяет в точных пределах контролировать глубину залегания и расположение перехода, концентрацию примесей и др. Недостаток процесса диффузии - невозможность получения четких переходов между областями с различными типами проводимости.

Эпитаксия. Это процесс наращивания слоев с упорядоченной кристаллической структурой путем реализации ориентирующего действия подложки. В производстве интегральных схем применяют два вида эпитаксии: гомоэпитаксию и гетероэпитаксию.

Гомоэпитаксия (автоэпитаксия) - процесс ориентированного наращивания кристалли-ческого вещества, не отличающегося по химическому составу от вещества подложки. Гетероэпитаксия - процесс ориентированного наращивания вещества, отличающегося по химическому составу от материала подложки.

В процессе выращивания эпитаксиальной пленки в нее можно вводить легирующие примеси, создавая полупроводниковые пленки с нужным распределением концентрации и заданным типом проводимости. Благодаря этому удается получить четкие границы между областями с различным типом проводимости.

Наибольшее распространение в настоящее время получил так называемый хлоридный способ получения эпитаксиальных слоев кремния, основанный на восстановлении тетрахлорида кремния. Процесс производится в реакторе, представляющем кварцевую трубу, помещенную в индуктор ВЧ-генератора. Реакторы могут быть горизонтального и вертикального типа.

В горизонтальном реакторе (рис. 1.12) кремниевые пластины размещают на графитовых подставках. Обогрев осуществляется высокочастотным генератором. Перед началом процесса систему заполняют азотом или гелием для удаления воздуха и продувают чистым водородом, который при температуре 1200°С вступает в реакцию с остатками оксидных пленок на поверхности подложек и почти полностью удаляет их. Затем камеру заполняют

смесью НС1 и Н 2 для стравливания с пластины кремния слоя толщиной в несколько микрометров. С помощью операции газового травления удаляются нарушенный слой и остатки Si0 2 . Эпитаксиальные пленки получаются без структурных дефектов. После очистки систему в течение нескольких минут продувают водородом, затем подают SiCl 4 и легирующую примесь. В результате реакции

5iС1 4 (газ) + 2Н 2 (газ) ↔ Si (ТВЁРДОЕ) ↓ + 4НС1 (ГАЗ)

тетрахлорид кремния разлагается, и на кремниевую подложку осаждается кремний, который принимает структуру лежащего под ним слоя. После окончания процесса подложку охлаждают потоком чистого водорода.

Определенные соотношения водорода, хлорида кремния и примесей достигаются путем регулирования скорости подачи и температуры. Обычный расход газа-носителя (водорода) составляет 10 л/мин, а соотношение между количеством Н 2 и SiCl 4 составляет 1000: 1. В эту смесь вводится газообразный диффузант в количестве примерно 300 ч. на 1 000 000 ч. газовой смеси.

В качестве донорной примеси применяют фосфин (РН 3) , а для получения слоя P -типа - диборан (В 2 Н 6) .

Скорость роста эпитаксиальной пленки зависит от расхода SiCl 4 и Н 2 , температуры подложки, количества вводимой примеси и др. Эти переменные, которые можно контролировать достаточно точно, определяют продолжительность процесса.

Наименьшая толщина эпитаксиальной пленки определяется наличием центров кристаллизации. Верхний предел толщины пленки, свободный от дефектов, равен 250 мкм. Наиболее часто толщина эпитаксиальной пленки составляет от 1 до 25 мкм.

Большое влияние на качество эпитаксиального слоя оказывает чистота поверхности подложки и используемых газов. В качестве подложки используют пластины кремния толщиной 150...200 мкм, свободные от структурных дефектов. Допускаемое содержание примесей в газах равно нескольким частям примеси на миллион частей газа.

Контроль полупроводниковых пластин осуществляют после финишного полирования, эпитаксии, оксидирования и диффузии. Он основан на визуальном наблюдении и анализе изображения пластины, сформированного на экране отраженным от поверхности пластины гомоцентрическим пучком видимого света.

Участки пластины с нарушенной структурой вносят возмущения в пучок света, благодаря чему дефекты пластины видны на экране как изменения интенсивности света в изображении пластины, позволяющие оценить ее качество.

Напыление тонких плёнок. Основными методами получения тонких плёнок являются термическое напылние (испарение) в вакууме и ионное распыление.

Термическое напыление в вакууме. Такое напыление основано на свойстве атомов (молекул) металлов и некоторых других материалов при испарении в условиях высокого вакуума перемещаться прямолинейно (лучеобразно) и осаждаться на поверхности, поставленной на пути их движения.

Установка для напыления в вакууме (рис. 1.13) состоит из плоской плиты 6, на которой устанавливается стеклянный или металличес-кий колпак 9. В последнем случае он снабжается смотровым стеклом. На плите предусмотрены два изолированных вакуумплотных вывода 4 для питания испарителя 3. На некотором расстоянии от испарителя помещается подложка 10, на которую наносится тонкая пленка. Подложка нагревается и до достижения заданного режима закрыта заслонкой 1.

