Книга
← К списку книгЗагрузка разделов…
активнаАктивные записи участвуют в каталоге и синках. Неактивная книга скрыта, но не удалена из базы.
Книга
КНИГАКНИГАТЕХНОЛОГИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ И ИЗДЕЛИЙ МИКРОЭЛЕКТРОНИКИ
КНИГА
КНИГА
ОБЩАЯ ТЕХНОЛОГИЯ
Допущено Государственным комитетом СССР по народному образованию в качестве учебника дли профессионально-технических училищ
МОСКВА «ВЫСШАЯ ШКОЛА»МОСКВА «ВЫСШАЯ ШКОЛА»1₽8Фияотс?п С П Т У № 59г. 1<£ОО}«Д
МОСКВА «ВЫСШАЯ ШКОЛА»
МОСКВА «ВЫСШАЯ ШКОЛА»
Инв. № -Л/ И
ББК 31.233
Т38
УДК 621.382
И.Я. Козырь, Ю.И. Горбунов,Ю.С. Чернозубов, А.С. Пономарев
Рецензенты: канд. техн, наук И.Л. Малышева, прсп. В.Б. Журавлев
Технология полупроводниковых приборов и изделий Т38 микроэлектроники. В 10 кн.: Учебник для ПТУ. Кн. 1. Общая технология/И.Я. Козырь, Ю.И. Горбунов и др. — М.: Высш, шк., 1989. — 223 с.: ил.
ISBN 5-06-000303-5
В книге рассмотрены основные направления развития микроэлектроники, описаны технологические процессы производства полупроводниковых приборов и ИМС, особенности изготовления индикаторных устройств. Особое внимание уделено автоматизации и роботизации технологических процессов, качеству и надежности изделий микроэлектроники, электронно-вакуумной гигиене, организации производства.
ББК 31.2336Ф.32ББК 31.2336Ф.32т 2302030700(4307000000) -476 gg
ББК 31.233
6Ф.32
ББК 31.233
6Ф.32
ISBN 5-06-000303-5ISBN 5-06-000303-5052 (01)-89
ISBN 5-06-000303-5
ISBN 5-06-000303-5
© Коллектив авторов, 1989
ПРЕДИСЛОВИЕ
Интенсивное развитие современной науки и техники невозможно представить без электроники и одной из ведущих ее областей - микроэлектроники. Изделия электроники и микроэлектроники широко применяются в вычислительной технике и радиолокации, технике связи, промышленности и сельском хозяйстве, медицине и бытовых приборах.
Элементной базой современной электронной аппаратуры являются полупроводниковые приборы и интегральные микросхемы (ИМС), изготовление которых за сравнительно короткое время стало самостоятельными производствами.
Современный рабочий, занятый изготовлением полупроводниковых приборов и ИМС, должен хорошо знать их конструктивно-технологические особенности, разбираться в физико-химических свойствах используемых материалов, выполнять технологические операции в необходимой последовательности и на соответствующем оборудовании, уметь контролировать и регулировать параметры технологических процессов.
Серия учебных пособий ’’Технология полупроводниковых приборов и изделий микроэлектроники” предназначена для подготовки в профессионально-технических училищах квалифицированных рабочих по прецизионной механической обработке полупроводниковых материалов, вакуумно-напылительным, диффузионным, эпитаксиальным и фотолитографическим процессам, изготовлению фотошаблонов, а также сборке и испытанию полупроводниковых приборов и ИМС, наладке технологического и испытательного оборудования.
Серия учебных пособий ’’Технология полупроводниковых приборов и изделий микроэлектроники” состоит из 10 книг:
книга 1. ’’Общая технология”;
книга 2. ’’Материалы”;
книга 3. ’’Полупроводниковые приборы и интегральные микросхемы”;
книга 4. ’’Механическая и химическая обработка”;
книга 5. ’’Термические процессы”;
книга 6. ’’Нанесение пленок в вакууме”;
книга 7. ’’Элионная обработка”;
книга 8. ’’Литографические процессы”;
книга 9. ’’Сборка”;
книга 10. ’’Контроль качества”.
Настоящая книга открывает серию и является учебником, в котором изложены основные сведения о полупроводниковых приборах и интегральных микросхемах с учетом технологии
3
их изготовления, рассмотрены физико-химические основы и типовые схемы важнейших технологических процессов, конструктивно-технологические особенности индикаторных устройств. В учебнике нашли также отражение вопросы качества и надежности полупроводниковых приборов и интегральных микросхем, специфика организации их производства, основные тенденции и перспективы развития полупроводниковой и микроэлектронной технологии.
Авторы благодарны рецензентам, замечания и советы которых способствовали улучшению содержания книги.
Все отзывы и предложения просим направлять по адресу: 101430, Москва, ГСП-4, Неглинная ул., 29/14, издательство ’’Высшая школа”.
Легоры
ВВЕДЕНИЕ
Электроника — это прежде всего наука о процессах, происходящих с электронами в вакууме, газах, жидкостях и твердых телах. Вместе с тем электроника — это и область техники, в которой взаимодействия электронов с электромагнитными полями используются для преобразования электромагнитной энергии, создания электронных приборов, а также устройств передачи, обработки и хранения информации. Электроника исследует эти взаимодействия как в макрообьемах — рабочем пространстве электронных приборов, так и в микрообьемах — атомах, молекулах или кристаллической решетке.
Принято считать электронику наукой XX века. Однако ее корни уходят в середину XIX века, когда разрабатывалась термодинамика — наука, изучающая законы преобразования энергии. Вслед за этим был открыт ряд эффектов, которые легли в основу создания фотоэлементов, детекторов, диодов, транзисторов и других электронных приборов. К .таким эффектам относятся изменение сопротивления столбика селена под воздействием света, возникновение электродвижущей силы на его концах при освещении, односторонняя проводимость заостренной металлической проволочки при ее контакте с сульфидами некоторых металлов и, наконец, термоэлектронная эмиссия, открытая Т.А. Эдисоном в 1883 г.
Развитие электроники можно разделить на пять этапов.
Первый этап начался в конце XIX столетия, после того как на заседании Русского физико-химического общества 7 мая 1895 г. А.С. Попов продемонстрировал прибор, по существу явившийся первым в мире радиоприемником. Этот день можно считать не только днем рождения радио, но и электроники. Устройства, которые начали применять в это время, были предназначены для передачи и приема электрических сигналов и состояли из сопротивлений (резисторов), конденсаторов, катушек индуктивности и других пассивных элементов.
Второй этап, часто называемый ’’эрой электронных ламп”, наступил в начале XX в. после изобретения в 1904 г. Дж. Флемингом вакуумного диода, а в 1906 г. Л. Форестом — триода, которые были первыми активными элементами, позволяющими преобразовывать и усиливать электрические сигналы.
В эти же годы русский физик А.Г. Столетов провел исследования, которые легли в основу создания фотоэлектронных умножителей, телевизионных трубок и др. В 1907 г. сотрудник технологического института Санкт-Петербургского университета Б .Л. Розинг разработал телевизионную систему. Эта работа бы-
5
ла продолжена одним из его учеников В.К. Зворыкиным в США, где в 1923 г. он изобрел передающую трубку иконоскоп, а год спустя - кинескоп. В 1918-1925 гг. в Нижегородской лабо- Stop™ - первом радиотехническом научно-исследовательском нашей страны плодотворно работал М.А. Бонч-Бруевич, КОТОРЫЙ в 1919 г. опубликовал основы теории и расчета радиоламп В 1921 г. совместно с сотрудниками им были разработаны мощные генераторные лампы для радиопередатчиков, используемых в системах дальней радиосвязи и радиовещания.
С этого времени электронные лампы становятся основной элементной базой. На них создаются генераторы, передатчики, усилители, выпрямители, радиоприемники и, наконец, в середине 40-х годов — первые электронные вычислительные машины (ЭВМ). Функциональное усложнение электронных устройств привело к применению большого количества элементов (ламп, резисторов, конденсаторов и др.), резко увеличило их массу и габариты и снизило надежность. Так, в отечественных ЭВМ ’’Урал” насчитывалось около 1000 электронных ламп, каждая из которых выходила из строя примерно через 50 ч. Вычислительные машины типа БЭСМ содержали по 5—6 тыс. ламп, и количество их предполагалось довести до 10 тыс., что сокращало время безотказной работы ЭВМ до 5 ч.
Ограниченные возможности электронных ламп, необходимость улучшения функциональных характеристик различных электронных устройств, снижения их массы и габаритов, а также повышения надежности в жестких условиях эксплуатации потребовали разработки новых материалов, совершенствования технологии и привели к созданию принципиально новых элементов.
Третий этап развития электроники начался в 1948 г. с изобретением В. Шокли, Д. Бардином и У. Браттейном транзистора — полупроводникового прибора, предназначенного для усиления, генерирования и преобразования электрических колебаний различных частот и ставшего основой радиоэлектронной аппаратуры.
Следует отметить, что возникновению и развитию полупроводниковой электроники во многом способствовали работы русских и советских ученых. Еще в 1874 г. А.С. Поповым были обнаружены выпрямительные свойства контактов между металлами и их сернистыми соединениями, обладающими полупроводниковыми свойствами. В 20-е годы советский радиофизик О-В. Лосев сконструировал и изучил кристаллические полупроводниковые детекторы и экспериментально доказал существование в детектирующем контакте слоя, обладающего вентильными свойствами, т.е. наличие р-п перехода. В 1922 г. он открыл 6
усилительные свойства детектора и первый в мире создал полупроводниковый высокочувствительный радиоприемник-кристадин. В дальнейшем Б.И. Давыдовым была предложена теория процессов, происходящих в области контакта полупроводника с металлом, объясняющая выпрямляющие свойства полупроводников.
Систематическое изучение свойств полупроводников началось в нашей стране еще в 30-е годы. Под руководством академика А.Ф. Иоффе с 1928 г. в Ленинградском физико-техническом институте группой советских ученых исследовались полупроводники и были разработаны на их основе термо- и фотоэлектрические приборы.
Малые размеры и большая надежность полупроводниковых приборов, низкая потребляемая мощность и высокий кпд обусловили их широкое применение в радиоэлектронной аппаратуре и электронно-вычислительных устройствах.
Разработка и развитие в 1954—1959 гг. диффузионной технологии, оксидного маскирования и фотолитографии позволили в значительной степени усовершенствовать транзисторы, улучшить их параметры. Наряду со снижением стоимости в первые годы производства транзисторов их надежность в среднем повышалась в 10 раз каждые четыре года и за 20 лет возросла в 100 тыс. раз.
Появление малогабаритных активных элементов потребовало создания аналогичных пассивных. Так, размеры резисторов и конденсаторов уменьшились в 50—70 раз. Вместе с тем характерной чертой радиоэлектронной аппаратуры, создаваемой на основе малогабаритных элементов и приборов, является сложность сборки устройств и систем, состоящих из нескольких тысяч электрорадиоэлементов. Так, ЭВМ, разработанные в конце 50-х годов, содержали около 100 тыс. диодов и 25 тыс. транзисторов. Поэтому для повышения надежности радиоэлектронных устройств необходимо было обеспечить качество сборочно-монтажных работ.
Четвертый этап развития электроники — разработка и производство в 1958—1960 гг. интегральных микросхем — связан с планарной и пленочной технологиями, позволившими значительно уменьшить размеры элементов с десятков микрометров до единиц микрометра и решить проблему надежности межэлементных соединений. В этот период развивается микроэлектроника — область электроники, занимающаяся исследованием, конструированием, изготовлением и применением электронных функциональных устройств микроминиатюрного интегрального исполнения.
Микроминиатюризация — это не только уменьшение объема 7
и массы изделий, но и создание таких устройств, принципы действия которых основаны на новых физических явлениях. Интеграция предусматривает объединение как определенного количества элементов в заданном объеме (не менее пяти в 1 см3), так и новых технологических методов формирования этих элементов и микросхемы в целом.
Интегральные микросхемы в настоящее время являются основой радиоэлектронной аппаратуры.
Пятый этап характеризуется разработкой устройств функциональной электроники. Если в интегральных микросхемах объединяется большое количество элементов, то в функциональных интегрируются магнитные, оптические, термоэлектрические и другие объемные и поверхностные физические эффекты. В функциональных микросхемах трудно или невозможно выделить отдельные элементы, эквивалентные традиционным (транзисторам, диодам, конденсаторам, катушкам индуктивности). Классическим примером устройства функциональной электроники является кварцевый резонатор, служащий для частотной селекции (избирательности).
Функциональная микроэлектроника — перспективное направление развития электроники.
Несмотря на то что различные диоды, транзисторы, а также ИМ С и устройства функциональной электроники отличаются по конструктивным и функциональным признакам, все технологические процессы их изготовления основаны на чередовании ряда однотипных операций. Такими операциями являются: ориентация и резка слитков полупроводниковых материалов на пластины; механическая и химическая обработка пластин; создание на их поверхности слоев диоксида или нитрида кремния; эпитаксиальное наращивание слоев полупроводниковых материалов (кремния, германия, арсенида или фосфида галлия и др.); диффузия и ионная имплантация; осаждение тонких металлических пленок; литографическая обработка; сборка, герметизация, контроль, испытания, маркировка и упаковка готовых изделий.
Описанию основных технологических процессов изготовления полупроводниковых приборов и интегральных микросхем посвящена настоящая книга.
ГЛАВА ПЕРВАЯ
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ПРИБОРЫ И ИНТЕГРАЛЬНЫЕ МИКРОСХЕМЫ
ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ
Полупроводниковые приборы - это обширный класс электронных устройств, предназначенных для выпрямления переменного тока, преобразования частот, усиления и генерации электрических сигналов. Кроме того, одни полупроводниковые приборы служат для регистрации излучений (светового, инфракрасного, радиоактивного) или преобразования лучистой энергии в световую, а другие играют роль источников световых потоков н сигналов. Полупроводниковые приборы используются также для прямого преобразования тепловой энергии в электрическую, термостатирования и охлаждения сред.
По конструктивно-технологическим признакам полупроводниковые приборы подразделяют на диоды, транзисторы, тиристоры, преобразователи лучистой энергии н приборы без р-п перехода.
Диоды — это полупроводниковые приборы с одним р-п переходом н двумя выводами. В зависимости от назначения н материалов, из которых их изготовляют, диоды делятся на выпрямительные (для выпрямления тока низкой частоты — до 50 кГц), импульсные ( длительность импульса тока от 10-6 до 10“9 с), высокочастотные (от 50 кГц до сотен мегагерц), сверхвысокочастотные — СВЧ-диоды (выше 1 ГГц), туннельные (основанные на туннельном механизме переноса носителей заряда через р-п переход), варикапы (используемые в качестве конденсаторов с электрически управляемой емкостью) и стабилитроны (для стабилизации напряжения).
Транзисторы — это полупроводниковые приборы с двумя или более р-п переходами, предназначенные для усиления и генерации электрических сигналов. В зависимости от характера движения носителей заряда транзисторы делятся на бездрейфовые и дрейфовые (перенос неосновных носителей заряда происходит соответственно посредством диффузии н под действием электрического поля), а также полевые (перенос основных носителей заряда происходит через проводящий канал, управляемый электрическим полем).
По рассеиваемой в определенном диапазоне частот мощности транзисторы подразделяют на маломощные (до 0,3 Вт), средней (0,3-1,5 Вт) и большой (более 1,5 Вт) мощности. Транзисторы, работающие при частотах до 3 МГц, называют 9
низкочастотными, при 3-30 МГц — среднечастотными, свыше 30 МГц — высокочастотными.
Тиристоры — это переключающие приборы, имеющие многослойную р-п-р-п структуру. Тиристоры могут быть неуправляемыми (диодные) и управляемыми (триодные).
Преобразователи лучистой энергии - это полупроводниковые приборы, изменяющие свое электрическое сопротивление, создающие фототок или усиливающие его под действием светового потока. К ним относятся фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы и оптроны.
Приборы без р-п перехода — это устройства, принцип действия которых основан на использовании объемных свойств полупроводникового материала. Так, сопротивление варисторов с увеличением приложенного напряжения уменьшается, а терморезисторов (в зависимости от их типа) при повышении температуры как уменьшается, так и увеличивается.
Интегральные микросхемы (ИМС) — это микроэлектронные изделия, выполняющие функции преобразования и обработки сигналов и имеющие высокую плотность упаковки электрически соединенных элементов, компонентов, кристаллов или их сочетаний. Интегральная микросхема представляет собой единое целое. Иногда интегральные микросхемы называют интегральными схемами или просто микросхемами.
Составной частью ИМС являются элементы, которые выполняют роль электрорадиоэлементов (транзисторов, резисторов и др.) и не могут быть выделены как самостоятельные изделия. При этом активными называют элементы ИМС, выполняющие функции усиления или другого преобразования сигналов (диоды, транзисторы и др.), а пассивными — элементы, реализующие линейную передаточную функцию (резисторы, конденсаторы, катушки индуктивности).
В отличие от элементов компоненты ИМС являются самостоятельными изделиями. Части полупроводниковых пластин (заготовок из полупроводниковых материалов), в объеме и на поверхности которых сформированы элементы ИМС, а также соединения между ними и контактные площадки, называют кристаллами.
Электронную аппаратуру, выполненную на основе изделий микроэлектроники, называют микроэлектронной. Повышение надежности микроэлектронной аппаратуры по сравнению с аппаратурой на дискретных элементах объясняется значительным уменьшением в ней количества сварных и паяных соединений, использованием материалов высокой степени частоты и специальных технологических приемов и методов, позволяющих формировать элементы и ИМС в идентичных условиях. Каждая 10
ИМС надежно защищена от внешних воздействий прочным и герметичным корпусом или покрытием. Интегральные микросхемы позволяют создавать электронные функциональные блоки и узлы, которые выдерживают большие механические нагрузки и имеют в 100 раз и более меньшие габариты и массу, чем аналогичные устройства на дискретных приборах. Это связано с весьма малыми размерами элементов ИМС (единицы и десятые доли микрометра). Малые габариты ИМС и низкая потребляемая мощность позволяют выполнять комплексную миниатюризацию других элементов электронной аппаратуры (переключателей, разъемов, трансформаторов и катушек индуктивности).
В настоящее время наибольшее распространение получили два метода создания микросхем.
При первом методе локальным воздействием (диффузией, ионным легированием или др.) микроучасткам полупроводниковой пластины придают свойства, которыми обладают соответствующие электро радио элементы (транзисторы, диоды и др.). Соединением микроучастков между собой в соответствии с заданной электрической схемой получают полупроводниковые ИМС. Интегральные микросхемы, все элементы и межэлементные соединения которых выполнены в объеме и на поверхности полупроводника, называют полупроводниковыми.
При втором методе послойным нанесением пленок различных материалов (испарением, распылением) на твердом основании формируют микроэлементы, межэлементные соединения и микросхемы в целом. Интегральные микросхемы, все элементы и межэлементные соединения которых выполнены в виде пленок, называют пленочными.
Комбинированием этих методов, которые не являются конкурирующими, а дополняют друг друга, на диэлектрических основаниях получают ИМС, состоящие из пленочных пассивных элементов и активных компонентов или кристаллов. Интегральные микросхемы, выполненные на диэлектрическом основании и содержащие кроме элементов компоненты и кристаллы, называют гибридными.
Комбинированием полупроводниковой и пленочной технологии получают также совмещенные ИМС. Интегральные микросхемы, в объеме полупроводникового основания которых формируют все активные и некоторые пассивные элементы, а остальные пассивные элементы создают на поверхности, называют совмещенными.
Применение ИМС в различной радиоэлектронной аппаратуре привело к созданию микросборок (МСБ). Микро злектрон- 11
ные изделия, предназначенные для выполнения определенных функций и состоящие из элементов, компонентов, корпусных и бескорпусных ИМС, называют микросборками. Микросборки повышают степень миниатюризации электронной аппаратуры. С этой же целью применяют микроблоки — микроэлектронные изделия, которые кроме микросборок дополнительно содержат ИМС и дискретные приборы.
Изделия микроэлектроники подразделяют на следующие группы:
ИМС (в том числе СВЧ ИМС), БИС и МСБ;
функциональные приборы, не имеющие аналогов электрорадиоэлементов;
микрокомпоненты, предназначенные для монтажа и сборки микроэлектронных изделий первых двух групп в блоки и устройства. К ним относятся многослойные печатные платы, гибкие кабели, электрические соединители, микропереключатели, кнопки, индикаторы и др. Так как по конструктивным параметрам и надежности эти изделия должны быть близки к ИМС и функциональным приборам, при их изготовлении используют технологические приемы микроэлектроники.
ОСНОВНЫЕ ЭТАПЫ РАЗВИТИЯ МИКРОЭЛЕКТРОНИКИ
В конце 40-х — начале 50-х годов практически одновременно были разработаны три конструктивно-технологических варианта ИМС: толсто- и тонкопленочные гибридные и полупроводниковые.
Условно толсто- и тонкопленочными гибридными называют интегральные микросхемы, толщина пленочных элементов которых соответственно составляет более 1 мкм и менее 1 мкм.
Прообразом гибридных ИМС являются печатные платы, на поверхности которых проводники размещены в соответствии с заданной электрической схемой и изготовлены групповым методом локальным (выборочным) стравливанием медной фольги с диэлектрического (текстолитового или гетинаксового) основания. Несмотря на то что применение печатных плат не решало задач миниатюризации и создания элементов схем, не используя их, трудно было повысить надежность межэлементных соединений.
В основу изготовления первых толстопленочных схем была положена отработанная технология производства керамических конденсаторов методом нанесения паст через специальный трафарет на керамические основания. После нанесения паст, которые состояли из смесей порошков серебра и стекла в органическом связующем, их термообрабатывали (вжигали). Возмож- 12
иость формирования на одной подложке нескольких соединенных между собой конденсаторов и резисторов позволила создавать пассивные RC-схемы. Заготовку, предназначенную для формирования на ней элементов, межэлементных соединений и контактных площадок гибридных и пленочных ИМС, называют подложкой.
Термин "интегральные микросхемы” появился в конце 60-х — начале 70-х годов, после того как в состав толстопленочных схем были введены дискретные пассивные и активные компоненты (резисторы, конденсаторы, диоды и транзисторы). Так были созданы толстопленочные гибридные ИМС.
Параллельно разрабатывались тонкопленочные гибридные ИМС, основным отличием которых от толстопленочных является формирование пассивных элементов, межсоединений и контактных площадок в виде тонких пленок. Так как к этому времени были исследованы зависимости давления паров всех металлов и большинства оксидов от температуры, появилась возможность изготовления на диэлектрических подложках проводников, резисторов и конденсаторов контролируемым испарением веществ и последующим осаждением их через специальные маски. Групповой метод формирования проводников на печатных платах (локальным травлением) позволил аналогично изготовлять резистивные и проводящие элементы ИМС. При этом резистивную и проводящую пленки напыляют на всю поверхность подложек, после чего стравливают с участков, где металлизация не нужна, формируя таким образом токопроводящие дорожки. Затем с отдельных участков этих дорожек избирательно стравливают проводящий слой и создают между проводниками резистивные участки (резисторы).
