САРАЧ.О.Б.
Кафедра полупроводниковой электроники
Конспект лекций по дисциплине ОСНОВЫ ТЕХНОЛОГИИ ЭЛЕКТРОННОЙ КОМПОНЕНТНОЙ БАЗЫ
МОСКВА |
2012 |
НИУ «МЭИ» |
2
ОГЛАВЛЕНИЕ
1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ.................................................................................... |
6 |
1.1. Современное состояние микроэлектроники............................................... |
6 |
1.1.1. Роль электроники в мировой сфере производства и потребления.... |
6 |
1.1.2. Зачем России своя электроника ............................................................ |
8 |
1.2. Физико-технологические и экономические ограничения интеграции и |
|
миниатюризации электронной компонентной базы ....................................... |
12 |
1.2.1. Классификация интегральных микросхем ........................................ |
12 |
1.2.2. Технологические операции ................................................................. |
13 |
1.2.3. Элементы микросхем ........................................................................... |
13 |
1.2.4. Проблемы в производстве ................................................................... |
15 |
Контрольные вопросы ....................................................................................... |
16 |
2. МАТЕРИАЛЫ ЭЛЕКТРОННОЙ КОМПОНЕНТНОЙ БАЗЫ....................... |
16 |
2.1. Классификация материалов......................................................................... |
16 |
2.2. Классификация полупроводниковых материалов ................................... |
19 |
2.2.1. Собственные и примесные полупроводники .................................... |
20 |
2.2.2. Одноатомные полупроводники........................................................... |
22 |
2.2.3. Полупроводниковые соединения........................................................ |
24 |
Контрольные вопросы ....................................................................................... |
25 |
3. КОНСТРУКЦИИ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТИ |
|
ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ И ИС ............... |
26 |
3.1. Развитие технологии производства изделий электронной техники ...... |
26 |
3.2. Методы изоляции элементов монолитных биполярных ИС .................. |
27 |
3.3. Методы изоляции МДП-транзисторов...................................................... |
35 |
Контрольные вопросы ....................................................................................... |
40 |
4. ХИМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА И ТРАВЛЕНИЕ КРЕМНИЕВЫХ |
|
ПЛАСТИН.............................................................................................................. |
41 |
4.1. Жидкостная очистка поверхности пластин .............................................. |
41 |
4.2. Травление ..................................................................................................... |
45 |
4.3. Пористый кремний ...................................................................................... |
50 |
Контрольные вопросы ....................................................................................... |
53 |
5. ПЛАЗМЕННАЯ ОБРАБОТКА И ТРАВЛЕНИЕ МАТЕРИАЛОВ |
|
ЭЛЕКТРОННОЙ КОМПОНЕНТНОЙ БАЗЫ .................................................... |
54 |
5.1. Ионное травленне........................................................................................ |
54 |
5.2. Плазмохимическое травление.................................................................... |
60 |
5.3. Реактивное ионное травление .................................................................... |
63 |
Контрольные вопросы ....................................................................................... |
64 |
6. ТЕРМИЧЕСКАЯ ДИФФУЗИЯ ........................................................................ |
64 |
6.1. Процессы диффузионного легирования ................................................... |
64 |
6.2. Уравнение диффузии .................................................................................. |
66 |
6.2.1. Диффузия из одной полуограниченной области в другую.............. |
67 |
3 |
|
6.2.2. Факторы, влияющие на величину коэффициента диффузии .......... |
70 |
6.3. Моделирование процессов диффузии в твердом теле............................. |
71 |
6.3.1. Диффузия из одной полуограниченной области в другую .............. |
72 |
6.3.2. Количество примеси, введенной из источника неограниченной |
|
мощности......................................................................................................... |
74 |
6.3.3. Диффузия из слоя конечной толщины ............................................... |
75 |
6.3.4. Диффузия из бесконечно тонкого слоя (точечный источник) ........ |
76 |
6.6. Формула Пуассона ...................................................................................... |
77 |
6.7. Диффузия в прямоугольное окно .............................................................. |
78 |
6.8. “Разгонка” примеси. Многостадийная диффузия .................................... |
79 |
6.9. Диффузия примеси в гетерогенной системе ............................................ |
80 |
6.10. Диффузия в область ограниченных размеров ....................................... |
81 |
6.11. Определение зависимости D(N) .............................................................. |
82 |
6.12. Результирующее примесное распределение .......................................... |
83 |
6.13. Методы диффузионного легирования.................................................... |
