Электроника

11

электронных элементах и цепях. Однако существуют ИС, использующие явление поверхностной акустической волны, эффект Холла, пьезоэффект, другие физические процессы. Особый подкласс образуют оптоэлектронные ИС, в которых используется фотоэффект и излучательная рекомбинация

(оптоэлектроника).

2.ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ИНТЕГРАЛЬНЫХ СХЕМ

2.1.Технологические разновидности ИС

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

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

2.2. Изготовление подложек ИС

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

Несмотря на тщательную очистку и полировку поверхности, совершенно исключить дефекты исходной пластины в виде посторонних атомов или дефектов кристаллической решётки невозможно. Роль дефектов

13

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

Рисунок 6а - Подготовленная к фотолитографии кристаллическая кремниевая подложка с идеально обработанной поверхностью

Рисунок 6б - Создание защитного слоя SiO2, например, окислением кремния

Рисунок 6в - Нанесение на защитный слой фоторезиста – светочувствительного вещества, которое под действием света полимеризуется и затвердевает

Рисунок 6г - Наложение на фоторезист фотошаблона – стеклянной фотопластинки, на которую сфотографировано с большим уменьшением необходимое чёрно-белое изображение

14

Рисунок 6д - Засветка. Свет проникает сквозь прозрачные участки фотошаблона и засвечивает под ними фоторезист

Рисунок 6е - Удаление фотошаблона

Рисунок 6ж - Смывка незасвеченного фоторезиста растворителем, не действующим на засвеченный фоторезис

Рисунок 6з - Травление слоя SiO2 плавиковой кислотой (не действует на засвеченный фоторезист)

15

Рисунок 6и - Смывка засвеченного фоторезиста

Именно качеством фотолитографии определяется минимальный размер окон, так называемый минимальный топологический размер w. От величины w зависят размеры и количество транзисторов ИС. Главным фактором, ограничивающим минимальный топологический размер, является дифракция (рассеивание) света при засветке (рис. 7). Из-за дифракции наблюдается частичная засветка затенённого фоторезиста, границы света и тени становятся нечёткими. Это приводит к недопустимым изменениям формы и размеров окон и изменению свойств элементов ИС.

Рисунок 7

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

5 нм.

Качество фотолитографии зависит также от степени очистки воздуха. Мельчайшие пылинки в нём, попавшие под фотошаблон при засветке, способны затенить участки поверхности будущих ИС, т.е. вызвать брак. Значительной проблемой является также точное наложение фотошаблонов. При изготовлении ИС фотолитография выполняется несколько раз, что требует идеального совмещения рисунков всех используемых фотошаблонов.

16

2.4. Диффузия примесей

Через окна в маске осуществляется диффузия примесей в полупроводник в необходимых местах. Для этого кремниевые пластины с будущими ИС помещают в так называемую диффузионную печь. В ней создается атмосфера, содержащая донорную или акцепторную примесь в газообразном состоянии при высокой температуре. Примесь проникает через окна в полупроводник и превращает его в полупроводник n- или p-типа. Концентрация примеси в полупроводнике тем больше, чем больше температура и время такой обработки.

Вероятность проникновения атомов примеси в глубь полупроводника уменьшается с увеличением расстояния от поверхности. Существенным недостатком операции диффузии является формирование неоднородных слоёв с убывающей с глубиной концентрацией примеси.

2.5. Эпитаксия

Однородные слои примесного полупроводника, в которых концентрация примеси одинакова по всей толщине примесного слоя, позволяет получить операция «эпитаксия». Эпитаксия использует способность кристаллов расти, когда они захватывают, присоединяют к себе атомы такого же вещества из окружающей среды. Для этого кремниевую подложку помещают в атмосферу, содержащую газообразный атомарный кремний. Атомы кремния оседают на поверхности подложки в строгом порядке, повторяющем кристаллическую структуру подложки. Если в атмосферу газообразного кремния добавлена газообразная донорная или акцепторная примесь, наращенный слой будет полупроводником n- или p-типа. При неизменности условий эпитаксии будет неизменной и концентрация примеси во всем эпитаксиальном слое. Толщина эпитаксиального слоя, как и в случае диффузии примесей, тем больше, чем больше температура и время обработки подложки.

2.6. Напыление

При изготовлении ИС применяется также операция напыления самых различных веществ – металлов, диэлектриков, полупроводников. Для этого напыляемое вещество нагревается в вакууме до температуры испарения. Пары вещества, оседая на всех холодных поверхностях, например, на подложке, конденсируются, т.е. возвращаются в твёрдое состояние. Толщина напыленного слоя зависит, прежде всего, от длительности такой операции. С помощью напыления, в частности, создаются металлические плёнки, образующие контакты металл-полупроводник и проводники между элементами.

17

3.ЭЛЕМЕНТЫ ИНТЕГРАЛЬНЫХ СХЕМ

3.1.Интегральный МДП транзистор

Внастоящее время в ИС биполярные транзисторы практически полностью вытеснены МДП транзисторами. Это связано с намного меньшей занимаемой ими площадью на подложке и исключительной простотой устройства. Малая площадь обеспечивает высокую степень интеграции, а простота конструкции – простоту изготовления. Чаще всего в ИС применяются МДП транзисторы с индуцированным каналами n- и р-типа. На рис. 8 изображён фрагмент подложки ИС с n-канальным МДП транзистором

(интегральный МДП транзистор).