Применение пленочной технологии (в первую очередь, тонкопленочной) и методов прецизионного формирования токопроводящих дорожек фотолитографией и избирательным травлением, а также групповых методов обработки полупроводниковых подложек в значительной степени способствовало разработке и совершенствованию полупроводниковых ИМС. Так, в конце 50-х годов групповой метод начали применять для изготовления дискретных транзисторов. При этом, напри- 7 мер, диффузией в объеме полупроводниковых пластин крем- ^ ния или германия одновременно создавали множество р-п пе- ^'реходов, т.е. большое количество транзисторов, затем пласти- 4 ны разрезали на отдельные кристаллы, содержащие по одному № транзистору. Такие приборы (в корпусе или без него) можно V было использовать в электронной аппаратуре.
13
Не менее важной для развития изделий микроэлектроники является планарная технология, с помощью которой в I960 г. были получены первые кремниевые интегральные микросхемы с электрическими связями только на одной стороне полупроводниковой подложки. В выпускавшихся до этого ИМС электрические контакты располагались с двух сторон подложек, поэтому производство таких ИМС было весьма трудоемко. Планарная технология позволила также изолировать друг от друга элементы в кристалле.
Таким образом, пленочная и планарная технологии, а также групповые методы применялись до освоения интегральных микросхем, что создало определенные предпосылки для развития микроэлектроники, которое можно подразделить на пять этапов.
Первый этап — начало 60-х годов — характеризуется созданием очень простых ИМС с 10-100 элементами в кристалле, минимальные размеры которых были около 100 мкм.
Показателем сложности ИМС является степень интеграции К = lgN, которая определяется количеством N элементов и компонентов и при расчете округляется до ближайшего большего числа.
На первом этапе появляются ИМС малой (МИС) и средней (СИС) степени интеграции (соответственно К = 1, JV< 10 и К = 2,10<.y < 102).
Второй этап — конец 60-х — начало 70-х годов — характеризуется созданием первых больших интегральных микросхем (БИС), являющихся ИМС третьей степени интеграции (А? = 3, 102 <^< 103) и имеющих элементы, размеры которых составляют от 100 до 3 мкм.
Третий этап— конец 70-х годов — характеризуется интенсивным освоением БИС четвертой степени интеграции (К = 4,103 <^< 104), размеры элементов которых составляют до 1 мкм.
Четвертый этап— начало 80-х годов — характеризуется разработкой сверхбольших интегральных микросхем (СБИС) пятой степени интеграции (К = 5, 104 < W < Ю5), размеры элементов которых составляют до 0,1 мкм.
Пятый этап (современный) характеризуется появлением СБИС шестой степени интеграции (К = 6,10s <N < 106). Кроме того, разрабатываются и выпускаются БИС и СБИС, выполняющие по заданной программе строго определенные функции (например, ввод и вывод информации, ее хранение и др.) и являющиеся основой микроЭВМ. Такие БИС и СБИС называют микропроцессорами.
ОСОБЕННОСТИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ и имс
Сложность изделий микроэлектроники, их чрезвычайно высокая чувствительность к микроскопическим дозам загрязнений и невозможность устранения брака после выполнения большинства технологических операций выдвигает специфические требования к качеству исходных материалов, применяемой технологии изготовления, точности работы оборудования. Во многих случаях требования, предъявляемые к совершенству проведения технологических операций и точности работы оборудования, являются предельно достижимыми при современном уровне развития техники.
Материалы. Для изготовления пассивных и активных элементов микроэлектронных изделий широко используют полупроводниковые материалы, проводящие и резистивные металлы и сплавы, диэлектрики, фоторезисты, диффузанты, химические реактивы и газы, а также различные конструкционные материалы. В связи с уменьшением размеров элементов и повы- шснием степени интеграции ИМС, т.е. стремлением разместить все большее количество элементов на минимальной площади и в минимальном объеме, требования к материалам непрерывно повышаются. Так, для изготовления полупроводниковых приборов и ИМС используют материалы, содержание посторонних примесей в которых не должно превышать 10~8 —10“9 мас.%, а также имеющие низкую плотность дислокаций (дефектов кристаллов), заданный уровень легирования, постоянный стехиометрический состав (соответствие химической формуле).
В современной микроэлектронике применяют более 500 различных основных и вспомогательных материалов в виде газов, жидкостей, растворов, гелей, золей, поли- и монокристаллов, порошков, гранул и др. Используемые материалы должны быть химически совместимыми не только в готовых изделиях, эксплуатируемых при нормальных температурах, но и во всем диапазоне рабочих температур при технологической обработке.
Очень важен также контроль электрофизических параметров материалов. Так, пригодность полупроводниковых материалов для изготовления ИМС в основном определяется их оптическими, термическими и термоэлектрическими свойствами, зонной структурой, а также шириной запрещенной зоны и энергией ионизации примесных атомов. Для примера в приложениях 1 и 2 приведены параметры кремния и энергия ионизации атомов примесей в Ge и Si.
Технология. Особенностью производства полупроводниковых приборов и изделий микроэлектроники является сложность 15
их технологической реализации. Так, если процесс формирования необходимых областей в полупроводниковом кристалле при изготовлении различных типов полупроводниковых приборов последовательно осуществляется на 40—50 операциях, то для производства современных ИМС требуется до 400 операций. При этом группа подложек обрабатывается три-четыре недели и брак, допущенный на отдельных операциях, как правило, не может быть исправлен, дефекты суммируются и, накапливаясь, приводят к браку изделий. Поэтому при производстве полупроводниковых приборов и ИМС необходимо строго соблюдать технологическую дисциплину (поддерживать параметры процессов на заданном уровне).
Рассматривая особенности электронной технологии, надо отметить следующее. Диффузионные процессы отличаются большой длительностью (30—40 ч) и крайне ограниченными возможностями эффективного контроля.
Разнотипные (химические, оптико-механические и физикотермические) операции плохо стыкуются между собой. Кроме того, отсутствие в некоторых случаях эффективного межоперационного контроля снижает процент выхода годных полупроводниковых приборов и ИМС, затрудняет автоматизацию их производства. При выполнении операций фотолитографии возникает необходимость многократного механического совмещения фотошаблонов, что ограничивает ширину линий и зазоров до 3—10 мкм.
Технологические процессы изготовления полупроводниковых приборов и ИМС обычно разделяют на три группы:
нанесение веществ в виде слоев или пленок на поверхность подложек;
удаление вещества с поверхности подложек;
перераспределение атомов (ионов) примесей между внешней средой и поверхностью или объемом подложек.
При процессах первых двух групп изменяется только геометрия подложек, а третьей — состав, свойства и структура их внутренних областей без существенного изменения геометрических размеров.
Оборудование. Технологическое оборудование должно обеспечивать режимы в пределах заданных допусков и поэтому обладать высокой точностью. Требования, предъявляемые к точности работы оборудования, можно проиллюстрировать на примере оптико-механических установок. Для создания на поверхности полупроводниковых подложек диаметром 100—120 мм нескольких миллионов элементов различных геометрических размеров и конфигурации применяют фотошаблоны, с помощью которых формируют маски для последовательного проведения 16
процессов диффузии, ионного легирования и нанесения металлизации. При изготовлении фотошаблонов и совмещении каждого доследующего из них с ранее нанесенным на полупроводниковую подложку рисунком точность работы оптико-механического оборудования должна составлять десятые доли микрометра. Поэтому оптическая часть оборудования, разработанного специально для изготовления полупроводниковых приборов и ИМС, характеризуется сверхвысокой разрешающей способностью, достигающей 1000—1200 линий/мм. Такой точностью В настоящее врем не обладает никакое другое оборудование.
Размеры элементов современных изделий микроэлектроники, достигающие 1 мкм.по мере дальнейшего развития технологии будут уменьшаться до нескольких десятых долей микрометра. Такие размеры называют субмикронными. Создавать элементы субмикронных размеров довольно трудно из-за влияния дифракции светового излучения, используемого при проведении фотолитографии. Использование вместо световых лучей рентгеновских или электронных, которые могут фокусироваться с точностью до десятых и сотых долей микрометра, позволяет устранить дифракцию.
Механическая обработка исходных полупроводниковых пластин должна осуществляться так, чтобы микровыступы и микровпадины на поверхности были сравнимыми с размерами атомов материала. Неплоскостность подложек не должна превышать 1 мкм.
Высокие требования предъявляют к термическому оборудованию, на котором выполняются высокотемпературные операции окисления, диффузии и эпитаксии. Так, при нанесении полупроводниковых и диэлектрических слоев, обладающих заданными электрофизическими, химическими и механическими свойствами, точность поддержания температуры 1000—1250 °C должна составлять ± 0,5 °C. Кроме того, для конкретных типов полупроводниковых приборов и ИМС должны быть рассчитаны и экспериментально оптимизированы параметры технологических режимов. Для стабилизации и поддержания с заданной точностью таких параметров технологических процессов, как температура, скорость введения технологических сред (газов, реактивов), их дозированная подача, длительность технологического цикла и отдельных его частей, используют различные датчики, расходомеры, таймеры и электронные приборы.
ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ ДОКУМЕНТАЦИЯ
Производство полупроводниковых приборов и ИМС состоит из следующих основных этапов:
отработки технологических операций, позволяющих обеспечить высокое качество выпускаемых изделий;
разработки технологических маршрутов, а также моделирования технологических процессов с целью их оптимизации;
нормирования, т.е. определения трудоемкости операций и расчета норм расхода материалов;
конструирования и изготовления технологического специального и вспомогательного оборудования, а также оснастки.
Важнейшим этапом является разработка технологического маршрута изготовления изделий. Технологический маршрут — это последовательность выполнения технологических операций обработки полупроводниковых подложек при изготовлении полупроводниковых приборов или ИМС данного типа. Каждый входящий в маршрут технологический процесс оформляется технологической документацией, содержащей его подробное описание и отражающей методы, средства и порядок проведения отдельных операций и технологического процесса в целом.
Комплект технологической документации, необходимой для организации производства полупроводниковых приборов и ИМС, должен содержать: технологическую спецификацию, карты (маршрутные, операционные, эскизов), технологические инструкции, а также ведомости материалов и операций. Если необходимо, комплект технологической документации может быть дополнен ведомостями оборудования, оснастки, тары и др.
Технологическая спецификация составляется на каждое изделие (прибор или ИМС) и содержит перечень маршрутных карт изготовления входящих в него деталей, сборки изделия, а также его упаковки. Кроме того, в технологической спецификации перечисляются ведомости материалов, оборудования, оснастки и тары.
Маршрутная карта устанавливает последовательность выполнения технологических, контрольных и транспортных операций при изготовлении конкретных деталей, сборке изделия и его упаковке. Кроме наименования операции и краткого изложения ее содержания в маршрутной карте указывается номер технологического документа, в котором дается подробное описание каждой операции с указанием цеха и участка, где она выполняется, перечисляются детали, основные и вспомогательные материалы, нормы их расхода, применяемое оборудование, а также производственные разряды операторов, нормы времени изготовления 1 000 изделий и расценки.
Так как номенклатура применяемой технологической оснастки довольно обширна, в маршрутной карте ее обычно не указывают, а приводят в ведомостях оснастки и в ведомостях деталей к типовым технологических операциям.
18
\ Операционная карта содержит описание операций технологического процесса изготовления полупроводникового Прибора или ИМС с указанием переходов, приемов, режимов обработки, технологического оснащения, а также требования техники безопасности, технологической гигиены. Кроме того, п операционной карте указывается порядок получения заготовок и материалов, сдачи обработанных деталей, хранения .Неиспользованных материалов, подготовки и уборки рабочих мест. Операционная карта является основным технологическим документом и должна находиться на рабочем месте.
Так как процесс производства полупроводниковых приборов и ИМС включает однотипные повторяющиеся технологические операции, используют типовые операционные карты.
Карты эскизов содержат схемы выполняемых операций, эскизы, таблицы и описание приемов безопасного выполнения работы, а также правильной организации труда и являются приложением к операционным.
Ведомости материалов содержат сведения о применяемых материалах и заготовках. Кроме того, в них приводятся эскизы рекомендуемого раскроя материалов, нормы расхода и формулы для их расчета.
Технологические инструкции дополняют операционные карты и разрабатываются для наиболее ответственных операций или операций, требующих разъяснений, В технологических инструкциях даются общие указания по выполнению технологических процессов и операций, объясняются происходящие физические и химические явления и приводятся правила использования технологического оснащения и обращения с материалами.
Ведомость операций и маршрутно-контрольная карта содержат перечни и описания операций технологического контроля, выполняемых при изготовлении конкретных изделий или их деталей, с указанием средств и методов контроля и требований к контролируемым параметрам. Ведомость операций обычно дополняется контрольными картами, в которых приводятся подробные методики контроля и описание применяемых средств. Контрольная карта является Основным документом на производственном участке или рабо- «м месте.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
,t» 1. Как различают полупроводниковые приборы по конструктивно- Тбхнологическим признакам?
,;- 2. Какие микроэлектронные изделия вы знаете?
Какова роль в развитии микроэлектроники пленочной и планарной технологий, а также групповых методов обработки?
Какие этапы развития микроэлектроники вам известны?
Какие требования предъявляют к материалам, технологии и оборудованию в производстве полупроводниковых приборов и ИМС?
Из каких документов состоит технологическая документация и каково их назначение?
ГЛАВА ВТОРАЯ
ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ТЕХНОЛОГИИ
ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ
ПРИБОРОВ И ИМС
Монокристаллические слитки полупроводникового материала (германия, кремния, арсенида галлия и др.), необходимые для изготовления полупроводниковых приборов и ИМС, имеют форму цилиндров диаметром от 12 до 150 мм и более. Из слитков резкой получают пластины, толщина которых составляет доли миллиметра.
После выполнения в определенной последовательности соответствующих технологических операций пластины разрезают на кристаллы площадью от десятых долей квадратного миллиметра до нескольких квадратных сантиметров. Затем кристаллы заключают в корпуса и, сделав необходимые электрические соединения (пайкой, сваркой), получают полупроводниковые приборы и ИМС.
Создание полупроводниковых приборов и ИМС — достаточно сложный технологический процесс, состоящий из десятков и сотен операций; среди них можно выделить основные, повторения которых составляет технологический цикл.
ОРИЕНТАЦИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ
МОНОКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ СЛИТКОВ
Монокристаллические слитки полупроводников имеют строго упорядоченное, регулярно повторяющееся расположение атомов в пространстве, создающее определенную кристаллическую решетку. Расположение атомов обычно изображают в виде так называемой элементарной кристаллической ячейки (рис. 1), обозначая межатомные расстояния буквой а. Места расположения атомов в кристаллической решетке называют узлами.
Известно, что жидкости и аморфные тела изотропны, т.е. обладают одинаковыми свойствами во всех направлениях (электрическим сопротивлением, теплопроводностью и т.д.). 20
Рис. 2. Условные обозначения кристаллографических плоскостей и направлений в кристалле с кубической решеткой (а-в)Рис. 2. Условные обозначения кристаллографических плоскостей и направлений в кристалле с кубической решеткой (а-в)py 1. Элементарная кристаллическая ячейка Простой кубической решетки
Рис. 2. Условные обозначения кристаллографических плоскостей и направлений в кристалле с кубической решеткой (а-в)
Рис. 2. Условные обозначения кристаллографических плоскостей и направлений в кристалле с кубической решеткой (а-в)
Кристаллические тела анизотропны, т.е. их свойства зависят от направлений воздействия и измерения. В этом случае межатомные расстояния определяют характер и значение энергетического взаимодействия атомов, прочность их сцепления, а следовательно, способность противостоять (или способствовать)
электрическому, оптическому, химическому и другим внешним воздействиям.
Ориентацию направлений и плоскостей в кристаллической решетке обозначают индексами Миллера, которые для кристаллов с кубической решеткой показаны на рис. 2, a-в. Для этого из одного узла решетки (точки 0) проводят три кристаллографические оси OX, OY, OZ, параллельные ребрам ячейки. Целые
числа, соответствующие отрезкам, отсекаемым плоскостью от
Кристаллографических осей, являются индексами данных крис
таллографических плоскости и направления. Для обозначения Плоскостей используют круглые скобки, например (111), (НО), (100), а для обозначения направлений — квадратные, например [111], [ПО], [100], Необходимо отметить, что коли
чество атомов, расстояния между ними и плотность их упаковКИ в каждой плоскости неодинаковы.
£ Монокристаллы полупроводников, как правило, выращи- ■ают в соответствии с определенным кристаллографическим вправлением, обычно [111] (его ось совпадает с продольной ■^ю слитка, а плоскость (111) перпендикулярна ей). Однако 1 21
Рис. 3. Ориентация слит, ка рентгеновским методом:1 — рентгеновская тру. бка, 2, 5 - падающи, и отраженный рентге невские лучи, 3 — торец слитка, 4 - слиток 6 — приемник излуче нияРис. 3. Ориентация слит, ка рентгеновским методом:1 — рентгеновская тру. бка, 2, 5 - падающи, и отраженный рентге невские лучи, 3 — торец слитка, 4 - слиток 6 — приемник излуче ния
Рис. 3. Ориентация слит, ка рентгеновским методом:
1 — рентгеновская тру. бка, 2, 5 - падающи, и отраженный рентге невские лучи, 3 — торец слитка, 4 - слиток 6 — приемник излуче ния
Рис. 3. Ориентация слит, ка рентгеновским методом:
1 — рентгеновская тру. бка, 2, 5 - падающи, и отраженный рентге невские лучи, 3 — торец слитка, 4 - слиток 6 — приемник излуче ния
точность заданной ориентации обычно невелика, так как зависит от многих технологических факторов. Поэтому для получения пластин с точно заданной плоскостью ориентации слиток перед резкой дополнительно ориентируют, т.е. определяют отклонение его оси от заданной кристаллографической оси. Слиток, ориентированный в плоскости (Ш), можно разрезать на пластины с любой другой плоскостью ориентации, если учесть угол наклона каждой из них по отношению к плоскости (1И).
Ориентируют слитки перед резкой на пластины рентгеновским или оптическим методом.
Рентгеновский метод ориентации основан на особенности рассеяния рентгеновских лучей атомами кристаллической решетки: угол падения пучка параллельных монохроматических рентгеновских лучей равен углу отражения их от любой кристаллографической плоскости (условие Вульфа-Брегга) :
пХ = 2d sin Д
где X — длина волны; п — целое число, равное 1, 2,... и т.д. (обычно п = 1); а — межплоскостное расстояние; ^ — угол отражения.
Интенсивность отраженных рентгеновских лучей зависит от плотности упаковки данной плоскости атомами и чем она больше, тем интенсивнее отражение. Поскольку плоскость (111) наиболее плотно упакована атомами, ей соответствует и большая интенсивность отраженных лучей.
При ориентировании слиток, торец которого перпендикулярен продольной оси, помещают на предметный столик рентгеновской установки (рис. 3). Пучок рентгеновских лучей 2, выходящих из трубки 1, должен быть направлен к торцу 3 слитка 4 под углом 0, равным углу отражения от соответствующей кристаллографической плоскости (табл. 1).
22
$L#PV.'$L#PV.'Полупроводниковый материалУгол отражения для плоскостей(Ш)(НО)(ЮО)Кремний17°56'30° 12'45° 23'Германий17° 14'28° 5 6'43° 10'Полупроводниковый материалУгол отражения для плоскостей(Ш)(НО)(ЮО)Кремний17°56'30° 12'45° 23'Германий17° 14'28° 5 6'43° 10'Таблица 1. Углы отражения рентгеновских лучей при ориентировании слитков кремния и германияТаблица 1. Углы отражения рентгеновских лучей при ориентировании слитков кремния и германия
$
L#PV.'
$
L#PV.'
Полупроводниковый материал
Угол отражения для плоскостей
(Ш)
(НО)
(ЮО)
Кремний
17°56'
30° 12'
45° 23'
Германий
17° 14'
28° 5 6'
43° 10'
Полупроводниковый материал
Угол отражения для плоскостей
(Ш)
(НО)
(ЮО)
Кремний
17°56'
30° 12'
45° 23'
Германий
17° 14'
28° 5 6'
43° 10'
Таблица 1. Углы отражения рентгеновских лучей при ориентировании слитков кремния и германия
Таблица 1. Углы отражения рентгеновских лучей при ориентировании слитков кремния и германия
Приемник б (счетчик Гейгера), фиксирующий отраженные лучи 5, устанавливают под углом 20 к плоскости падения рентгеновских лучей. Развернув предметный столик со слитком относительно вертикальной оси, находят такое положение, дри котором приемник б фиксирует максимальную интен- дтность отраженных лучей. Угол между новым и исходным положениями торца 3 слитка является углом его ориентации.
Оптический метод ориентации состоит в следующем. Торец слитка полупроводника полируют, затем обрабатывают в селективном травителе. Вследствие различных скоростей травления в разных кристаллографических направлениях на его поверхности появляются фигуры травления (рис. 4, в—в), которые можно наблюдать на специальных оптических установках. В зависимости от степени отклонения кристаллографической плоскости от плоскости торца фигура будет находиться дальше от центра экрана или ближе к нему. По положе-
нию световой фигуры — рефлексограммы — ориентацию задан, ной плоскости определяют по формуле
tg 2а = d]l,
где 2а— угол ориентации; d — смещение центра световой фигу, ры относительно центра экрана; / — расстояние от экрана до образца.
Точность определения углов ориентации оптическим методом зависит от резкости изображения световых фигур на экране, которая, в свою очередь, связана с четкостью фигуры травления на поверхности торца слитка и составляет для кремния и германия соответственно ± 3' и ± 15'.
МЕХАНИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ СЛИТКОВ И ПЛАСТИН
Резка. Полупроводниковые материалы обладают высокой твердостью и хрупкостью, поэтому при резке слитков и пластин не используют традиционные применяемые при металлообработке методы. Кроме того, большое значение имеет выбор рациональных методов резки, предусматривающих минимальные отходы дорогостоящего полупроводникового материала, так как его потери являются одним из основных факторов, определяющих стоимость готовых приборов и интегральных микросхем.
В производстве полупроводниковых приборов и ИМС резку осуществляют дважды: слитки режут на пластины и пластины — на кристаллы. Наибольшее распространение получили следующие способы резки:
дисками с наружной алмазной режущей кромкой (слитков и пластин);
дисками с внутренней алмазной режущей кромкой (слитков на пластины);
полотнами и проволокой с применением абразива (слитков и пластин);
скрайбирование — нанесение рисок на пластины с последующим разламыванием их на кристаллы.
Резка диском с наружной режущей кромкой (рис. 5) является наиболее простым и легко осуществимым в производственных условиях способом разделения слитков и пластин. Алмазная кромка диска обладает высокой режущей способностью, так как алмазные зерна размером 20—60 мкм, закрепленные на металлической основе диска, представляют собой микро резцы, снимающие мельчайшие стружки с обрабатываемой поверхности. При частоте вращения до 10 000 об/мин 24
!Г;Рис. 5. Резки nonyls проводниковой пла
стины диском с иа- ружной режущей
^ кромкой:
■&Т^.- алмазный диск, £, 2 - фланец для креп-
нения диска, 3, 5 - J полупроводниковая №кметаллическая пла- .Устины, 4 — клеящая
- Мастика, 6 — шпиндель станка
’ диска с большим количеством алмазных зерен (микрорезцов) производительность обработки высока. Так как при резке из-за . трения выделяется значительное количество теплоты, на алмаз. ный диск необходимо непрерывно подавать охлаждающую жид* кость. Для получения нескольких параллельных с достаточно высокой точностью прорезей, а также повышения производительности резки применяют установки, на шпиндель которых устанавливают несколько дисков.