85 |
6.13.1 Диффузия из пленок, наносимых на поверхность полупроводника86 |
|
6.13.2 Диффузия в ампуле ............................................................................. |
87 |
6.13.3 Диффузия в потоке газа-носителя ..................................................... |
88 |
6.13.4 Метод параллельного источника ....................................................... |
91 |
6.14. Источники диффузанта............................................................................. |
91 |
6.14.1 Бор (В) .................................................................................................. |
91 |
6.14.2 Алюминий (Al), галлий (Ga) и индий (In) ........................................ |
93 |
6.14.3 Фосфор (P) мышьяк (As) и сурьма (Sb) ............................................ |
93 |
6.14.4 Эффект вытеснения коллекторного перехода.................................. |
94 |
6.14.5 Другие диффузанты ............................................................................ |
95 |
6.15. Выбор легирующей примеси ................................................................... |
95 |
Контрольные вопросы ....................................................................................... |
96 |
7. ИОННОЕ ЛЕГИРОВАНИЕ .............................................................................. |
97 |
7.1. Общие принципы процесса ионной имплантации................................... |
97 |
7.2. Пробеги и дисперсии пробегов ионов..................................................... |
100 |
7.2.1. Распределение пробегов ионов......................................................... |
101 |
7.2.2. Боковое рассеяние ионов................................................................... |
102 |
7.2.3. Ионное каналирование ...................................................................... |
103 |
7.3. Влияние радиационных дефектов .......................................................... |
108 |
7.4. Отжиг дефектов ионно-имплантированных слоев ................................ |
110 |
7.4.1. Примеры профилей распределения ионов....................................... |
112 |
7.4.2. Лазерный и электронно-лучевой отжиг........................................... |
114 |
7.5. Влияние технологических факторов ....................................................... |
114 |
7.5.1. Диффузия имплантированных примесей......................................... |
114 |
7.5.2. Технология маскирования при ионной имплантации .................... |
115 |
7.5.3. Гетерирование .................................................................................... |
116 |
4 |
|
7.6. Преимущества и недостатки ионного легирования............................... |
116 |
Контрольные вопросы ..................................................................................... |
118 |
8. МЕТОДЫ СОЗДАНИЯ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЛОЕВ ........................... |
118 |
8.1. Термическое окисление ............................................................................ |
118 |
8.2. Осаждение пленок диоксида кремния..................................................... |
119 |
8.3. Получение пленок нитрида кремния....................................................... |
121 |
8.4. Плазмохимическое осаждение................................................................. |
123 |
8.5. Особенности окисления некоторых материалов.................................... |
124 |
8.6. Воспроизведение рельефа поверхности.................................................. |
125 |
Контрольные вопросы ..................................................................................... |
127 |
9. ТЕРМИЧЕСКОЕ ОКИСЛЕНИЕ КРЕМНИЯ ............................................... |
128 |
9.1. Методы получения пленок оксида кремния ........................................... |
128 |
9.2. Механизмы окисления кремния............................................................... |
130 |
9.3. Кислород в кремнии.................................................................................. |
131 |
9.4. Свойства и применения пленок оксида кремния ................................... |
131 |
9.5. Модель процесса ...................................................................................... |
132 |
9.6. Перераспределение примеси при окислении ......................................... |
134 |
9.7. Особенности технологии МДП структур ............................................... |
135 |
9.7.1. Влияние режимов окисления и термообработок на свойства МДП |
|
структур на основе кремния........................................................................ |
136 |
9.7.2. Механизмы нестабильности МДП структур ................................... |
138 |
9.7.3 Методы повышения стабильности МДП структур.......................... |
141 |
Контрольные вопросы ..................................................................................... |
142 |
10. МЕТОДЫ ЛИТОГРАФИИ ........................................................................... |
143 |
10.1. Электронно-лучевая литография ............................................................. |
143 |
10.2. Рентгеновская литография ........................................................................ |
150 |
10.3. Ионно-лучевая литография ...................................................................... |
154 |
10.4. Сравнение и тенденция развития процессов литографии................... |
157 |
