§ II.7.5. Ттл технология производства имс

Производство ИМС является сложным, прецизионным, многокомпонентным процессом, состоящим из огромного количества технологических операций.

§ II.7.6. Мдп технология производства имс

В настоящей главе дано сравнительное описание процессов, используемых для производства интегральных схем на МДП-структурах. При этом за основу взяты обычные МДП-струк-туры с р-каналом, выпуск которых достиг больших размеров. Довольно подробному рассмотрению типичного процесса изго­товления структур с р-ка налом предшествует краткий обзор основных методов, характерных для производства любых крем­ниевых полупроводниковых приборов. В конце главы рассмат­риваются электрические характеристики и технологические ме­тоды, от которых зависит конструкция и процесс получения интегральных схем, изготовляемых средствами различных МДП- технологий.

Базовая технология кремниевых приборов

Кремний стал основным полупроводниковым материалом главным образом потому, что на его поверхности может быть выращена плотная однородная пленка окисла, устойчивая в широком диапазоне изменения температур. Это свойство по­зволяет использовать окисел в качестве селективной маски пря проведении диффузии примесей. Ниже дано описание основных процессов технологии кремниевых приборов.

Исходный кремний, диффузия, окисление

Кремниевые полупроводниковые приборы изготовляются на тонких монокристаллических подложках, называемых пла­стинами. Эти пластины нарезают из цилиндрической заготовки кремния (рис. 3.1) и перед дальнейшей обработкой шлифуют и полируют [1]. В зависимости от размера монокристалла пла­стины могут иметь диаметр от 3 до 10—12 см. Электрические характеристики подложек определяются типом и концентра­цией примесей, вводимых в процессе выращивания кристалла.

Электрические переходы формируются в подложке введе­нием примеси противоположного типа проводимости. Введение примеси осуществляется с помощью процесса диффузии, в результате которой концентрация этой примеси повышается до уровня, превышающего концентрацию легирующей примеси в объеме полупроводника. Переходы можно получить только в заданных местах посредством маскирования достаточно тол­стым слоем двуокиси кремния тех областей на поверхности кремния, которые не подлежат легированию.

Слой окисла выращивается на пластине в окислительной среде кислорода или водяного пара (или того и другого вместе) при повышенной температуре, которая обычно лежит в

Рис. 3.1. Кремниевые пластины

пределах от 900 до 1200° С. Операция проводится в открытых с концов цилиндрических кварцевых трубах, помещенных в специальные «диффузионные печи» с резистивными нагревателями (рис. 3.2). В этих печах обеспечивается точное регулирование температуры (отклонения менее ±1°С) на значительном по длине участке кварцевой трубы, называемом «плоской зоной». Внутри трубы создается избыток окисляющих веществ, которые вводятся с одного конца трубы и свободно выходят на другом. При таких условиях процесс окисления управляется температурой, и в плоской зоне печи можно выращивать однородный слой окисла на большом числе пластин. После того как на пластине с окислом получен требуемый рисунок (для чего используется способ, кратко рассматриваемый ниже), осуществляется диффузия примесей в пластину.

Рис. 3.2. Диффузионные печи

Диффузия примесей обычно выполняется в два этапа [2]. На первом этапе («загонка») примеси вводятся в кремний лишь на небольшую глубину, причем операция проводится примерно так же, как и окисление, но в атмосфере печи теперь имеется газообразное соединение с атомами легирующей примеси, которое покрывает поверхность пластины. Это соединение в свою очередь вступает в реакцию с кремнием и образует обогащенный примесными атомами поверхностный слой, который играет роль источника примесных атомов на втором этапе диффузии («разгонка»)*. На втором этапе диффузия в кремний идет на большую глубину и ее конечная цель — получение заданного распределения концентрации примеси. Обычно операцию диффузии осуществляют в атмосфере инертного газа, но после нее, как правило, проводят окисление, чтобы создать защитный слой над участками поверхности, в которые диффузией вводилась примесь.

Фотолитографическая обработка

Чтобы использовать двуокись кремния в качестве барьера, селективно препятствующего диффузии в определенных местах пластины, надо создать на ней соответствующее покрытие из окисла. Эта задача решается процессом фотолитографии [3], или маскирования. В данном процессе последовательно используются три основных материала: фотолитографическая «маска», или фотошаблон; светочувствительный материал, называемый фоторезистом; кислота для травления двуокиси кремния. Требуемый рисунок переносится с фотошаблона на слой фоторезиста, который в свою очередь защищает определенные области окисла на пластине от воздействия травителя. Вопросы использования этих основных материалов рассматриваются ниже.