При использовании дисков большого диаметра возникает проблема их стойкости, связанная с недостаточной жесткостью. Для уменьшения потерь полупроводникового материала необходимы тонкие диски. Однако под действием сил резания и - вибрации неоптимальное соотношение между толщиной и диаметром дисков (1:300 и более) приводит к их деформации ’ (изгибу), увеличению ширины реза, уменьшению точности обработки, образованию дефектов (сколов, трещин и др.). Обычно резку полупроводниковых слитков выполняют дисками , диаметром 80-125 мм и толщиной 0,3-0,7 мм. При этом минимальная ширина прорези составляет 0,45 мм.
Диски с наружной режущей кромкой наиболее часто используют для разделения пластин на кристаллы. В этом случае ■ глубина прорези составляет 0,5—1 мм. Так как диаметр диска (, при этом относительно невелик, его толщина может быть около <0,1 мм, что обеспечивает ширину прорези 0,15 мм.
$ Резку полупроводниковых пластин на кристаллы выпол- '^ няют также металлическими дисками с подачей в зону резания ^абразивной суспензии, состоящей из порошков карбида бора кВ4С, карбида кремния SiC или электрокорунда А12О3 и воды, ^взятых в соотношении 1:3 или 1:4. При вращении диск захва- брШвает суспензию, которая, ускоряясь, с силой ударяет в разре- Ж^аемую пластину, в результате чего от нее откалываются микро- Ж^астицы. В процессе резания частицы абразива, поступающие i25
Рис. 7. Скрайбирование пластины (а) и разламывание ее на кристаллы (6):7 - резец, 2 - полупроводниковая пластина, 3 — рискиРис. 7. Скрайбирование пластины (а) и разламывание ее на кристаллы (6):7 - резец, 2 - полупроводниковая пластина, 3 — рискиб)б)
Рис. 7. Скрайбирование пластины (а) и разламывание ее на кристаллы (6):
7 - резец, 2 - полупроводниковая пластина, 3 — риски
Рис. 7. Скрайбирование пластины (а) и разламывание ее на кристаллы (6):
7 - резец, 2 - полупроводниковая пластина, 3 — риски
б)
б)
в зазор между металлическим диском и полупроводниковым материалом, постоянно обновляются. Кроме того, при такой резке не требуется специального охлаждения, так как абразивная суспензия достаточно хорошо отводит образующуюся теплоту. В процессе резки изнашивается не только абразивный порошок, но и диски, которые приходится заменять через 12—16 ч.
Резка диском с внутренней алмазной режущей кромкой (рис. 6) используется для разделения слитков на пластины. Режущим инструментом является слой алмазов, нанесенный на внутреннюю кромку диска из бронзовой или стальной (1Х18Н9Т) фольги толщиной 0,1—0,15 мм. Высокая производительность в сочетании с хорошим качеством и небольшой шириной реза (около 0,25—0,3 мм), а следовательно, и меньшие (почти на 60%) потери полупроводникового материала выгодно отличают этот способ резки от рассмотренных. Особенность крепления диска обеспечивает его высокую жесткость, значительно снижает вибрацию и позволяет получать поверхность пластин без глубоких царапин и сколов.
Резка полотнами, совершающими возвратно-поступательное движение, является одним из наиболее старых спосо-
Рис. 6. Резка полупроводникового слитка диском с внутренней режущей кромкой:
1 - шпиндель, 2 - основа диска, 3 - режущая кромка, 4 — держатель слитка, 5, 6 — полупроводниковые слиток и пластина
f
6oB. Одновременное использование до 100 полотен (из стали тиарок 70С2ХА, У8А или У10А) толщиной 0,1-0,2 мм, закрепленных с фиксированным зазором, позволяет достаточно ка- w чественно и производительно разрезать как слитки, так и плас- ж хины. Суспензия, подаваемая со скоростью 1,5—2 л/мин, рабо- F тает как режущий инструмент и позволяет разрезать, например, к g$a пластины слитки кремния диаметром 30—40 мм за 4—8 ч, № а германия — за 2—5 ч.
। Для увеличения производительности применяют полотна "f с алмазной режущей кромкой (штрипсы). Пр! толщине поло- ■^ тен из пермаллоя 0,05—0,1 мм и ширине алмазного режущего 4 слоя 1,5—2 мм возможна резка как слитков, так и пластин. ’”!’ Однако по качеству пластины, отрезаемые штрипсами, уступа- ■ ют пластинам, отрезаемым дисками с применением абразивных f суспензий.
? Резка проволокой диаметром 0,11—0,15 мм из вольфрама или сплава МВ-50 (50% W, 50% Мо) не отличается от резки ; полотнами и ее достоинствами являются большая скорость (100-200 м/с) и низкие отходы материала вследствие малой ширины прорези. Недостаток этого способа — уход проволоки в сторону при резке на большую глубину и длительная наладка оборудования в случае обрыва проволоки.
1 Скрайбирование алмазными резцами применяют для разделения пластин на кристаллы квадратной или , прямоугольной формы. При этом способе на поверхность полу/ проводниковых пластин скрайбером (алмазным резцом) наносят риски шириной 20—40 мкм и глубиной 7—15 мкм в двух . взаимно перпендикулярных направлениях (рис. 7). Возникаю- 1 щие и концентрирующиеся под рисками механические напряже- , ния локально снижают механическую прочность пластин, поэтому достаточно приложить слабое изгибающее усиление вдоль рисок, чтобы произошло разламывание пластин на кристаллы.
“ Основное достоинство этого метода — отсутствие пропила J и отходов полупроводникового материала. Отсутствие сколов I и непрерывность скрайбирования в значительной степени завил сят от материала пластин, их толщины, степени износа резца к и приложенной к нему силы. Так, при толщине германиевых и 1 кремниевых пластин 200 мкм нагрузка соответственно состав- К ляет 0,2-0,4 и 0,4-0,6 Н, а при их толщине 300-400 мкм равна К 0,4—0,6 и 0,8-1,2 Н. Качество скрайбирования значительно зави- ■ сит от кристаллографической ориентации пластин. Так, наибо- К лее жесткие допуски на размеры кристаллов обеспечиваются при разделении пластин, ориентированных в плоскости (110). Мини- ■ мальный шаг резки кремниевых и германиевых пластин соот- ■ ветственно равен 500 и 400 мкм.
Скрайбирование лучом л азера в настоящее время находит все большее применение. При достаточно высокой мощности (до 10® Вт), острой фокусировке (10_5-10“б см2) и малом времени воздействия (до 10“9 с) лазерного луча вследствие больших перепадов (градиентов) температуры в пластинах образуются локальные напряжения и, кроме того, частично испаряется материал с образованием канавки. При бо'льшей мощности луча или длительности импульса возможна сквозная резка пластин.
Достоинствами этого способа являются небольшое количество микротрещин и сколов малых размеров, получение глубокой канавки и высокая скорость обработки, а недостатками - разбрызгивание материала, что требует специальных защитных покрытий для пластин, и высокая стоимость оборудования.
Шлифовка и полировка. Эти операции, выполняемые после резки, позволяют обеспечить плоскопараллельность сторон пластин, соответствие их геометрических размеров заданным и минимальную шероховатость поверхности, Кроме того, при шлифовке и полировке с пластин частично удаляется нарушенный в процессе резки приповерхностный слой (рис. 8).
Шлифовку выполняют на специальных станках в несколько стадий. Наиболее широко применяют два вида шлифовки: свободным абразивом и алмазными кругами.
При шлифовке свободным абразивом используют круги (шлифовальники) из чугуна, стекла, бронзы и др. Абразивом служат суспензии или пасты на основе микропорошков А12О3, SiC, В4С, или синтетического алмаза зернистостью от 28 до
Рис. 8. Структура нарушенного слоя:
1, 2, 3 - рельефный, трещиноватый и напряженный слои, d^, d^, dj - толщина соответствующих слоев
■3 мкм. Частичное разрушение обрабатываемой поверхности про- ■Рисходит за счет перекатывания частиц абразива между поверх- ■'ностями пластин и шлифовальника. В результате многократно- ■Ю воздействия поверхность пластин покрывается трещинами, ■ сколами, царапинами, глубина которых в основном зависит от ■.размера зерен абразива.
При шлифовке алмазными кругами материал с поверхности Ж|Ш астин удаляется вследствие царапания и срезания острыми К гранями зерен абразива.
■ В процессе обработки сошлифовывается слой толщиной ■ 60—100 мкм. Для устранения больших микронеровностей и В неравномерности пластин по толщине выполняют как односто- »роннюю, так и двустороннюю шлифовку. Разброс пластин I по толщине не должен превышать 1 мкм, а по плоскопараллель- 1 ности — 0,5 мкм.
Ж Полировка обеспечивает минимальные микронеров- № ности поверхности и наименьшую толщину нарушенного слоя. ® Механическая полировка в основном происходит в результате ?, микрорезания, пластических деформаций и сглаживания микро- j неровностей. Полировка бывает предварительной и окончательной (тонкой). При предварительной полировке используют алмазные пасты и суспензии на основе абразивных порошков ^ с размером зерен 1—3 мкм. Окончательную полировку выпол- й няют субмикронными (менее 1 мкм) алмазными порошками и пастами или мягкими полирующими составами на основе ок- £ сидов алюминия, хрома, циркония, кремния и др.
” Производят полировку на полировальниках, обтянутых ф. замшей, сукном, фетром и др. При окончательной полировке кремния используют полировальные суспензии на основе окси- | дов циркония и кремния с добавлением растворов КОН и NaOH Й' (pH 10 -г 11). Щелочи растворяют образовавшиеся на поверх- t ности оксиды и тем самым снижают твердость поверхностного I слоя, что способствует более производительному удалению его К зернами абразива. При pH < 9 преобладает абразивное действие « суспензии, поэтому качество полировки ухудшается, а при Ж pH >11 поверхность кремния растравливается. Однако незави- Ксимо от того, насколько тщательно проводилась полировка, К микротрещины и некоторая деформация поверхности остаются. ■ Так, глубина поврежденного слоя механически полированных ■(Германия и кремния соответственно составляет 1,5 и 0,7— ■ 1,0 мкм.
■ Полировка также может быть односторонней и двусторон- ■ ней.
■ Сразу после полировки, прежде чем приступить к дальней- ■ Шим операциям жидкостной и сухой обработки, полупровод- ■29
никовые пластины тщательно отмывают от шлифовальных порошков и загрязнений органического происхождения в мыльных растворах, горячей деионизированной воде, толуоле, а затем сушат на центрифугах в потоке сухого теплого воздуха. В ином случае загрязнения вызывают коррозию полированной поверхности пластин.
§ 7. ЖИДКОСТНАЯ И СУХАЯ ОБРАБОТКА ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПЛАСТИН
Электрофизические параметры и надежность полупроводниковых приборов и ИМС во многом зависят от степени совершенства поверхности пластин и отсутствия на них каких-либо загрязнений.
Как уже отмечалось, нарушенный приповерхностный слой, образующийся вследствие механической обработки, можно окончательно удалить лишь на операциях жидкостной и сухой (газовой) обработки пластин. Вместе с тем атомы Б (рис. 9) материала пластин на поверхности имеют намного больше 'не- скомпенсированных (ненасыщенных) связей, чем атомы Л в его объеме. Этим объясняются высокие адсорбционные свойства и химическая активность поверхности пластин по отношению к различным загрязнениям, источниками которых могут быть абразивные и клеящие материалы, пыль производственных помещений, технологические среды, газы, вода, реактивы, оборудование, инструмент, одежда, открытые участки тела операторов и др.
Так как идеально чистой поверхности пластин не бывает, вводится понятие технологически чистой, т.е. поверхности, концентрация примесей на которой не препятствует воспроизводимому получению заданных значений параметров приборов и ИМС и их стабильности. Обычно допустимая концентрация примесей не должна превышать 10“8 г/см2.
Удаляют загрязнения жидкостными и сухими методами, которые подразделяются на физические и химические (рис. 10).
Жидкостная обработка - это обезжиривание и травление пластин, а также обязательная их промывка после каждой операции в воде.
Обезжиривание в органических растворителях основано на удалении с поверхностей молекул жиров. При этом молекулы не разрушаются, а распределяются по всему объему ванны, заполненной четыреххлористым углеродом, бензолом, толуолом, изопропиловым спиртом. Такая очистка высокоэффективна, но многостадийна, требует большого расхода растворителей, дорогостояща и в большинстве случаев токсична.
Рис. 10. Классификация методов очистки пластин (подложек)Рис. 10. Классификация методов очистки пластин (подложек)нений, реагентов и продуктов реакций в специально очищенной (дистиллированной, бидистиллированной и деионизованной)нений, реагентов и продуктов реакций в специально очищенной (дистиллированной, бидистиллированной и деионизованной)
Рис. 10. Классификация методов очистки пластин (подложек)
Рис. 10. Классификация методов очистки пластин (подложек)
нений, реагентов и продуктов реакций в специально очищенной (дистиллированной, бидистиллированной и деионизованной)
нений, реагентов и продуктов реакций в специально очищенной (дистиллированной, бидистиллированной и деионизованной)
рис. 9. Схема адсорбции:
Д - внутренний атом, Б - поверхностный атом
воде.
Обезжиривание в активных средах основано на разрушении молекул жира растворителем, обычно горячим (75-80 °C) перекисно-аммиачным раствором (Н2О2 + NH4OH + + Н2О). Выделяющийся в результате разложения перекиси водорода Н2О2 атомарный кислород обладает высокой окислительной способностью по отношению к органическим (жиры, масла, силиконы) и неорганическим загрязнениям. Очистку поверхности пластин от растительных и животных жиров выпол- Щяют в мыльных растворах.
Химическое травление основано на растворении поверхности пластин соответствующими жидкими химическими 31
реактивами (щелочами, кислотами и их солями) и состоит из нескольких этапов: диффузии реагента к поверхности и адсорбции его; поверхностных химических реакций; десорбции продуктов реакции и диффузии их от поверхности.
Травители, при обработке в которых самыми медленными стадиями, определяющими скорость процесса, являются диффузионные, называют полирующими. Обработка в таких травителях мало зависит от изменения температуры, но существенно от их вязкости и перемешивания. Выступы на поверхности пластин травятся быстрее впадин, при этом сглаживаются шероховатости и выравнивается микрорельеф. Германий и кремний, например, обрабатывают в полирующих травителях, состоящих из смеси азотной HNO3 и плавиковой HF кислот.
Травители, при обработке в которых самой медленной стадией является химическая реакция, называют селективными (например, NaOH, KOU). При этом скорость травления зависит от температуры, а также структуры и кристаллографической ориентации поверхности пластин. Селективные травители, значительно отличающиеся скоростями травления по разным кристаллографическим направлениям, называют анизотропными.
Электрохимическое травление является разновидностью обработки в активных средах и основано на химических превращениях, происходящих при электролизе. Основой процесса являются реакции анодного окисления (растворения) и катодного восстановления. Травление производят в растворах, содержащих HF, при возрастающей плотности тока. Такое травление называют также электрополировкой.
Для ускорения наиболее медленных стадий очистки поверхностей пластин ее интенсифицируют. Ультразвуковая вибрация способствует перемешиванию всего раствора; при химико-динамическом травлении перемешивание травителя производится непосредственно над поверхностью пластин.
Сухая обработка — зто отжиг (термообработка), ионное, газовое и плазмохимическое травление.
При термообработке удаляют при высоких температурах адсорбированные поверхностью пластин загрязнения их разложением и испарением. Отжиг проводят в термических установках в среде инертного газа или в вакууме непосредственно перед операциями формирования полупроводниковых или пленочных структур.
Ионное травление — процесс удаления слоев материала вместе с загрязнениями бомбардировкой его поверхности потоком ионов инертных газов высокой энергии. Так, при травлении кремния энергия ионов достигает 1-10 кэВ. При бомбардировке поверхности пластин ионы передают атомам обра- 32
Ммтываемого материала дополнительные энергию и импульс. Миали передаваемая атомам энергия превышает энергию их хищнических связей, а сообщаемые импульсы направлены наружу &Т поверхности, происходит смещение атомов, их отрыв от по- &ерхности и распыление. Процесс выполняют в вакууме (в за- ^исимости от метода давление аргона составляет 102—10”2 Па) *лри энергиях ионов, достаточных для распыления обрабатывае- Хцых материалов.
i Эффективность удаления материала ионной бомбардиров- ккой — коэффициент распыления S — определяется отношением «количества испаряемых поверхностью атомов ла к количеству ■бомбардирующих ионов ли, т.е. 5 = па/пи- Этот параметр явля- кется одним из основных для определения скорости травления, № которая, в свою очередь, зависит от массы обрабатываемого ^материала та и состояния его поверхности к, энергии ЕИ и угла {радения 6 ионов, а также давления рабочего газа в камере.
В зависимости от способа генерации ионов и конструкции •установок различают и о н н о-плазменное и ионно- ^лучевое травление.
V При ионно-плазменном травлении держатель с пластинами, | находящийся под отрицательным потенциалом, помещают в ^•плазму газового разряда. Положительно заряженные ионы ар- угона устремляются к отрицательно заряженному держателю ^пластин, ускоряются электрическим полем и бомбардируют ^поверхность, очищая ее. В зависимости от напряжения на элект- | родах, плотности ионного тока, давления инертного газа и про- | должительности процесса скорость травления кремния, диэлект- | риков и металлов соответственно равна 0,2; 0,1 и 0,3 мкм/мин. «Процесс безынерционен. Так обрабатывают строго локализован> ные участки поверхности.
I При ионно-лучевом травлении пластины помещают на спе- С циальные мишени, расположенные вне зоны плазмы, и бомбар- ® даруют ионами, создаваемыми автономным (самоуправляе- |мым) газоразрядным источником. Поток ионов фокусируется Ли управляется электрическим и магнитным полями. Положи- ■тельные заряды, накапливаемые на обрабатываемой поверх- ■Иости, компенсируются инжекцией электронов.
■ Ионное травление позволяет не только очищать поверх- мюсть любых подложек (полупроводниковых, диэлектричес- ■ких и др.) от различных загрязнений, но и эффективно при их ■Прецизионной локальной обработке.
■ При газовом травлении происходит химическое ■ взаимодействие материала пластин с газообразными веществами ■ и образующиеся при этом соединения улетучиваются. В качест- ■ ве травителей используют смеси водорода или гелия с галогена-
ми (фтором, хлором, бромом), галогеноводородами НВг, НС1, сероводородом H2S и др. Молярное соотношение этих веществ в водороде или гелии составляет десятые доли — единицы процентов. Температура обработки 800—1300 °C.
Газовое травление позволяет окончательно удалить нарушенный слой и обеспечивает получение более чистой поверхности, чем при жидкостной обработке. Однако необходимость использования особо чистых газов и высокие температуры процесса ограничивают его применение.
При плазмохимическом травлении молекулы активного газа распадаются в разряде на реакционноспособные частицы — электроны, ионы и свободные радикалы, химически взаимодействующие с поверхностью подложек. Так, поток электронов высокочастотной плазмы разлагает тетрафторид углерода СР4 на ионы фтора Р~и радикалы СРз,СР+, которые травят различные материалы (металлы, полимеры) с неодинаковой скоростью.
Скорость травления зависит также от температуры и газового состава плазмы. Например, введение в плазму инертного газа (аргона) химически активного газа (например, кислорода) изменяет скорость травления. Такре сочетание ионного и плазмохимического травления называют ионно-химическим (реактивным) травлением.
Сухая очистка пластин и локальная их обработка наиболее эффективны при создании БИС и СБИС.
При изготовлении полупроводниковых приборов и ИМС, как правило, проводят комплексную очистку пластин, при которой практически удаляют все загрязнения. Так, обработка пластин кремния перед термическим окислением состоит из следующих операций:
обезжиривания в перекисно-аммиачном растворе при 7580 °C и промывки проточной деионизованной водой;
обработки в концентрированной азотной кислоте при 90— 100 °C и промывки проточной деионизованной водой;
гидродинамической обработки беличьими кистями в струе деионизованной воды;
травления в растворе фтористоводородной кислоты и промывки деионизованной проточной водой;
ультразвуковой обработки в нескольких порциях перекис- но-аммначного раствора и промывки проточной деонизованной водой;
сушки в центрифуге.
При изготовлении полупроводниковых приборов и ИМС в большинстве случаев применяют жидкостную обработку. Сухую очистку проводят на специальных установках перед 34
такой ответственной операцией, как, например, травление при литографической обработке, а также непосредственно перед напылением и эпитаксией.
ЭПИТАКСИАЛЬНОЕ НАРАЩИВАНИЕ '
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ СЛОЕВ
Для создания полупроводниковых приборов и элементов ИМС широко применяют метод эпитаксиального наращивания, или эпитаксию. Ориентированное наращивание слоев вещества с воспроизведением кристаллической структуры подложки называют эпитаксией. При этом поступающие извне атомы осаждаемого вещества должны обладать достаточной энергией и способностью мигрировать по поверхности подложки, чтобы формирование кристаллической решетки происходило равномерно и по всей поверхности без образования дефектов. С повышением температуры подложек миграция атомов увеличивается. При низких температурах растущие слои получаются поликристаллическими.
В процессе роста эпитаксиальных слоев их легируют введением донорной или акцепторной примеси, что позволяет соответственно создавать слои п- или p-типа электропроводности.
Если наращиваемые эпитаксиальные слои по химическому составу не отличаются (или незначительно отличаются) от вещества подложек и в результате получают гомогенные (от греч. homogenes — однородный) р-п переходы, такой процесс называют гомоэпитаксией или автоэпитаксией (от греч. autos — само).
Процесс ориентированного наращивания эпитаксиальных слоев, существенно отличающихся по химическому составу от вещества подложек и не вступающих с ним в химическое взаимодействие, называют гетероэпитаксией (от греч. heteros — другой). При этом образуются гетерогенные (неоднородные) р-п переходы. Примером может служить эпитаксиальное наращивание слоя арсенида галлия на монокристаллическую подложку из кремния.
Ориентированное наращивание эпитаксиальных слоев, сопровождающееся их химическим взаимодействием с веществом подложек, называют хемоэпитаксией. Образующийся при этом промежуточный слой отличается по химическому составу как от вещества подложек, так и от осаждаемого вещества, но имеет такую же кристаллическую структуру, как исходная подложка. Наиболее часто эпитаксиальные слои осаждают из газовой фазы (газофазная эпитаксия) или кристаллизацией из жидкой фазы (жидкофазная эпитаксия).
2*2*35
2*
2*
При газофазной эпитаксии используют различные химические реакции, происходящие в газовой (паровой) фазе при высокой температуре. При эпитаксии кремния широко применяют восстановление его тетрахлорида водородом:
SiCL, + 2Н2 = Si + 4НС1
Процесс эпитаксиального роста можно рассматривать как гетерогенную реакцию, состоящую из следующих стадий:
переноса реагирующих веществ через газовую фазу к поверхности исходной подложки и их адсорбции;
реакции или серии реакций на поверхности;
присоединения атомов кремния, образующихся в результате реакций, к ступенькам роста на поверхности;
десорбции, переноса газообразных продуктов реакции к основному потоку газа и удаления.