Контрольные вопросы ..................................................................................... |
157 |
11. ТЕХНОЛОГИЯ ФОТОЛИТОГРАФИИ ...................................................... |
158 |
11.1. Стандартная фотолитография ................................................................ |
159 |
11.2. Процесс переноса изображения в фотолитографии ................................ |
161 |
11.3. Фотолитография в глубоком ультрафиолете........................................ |
169 |
11.4. Волновые эффекты при экспонировании................................................. |
169 |
Контрольные вопросы ..................................................................................... |
171 |
12. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ТЕХНОЛОГИИ |
|
ЭПИТАКСИАЛЬНЫХ СЛОЕВ ......................................................................... |
171 |
12.1. Эпитаксия из газовой фазы .................................................................... |
173 |
12.1.1. Физико-химические основы эпитаксии из газовой фазы............. |
174 |
12.1.2. Реакторы установок эпитаксиального наращивания.................... |
178 |
12.1.3. Легирование и автолегирование эпитаксиальных слоев ............. |
179 |
5 |
|
12.1.4. Технология процесса эпитаксии кремния ..................................... |
181 |
12.2. Молекулярно-лучевая эпитаксия........................................................... |
182 |
12.3. Эпитаксия кремния на изолирующей подложке.................................. |
187 |
12.4. Получение эпитаксиальных слоев полупроводниковых соединений 190
Контрольные вопросы ..................................................................................... |
192 |
13. ТЕХНОЛОГИЯ МНОГОУРОВНЕВОЙ МЕТАЛЛИЗАЦИИ ................... |
192 |
13.1. Термическое испарение в вакууме ........................................................ |
194 |
13.1.1. Физические основы термического вакуумного напыления......... |
194 |
13.1.2. Конденсация вещества на подложке .............................................. |
197 |
13.1.3. Оборудование процесса термического вакуумного напыления.. |
199 |
13.1.4. Распределение толщины пленки по подложке.............................. |
207 |
13.2. Методы ионно-плазменного распыления ............................................. |
209 |
13.2.1. Механизмы распыления вещества потоком ионов ....................... |
210 |
13.2.2. Ионно-плазменное распыление на постоянном токе (катодное |
|
распыление)................................................................................................... |
211 |
Контрольные вопросы ..................................................................................... |
217 |
14. МОНТАЖНО-СБОРОЧНЫЕ ОПЕРАЦИИ ................................................ |
217 |
14.1. Разделение пластин на кристаллы ......................................................... |
218 |
14.2. Присоединение кристаллов к корпусу .................................................. |
220 |
14.2.1. Присоединение кристалла к основанию корпуса ......................... |
220 |
14.2.2. Присоединение выводов.................................................................. |
223 |
14.2.3. Герметизация .................................................................................... |
228 |
14.3. Монтаж приборов в корпус .................................................................... |
229 |
Контрольные вопросы ..................................................................................... |
236 |
15. КОНТРОЛЬНЫЕ ОПЕРАЦИИ .................................................................... |
236 |
15. 1. Функциональный контроль приборов.................................................. |
236 |
15.2. Испытания и измерения.......................................................................... |
237 |
15.2.1. Контроль технологического процесса ........................................... |
238 |
15.2.2. Причины брака ................................................................................. |
239 |
15.2.3. Методы контроля толщины пленок................................................ |
241 |
15. 3. Заключительные операции .................................................................... |
242 |
15.3.1. Герметизация кристалла .................................................................. |
242 |
15.3.2. Контроль герметичности ................................................................. |
249 |
Контрольные вопросы ..................................................................................... |
250 |
6
1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ
1.1.Современное состояние микроэлектроники
1.1.1.Роль электроники в мировой сфере производства и потребления
Структура мировой системы производства и потребления в сфере высоких технологий основана на технологической цепочке, базирующейся на разработке и производстве ЭКБ. В основе этой технологической цепочки лежит специальное технологическое оборудование, а также электронные материалы и структуры. Мировой рынок оборудования и материалов в 2005 году оценивается более чем в 50 млрд. долл. Действующие во всем мире мощности микроэлектронного производства в 2005 году создали ЭКБ, оцениваемую уже в 300 млрд. долл. На основе этой электронной базы произведена электронная продукция общей стоимостью более 6 трлн. долл., причем только в информационной и телекоммуникационной отраслях – на 1 трлн долл. В мировой экономике этот технологический процесс глубоко интегрирован и специализирован по географическим регионам и техническим направлениям.
