Леонов В.П. Введение в физику и технологию элементной базы ЭВМ и компьютеров

Подождите немного. Документ загружается.

Глава 6. Технология производства интегральных микросхем 241

высокой концентрацией примеси. Кроме того, металлизация обратной

стороны кристалла необходима на этапе монтажа кристалла, когда

производится соединение кристалла с металлическим или керамиче-

ским держателем. В кремниевых ИС для металлизации используют

часто алюминий и его сплавы, медь, никель, серебро, олово, свинец,

тантал, молибден, хром, а также золото и многокомпонентные сплавы

Ti–Pt–Au, Ti–Pt, Ti–Pd–Au и ряд других. Материалы, используемые для

металлизации, должны обеспечивать технологическую простоту изго-

товления, высокую стабильность электрических характеристик и корро-

зионную стойкость, а также высокую степень адгезии к поверхности

осаждения.

Широко используются и методы осаждения металла в низкотемпе-

ратурной плазме. Для этого применяют разнообразные методы катодно-

го распыления металла. В вакуумированном объёме (рис. 168) в элек-

трическом поле между катодом и анодом возникает тлеющий разряд.

При этом часть металла, расположенного на катоде, испаряется и далее

осаждается на подложку, расположенную на аноде. Помимо простей-

шей диодной схемы, изображённой на

рис. 168, применяются и более сложные

установки, в частности триодная схема,

схема с ионной пушкой, с управляющими

электродами и т.д. Одним из существен-

ных достоинств такого метода является

возможность предварительного ионного

травления поверхности, на которую далее

осаждается металл.

Наиболее часто металлизацию реали-

зуют либо путём химического осаждения

из парогазовой смеси, либо осаждением из

вакуума с использованием ионного распы-

ления либо иного способа распыления.

Химическое осаждение производится в

специальных химических реакторах путём

восстановления металла из его хлорида в

атмосфере водорода. Пониженное давле-

ние, при котором происходит процесс, увеличивает коэффициент диф-

фузии молекул и тем самым способствует большей однородности тол-

щины осаждаемого слоя металла. Нагрев реактора производится как с

помощью резистивных нагревателей, так и с помощью высокочастот-

Рис. 168. Схема установки

катодного распыления

металла

242 В.П. Леонов

ных установок. Однако данным методом практически невозможно по-

лучить хорошую металлизацию с использованием алюминия.

Наиболее простым способом металлизации является термическое

испарение необходимого контактного металла, помещённого в специ-

альную лодочку из тугоплавкого материала. При нагреве лодочки в ва-

кууме металл испаряется и затем осаждается на размещённые вблизи

пластины. Относительная простота этого метода сопровождается и при-

сущими ему недостатками, в частности, испаряемый металл загрязняет-

ся веществом испарителя. Наибольшее распространение получили ме-

тоды химического осаждения в реакторах пониженного давления. Этим

методом осаждаются слои таких тугоплавких металлов, как Ta, Ti, Mo

и W. Преимущество метода заключается в относительной простоте обо-

рудования, высоком качестве осаждаемых металлических слоёв, а также

большой ёмкости рабочих камер, позволяющей загружать одновремен-

но большое количество пластин. Процесс осаждения, происходящий в

интервале 500–800 °C, заключается в восстановлении в атмосфере чис-

того водорода хлоридов этих металлов.

Для нагрева испаряемого металла широко используются такие ме-

тоды, как сублимационное испарение тонкой металлической ленты или

проволоки, через которую пропускают сильные токи порядка несколь-

ких десятков ампер. Используются также электронно-лучевые и лазер-

ные испарители. Электронные пучки, управляемые магнитным полем,

сканируют мишень, в результате чего металл испаряется и оседает на

поверхность пластин. Преимущество заключается в возможности чере-

дования слоёв различных металлов в одном технологическом процессе

путём использования нескольких мишеней из разных металлов. Вместо

нагрева пучком электронов используют также индукционный нагрев

металлической мишени токами высокой частоты, а также разогрев ис-

паряемой мишени путём её бомбардировки ионами аргона. Есть также и

некоторые другие методы передачи энергии для разогрева металличе-

ской мишени, для её испарения.