Процесс эпитаксиального наращивания выполняют на специальных установках (рис. 11), имеющих системы подачи, очистки и осушки газов (присутствие посторонних примесей и влаги в газах недопустимо). Основным элементом рабочей камеры 2 является кварцевая труба, в которую на подставке 5 с наклонной по отношению к потоку газов плоскостью, помещают монокристаллические подложки 4 из кремния и нагревают их с помощью индуктора 3 до 1200—1275 °C.
Предварительно камеру продувают аргоном, который вытесняет из системы воздух, так как при соединении его с водородом при нагревании образуется взрывоопасная смесь. Как и другие газы, аргон подают по отдельной магистрали, оснащенной вентилем, приборами для измерения давления (манометр) и расхода газа (ротаметр), а также клапаном с электромагнит-
Рис. 11. Установка эпитаксиального наращивания:
1 - вентили, 2 — рабочая камера, 3 - индуктор, 4 - кремниевая подложка, 5 — подставка, 6, 8 - источники легирующей примеси и тетрахлорида кремния, 7 — нагреватель
яым управлением. После продувки системы аргоном подложки Обрабатывают 5—20 мин при 1200—1290 °C в потоке водорода. При этом всегда имеющийся на их поверхности диоксид кремния восстанавливается до кремния по следующей реакции:
SiO2 + 2Н2 =Si+ 2Н2О
Затем в поток водорода добавляют 1—5 % сухого хлористого водорода НС1 и при той же температуре за 5—10 мин стравливают образовавшийся в результате механических операций нарушенный слой:
Si + 4НС1 = SiCL, + 2Н2
Закончив травление в хлористом водороде, прекращают его подачу, продувают систему водородом и начинают пропускать водород через основной 8 и легирующий 6 источники. Если необходимо получить эпитаксиальный слой n-типа, используют жидкие (РС13, РВг3) или газообразные (РН3) легирующие вещества, содержащие фосфор или другие элементы этой группы. Слой p-типа получают легированием кремния, например бором, из его соединений, находящихся в жидком (ВВг3) или газообразном (В2Н6) состоянии.
В результате реакции восстановления из тетрахлорида кремния SiCl4 выделяется кремний, идущий на ’’строительство” эпитаксиальной пленки. Легирование этой пленки происходит в результате одной из следующих реакций:
2РС13 + ЗН2 = 2Р + 6НС1
2РН3 = 2Р + ЗН2
или
2BBr3 + ЗН2 = 2В + 6НВг
В2Н6 =2В+ЗН2
Необходимо отметить, что реакция восстановления тетрахлорида кремния водородом аналогична реакция травления кремния хлористым водородом, но происходит в обратном направлении. Это закономерно, так как протеканию реакции в определенном направлении способствует изменение не только температуры процесса (в данном случае она одинакова), но и концентрации реагирующих веществ. Избыток НС1 приводит к травлению кремния, а недостаток НС1 и избыток Н2 — к эпитаксиальному наращиванию.
Таким образом, направление и полнота протекания основной реакции, а также скорость образования эпитаксиальной пленки зависят от соотношения SiC14:H2 (рис. 12). Максимальную скорость наращивания при температуре 1170 °C получают,
Рис. 12. Зависимость скорости эпитаксиального наращивания от соотношения SiCl4:H2Рис. 12. Зависимость скорости эпитаксиального наращивания от соотношения SiCl4:H2когда молярная концентрация SiCl4 равна 0,1 г/л. Дальнейшее увеличение концентрации SiCl4 до 0,28—0,3 г/л приводит к относительному уменьшению количества водорода, избытку НС1, травлению им кремния и соответственно снижению скорости эпитаксиального наращивания. Обычно концентрация еще меньше и составляет 0,02 г/л, что позволяет создать условия формирования слоя, близкие к равновесным, и получить бездефектную крис
Рис. 12. Зависимость скорости эпитаксиального наращивания от соотношения SiCl4:H2
Рис. 12. Зависимость скорости эпитаксиального наращивания от соотношения SiCl4:H2
таллическую решетку.
Условия, при которых скорость выделения атомов крем
ния в результате реакции равна скорости их встраивания в кристаллическую решетку, называют равновесными.
Скорость роста эпитаксиального слоя зависит также от температуры и при 1100, 1200 и 1270 °C ее оптимальные значения соответственно составляют 0,1; 1,0 и 5,0 мкм/мин. Кристаллографическая ориентация также влияет на скорость наращивания. Так, в направлении [100] слои растут медленнее, чем в направлении [110].
Недостаток автолегирования — проникновение примесей через газовую фазу в растущий эпитаксиальный слой с обратной стороны подложек или их боковых поверхностей. Это явление в значительной степени зависит от температуры.
Для снижения температуры эпитаксию можно проводить, восстанавливая тетрабромид кремния в водороде при 1050 °C:
SiBr4 + 2Н2 = Si + 4НВг
или разлагая силан при 950—1050 °C:
SiH4 = Si + 2Н2
Существуют и другие реакции, используемые при эпитаксии. В зависимости от типа реакции и различных технологических факторов скорость получения высококачественных эпитаксиальных слоев составляет от 0,2 до 3 мкм/ч.
При жидкофазной эпитаксии атомы растущего слоя оседают на подложку из расплава или раствора. (В металлургии все высокотемпературные растворы называют расплавами.) При этом подложки покрывают насыщенным полупроводниковым материалом расплавом, из которого нсобходи- 38
мо вырастить соответствующий слой, а затем охлаждают. При уменьшении температуры растворимость полупроводникового материала в расплаве (обычно в легкоплавком металле) понижается и избыточное количество полупроводника оседает на подложке.
Применительно к элементарным полупроводникам (Si, Ge) этот метод не нашел широкого применения из-за отсутствия легкоплавких металлов, способных растворять полупроводниковые материалы в больших концентрациях, не загрязняя их эпитаксиальные слои. Наиболее благоприятны для жидкофазной эпитаксии соединения типа AIIIBV (например, алюминия, галлия и индия с фосфором, мышьяком, сурьмой), а также твердые растворы на их основе.
Жидкофазную эпитаксию выполняют на следующих установках:
с поворотным реактором, при наклоне которого расплав покрывает подложку;
с вертикальным реактором, в котором подложка окунается в расплав;
с многокамерным горизонтальным реактором, предназначенным для наращивания различных слоев последовательным созданием контакта с разными расплавами.
Жидкофазной эпитаксией можно получать слои полупроводников большой площади толщиной от долей микрометра до сотен микрометров, легировать с заданным распределением примеси по толщине, а также изготовлять многослойные структуры из трех- и четырехкомпонентных твердых растворов. Качество р-п переходов, изготовляемых жидкофазной эпитаксией, в большинстве случаев выше, чем получаемых другими методами.
Метод жидкофазной эпитаксии широко применяют при изготовлении оптоэлектронных и СВЧ-устройств, люминесцентных и фотоэлектрических приборов.
ФОРМИРОВАНИЕ ЗАЩИТНЫХ
И ПАССИВИРУЮЩИХ ПОКРЫТИЙ
После механической и предэпитаксиальной подготовки и, если необходимо, после эпитаксии на поверхности подложек формируют защитное покрытие. В технологии изготовления полупроводниковых приборов и ИМС в качестве защитных покрытий используют слои диоксида SiO2 и нитрида Si3N4 кремния. Эти слои выполняют роль маски при локальной обработке полупроводниковых пластин, например их легировании в строго заданных местах. Кроме того, слои SiO2 и Si3N4 служат для
изоляции элементов ИМС, в качестве подзатворного или диэлектрического слоя в МДП-структурах, основанием для размещения пленочных контактных площадок и токоведущих дорожек в ИМС, межслойной изоляцией в многослойных коммутационных платах, а также для защиты кристаллов. Получение слоев Si02 и Si3N4 на подложках в сочетании с их литографической обработкой — важнейшие операции планарной технологии.
Слои диоксида кремния SiO2 получили широкое применение, так как обладают следующими свойствами:
равномерностью толщины, прочностью и сплошностью (отсутствуют трещины, каналы, поры и др.);
достаточной чистотой (не содержат примесей и включений, приводящих к пробою, поверхностной электропроводности и снижению надежности);
способностью защищать (маскировать) подложки от проникновения примесей при диффузии;
температурными коэффициентами линейного расширения, близкими к ТКЛР кремния и других полупроводников (это снижает механические напряжения, приводящие к короблению пластин и растрескиванию слоев);
высокими диэлектрическими характеристиками (е = = 3,2 4-8,0;р = 1013 4-1017 Ом-см).
В зависимости от способа получения слои SiO2 обычно имеют толщину 0,2-1,5 мкм и плотность 2,15-2,3 г/см3.
Методы формирования слоев SiO2 основаны на химическом взаимодействии окислителя с материалом пластин (например, термический, ионно-плазменный) или разложении соединений, поступающих извне (например, пиролиз).
Термическое окисление — наиболее распространенный метод получения слоев SiO2 нагревом кремниевых пластин в окислительной атмосфере. Этот метод отличается от других высокими электрофизическими параметрами получаемых диоксидных слоев и возможностью совмещения с необходимыми технологическими процессами. Например, термическое окисление совмещают с разгонкой примесей (перераспределением примесей на второй стадии диффузии), так как оба эти процесса в большинстве случаев выполняются при одинаковой температуре.
Основными стадиями термического окисления являются (рис. 13):
адсорбция окислителя вначале на поверхности кремния, а затем диоксида;
перенос (диффузия) окислителя через слой диоксида;
реакция окислителя с кремнием на границе раздела Si—SiO2.
При достаточно высокой концентрации окислителя в газовой среде адсорбция не влияет на скорость процесса, а при правильно выбранной температуре (более 1000 °C) не ограничивается скорость химического взаимодействия окислителя с материалом подложек. Основной стадией, определяющей скорость протекания процесса окисления, является диффу
зия, о чем свидетельствует уменьшение скорости роста слоя диоксида кремния с увеличением его толщины.
Зависимость толщины слоя диоксида кремния от времени и других технологических параметров достаточно сложна и изменяется на протяжении всего процесса. Если считать, что давление окислителя отличается от атмосферного не более чем в 10 раз, а температура Т строго поддерживается выше 1000 °C, то после формирования слоя диоксида кремния толщиной более 0,01 мкм зависимость его толщины х от времени t может быть представлена в общем виде так:
,, =АК -№,
где е — основание натурального логарифма; А — коэффициент пропорциональности; ЛЕ — энергия активации процесса, зависящая от физико-химических свойств окислителя и окисляемого вещества; к — постоянная Больцмана.
Термическое окисление кремния в сухом кислороде проводят при атмосферном давлении и температуре 1000—1200 °C:
Si + О2 = SiO2
При высоком качестве слоев диоксида кремния (плотность около 2,27 г/см3) скорость их роста составляет всего 0,04— 0,06 мкм/ч. Это объясняется малым коэффициентом диффузии кислорода в диоксиде кремния (Z>o2 ~ Ю-14 см2/с). Энергия активации ДЕ1 при этом составляет 1,33 эВ.
Термическое окисление кремния в атмосфере водяного пара увеличивает скорость образования слоя диоксида до 0,8—1 мкм/ч при энергии активации ДЕ = 0,8 эВ:
Si + 2H2O = SiO2 + 2Н2
Скорость процесса при этом также в значительной степени зависит от интенсивности переноса окислителя через образующийся слой диоксида кремния (Al2O = Ю~н см2/с, т.е. в тысячу раз больше, чем при окислении в сухом кислороде). Объясняется это, в первую очередь, выделением на границе раздела SiO2 — Si водорода, который, обладая высоким коэффициентам диффузии в SiO2 №2 = Ю~6 см2/с), легко удаляется с места реакции, разрыхляет диоксид кремния (плотность около 2 г/см3), что способствует более легкому проникновению паров воды к поверхности кремния.
Термическое окисление кремния во влажном кислороде является комбинированным процессом, который позволяет создавать слои диоксида кремния оптимальной плотности с минимальным количеством дефектов при максимальной скорости.
Обычно кремний окисляют на специальных установках (рис. 14) в три стадии: вначале в сухом кислороде в течение 15 мин (кран К1 открыт, а краны К2 и. КЗ закрыты), затем во влажном в течение 1 ч 45 мин (К1 — закрыт, К2 и КЗ — открыты) и вновь в течение 1 ч в сухом для уплотнения (подсушивания) образовавшегося слоя SiO2 за счет удаления гидроксильных групп ОН и десорбции Н2.
Недостатком термического окисления кремния при атмосферном давлении и температуре более 1000 °C является ’’раз- гонка” примесей в ранее сформированных р-п переходах при многократном окислении, т.е. сложность получения резких р-п переходов. Уменьшение температуры значительно увеличивает время окисления. Повышением давления до 20—50 МПа можно активизировать процесс и снизить температуру до 400—700 ° С. В этом случае скорость роста слоя диоксида кремния составляет 1—2 мкм/ч. Однако при этом требуются особо прочные и герметичные установки и, кроме того, нельзя наращивать слои
0г0гК1К1Рис. 14. Установка термического окисления:1 - рабочая камера, 2 - кремниевые подложки, 3 - нагреватели, 4 - питательРис. 14. Установка термического окисления:1 - рабочая камера, 2 - кремниевые подложки, 3 - нагреватели, 4 - питатель
0г
0г
К1
К1
Рис. 14. Установка термического окисления:
1 - рабочая камера, 2 - кремниевые подложки, 3 - нагреватели, 4 - питатель
Рис. 14. Установка термического окисления:
1 - рабочая камера, 2 - кремниевые подложки, 3 - нагреватели, 4 - питатель
диоксида кремния на других полупроводниковых материалах,- Пиролитическим разложением легколетучих соединений кремния при высоких температурах наращивают слои диоксида кремния на подложках германия, арсенида галлия и др. Наиболее часто используют тетраэтоксисилан (ТЭОС), представляющий собой в обычных условиях жидкость, температура кипения которой равна 165 С, а температура разложения 600—750 °C. При пиролитическом разложении тетраэтоксисилана протекает следующая реакция:
Si(OC2H5)4 = SiO2 + R,
где R — газообразная смесь оксидов углерода и органических веществ.
При этой реакции температура ниже, чем при термическом окислении кремния, а скорость роста слоя диоксида равна 0,2 мкм/ч. Несоблюдение температурного режима ухудшает маскирующие свойства слоев диоксида кремния из-за неполного разложения ТЭОС или появления избыточного кислорода.
Установки пиролитического разложения отличаются от установок термического окисления лишь тем, что в питатель заливают ТЭОС, а вместо кислорода используют аргон.
Разновидностью пиролиза являются происходящие при более низких температурах реакции "Окисления силана (Т = = 250400 °C) и тетрахлорида кремния (Г = 200 4- 250 °C) :
SiH4 + 2О2 =SiO2 + 2Н2О
SiCl4 + 2H2O = SiO2 +4НС1
Отсутствие газообразных органических радикалов (СН3, С2Н5 и др.) и углерода позволяет наращивать слои диоксида кремния высокого качества.
Возможны также другие методы получения слоев диоксида кремния, целесообразность применения которых зависит от типов изготовляемых ИМС, используемых материалов и др.
Слои нитрида кремния Si3N4 обладают более высокими, чем слои SiO2, диэлектрическими свойствами, поэтому толщина их может быть примерно вдвое меньше. Так как азотирование, т.е. химическое взаимодействие кремния и азота, происходит при высокой температуре (1300 °C) и скорость роста слоя Si3N4 мала, широкое применение получили следующие газофазные реакции:
3SiH4 + 4NH3 = Si3N4 + 12Н2
3SiT4 + 4NH3 = Si3N4 + 12НГ,
где Г - галоген (Cl, Br, J).
Прозрачные, без примесей, обладающие высокой плотностью и хорошей маскирующей способностью слои Si3N4 получают при температуре 600-1100 °C и скорости роста 0,001—0,02 мкм/мин. Однако высокая химическая стойкость слоев Si3N4 затрудняет их травление при фотолитографии. Поэтому используют различные сочетания слоев SiO2 и Si3N4.
Перспективными являются также слои оксида алюминия А12О3, которые получают анодным окислением алюминия или осаждением его из металлоорганических соединений' при их разложении. Так, при температуре 250—450 °C разложением изопропилата алюминия А1(ОС3Н7)3 получают слои А12О3, обладающие высокими диэлектрическими (е = 9 -^ 10, ЕПр = = 1,5 • 103 В/мкм и р = 1014 Ом • см) и оптическими (показатель преломления п = 1,6 т 1,7) свойствами.
Используя смеси органических соединений кремния и алюминия, наносят слои алюмосиликатов (пА12О3 • mSiO2), обладающие промежуточными по сравнению с А12О3 и SiO2 свойствами.
ЛИТОГРАФИЯ
Неотъемлемой частью технологии изготовления полупроводниковых приборов и ИМС являются процессы литографии, основанные на использовании высокомолекулярных соединений,
Рис. 15. Схема процесса фотолитографии:
а - нанесение и экспонирование слоя фоторезиста, б, в - проявление слоев негативного и позитивного фоторезистов;
1 - фотошаблон, 2 - фоторезист, 3 - слой диоксида кремния, 4 - кремниевая подложка, 5, б - защитные маски из позитивного и негативного фоторезистов .
называемых резистами и обладающих способностью изменять свои свойства под действием различного рода излучений. При фотолитографии применяют ультрафиолетовое излучение, при рентгенолучевой литографии — рентгеновское, а при электронолитографии — поток электронов.
Наиболее широкое распространение получила контактная (рис. 15, a-е) и проекционная фотолитография, с помощью которой в пленочных слоях или непосредственно на подложках создают по заданным рисункам высокоточные рельефы будущих полупроводниковых приборов и ИМС. Рельефы могут быть сформированы в диэлектрических (SiO2, Si3N4), металлических (Al, Си, Au, Ni) или полупроводниковых (Si, Ge) слоях.
Предварительно нанесенный на поверхность, например кремниевой подложки^ с слоем 3 диоксида кремния (рис. 15,а), светочувствительный материал 2, называемый фоторезистом, подвергают воздействию ультрафиолетового излучения, т.е. экспонируют через специальную стеклянную маску — фотошаблон 1, имеющий прозрачные и непрозрачные участки. Под воздействием излучения свойства фоторезиста изменяются и при последующей обработке в специальных химических реактивах, т.е. проявлении, отдельные участки слоя фоторезиста удаляются. Если при проявлении фоторезист не растворяется и не удаляется с участков, на которые воздействовало ультрафиолетовое излучение (рис. 15, б), его называют негативным, а если растворяется и удаляется (рис. 15, в), его называют позитивным.
Свойства фоторезистов характеризуют рядом параметров.
Светочувствительность — это способность фоторезиста изменять свои свойства под действием светового излучения. Светочувствительность фоторезистов 5 = X[Et = 1/Я (где Е — энерго обл у ценность, Вт/см2, t — длительность облучения (выдержка), с; Н — экспозиция, Вт • с/см2) зависит от их физикохимических свойств и тем больше, чем меньше экспозиция. Необходимо, чтобы спектр излучения источника света максимально возможно совпадал со спектром поглощения фоторезиста. Большинство фоторезистов обладает максимальной светочувствительностью в ультрафиолетовой области спектра, т.е. в диапазоне длин волн 300—500 нм.
Разрешающая способность — это максимально возможное количество линий, разделенных промежутками такой же ширины на 1 мм поверхности, которое может быть воспроизведено в слое фоторезиста, т.е. R = 1000/(2/), где R — разрешающая способность, лин/мм, Z — ширина линии (промежутка), мкм. Иногда R — это наименьший размер элемента в микрометрах. 45
Разрешающая способность в основном зависит от зернистости и дисперсности фоторезиста.
Различают разрешающие способности фоторезиста Rp и процесса фотолитографии Rф. Так, если Rp — 1000 лин/мм, то 7?ф — 400 лин/мм, что объясняется отклонением световых лучей в системе фотошаблон—фоторезист—подложка из-за дифракции, рассеяния на границах зерен фоторезиста и отражения от поверхности подложки. Эти явления приводят к боковому засвечиванию, формированию размытого края и снижению разрешающей способности. Еще в большей степени Лф уменьшается в результате бокового подтравливания х под слоем фоторезиста 1 (рис. 16) на границах защитного рельефа при травлении пленки 2 диоксида кремния толщиной h. С увеличением толщины слоя фоторезиста Лф уменьшается. Кроме того, Rф зависит от совершенства применяемых фотошаблонов и источников ультрафиолетового излучения.
Кислотостойкость — это способность фоторезиста противостоять воздействию кислот (HF, HNO3, НС1 и др.), а в некоторых случаях и щелочей (КОН, NaOH и др.). Так как единого метода определения кислотостойкости фоторезистов нет, ее обычно характеризуют временем, в течение которого они выдерживают воздействие определенных химических реактивов. Кислотостойкость зависит также от состава полимерной основы фоторезиста. Например, желатин, гуммиарабик и шеллак имеют низкую кислотостойкость, а эпоксидные смолы, каучуки — высокую и позволяют проводить "глубинное” травление Si (до 100 мкм). Кроме того, кислотостойкость зависит от адгезии, толщины и качества слоя фоторезиста (отсутствия пустот, трещин, пор и др.) и определяется по формуле k = hjX (где h — толщина слоя SiO2; X — боковое подтравливание). При к — 1 травление качественное, а при к > 1 — некачественное.
Промышленностью выпускаются как позитивные фоторезисты (ФП-330, ФП-333, ФП-334, ФП-309, ФП-617, ФП-618, ФП-626, ФП-636 и др.), обеспечивающие при толщине слоя 0,3—0,4 мкм формирование линий шириной 1—2 мкм, так и негативные (ФН-106, ФН-11, ФН-11К, ФН-4ТВ и др.), позволяю-
Рис. 16. Схема бокового подтравливания:1 — слой фоторезиста, 2 - слой диоксида кремния толщиной h, 3 — кремниевая подложкаРис. 16. Схема бокового подтравливания:1 — слой фоторезиста, 2 - слой диоксида кремния толщиной h, 3 — кремниевая подложка
Рис. 16. Схема бокового подтравливания:
1 — слой фоторезиста, 2 - слой диоксида кремния толщиной h, 3 — кремниевая подложка
Рис. 16. Схема бокового подтравливания:
1 — слой фоторезиста, 2 - слой диоксида кремния толщиной h, 3 — кремниевая подложка
щие при толщине слоя 0,4—0,5 мкм получать линии шириной 2—3 мкм.
Фотолитография состоит из ряда операций, которые выполняют в определенной последовательности.
Очистку поверхности подложек производят различными методами, выбор которых зависит от материала, на который наносят фоторезист, и степени загрязненности: обработкой в парах трихлорэтилена, кипячением в азотной кислоте или деионизованной воде, с помощью ультразвука, термообработкой.
Нанесение фоторезиста является одной из важнейших операций. От качества ее выполнения и толщины нанесенного слоя фоторезиста зависят его разрешающая способность, кислотостсйкость и адгезия, а также воспроизводимость геометрических размеров элементов изготовляемых ИМС. Чаще всего фоторезист наносят центрифугированием, помещая подложки в центре платформы центрифуги и прижимая их вакуумным присосом. При вращении платформы слой нанесенного на подложки фоторезиста равномерно распределяется по их поверхности. В зависимости от вязкости фоторезиста и частоты вращения центрифуги (500-8000 об/мин) обычно за 20-30 с формируется слой фоторезиста толщиной 0,5—20 мкм.