В соответствии с физическими процессами, происходящими при испарении в вакууме, можно выделить следующие этапы образования пленки: 1) перевод напыляемого материала в парообразное состояние; 2) перенос пара от источника испарения к подложке; 3) конденсация пара на подложке и образование пленки.

Перевод напыляемого материала в парообразное состояние. В области образования паров происходит испарение материала, который нагревается до тех пор, пока давление его паров не превысит давления остаточных газов. При этом наиболее нагретые молекулы, обладающие высокой кинетической энергией, преодолевают силы молекулярного притяжения и отрываются от поверхности расплава. Вследствие резко пониженной теплопередачи в условиях высокого вакуума перегрева подложек не происходит.

Для некоторых материалов условная температура испарения ниже температуры плавления. Например, хром имеет температуру плавления 1800°С, а испаряется при нагревании в вакууме при температуре 1205°С. Переход вещества из твердого состояния в парообразное минуя жидкое называется сублимацией.

Перенос пара от источника испарения к подложке. Область переноса паров составляет 10...20 см. Чтобы траектории молекул испаряемого вещества были прямолинейными, длина свободного пробега молекул остаточного газа должна в 5... 10 раз превышать линейные размеры области переноса паров.

Длина свободного пробега l - расстояние, проходимое молекулой пара вещества без столкновения с молекулами остаточных газов. В высоком вакууме, когда l ³ d (d - расстояние от источника испарения до подложки), молекулы испаряемого вещества пролета-ют расстояние практически без соударений. Такой поток испаряемого вещества называется молекулярным и для его создания необходим вакуум порядка 10-5... 10-6Па.

Конденсация пара на подложке и образование пленки. Конденсация пара зависит от температуры подложки и плотности атомарного потока. Атомы испаряемого вещества адсорбируются на подложке после хаотической миграции по ее поверхности.

По механическим и физическим свойствам тонкие плёнки существенно отличаются от объёмного материала. Например, удельная прочность некоторых плёнок примерно в 200 раз превышает прочность хорошо отожжённых объёмных образцов и в несколько раз - прочность материалов, подвергнутых холодной обработке. Это объясняется мелкокристалличексой структурой и малой пластичностью. Температура испарения металлов лежит в пределах от нескольких сотен градусов (например 430 о С у цезия) до нескольких тысяч (например, 3500 о С у вольфрама). В связи с этим при вакуумном испарении применяют испарители различной конструкции. По способу нагрева вещества испарители разделяют на резистивные, электронные и индукционые.

В резистивных испарителях тепловая энергия получается за счет выделения теплоты при прохождении тока через нагреватель или непосредственно через испаряемый материал. Наиболее часто используют испарители с косвенным подогревом. В этом случае предусматривают специальные подогреватели, при помощи которых испаряемое вещество нагревается до требуемой температуры. Материалом испарителя обычно служит вольфрам, тантал, молибден и др.

Выбор материала подогревателя определяется следующими требованиями: испаряемый материал в расплавленном состоянии должен хорошо смачивать подогреватель, образуя хороший тепловой контакт, и не должен вступать в химическую реакцию с материалом подогревателя. В основном применяют подогреватели из вольфрама, молибдена, тантала.

Резистивные испарители не обеспечивают требуемого состава пленок при испарении сплавов. Вследствие различия в упругости паров различных компонентов состав пленки значительно отличается от исходного материала. Например, напыляемый сплав нихром (80% Ni и 20% Сг) образует на подложке пленку, имеющую состав 60% Ni и 40% Сг. Для получения пленок требуемого состава из многокомпонентных сплавов (например, МЛТ и др.) применяют метод микродозирования или взрывного испарения. При этом методе на ленточный испаритель, нагретый до температуры, превышающей на 200... 300°С температуру испарения наиболее тугоплавкого компонента, подается микродоза порошка испаряемого сплава с размерами частиц 100... 200 мкм. Испарение микродозы происходит практически мгновенно.

В электронных испарителях кинетическая энергия электронов преобразуется в тепловую энергию. Испаряемый материал используется в виде сплошной проволоки, на свободный конец которой воздействует электронный луч. В связи с кратковременностью нагрева (10 -8 ... 10 -9 с) различные компоненты сложного соединения испаряются и осаждаются на подложку практически одновременно. Электронно-лучевой нагрев дает возможность испарять тугоплавкие металлы и их сплавы.

Для повышения стабильности параметров тонкие металлические пленки подвергают термической обработке путем нагревания до t =300... 400° С. При этом происходит укрупнение кристаллов, связь между ними усиливается, пленка получается более плотной и компактной, а удельное электрическое сопротивление уменьшается.

Вакуумное напыление широко применяют для получения резистивных пленок, проводников из меди, алюминия и некоторых других сплавов, диэлектрических покрытий из оксида кремния и др. Основными преимуществами процесса являются высокая чистота получаемой пленки, удобство контроля ее толщины в процессе напыления, простота выполнения. Наиболее существенные недостатки процесса - изменение процентного соотношения составляющих при испарении веществ сложного состава; малая равномерность пленки по толщине при осаждении на большую площадь из точечных источников; трудность испарения тугоплавких материалов; высокая инерционность процесса при использовании резистивных испарителей; сравнительно невысокая прочность сцепления пленки с подложкой.