6.10. Монтаж кристаллов

Прошедшую предварительные операции пластину с помощью спе-

циального алмазного резца, называемого скрайбером, или алмазной пи-

лой, разделяют на отдельные кристаллы. Далее кристалл, у которого

обратная сторона металлизирована, размещают в медный или керами-

ческий (Al

) кристаллодержатель, предварительно разместив между

Глава 6. Технология производства интегральных микросхем 243

ними твёрдую таблетку припоя, толщиной порядка 0,05 мм. Смачива-

ние припоя обеспечивается металлизацией кристалла и кристаллодер-

жателя тонким слоем золота или серебра. При температуре около 370–

380 °С таблетка припоя расплавляется, припаивая кристалл к кристалло-

держателю. Кроме металлического припоя широко применяется креп-

ление кристалла к кристаллодержателю с помощью эпоксидного клея,

который для повышения электропроводности смешивают с серебряным

наполнителем.

Для обеспечения электрического соединения кристалла с выводами

корпуса используют проволочное соединение с помощью методов тер-

мокомпрессии или с помощью ультразвукового метода. В качестве со-

единения используется алюминиевая или золотая проволока. При ис-

пользовании термокомпрессии электрический вывод в виде тонкой

алюминиевой или золотой проволоки диаметром 15–100 мкм прикла-

дывают к кристаллу и прижимают нагретым стержнем (рис. 169). В ре-

зультате при небольшой выдержке в локальных микровыступах кри-

сталла давление оказывается достаточным для пластической деформа-

ции металла, что обеспечивает надёжную

адгезию и контакт двух материалов. Пре-

имущество термокомпрессии заключается в

отсутствии загрязнений, поскольку при

этом не используют припои и флюсы, а

низкое удельное давление не приводит к

повреждению полупроводникового кри-

сталла. В том случае, когда соединяемые

материалы очень разнородны и термоком-

прессия не может обеспечить должную ад-

гезию, используют ультразвуковую сварку.

В процессе ультразвуковой сварки также

происходит пластическая деформация кон-

тактного вывода и проникновение материа-

ла контакта в приповерхностные слои кристалла.

После размещения и закрепления кристалла в корпусную площадку

производится герметизация поверхности кристалла. Очень эффективны

для этой цели кремнийорганические соединения. С этой целью исполь-

зуют различные методы пайки, которые обеспечивают надёжное соеди-

нение корпуса прибора и защитного баллона. В зависимости от вида

материалов корпуса прибора и защитной крышки различают пайку ме-

талл – металл, металл – керамика и металл – стекло. Если используется

Рис. 169. Схема термоком-

пресии

244 В.П. Леонов

керамический корпус, то предварительно керамику металлизируют с

помощью специальных паст с последующим высокотемпературным

вжиганием. Металлизированная таким образом керамика уже может

припаиваться обычными металлическими припоями. Некоторые прибо-

ры герметизируются в керамических корпусах из Al

или BeO. Инте-

гральные микросхемы обычно герметизируют в пластмассовом корпусе

с помощью эпоксидных смол.

6.11. Методы контроля

Методы контроля полупроводниковых изделий используются прак-

тически на всех этапах технологической цепочки, начиная от подготов-

ки монокристалла к разрезанию на пластины и заканчивая электриче-

скими испытаниями готового изделия. Как правило, эти методы имеют

выборочный характер, и их методика базируется на развитой теории

статистического контроля качества. При изготовлении интегральных

микросхем можно выделить следующие группы контрольных процедур:

1. Исследование морфологии плёнок:

• Исследование морфологии пленок.

• Оптическая микроскопия в режиме интерференционного

контраста (метод Номарски).

2. Изучение кристаллографической структуры:

• Электронография на просвет.

• Лазерное отражение.

• Рентгеновская дифракция.

• Обратное рассеяние Резерфорда.

3. Исследование химического состава пленок:

• Оже-спектроскопия.

• Спектроскопия обратного резерфордовского рассеяния.

• Растровая электронная микроскопия.

• Масс-спектроскопия вторичных ионов.

• Рентгеновский микроанализ.

