Технология, конструкции и методы моделирования кремниевых интегральных микросхем. в 2 ч. Ч. 1

М. А. Королёв, Т. Ю. Крупкина, 
М. А. Ревелева

Технология,
конструкции и методы
моделирования кремниевых
интегральных микросхем

Под общей редакцией
членакорр. РАН профессора Ю. А. Чаплыгина

Технологические процессы изготовления
кремниевых интегральных схем 
и их моделирование

Часть 1

Р е к о м е н д о в а н о
Учебнометодическим объединением вузов Российской Федерации по образованию
в области радиотехники, электроники, биомедицинской техники и автоматизации
в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений,
обучающихся по специальности 210104 (200100) 
«Микроэлектроника и твердотельная электроника»

4е издание, электронное

Москва
Лаборатория знаний
2020

УДК 621.382.049.77.002(07)
ББК 32.852
K68

K68
Технология, конструкции и методы моделирования кремниевых интегральных микросхем : в 2 ч. Ч. 1 : Технологические
процессы изготовления кремниевых интегральных схем и их
моделирование / М. А. Королёв, Т. Ю. Крупкина, М. А. Ревелева ;
под общ. ред. чл.-корр. РАН проф. Ю. А. Чаплыгина. — 4-е изд.,
электрон. — М. : Лаборатория знаний, 2020 — 400 с. — Систем. требования: Adobe Reader XI ; экран 10".— Загл. с титул. экрана. —
Текст : электронный.
ISBN 978-5-00101-814-8 (Ч. 1)
ISBN 978-5-00101-813-1
Дано представление об основных маршрутах изготовления и конструкциях изделий микроэлектроники на основе кремния. Рассмотрены основные
процессы создания интегральных схем: химическая и плазмохимическая
обработка материала; введение примесей в кремний; выращивание окисла
кремния и его охлаждение; литография; создание металлических соединений
и контактов. Приведены методы моделирования процессов распределения
примесей в полупроводниковых структурах.
Для студентов и аспирантов, специализирующихся в области микроэлектроники и полупроводниковых приборов, а также специалистов.
УДК 621.382.049.77.002(07)
ББК 32.852

Деривативное издание на основе печатного аналога: Технология, конструкции и методы моделирования кремниевых интегральных микросхем :
в 2 ч. Ч. 1 : Технологические процессы изготовления кремниевых интегральных схем и их моделирование / М. А. Королёв, Т. Ю. Крупкина, М. А. Ревелева ; под общ. ред. чл.-корр. РАН проф. Ю. А. Чаплыгина. — 3-е изд. — М. : БИНОМ. Лаборатория знаний, 2015. — 397 с. : ил. —
ISBN 978-5-9963-0135-5 (Ч. 1); ISBN 978-5-9963-0134-8.

Работа выполнена в рамках реализации Приоритетного национального проекта
«Образование» и направлена на разработку Инновационной образовательной
программы «Современное профессиональное образование для Российской инновационной системы в области электроники»

В соответствии со ст. 1299 и 1301 ГК РФ при устранении ограничений,
установленных
техническими
средствами
защиты
авторских
прав,
правообладатель вправе требовать от нарушителя возмещения убытков или
выплаты компенсации

ISBN 978-5-00101-814-8 (Ч. 1)
ISBN 978-5-00101-813-1

c○ МИЭТ, 2007
c○ Лаборатория знаний, 2015

2

Предисловие  редактора . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

Раздел 1. Основные технологические процессы
изготовления кремниевых ИС . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

1. Поверхностная обработка полупроводниковых
материалов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

1.1. Кремний — основной материал для
полупроводниковых интегральных микросхем . . . . . 23

1.2. Механическая обработка кремниевых пластин . . . . . 26

Очистка поверхности пластин по-
сле механической обработки . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
Методы контроля чистоты поверхности пластин. . . . 29

1.3. Химическое травление кремния . . . . . . . . . . . . . . . 31

Кинетика травления кремния . . . . . . . . . . . . . . . . 31
Две теории саморастворения кремния . . . . . . . . . . . 34
Зависимость скорости травления от свойств
используемых материалов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

Влияние примесей . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
Дефекты структуры полупроводника . . . . . . . . . . . . . . . . 36
Ориентация поверхности полупроводника. . . . . . . . . . . . . 37
Концентрация компонентов травителя . . . . . . . . . . . . . . 37
Температура раствора. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