Рисунок 8

Для изготовления такого транзистора понадобится подложка из кремния р-типа (р-Si). После создания диэлектрического защитного слоя из

двуокиси кремния (SiO2) необходимо будет осуществить первую фотолитографию для вскрытия окон над будущими истоком и стоком. Диффузия донорной примеси создаст под окнами островки n+- типа. Затем будет выполнено напыление сплошного металлического слоя. На него будет нанесён фоторезист для второй фотолитографии. Удаление незасвеченного фоторезиста обнажит «лишний» металл, где его можно будет удалить травлением кислотой. Особым растворителем удаляется засвеченный фоторезист, после чего изготовление транзистора и соединительных проводников будет завершено.

18

Технология изготовления интегрального МДП транзистора представлена здесь несколько упрощённо. Тем не менее, простота изготовления очевидна. Уже только то, что для изготовления интегрального БТ понадобится до пяти – шести фотолитографий, делает применение БТ в ИС невыгодным.

3.2. Комплементарные интегральные МДП транзисторы

Комплементарными называют такие пары объектов одного вида, некоторые свойства которых противоположны. Так, комплементарными являются n- и p-канальные МДП транзисторы, биполярные транзисторы с n-p-n- и p-n-p-структурами.

На рис. 9 изображён фрагмент ИС с комплементарными МДП транзисторами (КМДП транзисторы). Именно КМДП ИС стали основным типом цифровых ИС благодаря исключительно благоприятным свойствам КМДП ключей (разд. 4.3).

Рисунок 9

Изготовление таких ИС несколько сложнее. Р-канальные транзисторы изготавливаются отдельно от n-канальных, что требует дополнительных фотолитографий. Изготовление их истоков и стоков потребует также отдельной операции диффузии акцепторной примеси. Наконец, здесь необходим дополнительный слой n-типа, так называемый n-карман. В такие карманы будут помещены все р-канальные транзисторы. В отсутствие карманов все они будут электрически соединены с подложкой и, тем самым, через подложку друг с другом, что недопустимо.

19

3.3. Интегральный биполярный транзистор

В некоторых отношениях биполярные транзисторы превосходят МДП транзисторы. Кроме того, сначала в ИС использовались именно БТ. Поэтому, а также в силу инерции производства и рынка, ИС на основе БТ иногда ещё применяются (ИС на интегральных БТ).

На рис. 10 изображён фрагмент подложки ИС с интегральным БТ наиболее распространённой структуры n-p-n. Очевидно, что изготовление такого транзистора потребует намного большего числа технологических операций (сравните с рис. 9).

Рисунок 10

Самый глубокий слой в таком БТ – это так называемый скрытый n+-слой, т.е. слой с высокой концентрацией примеси. Его нельзя создать диффузией примеси сверху. Поэтому изготовление БТ начинается с эпитаксии на поверхности подложки сплошного n+-слоя. Затем на него наращивается будущий коллекторный n-слой. Эти два слоя потребуется разделить на отдельные островки со структурой n+- n, в каждом из которых будет сформирован БТ. Для разделения островков понадобится первая фотолитография и так называемая разделительная диффузия акцепторной примеси, которая превратит промежутки между островками в кремний р-типа.

Для создания базы (р-слой) и эмиттера (n+-слой) потребуются ещё две фотолитографии и диффузии. Завершается изготовление напылением сплошного металлического слоя, ещё одной фотолитографией и травлением «лишнего» металла.

Процесс изготовления представлен здесь несколько упрощённо. Кроме того, существуют и другие варианты этого процесса.

20

3.4.Пассивные элементы ИС

Внастоящее время пассивные элементы (R, C, L) в ИС почти не применяются. При разработке ИС ограничиваются использованием, по возможности, одного – двух типов элементов. Этим достигается минимизация количества технологических операций, упрощение технологии изготовления и, тем самым, низкая себестоимость и высокий процент выхода годных, т.е. минимальный брак.

Некоторые типы пассивных элементов могут быть изготовлены «заодно» с транзисторами, что не потребует усложнения технологии.

Примером такого элемента является МДП конденсатор (рис. 11).

Рисунок 11

На этом рисунке изображен фрагмент ИС на МДП транзисторах, где одновременно с МДП транзистором (слева) можно изготовить МДП конденсатор (справа). Как и в обычном конденсаторе, верхней «обкладкой» является слой металла, изготавливаемый одновременно с металлическими контактами и затвором транзистора. Как и в обычном конденсаторе, под

верхней обкладкой расположен диэлектрический слой, в данном случае SiO2. Затем следует нижняя «обкладка» в виде n+-слоя, изготавливаемого заодно с истоком и стоком транзистора. Хотя это не металл (как в конденсаторе), но полупроводник с высокой концентрацией примесей, т.е. с высокой, как у металлов, электропроводностью.

Ёмкость такого конденсатора, как и у обычного конденсатора, это барьерная ёмкость С:

где εε0 – диэлектрическая проницаемость диэлектрического слоя, S – площадь конденсатора, d – толщина диэлектрического слоя. Так как в ИС