Технологические основы производства полупроводниковых интегральных схем (ИС)

Технологические основы производства полупроводниковых интегральных схем (ИС)

 

Структуры кристаллов полупроводниковых ИС. Основные конструктивные элементы. Принципы интегральной технологии

 

Кристалл ИС – часть полупроводниковой пластины, в объеме и на поверхности которой сформированы элементы полупроводниковой схемы, межэлементные соединения и контактные площадки.

   Структура ИС – определенное расположение по глубине кристалла локальных областей, отличающихся толщиной, электропроводимостью и характером распределения примесей.

Топология ИС – определяет геометрические размеры отдельных областей и элементов и их взаимное расположение, а также рисунок межэлементных соединений.

Схемная реализация большинства электронных устройств основана на применении активных (биполярных и МОП-транзисторов) и пассивных (резисторы, конденсаторы) элементов. В задачу изготовления полупроводниковых кристаллов входит формирование вышеуказанных элементов, создание соединений между ними и контактных площадок.

Особенностью изготовления полупроводниковых ИС является интегральное групповой метод производства. Суть метода заключается в интеграции различных и однотипных элементов на едином технологическом носителе (полупроводниковой пластине) и в интеграции технологических процессов при групповых методах их проведения.

Основные принципы:

1. Технологическая совместимость элементов и ИС, диодов, резисторов, конденсаторов с наиболее сложным элементом – транзистором. Технологический процесс изготовления ИС строится с учетом получения структуры транзистора.
2. Принцип групповой обработки пластин-заготовок, который должен охватывать как можно большее число операций. За счет этого увеличивается воспроизводимость характеристик ИС и значительно уменьшает трудоемкость изготовления отдельной ИС.
3. Принцип универсальности процесса обработки: к различным по функции ИС применяется, идентичные по сути процессы с одинаковыми технологическими режимами.
4. Принцип унификации пластин заготовок, содержащих максимальное число признаков микросхем. Процесс производства ИС состоит из заготовительного этапа, на котором получают универсальную пластину-заготовку, и этапа избирательной обработки. Экономически целесообразно первый этап расширять, соответственно сужая второй.
5. Принцип высокой чистоты всех процессов, используемых при производстве (использование сверхчистых материалов, применение операций очистки, повышенная чистота процесса сборки).

 

Базовые техпроцессы изготовления полупроводниковых ИС

Литография

Литография – процесс создания защитной маски на поверхности полупроводникового кристалла, необходимой для локальной обработки при формировании интегральной структуры И.C. по планарной технологии.

      В зависимости от длины волны применяемого облучения различают:

оптическую/ультрафиолетовую литографию (l=100¸450 нм);

рентгеновскую литографию (l=0,1¸1 нм);

электронную литографию (l=0,1 нм);

ионно-лучевую литографию (l=0,05¸0,1 нм).

Варианты методов литографии в зависимости от способов получения топологических конфигураций на шаблоне и поверхности полупроводниковой пластины приведены на рис. 6.

 

Ведущую роль в технологии ИС занимает фотолитография (см. главу 2). Разрешающая способность УФ фотолитографии характеризуют часто значением D - минимальной шириной линии, мкм. Принципиальным физическим фактором, ограничивающим D, является дифракция УФ-излучения, не позволяющая получить D меньше длины волны l. На практике D может быть более l по ряду причин, например, из-за рассеяния УФ-излучения в фоторезисте при экспонировании, набухания фоторезиста при проявлении и его последующей усадки при высушивании, несоответствия размеров отверстий в фоторезистивной и основной масках.

Литография с разрешающей способностью D<<1 мкм, необходимая для создания ИС с высокой степенью интеграции, основывается на применении излучений с меньшей длиной волны, чем в фотолитографии.

 

Электронолитография

Метод основан на нетермическом взаимодействии электрона с электронорезистами. Электронорезист – полимерный материал, который изменяет свои свойства при взаимодействии с электроном.                                                                                                    

На практике наибольшее распространение получила – обработка сфокусированным пучком электронов (сканирующая ЭЛ) и электронная проекция всего изображения (проекционная ЭЛ) на пластину с электронорезистом.

Методом достигается формирование топологических конфигураций с размерами элементов 0,1…0,2мкм. (Теоретически возможно получить 0,1нм). Особенность ЭЛ- отсутствие необходимости оригинала топологии в увеличенном масштабе.                            