Кроме того, применяют электростатическое нанесение фоторезиста, распыление его специальным пульверизатором, окунание и накатку валками.
При первой сушке фоторезист равномерно распределяется по поверхности и из него удаляются пары растворителя. В конвекционных печах (с подачей горчего обеспыленного воздуха) сушка фоторезистов в зависимости от их типов продолжается при 80—120 °C не более 20 мин. Сушка фоторезистов в ИК- и СВЧ-печах значительно короче (минуты и секунды) и обеспечивает высокое качество слоев (отсутствие пор, трещин, вздутий, отслоений). Это объясняется тем, что при термической сушке растворитель в первую очередь испаряется с поверхности, т.е. образуется "корка”, препятствующая последующему его удалению, что приводит к вздутию и отслаиванию слоя фоторезиста. При ИК- и СВЧ-сушке разогревается поверхность подложек и растворитель вначале удаляется изнутри.
Совмещение фотошаблона с подложкой может выполняться оператором визуально при наблюдении фигур совмещения (рис. 17, а, б) или контроле зазора 6 между ними (рис. 17, в). Точность этого метода ±(0,25 4- 1) мкм, а автоматизированного фотоэлектрического — не ниже 0,05 — 0,1 мкм.
При экспонировании фоторезистов исполь-
47
Рис. 17. Фигуры совмещения ’•линия-линия" (а), "точка-линия” (6) и с контролируемым зазором (в)
зуют ультрафиолетовые лампы СВД-120, СВДШ-250 или ДРШ-500, обеспечивающие неравномерность освещения 5—10% по полю подложки. Время экспонирования 1—2 мин.
Так как при контактной фотолитографии фотошаблон прижимают к поверхности подложки, большое значение имеет механическая прочность нанесенного на него рисунка (прозрачных и непрозрачных участков). Наименее прочны эмульсионные фотошаблоны (стеклянные пластины с экспонированной эмульсией), выдерживающие не более 20—30 контактов. Поэтому их обычно используют только в качестве эталонных фотошаблонов, с которых снимают копии — рабочие фотошаблоны. Рабочие фотошаблоны выполняют в виде стеклянных пластин размером 70 X 70 X 2,5 мм с нанесенной на них пленкой хрома толщиной 0,1 мкм, в которой вытравлен необходимый рисунок. Такие фотошаблоны имеют высокую износостойкость, но обладают значительной отражательной способностью (50—60%), что вызывает боковое засвечивание фоторезиста и снижает его разрешающую способность. Минимальный размер воспроизводимых элементов 2 мкм.
Этого недостатка лишены цветные фотошаблоны (краснооранжевого цвета), на поверхность стеклянного основания которых нанесена пленка Ре2О3 и Fe(CO)5. Отражательная способность таких фотошаблонов 10—15%, а минимальные размеры воспроизводимых элементов до 1 мкм.
При проявлении негативных и позитивных фоторезистов в специальных растворителях удаляют соответственно неэкспонированные и экспонированные участки. Для проявления негативных фоторезистов применяют органические растворители (толуол, бензол, уайт-спирит и др.), а позитивных — слабые водные и водоглицериновые щелочные растворы (КОН, NaOH, Na3PO4 • 12Н2О — тринатрийфосфат).
При второй сушке (задубливании) полностью удаляется проявитель и повышается химическая стойкость фото- 48
S'
резиста вследствие завершения процесса его полимеризации и улучшения адгезии к подложке. Эту сушку, как правило, проводят термообработкой при 120—180 °C в течение 20 мин.
Травление является предпоследней операцией процесса фотолитографии, служит для формирования в слое фоторезиста заданного рельефа и оказывает значительное влияние на электрические параметры изготовляемых полупроводниковых - приборов и элементов ИМС. При этом используемые травители . должны быть избирательными, т.е. растворять данный слой и . .не воздействовать на лежащие ниже. Так, для травления SiO2 « Применяют водный раствор плавиковой кислоты HF. При этом «протекает следующая реакция: SiO2 + 4HF = SiF4 + 2Н2О и «„Начинает интенсивно выделяться газообразный SiF4, который «^вызывает отслаивание, растравливание и разрывы пленки SiO2. ^Поэтому на производстве используют специальные травители, '^«называемые буферными, позволяющие регулировать скорость i травления, в которые кроме плавиковой кислоты HF входят ее соли.
1 , Кроме химического травления широко применяют также ' методы, которые были описаны в § 7.
Удаление фоторезиста является последней ■ и исключительно ответственной операцией процесса фотолитографии, так как от нее зависит качество последующих техно- I логических операций производства полупроводниковых прибо- j ров и ИМС: окисления, диффузии, нанесения металлических .пленок.
, „1, В зависимости от типа фоторезиста для его удаления используют концентрированные кислоты (H2SO4, HNO3), щелочи । (КОН, NaOH) или органические растворители (трихлорэтан, ,> диоксан и др.). Для интенсификации процесса кислотные и ор- I1 ганические растворители нагревают до 60—100 °C. Кроме того, .л применяют ультразвуковую и высокочастотную плазменную £ обработку.
fe Необходимо отметить, что при контактной фотолитографии ^'размеры получаемых элементов ИМС составляют 1 мкм и бо- жяее. Это объясняется механическими повреждениями рабочих ^фотошаблонов и подложек, попаданием пылинок и микрочас- ■гиц в слой фоторезиста и прокалыванием его, а также налипа- ®нием фоторезиста на фотошаблоны.
Ь Проекционная фотолитография, при которой изображение ®фотошаблона проецируется через специальный объектив с вы- ®сокой разрешающей способностью на плоскость подложки, не Жимеет этих недостатков. В результате увеличивается срок служ- Ж бы фотошаблонов и уменьшается количество дефектов в слое , ж-фоторезиста. Кроме того, процесс проекционной фотолитогра-
■49
фии можно автоматизировать в большей степени, чем контактной. Вместе с тем при этом методе предъявляют более высокие требования к плоскостности подложек и однородности толщины слоя фоторезиста. Разрешающая способность проекционной фотолитографии 0,4—1 мкм.
Рентгенолучевая литография основана на воздействии мягкого рентгеновского излучения (ускоряющее напряжение U = 8 кВ) на рентгенорезист и позволяет за счет более коротких длин волн, чем при ультрафиолетовом излучении, получать размеры элементов 0,3—0,5 мкм. В качестве рентгенорезиста используют материал на основе полиметилметакрилата, отличающийся высокой стабильностью свойств, нечувствительностью к ультрафиолетовому излучению и достаточной килостостойкостью (кроме НС1). Рентгеношаблоны обычно изготовляют из кремния, так он хорошо пропускает рентгеновские лучи, а рисунок выполняют в виде тонкой золотой пленки, их не пропускающей.
Отсутствие отражения и рассеяния, а также контакта между резистом и рентгеношаблоном и нечувствительность к загрязнениям (рентгеновское излучение практически не поглощается) позволяют считать рентгенолучевую литографию перспективным методом создания БИС и СБИС с субмикронными (менее 1 мкм) размерами элементов.
Электронолитография, позволяющая еще более повысить разрешающую способность (минимальные размеры элементов составляют 0,1—0,15 мкм), основана на взаимодействии пучка ускоренных электронов с электронорезистом — полимерным материалом, нечувствительным к ультрафиолетовому излучению. При этом экспонирование может производиться как сфокусированным (проекционным) пучком электронов, так и его сканированием по заданной программе, что исключает применение фотошаблонов.
ЛЕГИРОВАНИЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПОДЛОЖЕК
Одним из основных процессов современной технологии изготовления полупроводниковых приборов и ИМС является легирование — дозированное введение примесей в полупроводниковый материал для изменения его электропроводности. В зависимости от физики процесса и применяемого технологического оборудования различают следующие методы легирования: высокотемпературную и радиационно-стимулированную диффузию, а также ионную имплантацию.
Высокотемпературная диффузия основана на перераспреде-
дении частиц одного вещества в другом в направлении убывания их концентрации при тепловом воздействии.
Математическое описание диффузионных процессов было сделано в 1855 г. немецким ученым А. Фиком и в общем виде может быть представлено следующим уравнением:
J^-D^N,
где ДМ — градиент концентрации частиц (атомов примеси); D — коэффициент диффузии; J — плотность потока, т.е. число частиц, проходящих в единицу времени через единицу площади. Знак минус показывает, что диффузия идет в направлении убывания концентрации.
■ Мерой скорости диффузии является коэффициент диффузии
■ д£"
D = Doe кт ,
где Do — величина, постоянная для данного вещества; Ы£ — энергия, необходимая атому для диффузии (энергия активации); к - постоянная Больцмана, равная 1,38 • 10~16 Дж/К;
Т — температура диффузии; е = 2,7 — основание натурального логарифма.
Скорость диффузии, определяемая подвижностью диффундирующих в кристаллической решетке полупроводника атомов, зависит от идеальности их расположения в реальном кристалле, а также от выбранного кристаллографического направления.
Теоретически в реальных кристаллах предполагаются три механизма диффузии: взаимным замещением атомов; по междоузлиям; по вакансиям. Основные электрические активные примеси образуют в полупроводнике твердые растворы замещения (например, бор и фосфор в кремнии), диффузия в которых может происходить одновременно тремя способами. Однако будут преобладать два последних, так как при них энергия активации значительно меньше, чем при первом.
Существенное влияние на скорость диффузии оказывает наличие примесей в исходной подложке полупроводника, так как из-за электрического взаимодействия их с диффундирующим веществом возникают дополнительные связи, которые уменьшают (или увеличивают) энергию активации. Дислокации (смещения слоев кристалла) ускоряют процесс диффузии.
Диффузия — это объемный процесс, т.е. вещество перераспределяется в объеме исходной подложки полупроводника по трем направлениям (координатным осям х, у, z). Рассмотрим частный случай, когда вещество диффундирует с поверхности подложки вглубь, например по координате х. Такое допущение
правомерно, если глубина диффузии значительно меньше, чем площадь, на которой она происходит. Диффузию проводят из неограниченного или ограниченного источника примеси.
При диффузии из неограниченного источника (бесконечного, постоянного) количество примеси, уходящей с поверхности подложки в ее объем, равно количеству примеси, поступающей на нее извне. Другими словами, концентрация N вводимой примеси, называемой диффузантом, на поверхности подложки постоянна. Если обозначить х — расстояние от поверхности в глубь пластины, No — поверхностную концентрацию примеси, N (х, Z) - концентрацию примеси на любой глубине х в любое время t, то N (х, Z) -f (N^; D; х; f).
Следовательно, можно заранее рассчитать, какое количество примеси, на какой глубине от поверхности подложки и через какое время будет находиться в процессе диффузии с учетом физико-химических свойств подложки и диффузанта, а также температуры процесса. Графически распределение при-
Рис. 18. Распределение примеси при диффузии из постоянного (а) и ограниченного (б) источников
Рис. 19. Реальное распределение примеси в кремниевой подложке л-типа:
У - точка инверсии типа электропроводности, 2 - кремниевая подложка, 3 - диффузионная область
W'r№CH при диффузии из неограниченного источника показано на ~ рис. 18, я.
. Диффузию из ограниченного (конечного) источ- Ч, ника примеси проводят в две стадии. Вначале в тонком fc приповерхностном слое подложки создают концентрацию примеси Wo (загонка примеси). Затем на поверхность подложки на” носят слой, коэффициент диффузии данной примеси в котором ; значительно меньше, чем в подложке (например, слой SiO2 на 'у подложке Si), и нагревают такую структуру до высокой темпе- №ратуры. При этом происходит диффузия примеси в глубь плас- Жтииы (разгонка) и поверхностная концентрация No примеси ■уменьшается. Графически распределение примеси при диффузии из ограниченного источника показано на рис. 18, б.
Реальные полупроводниковые подложки имеют определен- 'ную концентрацию основной легирующей примеси. Так, крем- диевая подложка 2, показанная на рис. 19, до создания диффу- ;зионной области 3 была n-типа электропроводности, т.е. имела 'неизменную по всей толщине концентрацию N^ примеси. Диффузией акцепторной примеси в соответствующие места поверх- (ности была создана некоторая поверхностная концентрация ;зтой примеси N^. При этом иа определенном расстоянии от поверхности подложки концентрация донорной и акцепторной примесей стали одинаковыми. Точка 1 инверсии типа электропроводности соответствует уравниванию донорной и акцепторной Примесей и характеризует глубину залегания р-п перехода
Диффузию обычно проводят при 1000—1300 °C, так как ниже 1000 °C значения коэффициента диффузии D очень малы и глубина залегания р-п перехода незначительна, а выше 1300 °C — получают диффузионные слои низкого качества и резко снижается стойкость кварцевого реактора. Если в изолированный объем поместить полупроводниковую подложку и легирующее вещество — диффузант, то при испарении установится парциальное давление ps паров диффузанта, молекулы (атомы) которого начнут адсорбироваться поверхностью подложки и при определенной температуре будут диффундировать в нее. В идеальном случае поверхностная концентрация No зависит от парциального давления р$. Если равновесие на поверхности достигается за время t, меньшее времени диффузии, поверхностная концентрация No постоянна.
Диффузию проводят на установках в закрытой, открытой или полуоткрытой трубе (рис. 20, а-в).
При первом способе (рис. 20, а) подложки 1 и диффузант 3 загружают в кварцевую трубу 2, которую вакуумируют и в виде герметичной ампулы помещают в печь 4.
Рис. 20. Схемы проведения диффузии в закрытой (а), открытой (6) и полуоткрытой (s) трубах:1 - кремниевая подложка, 2 — кварцевая труба, 3 — диффузант, 4 - печь, 5 - выходной конец трубы, 6 - кварцевая муфта, 7 - уплотнениеРис. 20. Схемы проведения диффузии в закрытой (а), открытой (6) и полуоткрытой (s) трубах:1 - кремниевая подложка, 2 — кварцевая труба, 3 — диффузант, 4 - печь, 5 - выходной конец трубы, 6 - кварцевая муфта, 7 - уплотнение1ii1iiiIГ I IiIГ I I
Рис. 20. Схемы проведения диффузии в закрытой (а), открытой (6) и полуоткрытой (s) трубах:
1 - кремниевая подложка, 2 — кварцевая труба, 3 — диффузант, 4 - печь, 5 - выходной конец трубы, 6 - кварцевая муфта, 7 - уплотнение
Рис. 20. Схемы проведения диффузии в закрытой (а), открытой (6) и полуоткрытой (s) трубах:
1 - кремниевая подложка, 2 — кварцевая труба, 3 — диффузант, 4 - печь, 5 - выходной конец трубы, 6 - кварцевая муфта, 7 - уплотнение
1
i
i
1
i
i
i
I
Г I I
i
I
Г I I
При втором способе (рис. 20, б) входной и выходной 5 концы трубы 2 сообщаются с атмосферой. Для уменьшения загрязнения подложек примесями из атмосферы на выходном конце трубы устанавливают вытяжную систему.
При третьем способе (рис. 20, в) кассету с пластинами 1 и лодочки с диффузантом 3 (диоксид кремния с необходимой примесью) помещают в трубу 2, выполненную в виде двух половин, каждая из которых представляет собой кварцевый стакан с полукруглым дном. Затем обе половины соединяют встык, закрепляют кварцевой муфтой б с уплотнением 7 из платиновой фольги и помещают в печь 4. При нагреве кислород, поступая через микрозазоры между уплотнением 7, трубой 2 и ее торцами к подложкам, окисляет их поверхность. Одновременно с окислением примесь из лодочки переходит в слой диоксида кремния, образующийся на поверхности подложек. Насыщаясь примесью, этот слой становится источником диффузии на поверхности подложек.
В качестве диффузантов используют твердые, жидкие или газообразные вещества. Диффузантами для кремния являются акцепторные примеси В, Al, Ga, In и донорные примеси Р, As, Sb, которые, как правило, применяют в виде оксидов (Р2О5, В2О3, As2O3), оксихлоридов (РОС13), галогенидов (РВг3, РС13, ВВг3), гидридов (РН3, В2 Н6, AsH3 ).
В закрытой трубе диффузию проводят в одну стадию, в открытой — как в одну, так и в две стадии, а в полузакрытой - в две. Двухстадийная диффузия более управляема, воспроизводима и контроль ее проще.
Необходимо отметить, что важную роль в диффузионных процессах играет окислительная среда. Растущая при диффузии примеси пленка SiO2 предохраняет поверхность кремния от эрозии (в результате его возможного испарения), нежелательных химических реакций и существенно повышает воспроизво- 54
димость параметров (хр_п; No и др.) диффузионных областей.
. Окислительный процесс при использовании, например, жидких и газообразных диффузантов состоит из следующих ста
- дий:
взаимодействия диффузанта с кислородом в газовой фазе с образованием ангидрида легирующего элемента:
4ВВг3 + ЗО2 = 2В2О3 + 6Вг2
4РОС13 + ЗО2 = 2Р2О5 + 6С12
в2н6 + зо2 = В2О3 + ЗН2О
2РН3 + 4О2 =Р2О5 + ЗН2О и т.д.;
) диффузии ангидрида через слой растущего оксида к границе раздела Si—SiO2;
у . взаимодействия ангидрида с кремнием и выделения атомарной примеси:
*2Р2О5 + 5Si = 5SiO2 +4Р
<2В2О3 + 3Si = 3SiO2+4В
диффузии атомов легирующего вещества в кристалличес- ' кую решетку кремния.
“ Окисление происходит также в результате диффузии кислорода через слой диоксида и последующего взаимодействия с „кремнием (см. § 9).
; Высокотемпературная диффузия, являющаяся основой сов; ременной планарной технологии, позволяет получать в полупро- iводнике легированные слои толщиной до единиц микрометра. /Формировать этим методом слои толщиной менее 1 мкм невозможно, так как при неоднократном проведении процесса высокая температура способствует перераспределению примесей в ■ ранее полученных диффузионных областях, смещению р-п пе- • реходов и необратимому изменению электрофизических свойств основного полупроводника. Поэтому было разработано и освое-
. но ионное легирование (ионная имплантация).
’ Ионная имплантация — это введение в полупроводник необ- ' ходимых примесей в виде ионов. Обладая большой энергией . (до 1000 кэВ), ионы примеси проникают через поверхность полупроводника в его кристаллическую решетку. В результате
столкновений с атомами, расположенными в узлах кристаллической решетки, ионы примеси смещают их в междоузлия с образованием вакансий или междоузельных атомов. Так как ■’ энергия ионов примеси в 100—1000 раз больше энергии связи атомов в решетке полупроводника, каждому из них передается | огромное количество энергии. Этот лавинообразный процесс ^Вызывает каскад последовательных смещений в кристалличес-
кой решетке, разупорядочение ее и возникновение нескольких тысяч точечных дефектов. Поэтому полупроводниковые подложки для восстановления их кристаллической структуры я снятия напряжений после ионного легирования отжигают при 600—800 °C или обрабатывают лазером.
Ионное легирование проводят на установке, схема которой показана на рис. 21. Легирующее вещество, предварительно переведенное в парообразное состояние, ионизируют электронной бомбардировкой, дуговым разрядом или действием различных излучений в ионизационной камере 1. Ускоренный электрическим полем (сотни киловольт) поток ионов с помощью фокусирующей системы 2 направляют на определенный участок поверхности полупроводниковой подложки 5. Так как легирующие вещества применяются в виде соединений, в потоке ионов одновременно присутствуют как необходимые для легирования ионы (например, Р, В), так и бесполезные (С1, Вг и др.). Специальное устройство — масс-сепаратор 3 разделяет ионы по массам, а система сканирования 4 связанная с ЭВМ, управляет перемещением потока легирующих ионов по поверхности полупроводниковой подложки 5 в соответствии с заданной программой.
Ионное легирование широко применяют при изготовлении БИС и СБИС, так как при этом методе возможно точное и воспроизводимое дозирование внедряемой примеси в результате строгого контроля тока ионного пучка и времени облучения, а также проведения процесса за несколько минут, что невозможно при термической диффузии. Кроме того, ионное легирование
Рис. 21. Схема установки ионного легирования:
7 — ионизационная камера, 2, 4 - фокусирующая и сканирующая системы, 3 — масс-сепаратор, 5 — кремниевая подложка
Жущозволяет формировать р-п переходы с точностью до 0,02 мкм ц совместимо с другими технологическими процессами.
Вместе с тем следует отметить такие недостатки ионного
; легирования, вызывающие некоторые ограничения его приме- £ нения, как отжиг полупроводниковых подложек при темпе- $ ратурах в несколько сотен градусов, сложность создания глубок: ко легированных областей, а также расфокусировку ионного < пучка при обработке подложек больших диаметров, обуслов- № ленную значительным его отклонением от главной оси.
L .§ 12. НАНЕСЕНИЕ ТОНКИХ ПЛЕНОК
*" В производстве полупроводниковых приборов и ИМС £ широко используются тонкие металлические и диэлектрические Ж пленки.
®- Металлические пленки применяют дляизготов- К пения тонкопленочных резисторов и конденсаторов, коммута- ® ционных элементов и контактных площадок, омических кон- Ж тактов и т.п. В зависимости от назначения элементов ИМС ® используют как пленки из платины, золота, серебра, никеля, Т хрома, меди, алюминия, титана, молибдена, так и многослой- ^" ные пленочные структуры.
Диэлектрические пленки (SiO, S1O2, GeO, »Д12О3, Si3N4 и т.д.) используют для изготовления тонкопле-
жжt ночных конденсаторов, защиты тонкопленочных элементов,
ж
ж
'«К''«К'р-п переходов и поверхности полупроводниковых пластин, создания межслойной изоляции в многослойных коммутационных платах и др.
'«К'
'«К'
Наибольшее распространение получили следующие методы нанесения тонких пленок: термическим испарением материалов
Jk; в вакууме (резистивным и высокочастотным нагревом, нагревом электронным лучом или лазером), ионным распылением ^ (катодным, ионно-плазменным или магнетронным) и ионно- ^ термическим испарением.
К Термическое испарение в вакууме по сравнению с другими ж методами обладает рядом преимуществ. Так, в высоком ваку- 4;,, уме (10“3 —10“7 Па) можно наносить особо чистые пленки, т.е. ^ мало загрязненные молекулами остаточных газов (О2, Н2, ^ N2, СО2 и др.). Относительная простота метода, а также воз- *Y можность автоматизации процесса позволяют осаждать пленки ; * . с воспроизводимыми параметрами. Кроме того, этот метод $' наиболее выгоден при изготовлении БИС и СБИС, размеры я элементов которых должны быть очень точными.