Ионное распыление. Оно основано на явлении разрушения твердых материалов при бомбардировке их поверхности ионизированными молекулами разряженного газа. Процесс не связан с высокими температурами и позволяет получать пленки тугоплавких металлов и сплавов. Различают следующие виды ионного распыления: катодное, ионно-плазменное и магнетронное.

Катодное распыление («диод-ная» система) (рис. 1.14) производится в ва-куумной камере, где расположены два плоскопараллельных электрода. Один элек-трод (катод) изготовлен из распыляемого материала и является мишенью для бомбар-дировки. Другой электрод (анод) служит подложкой, на которой осаждается пленка. В вакуумной камере создается низкое давление (10 -3. .. 10 -4 Па), после чего заполняется инерт-ным газом (обычно аргоном) при давлении 1 ... 10 Па. При подаче высокого напряжения (1... 3 кВ) между электродами возникает самостоятельный тлеющий газовый разряд, возбуждаемый электронной эмиссией. Катод является источником электронов, необходи-мых для поддержания тлеющего разряда. Электроны движутся к аноду и при столк-новении с молекулами нейтрального газа выбивают новые электроны, что приводит к резкому нарастанию потока электронов. Молекула инертного газа при этом превра-щается из нейтральной в положительный ион, обладающий по сравнению с элек-троном большей массой. Так происходит ионизация газа, который с большим или равным количеством электронов и ионов называют плазмой. Электроны перемещаются к аноду и нейтрализуются. Положительные ионы движутся к другой границе плазмы и ускоряются в темном катодном пространстве, приобретая большие энергии для распыления мишени (катода). Атомы материала мишени с высокой энергией осаждаются на поверхности подложки, которая располагается достаточно близко к катоду. Обычно это расстояние состав-ляет полторы-две длины темного катодного пространства.

Катодное реактивное распыление осуществляется в смеси инертного и активного газов. Оно позволяет получать различные по составу пленки. Разряд в смеси газов «аргон - кислород» применяют для получения оксидов. Реактивное распыление тантала в среде аргона с добавлением кислорода, азота и углерода позволяет получить ряд соединений с самыми различными свойствами.

Ионно-плазменное распыление (трехэлектродная система) осуществляется при более низких давлениях (рис. 1.15).

В камере создается давление 10 - 3Па и включается накал катода. Затем она заполняется инертным газом при давлении Ю-1Па. Создание газоразрядной плазмы обеспечивается дуговым разрядом, возникающим между анодом и катодом при напряжении в 150... 250 В. Источником электронов служит термокатод. Распыляемый материал (мишень) вводится в газовый разряд в качестве независимого электрода, не связанного с поддержанием разряда. Имитируемые термокатодом элек-троны ускоряются по направлению к аноду и ионизируют по пути молекулы остаточного газа. Плотность образующейся плазмы более чем на порядок превышает плотность плазмы тлеющего разряда. Катод-мишень и подложку помещают на противоположных границах активного плазменного пространства. Распы-ление начинается с того момента, когда к мишени прикладывают отрицательный по отношению к аноду потенциал в 200... 1000 В. Этот потенциал отталкивает электроны и притягивает ионы из плазменного простран-ства. Ионы бомбардируют мишень так же, как в рассмотренном «диодном» варианте. Распыляе-мые атомы, двигаясь преимущественно в направлении, перпендикулярном поверхно-сти, осаждаются на подложке. Распыление при низких давлениях дает возможность получить высокую адгезию пленки с подложкой за счет большей энергии распыляемых частиц. Так как при этом давлении длина свободного пробега молекул составляет несколько сантиметров, то распыляемые атомы на своем пути от мишени до подложки почти не соударяются с молекулами и ионами инертного газа и газовых примесей, что существенно уменьшает степень загрязненности пленки посторонними газовыми включениями. Возможность сокращения расстояния между мишенью и подложками связана с тем, что в триодной системе распыления образование электронов и ионов происходит автономно от мишени.

Недостатками триодной системы являются малый срок службы проволочного катода и разная скорость распыления на отдельных участках плоской мишени.

Высокочастотное ионное распыление применяют для распыления диэлектриков и полупровод-никовых материалов. В процессе обычного распыления проводящих материалов, ударяющихся о катод-мишень, ион нейтрального рабочего газа получает с мишени электрон и разряжается, превращаясь на некоторое время в нейтральную молекулу. Если распыляемый материал мишени- диэлектрик, то нейтрализации ионов на мишени не будет и она быстро покрывается слоем положительных зарядов, препятствующих дальнейшему распылению мишени.

Влияние положительного заряда можно исключить, подавая к металлическому электроду, на котором закреплён распыляемый диэлектрик, переменное напряжение. В период, когда напряжение на мишени отрицательно, происходит её распыление, сопровождаемое накоплением положительного заряда. При смене полярности положительный заряд компенсируется электронами, вытягиваемыми из плазмы. Диэлектрические материалы можно распылять практически на любой частоте.

Вам не приходилось бывать в сердце полупроводниковой индустрии - на фабрике по производству микросхем?