• Рентгеновский флюоресцентный анализ (РФА).

• Электронная спектроскопия с целью химического анализа.

• Нейтронно-активационный анализ.

Каждый из приведённых выше методов физическогоих контроля

достаточно сложен, и все вместе они дополняют друг друга и обеспечи-

вают высокий процент выхода готовых изделий. Конечным этапом кон-

троля являются выборочные испытания их электрических параметров, а

Глава 6. Технология производства интегральных микросхем 245

также устойчивости к ряду эксплуатационных параметров, таких, как

механические воздействия, температура, давление, влажность, прони-

кающее излучение, вибрация и т.д., проводимые в соответствии с раз-

личными стандартами.

Выводы

Технологический процесс изготовления полупроводникового при-

бора представляет собой последовательность многих сложных опера-

ций, производимых с использованием разнообразного технологического

оборудования. Данные операции реализуют различные по своей приро-

де и сложности физические и химические эффекты. Уменьшение разме-

ров элементов интегральных микросхем требует применения новых

технологий, реализующих новые физические механизмы. Финишные

технологические операции обеспечивают выборочный контроль качест-

ва готовых изделий.

246 Краткая история физики и технологии полупроводников

КРАТКАЯ ИСТОРИЯ ФИЗИКИ И ТЕХНОЛОГИИ

ПОЛУПРОВОДНИКОВ И ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ

ПРИБОРОВ

1922 – О.В. Лосев, изучая свойства кристаллического детектора, обна-

ружил у кристалла падающий участок вольт-амперной характе-

ристики. Он впервые построил генерирующий детектор, т.е. де-

текторный приемник, способный усиливать электромагнитные

колебания. В своем приборе Лосев использовал контактную па-

ру: металлическое острие – кристалл цинкита. На эту контакт-

ную пару подавалось небольшое напряжение. Прибор Лосева

вошел в историю полупроводниковой электроники как «криста-

дин».

1926 – физик Я.И. Френкель высказал гипотезу о дефектах кристалли-

ческой структуры – «пустое место», или «дырка», которая мо-

жет перемещаться по кристаллу.

1933 – физик Я.И.Френкель сумел объяснить, почему ток в полупро-

водниках может переноситься не только отрицательно заряжен-

ными электронами, но и положительными дырками.

1939 – работами немецкого физика В. Шоттки, английского Н. Мотта,

советского ученого Б.И. Давыдова была построена теория про-

цессов, происходящих в области контакта полупроводника с ме-

таллом. Б.И. Давыдов опубликовал работу «Диффузионная тео-

рия выпрямления в полупроводниках», которая явилась основой

для созданной Шокли теории р–n-структур, изучал гетерострук-

туры. В. Шоттки исследовал потенциальный барьер, образую-

щийся в приконтактном слое «полупроводник – металл» (барьер

Шоттки) и построил теорию полупроводниковых диодов с та-

ким барьером.

1941 – В.Е. Лашкаревым был обнаружен р–n-переход в закиси меди. В

конце 30-х годов прошлого века для целей радиолокации был

Краткая история физики и технологии полупроводников 247

создан кристаллический детектор сантиметрового диапазона

длин волн. Нашли применение полупроводниковые фотоэле-

менты, селеновые и меднозакисные выпрямители. Полупро-

водники начинают вытеснять электронные лампы.

1946 – физик В.Е. Лошкарев открыл биполярную диффузию неравно-

весных носителей тока в полупроводниках.

1947 – Браттейну и Бардину удалось создать действующую модель уси-

лительного прибора на основе германия. Прибор имел два то-

чечных контакта, образованных между поверхностью германия

и тонкими золотыми проволочками.

1948 – инженер А.В. Красилов и его группа разработали германиевые

диоды для радиолокационных станций. В Ленинградском Физи-

ко-техническом институте под руководством Ю.П. Маслаковца

была собрана и испытана первая экспериментальная полупро-

водниковая термобатарея. Термоэлементы изготавливались из

сульфида свинца. Были начаты исследования по физике полу-

проводников под руководством Бенциона Моисеевича Вула.