Ж Термическое испарение основано на создании направлен- К НОго потока пара вещества и последующей его конденсации
11Рис. 22. Схема термического испарения в вакууме:1 - колпак, 2 - нагреватель подложек, 3 - подложкодер- жатель, 4 - подложка, 5 — заслонка, 6 - испаритель, 7 — уплотнительная прокладка, 8 - опорная плита установкиРис. 22. Схема термического испарения в вакууме:1 - колпак, 2 - нагреватель подложек, 3 - подложкодер- жатель, 4 - подложка, 5 — заслонка, 6 - испаритель, 7 — уплотнительная прокладка, 8 - опорная плита установкиПроцесс термическогоПроцесс термического
1
1
Рис. 22. Схема термического испарения в вакууме:
1 - колпак, 2 - нагреватель подложек, 3 - подложкодер- жатель, 4 - подложка, 5 — заслонка, 6 - испаритель, 7 — уплотнительная прокладка, 8 - опорная плита установки
Рис. 22. Схема термического испарения в вакууме:
1 - колпак, 2 - нагреватель подложек, 3 - подложкодер- жатель, 4 - подложка, 5 — заслонка, 6 - испаритель, 7 — уплотнительная прокладка, 8 - опорная плита установки
Процесс термического
Процесс термического
на поверхности подложек, температура которых ниже температуры, источника пара. Рабочая камера установки термического испарения (рис. 22) представляет собой цилиндрический металлический или стеклянный колпак 1, размещенный на опорной плите 8 и уплотненный резиновой прокладкой 7. Внутри рабочей камеры располагаются подложкодержатель 3 с подложками 4, их нагреватель 2 и испаритель 6. Между испарителем и подложками имеется заслонка 5, позволяющая в нужный момент прекращать подачу испаряемого вещества. Рабочая камера откачивается вакуумным насосом до давления IO-3—10-4 Па, которое измеряется вакуумметром.
испарения состоит из трех основных
этапов: испарения вещества; переноса его паров к подложкам; конденсации на них и образовании пленочной структуры.
При нагревании до определенной температуры вещество испаряется, кинетическая энергия его частиц (атомов и молекул) возрастает, в результате чего увеличивается вероятность разрывов межатомных и межмолекулярных связей. Отрываясь от поверхности, частицы вещества распространяются в свободном пространстве, образуя пар. При этом возможны две схемы испарения: твердая фаза — жидкая фаза — парообразная фаза и твердая фаза — парообразная фаза. Вторую схему испарения называют возгонкой или сублимацией. При этом частицы вещества испаряются с поверхности, создавая в замкнутом объеме V некоторое давление пара р. Одновременно происходит обратный процесс — конденсация. При V = const, Т = const и р = cohst скорости испарения ии и конденсации ик равны. Условия, при которых соблюдается равенство, называют равновесными (состояние насыщения), а образующийся при этом пар — насыщенным. При этом скорость испарения
ии = 0,0585р5 у/м/Т,
где ps — давление насыщенного пара; Т — температура испарения; М — молекулярная масса испаряемого вещества.
Температуру, при которой давление насыщенного пара вещества примерно равно 1 Па, называют температурой испа- 58
.рения. При нанесении пленок вещество должно испаряться -в молекулярном режиме, так как при этом создается молекулярный пучок, частицы которого перемещаются от испарителя к подложке прямолинейно, без столкновений и рассеяния. Эти условия достигаются при давлении остаточных газов р < < 10-2 Па, а насыщенного пара ps < 102 Па, т.е. при невысокой скорости испарения ии.
При ps > 102 Па скорость испарения и,, достаточно велика и над поверхностью подложек образуется слой пара, затрудняющий испарение. При р > 10"2 также создаются условия для немолекулярного режима испарения, так как длина свободного пробега частиц X меньше расстояния между подложкой и испарителем. Согласно кинетической теории газа,
Х = И7л V2pa2,
где к — постоянная Больцмана; 8 — эффективный диаметр молекулы газа.
Как следует из табл. 2, для выполнения условия X > d и создания прямолинейной траектории движения частиц необходимо давление не выше 10-2 Па, так как обычно расстояние d~ 15 v 20 мм.
Таблица 2. Зависимость длины свободного пробега
частиц от давления остаточных газов
р, Па1,010"110"210"310'4
X, м10"37-Ю"27-Ю'177 - 101
Кроме того, форма молекулярного пучка должна быть такой, чтобы обеспечивалась максимальная направленность движения частиц испаряемого вещества к подложке. Для осаждения равномерной по толщине пленки плотность падающего пучка должна быть одинаковой по всей поверхности подложки.
Конденсация паров зависит от температуры подложки и плотности молекулярного пучка. Приближаясь к подложке, частицы вещества попадают в поле сил притяжения ее поверхностных атомов и молекул. Вместе с тем на очень близком расстоянии на частицы вещества действуют также силы отталкивания. Атомы (молекулы) испаряемого вещества, достигшие подложки, могут мгновенно отразиться от нее (упругое столкновение), адсорбироваться и через некоторое время вновь отразиться (реиспариться), а также адсорбироваться и после кратковременного мигрирования по поверхности остаться на ней, т.е. происходит конденсация. Если энергия связи частиц 59
вещества с атомами подложки больше средней энергии атомов подложки, они конденсируются, а в ином случае отражаются от нее.
Температура подложки, выше которой все частицы вещества отражаются от ее поверхности и пленка при этом не образуется, называемая критической температурой, зависит от физикохимических свойств материалов осаждаемой пленки и подложки, а также от состояния поверхности подложки.
Наименьшую плотность, при которой частицы осаждаемого вещества конденсируются на подложке при данной ее температуре, называют критической плотностью молекулярного потока. При нахождении молекулами осаждаемого вещества мест, соответствующих минимуму свободной энергии системы молекула- подложка, образуются зародыши. Рост зародышей происходит в результате присоединения новых молекул, мигрирующих по поверхности или попадающих на зародыш непосредственно из пространства между источником и подложкой.
Размер зародыша, при котором он обладает минимальной устойчивостью, называется критическим. Зародыш критического размера при удалении даже одной молекулы распадается и, наоборот, при добавлении ее становится более устойчивым. При росте и объединении зародышей образуются островковые структуры, а затем — сплошная пленка.
Конденсация вещества на подложке определяется коэффициентом конденсации (аккомодации)
ак = пк!по6р
где иоб — количество атомов или молекул, достигших поверхности в единицу времени; пк — количество частиц, закрепившихся на поверхности.
Электрофизические параметры тонких пленок, их надежность и качество зависят от таких основных технологических факторов, как давление остаточных газов р, температура подложек ТП и испарения Т и, кроме того, условий термообработки нанесенной пленки (температуры, времени, среды).
Как уже отмечалось, при большом давлении в рабочей камере присутствуют остаточное (О2, Н2, N2, СО2) и другие газы, которые не только уменьшают среднюю длину свободного пробега молекул, но насыщают пленку, химически взаимодействуют с ней, образуя соединения, изменяющие первоначальные свойства осаждаемого вещества.
Скоростью испарения ии, зависящей от температуры, определяется производительность процесса, возможность химического взаимодействия остаточных газов и испаряемого вещества, а также условия его кристаллизации на подложке. 60
-Так, при низких скоростях испарения в пролетном пространст- " В® успевают произойти химические реакции и образуются оксиды, гидриды, нитриды и другие соединения, обладающие иными, уем осаждаемое вещество, свойствами и скоростями миграции по поверхности подложки. В результате этого изменяются условия кристаллизации, структура и электрические параметры осаждаемой пленки.
Температурой Тп подложки определяется взаимодействие ее материала с остаточными газами, а также интенсивность химического взаимодействия этих газов и материала пленки. При повышении температуры улучшается десорбция, уменьшается газонасыщение и создаются условия термодинамического равновесия. В результате этого формируются сплошные и без- i дефектные пленки, обладающие хорошей адгезией, имеющие ненапряженную структуру и оптимальные размеры зерен. Одна' ко следует помнить, что значительное повышение температуры ’ подложки увеличивает критический размер зародышей и может ft. привести к сохранению островковой структуры, что, в свою ■ очередь, вызывает неравномерность пленки по толщине и ухудшение ее электрофизических параметров. Это особенно важно ' при изготовлении тонкопленочных резисторов (толщина пленки 0,35—0,6 мкм). Обычно температуру подложек выбирают в интервале от 30 до 400 °C.
■ Цель термической обработки осажденных пленок — снятие 1 в них напряжений и предотвращение рекристаллизации, которая ■ может происходить при повышенных температурах, возникающих при прохождении тока через элементы. Правильный выбор температуры термообработки Тод, ее времени и давления остаточных газов р способствует стабилизации структурных, а сле-
I. Рис. 23. Резистивные испарители:
t а, б - проволочные, в, г, д - ленточные, е - тигельный; 1 - нагреватель, | 2 - испаряемое вещество, 3 - компенсаторы, 4 - крышка, 5 - тигель
довательно, и электрофизических параметров пленок. Так, для большинства резистивных пленок Т^д = 300 <• 450 °C;
Г = 1 т4ч,р = 10~3 10~4 Па. Ухудшение вакуума, т.е. увеличение давления, интенсифицирует процессы химического взаимодействия испаряемого вещества с остаточными газами.
В зависимости от способа нагрева осаждаемого вещества различают резистивные, электронно-лучевые и индукционные испарители.
Резистивные испарители изготовляют из проволоки и лент тугоплавких металлов, а также из графита и диборида титана TiB2.
Проволочные испарители (рис. 23, а, б) просты по конструкции, хорошо компенсируют тепловое расширение, но недолговечны, не позволяют испарять сыпучие вещества и объем их мал.
Ленточные испарители для устранения тепловой деформации имеют компенсаторы (рис. 23, в) и позволяют испарять большее, чем проволочные, количество вещества. Материалы, склонные к разбрызгиванию и выбрасыванию крупных частиц, осаждают из испарителей, снабженных сетчатой крышкой (рис. 23, г).
Графитовые и из диборида титана испарители (рис. 23, д) применяют при осаждении материалов, имеющих Т > 2200 °C.
В тигельных испарителях из теплостойкой керамики (А12О3, ВеО, ThO) устранен непосредственный контакт нагревателя с испаряемым материалом и значительно увеличена загрузка (рис. 23, е).
Недостатки резистивных испарителей — загрязнение наносимой пленки материалом нагревателя или тигля, малый срок службы, невозможность испарения тугоплавких металлов.
Электронно-лучевые испарители (рис. 24,а) основаны на преобразовании кинетической энергии электронов в энергию нагрева при бомбардировке ими испаряемого материала. Эти испарители применяются при нанесении пленок ту-
Рис. 24. Электронно-лучевой (а) и индукционный (б) испарители: 1 - катод, 2 — управ' ляющий электрод, 3 - анод, 4 - магнитная фокусирующая система, 5 — электронный луч, 6 — испаряемый материал, 7 - индуктор
рэплавких материалов, не загрязняют камеру материалом нагревателя и тигля и могут быть использованы более длительное время, чем резистивные. Однако при электронной бомбардировке некоторые материалы разлагаются на фракции с выделением газообразных веществ. Площадь сфокусированного электронного пучка 3-60 мм2, напряжение на аноде 6—10 кВ, скорость испарения — до 5 мг/с.
Индукционные испарители (рис. 24, б) основаны на разогреве материала высокочастотным магнитным полем, создаваемым индуктором. Основной недостаток этих испарителей — значительная зависимость скорости испарения вещества от его массы.
Катодное, ионно-плазменное и магнетронное распыление существенно отличаются от термического испарения. Так, при катодном распылении материалов, особенность которого состоят в том, что пленка формируется в газовом разряде, процесс происходит при давлении от 1 до 102 Па и меньшей, чем при термическом испарении, скорости роста пленки.
Катодное распыление основано на том, что поток положительно заряженных ионов газа (например, аргона), получивших энергию от сотен электронвольт до единиц килоэлектронвольт, направляют на мишень, выполненную из распыляемого вещества. Ионной бомбардировкой из мишени выбиваются частицы вещества, которые оседают на подложке в виде тонкой пленки.
В зависимости от способов ионизации газа, т.е. создания плазмы и распыления мишени, ионные источники подразделяют на диодные, триодные и магнетронные.
В диодных источниках поток электронов, необходимый для ионизации рабочего газа, образуется в результате автоэлектронной эмиссии. В таких источниках бомбардируемая ионами газа мишень одновременно является катодом и поэтому называется катодом-мишенью. Осаждение вещества происходит на подложку, располагаемую на аноде. Если распыляемая мишень металлическая, распыление ведется при постоянном токе, а если диэлектрическая, — при переменном. Во втором случае при отрицательной полярности мишень распыляется, а при положительной с нее снимается накопленный отрицательный заряд..
Диодные системы (рис. 25, а) наиболее просты и состоят из катода-мишени I, анода 3 и подложки 2, размещенных в рабочей камере, в которой первоначально создается вакуум 10-3 — КГ4 Па; затем в камеру напускается инертный газ до давления 1,3—13 Па. При подаче на электроды напряжения 1—5 кВ электроны с катода-мишени устремляются в сторону анода, Ионизируя инертный газ, в результате чего возникает нормаль- 63
Рис. 25. Ионные источники испарения:
а - диодный, б - триодный; 1 - катод-мишень, 2 - подложка, 3 - анод, 4 - термокатод
ный тлеющий разряд и образуется плазма. Положительные ионы плазмы, ускоряясь, устремляются к катоду-мишени, бомбардируют и распыляют ее.
В триодных источниках, называемых также ионно-плазменным и источниками распыления (рис. 25, 6), третий электрод выполняет функцию термоэмиссионного катода, увеличивая концентрацию электронов, а следовательно, и ионизированных атомов рабочего газа (аргона). Причем увеличение количества ионов аргона возможно при уменьшении его давления до 10-1—10~2 Па, что обеспечивает нанесение пленок, не загрязненных посторонними примесями. Кроме того, наличие термокатода позволяет приблизить мишень к подложке, что увеличивает скорость нанесения пленю!. Как и в диодных источниках, рабочую камеру предварительно откачивают до давления около 1(Г4 Па. Затем подают ток накала на вольфрамовый термокатод, который разогревается до температуры возникновения термоэлектронного тока высокой плотности. Напряжение между раскаленным термокатодом и анодом равно 200 В, а давление аргона в рабочей камере — 10-1 — 10-2 Па. Электроны, испускаемые термокатодом, ионизируют модекулы аргона, которые после подачи отрицательного потенциала на катод-мишень (3—5 кВ), вытягиваясь из плазмы, бомбардируют и распыляют ее поверхность.
Особенностью триодных источников распыления является безынерционность (распыление после снятия потенциала с катода-мишени мгновенно прекращается), возможность ионной очистки поверхностей мишени и подложки без встраивания специальной системы электродов. Так как энергия летящих частиц очень велика, особенно при распылении тугоплавких материалов, сплавов и соединений, в разрядной камере и на 64
” ^щени выделяется большое количество теплоты. Поэтому такие системы требуют охлаждения.
. . В магнетронных источниках (рис. 26), выполненных нз основе диодных систем, в разряд-
ном промежутке одновременно с г электрическим действует магнитное доле, что позволяет без увеличения .1 концентрации электронов повысить ^.плотность плазмы. На электроны, ;S эмиттированные автоэмиссионным ка- № тодом-мишенью 3 и движущиеся к • кольцевому аноду 2 в приложенном «между ними электрическом поле, ж действует магнитное поле Н, направ- • ленное перпендикулярно электричес-
Рис. 26. Схема магнетронного распыления:1 - поток распыляемого вещества, 2 - кольцевой анод, 3 — катод-мишень, 4 — магнитная системаРис. 26. Схема магнетронного распыления:1 - поток распыляемого вещества, 2 - кольцевой анод, 3 — катод-мишень, 4 — магнитная системаК кому. При перекрещивании полей путь движения электронов «удлиняется, что повышает вероятность их столкновения с моле- К кулами рабочего газа. В результате при давлении 10-1 —10"2 Па ■•создается высокая концентрация ионов газа, которые движутся R к катоду-мишени, бомбардируя ее и распыляя с большой интен- Есивностью. Поток 1 распыляемого вещества устремляется В к подложке и осаждается на ней в виде пленки.
Рис. 26. Схема магнетронного распыления:
1 - поток распыляемого вещества, 2 - кольцевой анод, 3 — катод-мишень, 4 — магнитная система
Рис. 26. Схема магнетронного распыления:
1 - поток распыляемого вещества, 2 - кольцевой анод, 3 — катод-мишень, 4 — магнитная система
8 Достоинствами магнетронных систем, используемых для ж распыления металлов, полупроводников и диэлектриков, явля- $ ются:
. низкое рабочее давление, позволяющее уменьшить коли' чество газовых включений в осаждаемой пленке;
высокая скорость нанесения пленки;
надежность и стабильность параметров напылительной : системы;
широкий диапазон толщин пленок при их высокой адгезии 1 и однородности.
Ионно-термическое испарение является ■ комбинацией термического испарения и ионного распыления и выполняется следующими методами;
' резистивным или электронно-лучевым испарением вещества с последующей ионизацией его паров в плазме рабочего газа;
резистивным или электронно-лучевым испарением вещества с последующей ионизацией его паров (например, с помощью I высокочастотного индуктора);
высокочастотным термическим испарением вещества с одновременной высокочастотной ионизацией его паров.
- Во всех случаях движение ионов испаряемого вещества к : 3—54065
подложке и осаждение на ней обусловлены действием электрического поля, создаваемого между испарителем и подложкой. В зависимости от требуемой кристаллической структуры и адгезии осаждаемых пленок потенциал подложки может быть от О до 104 В. Так, при низких температурах подложки, чтобы получить удовлетворительную адгезию пленки к ней, потенциал необходимо увеличивать.
Достоинствами ионно-термического испарения являются: большая скорость процесса, свойственная термическому испарению, в сочетании с высокой энергией конденсирующихся частиц, характерной для ионного распыления;
однородность и равномерность осаждаемых пленок по толщине;
возможность осаждения пленок сложного состава (карбидов, нитридов, оксидов и др.) с большими скоростями без высокотемпературного нагрева подложек.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ■
Какими методами ориентируют полупроводниковые монокристаллические слитки перед резкой их на пластины?
Какие методы механической обработки полупроводниковых материалов вы знаете?
Каковы особеииости жидкостной и сухой очистки полупроводниковых пластин и какими методами ее выполняют?
Что такое эпитаксия и каково ее назначение в производстве полупроводниковых приборов и ЙМС?
На чем основаны газофазное и жидкофазное наращивание эпитаксиальных слоев?
Какими методами формируют защитные покрытия в виде слоев диоксида и нитрида кремния?
Каковы особенности различных методов литографии?
Какие операции и в какой последовательности выполняют при фотолитографии?
Какие методы легирования полупроводников вы знаете?
Каково назначение тонких пленок в микроэлектронной технологии и какими методами их наносят? .
ГЛАВА ТРЕТЬЯ
ТИПОВЫЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ
■ ПРОЦЕССЫ ИЗГОТОВЛЕНИЯ
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ и имс
:§ 13. ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ
Современная технология изготовления как полупроводниковых приборов, так и полупроводниковых ИМС состоит из одинакового набора технологических процессов. Отличие состоит лишь в том, что в технологии изготовления полупроводниковых ИМС имеется дополнительная операция — выполнение электрических соединений между элементами или компонентами. Поэтому рассмотрим только технологию изготовления полупроводниковых ИМС.
■ В общем технологическом процессе изготовления полупроводниковых ИМС выделяют первые и вторые технологические операции. При первых технологических операциях, называемых также циклом изготовления кристаллов, формируют в объеме и на поверхности полупроводниковой подложки элементы ИМС, выполняют электрические соединения между ними и создают контактные площадки, а при вторых — разделяют подложки на отдельные кристаллы, производят сборку, монтаж и герметизацию ИМС.
Технология изготовления ИМС характеризуется рядом особенностей.
Первая особенность состоит в так называемом интегрально-групповом методе производства ИМС, основанном на одновременной обработке большого количества подложек. При этом на каждой подложке изготовляют активные и пассивные элементы, которые затем электрически соединяются (интегрируются) токопроводящими дорожками. В результате за один технологический цикл создают десятки и даже сотни тысяч ИМС.
Интегрально-групповой метод способствует повышению процента выхода годных и снижению стоимости ИМС, так как все их элементы изготовляются в одинаковых условиях. Расчеты показывают, что если технологический процесс включает до 40 операций, то для обеспечения результирующего 30%-ного выхода годных ИМС необходимо, чтобы после каждой операции брак не превышал 5 %. Такой уровень технологии может быть достигнут только при интегрально-групповом методе производства. При этом даже при весьма низком проценте выхода годных стоимость изготовления всех ИМС незначительно превышает стоимость изготовления одной.
Вторая особенность состоит в том, что все активные и пас- 3*67
сивные элементы ИМС формируют на подложке в виде однотипных структур, обычно биполярных или МДП-транзисторов. В зависимости от выбора типа транзисторов различают биполярную или МДП-технологию изготовления ИМС.
Третья особенность проявляется в организации и реализации всего технологического цикла производства ИМС на одном предприятии-изготовителе. В некоторых случаях на одном предприятии только изготовляют кристаллы или выполняют сборку. При этом технологический цикл должен быть организован так, чтобы длительность транспортировки изделий в специальной герметизированной таре сводилась к минимуму. Таким образом, общая длительность технологического цикла производства ИМС в основном зависит от длительности технологических операций.
Четвертой особенностью является использование типовых технологических процессов для изготовления ИМС, отличающихся как по функциональному назначению, так и по конструктивному оформлению. Совокупность технологических операций, выполняемых в определенной последовательности на специальном технологическом оборудовании для получения групповым методом ИМС заданной структуры и конструктивного оформления, называют типовыми технологическими процессами. Типовые процессы позволяют создавать на единой конструктивно-технологической основе множество различных по функциональному назначению ИМС, характеризующихся примерно одинаковыми качеством и надежностью. В этом проявляется значительный экономический эффект интегрально-групповых методов изготовления ИМС.
Для каждого вида ИМС, как правило, разрабатывается типовой технологический процесс, основанный на выполнении в определенной последовательности технологических операций в соответствии с этапами формирования элементов ИМС.
Основными технологическими этапами производства полупроводниковых ИМС являются:
изготовление и подготовка к работе комплекта рабочих фотошаблонов (РФШ);
подготовка оборудования, оснастки, реактивов и материалов;
комплектование партии полупроводниковых подложек;
механическая и химическая обработка поверхности подложек;
формирование в полупроводниковых подложках активных и пассивных элементов;
создание контактных площадок и электрических соединений между элементами;
нанесение защитного покрытия;
сборка и герметизация.
Кроме того, технологический процесс изготовления ИМС включает входной, пооперационный и выходной контроль, измерение статических и динамических параметров, испытания г готовых ИМС.
■ Типовые технологические процессы реализуются на технологических линиях, состоящих из комплекта технологического, «Измерительного и испытательного оборудования, обеспечивающего непрерывное последовательное выполнение операций изготовления ИМС.
При организации производства полупроводниковых ИМС обычно создают следующие производственные технологические участки: изготовления фотошаблонов, механической и химической обработки подложек, фотолитографии, диффузионных и термических процессов (диффузии и окисления), эпитаксиального наращивания, пиролитического осаждения диэлектрических пленок и поликристаллических слоев полупроводников, вакуумно-напылительный, герметизации, измерительный и испытаний.
Изготовление корпусов не входит в типовой технологический процесс. Объясняется это тем, что корпуса одного и того же типа могут применяться для защиты ИМС разных конструкций, изготовленных по различным типовым технологическим процессам. Поэтому технология изготовления корпусов является общей для всех видов ИМС (кроме корпусов СВЧ ИМС).
