Лекции по дисциплине - Технология изделий интегральной техники
Подождите немного. Документ загружается.
Конспект лекций
по дисциплине
«Технология изделий интегральной техники»
для специальности 39.02.02 (Т08.01.00)
«Проектирование и производство радиоэлектронных средств»
ВВЕДЕНИЕ ........................................................................................................................ 4
1. Физическая природа свойств твёрдых тел .................................................................. 6
1.1. Основные материалы микроэлектроники ............................................................. 6
2. Фазовые диаграммы и твердые растворы .................................................................. 8
2.1. Типы фазовых диаграмм........................................................................................ 8
2.2. Системы, имеющие важное значение в микроэлектронике .............................. 13
2.3. Твердая растворимость ....................................................................................... 17
2.4 Задачи .................................................................................................................... 19
2.5. Фазовые переходы ............................................................................................... 25
2.6. Термодинамические диаграммы ......................................................................... 28
2.6.1. Диаграмма состояния (диаграмма равновесия, фазовая диаграмма)....... 29
2.6.2. Растворимость................................................................................................ 30
2.6.3. Международная система единиц СИ (метр, килограмм, секунда, градус,
Кельвин, моль) ......................................................................................................... 31
2.6.4. Метод построения диаграмм состояния....................................................... 33
2.6.5. Системы с ограниченной взаимной растворимостью компонентов в
твердом состоянии................................................................................................... 34
3. Структура твердотельных интегральных микросхем ............................................... 37
3.1. Введение ............................................................................................................... 37
3.1.1. Основные понятия и определения................................................................ 37
3.2. Технология полупроводниковых интегральных микросхем............................... 46
3.2.1. Общая характеристика технологического процесса.................................... 46
4. Диффузионные процессы в твердых телах .............................................................. 68
4.1. Введение ............................................................................................................... 68
4.2. Законы диффузии................................................................................................. 68
4.3. Основы кинетической теории газов..................................................................... 70
4.4. Диффузия как двухстадийный процесс............................................................... 71
4.5. Диффузия в гетерогенном твердом теле............................................................ 74
4.6. Техника проведения процессов диффузии ........................................................ 75
4.6.1. Диффузия из газовой фазы........................................................................... 75
4.6.2. Диффузия из жидкой фазы ........................................................................... 77
4.6.3. Диффузия из твердой фазы .......................................................................... 77
4.7. Способы проведения диффузии ......................................................................... 77
5. Основы ионного легирования..................................................................................... 79
5.1. Понятие о технологии ионного легирования ...................................................... 79
5.2. Оборудование для ионного легирования............................................................ 80
5.3. Длина пробега ионов ............................................................................................ 82
5.4. Монокристалл ....................................................................................................... 84
5.6. Синтез веществ с помощью ионного легирования............................................. 84
5.7. Отжиг легированных слоев .................................................................................. 85
6. Технологические основы микроэлектроники............................................................. 87
6.1. Введение ............................................................................................................... 87
6.2. Подготовительные операции ............................................................................... 87
6.3. Эпитаксия .............................................................................................................. 88
6.4. Термическое окисление ....................................................................................... 90
6.5. Легирование .......................................................................................................... 92
6.5.1. Способы диффузии........................................................................................ 92
6.5.2. Теоретические основы диффузии ................................................................ 94
6.5.3. Ионная имплантация ..................................................................................... 97
6.6. Травление ............................................................................................................. 98
6.7. Техника масок ..................................................................................................... 100
6.7.1. Фотолитография........................................................................................... 101
3
6.7.2. Фотошаблоны ............................................................................................... 104
8.7.3. Новые решения и тенденции....................................................................... 104
6.8. Нанесение тонких пленок................................................................................... 106
6.8.1. Термическое (вакуумное) напыление......................................................... 106
6.8.2. Катодное напыление.................................................................................... 107
6.8.3. Ионно–плазменное напыление ................................................................... 109
6.8.4. Анодирование............................................................................................... 110
6.8.5. Электрохимическое осаждение................................................................... 110
6.9. Металлизация ..................................................................................................... 111
6.10. Сборочные операции........................................................................................ 113
6.11. Технология тонкопленочных гибридных ИС ................................................... 116
6.11.1. Изготовление пассивных элементов ........................................................ 116
6.11.2. Монтаж навесных компонентов................................................................. 119
6.12. Технология толстопленочных гибридных ИС ................................................. 121
ЛИТЕРАТУРА................................................................................................................. 124
4
ВВЕДЕНИЕ
В 1948 г. весь потенциал твёрдотельной электроники скрывался в
единственном экспериментальном образце транзистора, действие которого было не
понятно даже его творцам. Через 10 лет твёрдотельные приборы уже выиграли
сражение с лампами за вычислительную технику и породили объект нового
поколения – организованное скопление транзисторов в одном кристалле,
называемое интегральной микросхемой.