 

Рентгенолитография

Метод основан на взаимодействии характеристического рентгеновского излучения (l = 0,1¸10нм) с рентгенорезистом, приводящим к изменению их свойств - увеличение или уменьшение стойкости к проявителям.

Проекционный метод (1:1): шаблон состоит из кремниевой подложки, тонкой мембраны из, пропускающей рентгеновское излучения и слоя материала (хром, золото) хорошо поглощающего рентгеновское излучение. Зазор между шаблоном и пластиной составляет порядка 3¸10 мкм, время экспонирования – 1 сек ¸ 20 мин.

Достоинства - высокая разрешающая способность, отсутствие влияния загрязнений, большой срок службы шаблона, относительная простота оборудования.  

 

Ионно-лучевая литография

Основана на использовании ионов гелия для экспонирования поверхности пластин, покрытых резистом.

Существуют:

сканирующая ИЛЛ (разрешающая способность – 0,3¸0,03мкм);

проекционная ИЛЛ с (разрешающая способность – 0,5мкм);

 

Для формирования рисунка топологии ИС возможно воздействие на пленку               электронного, ионного и лазерного пучка с высокой плотностью энергии, достаточной для термического испарения материала.Для этого необходимы плотность мощности больше >10⁶ Вт/см² и время @ 1мкс. Применение ограничено возможным возникновением дефектов из-за механического напряжения и ударных волн.                                                                                                   

 

Для сравнения эффективности методов литографии используются обобщенные оценки. В качестве критерия выбран показатель качества, определяемый как:

Производительность

(1+0,15´плотность дефектов) ´ стоимость оборудования ´ (ширина линий)          

 

Сравнение эффективности методов литографии приведено в таблице 1.

Таблица 1

Метод литографии	Мин. ширина линии, мкм	Плот-ность дефектов на 1 см	Производитель-ность, пластин/ч	Стоимость оборудования, отн. ед.	Эффектив- ность ´ 10
Контактная фотолитография	3	2,5	50	1	14
Проекционная фотолитография	2	1	65	6	29
Проекционная фотолитография с применением коротковолнового УФ-излучения	1	1	50	7	82
Проекционная фотолитография с использованием повторителей	1	1	20	12	19
Электронолитография	0,5	0,5	10	50	15
Рентгенолитография	0,3	1	20	10	218
Ионно-лучевая литография	0,5	-	30	-	-

 

Травление

1. Химическое травление – химическая реакция жидкого травителя с кремниевой пластиной с последующим образованием растворимого соединения. Процесс состоит из следующих стадий:

1) диффузия реагента к поверхности;

2) адсорбция реагента;

3) поверхностная химическая реакция;

4) десорбция продуктов реакции;

5) диффузия продуктов реакции от поверхности;

 

Пример реакции для изотропного травления кремния:

Si + 4HNO3 ® SiO2 +4NO3 +2H2O

SiO2 + 4HF ® SiF4­ + 2H2O

Для большей равномерности травления ванну с раствором и пластиной кремния вращают в наклонном положении (динамическое травление) или вводят в ванну ультразвуковой вибратор.

 

Для травления кремния используют анизотропное и изотропное травление. Изотропное травление происходит во всех направления с приблизительно одинаковой скоростью. Для травление используются фосфорная, азотная и уксусная кислоты.

Анизотропное травление основано на том, что скорость химической реакции зависит от кристаллографического направления: минимальная скорость травления в направлении [111], а максимальная – в [100] (скорость травления в направлении [100] в 600 раз больше чем в направлении [111]). В качестве анизотропного травителя используются калиевая кислота и вода.

При использовании анизотропного травления скорость зависит от кристаллографического направления и боковые стенки лунок приобретают рельеф или огранку, углы под которыми вытравливаются боковые стенки лунок строго определены. плоскость [111] является как бы непроницаемой для травителя, что дает возможность при использовании маски избежать подтравливания.

 

Эпитаксия

Эпитаксия – это ориентированный рост полупроводниковых слоёв на полупроводниковой подложке, при котором кристаллографическая ориентация повторяет ориентацию подложки.

Если подложка и плёнка – одно и тоже вещество то процесс автоэпитаксиальный, иначе гетероэпитаксиальный.

Методы этого наращивания делят на прямые и косвенные.

1. Прямые – частицы полупроводника переносятся без промежуточных химических реакций (испарение, сублимация, реактивное распыление).

