Технология интегральных микросхем

В. И. Смирнов





                ТЕХНОЛОГИЯ ИНТЕГРАЛЬНЫХ МИКРОСХЕМ




Учебное пособие















Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2023

УДК 621.382
ББК 32.965
     С50


Рецензенты:
Ульяновский филиал Института радиотехники и электроники им. В. А. Котельникова РАН (директор д-р техн. наук, профессор В. А. Сергеев);
профессор кафедры конструирования и технологии электронных систем и устройств Самарского национального исследовательского университета им. академика С. П. Королева д-р техн. наук, профессор М. Н. Пиганов


     Смирнов, В. И.
С50       Технология интегральных микросхем : учебное пособие / В. И. Смир-
     нов. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2023. - 244 с. : ил., табл.
           ISBN 978-5-9729-1232-2

           Изложены вопросы технологии производства интегральных микросхем. Основное внимание уделено вопросам формирования структуры полупроводниковых микросхем. Рассмотрена технология получения тонких пленок в гибридных интегральных схемах.
           Для студентов, обучающихся по направлению подготовки 11.03.03 «Конструирование и технология электронных средств», профиль «Конструирование и технология электронных средств».


УДК 621.382
ББК 32.965











ISBN 978-5-9729-1232-2

     © Смирнов В. И., 2023
     © Издательство «Инфра-Инженерия», 2023
                            © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2023

            ОГЛАВЛЕНИЕ



ВВЕДЕНИЕ.....................................................6
1. ПОЛУЧЕНИЕ СЛИТКОВ И ПЛАСТИН МОНОКРИСТАЛЛИЧЕСКОГО КРЕМНИЯ.................................9
  1.1. Свойства монокристаллического кремния.................9
  1.2. Получение металлургического кремния..................12
  1.3. Выращивание монокристаллических слитков кремния......15
  1.4. Маркировка слитков...................................19
  1.5. Резка слитков кремния на пластины и их обработка.....21
    1.5.1. Ориентации слитка................................21
    1.5.2. Резка слитка на пластины.........................24
    1.5.3. Обработка поверхности пластин....................26
  Контрольные вопросы.......................................32
2. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОПЕРАЦИИ ФОРМИРОВАНИЯ СТРУКТУРЫ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ИМС.............................33
  2.1.  Формирование диэлектрических и поликристаллических кремниевых пленок...........................................33
    2.1.1. Термическое окисление кремния....................35
    2.1.2. Химическое осаждение из газовой фазы.............39
    2.1.3. Анодное окисление кремния........................40
    2.1.4. Получение пленок нитрида кремния.................43
    2.1.5. Получение пленок поликристаллического кремния....44
  2.2.  Эпитаксиальные процессы.............................45
    2.2.1. Классификация эпитаксиальных процессов...........46
    2.2.2. Парофазная, жидкофазная и твердофазная эпитаксия.47
    2.2.3. Газофазная эпитаксия кремния.....................48
    2.2.4. Молекулярно-лучевая эпитаксия....................52
    2.2.5. Гетероэпитаксия кремния на сапфире...............55
  2.3.  Фотолитография......................................60
    2.3.1. Общая характеристика процесса фотолитографии.....61
    2.3.2. Основные операции фотолитографии.................62
    2.3.3. Фотошаблоны......................................71
    2.3.4. Фоторезисты......................................72
    2.3.5.   Способы повышения разрешающей способности фотолитографии..............................................76