Современный кристалл массой в десятки миллиграммов обладает
значительно большей вычислительной производительностью, чем первые ЭВМ с
массой в десятки тонн.
Микроэлектроника – это способ организации электронных процессов, который
позволяет обрабатывать информацию в малы объёмах твёрдого тела. И идеальной
целью является система, сочетающая совершенство организации мозга с
быстродействием твёрдотельных процессов.
Задача данного курса ознакомить студента с основами типовых
технологических процессов, используемых при изготовлении изделий
микроэлектроники.
Взаимопроникновение процессов разработки, синтеза, функционирования и
деградации в перспективе ведёт к схеме реализованной природой в биосистемах.
При этом в микроэлектронике технология приобретает функциональное значение и
определяет принципиальные возможности систем.
Точные информационные системы создаются методами физико-химической
технологии. Ещё в 1874 г. Браун открыл выпрямляющее свойство контакта металл-
полупроводник (PbS), и приборы этого типа даже получили довольно широкое
распространение в последней четверти прошлого века. Но изобретение вакуумного
диода (1904, Флеминг) и триода (1906, Ли де Форест) положило конец этой эре
полупроводников. Настоящее время полупроводников наступило только в 50-х годах
после изобретения транзистора, при этом уместно вспомнить работы Лишенфильда,
который ещё в 1925 году высказал идею возможности создания полевого
транзистора. Однако первым в 1948 году Бардиным, Браттейном и Шокли был
создан биполярный транзистор, а спустя 10 лет был реализован и полевой
транзистор.
Современная технология микроэлектроники основана на двух принципах:
последовательном формировании тонких слоёв или плёнок при определённых
режимах и создании топологических рисунков с
помощью микролитографии.
Технологические основы этих принципов уходят вглубь веков.
Одним из функциональных вопросов технологии является вопрос можно ли
полностью устранить механические совмещения и осуществить синтез
твёрдотельной структуры в едином физико-химическом процессе. Те сведения,
которыми мы сегодня располагаем относительно материалов, физико-химической
технологии и физических принципов не позволяют дать положительный ответ
.
Однако развитие живой природы (генетический код), история развития техники
говорит о том, что такое решение возможно. Но радикальные изменения в
технологии всегда сопряжены с новой физикой, новыми материалами и новой
элементной базой.
Основная тенденция микроэлектроники, устойчиво сохраняющаяся уже более
40 лет – повышение степени интеграции N. Перспективность этой тенденции
обусловлена тем, что при отлаженном серийном производстве стоимость изделий
практически не зависит от их сложности и определяется в основном
производительностью оборудования. Повысить степень интеграции N можно за счёт
5
уменьшения размеров элементов или за счёт увеличения размера кристалла. Оба
эти способа успешно реализуются на практике.
Здесь уместно отметить, что реальные машины создавали электротехники,
ламповые – радиоинженеры, транзисторные – специалисты по физике твёрдого тела
и твёрдотельной электронике, ЭВМ на малых микросхемах – специалисты по
логическому проектированию, ЭВМ на больших интегральных микросхемах –
специалисты по системотехнике.
Кремний был единственным материалом, раскрывшим потенциал
твердотельной интегральной схемотехники, и он остаётся практически единственной
основой планарной технологии до настоящего времени. Несмотря на многообразие
новых материалов и новых принципов кремний и сегодня широко используется.
Среди полупроводников у кремния есть единственный серьёзный соперник –
арсенид галлия. Обладая более высокой подвижностью носителей, GaAs позволяет
достичь в 5 раз более высоких пределов быстродействия. Полуизолирующий
арсенид галлия открывает путь к эффективной внутрисхемной изоляции, а как
следствие – к более низкой мощности рассеяния, чем у кремния. Кремний не
позволяет реализовать излучающие диоды, но он обеспечивает фотоприёмными
системами весь видимый и близкий ИК-диапазоны.