2. Косвенные – полупроводниковые плёнки получают путём разложения паров полупроводниковых соединений (методы восстановления в H₂ хлоридов, бромидов кремния, а также метод разложения органических соединений кремния).

Недостаток прямого метода – сложность точного дозирования примеси в плёнке. Поэтому чаще используют косвенный метод - восстановление из хлоридов кремния SiCl₄

 

Рис. 12. Схема установки используемой для восстановления из хлоридов кремния

 

1. Загружаются пластины Si в реакционную камеру (пластины обработаны)

2. Продувка H₂

3. Заполнение HCl для стравливания SiО₂

4.  Нагрев камеры до 1200⁰ и подача SiCl₄ + H₂, происходит реакция восстановления SiCl₄ + H₂= SiCl₂+2HCl­

Скорость роста порядка 0,5-5 микрон в минуту. Толщина плёнки 10-20 микрон.            В процессе выращивания возможно легирование В₂Н₆ или РН₃, создающего дырочную (р) или электронную (n) проводимость.

 

 

Скорость роста пленки зависит от температуры в камере, кристаллографической ориентации кристалла в подложке (быстрее в [110], медленнее в [100]), от скорости потока газа-носителя, концентрации SiCl₄ в H₂, равномерности потока газа из поверхности кремния.

При невысоких температурах и больших содержаниях SiCl₄ в H₂ образуются рыхлые аморфные слои кремния, при повышении температуры структура кремния ухудшается и появляется поликремний.

Для всех процессов требуется высокая степень чистоты исходных элементов. Поддержание определенного технологического режима позволяет получить постоянство параметров пленки кремния в пределах 5¸10%.

В процессе выращивания слоя кремния возможно легирование соединений бора B206 (диборан) – получается р-тип кремния или фосфора PH3 (фосфин) – получается n-тип кремния, задающих дырочную или электронную проводимость.

 

Легирование

В современной технологии микроэлектроники процесс легирования является одним из базовых процессов. Степень интеграции ИС увеличивается за счет совершенствования методов локального легирования и разрешающей способности методов литографии.

 

Методы легирования можно разделить на группы:

1. Высокотемпературная диффузия.

1) в замкнутой системе

2) в открытой системе

3) из твёрдой фазы на поверхности

2. Ионная имплантация

1) внедрение ионов

а) температурная обработка

3. Радиационностимулированная диффузия

1) обработка частицами высокой энергии

2) обработка частицами низкой энергии

 

Ионное легирование

Так как в процессе изготовления микросхем диффузию примеси выполняют многократно, каждый последующий разогрев вызывает продолжение предыдущей диффузии. Это ухудшает воспроизводимость параметров, т.к. изменяется профиль интегральной структуры. Ионное легирование свободно от этих недостатков.

Ионное легирование – метод легирования пластины путём бомбардировки ионов примеси ускоренных достаточно для их углубления внутрь полупроводника. Эти атомы примеси частично занимают упорядоченное положение в решётке, частично нет. Для исключения последнего используют обжиг (600-700⁰С).

Глубина внедрения ионов зависит от их энергии и массы. Но с увеличением энергии возникают радиационные эффекты (максимальная энергия 10-150 кЭв). При этом толщина слоя 0,1-0,4 микрона. Т.к площадь ионного пучка меньше площади кристалла, пучок сканирует по поверхности кристалла.

Ионное легирование может быть как общим так и локальным.

Преимущества:

1) низкая температура процесса

2) хорошо контролируемая воспроизводимость

3) изотопная частота ионов легирующей примеси

4) возможность точного задания конфигурации примеси по глубине и по площади

5) возможность легирования различными примесями

6) точное соответствие легированной области размерам окна маски

Недостатки:

1) сложность технологических установок

2) возникновение дефектного слоя

МОП и КМОП транзисторы

В настоящее время технология изготовления МОП и КМОП занимает лидирующее положение.

Сравнительные оценка характеристики параметров биполярных и МДП ИМС:

Таблица 3.