Химико-динамическая полировка. . . . . . . . . . . . . . 39
Анизотропное травление . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
Травление окисла и нитрида кремния . . . . . . . . . . . 42
Промывка пластин в воде . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
Очистка пластин в растворах на основе перекиси
водорода . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44

Оглавление

1.4. Плазмохимическое травление кремния . . . . . . . . . . 45

Классификация процессов ионно-плазменного
травления . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
Кинетика изотропного травления кремния . . . . . . . 47

Образование радикалов в газоразрядной плазме. . . . . . . . . 48
Взаимодействие радикалов с атомами материалов . . . . . 49

Травление двуокиси и нитрида кремния . . . . . . . . . 50
Факторы, влияющие на скорость ПХТ материалов . . 51
Анизотропия и селективность травления . . . . . . . . . 54

2. Диэлектрические пленки на кремнии . . . . . . . . . . . . . 58

2.1. Термическое окисление кремния. . . . . . . . . . . . . . . 58

Окисление кремния при комнатной температуре . . . 58
Физический механизм роста окисла при высокой
температуре . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
Структура окисла кремния . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
Модель Дила–Гроува. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
Кинетика роста окисла кремния. . . . . . . . . . . . . . . 66

Влияние температуры окисления . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
Влияние парциального давления окислителя . . . . . . . . . . . 68
Влияние ориентации подложки . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
Влияние типа и концентрации примеси в подложке. . . . . 70

Оборудование для окисления кремния . . . . . . . . . . 72

2.2. Методы контроля параметров диэлектрических
слоев. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
Контроль толщины слоя диэлектрика . . . . . . . . . . . 73
Контроль дефектности пленок . . . . . . . . . . . . . . . . 75

Метод электролиза воды . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
Электрографический метод . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
Метод электронной микроскопии. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
Метод короткого замыкания. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77

2.3. Контроль заряда структуры полупроводник —
диэлектрик . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78

2.4. Осаждение диэлектрических пленок . . . . . . . . . . . . 82

Осаждение пленок диоксида кремния . . . . . . . . . . . 83
Осаждение нитрида кремния . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
Перспективы развития методов осаждения
диэлектрических пленок . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89

3. Введение примесей в кремний или легирование
полупроводниковых материалов . . . . . . . . . . . . . . . . . 91

3.1. Диффузия примесей в полупроводник . . . . . . . . . . . 91

Механизмы диффузии примесей . . . . . . . . . . . . . . . 92

4
Оглавление

Диффузия по вакансиям. Коэффициент диффузии . . 94
Распределение примесей при диффузии. . . . . . . . . . 97
Диффузия из бесконечного источника . . . . . . . . . . . 98
Диффузия из ограниченного источника . . . . . . . . . 100
Первый этап диффузии . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
Источники примесей . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105

Источники донорной примеси . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
Источники акцепторной примеси. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
Поверхностный источник примеси. . . . . . . . . . . . . . . . . . 111

Второй этап диффузии . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111

Перераспределение примеси при диффузии
в окисляющей среде . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112

Контроль параметров диффузионных слоев . . . . . . 114

3.2. Эпитаксия . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116

Рост эпитаксиальных пленок . . . . . . . . . . . . . . . . 116
Методы получения эпитаксиальных слоев
кремния. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118

Хлоридный метод . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
Пиролиз моносилана . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122

Гетероэпитаксия кремния на диэлектрических
подложках . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
Перераспределение примесей при эпитаксии . . . . . 126

3.3. Ионное легирование полупроводников . . . . . . . . . . 127

Характеристики процесса имплантации. . . . . . . . . 128
Пробег ионов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
Дефекты структуры в полупроводниках при
ионном легировании . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135

Основные типы дефектов, образующихся при ионном
легировании полупроводника . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136

Распределение внедренных ионов . . . . . . . . . . . . . 140
Распределение примеси в интегральных
структурах . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143

Распределение примеси в двухслойной мишени . . . . . . . . 143
Влияние распыления полупроводника . . . . . . . . . . . . . . . . 145

Отжиг легированных структур и радиационноускоренная диффузия . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146

Распределение примеси при термическом отжиге . . . . . . 147
Низкотемпературный отжиг . . . . . . . . . . . . . . . . . 149

Оборудование для ионного легирования . . . . . . . . . 150

Ионные источники . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152

4. Технология литографических процессов . . . . . . . . . . 155

4.1. Классификация процессов литографии . . . . . . . . . . 155
4.2. Схема фотолитографического процесса . . . . . . . . . . 156

