Интегральная микросхема КР1533ТВ6

5. Технология изготовления

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.

Литография. 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.

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

Более высокой разрешающей способностью обладает электронно-лучевая 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 р-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, вскрытые в слое ЗЮд. 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.

Эпитаксию применяют для выращивания на поверхности кремние­вой пластины полупроводникового слоя с п- или р-проводимостью. Такой слой толщиной несколько микрон образуется при пропускании над нагретой до 1250 °С подложкой потока газа, содержащего несколь­ко соединений, которые, вступая в химическую реакцию, разлагаются на части и приводят к образованию эпитаксиального слоя с n- или р-проводимостью на поверхности пластины.

Напыление и нанесение пленок. Элементы полупроводни

ковых 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.