Основы технологии электронной компонентной базы / материалы по технологии / Смирнов

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Ульяновский государственный технический университет

В. И. Смирнов

ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ТЕХНОЛОГИИ

ЭЛЕКТРОННЫХ СРЕДСТВ

Учебное пособие

для студентов, обучающихся по специальности 21020165 – Проектирование и технология радиоэлектронных средств

Ульяновск 2005

1

УДК 621.38 (075) ББК 32.965 я 7

С 50

Рецензенты:

Ульяновское отделение Института радиотехники и электроники РАН; профессор кафедры «Аэронавигация и радиоэлектронное оборудование» Ульяновского высшего авиационного училища гражданской авиации, канд. техн. наук, А. В. Ефимов

Утверждено редакционно-издательским советом университета в качестве учебного пособия

Смирнов, В. И.

С 50 Физико-химические основы технологии электронных средств: учебное пособие / В. И. Смирнов. − Ульяновск: УлГТУ, 2005.− 112 с.

ISBN 5-89146-600-0

Рассмотрены основные технологические операции производства электронных средств с точки зрения физических явлений, сопутствующих или лежащих в основе той или иной операции. Основное внимание уделено технологии полупроводниковых микросхем, которые реализуются в приповерхностном слое полупроводниковой пластины. Рассмотрены также основные операции изготовления гибридных интегральных микросхем.

Пособие предназначено для студентов специальности 21020165, изучающих вопросы технологии электронных средств.

УДК 621.38 (075) ББК 32.965 я 7

1.2.Особенности формирования структуры полупроводниковой ИМС на примере эпитаксиально-планарного транзистора….... 8

1.3.Общая характеристика технологического процесса

ПРЕДИСЛОВИЕ

Производство электронных средств, в особенности микросхем

имикропроцессоров, в настоящее время переживает бурный подъем. Резко улучшились основные технические характеристики микроэлектронных устройств, в первую очередь быстродействие и энергопотребление. Номенклатура выпускаемой продукции непрерывно расширяется, возникают новые направления такие, как нанотехнология и микросистемотехника. Современному инже- неру-технологу электронных средств все сложнее ориентироваться в новых технологических методах и конструктивных решениях. Помочь ему в этом может знание физико-химических основ технологии электронных средств.

Внастоящем учебном пособии рассматриваются основные технологические операции производства электронных средств с точки зрения физических явлений, сопутствующих или лежащих в основе той или иной операции. Основное внимание уделено технологии полупроводниковых микросхем, которые реализуются в приповерхностном слое полупроводниковой пластины. Рассмотрены также основные операции изготовления гибридных интегральных микросхем. Вопросы, связанные с такими технологическими операциями, как сборка

ифункциональный контроль микросхем или технология печатных плат в данном учебном пособии не рассматриваются.

Впервой главе представлены общие сведения о технологии интегральных микросхем, дана их классификация и кратко описаны основные технологические операции при изготовлении полупроводниковых микросхем. Вторая глава посвящена методам выращивания кремниевых монокристаллических слитков.

Третья глава является основной, в ней рассмотрены все основные технологические операции формирования структуры полупроводниковой микросхемы, а именно, окисление поверхности кремниевой пластины, эпитаксия, фотолитография, легирование с помощью диффузии и ионной имплантации и так далее. Для анализа технологических операций в качестве примера выбран эпи- таксиально-планарный транзистор. Хотя он и не обладает оптимальной конструкцией, но для его изготовления используются практически все типичные технологические операции.

Вчетвертой главе рассмотрены процессы, лежащие в основе технологии изготовления тонкопленочных и толстопленочных гибридных интегральных микросхем. В первую очередь это относится к напылению на диэлектрическую подложку тонких пленок ионно-плазменными методами и термовакуумным

испарением, а также формированию пленок методом трафаретной печати. В пятой главе отдельно выделены вопросы, связанные с процессами, протекающими в металлических проводниках и контактных соединениях.

5

1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ТЕХНОЛОГИИ ИНТЕГРАЛЬНЫХ МИКРОСХЕМ

1.1 Классификация интегральных микросхем по технологии их изготовления

Интегральная микросхема (ИМС) − это микроэлектронное изделие, выполняющее определенную функцию преобразования, обработки сигнала и (или) хранения информации, элементы которого изготовлены в виде слоев в приповерхностном слое подложки или на ее поверхности в едином технологическом процессе. Обычно ИМС имеет герметичный корпус и внешние электрические выводы. Особенностью ИМС являются малые размеры и расположение всех элементов (транзисторов, сопротивлений, конденсаторов и так далее) на одной подложке, так что вся микросхема представляет собой механически единый блок.

По технологии изготовления ИМС делятся на две основные группы: полупроводниковые и гибридные микросхемы. В полупроводниковых ИМС все элементы формируют в приповерхностном слое полупроводниковой пластины (обычно кремниевой), используя локальное введение различных примесей через специально сформированную на поверхности маску. Это позволяет создавать всевозможные р-п-переходы, составляющие основу диодов и транзисторов, а также обеспечивающие изоляцию элементов друг от друга.