3

  2.4.   Литография высокого разрешения......................85
    2.4.1. Рентгенолитография................................85
    2.4.2. Электронолитография...............................89
    2.4.3. Ионно-лучевая литография..........................93
    2.4.4. Наноимпринтная литография.........................97
  2.5.   Диффузия примесных атомов в полупроводниках.........99
    2.5.1. Основные закономерности процесса диффузии........100
    2.5.2. Механизмы диффузии...............................103
    2.5.3. Источники примесных атомов.......................106
    2.5.4. Способы проведения диффузии......................110
  2.6.   Ионная имплантация.................................116
    2.6.1. Сущность метода ионной имплантации...............116
    2.6.2. Установка для ионной имплантации.................117
    2.6.3. Физические основы метода ионной имплантации......120
    2.6.4. Образование радиационных дефектов................123
    2.6.5. Отжиг радиационных дефектов......................124
  2.7.   Травление..........................................128
    2.7.1. Общая характеристика процесса травления..........128
    2.7.2. Жидкостное (химическое) травление................137
    2.7.3. Ионно-плазменные методы травления................140
  Контрольные вопросы.......................................149
3. ТЕХНОЛОГИЯ ПОЛУЧЕНИЯ ПЛЕНОК..............................150
  3.1. Термовакуумное напыление тонких пленок...............150
  3.2. Ионно-плазменные методы получения тонких пленок......158
    3.2.1. Общая характеристика методов.....................158
    3.2.2. Катодное распыление..............................160
    3.2.3. Трехэлектродная система распыления...............162
    3.2.4. Высокочастотное ионно-плазменное распыление......164
    3.2.5. Реактивное распыление............................165
    3.2.6. Магнетронное распыление..........................167
  3.3. Формирование толстых пленок ГИС......................170
    3.3.1. Общая характеристика технологии ГИС..............170
    3.3.2. Материалы для изготовления ГИС...................171
    3.3.3.    Технологические операции изготовления толстопленочных ГИС.........................................176
  Контрольные вопросы.......................................182

4

4. СБОРОЧНО-КОНТРОЛЬНЫЕ ОПЕРАЦИИ........................183
  4.1. Сборка и монтаж ИМС..............................183
    4.1.1. Разделение пластин на кристаллы..............183
    4.1.2. Монтаж кристаллов в корпус...................185
    4.1.3. Электрический монтаж выводов ИМС.............190
    4.1.4. Герметизация ИМС.............................200
  4.2. Методы контроля технологических процессов........210
    4.2.1.   Методы контроля параметров монокристаллических слитков кремния.........................................210
    4.2.2.  Методы контроля поверхности полупроводниковых пластин ... 214
    4.2.3.  Методы контроля дефектности диэлектрических слоев.216
    4.2.4.  Измерение толщины тонких пленок.............217
    4.2.5.  Измерение толщины эпитаксиальных слоев......224
    4.2.6.  Измерение глубины залегания p-n-перехода....225
    4.2.7.  Методы химического анализа..................227
  Контрольные вопросы...................................238
ЗАКЛЮЧЕНИЕ..............................................239
СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ.......................................241
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК................................242

5

            ВВЕДЕНИЕ



     Интегральная микросхема (ИМС) - это микроэлектронное изделие, выполняющее определенные функции преобразования и обработки сигнала, а также хранения информации, для которого характерна высокая плотность расположения элементов (транзисторов, диодов, резисторов, конденсаторов). Элементы ИМС изготовлены в виде легированных различными примесями слоев в приповерхностном слое подложки. Обычно ИМС имеет герметичный корпус и внешние выводы, что позволяет рассматривать ее как единое целое.
     По конструктивно-технологическому исполнению ИМС делят на две основные группы: полупроводниковые и гибридные. В полупроводниковых ИМС все элементы формируют вблизи поверхности полупроводниковой пластины (обычно кремниевой), легируя ее различными примесями через маску, сформированную с помощью фотолитографии. Локальное введение примесных атомов дает возможность создавать р-п-переходы, составляющие основу диодов и транзисторов, а также обеспечивающие изоляцию элементов ИМС друг от друга.
     В гибридных интегральных микросхемах (ГИС) пассивные элементы (резисторы, конденсаторы, индуктивные элементы), а также электропроводящие дорожки и контактные площадки изготавливают на поверхности диэлектрической подложки по пленочной технологии, а активные (транзисторы, диоды, бескорпусные ИМС) монтируют на подложке с помощью навесного монтажа. В зависимости от технологии изготовления пассивных элементов различают тонкопленочные и толстопленочные ГИС. Тонкопленочные элементы, толщина которых менее 1 мкм, изготавливают термовакуумным испарением или ионно-плазменными методами. Толстопленочные элементы изготавливают методом трафаретной печати, нанося на подложку через трафарет пасту специального состава с последующей термообработкой (сушкой и вжиганием).
     По своим основным характеристикам (быстродействию, стабильности, массогабаритным параметрам и т. д.) ГИС существенно уступают полупроводниковым ИМС. В то же время они позволяют изготавливать широкий класс электронных устройств, являясь при этом экономически целесообразными даже в условиях мелкосерийного производства. Это объясняется менее жесткими требованиями к трафаретам, с помощью кото