Вам не приходилось бывать в сердце полупроводниковой индустрии - на фабрике по производству микросхем? Каждое подобное сооружение - творение, способное впечатлить любого, даже непосвященного в производственные процессы человека.

У побывавших там возникало ощущение, будто совершаешь фантастическое путешествие в футуристический муравейник роботов или внутрь самой микросхемы. Там, в стерильном зале размером с три футбольных поля, снуют роботы и десятки специалистов, облаченных в скафандры и защитные шлемы. А высокоточные машины для производства микросхем «парят» на специальных платформах, освещенные желто-оранжевым светом…

Этапы производства кристаллов микросхем и фотолитография

Интегральные микросхемы делают на поверхности монокристаллического кремния (Кремний (Si) используется потому, что он является наиболее подходящим для этих целей полупроводником. В свою очередь, полупроводники - это класс материалов, чья электрическая проводимость находится посреди между проводимостью проводников (главным образом, металлов) и изоляторов (диэлектриков). Кремний также может выступать как в качестве диэлектрика, так и в качестве проводника - в зависимости от количества и типа присутствующих в нем примесей других химических элементов. И эта особенность широко используется при производстве микросхем. Впрочем, в редких случаях вместо кремния применяют и другие материалы. В частности, Intel умеет внедрять в свой 90-нм техпроцесс биполярные транзисторы с гетеропереходами (HBT) на кремний-германии (SiGe)) путем последовательного создания различных слоев на тонкой (меньше миллиметра) круглой (диаметром до 30 см) кремниевой пластине, именуемой подложкой [Тонкие пластины нарезаются из тяжеленной длинной цилиндрической болванки монокристаллического кремния, которая выращивается специальным прецизионным способом. Затем пластины полируются до зеркального блеска механическими и химическими методами. «Рабочая» поверхность (то есть та, на которой далее создается микросхема) пластины должна быть гладкой и совершенной на атомарном уровне и иметь весьма точную кристаллографическою ориентацию (подобно различным граням бриллианта при огранке, но еще более совершенной)]. Слои формируются при помощи различных процессов с использованием химических реактивов, газов и света. Производство современных микропроцессоров является сложным процессом, состоящим из трехсот с лишним шагов - более двадцати слоев «витиевато» соединены между собой, дабы сформировать схему микропроцессора с трехмерной структурой. Точное число слоев на подложке (вафле) зависит от дизайн-проекта конкретного процессора. Сотни идентичных микропроцессоров создаются на одной кремниевой подложке и на финальной стадии разрезаются на отдельные прямоугольные кристаллы - чипы.

Процессы формирования различных слоев и рисунков элементов микросхемы на подложке достаточно хитроумны (фактически это целая область науки), однако в их основе лежит одна простая идея: поскольку характерные размеры создаваемого рисунка настолько малы (Например, ячейка кэш-памяти процессора на 90-нм ядре Prescott в сто раз меньше красной кровяной клетки (эритроцита), а один ее транзистор - величиной с вирус гриппа), что осаждать те или иные материалы в нужных местах просто невозможно, поступают проще - материал осаждают сразу на всю поверхность подложки, а затем его аккуратно удаляют из тех мест, где он не нужен. Для этого служит процесс фотолитографии.

Что такое «чистая комната» и почему они используются на полупроводниковых фабриках?

Кристаллы микросхем должны производиться в условиях контролируемого и очень чистого воздуха. Поскольку функциональные элементы (транзисторы, проводники) на микрочипах очень малы, любая чужеродная частица (пыль, дым или чешуйки кожи), попавшая на пластину с будущими микросхемами на промежуточных стадиях ее производства, способна вывести из строя целый кристалл. «Чистые комнаты» классифицируются по размеру и количеству микрочастиц, присутствующих в единице объема (кубическом футе, примерно равном одной тридцатой части кубометра) воздуха. Например, комнаты класса 1, используемые в современном производстве, примерно в тысячу раз чище, чем хирургическая операционная. «Чистая комната» управляет чистотой воздуха путем фильтрации поступающего воздуха, удалением грязи с установок, ламинарным перемещением воздуха от потолка к полу (примерно за шесть секунд), регулировкой влажности и температуры. Люди в «чистых комнатах» ходят в специальных скафандрах, закрывающих, в том числе, весь волосяной покров (а в ряде случаев - даже с собственной системой дыхания). Для устранения вибраций чистые комнаты располагаются на собственном виброзащитном фундаменте.