Оглавление
5

4.3. Фоторезисты. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158

Позитивные фоторезисты . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158
Негативные фоторезисты . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159
Основные свойства фоторезистов . . . . . . . . . . . . . . 161

4.4. Фотошаблоны . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163
4.5. Технологические операции фотолитографии . . . . . . 164

Контактная фотолитография . . . . . . . . . . . . . . . . 165

Искажение рисунка при контактной
фотолитографии. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167

Литография в глубокой ультрафиолетовой
области . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168
Проекционная фотолитография. . . . . . . . . . . . . . . 169
Электронолитография . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170
Рентгенолитография . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174
Электронорезисты . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177

5. Металлизация . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179

5.1. Свойства пленок алюминия. . . . . . . . . . . . . . . . . . 180

Электродиффузия в пленках алюминия . . . . . . . . . 182
Методы получения металлических пленок . . . . . . . 184

5.2. Создание омических контактов к ИС . . . . . . . . . . . 187
5.3. Использование силицидов металлов . . . . . . . . . . . . 193
5.4. Многослойная разводка . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195

Раздел 2. Математическое моделирование
технологических процессов . . . . . . . . . . . . . . 197

1. Моделирование процесса ионной имплантации . . . . . 199

1.1. Теория торможения ионов . . . . . . . . . . . . . . . . . . 199
1.2. Вычисление пробега иона и его проекции . . . . . . . . 210
1.3. Профили распределения внедренных ионов. . . . . . . 213

Нормальное распределение. . . . . . . . . . . . . . . . . . 213
Асимметричное распределение Гаусса . . . . . . . . . . 215
Распределение Пирсона–IV . . . . . . . . . . . . . . . . . 216
Диффузионное приближение . . . . . . . . . . . . . . . . 218
Расчет распределения примеси
с использованием уравнения Больцмана . . . . . . . . 220
Метод Монте-Карло . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 221
Эффект каналирования . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222
Аппроксимации распределения ионов,
учитывающие эффект каналирования . . . . . . . . . . 224

6
Оглавление

1.4. Распределение примеси в интегральных
структурах. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 225
Системы координат при моделировании ионной
имплантации . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 225
Учет распыления мишени . . . . . . . . . . . . . . . . . . 228
Боковое уширение профиля легирования . . . . . . . . 230

1.5. Радиационные дефекты . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 232

Природа дефектов. Аморфизация . . . . . . . . . . . . . 232
Распределение дефектов по глубине . . . . . . . . . . . 236

1.6. Быстрый термический отжиг . . . . . . . . . . . . . . . . 238

Низкотемпературный отжиг . . . . . . . . . . . . . . . . . 242

Заключение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 243

2. Моделирование процесса термического окисления
кремния . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 244

2.1. Особенности окисления в реальном
технологическом процессе . . . . . . . . . . . . . . . . . . 246

2.2. Начальный этап окисления. Тонкие пленки . . . . . . 248

Упругие напряжения и переходный слой . . . . . . . . 249
Структурные модели . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 254
Модели на основе учета упругих напряжений. . . . . 255
Кинетические модели . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 260
Электрохимические модели . . . . . . . . . . . . . . . . . 261
Окисление в присутствии хлора или влаги. . . . . . . 263

2.3. Окисление поликремния. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 265
2.4. Двумерные модели окисления . . . . . . . . . . . . . . . . 269

Основные этапы численного моделирования
процесса окисления. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 269
Аналитические модели двумерного окисления . . . . 272
Численное моделирование двумерного окисления . . 276

Заключение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 280

3. Моделирование процесса диффузии. . . . . . . . . . . . . . 282

3.1. Осбенности диффузионного процесса в кремнии. . . . 282
3.2. Уравнения диффузии . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 285

Коэффициент самодиффузии кремния . . . . . . . . . . 289
Коэффициент диффузии примесей по вакансиям. . . 295
Вакансионно-междоузельный механизм
диффузии. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 298
Обобщенная модель связанной диффузии. . . . . . . . 301

3.3. Примесная диффузия в условиях квазиравновесия. . 302

Оглавление
7

Кластеризация и преципитация примеси . . . . . . . . 311

3.4. Неравновесная диффузия
(диффузия фосфора) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 316
Феноменологические вакансионные модели . . . . . . 318
Аналитическая модель. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 320
Модель просачивания . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 323

3.5. Совместная диффузия двух примесей . . . . . . . . . . . 326
3.6. Диффузия в поликристаллическом кремнии . . . . . . 331
3.7. Численное моделирование диффузии . . . . . . . . . . . 335
Заключение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 337