Наконец, существует ещё два сильных фактора: доступность материала и его
нетоксичность для человека. Кремний полностью удовлетворяет обоим критериям.
Приведём данные распространённости в земной коре наиболее часто используемых
материалов микроэлектроники: Si – 26,0%, Al – 7,45%, C – 0,35%, P – 0,12%, Gd –
7,5·10
-4
%, As - 5·10
-4
%, Ge - 4·10
-4
%, Ga - 1·10
-4
%.
И так, сегодня монокристаллический кремний – основа активной структуры
СБИС, поликремний – связи и сопротивления, окисел и нитрид кремния – идеальные
диэлектрики, а также оптические волноводы. Кремний используется для
чувствительных датчиков давления.
Кремний и углерод находятся в 4 группе периодической системы. Углерод
служит основой жизни биосистем, а кремний основой “жизни” кристаллических
информационных систем. Таким образом мыслящие C-системы дополняют себя
быстродействующими Si-системами.
6
1. Физическая природа свойств твёрдых тел
1.1. Основные материалы микроэлектроники
Бурное развитие радиоэлектронной аппаратуры не могло происходить без
существенного улучшения её параметров. В радиоэлектронике и электронной
технике появилось новое, успешно развивающееся направление –
микроэлектроника. За сравнительно короткий исторический отрезок времени
(первый транзистор был изготовлен в 1948 году, первая интегральная схема – в
1958 году) микроэлектроника стала ведущим направлением, определяющим
прогресс в развитии радиоэлектронной аппаратуры.
Твердотельная электроника – это новое научно-техническое направление,
которое посредством физических, химических, схемотехнических и технологических
методов и приёмов решает проблему создания высоконадёжных электронных
устройств.
В качестве основных конструкционных материалов в микроэлектронике
используются полупроводники, металлы и диэлектрики. Исторически различия
между металлами, полупроводниками и диэлектриками связывалось с
особенностями электропроводности этих тел. К металлам относили вещества
имеющие удельную проводимость, измеряемую величинами порядка 10
4
(Ом·см)
-1
.
Вещества, имеющие удельную проводимость в пределах 10
-7
(Ом·см)
-1
и меньшую,
относили к диэлектрикам. Все материалы, которые имели удельную проводимость в
пределах 10
4
÷ 10
-7
(Ом·см)
-1
, считались полупроводниками. С физической точки
зрения такое определение не является достаточно точным. Например, с помощью
введения примесей можно увеличить электропроводимость полупроводников на
несколько порядков, сделав её по величине соизмеримой с проводимостью
металлов, но при этом они не станут металлами. От металлов полупроводники
отличаются не величиной, а характером зависимости удельной электрической
проводимости, прежде всего, от температуры. В природе существует два типа
полупроводниковых веществ: ионные полупроводники и электронные
полупроводники.
Рис. 1.1. Образование двухкомпонентных полупроводников
7
Сегодня ионные полупроводники не получили широкого распространения в
технике, так как при прохождении через них электрического тока изменяется их
состав, структура и форма.
К электронным полупроводникам относятся огромное количество самых
различных веществ. Так как в этих веществах ток переносится электронами, то при
прохождении не происходит переноса вещества и приборы могу эксплуатироваться
длительное время. К числу этих полупроводников относятся 13 простых веществ:
бор B, углерод C, кремний Si, фосфор P, сера S, германий Ge, мышьяк As, серое
олово Sn, сурьма Sb, висмут Bi, селен Se, теллур Te, йод J. К ним относятся и ряд
бинарных соединений типа A
X
B
VIII-X
, где A – элемент группы X, а B – элемент группы
VIII-X (рис. 1.1). Такие соединения как AgCl, CuBr, KBr, LiF и др. типа A
I
B
VII
ещё не
нашли широкого применения.
В ближайшее время будут применены соединения типа A
II
B
VI
, среди которых в
первую очередь CdS, CdSe, CdTe, ZnS, ZnO, ZnSe, HgTe, HgSe. Их свойства сейчас
интенсивно изучаются. Наряду с сульфатами, теллуридами и селенидами очень
перспективными материалами являются антимониды, арсениды, фосфиды, нитриды
алюминия, галлия, индия, бора, относящиеся к типу A
III
B
V
. Эти элементы уже
сегодня являются одними из важнейших полупроводниковых материалов.