Мощные мировые производители ЭКБ, электронной аппаратуры и электронных услуг, такие как Intel, IBM, Samsung, Hitachi, NEC, Microsoft
поделили сферы влияния и определяют политику в области производства и потребления продукции электроники. США традиционно специализируются на создании сложнофункциональной ЭКБ, а Юго-Восточному региону отведена роль производителя массовой продукции на базе развитой сети кремниевых фабрик.
Кремниевые фабрики Юго-Восточной Азии за счет низкой заработной платы и освоенных технологий высокого уровня не только выпускают на мировой рынок конкурентоспособную продукцию, но и обеспечивают развитие экономики всех государств, участвующих в этой мировой системе разделения труда.
Мировой рынок электроники достаточно специализирован. Наиболее динамичной категорией является МОП-память, которая составляет и будет составлять более 25% всего выпуска микроэлектронной продукции. Помимо характеристик потребности и объемов, очень важен показатель стабильности рынка. Анализ рынка интегральных микросхем показывает, что до 2010 года данный его сегмент будет достаточно стабилен. Ожидаемые изменения в 2006–2007 гг. не будут носить кризисный характер.
Годовой товарооборот мировой электронной индустрии составляет примерно 200 млрд. долл. при среднем годовом приросте свыше 15%. Эта тенденция прослеживается более 30 лет и будет сохраняться еще несколько десятилетий. Достаточно сказать, что в денежном эквиваленте объем производства электроники выше, чем объем нефтедобычи странами ОПЕК.
7
Развитые страны ежегодно инвестируют в электронику от 20 млрд. долл. (США, Япония) до 5 млрд. долл. (Южная Корея). Такие государства, как Китай, Тайвань, Сингапур, Малайзия ежегодно инвестируют в электронику до 2 млрд. долл. Еще в 2004 году общий объем инвестиций в мире в полупроводниковую промышленность достиг 65 млрд. долл., причем 87% из них пошло на развертывание новых производств. В России годовые объемы бюджетных ассигнований в электронику не превышают 50 млн. долл.
Закон Мура – эмпирическое наблюдение, сделанное в 1965 году (через шесть лет после изобретения интегральной схемы), в процессе подготовки выступления Гордоном Муром (одним из основателей Intel). Он высказал предположение, что число транзисторов на кристалле будет удваиваться каждые 24 месяца. Представив в виде графика рост производительности запоминающих микросхем, он обнаружил закономерность: новые модели микросхем разрабатывались спустя более или менее одинаковые периоды (18–24 мес.) после появления их предшественников, а ёмкость их при этом возрастала каждый раз примерно вдвое.
Рис. 1.1
Это наблюдение получило название закон Мура. Менее известный «второй закон Мура», введённый в 1998 году Юджином Мейераном, гласит, что стоимость фабрик по производству микросхем экспоненциально возрастает с усложнением производимых микросхем. Так, стоимость фабрики, на которой корпорация Intel производила микросхемы динамической памяти ёмкостью 1 Кбит, составляла 4 млн. $, а оборудование по производству микропроцессора Pentium по 0,6-микронной технологии c 5,5 млн. транзисторов обошлось в 2 млрд. $. Стоимость же Fab32, завода по производству процессоров на базе 45-нм техпроцесса, составила 3 млрд. $.
