Книжная полка Сохранить
Размер шрифта:
А
А
А
|  Шрифт:
Arial
Times
|  Интервал:
Стандартный
Средний
Большой
|  Цвет сайта:
Ц
Ц
Ц
Ц
Ц

Технологические процессы в микро- и наноэлектронике

Покупка
Основная коллекция
Артикул: 721962.01.99
Рассмотрены основные положения физики твёрдого тела и физической химии полупроводников. Основное внимание уделено технологии, соответствующему оборудованию и оснастке, используемым для получения технологического слоя. Приводятся конкретные примеры решения обратных задач по определению технологических режимов получения слоев с заданными параметрами. Освещены регламентные работы в промышленном производстве. Рассмотрены основные экологические проблемы в промышленных технологиях. Для студентов, обучающихся по специальности 11.00.00 «Электроника, радиотехника и системы связи», а также инженеров, занятых проектированием и обслуживанием электронных приборов.
Родионов, Ю.А. Технологические процессы в микро- и наноэлектронике : учеб. пособие / Ю.А. Родионов. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2019. - 352 с. - ISBN 978-5-9729-0337-5. - Текст : электронный. - URL: https://znanium.com/catalog/product/1053392 (дата обращения: 29.03.2024). – Режим доступа: по подписке.
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов. Для полноценной работы с документом, пожалуйста, перейдите в ридер.

Ю. А. Родионов








ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В МИКРО- И НАНОЭЛЕКТРОНИКЕ

Учебное пособие











Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2019

УДК 621.382(076)
ББК 32.844.1я73
     Р60


Рецензенты:
Квасов Н. Т., д-р физ.-мат. наук, проф., главный научный сотрудник кафедры физики твёрдого тела Белорусского государственного университета;
Сычик И. В., д-р техн. наук, проф. кафедры микро- и нанотехники Белорусского национального технического университета;
Ковальчук Н. С., канд. техн. наук, доцент, зам. главного инженера по серийному производству ОАО «„Интеграл” - управляющая компания холдинга „Интеграл”».





     Родионов, Ю. А.
Р60 Технологические процессы в микро- и наноэлектронике : учебное пособие / Ю. А. Родионов. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2019. -352 с. : ил., табл.
          ISBN 978-5-9729-0337-5

     Рассмотрены основные положения физики твёрдого тела и физической химии полупроводников. Основное внимание уделено технологии, соответствующему оборудованию и оснастке, используемым для получения технологического слоя. Приводятся конкретные примеры решения обратных задач по определению технологических режимов получения слоёв с заданными параметрами. Освещены регламентные работы в промышленном производстве. Рассмотрены основные экологические проблемы в промышленных технологиях.
     Для студентов, обучающихся по специальности 11.00.00 «Электроника, радиотехника и системы связи», а также инженеров, занятых проектированием и обслуживанием электронных приборов.

                                                      УДК 621.382(076)
                                                      ББК 32.844.1я73






ISBN 978-5-9729-0337-5     © Родионов Ю. А., 2019
                            © Издательство «Инфра-Инженерия», 2019
                            © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2019

            СОДЕРЖАНИЕ



ВВЕДЕНИЕ.......................................................5
1. ТВЕРДОТЕЛБНЫЕ ИМС...........................................11
    1.1. Входной контроль полупроводниковых слитков............11
    1.2. Механическая обработка слитка.........................14
    1.3. Химподготовка поверхности подложки после механической обработки..................................................16
2. ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОЕ СОЗДАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО СЛОЯ... 28
    2.1. Кремний - основа твердотельной электроники...........28
    2.2. Создание высокотемпературного оксида кремния.........30
       2.2.1. Окисление кремния при комнатной температуре.....30
       2.2.2. Физический механизм роста окисла при высокой температуре... 31
       2.2.3. Структура окисла кремния........................32
       2.2.4. Модель Дила - Гроува............................33
       2.2.5. Оборудование и оснастка для окисления кремния...37
       2.2.6. Методы контроля параметров диэлектрических слоёв.....43
       2.2.7. Контроль дефектности плёнок.....................46
    2.3. Создание газофазного эпитаксиального слоя кремния....51
       2.3.1. Хлоридный метод.................................52
       2.3.2. Пиролиз моносилана..............................56
       2.3.3. Гетероэпитаксия кремния на диэлектрических подложках.57
       2.3.4. Перераспределение примеси при эпитаксии.........59
    2.4. Создание термодиффузионного слоя кремния.............68
       2.4.1. Механизмы диффузии примесей.....................68
       2.4.2. Контроль параметров диффузионных слоёв..........84
       2.4.3. Прямые и обратные инженерные задачи при термодиффузии.... 86
3. НИЗКОТЕМПЕРАТУРНЫЕ ВАКУУМНО-ПЛАЗМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ
  И ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ СОЗДАНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СЛОЁВ ... .95
    3.1. Элементы физики плазмы...............................95
    3.2. Элементы физикивакуума..............................110
    3.3. Наиболее востребованные средства откачкив микроэлектронной промышленности............................................116
    3.4. Вакуумная арматура и комплектация...................147
    3.5. Датчики вакуума.....................................150
    3.6. Молекулярно-лучеваяэпитаксия........................154
    3.7. Ионное легирование полупроводников..................159
       3.7.1. Элементы теории ионного легирования............162
       3.7.2. Техника ионного легирования....................178

