Сведения по технологии получения ИМС

Различают две разновидности (класса) полупроводниковых приборов: биполярные и МДП (МОП) ИМС транзисторов. В технологии получения тех и других используются одинаковые методы и приемы. Поэтому далее будет кратко рассмотрен технологический цикл получения биполярных ИМС и транзисторов. Технология полупроводниковых ИС развилась на основе планарной технологии транзисторов, впитавшей в себя весь предшествующий опыт производства полупроводниковых приборов и достигший больших успехов.

 

Исходные материалы

Полупроводниковые ИС и транзисторы изготавливаются в основном из монокристаллов кремния. Монокристаллы кремния получают методом кристаллизации из расплава (методом Чохральского) или методом зонной плавки [1].

Монокристаллы (слитки) кремния. Монокристаллы кремния, называемые монокристаллическими слитками, для производства ИМС чаще всего получают методом Чохральского. Могут быть получены слитки весом несколько килограмм. Типовой диаметр слитка – 80 мм (может достигать 150 мм). Длина слитка может достигать 1,5 м и более. Но обычно она в несколько раз меньше. При выращивании слитка в расплав, из которого производится кристаллизация слитка, вносят примеси (донорную или акцепторную). Слиток получается с проводимостью типа n или типа p. Примесь равномерно распределена по объему слитка (слиток однороден).

Кремниевые пластины. Исходным материалом для получения ИМС и дискретных транзисторов являются тонкие пластины кремния, которые получают при разрезании слитков кремния. Слитки кремния перпендикулярно продольной оси разрезают на множество тонких пластин толщиной 0,4¸0,5 мм. Эти пластины многократно шлифуют, полируют, промывают, чтобы получить пластины толщиной 200¸300 мкм

(такая толщина не достижима при резке) с очень чистыми ровными поверхностями. Неровность поверхностей готовых пластин не превышает сотых долей микрона. Параллельность поверхностей готовых пластин составляет единицы (и даже доли) микрон на 1 см длины [1].

 

Групповой метод. Планарная технология

В основу получения полупроводниковых приборов (в т.ч. ИС) положены групповой метод и планарная технология, освоенные еще в доинтегральное время при производстве дискретных полупроводниковых приборов.

 

Групповой метод. Сущность группового метода состоит в том, на одной исходной кремниевой пластине (описанной ранее) одновременно изготавливаются множество транзисторов, регулярно расположенных по поверхности пластины. При этом все выводы всех транзисторов должны находиться на этой поверхности. Такую возможность обеспечивает особая планарная технология.

Планарная технология. Эта технология характерна тем, что все рабочие слои и все рабочие выводы (электроды) планарных приборов расположены на одной поверхности кристалла (чипа). Планарный транзистор приведен на рис. 1.2б. Однако на практике планарную технологию принимают более узко как технологический цикл создания кремниевых приборов и ИС с использованием локальной диффузии, эпитаксии и оксидных масок. Этот технологический цикл будет рассмотрен более подробно. После изготовления транзисторов кремниевая пластина – подложка разрезается по вертикали и горизонтали на множество отдельных кристаллов (чипов), содержащих по одному транзистору. Размеры чипов находятся в пределах от 1,5х1,5 мм до 6х6 мм и выше. По мере усовершенствования технологии размеры чипов имею тенденцию к увеличению. Чем больше площадь чипа, тем больше может быть размещено на нем транзисторов. Однако увеличение пощади чипа связанно с существенным увеличением трудностей в технологии [1]. После разрезания чип с транзистором помещают в отдельный герметизированный корпус с внешними выводами. Внешние выводы соединяют с контактной площадкой на чипе. Из готовых транзисторов получают электрическую схему функционального узла, соединяя транзисторы и другие компоненты схемы пайкой.

Идея интеграции состоит в том, что на исходной кремниевой пластине – подложке вместо множества отдельных транзисторов получают множество отдельных "комплектов". Каждый "комплект" содержит все компоненты (транзистора, диоды, резисторы и т.д.), необходимые для построения функционального узла. Эти компоненты соединяются между собой в электрическую схему при помощи напыления на туже поверхность чипа металлических полосок межсоединений (см. рис. 8.2г).вот это и есть интегральная микросхема. Все ИМС тоже регулярно расположены на поверхности подложки (см. рис. 8.2е). Пластина – подложка с ИМС тоже разрезается на множество чипов. Каждый чип содержит одну ИМС. Чип помещается в герметизированный корпус внешними выводами. Микросхема готова. Технология получения дискретных транзисторов и ИМС почти одинакова, за исключением операции нанесения межсоединений в ИМС.

 

Планарно – эпитаксиальный цикл.

Для получения микросхем наиболее удобными оказались тонкие слои кремния, полученные методом эпитаксиального наращивания. Такие слои (пленки) называют эпитаксиальными. При этом весь цикл изготовления микросхем, включая последующие операции, называют планарно – эпитаксиальным. В качестве примера далее рассмотрим цикл изготовления очень простой микросхемы. Электрическая схема этой ИМС приведена на рис. 8.2д.

 

Эпитаксия.

Эпитаксией называют процесс наращивания тонких монокристаллических слоев на подложку, при котором кристаллографическая ориентация наращиваемого слоя повторяет кристаллографическую ориентацию подложки. Для получения микросхем эпитаксиальный слой n – типа наращивается на исходной кремниевой пластине – подложке p – типа, описанной в П.8.2.1. В принципе можно получать эпитаксиальный слой любого типа проводимости на подложке с любым типом проводимости [1]. Однако в силу ряда причин чаще используется эпитаксиальный слой n – типа на подложке p – типа. В общих чертах типовой (хлоридный) процесс происходит в такой последовательности. Готовые монокристаллические кремниевые пластины – подложки p – типа помещают в кварцевую трубу. Через кварцевую трубу протекает поток водорода, содержащий небольшую концентрацию примеси тетрахлорида кремния SiCl₄. при высокой температуре (около 1200 ⁰С) на поверхности кремниевых пластин происходит реакция, в результате которой на пластине – подложке постепенно осаждается слой чистого кремния, а пары HCl уносятся потоком водорода. Осажденный (эпитаксиальный) слой монокристалличен и имеет ту же кристаллографическую ориентацию, что и подложка. Для получения проводимости слоя n – типа к парам тетрахлорида кремния добавляют пары соединений бора. Границы между эпитаксиальным слоем и подложкой не получается идеально резкой. Поэтому очень трудно получить сверхтонкие пленки толщиной менее 1 мкм. Обычно получают эпитаксиальный слой толщиной 1¸10 мкм. Такие тонкие однородные слои невозможно получить другими средствами.