Важной особенностью технологии изготовления ИМС является дальнейшая интеграция (объединение) технологических процессов, а также реализация нескольких технологических операций в пределах одного производственного участка на одной технологической установке.
Основой полупроводниковых биполярных ИМС является транзисторная структура и+-р-и-типа с равномерным распределением примесных атомов в коллекторной области. Такая структура служит для создания как активных, так и пассивных элементов ИМС. Например, для реализации диодов используют какой-либо один (коллекторный или эмиттерный) р-п переход транзистора или оба р-п перехода. Резисторы формируют на базовых или эмиттерных слоях транзисторов, создавая к ним омические контакты. Конденсаторы создают на одном или двух р-п переходах транзисторов, включенных в обратном направлении, либо на МДП-структурах.
Таким образом, типовой технологический процесс изготов,- ления полупроводниковых ИМС на биполярных транзисторах
69
сводится к формированию на кремниевых подложках транзисторных структур и+-р-и-типа, имеющих одинаковое распределение концентрации примесных атомов и различные геометрические размеры. Количество таких структур должно быть таким, чтобы обеспечивалось получение всех необходимых активных и пассивных элементов, а также создание изоляции между ними и внутрисхемных соединений.
Полупроводниковые ИМС на биполярных транзисторах наиболее часто изготовляют по планарной и планарно-эпитаксиальной технологиям, основанным на следующих технологических процессах создания транзисторных структур: окислении поверхности полупроводниковых подложек; литографии; эпитаксиальном наращивании полупроводниковых слоев; локальном введении примесных атомов.
Особенностью планарно-эпитаксиальной технологии является то, что коллекторные области структур создают эпитаксиальным наращиванием слоя полупроводникового материала, главным образом кремния и-типа, на подложке p-типа, а базовые и эмиттерные — введением легирующих примесных атомов в эпитаксиальный слой. При этом эмиттерные области формируют введением примесных атомов максимально возможной концентрации. Это обеспечивает создание транзисторных структур, обладающих высоким коэффициентом усиления по току. Формируют элементы и соединения между ними только на одной стороне подложки (рабочей поверхности).
Примесные атомы вводят в полупроводниковые подложки ионным легированием и диффузией. Причем, как правило, сначала ионным легированием производят загонку атомов примеси, а затем диффузией их разгонку, в процессе которой формируются слои, обладающие заранее заданными электрофизическими свойствами. Кроме того, в планарной технологии широко применяют нитридирование (выращивание слоев нитрида кремния) .
Технологические процессы изготовления полупроводниковых биполярных ИМС классифицируют по способам формирования транзисторных структур и изоляции элементов. Изолируют элементы ИМС в основном включением р-п перехода в обратном направлении, формированием локальных полупроводниковых областей, полностью разделенных слоем диэлектрика, или комбинируя эти способы. Как уже отмечалось, технологические процессы окисления, диффузии, фотолитографии и напыления при изготовлении ИМС на биполярных транзисторах проводятся так же, как при изготовлении дискретных планарных биполярных транзисторов. Однако при производстве ИМС на исходных подложках одновременно формируют различные 70
;> типы активных и пассивных элементов, которые должны быть электрически изолированы, поэтому технологический маршрут изготовления их сложнее.
Кроме того, при изготовлении биполярных ИМ С для повышения быстродействия транзисторов в их коллекторных областях введением примесных атомов в исходную подложку непосредственно перед эпитаксиальным наращиванием монокристаллического полупроводникового слоя формируют скрытые высоколегированные слои, что также усложняет технологию. Качество и процент выхода годных ИМС в значительной степени зависят от совершенства изоляции их элементов.
§ 14. ПЛАНАРНАЯ И ЭПИТАКСИАЛЬНО-ПЛАНАРНАЯ ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ ИМС
При изготовлении современных полупроводниковых приборов и ИМС по планарной технологии используют монокристаллические полупроводниковые подложки определенного типа электропроводности, а при эпитаксиально-планарной — на такие подложки дополнительно наращивают эпитаксиальный слой противоположного типа электропроводности толщиной 2,5—10 мкм. Так как при изготовлении планарных и эпитаксиально-планарных транзисторов отличие состоит только в используемых подложках, в дальнейшем будем называть оба типа этих транзисторов планарными.
Рассмотрим технологический процесс изготовления планарной транзисторной структуры полупроводниковой ИМС (рис. 27). Будем считать, что для получения транзисторной структуры в локальные области исходной подложки примесные атомы вводят только диффузией, а исходной является кремниевая подложка p-типа с выращенным эпитаксиальным слоем п- типа, имеющим удельное сопротивление 5-10 Ом • см.
Планарные транзисторы отличаются от других типов транзисторов рядом свойств. Так, их р-п переходы база — коллектор и эмиттер — база выходят на поверхность кристалла в одной плоскости (плане). Области базы и эмиттера соответственно получают диффузией акцепторных и донорных атомов (обычно бора и фосфора) в эпитаксиальный слой. Для локализации
12 4 3 512 4 3 5Рис. 27. Структура планарного п-р-п- транзистора полупроводниковой биполярной ИМС:
12 4 3 5
12 4 3 5
— высокоомный коллекторный слой п-типа, 2 - диффузионная база р-типа, 3 - диффузионный эмиттерный слой 6-типа, 4 - алюминиевая металлизация, ■£ - слой оксида
участков подложек, через которые проводят диффузию, используют маски.
При производстве кремниевых планарных транзисторов наиболее широко применяют защиту, которая состоит в создании сплошной маскирующей пленки диоксида кремния по всей поверхности будущей планарной структуры и последующем вытравливании (вскрытии) окон в этой пленке, через которые затем проводят диффузию. Пленка диоксида кремния является маской для диффундирующих атомов бора, фосфора и некоторых других элементов вследствие большого различия коэффициентов диффузии атомов этих веществ в диоксиде кремния и кремнии. Поэтому, вырастив пленку диоксида кремния нужной толщины, можно при заданном режиме обеспечить локализацию процесса диффузии, т.е. в открытые участки кремниевой подложки примесные атомы при заданной их концентрации про- диффундируют на необходимую глубину от поверхности, тогда как в маскирующую пленку они внедрятся весьма незначительно.
При таком способе проведения диффузии появляются искривленные по периферии участки р-п переходов. На границе диоксидной маски диффузия атомов примеси идет не только вглубь, но и вдоль поверхности подложки (под маску). Расстояние, на которое примесные атомы проникают параллельно поверхности ("боковая диффузия"), примерно равно глубине диффузии на открытых участках. Таким образом, р-п переходы планарных транзисторов имеют искривленные участки, радиус кривизны которых примерно равен глубине залегания р-п переходов. На поверхности подложек такие переходы оказываются защищенными маской.
Эта особенность планарных приборов имеет свои положительные стороны, заключающиеся прежде всего в том, что р-п переходы не загрязняются при проведении последующих технологических операций, так как оказываются скрытыми слоем диоксида кремния. Кроме того, на заключительных стадиях изготовления планарных структур на основе слоя диоксида кремния обычно создают пассивирующий слой, обеспечивающий высокую надежность планарных транзисторов и стабильность их параметров. Между тем искривления р-п переходов, вызываемые "боковой диффузией", снижают пробивные напряжения планарных транзисторов и диодов.
При получении структур планарных транзисторов диффузию обычно проводят в две стадии. На первой стадии вводят примесные атомы, а на второй происходит их перераспределение и одновременно окислением поверхности подложек формируют маску из диоксида кремния для проведения следующего диффузионного процесса. 72
§. Как уже отмечалось, при планарной технологии рельеф в ! пленке диоксида кремния создают с помощью фотолитографии, качество проведения которой оказывает существенное влияние на весь процесс формирования планарных структур.
Кроме того, в отличие от других р-п переходы планарных Транзисторов защищены пленкой диоксида кремния, образую' щейся непосредственно в процессе их создания. Так, при производстве меза-диффузионных транзисторов сначала формируют 1 'йруктуры, которые затем тщательно очищают и на конечной стадии индивидуально пассивируют. В планарной технологии ■ уже самая первая операция — окисление подложек — препятствует последующему загрязнению изготовляемых р-п переходов, так как места их выхода на поверхность формируются ‘ под пленкой диоксида кремния.
Окончательную пассивацию р-п переходов проводят группо- • вым методом на заключительных стадиях изготовления струк- ' тур и в большинстве случаев одновременно с перераспределени- 1 ем атомов эмиттерной примеси. Это в значительной степени снижает трудоемкость изготовления структур и, кроме того, позволяет их контролировать по основным параметрам на подложках, что обеспечивает высокий процент выхода годных ИМС.
Схема типового технологического процесса и последовательность выполнения операций при изготовлении биполярного п-р-п-транзистора по эпитаксиально-планарной технологии показаны на рис. 28, а-е. При этом диаметр подложек составляет 100 мм, их толщина — 400—450 мкм, а толщина эпитаксиального слоя n-типа, выращешюго на кремниевой подложке р-типа, — 5—10 мкм.
Для получения эпитаксиального слоя заданного удельного сопротивления (определенного распределения примесных атомов) подложки при эпитаксиальном наращивании легируют. При этом, используя трехбромистый бор ВВг3 и треххлористый фосфор РС13, соответственно получают слои р- и и-типов. Эти химические соединения обладают близкой к используемому в 1 качестве источника осаждаемых атомов тетрахлориду кремния ' упругостью паров, что существенно облегчает контроль роста эпитаксиального слоя.
Поверхность кремниевых подложек с выращенным эпитак- ; спальным слоем перед термическим окислением полируют алмаз' Вым порошком с размером зерен до 0,5 мкм или шлифуют ок- ■ сидом алюминия А12О3, а затем обрабатывают в кислотном по- Пирующем травителе. При изготовлении транзисторов специального назначения часто применяют электрохимическую полировКу, позволяющую получать высокое качество поверхностей подложек.
Рис. 28. Схема типового технологического процесса (а) и последовательность выполнения операций (б-е) при изготовлении биполярного и-р-и-транзис- тора по эпитаксиально-планарной технологииРис. 28. Схема типового технологического процесса (а) и последовательность выполнения операций (б-е) при изготовлении биполярного и-р-и-транзис- тора по эпитаксиально-планарной технологии
Рис. 28. Схема типового технологического процесса (а) и последовательность выполнения операций (б-е) при изготовлении биполярного и-р-и-транзис- тора по эпитаксиально-планарной технологии
Рис. 28. Схема типового технологического процесса (а) и последовательность выполнения операций (б-е) при изготовлении биполярного и-р-и-транзис- тора по эпитаксиально-планарной технологии
Затем тщательно удаляют всевозможные загрязнения. При этом подложки обезжиривают в органических растворителях, окисляя остатки органических загрязнений в азотной или серной кислоте, пергидроли и промывают деионизованной водой. Если необходимо, чтобы обратный ток транзисторов был не более нескольих наноампер, выполняют дополнительную очистку подложек комплексообразующими веществами, способными связывать загрязнения в виде ионов в легко удаляемые комплексы. Очищенные подложки либо сушат на центрифуге, либо погружают в чистый, легко испаряющийся растворитель, удаляемый затем потоком горячего газа непосредственно в момент загрузки подложек в реакционную камеру для термического окисления.
Термическое окисление (рис. 28, б) проводят при температуре около 1200 °C в течение 2—3 ч в сухом кислороде, после этого — в атмосфере увлажненного кислорода и вновь — в сухом кислороде. Образующаяся на поверхности подложек пленка диоксида кремния имеет толщину 0,5—1 мкм.
74
Первая фотолитография (рис. 28, в) предназначена для вскрытия в слое диоксида кремния окон под последующую диффузию атомов бора для создания базовой области. Травление слоя диоксида кремния производят в растворе плавиковой кислоты и фторида аммония. Затем подложки очищают химическим способом от остатков органических соединений и проводят диффузию атомов бора. В зависимости от необходимости получения заданных параметров формируемого диффузионного слоя первую стадию диффузии ведут при 900—1000 °C в течение 20—60 мин. При этом образуется слой p-типа толщиной менее 1 мкм с поверхностной концентрацией примесных атомов, равной предельной растворимости бора в кремнии при температуре диффузии. Так как загонка атомов бора проводится в окислительной атмосфере, то на поверхности открытых участков (окон) подложки образуется пленка боросиликатного стекла, которую стравливают в растворе плавиковой кислоты. Затем подложки промывают деионизованной водой и проводят вторую стадию диффузии в сухом или увлажненном кислороде для перераспределения атомов бора и одновременно окисления поверхностей (при 1050—1250 °C в течение нескольких часов). После окончания второй стадии диффузии контролируют электрофизические параметры полученного диффузионного слоя.
При второй фотолитографии (рис. 28, г) локализируют будущие эмиттерные области, совмещая маску с рисунком на подложке, нанесенном при первой фотолитографии. По окончании фотолитографического процесса выполняют выборочный контроль пробивного напряжения р-п переходов и отбраковывают некачественные подложки.
Диффузию атомов фосфора для получения эмиттера проводят во вскрытые окна также в две стадии соответственно при температуре 870—1050 и 1000—1150 °C. Выбирают режим в зависимости от требований, предъявляемых к электрическим параметрам транзисторов. Технологический процесс диффузии атомов фосфора для получения эмиттера отличается от процесса диффузии атомов бора для получения базы меньшей длительностью.
После диффузии атомов фосфора образуются готовые структуры, к которым необходимо создать омические контакты. Для этого прежде всего третьей фотолитографией вскрывают окна в слое диоксида кремния под контактные площадки (рис. 28, д). Особенности третьей фотолитографии связаны с тем, что адгезия наносимого фоторезиста к слою диоксида кремния невелика из-за наличия пленки фосфорно-силикатного стекла, образовавшейся на первой стадии диффузии, и различной скорости травления примесносиликатных стекол над облас- 75
тями эмиттера и базы. При этом для исключения растравливания (травления под резистивную маску) необходимо особо тщательно поддерживать режим, а иногда даже принимать специальные меры, вплоть до раздельного вскрытия окон под контакты к базовой и эмиттерной областям.
Металлизируют структуры обычно напылением в вакууме пленки алюминия толщиной 0,5—1,2 мкм, лишние участки которой удаляют при четвертой фотолитографии (рис. 28, е), проводимой по типовым режимам с использованием в качестве травителя щелочи или ортофосфорной кислоты. Нанесенную пленку алюминия вжигают при 500—550 °C в течение нескольких минут в инертной атмосфере, что обеспечивает высокую адгезию между пленкой металла и кремнием.
Особое внимание необходимо уделять межоперационной транспортировке подложек, их хранению в процессе производства и соблюдению требований технологической дисциплины. Это обусловлено высокой чувствительностью создаваемых структур к неконтролируемым загрязнениям, которые могут привести к появлению дефектов и резкому снижению процента выхода годных ИМС.
Основным условием для получения бездефектных структур является использование в технологическом цикле их производства контролируемых сред. Поэтому химическую и фотолитографическую обработку подложек проводят в обеспыленных боксах (скафандрах), применяя высокочистые реактивы. Обеспыленную среду, содержащую не более трех-четырех пылинок размером до 0,5 мкм в 1 л воздуха, создают постоянной фильтрацией очищенного воздуха в рабочем объеме скафандра. Ламинарный поток чистого воздуха в скафандре препятствует попаданию загрязнений из окружающей среды.
Применяемые в производстве реактивы должны поступать на рабочие места для дополнительной финишной тонкой фильтрации. Это прежде всего относится к реактивам, используемым для химической обработки подложек и фотолитографии, а также к деионизованной воде и газам, используемым при термических процессах. Передача подложек после химической обработки на термические операции, а также после диффузионных процессов на фотолитографию осуществляется в герметизированных контейнерах. Загружать подложки в контейнеры и разгружать из них следует в обеспыленной атмосфере.
Длительное хранение подложек после химической обработки не допускается. Разрабатывают процессы химической обработки, как правило, так, чтобы в течение нескольких часов подложки обязательно передавались на следующую операцию. В случае задержки подложки подвергают дополнительной (обычно 76
7₽ менее сложной) химической обработке и только после этого '^ продолжают технологический цикл.
Современное производство планарных приборов и ИМС требует жесткого графика перемещения обрабатываемых под' ложек по всем технологическим операциям. Обусловлено это тем, что адгезия фоторезистов максимальна к свежеотожженной пленке диоксида кремния, и только в этом случае можно до. биться воспроизводимых результатов при процессе фотолито- , графин. Большое значение имеет также сокращение разрыва между первой и второй стадиями диффузии, поскольку опе- ■ рации введения примесных атомов иногда сопровождаются осаждением излишнего количества диффузанта на маскирующую пленку диоксида кремния, что с течением времени ухудшает ее качество.
, Чтобы уменьшить попадание неконтролируемых загрязне- . ний на подложки, их загружают в диффузионные печи через специальные обеспыленные шлюзы или предварительно устанавливают в рабочие лодочки, затем транспортируемые к диффузионной печи в герметичном контейнере, который в момент загрузки стыкуют с ее рабочей камерой. Уменьшению дефектов . в значительной степени способствует соблюдение правил подготовки рабочих камер печей, в которых проводят диффузию, отжиг держателей подложек непосредственно перед проведением диффузионных процессов, чистота приспособлений для контроля температуры, загрузки лодочек и др.
§ 15. ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ БИПОЛЯРНЫХ ИМС С ИЗОЛЯЦИЕЙ р-п ПЕРЕХОДАМИ
При изготовлении ИМС на биполярных транзисторных структурах, изолированных р-п переходами, включенными в обратном направлении, наибольшее распространение в зависимости от способа формирования изолирующих областей получили следующие технологические процессы:
стандартный эпитаксиально-планарный с использованием 1 разделительной диффузии (стандартная технология);
коллекторной изолирующей диффузии (КИД-технология), заключающейся в получении изолированных областей проведе; нием диффузии примесных атомов для формирования кол! лектора;
базовой изолирующей диффузии (БИД-технология), заклю- ; чающейся в получении изолированных областей проведением \ диффузии примесных атомов для формирования базы;
с использованием трех фотошаблонов;
j с использованием двойной диффузии примесных атомов. 177
Рассмотрим последовательность выполнения технологических операций формирования структур ИМС, содержащих транзистор, диод, резистор и конденсатор при различных типовых технологических процессах. В качестве исходной выберем кремниевую подложку р-типа.
Стандартная технология. Эта технология наиболее распространена и состоит в том, что транзисторные структуры формируют локальной диффузией в эпитаксиальном слое л-типа, выращенном на подложке p-типа, а изолирующие области создают разделительной диффузией на всю глубину эпитаксиального слоя.
Последовательность формирования транзистора, диода, резистора и конденсатора, а также внутрисхемных соединений полупроводниковой ИМС по стандартной эпитаксиально-планарной технологии показана на рис. 29, а—з. Поверхность исходных кремниевых подложек подвергают химической очистке с последующим травлением и промывкой деионизованной водой, а затем окисляют в атмосфере влажного кислорода при температуре 1150 °C. Первую фотолитографию проводят для вскрытия в маскирующем слое диоксида кремния окон, через которые на глубину 0,8—1,2 мкм проводят в две стадии диффузию атомов сурьмы или мышьяка. Атомы этих веществ имеют сравнительно малые коэффициенты диффузии в кремнии. В результате диффузии формируется высоколегированная л-область, которая располагается под коллектором будущей транзисторной структуры (рис. 29, д).
После этого с поверхности подложек удаляют слой диоксида кремния и наращивают эпитаксиальный слой кремния л-ти- йа (рис. 29, б). Как правило, эпитаксиальное наращивание выполняют хлоридным методом в эпитаксиальных вертикальных реакторах при температуре около 1200 °C, получая слои кремния толщиной 8—10 мкм, обладающие удельным объемным сопротивлением 0,1-1 Ом • см. Повторным термическим окислением на поверхности подложек с эпитаксиальным слоем создают слой диоксида кремния толщиной около 0,5 мкм. На определенных участках этого слоя второй фотолитографией формируют окна (рис. 29, в) и разделительной диффузией атомов бора создают в две стадии изолирующие области p-типа. Первую стадию диффузии проводят при более низкой температуре, чем вторую, в течение достаточно короткого промежутка времени. Продолжительность второй стадии диффузии определяется временем, необходимым для проникновения атомов бора на всю глубину эпитаксиального слоя. Так создают коллекторные области л-типа с лежащими под ними скрытыми высоколегированными областями того же типа злект- 78
Рис. 29. Последовательность формирования (а-з) активных и пассивных элементов полупроводниковой биполярной ИМС по эпитаксиально-планарной технологии:
1 - исходная подложка р-типа, 2 - слой диоксида кремния, 3 - скрытый слой п+-типа, 4 - эпитаксиальный слой п-типа, 5 - базовая область р-типа, 6 - эмиттерная область п+-типа, 7 - алюминиевая металлизация, 8 - конденсатор на основе диоксида кремния, 9 - диод (области коллектора И базы закорочены), 10 - биполярный транзистор, 11 - диффузионный резистор р-типа
ропроводности, изолированными областями p-типа (рис. 29, г).
Базовые области транзисторов, а также резисторы и диоды создают диффузией в изолированные области n-типа атомов какой-либо акцепторной примеси (обычно — бора). Для этого в слое диоксида кремния третьей фотолитографией получают окна, размеры которых зависят от требуемых номинальных значений параметров элементов. Базовую диффузию также проводят в две стадии, получая области базы глубиной 2,5—3,5 мкм, обладающие удельным поверхностным сопротивлением 150— 300 Ом/а. Одновременно на поверхности подложек образуется слой диоксида кремния (рис. 29, д).
Затем формируют высоколегированные эмиттерные области, которые служат эмиттерами транзисторов, катодами диодов, электродами конденсаторов, омическими контактами к коллекторным областям, а иногда и внутрисхемными соединениями. Для этого проводят четвертую фотолитографию, в результате которой в слое диоксида кремния получают окна под эмиттерные области и контактные площадки к высокоомному коллекторному слою n-типа. Формируют высоколегированные эмиттерные области и+-типа диффузией атомов фосфора, которую проводят в одну или две стадии в среде кислорода на глубину 0,8—1 мкм. Такие высоколегированные области обладают удельным поверхностным сопротивлением 2—5 Ом/п (рис. 29, е).
Заканчивается процесс создания структур полупроводниковых ИМС формированием внутрисхемных соединений и защитного покрытия. Для этого вначале удаляют с поверхности подложек пленку фосфоросиликатного стекла, которая вырастает при проведении диффузии атомов фосфора в окислительной атмосфере, и проводят окисление, получая защитный слой диоксида кремния толщиной около 1 мкм. Этот слой одновременно является маскирующим при создании пятой фотолитографией омических контактов металл — полупроводник. После вскрытия в слое диоксида кремния окон под омические контакты (рис. 29, ж^ поверхность подложек тщательно очищают, а затем термическим испарением в вакууме наносят на нее слой алюминия. Алюминий должен равномерно покрывать как слой диоксида кремния, так и участки, обработанные травлением при фотолитографии.
