2. Общая схема технологии производства микросхем. Подготовительные операции.

Общая технологическая схема процессов производства полупро­водниковых микросхем (или интегральных схем (ИС)) включает подготовительные процессы, формирование структуры ИС, в том числе межсоединений ее элементов, и заключительные процессы.

К подготовительным процессам относятся изготовление требуемого комплекта фотошаблонов и ряд заготовительных операций: подготовка полупроводниковых подложек (пластин), корпусов ИС и др.

Формирование структуры полупроводниковой ИС происходит по планарно-эпитаксиальной технологии, заключающейся в создании эле­ментов ИС в приповерхностных слоях полупроводниковой пластины с одной (рабочей) стороны при использовании эпитаксиального наращи­вания тонкого слоя кремния и групповой обработки пластин. Причем отдельные процессы групповой обработки, например фотолитография, диффузия примесей, окисление, очистка поверхности пластины, носят циклический характер, т.е. обычно многократно повторяются при синте­зе структуры полупроводниковых ИС и каждая последовательность про­цессов формирует определенную часть структуры ИС. Изменение коли­чества таких последовательностей дает возможность получать полупроводниковые ИС различной сложности. При этом физико-химическая сущность повторяющихся процессов часто остается неиз­менной, а меняются только технологические режимы, фотошаблоны. используемые для фотолитографии, и некоторые материалы технологи­ческих сред*. Формирование структуры ИС заканчивается получением межсоединений элементов и защитой (кроме выводных контактных площадок) полупроводниковой ИС пассивирующим покрытием.

* Под технологической средой следует понимать совокупность технологи­ческих материалов и воздействий, обеспечивающих требуемую реализацию синтеза объекта производства.

Заключительные процессы обычно представляют собой совокуп­ность индивидуальных обработок объекта производства, включая кон­троль функциональных параметров ИС и разбраковку кристаллов, раз­деление пластин на кристаллы, сборку и монтаж кристаллов в корпусах, герметизацию, выходной контроль, механические и климатические ис­пытания, покраску корпусов ИС (при необходимости), маркировку, ла­кировку (при необходимости) и упаковку готовых ИС

Изготовление полупроводниковых подложек

В настоящее время основная часть монокристаллических полупро­водников производится в виде слитков определенного диаметра, яв­ляющихся заготовками в производстве подложек (пластин). Для изго­товления полупроводниковых ИС на биполярных транзисторах с изоляцией элементов обратносмещенными р - п переходами обычно ис­пользуют пластины, получаемые из кремниевых слитков марки КДБ К) (кремний дырочного типа проводимости, с номинальным удельным со­противлением 10 Ом-см, легированный бором), ориентированных по кристаллографическим плоскостям [111) либо [100| Изготовление по­лупроводниковых пластин включает следующие основные технологиче­ские этапы, предварительную подготовку слитка, разделение его на пла­стины, формирование фасок, шлифование пластин, их химическое травление, полирование и очистку.

Предварительная подготовка слитка заключается в калибровке его наружного диаметра до заданного размера способом наружного кругло­го шлифования в несколько проходов алмазными кругами на металли­ческой связке (сначала используют алмазные круги зернистостью 160 -250 мкм. затем 40 - 63 мкм). После калибровки на слитке выполняют также шлифованием (со связанным или свободным абразивом) базовый срез (для базирования пластин на операциях фотолитографии) и допол­нительные срезы (один или два для обозначения кристаллографической ориентации пластин и типа проводимости полупроводниковых материа­лов, причем для слитков марки КДБ 10 с кристаллографической ориен­тацией [111] дополнительные срезы не делают). Ширина базового и до­полнительных срезов и их взаиморасположение регламентированы и зависят от диаметра слитка. После шлифования слиток травят в полирующей смеси азотной, плавиковой и уксусной кислот, удаляя нарушен­ный слой (обычно его толщина составляет 0,2 - 1,0 мм).

Разделение слитков на пластины осуществляется чаще всего резкой алмазными кругами (плоскими, кольцеобразными) с внутренней режу­щей кромкой (для слитков диаметром до 100 мм) либо алмазной беско­нечной ленточной пилой (для слитков диаметром более 100 мм). При резке кремния размер алмазных зерен основной фракции порошка для режущей кромки составляет 40 - 60 мкм. Резку слитка почти всегда ве­дут вдоль определенной кристаллографической плоскости, поэтому пе­ред наклеиванием слитка на оправку на специальном оборудовании оп­тическими или рентгеновскими методами определяют отклонение кристаллографической плоскости от торца слитка.