4. Диффузия примеси в окисляющей среде . . . . . . . . . . 339

4.1. Ускорение и замедление диффузии при окислении . . 339

Дефекты упаковки . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 339
Генерация дефектов упаковки . . . . . . . . . . . . . . . 341
Обобщенная диффузионная модель . . . . . . . . . . . . 346

4.2. Сегрегация примесей на границе кремний–окисел . . 350
4.3. Численное моделирование диффузии и окисления . . 352

Основные уравнения процесса . . . . . . . . . . . . . . . 352
Стационарные условия. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 354
Движущаяся граница раздела Si–SiO2 . . . . . . . . . . 356

Заключение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 357

5. Моделирование травления и осаждения слоев. . . . . . 359

5.1. Особенности технологических операций . . . . . . . . . 359
5.2. Алгоритм струны в моделировании травления
и осаждения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 361

5.3. Модификации алгоритма струны . . . . . . . . . . . . . . 364
5.4. Моделирование процесса осаждения. . . . . . . . . . . . 370
5.5. Параметры численных моделей для расчета
травления и осаждения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 374

6. Моделирование процесса фотолитографии . . . . . . . . 380

6.1. Основные этапы численного моделирования
фотолитографии . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 380

6.2. Расчет изображения на поверхности фоторезиста . . . 383
6.3. Расчет интенсивности освещения в пленке
фоторезиста . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 386

6.4. Моделирование процесса проявления . . . . . . . . . . . 389
6.5. Анализ чувствительности критических размеров . . . 392

Литература . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 397

8
Оглавление

В России в настоящее время ощущается потребность в
специалистах по конструированию, технологии и методам
моделирования интегральных микросхем. Микроэлектроника в качестве полупроводникового материала в основном использует кремний. Поэтому практический интерес в первую
очередь представляют кремниевые интегральные микросхемы.
Специалистов в области разработки и изготовления интегральных микросхем готовят практически все ведущие
технические университеты страны. Однако учебные пособия по разработке, технологии и моделированию интегральных микросхем, соответствующие как современному уровню развития микроэлектроники, так и Государственным
стандартам по направлениям подготовки специалистов в настоящее время практически отсутствуют.
Особенностью данного пособия является то, что оно содержит как фундаментальные представления о процессах и маршрутах, написанные на доступном для студентов уровне, так
и новейший материал по субмикронной технологии кремниевых СБИС. Важным является и то, что в книгу включен современный материал по математическому моделированию
технологических процессов, маршрутов изготовления и конструкций микросхем, а также раздел по особенностям моделирования субмикронных приборов и процессов их изготовления.
Методология изложения материала и его содержание имеют серьезную апробацию — авторами в течение многих лет
читаются соответствующие курсы лекций на факультете
Электроники и компьютерных технологий (ранее — физико
Предисловие  редактора

техническом) Московского института электронной техники
студентам четвертого и пятого курсов, которым преподаются учебные дисциплины «Технологические процессы изготовления ИС», «Маршруты СБИС», «Основы субмикронной
технологии СБИС», «Моделирование технологических процессов
ИС»,
«Моделирование
элементов
и
маршрутов
СБИС». Учебные планы и содержание учебных дисциплин
формировались при активном взаимодействии с базовыми
кафедрами МИЭТ на ведущих предприятиях электронной
промышленности.
Учебное пособие состоит из двух частей. В первой описаны основные технологические процессы изготовления кремниевых интегральных микросхем (раздел 1) и математические методы их моделирования (раздел 2). Вторая часть
пособия посвящена современным маршрутам изготовления
кремниевых СБИС и методам их математического моделирования. Особое внимание уделено основам субмикронной технологии СБИС.

Член-корр. РАН, профессор Ю. А. Чаплыгин

10
Предисловие  редактора

Эпоха полупроводниковой электроники началась в 1948 г.,
когда были созданы первые биполярные транзисторы на основе германия. Это были точечные транзисторы, поскольку
для создания в них переходов металл–полупроводник необходимо было привести в контакт с кристаллом полупроводника (базой) две остро заточенные проволочки (эмиттер и
коллектор) (рис. В.1, а). Очевидными недостатками такого
технологического метода являлись нестабильность точечных
контактов, низкая механическая прочность прибора, индивидуальность сборки; поэтому точечные транзисторы не нашли широкого применения.
В 1949–1950 гг. были созданы первые германиевые и
кремниевые сплавные приборы (рис. В.1, б). В сплавном приборе с одной или с двух сторон пластинки полупроводника
вплавлены электроды, под которыми находятся слои рекристаллизованного кремния, легированного материалом самого
электрода или примесью. Для кремния р-типа в качестве
электродного материала обычно использовался алюминий,
для кремния n-типа — олово, легированное фосфором. Достоинства сплавной технологии — сравнительная простота
процесса и относительно несложное технологическое оборудование. При хорошо отработанной технологии возможна автоматизация изготовления сплавных приборов, стоимость
приборов при этом снижается. Сплавная технология, однако, обладала рядом принципиальных недостатков. Одним из
них является трудность управления процессом вплавления,
который проходит с образованием жидкой фазы. Плохо контролируемый характер смачивания кремния материалом
электрода при вплавлении, высокая скорость растворения