Фотолитография является незыблемой основой производства микросхем, и в обозримом будущем ей вряд ли найдется достойная замена. Поэтому имеет смысл рассмотреть ее подробнее. Например, нам нужно создать рисунок в слое какого-то материала - диоксида кремния или металла (это наиболее распространенные в современном производстве операции). Прежде всего, на подложке тем или иным способом создается тонкий (обычно тоньше одного микрона) и сплошной, без дефектов, слой нужного материала. Далее на нем проводится фотолитография. Для этого сперва на поверхность пластины наносится тонкий слой светочувствительного материала, называемого фоторезистом (Фоторезист наносится из жидкой фазы, равномерно распределяется по поверхности пластины вращением в центрифуге и сушится до затвердевания). Затем пластина с фоторезистом помещается в прецизионную установку, где нужные участки поверхности облучаются ультрафиолетом сквозь прозрачные отверстия в фотомаске (ее еще называют фотошаблоном). Маска содержит соответствующий (наносимый на поверхность пластины) рисунок, который разрабатывается для каждого слоя в процессе проектирования микросхемы. Под действием ультрафиолета облученные участки фоторезиста меняют свои свойства так, что становится возможным их селективно удалить в определенных химических реактивах (Существует негативный и позитивный фоторезист. Один при облучении «крепчает», поэтому удаляют его необлученные участки, а другой, наоборот, теряет химическую стойкость, поэтому удаляются его облученные участки. Соответственно, различают позитивную и негативную фотолитографию). После снятия фоторезиста остаются открытыми только те области поверхности пластины, над которыми требуется совершить нужную операцию - например, убрать слой диэлектрика или металла. Они успешно удаляются (эта процедура называется травлением - химическим или плазмохимическим), после чего остатки фоторезиста можно окончательно убрать с поверхности пластины, оголив сформированный в слое нужного материала рисунок для дальнейших действий.Фотолитография завершена.

При производстве современных микропроцессоров приходится совершать операции фотолитографии до 20–25 раз - каждый раз над новым слоем. В общей сложности это занимает несколько недель! В одних случаях это слои изолирующих материалов, служащих подзатворным диэлектриком транзисторов или пассивирующими (изолирующими) прослойками между транзисторами и проводниками. В других - это формирование проводящих поликремневых затворов транзисторов и соединяющих транзисторы металлических проводников (В целях упрощения часть операций иногда совмещают - например, так называемые самосовмещенные затворы изготавливаются на базе одной и той же фотолитографии одновременным формированием рисунка подзатворного диэлектрика и тонкого поликремниевого затвора). В третьих - это формирование селективно легированных областей (главным образом - стоков и истоков транзисторов), причем легирование участков поверхности монокристаллической кремниевой пластины ионизированными атомами различных химических элементов (с целью создания в кремнии полупроводниковых областей n- или p-типа) производится не через окна в фоторезисте (он слишком нестоек для этого), а сквозь рисунок в достаточно толстом слое нанесенного диэлектрика (например, того же оксида кремния). После чего диэлектрик удаляется вместе с фоторезистом.

Иногда применяется и такой интересный метод, как взрывная фотолитография. То есть сперва формируется рисунок (вытравливаются окна в фоторезисте или временном слое диэлектрика), затем на поверхность пластины наносится сплошной слой нового материала (например, металла), и, наконец, пластина помещается в реактив, удаляющий остатки фоторезиста или временный диэлектрик. В результате удаляемый слой как бы «взрывается» изнутри, унося с собой лежащие на нем куски нанесенного последним металла, а в предварительно «открытых» участках (окнах) металл остался и сформировал нужный нам функциональный рисунок (проводников или затворов). И это только верхушка айсберга, называемого микроэлектронной технологией, в основе которой лежит принцип фотолитографии.

Таким образом на поверхности кремниевой пластины создается сложная трехмерная структура толщиной в несколько микрон, которая, собственно, и является электронной схемой. Сверху схема покрывается толстым (микроны) слоем пассивирующего диэлектрика, защищающего тонкую структуру от внешних воздействий. В нем лишь открываются окна для больших, стороной в десятки микрон, квадратных металлических контактных площадок, через которые на схему подаются извне питающие напряжения и электрические сигналы. А снизу механической основой микросхемы служит кремниевая пластина толщиной в сотни микрон. Теоретически, такую схему можно было бы сделать очень тонкой (10–30 мкм) и при желании даже «свернуть в трубочку» без потери функциональности. И подобные работы уже некоторое время ведутся в отдельных направлениях, хотя традиционные кристаллы микросхем (чипы) по-прежнему остаются «несгибаемыми».

После завершения технологических процедур каждый из кристаллов на пластине тестируется (подробнее об этом - в следующей статье), а потом пластина разрезается на отдельные кристаллы (прямоугольные чипы) при помощи алмазной пилы (Перед разрезанием на кристаллы толщина пластины у современных микропроцессоров уменьшается примерно на треть при помощи механической полировки. Это позволяет помещать их в более компактные корпуса. Полировка обратной стороны преследует также цели удаления посторонних материалов с последующим формированием электрического и адгезионного контактов к подложке при корпусировке). Далее каждый чип упаковывается в свой корпус, что позволяет подключать его к другим приборам. Тип упаковки зависит от типа микросхемы и от того, как она будет использоваться. Напоследок все упакованные чипы тестируются еще раз (негодные отбраковываются, годные проходят специальные стресс-тесты при различных температурах и влажности, а также проверку на электростатический разряд), сортируются по характеристикам и соответствию тем или иным спецификациям и отгружаются заказчику.