3

        3.7.3. Прямые и обратные инженерные задачи в области ионного легирования............................................188
    3.8. Плазмохимическое травление кремния....................193
        3.8.1. Классификация процессов плазмохимического травления.195
        3.8.2. Кинетика изотропного травления кремния..........198
        3.8.3. Анизотропия и селективность.....................203
    3.9. Осаждение диэлектрических плёнок на кремний...........205
        3.9.1. Осаждение диоксида кремния......................206
        3.9.2. Осаждение нитрида кремния.......................208
        3.9.3. Осаждение алмазоподобных плёнок.................210
        3.9.4. Создание сверхтонкой мембраны.......................213
4. ТЕХНОЛОГИЯ ЛИТОГРАФИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ............................223
    4.1. Основные термины и определения........................225
    4.2. Основные свойства и состав фоторезистов...............232
    4.3. Производственная схема фотолитографического процесса..236
    4.4. Подробно об экспонировании............................245
    4.5. Основные оптические эффекты, вызывающие ухудшение рисунка.... 253
    4.6. Иммерсионная литография...............................261
    4.7. Взрывная литография...................................264
    4.8. Электронно-лучевая литография.........................265
    4.9. Рентгеновская литография..............................275
    4.10. Электронорезисты.....................................277
    4.11. Нанопринтная литография..............................278
    4.12. Экстремальнаяультрафиолетовая литография (EUVL)......280
    4.13. LIGA-процесс.........................................285
5. МЕТАЛЛИЗАЦИЯ................................................288
    5.1. Свойства плёнок алюминия..............................288
    5.2. Электродиффузия в плёнках алюминия....................290
    5.3. Методы получения металлических плёнок.................291
    5.4. Создание омических контактов..........................295
    5.5. Использование силицидов металлов......................300
    5.6. Многоуровневая металлизация...........................301
    5.7. Контактные узлы.......................................302
    5.8. Основные технологические процессы сборки интегральных схем в корпус..................................................311
    5.9. Основные конструкции корпусов ИМС.....................317
5.10. Упрощённый маршрут изготовления микроэлектронного акселерометра.............................................320
6. ТРЕБОВАНИЯ К ОБОРУДОВАНИЮ В ТЕХНОЛОГИИ МИКРО-И НАНОЭЛЕКТРОНИКИ..............................................330
7. ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ В ТЕХНОЛОГИИ МИКРО-И НАНОЭЛЕКТРОНИКИ..............................................340
ЛИТЕРАТУРА.....................................................350

4

            ВВЕДЕНИЕ



      Микро- и наноэлектроника в настоящее время занимает исключительные позиции во всех сферах человеческой деятельности. Практически каждый месяц появляются новые оригинальные микроэлектронные устройства и разработки, начиная от детских игрушек и заканчивая серьёзными приборами космонавтики и оборонного комплекса. Успехи производства в этой области и предприятия в целом, несмотря на высокий уровень автоматизации процессов, всё-таки определяются в первую очередь человеческим фактором - квалификацией технического персонала. Квалификация, в свою очередь, определяется качеством профессиональной подготовки сотрудников. Базовая же подготовка персонала зависит от уровня знаний и понимания общеизвестных законов физики и химии и, главное, умения использовать их для решения конкретных производственных задач.
      Подготовка технического персонала в техническом университете (колледже, техническом училище, на курсах повышения квалификации и т. д.) имеет свою специфику по сравнению с классическим университетским образованием. Технические образовательные учреждения готовят будущих технологов, конструкторов, операторов, наладчиков технологического оборудования для промышленных предприятий. Поэтому в их обязанности входит обеспечение бесперебойной работы порученных им участков при высоких технико-экономических показателях технологических процессов и одновременно сведение к минимуму возможных экологических проблем. Для этого технологическому персоналу необходима подготовка по профилактическому обслуживанию технологического оборудования и оснастки (недопущение переноса загрязнений на поверхность пластин) и обеспечение экологической безопасности при работе с химическими реактивами и средами (основные химические операции связаны с токсичными веществами). Поэтому в учебном пособии уделено внимание оборудованию как основным источникам загрязнения пластин в процессе производства и профилактическим работам, необходимым для предотвращения этих засорений. Рассмотрены также экологические проблемы промышленного производства микро- и наноэлек-тронных изделий.
      Эта специфика подготовки технического персонала накладываются и на соответствующее учебное пособие.
      В соответствии с физиологией человека степень усвоения и запоминания изучаемого материала на лекции определяются зрительным (слайды, рисунки) и слуховым (речь лектора) факторами. Аналогично в учебнике каждое текстовое высказывание должно сопровождаться качественным и информативным рисунком. Зачастую грамотно выполненный рисунок даёт большую информацию, чем текстовой материал.