Введение

кремния в материале электрода при температурах плавления (600–800 С) не позволяли получать толщину базы в
транзисторе меньше 10 мкм. Серьезную проблему представлял также выбор оптимального электродного материала.
Кроме того, в любых полупроводниковых приборах места
выхода р–n-переходов на поверхность необходимо тщательно
защищать от внешних воздействий. В сплавных приборах
применяли, как правило, кремнийорганические покрытия,
которые недостаточно эффективно предохраняли переходы

12
Введение

Рис. В.1. Технологические схемы изготовления полупроводниковых
приборов: а — точечные, б — сплавные, в — тянутые, г — меза,
д — планарные, е — планарно-эпитаксиальные

от проникновения влаги или газов и не обеспечивали стабильности параметров сплавных приборов. Быстродействие
сплавных приборов было ограничено, поскольку нельзя
было сделать электроды очень малыми по размеру.
В 1950 году была сделана попытка получения транзисторов с более тонкой базой для увеличения их быстродействия
путем управляемого вытягивания слитка кремния из расплава. Изменяя режим вытягивания или вводя в нужный
момент необходимую легирующую примесь, получили биполярные транзисторы с толщиной базы 5 мкм (рис. В.1, в).
Однако эта технология не нашла широкого применения из-за
сложности оборудования и низкой контролируемости параметров процесса.
Замена в 1953 г. метода вплавления на диффузию — процесс,
идущий в твердой фазе и потому намного более медленный, позволила резко расширить возможности технологии. Скорость
вплавления обычно составляет не менее 100 мкм/мин, в то время как скорость движения диффузионного фронта 1 мкм/ч.
Кроме того, диффузия — это однонаправленный процесс,
т. е. при понижении температуры фронт диффузионного
p–n-перехода в отличие от сплавного не может вернуться в
предыдущую фазу. В результате применения метода диффузии появилась практическая возможность создавать транзисторы с толщиной базы 0,2–0,3 мкм. Впоследствии для более
точной регулировки количества примеси, вводимой в полупроводник,  был разработан процесс ионной имплантации.
Однако способ получения переходов с малыми размерами
и сложными конфигурациями в то время еще не был создан.
Если в глубину p–n-переходы формировались посредством
диффузии с высокой точностью, то для ограничения их площадей использовалось травление с довольно грубой защитой
воском или другими кислотостойкими составами (рис. В.1,
г). Создаваемые таким образом мезаструктуры («меза» в переводе
означает
стол)
имели
размеры
сторон
не
менее
300–500 мкм, что ограничивало частотные свойства и быстродействие приборов.
Можно считать в самом общем виде, что технологические
операции направлены на введение примеси c требуемым распределением концентрации по объему полупроводника, т. е.

Введение
13

как по поверхности (конфигурация перехода), так и в глубину. Мезатехнология в этом смысле неоптимальна, поскольку
не решает важной задачи формирования конфигурации областей прибора.
В 1957 г. были проведены работы по локализации диффузии примесей в кремний. Оказалось, что тонкий слой двуокиси кремния, выращенный на его поверхности путем высокотемпературного нагрева в окислительной среде, хорошо
маскирует кремний от проникновения большинства примесей. Объясняется это тем, что в двуокиси кремния коэффициент диффузии основных доноров и акцепторов весьма мал.
В результате появилась возможность задавать конфигурацию электродных областей, удаляя в требуемых участках
слой двуокиси кремния. Кроме того, как выяснилось в
1959 г., слой окисла гораздо лучше кремнийорганических
покрытий защищает выход p–n-перехода на поверхность от
внешних воздействий и обеспечивает стабильность электрических параметров прибора.
К 1958 г. относится разработка фотолитографического метода, сыгравшего наиболее значительную роль в становлении планарной технологии. Метод фотолитографии заключается в том, что на поверхность окисленного кремния наносят
слой светочувствительного и кислотостойкого состава (фоторезиста), в котором образуют рисунок в виде окон необходимой конфигурации. Окисел в окнах удаляют травлением и
создают таким образом маску, защищающую поверхность от
диффузии примесей. С появлением фотолитографии стало
доступным создание p–n-перехода с весьма малыми размерами и сложными конфигурациями.
Объединение метода диффузии, метода маскировки с помощью окисла (или других маскирующих покрытий, таких
как нитрид кремния) и метода фотолитографии послужило
основой планарной технологии. Изготавливаемые по данной
технологии приборы назвали планарными потому, что все
p–n-переходы в них выводятся на одну плоскость. Возникла
возможность и формирования на одном кристалле нескольких транзисторов, соединенных между собой в схему. Такие
приборы получили название «твердых схем» (рис. В.1, д).