6

рых изготавливают пленочные элементы, а также использованием менее дорогостоящего оборудования. В ГИС можно получать разброс параметров резисторов на уровне ±5 %, конденсаторов - на уровне ±10 %, а с применением операции подгонки можно уменьшить разброс параметров до десятых долей процента.
     Отдельную группу составляют пленочные и совмещенные ИМС. Доля таких микросхем в общем объеме производства ИМС довольно мала. Пленочные ИМС - это, как правило, наборы резисторов или конденсаторов с одинаковыми параметрами или параметрами, изменяющимися по определенному закону, например, R, 2R, 4R и т. д. Совмещенная ИМС представляет собой микросхему, в которой все активные элементы (транзисторы и диоды) формируются вблизи поверхности полупроводниковой пластины, а пассивные элементы (резисторы, конденсаторы, контактные площадки и др.) - на ее поверхности по пленочной технологии. Такие ИМС, изготовленные по совмещенной технологии, сочетают высокую степень интеграции с хорошими электрическими характеристиками пассивных элементов. Однако эти достоинства совмещенных ИМС достигаются за счет усложнения технологического процесса, что ведет к удорожанию таких ИМС.
     Технология полупроводниковых ИМС является наиболее сложной, в ней количество отдельных операций может составлять несколько сотен. По своему назначению и месту, занимаемому в общем процессе производства полупроводниковых ИМС, все технологические операции (процессы) могут быть разделены на три группы (рис. В.1). Первая группа включает в себя заготовительные операции, в частности, получение монокристаллических слитков полупроводника определенного типа электропроводности и заданного удельного сопротивления, резку слитков на пластины, обработку полученных пластин, а также контроль качества результатов обработки. В эту же группу входят операции изготовления фотошаблонов, а также отдельных деталей и узлов корпуса ИМС.
     Вторая группа процессов включает в себя обрабатывающие операции, которые предназначены для формирования всех элементов ИМС в полупроводниковых пластинах и контроля на функционирование полученных структур. Сюда входят операции эпитаксии, окисления, фотолитографии, легирования примесными атомами с помощью диффузии или ионной имплантации, а также технохимическая обработка и напыление

7

тонких металлических пленок. Это наиболее ответственные операции, определяющие общий технологический уровень производства ИМС.

Заготовительные

Получение слитков

Разрезка слитков


Обрабатывающие
Ф_______
Эпитаксия ф——

Сборочно-контрольные

—>|  Разделение пластин

Окисление Ф

■^| Монтаж кристаллов

Обработка пластин ф

Изготовление деталей корпуса

Фотолитография
Ф

___________ф_____________
Сборка узлов корпуса

      Диффузия Ф ---------------
Технохимическая обработка ...........ф........ IВакуумное напыление I ф —

Контроль на функционирование ф

Разварка выводов

Герметизация

| Контроль и маркировка

Упаковка

ф_________Ф

Рис. В.1. Классификация технологических процессов производства полупроводниковых ИМС

     В группу сборочно-контрольных операций входят: разделение пластины на отдельные кристаллы (чипы), монтаж кристаллов на основание корпуса, разварка выводов, герметизация, контроль и маркировка, а также механические и климатические испытания. Практически все перечисленные технологические операции сопровождаются контрольными операциями, которые предназначены для отбраковки дефектных пластин и кристаллов на ранних стадиях технологического процесса.