5

      Материал данного учебного пособия должен ориентироваться в первую очередь на требования промышленных микро- и наноэлектронных предприятии и содержать только ключевые понятия из теории микро- и наноэлектронных процессов и основное внимание должно быть уделено технике выполнения промышленных процессов, включая технологические «тонкости» - ноу-хау.

Рис. В 1. «Дерево знаний» полупроводниковой микро- и наноэлектроники

      «Дерево знании» (рис. В1) показывает, что без корней (физики и химии) микро- и наноэлектроника не могут существовать. Поэтому в нашем пособии физико-химическим принципам явлений и технологий уделяется особое внимание.
      Базовыми элементами электроники, в том числе микро- и наноэлектроники, являются резистор, конденсатор (рис. В 2 -В5) и индуктивность.
      Однако в микроэлектронном исполнении они выглядят иначе, чем в обычной электронике (рис. В 4).

Рис. В 2. Резистор

6

Рис. В 3. Конденсатор

Рис. В 4. Микроэлектронный конденсатор

Рис. В 5. Металлические соединения и RC-цепочка

7

     Помимо этого, в микроэлектронике присутствуют активные элементы -диоды и транзисторы (рис. В6-В 9)

Рис. В 6. Биполярный транзистор n-p-n

Рис. В 7. Базовый контакт биполярного транзистора

Рис. В 8. n-МОП-транзистор

8

Рис. В 9.р-МОП-транзистор

     В связи с большими технологическими трудностями изготовления твердотельные индуктивности практически не используются. Поэтому в инженерном обиходе микроэлектронику часто называют RC-электроникой.
     Схемотехническое объединение указанных элементов даёт интегральную схему ИМС. Дополнение к ИМС сенсора (датчика) и преобразователя электрического сигнала в механический (актуатор) даёт микроэлектромеханическую систему МЭМС.



Рис. В 10. Полупроводниковая (твердотельная) ИМС

     Как видно из рис. В 10, в твердотельной ИМС в полупроводниковую подложку встраиваются все активные элементы. На поверхности- наносятся только элементы коммутации (алюминиевая, или медная металлизация) и защитные (диэлектрические, как правило, кремниевые оксидные плёнки).



9

     Как видно из рис. В 11, в гибридной ИМС все активные (твердотельные диоды и транзисторы) и пассивные (резисторы, плёночные конденсаторы и алюминиевая разводка) нанесены на поверхность диэлектрической подложки. В качестве диэлектрической подложки используют сапфир, стекло, керамику, ситалл, оксидированный алюминий и разного рода пластмассы (например, полиимид). Коммутацию активных и пассивных элементов проводят золотой тонкой проволокой с помощью термокомпрессии.
     В настоящем пособии в основном рассматриваются твердотельные ИМС как наиболее трудоёмкие.

10

            ГЛАВА 1. ТВЕРДОТЕЛЬНЫЕ ИМС



1.1. Входной контроль полупроводниковых слитков


     На микроэлектронные предприятия полупроводниковые материалы поступают в виде слитков. Кремний выращивается, как правило, методом Чо-хральского (рис. 1.1)


Рис. 1.1. Производство кремния методом Чохральского

     К каждому из слитков прилагается паспорт, где отмечаются основные параметры материала (тип материала, удельное сопротивление, плотность дислокаций и кристаллографическая ориентация торцевого среза). Несмотря на это, ввиду высокой стоимости материала и опасности запустить в работу слиток с несоответствующими паспорту данными требуется проверка этих параметров - проводится так называемый входной контроль.
     При контроле оптическим методом на экране высвечиваются конфигурации дислокаций. Это позволяет скорректировать будущую кристаллографическую ориентацию пластины с точностью до одной угловой минуты. Одновременно путём подсчёта количества дислокаций (дислокации выходят на поверхность в виде чётких геометрических рисунков - треугольников либо прямоугольников) в поле зрения микроскопа определяют и плотность дислокаций.


11

Основа: 2d Sin0 = пл (поворотом слитка добиваются максимума интенсивности отражённого луча)

5 - рентгеновский пучок; 6 - источник рентгеновского пучка

Рис. 1.2. Контроль ориентации торцевого среза рентгеновским дифрактометрическим методом

              - травят плоскость с выявлением дислокаций
              - каждая плоскость (hkl) имеет свои формы дислокации
              - каждой форме дислокаций соответствует своя фигура отражения светового луча
              - подстраивают слиток под нужную фигуру

Рис. 1.3. Контроль ориентации торцевого среза оптическим методом



     Для контроля удельного сопротивления используют четырехзондовый метод. Принцип измерения четырехзондовым методом удельного сопротивления объемного монокристалла заключается в следующем. На поверхности измеряемого образца размещают четыре зонда, расположенные вдоль одной линии на равном расстоянии S друг от друга (рис. 1.4). Через крайние зонды пропускают электрический ток I, а между двумя внутренними зондами измеряют разность потенциалов U.

12