Полупроводниковыми свойствами обладают SiC и SiGe, относящиеся к типу A
IV
B
IV
.
Полупроводниковые свойства обнаружены у соединений типа A
IV
B
VI
, среди которых
PbS, PbSe, PbTe, соединений типа A
I
B
VI
, среди которых CuS, CuO, Cu
2
O и др.
Перспективными представляются сложные соединения и твердые растворы типа
A
X
B
1
VIII-X
B
2
VIII-X
; A
1
X
A
2
X
B
VIII-X
; A
1
X
A
2
X
B
1
VIII-X
B
2
VIII-X
, например, GaAsP, JnGaSb, ZnCdSeTe.
Кроме этих соединений полупроводниковыми свойствами обладает большое
количество более сложных соединений. Наряду с неорганическими материалами к
полупроводникам относятся и органические материалы, такие как антрацен,
фталоцианин, коронен и целый рад других.
В науке и технике ведётся целенаправленный поиск материалов, обладающих
новыми свойствами. В последние годы учёными интенсивно изучались структура и
свойства таких материалов как серое олово, теллурид ртути, сплав висмута с
сурьмой. Наиболее интенсивные свойства серого олова и теллурида ртути – это
отсутствие запрещённой зоны. Эти материалы относят к бесщелевым
полупроводникам. Запрещённая зона в них отсутствует при любых воздействиях, не
меняющих симметрию кристаллической решётки: нагрев и охлаждение в
определенном температурном интервале, всестороннее
сжатие, введение примесей.
Сплавы висмута с сурьмой, наоборот, приобретают новые свойства при различных
внешних воздействиях. Так, например, под действием всестороннего давления,
магнитного поля, при изменении химического состава этот материал может перейти
в состояние, не имеющее запрещённой зоны. В некоторых сплавах системы висмут-
сурьма под действием мощного магнитного поля образуются экситонные
фазы,
которые представляют собой электроны и дырки, объединенные в устойчивые
комплексы, напоминающие атомы водорода и обладающие исключительно
интересными свойствами. Эти свойства сейчас интенсивно изучаются с целью
практического использования.
8
2. Фазовые диаграммы и твердые растворы
Фазовые диаграммы состояний являются неотъемлемой частью любого
обсуждения свойств материалов в тех случаях, когда речь идет о взаимодействии
различных материалов. Особенно фазовые диаграммы состояния важны в
микроэлектронике, т.к. для изготовления выводов и пассивирующих слоев там
приходится использовать большой набор различных материалов. Учитывая тот
факт, что в производстве интегральных микросхем в тесном контакте с различными
металлами находится кремний, особое внимание уделим тем фазовым диаграммам,
в которых в качестве одной из компонент фигурирует именно кремний.
2.1. Типы фазовых диаграмм
Однофазовые диаграммы состояний – это графики, на которых в зависимости
от давления, объем и температуры изображают фазовое состояние только одного
материала. Обычно не принято рисовать трехмерный график на двумерной
плоскости – изображают его проекцию на плоскость температура – давление.
Пример однофазной диаграммы состояний дан на рис. 2.1.
Рис. 2.1. Однофазная диаграмма состояний
На диаграмме четко разграничены области, в которых материал может
существовать только в одном фазовом состоянии – как твердое тело, жидкость или
газ. Вдоль разграниченных линий вещество может иметь два фазовых состояния
(две фазы), находящихся в контексте друг с другом. Имеет место любая из
комбинаций: твердое тело – жидкость, твердое тело – пар, жидкость – пар. В точке
пересечения линий диаграммы, так называемой тройной точке, могут
одновременно существовать все три фазы. Причем это возможно при одной-
единственной температуре, поэтому тройная точка служит хорошей точкой отсчета
температур. Обычно в качестве точки отсчета выступает тройная точка воды
(например, в прецизионных измерениях с использованием термопар, где опорный
спай контактирует с системой лед – вода – пар).