8

1. ПОЛУЧЕНИЕ СЛИТКОВ И ПЛАСТИН МОНОКРИСТАЛЛИЧЕСКОГО КРЕМНИЯ


            1.1. Свойства монокристаллического кремния


    Монокристаллический кремний представляет собой полупроводник с шириной запрещенной зоны при комнатной температуре AE = 1,12 эВ. Кристаллическая решетка кремния кубическая гранецентрированная (типа алмаза), постоянная решетки а = 0,543 нм. Подвижность электронов примерно равна 1350 см²/(В-с), подвижность дырок - около 480 см²/(В-с). Концентрация собственных носителей заряда в кремнии при комнатной температуре составляет величину 1,5-10¹⁰ см³. Электрофизические свойства кремния во многом определяются содержащимися в нем примесными атомами. Легируя кремниевую пластину донорной или акцепторной примесью, можно создавать в приповерхностном слое различные p-n-переходы, составляющие основу всех элементов ИМС (транзисторов, диодов, диффузионных резисторов, конденсаторов и т. д.). В качестве доноров при изготовлении ИМС используют фосфор, мышьяк или сурьму. В качестве акцепторов по ряду причин обычно используют бор. Энергия ионизации указанных примесных атомов находится в диапазоне от 40 до 50 мэВ.
    На свойства монокристаллического кремния большое влияние оказывают дефекты кристаллической решетки, которые делятся на 4 типа: точечные, линейные, поверхностные и объемные.
    Точечные дефекты малы во всех трех измерениях, их размеры по всем направлениям не превышают нескольких атомных диаметров. Среди них имеются вакансии, атомы замещения и атомы внедрения (рис. 1.1). Точечные дефекты возникают в результате хаотического теплового движения атомов в кристаллической решетке. При любой температуре кристаллической решетки всегда имеются атомы, у которых кинетическая энергия превышает среднее значение. Эти атомы могут преодолеть потенциальный барьер, создаваемый межатомным взаимодействием, и выйти из своего узла на поверхность кристалла или в междоузлие. В результате на прежнем месте расположения атома образуется вакансия. Вакансии могут перемещаться по кристаллу. Чем выше температура, тем больше концентрация вакансий и меньше время нахождения их в узле решетки. При температурах, близких к температуре плавления, количество вакансий в кристалле может достигнуть 1 % от общего числа атомов. Точечные дефекты 9

могут привести к локальным искажениям кристаллической решетки. Смещения атомов вокруг вакансии возникают в ближайших двух-трех соседних атомных слоях, что и составляет доли межатомного расстояния. Вокруг межузельного атома смещение соседних атомов существенно больше, чем вокруг вакансий.

а⁾ б⁾ в⁾ г⁾

Рис. 1.1. Точечные дефекты: а - идеальная решетка; б - вакансия;

в - атом замещение; г - атом внедрения


     Линейные дефекты в кристаллах отличаются от точечных дефектов тем, что в одном из направлений длина дефекта может быть очень большой, даже сопоставимой с размерами кристалла. Основным линейным дефектом является дислокация, представляющая собой линию, вблизи которой нарушено периодическое расположение атомов в кристаллической решетке. В реальных кристаллах по разным причинам некоторые атомные плоскости могут обрываться. Края таких оборванных плоскостей образуют краевые дислокации (рис. 1.2 а). Кроме краевых дислокаций существуют также винтовые дислокации, которые могут возникнуть в результате сдвига одной части кристалла относительно другой (рис. 1.2 б). Дислокации возникают в процессе выращивания кристаллов, а также при их термической или механической обработке, вызывающей пластическую деформацию.
     Образование краевой дислокации можно представить себе так, словно в идеальную кристаллическую решетку вставлена дополнительная плоскость, которая не имеет продолжения в нижней половине кристалла. Такую «неполную» атомную плоскость называют экстраплоскостью. Схематически ее изображают буквой Т (отрицательная дислокация) или перевернутой буквой Т (положительная дислокация). Протяженность дислокаций может составлять несколько тысяч периодов кристаллической решетки, а может распространиться и по всему кристаллу, что существенно вли-


10

яет на его механические свойства. Экстраплоскость действует как клин, деформируя кристаллическую решетку вокруг своего нижнего края. Выше края экстраплоскости межатомные расстояния меньше средних, а ниже края - больше их. Область несовершенства кристаллической решетки вокруг края экстраплоскости и называется краевой дислокацией. Атом на самой кромке экстраплоскости имеет меньше соседей, чем атом в идеальной структуре, поэтому появляются «оборванные» связи, на которые могут быть захвачены носители заряда в полупроводнике.


Рис. 1.2. Виды дислокаций в кристаллах: а - краевая; б - винтовая

     Дислокации оказывают существенное влияние на механические, электрические и тепловые свойства кристаллов. Они, например, могут служить центрами кристаллизации при выпадении второй фазы из твердого раствора. Скорость диффузии примесных атомов вдоль дислокаций на несколько порядков выше, чем через кристаллическую решетку без дефектов. Дислокации служат местом скопления примесных атомов, в особенности примесей внедрения, так как это приводит к уменьшению искажений кристаллической решетки.
     Поверхностные дефекты обладают малыми размерами только в одном измерении. К таким дефектам относят границы раздела между отдельными зернами в поликристаллическом материале, а также дефекты упаковки (нарушения в последовательности чередования атомов в решетке по некоторым направлениям). Толщина переходной области вблизи границы раздела составляет нескольких десятков межатомных расстояний. В этой переходной области решетка одного зерна, имеющего опреде-11