Характеристика и параметр	Биполярные ИМС	МДП ИМС
Площадь занимаемая транзистором на подложке (ср. значение) мкм^2	2600-3800	130-200
Площадь занимаемая схемой (ср. значение) мм^2	1,25 х 1,23	1,5 х 2,2
Максимальная степень интеграции (число элементов на одном кристалле)	(2-5)*10^4	(1-5)*10^5
Быстродействие, МГц	1-50	1-20
Потребляемая мощность, мВт	5-30	5
Задержка распространения, нс	5-20	30
Помехоустойчивость, В	0,08-0,75	1,5-5
Нагрузочная способность	5	50
Технология изготовления
А) количество диффузных процессов	3-4	1-3
Б) количество фотолитографических процессов	6-8	6-10

Комплиментарная пара в логике инвертор

Рис. 19. Комплиментарная пара

 

С начала 70-х годов развивалась технология РМОП ИС с металлическим затвором, затем они были заменены на РМОП ИС с кремниевыми затворами, а еще позже – на МОП транзисторы с кремниевыми затворами. Применение данных схем приводит к некоторым проблемам:

1) необходимость в ограничении рассеиваемой мощности;

2) необходимость уменьшения рабочих температур БИС, построенных на МОП транзисторах;

3) необходимость уменьшения восприимчивости ИС памяти к случайным сбоям;

4) повышение помехоустойчивости ИС.

 

Особенности МОП технологии:

В техническом процессе отсутствуют операции по изоляции технических структур. Весь процесс изготовления интегральных схем сводится к формированию МОП транзисторов и создания элементов между ними т. к. на МОП структурах можно реализовать резисторы и конденсаторы. Внутри схемы соединения выполняют с помощью материала затвора тем самым упрощая задачу многослойной разводки.

Размеры МОП транзисторов гораздо меньше биполярных транзисторов, что позволяет создать микросхему с высокой степенью компоновки.

Схема технического процесса изготовления интегральных схем МОП:

1) на n типа подложке осаждается эпитаксиальная пленка p типа толщиной 10мкм;

2) выполняется термическое окисление с образованием пленки SiO₂ толщиной 1 мкм;

3) нанесение фоторезиста и получение определенного рисунка;

4) проведение разделений диффузии при донорной примеси на глубину эпитаксиальной пленки;

5) термическое окисление;

6) изоляция карманов p типа;

7) фотолитографическое получение защитной маски;

8) повторная диффузия донорной примеси для получения сильно легированных областей n типа;

9) окисление пластины и получение подзатворного диэлектрика толщиной 0,1 мкм;

10) фотолитография для получения рисунка окон и подомических контактов и травление;

11) термическое осаждение алюминия для омических контактов и затворов через трафареты;

 

Проблемы, возникающие при изготовлении МОП ИС:

1) Наличие SiO₂ под затвором положительных и отрицательных зарядов.

2) Образование паразитных МОП транзисторов под металлической разводкой.

3) Возникновение перекрытия затвора с областями стока и истока (перекрытие приводит к увеличению ёмкостей затвор-исток и сток-исток, что ведет к снижению быстродействия).

Способы увеличения быстродействия МОП ИС:

1) Увеличение быстродействия за счет уменьшения ёмкостей перекрытия. Найдено решение – применение технологии самосовмещенных затворов. Идея технологии заключается в том, что слои стока и истока выполняются не до, а после выполнения затвора. При этом затвор используется в качестве маски.

2) Использование в качестве металлического затвора слой поликремния. Такой метод направлен на уменьшение порогового напряжения, для того чтобы уменьшить напряжение питания и рассеиваемую мощность.

Методы для уменьшения порогового напряжения (чем меньше пороговое напряжение, тем ниже напряжение питания схемы и потребляемая ей мощность):

1) Применение МОП транзисторов с кремниевыми затворами. U₀ = 1¸2 В. Материал подложки и затвора одинаковый, следовательно разность потенциалов равна нулю.

2) Использование молибдена в качестве затвора (эффект тот же что и в первом случае)

3) Замена диэлектрика под затвором с SiO₂ на Si₃N_4, у которого диэлектрическая проницаемость в 1,5 раза выше, следовательно уменьшится U₀.

 

Преимущества КМОП технологии:

1. Логические перепады напряжения равны напряжению питания (требуется меньшее напряжение питания, чтобы перейти из одного состояния в другое).

2. Повышенная помехоустойчивость.

3. Меньшая потребляемая мощность (один транзистор открыт, другой закрыт и ток почти не течет).

4. Увеличился коэффициент усиления.

КМОП структуры изготовляются по планарно-эпитаксиальной технологии. Структуры МОП изготавливаются по самосовмещенной технологии.

 

 

Технологические основы производства полупроводниковых интегральных схем (ИС)