14
Введение

Помимо названных методов окисления, фотолитографии
и диффузии, для создания планарных приборов используется и эпитаксиальное наращивание кремния. Сущность этого
метода, предложенного еще в 1951 г., заключается в том, что
на пластине полупроводника, называемой обычно подложкой, выращивается слой кремния, составляющий с подложкой единый монокристалл, но отличающийся от последней
типом или величиной проводимости.
Эпитаксиальные структуры, состоящие из подложки одного типа проводимости и выращенного на ней слоя того же
или противоположного типа проводимости, позволили создать приборы с малым сопротивлением насыщения и высокими пробивными напряжениями и нашли широкое применение в технологии изготовления интегральных схем и
планарных транзисторов с равномерным распределением
примеси в базе (рис. В.1, е).
Маршрут дискретного МОП-транзистра короче, но включает в себя те же повторяющиеся циклы технологических
операций.
Можно утверждать, что появление планарной технологии
вызвало качественный сдвиг в полупроводниковом производстве. Возможность точного задания геометрических конфигураций p–n-переходов, их взаимного расположения, а также защита мест выхода p–n-переходов на поверхность от
внешних влияний — вот те основные черты, которые качественно отличают планарную технологию от сплавной и мезатехнологии. Эти принципиальные отличия планарной технологии обеспечили
важнейшие достижения в разработке и
производстве полупроводниковых приборов и интегральных
схем.
Не будет преувеличением сказать, что планарные приборы произвели такую же революцию в полупроводниковой
технике, как сама полупроводниковая техника — в электронике. Только появление планарной технологии позволило создать современную микроэлектронику.
Технологический цикл изготовления планарных приборов
включает от 250 операций (транзисторы среднего класса) до
1500 операций (интегральные схемы). Наиболее общая классификация технологических операций различает групповую

Введение
15

и индивидуальную обработку изделий. Чем больше удельный
вес групповых операций, тем лучше технико-экономические
показатели определенного технологического метода. Групповая обработка обеспечивает высокую производительность,
при групповой обработке растет воспроизводимость результатов и, следовательно, снижается разброс параметров приборов
и увеличивается процент выхода годных изделий. По сравнению с другими методами планарная технология характеризуется
наибольшим
удельным
весом
групповых
операций.
К ним относятся все операции обработки пластин — механическая, химическая обработка, эпитаксия, фотолитография,
диффузия (ионная имплантация). Операции по обработке пластин являются наиболее сложными и ответственными: именно на этих стадиях формируются электрические параметры
структур и определяется выход годных приборов. К индивидуальным операциям в планарной технологии относятся в основном сборочные операции. Индивидуальные операции непроизводительны, с трудом поддаются контролю и автоматизации. Они в основном влияют на себестоимость прибора и на
его надежность.
Особенностью планарной технологии является повторяемость однотипных технологических операций. Как видно из
технологической
схемы маршрута изготовления даже дискретного биполярного транзистора (относительно простого по
сравнению с технологическим маршрутом формирования интегральных схем) (рис. В.2), чередуясь, несколько раз повторяется последовательность: химическая обработка — термическая обработка (окисление кремния, диффузия) — фотолитография. Изменяя количество таких последовательностей,
можно производить любые планарные приборы — от простых
диодов до сложных интегральных схем. При этом основа операций часто остается неизменной, а меняются только технологические режимы и фотошаблоны, используемые для фотолитографии. Каждая такая последовательность (иногда ее называют блоком) формирует определенную часть структуры
прибора. Завершает блок контрольная процедура, что позволяет своевременно устанавливать причины возникновения
брака.

16
Введение