*Роль источника примесных атомов на втором этапе диффузии играет тонкий слой кремния у поверхности, содержащий атомы примеси, попавшие в него не в результате реакции, а в результате диффузии на первом этапе.— Прим. ред.

Фотошаблон представляет собой изготовленную фотографическим способом пластину, на которой содержатся многократно повторяющиеся рисунки полупроводниковых структур (рис. 3.3). Процесс изготовления фотошаблонов в типичном случае заключается в следующем. Сначала для каждого уровня схемы, т. е. для каждой требуемой маски, изготавливают рубилитовый** оригинал (разд. 8.4). Затем производится двухступенчатое фотографическое уменьшение рисунка каждого из оригиналов до размеров, которые должен иметь готовый прибор. Поскольку отдельные участки рубилита прозрачны*** для монохроматического света, а другие нет, первоначальное уменьшение выполняется облучением рубилитового оригинала на просвет. В результате этого на высококонтрастной фотопластинке с высоким разрешением получается требуемое изображение. Это изображение уменьшается вторично и одновременно мультиплицируется, так что образуется матрица одинаковых изображений. Положение каждого из изображений матрицы должно выдерживаться в жестких допусках, поскольку от этого зависит совмещение на последующих операциях по изготовлению схем. После второго уменьшения производится контактная печать и получаются окончательные, или рабочие, фотошаблоны. Для рабочих фотошаблонов используют различные, материалы, среди которых наиболее распространенным является фотоэмульсия на стекле. Широко применяются также более долговечные непрозрачные тонкие пленки, например пленки хрома. Рисунки на фотошаблонах могут быть как непрозрачными на прозрачной основе, так и наоборот, что определяется типом используемого фоторезиста, а также и тем, какой материал нужно удалять при последующем травлении.

Второй материал — фоторезист — является стойким к травителю полимером, обладающим фоточувствительностью в тонких слоях. Обычно каплю жидкого фоторезиста наносят на пластину и затем помещают последнюю в центрифугу, где получается однородная пленка. Если резист «негативный», то неполимеризовавшиеся участки могут растворяться некоторыми жидкими проявителями. При контактной печати через соответствующий фотошаблон (рис. 3.4, а) яркий свет вызывает полимеризацию всех участков, кроме тех, которые скрыты под непрозрачными частями фотошаблона.

Напротив, если резист «позитивный», то проявители будут растворять его лишь в тех местах, на которые попал свет. Таким образом, фоторезист в сочетании с соответствующим фотошаблоном позволяет получить устойчивую к действию травителя пленку, которая в свою очередь используется для проведения селективного травления пленки двуокиси кремния (рис. 3.4, б).

**Рубилит — напоминающая целлулоид двухслойная пластмасса. При изготовлении на рубилите рисунка в требуемых местах удаляется верхний слой пластмассы красного цвета и сохраняется нижний бесцветный (прозрачный) слой.- Прим. ред.

***В тех местах, где красный слой удален.— Прим. ред.

Для травления пленки окисла используется раствор плавиковой кислоты HF. Чтобы обеспечить большое постоянство характеристик процесса травления, обычно применяют буферный состав, содержащий фтористый аммоний. Когда пластина с нанесенным на нес рисунком фотосинтеза подвергается действию этого травящего состава, то происходит стравливание всех участков окисной пленки, не защищенных резистом. Для обеспечения возможности проведения, маскирования перед операцией диффузии с участков, в которые должна быть введена примесь, слой окисла полностью удаляется, в результате чего обнажается кремниевая подложка. Сама подложка действию травителя не подвержена (рис. 3.4, в).

Операция травления окисла может потребоваться для проведения дополнительных процессов диффузии, вскрытия контактных окон или уменьшения толщины слоя окисла. Эти повторные операции маскирования нужно выполнять так, чтобы последующие слои располагались точно по отношению к предшествующим. Такое точное расположение обеспечивается методом, который получил название «совмещение фотошаблонов». С помощью установки для совмещения (рис. 3.5), которая состоит из оптического микроскопа и электромеханического следящего привода, можно точно совместить рисунок нужного фотошаблона с рисунком схемы, уже. нанесенным на пластину кремния.

Покрытая фоторезистом пластина затем экспонируется, после чего повторяются операции проявления и травления. Операция совмещения фотошаблонов часто облегчается введением специальных «меток совмещения». Совмещая эти метки, оператор достигает желаемого результата, даже не будучи хорошо знакомым с топологией устройства.