Технология Intel Copy Exactly

У большинства производителей микросхем оборудование и процессы, используемые в лабораториях для исследований и разработок, отличаются от того, что применяется на фабриках производства готовой продукции. И при переводе производства с опытного на серийное часто возникают серьезные задержки, связанные с тем, что на новом оборудовании требуется заметно дорабатывать и адаптировать технологические процессы, чтобы достичь высокого процента выхода годной продукции, ранее полученного в лабораториях. Это не только задерживает массовое производство, но и приводит к изменениям сотен параметров техпроцессов и даже конечных изделий. То же самое справедливо, если процесс, отлаженный на одной фабрике, переносится на другую с новым оборудованием.

Чтобы предотвратить возможные издержки, корпорация Intel, имеющая уже более десятка полупроводниковых фабрик, несколько лет назад внедрила у себя технологию Copy Exactly, суть которой в том, что при переносе технологии изготовления того или иного продукта из лаборатории на фабрику или между разными фабриками производится полное, до мелочей повторение (дупликация) всего, что с этим техпроцессом связано. Для этого, в частности, менеджеры с заводов участвуют в разработке продукта. А при переносе технологии копируется буквально все - не только входные и выходные параметры процессов (более 500!), но и их протекание, оборудование и параметры его настроек, поставщики исходных материалов для техпроцессов, трубопроводная система, чистые комнаты и даже методики обучения персонала.

Эта новаторская методика переноса технологий оказалась очень успешной. Сегодня она позволяет заводам выходить на полную мощность практически сразу после запуска - в течение нескольких недель. К тому же технология Copy Exactly придает фабрикам одной корпорации большую гибкость: начатые на одном заводе, пластины без ущерба для качества и выхода годных могут быть завершены на другом. А в случае аварии или реорганизации одной из фабрик другие «подхватят» ее дело и бизнес практически не пострадает. Эту технологию по достоинству оценивают и конкуренты - например, AMD и IBM, - хотя между ними в настоящее время она неприменима, поскольку их технологические маршруты несколько различаются.

Полупроводниковые фабрики

Сейчас в промышленности по производству чипов подходит к завершению одна из тех революций, которые раз в десятилетие меняют облик индустрии. Изготовители переходят от подложек диаметром 200 мм к подложкам диаметром 300 мм (см. фото справа), в результате чего появляется возможность заметно удешевить производство микросхем, а вместе с этим - всей электронной полупроводниковой продукции. Дело в том, что подложка диаметром 300 мм обеспечивает 225-процентное увеличение площади кремниевой пластины и 240-процентное увеличение полезного выхода чипов с каждой подложки. Кроме того, значительно улучшаются и экологические характеристики производства, которое требует меньшего расхода химических реактивов и энергии в пересчете на каждый процессор, создает меньше отходов. По данным Intel, по сравнению с заводом, работающим на 200-миллиметровых подложках, новая фабрика выбрасывает на 48% меньше летучих органических веществ, расходует на 42% меньше сверхчистой воды и примерно на 40% меньше энергии. На 50% сокращаются затраты труда.

Современные «300-мм» фабрики - это гигантские промышленные предприятия стоимостью около 2 млрд. долларов и площадью более сотни тысяч квадратных метров. Лишь немногие из современных компаний-производителей чипов (двадцатку лидеров см. во врезке на стр. 34) могут позволить себе вложения в такие дорогие фабрики. Ведь для постройки и дальнейшей эксплуатации подобных предприятий требуется достичь уровня ежегодных продаж в размере как минимум 6 млрд. долларов в расчете на каждую фабрику. Подобные фабрики принято называть «foundry» - один из переводов этого термина на русский язык означает «литейное производство». Название олицетворяет колоссальный индустриальный масштаб: ювелирный процесс изготовления высокотехнологичных элементов микропроцессоров становится на промышленный поток, масштаб которого сравним разве что с масштабом производства продукции огромными металлургическими цехами. В 2000 году, когда продажи чипов были на подъеме, всего десять компаний в мире имели объемы продаж выше 6 млрд. долларов. Из «старой гвардии» сегодня только Intel, IBM, Infineon, AMD, Texas Instruments и Samsung владеют собственными действующими фабриками по производству микросхем на 300-мм подложках. Другие создаются и управляются совместно объединениями компаний - например, «Motorola - Philips - STMicroelectronics - Taiwan Semiconductor». Несомненным лидером в планах постройки новых фабрик является Тайвань. Уже в 2001 году на острове была изготовлена пятая часть всего мирового производства подложек, а к 2010 году эта доля может достичь 40%. На пятки Тайваню наступают Китай, Малайзия и Сингапур - они планируют построить 15 фабрик, пять из которых будут работать на 300-мм пластинах.

У корпорации Intel таких действующих в промышленном масштабе фабрик уже четыре: F11X в Рио-Ранчо (штат Нью-Мексико), две - D1C и D1D - в Хиллсборо (штат Орегон) и недавно введенная в строй Fab 24 в ирландском городке Лейкслип (Leixlip). Все они могут выпускать процессоры по 90-нм технологии; пятая же, Fab 12 в Чандлере (штат Аризона) для 65-нм техпроцесса, будет переведена на 300-мм пластины к 2005 году. А, например, у AMD ввод в строй первой 300-мм фабрики Fab 36 планируется лишь в следующем году, см. обзор на www.terralab.ru/system/33692. Как полагают эксперты, существующие фабрики с 200-мм подложками смогут продержаться «на плаву» до 2005 года, после чего они уже не смогут выдержать ценовой конкуренции с 300-мм процессом. К 2005 году чипы будут делаться по технологии 65 нм, а на микропроцессорах будет интегрировано по миллиарду транзисторов! Чипы станут настолько крошечными, что позволят встраивать сотовые телефоны с голосовым набором номера в авторучку.