ленную кристаллографическую ориентацию, переходит в решетку другого зерна, имеющего другую кристаллографическую ориентацию. Поэтому на границе зерна наблюдается искаженная кристаллическая структура. Некоторые поверхностные дефекты представляют собой ряды и сетки дислокаций, на которых могут скапливаться примесные атомы.
     Объемные дефекты имеют во всех трех измерениях сравнительно большие размеры, несопоставимые с межатомными расстояниями в кристалле. К ним относятся микропустоты, включения другой фазы, поры, микротрещины. Одним из проявлений трехмерных нарушений в кристаллической решетке являются микродефекты и преципитаты, представляющие собой фазу, в которой выделяются примесные атомы, в случае превышения уровня растворимости в кристалле при данной температуре. Примером преципитата может служить появление фазы SiO2 в выращенном слитке кремния. На образование дефектов в кристалле кремния, выращенного методом Чохральского и подвергнутого последующей термообработке, сильное влияние оказывает присутствие основной естественной примеси - кислорода. Главным образом это относится к наиболее распространенному ростовому дефекту современных кристаллов - порам, которые образуются путем агломерации (объединения) первоначально присутствующих вакансий.


            1.2. Получение металлургического кремния


     Кремний является базовым материалом микроэлектроники. В настоящее время около 98 % от общего числа ИМС изготавливают на основе кремния. Причин этому несколько. Во-первых, на кремнии можно легко получить слой оксида кремния SiO2. Это очень важно для формирования масок на поверхности кремниевых пластин, используемых при фотолитографии. Во-вторых, свойствами кремния можно легко управлять, легируя его различными примесными атомами. Этот, на первый взгляд, очевидный факт присущ далеко не всем полупроводникам. Например, для такого широко используемого полупроводника, как нитрид галлия, технологические проблемы получения GaN p -типа долгое время не позволяли изготавливать качественные p-n-переходы для оптоэлектронных приборов, таких как полупроводниковые светодиоды и лазерные диоды. В-третьих, кремний имеет относительно широкую запрещенную зону, что позволяет использовать кремниевые ИМС в довольно широком интервале температур.


12

По этому показателю он уступает ряду полупроводников (арсенид галлия, нитрид галлия, карбид кремния и др.), но, тем не менее, рабочие температуры полупроводниковых приборов и ИМС могут достигать значений 120-150 °С, что обычно является вполне достаточным для большинства применений ИМС. В-четвертых, кремний имеет достаточно высокую механическую прочность и теплопроводность. Это позволяет производить качественную механическую обработку пластин и эффективно отводить тепло от активных областей кристалла к корпусу ИМС и далее в окружающую среду. В-пятых, кремний широко распространен в природе в виде соединений, поэтому исходный материал для изготовления ИМС имеет относительно невысокую стоимость.
     В зависимости от содержания неконтролируемой примеси различают электронный (electronic-grade), солнечный (solar-grade) и технический или металлургический (metallurgical-grade) кремний. Электронный кремний является наиболее чистым материалом, в нем кремния более 99,999 %. В таком кремнии очень высокие значения времени жизни носителей (свыше 25 мкс). Удельное электрическое сопротивление кремния электронного качества может находиться в интервале от 0,001 до 150 Ом-см, но при этом требуется, чтобы величина сопротивления была обеспечена исключительно заданной примесью. Попадание в кристалл других примесей, как правило, недопустимо. Электронный кремний может быть использован для производства ИМС и других полупроводниковых приборов.
     Содержание примесей в солнечном кремнии существенно выше. Доля кремния в нем может достигать величины 99,99 %, при этом среднее время жизни носителей заряда - менее 25 мкс, удельное сопротивление -не более 10 Ом-см. Такой кремний в основном используется для производства фотоэлектрических преобразователей (солнечных элементов и батарей на их основе).
     Технический (металлургический) кремний обычно имеет поликри-сталлическую структуру с большим содержанием неконтролируемой примеси, концентрация которой может достигать 1-2 %. Его получают в результате переработки содержащего кремний сырья, которым для промышленного производства является кварцевый песок.
     Кремний никогда не встречается в свободном состоянии в виде простого вещества, в природе он обычно связан с кислородом. Чаще всего кремний входит в состав кремнеземов - соединений на основе оксида

13