Полупроводниковые микросхемы В настоящее время различают два класса полупроводниковых ИМС: биполярные и МДП ИМС в зависимости от используемых транзисторов в схеме. Для характеристики типа применяемых в ИМС транзисторов, а также технологических методов их изготовления пользуются понятиями топологии и структуры ИМС. Топология задает размеры элементов ИМС в плане и их взаимное расположение и определяет выбор метода получения рисунка схемы. Структура ИМС показывает последовательность слоев в составе микросхемы по нормали к поверхности кристалла, различающихся материалом, толщиной и электрофизическими свойствами. По структуре ИМС устанавливается состав и последовательность технологических методов обработки пластины, и определяются технологические режимы каждого метода.

Элементы полупроводниковых ИМС Биполярный транзистор n-p-n Диод биполярной ИМС Резистор биполярных ИМС Пинч-резисторы МДП-транзистор

Выбор материала подложек полупроводниковых ИМС Пригодность полупроводникового материала для использования при изготовлении приборов и ИМС определяется в основном параметрами, зависящими от его физических свойств: оптических, термических, термоэлектрических, зонной структуры, ширины запрещенной зоны, положения в ней примесных уровней и др. Очень важны электрические свойства полупроводниковых материалов: тип электропроводности, концентрация носителей заряда, их подвижность, удельное сопротивление, время жизни неосновных носителей заряда и их диффузионная длина, которые зависят от технологии получения полупроводника. В настоящее время в полупроводниковой электронике используются кремний, германий, арсенид галлия, фосфид индия и др.

В последнее время происходит стремительное развитие технологии полупроводниковых приборов и ИМС на основе соединений A 3 B 5. Это обусловлено высокой подвижностью носителей заряда, характерной для арсенида галлия и других соединений A 3 B 5. Если у кремния подвижность электронов составляет 1450 см 2 В -1 с -1, то у арсенида галлия (GaAs) она 8800 см 2 В -1 с -1, фосфида индия (InP) Ширина запрещенной зоны этих соединений также выше, чем у кремния (Si – 1,1 эВ, GaAs – 1,43 эВ, InP – 1,34 эВ). Однако широкое применение этих материалов в настоящее время ограничивается сложностью технологии, как при выращивании слитков, так и на операциях легирования, нанесения диэлектрика и т.д.

Кремниевые пластины для изготовления полупроводниковых приборов и ИМС выпускаются промышленностью трех видов: однослойные пластины p- и n-типов, двухслойные p- и n- типа с эпитаксиальным n- слоем, двухслойные p- типа с эпитаксиальным n- слоем и скрытым n + – слоем.

Эпитаксиальное наращивание полупроводниковых слоев Эпитаксией называют процесс наращивания монокристаллических слоев на подложку, при котором кристаллографическая ориентация наращиваемого слоя повторяет кристаллографическую ориентацию подложки. Механизмы наращивания эпитаксиальных слоев: 1.Прямые процессы – атомы кремния от источника попадают на поверхность подложки (кремниевой пластины) и осаждаются на ней. Молекулярно-лучевая эпитаксия 2. Непрямые процессы – атомы кремния образуются за счет разложения кремниевого соединения на поверхности нагретой подложки: Эпитаксия из газовой фазы Жидкостная эпитаксия

Эпитаксия из газовой фазы

Жидкостная эпитаксия Эпитаксия из жидкой фазы в основном применяется для получения многослойных полупроводниковых соединений, таких как GaAs, CdSnP2. Следует отметить, что в современной полупроводниковой промышленности данный метод уже давно не используется, ввиду сложности контроля параметров получаемых пленок (толщина, однородность толщины, значение стехиометрического коэффициента), их относительно низкого качества, малой производительности метода.

Молекулярно-лучевая эпитаксия МЛЭ

Технология получения диэлектрических пленок Диэлектрические пленки широко используются в технологии интегральных микросхем для различных целей: - маскирование при диффузии и ионном легировании, окислении и травлении; - изоляция приборов в схеме, контактов и межсоединений; - в качестве подзатворного диэлектрика в МДП ИС. Для получения диэлектрических слоев диоксида кремния SiO 2, наиболее широко применяемого в полупроводниковых ИМС, используют методы: - термического окисления; - пиролитического осаждения; - плазменного и электролитического анодирования; - ионного распыления. Второй диэлектрик, используемый в полупроводниковой технологии, нитрид кремния Si 3 N 4 получают пиролитическим осаждением и ионным распылением.