Началась разработка первых в СССР полупроводниковых дио-

дов, транзисторов и солнечных элементов. Дальнейшие иссле-

дования в области фотоэлектрических явлений привели к созда-

нию кремниевых фотоэлементов солнечных батарей. Б.М. Вул

создал диффузионный транзистор и предложил р–n-переходы в

полупроводниках использовать в качестве нелинейных конден-

саторов. Шокли предложил конструкцию сплавного транзисто-

ра, которая была реализована в 1948 г. Термин «биполярный

транзистор» связан с тем, что в нем используются носители за-

ряда двух видов: электроны и дырки. Слово «транзистор» (от

англ. transfer resistor) означает, что этот прибор согласует низко-

омную цепь эмиттера с высокоомной цепью коллектора. В

1956 г. Шокли, Бардин и Браттейн были удостоены Нобелевской

премии по физике за создание биполярного транзистора.

1949 – У. Шокли разработал теорию р–n-перехода (теория Шокли). Во

Фрязино (Моск. обл.) в НИИ-160 (НИИ «Исток») А.В. Красило-

вым и С.Г. Мадоян впервые наблюдался транзисторный эффект.

Создатели отечественного транзистора А.В. Красилов и

С.Г. Мадоян опубликовали первую в СССР статью о транзисто-

рах под названием «Кристаллический триод».

248 Краткая история физики и технологии полупроводников

1950 – лабораторные образцы германиевых транзисторов были разрабо-

таны Б.М. Вулом, А.В. Ржановым, В.С. Вавиловым и др.

(ФИАН), В.М. Тучкевичем, Д.Н. Наследовым (ЛФТИ),

С.Г. Калашниковым, Н.А. Пениным и др. (ИРЭ АН СССР).

1953 – по инициативе Александра Ивановича Шокина в СССР был соз-

дан первый НИИ полупроводникового профиля – НИИ-35, впо-

следствии названный НИИ полупроводниковой электроники, а

затем – НИИ «Пульсар». Лаборатория А.В. Красилова была пе-

реведена в НИИ-35. В этой лаборатории С.Г. Мадоян были по-

лучены первые сплавные германиевые транзисторы. Работы по

развитию этого направления, расширению частотного предела и

повышению отдаваемой мощности проводились в тесном со-

трудничестве НИИ-35 с лабораторией С.Г. Калашникова в

ЦНИИ-108 (ныне ГосЦНИРТИ).

1953 – А.Ф. Иоффе на основе исследований термоэлектрических

свойств полупроводников создал серию термоэлектрогенерато-

ров. В ЦНИИ-35 изготовлены плоскостные транзисторы типов

П1, П2, П3.

1954 – Пфан изобрел зонную очистку, что позволило очищать от при-

месей полупроводники, а также равномерно распределять в кри-

сталле нужные примеси. Стало возможным получать легиро-

ванные слои, сплавные р–n-переходы, а также освоить промыш-

ленный выпуск транзисторов.

1954 – были сконструированы солнечные батареи из последовательно

соединенных кремниевых р–n-переходов (Д. Чаплин, К. Фуллер,

Дж. Пирсон).

1955 – в лаборатории профессора С.Г. Калашникова создан германие-

вый транзистор на частоты 1,0–1,5 Мгц.

1956 – инженер Ф.А. Щиголь разработал первые кремниевые сплавные

транзисторы типа П501-П503.

1957 – на орбиту выведен первый в истории человечества искусствен-

ный спутник Земли на основе отечественной электронной эле-

ментной базы. В НИИ «Пульсар» разработаны кремниевые

сплавные транзисторы типов П101 – П106. В СССР выпущено

2,7 миллиона транзисторов.

Краткая история физики и технологии полупроводников 249

1958 – вышло Постановление СМ СССР о строительстве под Москвой

города-спутника (ныне Зеленоград). Выпущены первые герма-

ниевые транзисторы П605 – П609 на частоты до 100 МГц и

мощностью до 10 Вт, изготовленные по конверсионной техно-

логии, предложенной В.А. Стружинским.

1958 – Джек Килби, сотрудник фирмы Texas Instruments, создает пер-

вую интегральную схему, состоящую из транзисторов и конден-

саторов на одной полупроводниковой пластине.