Почему фабрики для производства микросхем так дороги (до 5 млрд. долларов)? Полупроводниковые фабрики выполняют наиболее сложные задачи среди всех фабрик в мире. Они используют только специализированные материалы, болты, конструктивные элементы, оборудование и пр. Кроме того, интеловские фабрики, например, почти вдвое больше, чем средний размер подобных заводов в мире. Само здание стоит примерно 25% от общей стоимости фабрики и еще лет десять после постройки остается сооружением, пригодным для решения самых современных задач. Оборудование (установки для фотолитографии, газофазного осаждения, ионной имплантации) и автоматы на этаже стоят остальные 75%.

Дополнительные измерения проводятся для того, чтобы убедиться в виброустойчивости фундамента и установок. Даже если фабрика - внешне одно здание, на самом деле это несколько зданий, отделенных друг от друга набольшими (до 10 см) промежутками, и каждое здание имеет собственный фундамент. Это помогает гасить различные вибрации - как от внешних источников (автотранспорта, поездов), так и собственных вибраций оборудования.

Любопытные факты о первой 300-мм фабрике Intel Fab 11X

Особенностью полупроводниковых ИМС является то, что все элементы изготавливают одновременно в едином технологическом цикле, отдельные операции которого (окисление и травление, диффузия, эпитаксия) выполняются в одной и той же среде.

При создании активных и пассивных элементов современных ИМС используют следующие основные технологические операции: окисление, травление, литографию, диффузию, ионное легирование, эпитаксию, напыление и нанесение пленок.

Окисление. Кремниевую пластину нагревают до 800 - -1200 °С и подвергают воздействию кислорода или насыщенных водяных паров. В такой окислительной среде атомы на поверхности пластины взаимодействуют с кислородом и образуют тонкий диэлектрический слой. На начальных этапах изготовления ИМС слой толщиной 1-3 мкм используют как маску для проведения избирательной диффузии на участках пластины, не покрытых этим слоем. При помощи этого слоя предотвращается диффузия примесей в полупроводник, находящийся под слоем, так как коэффициент диффузии примесей в двуокиси кремния значительно меньше, чем в полупроводнике. Диэлектрическую пленку используют также в качестве диэлектрика для затвора МДП-транзисторов. На последнем этапе изготовления ИМС диэлектрический слой применяют для пассивации кристалла: этот слой, покрывая всю поверхность кристалла, предохраняет ИМС от воздействия окружающей среды.

Более современным является анодное окисление кремния, позво­ляющее формировать диэлектрическую пленку на поверхности кремния почти любой толщины путем выбора режима анодного окисления. В отличие от термического окисления это низкотемпературный процесс, который избавляет от нескольких высокотемпературных обработок, связанных с выполнением термического окисления при формирований масок.

Травление проводится в плавиковой кислоте, в которой этот слой растворяется. На тех участках пластины, на которых необходимо прово­дить диффузию, в слое при помощи плавиковой кислоты вытравливают окна требуемых размеров.

Фотолитография. (Рис. 3.1) Окна на поверхности пластины, используемые для проведения диффузии, наносятся фотолитографическим методом. При этом поверх слоя; на пластину наносят фоторезистор, представляющий собой тонкую пленку светочувствительного органического материала. Затем накладывается фотошаблон в виде стеклянной контактной маски, на которой имеется рисунок, состоящий из прозрачных и непрозрачных областей. Через маску фоторезистор подвергается облучению ультрафиолетовыми лучами, в результате чего при действии проявителя на облученных участках фоторезистор не проявляется. Таким образом, на поверхности пластины остается рисунок определенной конфигурации и соответствующих размеров. При травлении пластины в плавиковой кислоте для удаления слоя фоторезистор не растворяется, поэтому окна вскрываются только на участках, не покрытых экспонированным фоторезистором. Через эти окна и проводится, диффузия.

Рис. 3.1. Схема процесса создания ИМС по планарно-эпитаксиальной технологии: а - эпитаксиальная структура после выращивания слоя оксида кремния; б – пластины с нанесенным слоем фоторезиста; в – схема операции совмещения и экспонирования; г – пластина после проявления фоторезиста; д – пластина после вытравливания отверстия в оксиде и удаления фоторезиста; е – пластина после проведения процесса диффузии и получения p – n-переходов; ж – пластина после вытравливания отверстия в слое оксида кремния для нанесения металлических контактов; з – пластина со сформированными структурами интегральных микросхем; 1 – пластина; 2 – эпитаксиальный слой кремния; 3 – слой оксида кремния SiO 2 ; 4 – слой фоторезиста; 5 – фотошаблон; 6 – отверстие в фоторезисте; 7 - отверстие в оксиде кремния; 8 – граница p – n-перехода; 9 – металлический контакт.