Легирование Основой полупроводниковой технологии является создание p-n переходов путем легирования. Сущность легирования состоит во внедрении легирующей примеси в кристаллическую решетку полупроводника и образование области с противоположным типом проводимости. Эта область ограничивается p-n переходом. Легирование можно осуществлять путем термической диффузии примеси в полупроводник, нагретый до высокой температуры, и внедрением ионов примеси с высокой энергией (ионное легирование).

Легирование полупроводников диффузией Для получения слоев дырочного типа проводимости в качестве легирующей примеси для кремния используют элементы III группы: бор, индий, галлий, алюминий, а для получения слоев электронного типа проводимости применяют элементы V группы: фосфор, мышьяк, сурьму. Диффузией называют перенос вещества, обусловленный хаотическим тепловым движением атомов, возникающий при наличии градиента концентрации данного вещества и направленный в сторону убывания этой концентрации. Ввиду конечной скорости диффузии концентрация введенной примеси убывает в направлении от поверхности, через которую происходит диффузия, вглубь.

При изготовлении полупроводниковых ИМС локальную диффузию примеси проводят с использованием маски из оксида кремния, окна в которой получены методом фотолитографии. Диффузию чаще всего проводят в две стадии: вначале на поверхности пластины создают относительно тонкий диффузионный слой с высокой концентрацией примеси (загонка); затем пластину нагревают в атмосфере кислорода, не содержащей примесь, в результате происходит перераспределение примеси из приповерхностного слоя в пластину (разгонка).

Ионное легирование полупроводников Сущность ионного легирования (ионной имплантации) заключается во внедрении ионов примеси вглубь твердого тела. Примесь загоняется не за счет диффузии при высокой температуре, а за счет энергии ионизированных атомов примеси.

Схема установки для ионной имплантации приведена на рис. 1 - источник ионов 2 - масс-спектрометр 3 - диафрагма 4 - источник высокого напряжения 5 - ускоряющая трубка 6 - линзы 7 - источник питания линз 8 - система отклонения луча по вертикали и система отключения луча 9 - система отклонения луча по горизонтали 10 - мишень для поглощения нейтральных частиц 11 - подложка

Интервал энергий ускоренных ионов разделяют на три диапазона: Низкоэнергетическая имплантация. На практике к низкоэнергетическим относят ионные имплантеры, ускоряющие частицы до энергии 1 10 кэВ. Среднеэнергетическая имплантация. К ионам средней энергии относят частицы с энергией кэВ. Высокоэнергетическая имплантация. К высокоэнергетической ионной имплантации относят обработку ионами, энергия которых превышает 10 3 кэВ.

Достоинства. Отсутствие зависимости предельной концентрации вводимой примеси от предела растворимости в материале подложки, вследствие чего дает возможность образования в поверхностных слоях таких сплавов, которые невозможны в обычных условиях; Позволяет контролировать профиль легирующей примеси изменением энергии, тока и положения ионного пучка, создание сложных профилей распределения концентрации примеси по глубине путем программного управления режимами; Низкая температура подложки в процессе имплантации; Позволяет формировать постепенный переход от модифицированного слоя в объем материала; Возможность модификации свойств функциональных и технологических приборных слоев с целью направленного изменения физических свойств за счет вариации характеристик внедрения и дефектообразования; Высокая точность и воспроизводимость параметров имплантации (доза, профиль) по площади обрабатываемой пластины от процесса к процессу. Недостатки. Метод имплантации имеет и некоторые недостатки, ограничивающие его применение. 1. Внедрение тяжелых частиц ведет к образованию дефектов, появление которых приводит к изменению таких электрофизических параметров, как подвижность носителей, время жизни, избыточные шумы р-n переходов; большинство внедренных атомов оказывается электрически неактивными. В связи с этим необходим термический отжиг для восстановления кристаллической решетки и ее электрофизических параметров, при этом полный отжиг дефектов достигается в диапазоне довольно высоких температур ° С. 2. Имплантация охватывает только поверхностные слои, получение глубоко залегающих слоев технически осуществимо трудно. 3. Дополнительные эффекты, появляющиеся в процессе и после ионной имплантации (например, каналирование, диффузия на стадии отжига радиационных дефектов), затрудняют контроль профиля.

Изоляция элементов

Все известные способы изоляции можно разделить на два типа: Изоляция обратносмещенным p-n переходом Изоляция диэлектриком

Последовательность технологических операций при изготовлении биполярных ИМС с диэлектрической изоляцией 1 - исходная пластина кремния n-типа; 2 – диффузионный скрытый слой n+ типа; 3 – оксид кремния; 4 - поликристаллический кремний.