8
Рис. 1.2
Вкниге «Искусство схемотехники» Хилла и Хоровица (1980 годы) приводится образное сравнение – если бы Боинг 747 прогрессировал с такой же скоростью, с какой прогрессирует твердотельная электроника, то он умещался бы в спичечном коробке и облетал бы без дозаправки земной шар
40 раз.
В2007 году Мур заявил, что закон, очевидно, скоро перестанет действовать из-за атомарной природы вещества и ограничения скорости света.
Сегодняшний уровень развития технологического оборудования, применяемого в производстве электронной компонентной базы, может быть проиллюстрирован на примере современного степпер-сканера Twinscan 1250 фирмы ASML (Нидерланды). Эта установка соответствует уровню разработок пятилетней давности. Она способна производить литографию по полупроводниковым пластинам с размером элемента рисунка 50 нм и со скоростью 100 пластин (диаметром 300 мм) в час. При этом точность размеров рисунка составляет ±10 нм по всей пластине. В качестве сравнения: это соответствует ситуации, если бы за одну минуту(!) вся территория Нидерландов была покрыта рисунком с размером элемента 5 см с точностью ±1 см по всей площади рисунка (то есть, при формировании этого воображаемого рисунка от края и до края Голландии может «набежать ошибка» в 1 см!).
1.1.2. Зачем России своя электроника
России жизненно необходимо производить изделия микроэлектроники. Те, кто полагают, что можно воспользоваться мировыми достижениями и просто закупать импортные изделия микроэлектроники, заблуждаются по двум основным причинам.
9
Во-первых, никто нам не продавал, не продает, и не будет продавать новейшие изделия микроэлектроники специального исполнения, предназначенные для военной техники. Во-вторых, микроэлектроника достигла такого уровня сложности, что современные сверхбольшие интегральные схемы СБИС становятся узкоспециализированными и системоориентированными. Поэтому их применение возможно, только если создавать точные аналоги той аппаратуры и систем, для которых эти СБИС изначально предназначались. То есть наши проектировщики должны будут идти по пути воспроизводства зарубежных разработок. Этот пагубный путь при производстве электронной компонентной базы (ЭКБ) мы уже проходили.
Следовательно, если мы хотим создавать передовую военную технику и обеспечить технологическую независимость и информационную безопасность всех наших электронных систем, в том числе и гражданских, ключевые изделия микроэлектроники необходимо проектировать и производить в России.
Однако парадокс ситуации в том, что микроэлектроника, будучи во всем мире одной из наиболее рентабельных отраслей, в нашей стране не развивается самостоятельно на базе рыночных отношений. Причина этого явления становится очевидной, если вспомнить, что производство изделий микроэлектроники требует очень больших начальных капиталовложений. Например, стоимость современной микроэлектронной фабрики превышает 2 млрд. долл. а срок ее окупаемости составляет около трех лет. Сбыт продукции связан с серьезной конкуренцией на внешнем и внутреннем рынках. Кроме того, в России производство радиоэлектронной аппаратуры не развито в той мере, чтобы оно стимулировало отечественных производителей ЭКБ. Электронная же промышленность является базовой отраслью, но она не выпускает конечной продукции. Потребность в продукции электроники определяется развитием всей инфраструктуры высокотехнологичных отраслей, опирающихся на использование электроники.
Поэтому без государственной поддержки финансами и гарантированными рынками сбыта развитие микроэлектроники невозможно. Такая поддержка оправданна, поскольку отечественная электроника сохранила высокий научный потенциал, а экономика страны позволяет выделить необходимые средства на развитие этой базовой отрасли.
Следовательно, развитие микроэлектроники в России необходимо и возможно, но только при государственной финансовой и организационной поддержке. При этом оказываются взаимосвязанными две задачи. Во-первых, для развития микроэлектроники необходим гарантированный государственный заказ на разработку и выпуск микросхем для электронных документов, информационных систем органов государственной власти, навигационной аппаратуры, промышленной электроники, военной и специальной техники, а также государственная поддержка при решении этих задач. С другой стороны, ко всем перечисленным электронным системам
10
предъявляются повышенные требования информационной безопасности, поэтому в них допустимо применение только отечественной ЭКБ.