9
Двойная фазовая диаграмма (диаграмма состояния двойной системы)
представляет состояние системы с двумя компонентами. На таких диаграммах по
оси ординат откладывается температура, по оси абсцисс – процентное соотношение
компонент смеси (обычно это или процент от общей массы (вес. %), или процент от
общего числа атомов (ат. %)). Давление обычно полагается равным 1 атм. Если
рассматривается жидкая и твердая фазы, измерением объема пренебрегают. На
рис. 2.2. представлена типичная двухфазная диаграмма состояний для компонент A
и B с использованием весового или атомного процента.
Рис. 2.2. Двухфазная диаграмма состояний
Буквой
α
обозначена фаза вещества A с растворенным веществом B,
β
означает фазу вещества B с растворенным в нем веществом A, а
α
+
β
означает
смесь этих фаз. Буква (от liquid - жидкий) означает жидкую фазу, а L+
α
и L+
β
означают жидкую фазу плюс фаза или соответственно. Линии, разделяющие фазы,
т. е. линии, на которых могут существовать различные фазы вещества, имеют
следующие названия: солидус – линия, на которой одновременно существуют фазы
α
или
β
с фазами L+
α
и L+
β
соответственно; сольвус – линия, на которой
одновременно сосуществуют фазы
α
и
α
+
β
или
β
и
α
+
β
, и ликвидус – линия, на
которой одновременно существует фаза L с фазой L+
α
или L+
β
.
Точка пересечения двух линий ликвидуса часто является точкой наименьшей
температуры плавления для всех возможных комбинаций веществ A и B и
называется эвтектической точкой. Смесь с соотношением компонент в
эвтектической точке называется эвтектической смесью (или просто эвтектикой).
Поучительно будет рассмотреть, как происходит переход смеси из жидкого
состояния (расплава) в твердое и как фазовая диаграмма помогает предсказать
равновесную композицию всех фаз, существующих при данной температуре.
Обратимся к рис. 2.3.
10
Рис. 2.3. Двухфазная диаграмма состояний, на которой показаны процессы отвердевания
Предположим, что вначале смесь имела состав C
M
при температуре T
1
, при
температуре от T
1
до T
2
существует жидкая фаза, а при температуре T
2
одновременно существуют фазы L и
β
. Состав присутствующей фазы L есть C
М
,
состав фазы
β
есть C
β
1
. При дальнейшем снижении температуры до T
3
состав
жидкой меняется вдоль кривой ликвидуса, а состав фазы
β
– вдоль кривой солидуса
до пересечения с изотермой (горизонтальной линией) T
3
. Теперь состав фазы L есть
C
L
, а состав фазы есть C
β
2
. Следует отметить, что состав C
β
2
должен иметь не
только вещество, перешедшее в фазу при
β
при температуре T
3
, но и все вещество,
перешедшее в фазу
β
при более высокой температуре, должно иметь состав C
β
2
.
Это выравнивание составов должно произойти путем твердотельной диффузии
компонента A в существующую фазу
β
, так что к моменту достижения температуры
T
3
все вещество, находящееся в фазе
β
, будет иметь состав C
β
2
. Дальнейшее
снижение температуры приводит нас в эвтектическую точку. В ней фазы
α
и
β
существуют одновременно с жидкой фазой. При более низких температурах
существуют только фазы
α
и
β
. Образуется смесь фаз
α
и
β
состава C
E
с агрегатами
β
с начальным составом C
β
3
. Затем, выдерживая эту смесь длительное время при
температуре ниже эвтектической, можно получить твердое тело. Образовавшееся
твердое тело будет состоять из двух фаз. Состав каждой из фаз можно определить в
точке пересечения изотермы с соответствующей линией сольвуса.
Только что было показано, как определить состав каждой из присутствующих
фаз. Теперь рассмотрим задачу определения количества вещества в каждой фазе.
Во избежания путаницы на рис. 2.4. еще раз приводится простая двухфазная
диаграмма. Предположим, что при температуре T
1
состав расплава есть C
M
(имеется
в виду компонента B), тогда при T
2
фаза L имеет состав C
L
, а фаза
β
будет иметь
состав C
s
. Пусть M
L
– масса вещества, находящегося в твердом состоянии, а M
S
–
масса вещества, находящегося в твердом состоянии. Условие сохранения
суммарной массы приводит к следующему уравнению
(M
L
+ M
S
)C
M
= M
L
C
L
+ M
S
C
S
.