Снятие фасок с кромок пластин производят: для удаления сколов на острых кромках, возникающих при резке и шлифовании; для предот­вращения возможного образования сколов в процессе проведения опе­раций по формированию структуры ИС. поскольку сколы и острые кромки являются концентраторами напряжений и потенциальными ис­точниками структурных дефектов в пластинах; для предотвращения об­разования на кромках пластин утолщений слоев технологических мате­риалов (например, фоторезистов), которые после затвердевания нарушают плоскостность поверхностей пластин. В производстве чаще всего используют способ формирования фасок профильным алмазным кругом.

Основным назначением шлифования полупроводниковых пластин является исправление погрешностей их геометрической формы после резки. В зависимости от зернистости используемого абразива, режимов обработки и качества получаемой поверхности пластины различают предварительное (черновое) и окончательное (чистовое) шлифование На практике используют шлифование свободным (шлифовальник и аб­разив автономны) и связанным (с применением алмазного круга) абра­зивом

Химическим травлением (обычно двух- или трехкратным для всего технологического цикла изготовления подложек) удаляют нарушенные приповерхностные слои. после чего полируют одну или обе стороны пластин.

Полирование исправляет дефекты геометрической формы пластин, возникающие из-за неравномерности травления. Обычно применяют механическое полирование с использованием абразивов (порошков ал­мазов, оксидов хрома, церия и др.). Некоторые сведения об основных операциях получения кремниевых пластин представлены в

Очистка поверхности полупроводниковых пластин после их изго­товления необходима для удаления твердых включений абразивов, ор­ганических пленок (масел от машинной обработки, жиров, восков и смол. следы которых остаются после креплений слитков, пластин и при различных их обработках), ионных и атомных загрязнений, остающихся на пластинах от инструментов и материалов технологических сред.

Для получения качественных ИС необходимы однородные пласти­ны с поверхностью, свободной от дефектов и загрязнений. Приповерх-ностные слои пластин не должны иметь нарушений кристаллической структуры. Очень жесткие требования предъявляются к геометрическим характеристикам пластин, особенно к их плоскостности, которая имеет определяющее значение при фотолитографии. Основные параметры пластин кремния, выпускаемых отечественной промышленностью, пред­ставлены в табл. 2

Основные этапы планарно-эпитаксиальной технологии

Создание структуры кремниевой ИС на биполярных транзисторах с изоляцией элементов обратносмещенными р - п переходами представля­ет собой простейший вариант реализации планарно-эпитаксиальной технологии, используемой для производства полупроводниковых ИС малой и средней степени интеграции и реже БИС.

Основные этапы планарно-эпитаксиальной технологии включают следующие технологические процессы: подготовку поверхности пластин кремния к выполнению конкретной операции, окисление пластин, фото­литографию, диффузию примесей в кремний (а для БИС может приме­няться сочетание диффузии (диффузионного легирования) и ионного ле­гирования кремния), эпитаксиальное наращивание кремния. формирование одного или нескольких слоев металлизации, нанесение диэлектрических покрытий

Подготовка поверхности пластин (очистка} в планарно-эпитаксиальной технологии осуществляется с целью удаления различно­го рода загрязнений, вносимых из производственной и технологических сред при изготовлении ИС. От степени чистоты поверхности зависят качество выполнения всех операций технологического цикла, параметры и выход годных изделий, а также их эксплуатационная надежность. По­этому очистка поверхности пластин - наиболее многократно повторяю­щийся процесс, обеспечивающий технологически чистую поверхность с содержанием остаточных загрязнений не более 10' - 10'⁹ г/см² при учете требований к чистоте поверхности, которые неодинаковы на разных этапах производственного процесса изготовления ИС. Чтобы обеспечить эффективность и экономичность процесса очистки, надо знать вид и степень загрязнения поверхности, характер влияния загрязнений на объ­ект производства, требования к чистоте поверхности, механизмы про­цессов очистки в различных очистительных средах, методы контроля чистоты поверхности, а также производительность оборудования для очистки.

Вид и степень загрязнения поверхности пластин обычно определя­ются технологическими операциями, предшествующими очистке, а тре­бования к чистоте поверхности - операциями, выполняемыми вслед за ней. Последовательность очистительных операций выбирается в зави­симости от вида загрязнений с учетом обеспечения наиболее полного их удаления и избежания повторного их осаждения на очищенную поверх­ность. Например, если на поверхности имеются молекулярные загрязне­ния типа органических жиров, остатков фоторезиста и др.. придающих поверхности гидрофобные свойства, то их удаляют жидкостной химиче­ской обработкой в первую очередь, иначе они будут препятствовать по­следующей стадии очистки от ионных и атомарных примесей.