1959 – Н.Г. Басов, Б.М. Вул, Ю.М. Попов выдвинули идею полупро-

водникового лазера, была показана возможность его создания.

Басову принадлежит идея использования полупроводников в ла-

зерах, он развил методы создания различных типов полупро-

водниковых лазеров.

1959 – Роберт Нойс создает интегральную схему с помощью располо-

жения соединительных каналов непосредственно на кремниевой

пластине. Нойс разработал интегральную схему в том виде, в

котором ее позднее начали изготавливать – с применением

кремния и двуокиси кремния.

1962 – ленинградский физик Александр Рогачев, изучая излучательную

рекомбинацию в арсениде галлия, близко подошел к созданию

когерентного источника излучения, но он не знал, как работает

лазер. Однако в его работе было указано, что наблюдаемый фи-

зический эффект может быть объяснен с помощью «стимулиро-

ванного излучения». Создан первый в СССР полупроводнико-

вый квантовый генератор (Б.М. Вул, О.Н. Крохин, Ю.М. Попов,

А.П. Шотов, В.С. Багаев). К концу 1962 г. появились экспери-

ментальные работы (Б. Лэкс, У. Думке, М. Нэтен и др.), где на-

блюдалось стимулированное излучение в р–n-структуре арсени-

да галлия, а в январе 1963 г. аналогичные результаты были по-

лучены в СССР. Ж. Алферов, ознакомившись с тем, как работа-

ет обычный лазер, предложил создать полупроводниковый лазер

на основе двойной гетероструктуры. Таким образом, был создан

первый в мире полупроводниковый гетеролазер, работающий в

непрерывном режиме при комнатной температуре. Информация

об этом тогда была засекречена и была опубликована лишь мно-

го лет спустя. Секретность была снята только после публикации

аналогичного предложения Кремера в США.

250 Краткая история физики и технологии полупроводников

1963 – Хофстейн и Нейман создали первый МОП-транзистор.

1963 – создан Центр микроэлектроники в подмосковном городе Зелено-

граде, и первым его директором стал Ф.В.Лукин. Инженер

Ф.А. Щиголь разработал планарный транзистор 2Т312 и его

бескорпусной аналог 2Т319, ставший основным активным эле-

ментом гибридных схем. Одним из первых НИИ этого Центра

был НИИ материаловедения, занимавшийся разработкой техно-

логии полупроводниковых материалов.

1964 – на заводе «Ангстрем» при НИИ точной технологии созданы пер-

вые интегральные схемы ИС-«Тропа» с 20 элементами на кри-

сталле, выполняющие функцию транзисторной логики с рези-

стивными связями.

1965 – Государственный комитет по электронной технике Министерст-

ва радиопромышленности СССР преобразован в Министерство

электронной промышленности СССР во главе с министром

А.И. Шокиным. В НИИ молекулярной электроники (НИИМЭ) в

Зеленограде создана технология и начат выпуск первых планар-

ных транзисторов «Плоскость». Под руководством Б.В. Малина

в НИИ-35 (ныне НИИ «Пульсар») была создана первая серия

кремниевых интегральных схем ТС-100 (степень интеграции –

37 элементов на кристалле).

1966 – в НИИ «Пульсар» начал работать первый экспериментальный

цех по производству планарных интегральных схем. В НИИМЭ

под руководством доктора наук К.А. Валиева начат выпуск ло-

гических и линейных интегральных схем.

1968 – Физик Ж.И.Алферов с сотрудниками предложил конструкции

лазеров на основе гетеропереходов. НИИ «Пульсар» выпустил

партию первых гибридных тонкопленочных ИС с планарными

бескорпусными транзисторами типов КД910, КД911, КТ318,

предназначенными для телевидения, радиовещания и связи. В

НИИМЭ разработаны цифровые и линейные ИС массового при-

менения (серия 155).

1969 – физик Ж.И. Алферов сформулировал и практически реализовал

свои идеи управления электронными и световыми потоками в

классических гетероструктурах на основе системы арсенид гал-

лия – арсенид алюминия.