Вот почему необходимо создание и развитие прочного технологического и производственного базиса для выпуска современной отечественной ЭКБ, технический уровень которой определяет способность государства решать задачи технологической, информационной и экономической безопасности. Не имея возможности проектировать и производить современную ЭКБ, Россия в ближайшее время может утратить потенциал в обеспечении обороны страны, потерять свои позиции в экспорте оружия, останется без разработок и производства аппаратуры систем безопасности, борьбы с терроризмом. В результате наша страна в ещё большей степени отстанет от мирового технологического уровня в ведущих отраслях промышленности и обеспечения жизнедеятельности общества.
Федеральная целевая программа «Развитие электронной компонентной базы и радиоэлектроники» на на 2008 – 2015 годы (далее – Программа) утверждена постановлением Правительства РФ от 26 ноября 2007 года №
809.
Основная цель Программы:
развитие научно-технического и производственного базиса для разработки и производства конкурентоспособной наукоемкой электронной и радиоэлектронной продукции для решения приоритетных задач социальноэкономического развития и обеспечения национальной безопасности Российской Федерации.
Основные задачи Программы:
-обеспечение радиоэлектронных средств и систем, в первую очередь средств и систем, имеющих стратегическое значение для страны, российской электронной компонентной базой необходимого технического уровня;
-разработка базовых промышленных технологий и конструкций радиоэлектронных компонентов и приборов;
-техническое перевооружение организаций радиоэлектронной отрасли на основе передовых технологий;
-создание научно-технического задела по перспективным технологиям и конструкциям электронных компонентов, унифицированных узлов и блоков радиоэлектронной аппаратуры для обеспечения российской продукции и стратегически значимых систем;
-опережающее развитие вертикально интегрированных систем автоматизированного проектирования сложных электронных компонентов, аппаратуры и систем для достижения мирового уровня.
Управлением радиоэлектронной промышленности и систем управления ФАП России подготовлен документ "Стратегия развития электронной промышленности России на ближайшие годы" (Стратегия). Под
11
стратегией развития электронной промышленности в этом документе понимается взаимоувязанная по целям, задачам, срокам реализации, финансовому обеспечению и государственной поддержке совокупность федеральных целевых, отраслевых и межотраслевых программ, инвестиционных проектов и комплексов внепрограммных мероприятий технологического, экономического, организационного, законодательного, социального и экологического обеспечения решения проблемы динамичного развития систем разработки и производства современной электронной компонентной базы для выполнения задач обеспечения национальной безопасности и экономического подъема всей отечественной промышленности. Реализация такой стратегии должна обеспечить создание современных электронных изделий, средств и систем для модернизации действующего и создания современного технологического базиса развития приборо- и аппаратостроения; модернизации систем управления и коммуникаций; совершенствования систем транспорта и энергетики, энергосберегающих технологий; повышения уровня автоматизации производств; освоения новых методов обучения и медицинского обслуживания; и, наконец, совершенствования специальной техники и вооружений.
Основные задачи Стратегии:
·реформирование структуры электронной промышленности, оптимизация методов и механизмов государственного управления и государственночастного партнерства;
·модернизация и развитие электронных производств отраслей;
·развитие сети межотраслевых и отраслевых центров проектирования микроэлектронных компонентов и систем на кристалле;
·развитие разработок и производства радиационно-стойкой ЭКБ, твердотельной СВЧ-электроники и микросистемотехники;
·принятие мер по существенному расширению внутреннего рынка;
·внесение предложений по изменению существующего законодательства, обеспечивающих реализацию мероприятий данной Стратегии.
К числу наиболее заинтересованных потребителей ЭКБ отечественного производства, несомненно, следует отнести разработчиков и производителей высокотехнологичных отраслей промышленности. Среди потенциальных массовых потребителей ЭКБ для аппаратуры гражданского назначения первые места в ближайшее время будут занимать:
·аппаратура цифрового теле- и радиовещания;
·средства радиочастотной идентификации и системы безопасности;
·навигационная аппаратура пользователей;
·медицинская и научная аппаратура, электроника для сельского хозяйства, жилья, средств обучения;