В производстве полупроводниковых ИС оптимально сочетается ис­пользование очистительных процессов в жидких, газовых и плазменных технологических средах, при этом механизмы процессов удаления за­грязнений могут быть физическими (механическое удаление), химиче­скими (удаление переводом загрязнения в состояние растворимых либо газообразных соединений с помощью химических реакций при непре­рывном удалении этих соединений из технологических сред), а также комбинированными (присутствуют физический и механический меха" низмы удаления загрязнений, например, при плазмохимической обра­ботке). Материалы для химического и других способов обработки при ведены в табл. П1 и П2.

Окисление пластин кремния (термическое окисление) выполняется с целью создания на их поверхности пленки Si02, используемой на раз­ных стадиях изготовления элементов микросхемы в качестве сплошной, а чаще селективной маски, а остающаяся после изготовления микросхе" мы термически выращенная пленка SiO^ служит для электрической изо­ляции элементов ИС со стороны рабочей поверхности при электриче­ских измерениях и эксплуатации ИС.

3. Подложки микросхем. Требования к подложкам. Применяемые материалы. Классификация способов очистки подложек и их характеристика. Методы контроля чистоты подложек.

   Требования к полупроводниковым подложкам

Полупроводники в виде пластин или дисков, вырезанных из монокристаллов, называются подложками. В их объеме и на поверхности методами травления, окисления, диффузии, эпитаксии, имплантации, фотолитографии, другими технологическими приемами формируются элементы микросхем электронных приборов и устройств.

Качество поверхности подложки определяется ее микрорельефом (шероховатостью), кристаллическим совершенством поверхностных слоев и степенью их физико-химической чистоты. Поверхность подложки характеризуется неплоскостностью и непараллельностью. Высокие требования предъявляются и к обратной — нерабочей стороне подложки. Неодинаковая и неравноценная обработка обеих сторон подложки приводит к дополнительным остаточным механическим напряжениям и деформации кристалла, что обусловливает изгиб пластин.

После механической обработки в тонком приповерхностном слое подложки возникает нарушенный слой. По глубине он может быть разделен на характерные зоны. Для кристаллов Ge, Si, GaAs и других после их резки и шлифования на глубине 0,3...0,5 средней высоты неровностей расположена рельефная зона, в которой наблюдаются одинаковые виды нарушений и дефектов монокристаллической структуры: монокристаллические сколы, невыкрошившиеся блоки, трещины, выступы и впадины различных размеров. После резки дефекты располагаются в основном под следами от режущей кромки алмазного диска в виде параллельных дорожек из скоплений дефектов, в шлифованных кристаллах — равномерно по сечению. При полировании первый слой представляет собой поверхностные неровности, относительно меньшие, чем при шлифовании, и в отличие от шлифованной поверхности он является аморфным. Второй слой также аморфный, его глубина в 2...3 раза больше, чем поверхностные неровности. Третий слой является переходным от аморфной структуры к ненарушенному монокристаллу и может содержать упругие или пластические деформации, дислокации, а в некоторых случаях и трещины. В процессе обработки и подготовки поверхности подложек полупроводников необходимо создание совершенных поверхностей, имеющих высокую степень плоскопараллельности при заданной кристаллографической ориентации, с полным отсутствием нарушенного слоя, минимальной плотностью поверхностных дефектов, дислокаций и т.д. Поверхностные загрязнения должны быть минимальными.

Метод чохральского позволяет получать монокристаллы кремния путем вытягивания из расплава кристаллической затравки.

Расплав полупроводника смачивает затравку и удерживается на ней за счет сил поверхностного натяжения. Монокристалл растет при этом со скоростью 80мм час. Кроме кремния в микроэлектронике для изготовления ИМС используют – монокриссталлы германия, арсенида галлия, сапфира, рубина и др.

Кремний обладает алмазо подобной кубической криссталич решеткой, каждый атом кремния имеет 4ре ближайших атома на расстоянии 0.23 нм.

Резку монокристалла осуществляют абразивными дисками с режущей кромкой покрытой алмазной крошкой. В результате получают пластины 120 до 170 мм с базовым срезом для ориентировки по кристалла графическому направлению. Толщина пластин 0.25 – 0.5 мм. Затем пластину шлифуют травят и полируют.

ПОДЛОЖКИ ДЛЯ ГИМС это прямоугольные диэлектрические пластины выполненные из сеталла керамики стекла поликор - подложка как правило имеет размеры 60на48 и толщину 0,5 0,6 мм