Соединение элементов в соответствии с принципиальной схемой устройства осуществляется с помощью металлизации, наносимой на поверхность пластины и ее селективного травления. Фрагмент полупроводниковой микросхемы, а именно, структура биполярного и полевого транзисторов показаны на рис. 1.1. Области эмиттера Э, базы Б и коллектора К биполярного п-р-п- транзистора (рис. 1.1а) сформированы с помощью локального легирования кремниевой пластины р-типа. Все выводы транзистора находятся на одной плоскости (планарная структура). Серым цветом показан слой SiO2, черным цветом – металлизация. Буквами И, З и С обозначены соответственно исток, затвор и сток полевого транзистора с индуцированным каналом (на рис. 1.1б он показан пунктиром).

По объему производства полупроводниковые ИМС значительно превосходят гибридные. Это объясняется рядом преимуществ таких, как лучшие мас-

1.2. Особенности формирования структуры полупроводниковой ИМС на примере эпитаксиально-планарного транзистора

Рассмотрим фрагмент электронного устройства, изображенного на рис. 1.3. Данный фрагмент представляет собой простейший инвертор, который работает следующим образом. При поступлении на базу транзистора напряжения высокого уровня (логической единицы) он открывается и напряжение, снимаемое с коллектора, будет иметь низкий уровень (логический ноль). И наоборот, если на вход поступает сигнал низкого уровня, на выходе будет сигнал высокого уровня. В цепи коллектора имеется резистор, к которому подключается напряжение питания Un. Следует отметить, что в действительности схема обладает некоторой паразитной емкостью Спар (емкость коллекторного перехода, проводников и так далее). На схеме эта емкость показана пунктиром.

Реализация этого фрагмента в интегральном исполнении представлена на рис. 1.4. В приповерхностном слое кремниевой пластины р-типа с помощью безмасочной диффузии доноров сформирован слой п-типа. Затем через окна в маске, специально сформированной на поверхности с помощью фотолитографии, вводят в большом количестве акцепторы, формируя области р+-типа. Образующиеся при этом переходы р+-п и р-п обеспечивают изоляцию друг от друга двух карманов: правого для транзистора и левого для резистора. Диффузионный резистор представляет собой область р-типа в кармане, обладающем п- типом проводимости. Его сопротивление определяется удельным сопротивлением этой области и ее геометрическими размерами. Соединение элементов инвертора осуществляется металлизацией по поверхности пластины.

Рис. 1.3. Схема инвертора Рис. 1.4. Структура инвертора

Приведенная на рис. 1.4 структура биполярного транзистора обладает одним серьезным недостатком. Как уже отмечалось, реальная схема инвертора

рядкой этой паразитной емкости. Длительность процесса перезарядки Спар зависит от величины этой емкости и от сопротивления тела коллектора, по которому протекает ток. Для уменьшения времени перезарядки паразитной емкости и, соответственно, для повышения быстродействия транзистора необходимо уменьшить сопротивление тела коллектора. Это можно было бы сделать, увеличив количество донорной примеси, вводимой для формирования области коллектора. Но тогда увеличится концентрация примеси вблизи поверх-

8

ности пластины, а это приведет к снижению напряжения пробоя перехода коллектор – база.

Решение проблемы повышения быстродействия транзистора заключается в формировании слоя с повышенным содержанием доноров на некотором расстоянии от поверхности пластины. Этот так называемый скрытый слой уменьшает сопротивление тела коллектора. В то же время снижения пробивного напряжения коллекторного перехода не происходит. Сформировать скрытый слой можно с помощью операции эпитаксии. Структура эпитаксиально-планарного транзистора представлена на рис. 1.5.

Толщина исходной кремниевой пластины, составляет обычно величину порядка

по периметру высокоомной границей р+-п-перехода, а снизу − такой же границей р--п+-перехода. Металлизация осуществляется обычно с помощью напыления пленки из алюминия с последующим селективным травлением. Данная структура транзистора не является единственно возможной, существуют и другие конструкции.

1.3. Общая характеристика технологического процесса изготовления полупроводниковых ИМС

Начальным этапом изготовления полупроводниковых микросхем является выращивание монокристаллического слитка кремния, содержащего заранее определенное количество примесных атомов. Слитки разрезают на пластины и обрабатывают их поверхности. С помощью многократно повторяющихся операций окисления, фотолитографии, эпитаксии, диффузии, ионной имплантации, металлизации и травления формируют элементы микросхемы, соединенные проводящими дорожками на поверхности пластины. На одной пластине может быть изготовлено большое количество однотипных кристаллов (чипов). Затем все кристаллы тестируют, маркируя дефектные, и разрезают пластину на кристаллы. После этого кристаллы монтируют в корпус и проводят заключительный функциональный контроль.

Самыми важными операциями являются те из них, с помощью которых непосредственно формируется структура микросхемы, то есть окисление, эпитаксия, диффузия и так далее. Рассмотрим более подробно эти операции на примере эпитаксиально-планарного транзистора. Основные операции техно-

9