Фотолитография позволяет создавать рисунки с размерами элементов не менее 2 мкм. Этим размером ограничивается плотность компоновки элементов на пластинах.

Более высокой разрешающей способностью обладает электронно­лучевая литография. При прямой экспозиции полупроводниковой пластины в электронном луче можно создавать полоски в 20 раз более узкие, чем при фотолитографии, тем самым, уменьшая размеры элементов до 0,1 мкм.

Диффузия примесей применяется для легирования пластины с целью формирования р- и n-слоев, образующих эмиттер, базу, коллектор биполярных транзисторов, сток, исток, канал униполярных транзисторов, резистивные слои, а также изолирующие p-n-переходы. Для диффузии примесей пластины нагреваются до 800-1250 °С и над ее поверхностью пропускается газ, содержащий примесь. Примесь диффундирует в глубь пластины через окна. Глубину залегания диффузионного слоя и его сопротивление регулируют путем изменения режима диффузии (температуры и продолжительности диффузии).

Ионное легирование. Вместо диффузии для имплантации примесей в полупроводник применяют ионное легирование. Для этого ионы примесей ускоряют в ускорителе до 80-300 кэВ, а затем их направляют на подложку, защищая при помощи маски те участки, которые не должны подвергаться легированию. Введение примесей в широком диапазоне концентраций и возможность осуществления более точного контроля дозировок примесей позволяют изменять параметры элементов в требуемых пределах. Поэтому вместо диффузии все больше применяют ионное легирование, хотя ее внедрение связано с переоснащением производства ИМС дорогостоящим оборудованием.

В производстве полупроводниковых ИС и многих дискретных приборов необходимо на подложке создавать однородно легированные по толщине слои одноименного ей полу проводника, а в некоторых случаях и полупроводника другого вида, с иной шириной запрещенной зоны. В частности, это необходимо для расширения функциональных возможностей схем, улучшения их параметров путем, например, формирования скрытых под такими слоями участков высокой проводимости (скрытых слоев).

Термин «эпитаксия», впервые предложенный Руайе, отражает в настоящее время процесс ориентированного нарастания, в результате которого образующаяся новая фаза закономерно продолжает кристаллическую решетку имеющейся фазы подложки с образованием некоторого переходного слоя, способствующего когерентному срастанию двух решеток по плоскости подложки со сходной плотностью упаковки атомов. По окончании формирования переходного слоя эпитаксиальный процесс продолжается с образованием слоя требуемой толщины.

Эпитаксиальный слой (ЭС) - это монокристаллический слой новой
фазы, выросший в результате эпитаксии на поверхности
монокристаллической подложки строго определенным образом, который
имеет прочную кристаллохимическую связь с подложкой и не может быть
отделен от нее без разрушения слоя или поверхности подложки. ЭС
практически продолжает кристаллическую решетку подложки и
ориентирован строго определенным образом относительно кристаллографической плоскости, выходящей на ее поверхность.

Основное физическое явление, которое имеет место в процессе эпитаксии, - это кристаллизация вещества. Под кристаллизацией вещества понимают появление зародышей твердой фазы и их рост. В зависимости от того, из каких составов получают ЭС, различают следующие механизмы кристаллизации:

Механизм пар - кристалл (П - К), когда образование твердой фазы происходит из парообразного или газообразного состояния вещества;

Механизм пар - жидкость - кристалл (П - Ж - К), когда образование твердой фазы из парообразного состояния проходит стадию жидкого состояния. Примером может служить кристаллизация Ge на подложке Si, если последнюю нагреть до температуры, превышающей температуру плавления Ge;

Механизм твердое тело - кристалл (Т - К), когда выращивание эпитаксиального слоя производится из электролитов или расплавов.

Напыление и нанесение пленок. Элементы полупроводниковых ИМС соединяются между собой с помощью проводящего рисунка, по­лученного путем напыления металлической пленки. Для этого после вытравления с помощью фотолитографии окон под контакты в вакууме напыляется алюминиевая пленка на всю поверхность пластины. Путем напыления формируют также металлизированные площадки, к которым путем термокомпрессионной сварки привариваются выводы микросхемы и тонкие проволочки, соединяющие бескорпусные транзисторы в гибридных ИМС. В последнее время вместо проволочных перемычек применяют балочные выводы, представляющие собой золотые удлиненные выступы. Во время сборки гибридной ИМС балочные выводы совмещают с контактными площадками на подложке и припаивают к ним, нагревая до температуры, при которой образуется эвтектический спай. Наконец путем напыления и нанесения пленок изготавливают пассивные элементы в совмещенных и гибридных ИМС в виде толстых и тонких пленок. Интегральная электроника на сегодняшний день является одной из наиболее бурно развивающихся отраслей современной промышленности. Одной из составных частей данной науки является схемотехническая микроэлектроника. На каждом новом этапе развития технологии производства интегральных микросхем (ИМС) создаются принципиально новые методы изготовления структур ИМС, отражающие последние достижения науки.