Для получения внутрисхемных соединений необходимой конфигурации и контактных площадок проводят шестую фотолитографию. На заключительном этапе технологического процесса наносят защитный слой диоксида кремния и с помощью седьмой фотолитографии вскрывают в нем окна к контактным площадкам. Структура кристалла полупроводниковой ИМС (без защитного слоя диоксида кремния) показана на рис. 29, з. 80
К В производственных условиях после каждого этапа форми- Т' рования элементов ИМС проводят контроль. Так, после очистки, окисления и фотолитографии подложки подвергают 100%- уому визуальному контролю. Диффузионные области контро- / дируют, измеряя их удельное поверхностное сопротивление ь- или снимая вольт-амперные характеристики образцов-спутни- ' ков. Подложки с готовыми ИМС контролируют на функционирование на зондовых установках. Забракованные ИМС маркиру- ■ ют краской. После контроля подложки с ИМС поступают на операцию разделения на кристаллы (скрайбирование). Годные Кристаллы направляются на операцию сборки.
' Основным недостатком такого типового технологического
процесса изготовления ИМС является перераспределение в некоторых случаях примесных атомов в сформированных облас- $ тях при проведении последующих высокотемпературных опера- 6 ций. Это необходимо учитывать при расчете и проектирований
ИМС, параметры элементов которых не должны выходить за установленные пределы. Кроме того, получаемые при этом 1 технологическом процессе изолирующие р-n переходы облада
ют паразитными емкостями и токами утечки, что отрицательно влияет на характеристики быстродействующих цифровых и высокочастотных аналоговых ИМС.
КИД-технология. Создание элементов ИМС коллекторной изолирующей диффузией основано на использовании тонких эпитаксиальных слоев. При этой технологии получают гораз
до более высокую плотность элементов, чем при стандартной.
В биполярных ИМС достаточно большая часть площади кристаллов занята изолирующими диффузионными областями. Площадь изолирующих областей дополнительно возрастает за счет допусков, которые необходимо учитывать на различных диффузионных операциях. Это обусловлено неточностью совмещения масок при фотолитографии, а также эффектами боковой
диффузии примесных атомов под края маскирующего слоя диоксида кремния. Допуски тем больше, чем толще эпитаксиальные слои, используемые в качестве исходного материала для изготовления элементов ИМС.
При КИД-технологии (рис. 30, а-д), разработанной применительно к эпитаксиальным слоям толщиной не более 2 мкм, выполняется не более пяти фотолитографий, тогда как при стандартной эпитаксиально-планарной — семь. Кроме того, КИД-технология характеризуется меньшим количеством других технологических операций, что, в свою очередь, повышает процент выхода годных ИМС.
- Процесс изготовления ИМС по КИД-технологии начинается с формирования в кремниевых подложках p-типа скрытого 81
a)a)
a)
a)
Рис. 30. Последовательность формирования транзистора полупроводниковой биполярной ИМС по КИД-технологнн:
а — диффузия примесных атомов для получения скрытого коллекторного слоя и -типа, б - наращивание эпитаксиального слоя кремния р-типа, в, г - коллекторная и базовая диффузии, д - эмиттерная диффузия, вскрытие контактных окон и создание алюминиевой металлизации; 1 - исходная подложка р-типа, 2 - слой и+- типа, 3 - эпитаксиальный слой р-типа, 4 - вывод коллектора, 5 - диффузионный слой р-типа высоколегированного п+-слоя (рис. 30, а). Такой слой формируется под структурой каждого транзистора, диода или резистора ИМС. Затем на поверхность подложек наращивают эпитаксиальный слой р-типа толщиной около 1,5 мкм (рис. 30, б). Удельное сопротивление эпитаксиального слоя р-типа, его толщину и глубину проникновения атомов легирующей примеси выбирают исходя из заданного напряжения пробоя между отдельными элементами ИМС. Как правило, это напряжение должно быть не меньше 10 В.
После эпитаксии через специально сформированные фотолитографией л+Si02 маски проводят диффузию атомов
" ' " донорной примеси на глубину эпитаксиального p-слоя (рис. 30, в). В результате получают «-области, которые образуют омические контакты со скрытыми п+-слоями и, следовательно, выполняют функцию коллекторов. Кроме того, они обеспечивают
изоляцию заключенных между ними участков p-слоя, которые используются в качестве базовых областей транзисторов или
служат резисторами.
Далее проводят диффузию атомов акцепторной примеси для формирования на всей поверхности подложек тонкого слоя р-типа, обладающего повышенной по сравнению с эпитаксиальным слоем концентрацией примесных атомов (рис. 30, г). Этой диффузией получают необходимое удельное поверхност- 82
рое сопротивление слоя p-типа для последующего формирования на нем резисторов заданных номинальных сопротивлений
и температурных коэффициентов.
Заключительным этапом технологического процесса является неглубокая диффузия атомов донорной примеси в эпитаксиальный p-слой для создания эмиттеров транзисторов (рис. эо, а).
. 1 Так как КИД-технологию применяют только на тонких . эпитаксиальных слоях, влияние боковой диффузии примесных атомов по сравнению со стандартной планарно-эпитаксиальной технологией существенно уменьшается, что позволяет формиро- • вать элементы ИМС меньших размеров. Например, размеры транзисторов соответственно составляют 5X5X9 мкм. Поэтому имс, изготовленные по КИД-технологии, обладают лучшими V. частотными свойствами. В настоящее время КИД-технология благодаря сравнительной простоте изготовления ИМС, схемной
их универсальности и высокому быстродействию, а также в 1,5—2 раза большей плотности упаковки элементов получила .наиболее широкое распространение.
БИД-технология. Создание элементов ИМС методом базовой
Рис. 31. Последовательность формирования транзистора полупроводниковой биполярной ИМС по БИД-тех- нологии:Рис. 31. Последовательность формирования транзистора полупроводниковой биполярной ИМС по БИД-тех- нологии:
Рис. 31. Последовательность формирования транзистора полупроводниковой биполярной ИМС по БИД-тех- нологии:
Рис. 31. Последовательность формирования транзистора полупроводниковой биполярной ИМС по БИД-тех- нологии:
а - эпитаксиальное наращивание слоя кремния и-типа, б - базовая диффузия атомов акцепторной примеси с одновременным формированием изолирующих участков р+-типа вокруг базовых областей, в - эмиттерная диффузия атомов донорной примеси и создание коллекторных контактов, г — формирование омических контактов; 1 - исходная подложка р-типа, 2 - эпитаксиальный слой и-типа, 3, 4 - изолирующая и базовая области р+-типа, 5 — коллекторная область и-типа, 6 — омический контакт к коллектору, 7 - эмиттерная область и+-типа, 8-11 - омические контакты к изолирующей, коллекторной, базовой и эмиттерной областям
изолирующей диффузии основано на совмещении по времени процессов формирования изолирующих и базовых областей транзисторов. Эта технология является более простой, чем КИД-технология, так как для ее проведения требуется только четыре фотолитографии.
При изготовлении ИМС по БИД-технологии (рис. 31, а-г) также используют подложки p-типа, на которых на первой ста-, дии выращивают тонкий эпитаксиальный слой и-типа (рис. 31, а). В отличие от структур, формируемых по КИД-техноло- гии, создание скрытого слоя и+-типа в этом случае необязательно. На второй стадии технологического процесса проводят локальную диффузию атомов акцепторной примеси в эпитаксиальный слой, формируя базовые и изолирующие области р-типа. При этом базовые области (рис. 31, б) оказываются заключенными внутри изолирующих.
Диффузионные процессы создания эмиттеров и омических контактов к коллекторам проводят на третьей стадии технологического процесса, вскрывая для этого окна в слое диоксида кремния над базовой и коллекторной областями (рис. 31, в). На четвертой стадии вскрывают окна в слое диоксида кремния над эмиттерной, базовой и коллекторной областями и затем напыляют в вакууме пленку алюминия для создания к ним омических контактов. Пятая стадия — формирование межэлементных соединений. Структура транзистора ИМС, изготовленного по БИД-технологии, показана на рис. 31, г.
Особенность БИД-технологии состоит в том, что изолирующие области p-типа, сформированные одновременно с базовыми, проникают не на всю глубину эпитаксиального и-слоя. Для взаимной изоляции элементов на изолирующие области подают обратное напряжение. В результате этого область объемного заряда изолирующих р-п переходов расширяется до смыкания с подложкой p-типа. Так изолируют транзисторы ИМС от других элементов, изготовленных на том же эпитаксиальном слое.
БИД-технология по сравнению с КИД-технологией более проста, однако применяется ограниченно, так как для нормального функционирования изготовленных ИМС необходим дополнительный источник питания, обратное включение которого обеспечивает изоляцию структур.
Метод трех фотошаблонов. При создании элементов ИМС этим методом (рис. 32, а-в^ проводят только три фотолитографии. Особенностью метода является одновременная диффузия примесных атомов для формирования эмиттерных и коллекторных областей с образованием коллекторных колец, изолирующих транзисторы в поперечном направлении. В качест- 84
Рис. 32. Последовательность формирования транзистора полупроводниковой биполярной ИМС методом трех фотошаблонов:
vvа - базовая диффузия в кремниевую подложку р- типа, б - одновременная диффузия атомов акцепторной примеси для получения эмиттерной и коллекторной областей ^-типа, в - создание омических контактов; 1 - исходная подложка р-типа, 2 — эпитаксиальный слой п-ти- па, 3 - кольцевая область коллектора и+-типа, 4 — эмиттерная область ^-типа, 5 - область объемного заряда, 6-8 - омические контакты к коллекторной, базовой и эмиттерной областям, 9 - слой диоксида кремния
v
v
ве исходных обычно используют подложки из слаболегирован- 1 ного кремния p-типа, удельное объемное сопротивление которых составляет около 1000 Ом • см.
На первой стадии технологического процесса (первая фотолитография) проводят неглубокую диффузию атомов акцепторной примеси для получения базовых областей с заданными электрофизическими параметрами (рис. 32, а). Высоколегиро- „ ванные эмиттерные и коллекторные области п -типа формируют < на второй стадии технологического процесса одновременной локальной диффузией атомов донорной примеси в базовые | области. При этом эмиттерные области располагаются внутри *. кольцевых коллекторных областей (рис. 32, б), а их изоляция ж обеспечивается образованием широкой области объемного защу ряда перехода коллектор — низколегированная подложка р-ти- па. На второй, а также третьей стадиях технологического про- у цесса формируются (второй и третьей фотолитографией) омические контакты к эмиттерной, базовой и коллекторной областям и внутрисхемные соединения.
Структура транзистора ИМС, изготовленного методом трех фотошаблонов, показана на рис. 32, в.
<ц ■ Метод трех фотошаблонов проще рассмотренных выше, * однако не получил широкого распространения, так как при его 185
использовании формируются структуры транзисторов ИМС с вертикальными р-п переходами. Такие ИМС из-за невозможности создания узких базовых областей имеют малую плотность упаковки элементов и низкую рабочую частоту.
Метод двойной диффузии. Основой этого метода является создание изоляции транзисторов одновременной (или последовательной) диффузией атомов фосфора и мышьяка. Обычно технологический процесс строят следующим образом. Сначала в исходной подложке кремния p-типа вскрывают окна (рис. 33, а) и одновременной диффузией атомов фосфора и мышьяка создают локальную область и+-типа (рис. 33, б). Затем на поверхности подложек выращивают тонкий эпитаксиальный слой p-типа. В результате автолегирования в растущем эпитаксиальном слое создается область и-типа (рис. 33, в). Образование этой области обусловлено только диффузией атомов фосфо
ра, для которых в кремнии по сравнению с атомами мышьяка хапактерен гораздо больший коэффициент диффузии. Введе-
Рис. 33. Последовательность формирования транзистора полупроводниковой биполярной ИМС методом двойной диффузии:
а - окисление поверхности кремниевой пластины и вскрытие окон для проведения диффузии, б — диффузия атомов фосфора и мышьяка (одновременная или последовательная), в — снятие слоя диоксида кремния и эпитаксиальное наращивание слоя кремния p-типа, г - высокотемпературное окисление слоя кремния p-типа, д - диффузия атомов примесей для получения базы р+-типа, эмиттера и+-типа и создания омических контактов; 1 - исходная подложка, 2 - слой диоксида кремния, 3 - скрытый п+-слой коллектора, 4 - изолирующая область р+-типа, 5 - эпитаксиальный слой и-типа, 6-8 - области коллектора, эмиттера и базы, 9 — омический контакт к коллектору, 10 - алюминиевая металлизация
днем атомов мышьяка формируют скрытый и+-слой. Внутри областей, образующихся в результате диффузии атомов фосфора (рис. 33, г) и автолегирования ими эпитаксиального слоя, создают транзисторы и другие элементы ИМС (рис. 33, ^) ■
Метод двойной диффузии по сравнению со стандартной технологией позволяет значительно уменьшить размеры элемен- фВ и примерно в 2 раза повысить плотность их размещения на подложках.
Дальнейшее совершенствование типовых технологических
процессов изготовления биполярных ИМС с изоляцией р-п переходами направлено на уменьшение площади элементов и изолирующих областей. Это обеспечивается заменой процессов диффузии ионным легированием, применением тонких эпитаксдаль- ■ ных слоев, маскирующих слоев нитрида кремния вместо диоксида и др. Простота различных методов изоляции элементов ИМС р-п переходами позволила не только освоить массовый вы, пуск ИМС, но и создавать ИМС на основе приборов интегральной инжекционной логики (И2Л), а также с зарядовой связью ■ (ПЗС).
ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ БИПОЛЯРНЫХ ИМС С ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ИЗОЛЯЦИЕЙ
Технология изготовления биполярных ИМС с диэлектрической изоляцией предусматривает формирование элементов ИМС, каждый из которых полностью изолирован от соседних и исходной подложки слоем диэлектрика. Для создания изолирующих областей чаще всего используют диоксид кремния, хотя возможно применение и других диэлектрических материалов (например, нитрида кремния, оксида алюминия, стекла, ситалла, керамики).
В зависимости от используемых материалов и методов выполнения диэлектрической изоляции элементов ИМС применяют следующие типовые технологические процессы: ЕР1С-тех- | Нологию; декаль-технологию и КНС-технологию.
1EPIC-технология. Этот метод выполнения диэлектрической
изоляции наиболее отработан, находит более широкое применение, чем другие, и основан на создании изолирующих областей в виде слоев диоксида, нитрида кремния или поликристал- лического кремния. В зависимости от последовательности формирования изолирующих областей EPIC-технология имеет р несколько модификаций.
J' Последовательность изготовления простых ИМС на бипо-
Рис. 34. Последовательность формирования изолирующих областей полупроводниковой биполярной ИМС по EPIC- технологии: а — вскрытие окон в слое диоксида кремния, б — глубинное химическое травление, в, г - нанесение слоев диоксида кремния и поликристаллического кремния на рельефную поверхность, д - шлифовка нижней поверхности до слоя диоксида кремния; 1 - исходная кремниевая подложка и-типа, 2 - скрытый диффузионный слой и+-типа, 3, 5 - слои диоксида кремния, 4 - вытравленные канавки, 6 — слой поликристаллического кремния, используемый в качестве подложки
лярных транзисторах с диэлектрической изоляцией элементов слоем диоксида кремния показана на рис. 34, а-д.
Сначала отбирают партию кремниевых подложек н-Типа, удельное объемное сопротивление которых равно 0,2— 10 Ом • см, и подвергают их химической очистке. Затем на всей поверхности этих подложек диффузией атомов сурьмы или мышьяка на глубину 1—2 мкм формируют скрытый н+-слой и термическим окислением со стороны этого слоя создают маскирующий слой диоксида кремния. Первой фотолитографией в слое диоксида кремния вскрывают окна под изолирующие области (рис. 34, а) и глубинным химическим травлением кремния через эти окна формируют канавки глубиной 8— 15 мкм (рис. 34, б).
Для создания на рельефной поверхности подложек слоя диоксида кремния толщиной около 1 мкм используют пиролиз силана или термическое окисление (рис. 34, в). Затем на поверхность подложек со стороны канавок наращивают слой поликрис- 88 '
у/таллического кремния толщиной 0,2—0,25 мкм (рис. 34, г), '< который станет основанием (подложкой) изготовляемых ИМС.
После этого с нижней поверхности подложек сошлифовывают или стравливают слой монокристаллического кремния и-типа до созданного слоя диоксида кремния (рис. 34, д).
Так получают области кремния n-типа со скрытыми ^-слоями, изолированные друг от друга слоем диоксида кремния. В этих областях окислением, фотолитографией и диффузией формируют элементы ИМС по стандартной эпитаксиально-планарной технологии.
EPIC-технология позволяет создавать хорошую изоляцию между элементами как по постоянному, так и по переменному току, поскольку емкости, образующиеся между слоями исход. ного кремния и нанесенного поликристаллического, очень малы (примерно 30 пФ/мм2 при толщине разделяющего их слоя - диоксида кремния 1 мкм). При напряжении 100 В сопротивление изоляции обычно превышает 1012 Ом, а пробивное напряжение — 800 В. Кроме того, при этой технологии можно формировать на одном кристалле, используя селективную диффузию атомов золота, высокочастотные и низкочастотные диоды, а также транзисторы п-р-п- и р-и-р-типов. По этой технологии . целесообразно изготовлять микромощные и быстродействующие цифровые и высокочастотные аналоговые ИМС. Однако стоимость технологического процесса по сравнению с техноло. гическим процессом изоляции элементов р-п переходами при этом высока.
Кроме описанной применяют так называемую модифицированную EPIC-технологию, при которой используют селективное эпитаксиальное наращивание. При этом исходной является кремниевая подложка и+-типа с вытравленными и окисленными канавками, на поверхность которой (со стороны канавок) наносят слой поликристаллического кремния. Затем подложку шлифуют со стороны монокристаллического кремния, окисляют поверхность и с помощью фотолитографии вскрывают 1' окна к слою и+-типа. После травления и+-слоя на определенную ‘ глубину проводят селективное эпитаксиальное наращивание 1 слоя кремния и-типа заданного удельного сопротивления, полируют поверхность и в локальных эпитаксиальных слоях фор- 1 мируют элементы ИМС.
Еще одной модификацией EPIC-технологии является так | называемый позитивный метод создания изоляции, основан- К; ный на двукратном нанесении поликристаллического кремния. Ж В этом случае исходной служит кремниевая подложка и+-типа $ с. эпитаксиальным слоем и-типа, на которую после окисления I со стороны и+-слоя наносят слой поликристаллического крем-
ния. Затем в эпитаксиальном и-слое формируют раздельные канавки на всю глубину структуры п-п*, создают термическим окислением на рельефной поверхности слой диоксида кремния и наносят на него поликристаллический кремний, который заполняет также канавки. После этого поверхность шлифуют, полируют и формируют в локальных областях эпитаксиального слоя и-типа элементы ИМС.
Разработана также технология, сочетающая приемы стандартной EPIC-технологии и позитивного метода.
При реализации EPIC-технологии необходимо применение прецизионной механической обработки, которая затруднена из-за прогиба подложек вследствие различных температурных коэффициентов линейного расширения монокристаллического и поликристаллического кремния, а также диоксида кремния. Кроме того, эти материалы имеют разную микротвердость, что приводит к появлению ступенек на поверхности и затрудняет нанесение качественной металлизации.
Для устранения этих недостатков разработаны технологические процессы, при которых изолирующие области и основания элементов ИМС выполняют не из поликристаллического кремния, а из стекла, ситтала или керамики (рис. 35, а-е). Такие технологические процессы, называемые ’’кремний в диэлектрике” (КВД), имеют много общего с процессами обычной EPIC-технологии. Отличие состоит лишь в том, что сначала формируют коллекторные, базовые и эмиттерные области транзисторных структур (рис. 35, а), а затем подложки подвергают локальному химическому травлению, в результате которого получают раздельные мезаобласти (рис. 35, б). После этого подложки со стороны мезаобластей приклеивают к вспомогательным подложкам (рис. 35, в), а обратную сторону основной подложки шлифуют (рис. 35, г), заполняют промежутки между мезаобластями изолирующим диэлектриком (рис. 35, б), удаляют вспомогательную подложку (рис. 35, е) и наносят металлизацию.
Декаль-технология. Этот технологический метод основан на создании изоляции воздушными зазорами, с помощью которых элементы ИМС, расположенные на едином основании, отделяют друг от друга по боковым сторонам.
По декаль-технологии изготовляют ИМС с балочными выводами, которые выполняют роль электрических соединений и механической опоры элементов. Сначала на кремниевых подложках формируют элементы ИМС (рис. 36, а) и создают балочные выводы (рис. 36, б), используя многослойную металлизацию (например, слои платины, титана, золота). Затем с обратной стороны подложек анизотропным химическим травле- 90
Рис. 35. Последовательность формирования транзисторов полупроводниковой биполярной ИМС с изоляцией стеклом, ситаллом или керамикой:
а — создание коллекторной, базовой и эмиттерной областей, б - получение меза- областей, в - наклейка вспомогательной подложки, г — шлифовка нижней стороны основной подложки, д - заполнение промежутков диэлектриком (стеклом, ситаллом или керамикой), е — удаление вспомогательной подложки; 1,4— основная и вспомогательная подложки, 2 — сформированные транзисторные структуры, 3 — мезаобласти, 5 — диэлектрик
: Рис. 36. Последовательность формирования транзисторов с полупроводниковой биполяр- ' ной ИМС по декаль-техноло-
ГИи:
а, б - изготовление элементов и балочных выводов, . в — локальное травление для
разделения структур; 1 - ' Исходная подложка, 2 -
Сформированные транзисторные структуры, 3 - слой диоксида кремния, 4 - воз- < Душный зазор
нием локально удаляют лишние участки между элементами, в результате чего получают их полную взаимную изоляцию воздушными зазорами (рис. 36, в).
Достоинством декаль-технологии является отсутствие механической обработки и высокотемпературных процессов на этапе формирования изолирующих областей. Так как изоляция воздушными зазорами элементов очень надежна, декаль-технологию целесообразно применять при изготовлении прецизионных цифровых и особенно аналоговых ИМС. Однако изготовление ИМС по этой технологии довольно дорого; что существенно ограничивает ее применение.
КНС-технология. Технологический метод ’’кремний на сапфире” (КНС) находит все большее распространение при изготовлении биполярных ИМС, является разновидностью декаль- технологии и основан на создании изолированных островков кремния, выращенного на поверхности подложек из сапфира (или шпинели), в которых элементы ИМС формируют по стандартной эпитаксиально-планарной технологии. Следует отметить, что КНС-технология весьма перспективна для изготовления не только биполярных, но и МДП ИМС.
Однако ей присущи следующие недостатки: высокая стоимость подложек; образование в эпитаксиальных кремниевых слоях дефектов роста, плотность которых может достигать 107—109 см-2 при проведении термических операций (вследствие разных температурных коэффициентов линейного расширения кремния и сапфира) ; проникновение примесных атомов из подложки в эпитаксиальный кремниевый слой, что существенно уменьшает подвижность носителей заряда.
Дальнейшее совершенствование методов создания полной диэлектрической изоляции направлено на увеличение диаметра исходных подложек, использование ионного легирования кремниевых подложек азотом для формирования в них изолирующих областей из нитрида кремния, а также получения биполярных транзисторов с эмиттером из поликристаллического кремния. Полную диэлектрическую изоляцию применяют в основном при изготовлении ИМС первой и второй степеней интеграции.
ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ БИПОЛЯРНЫХ ИМС С КОМБИНИРОВАННОЙ ИЗОЛЯЦИЕЙ
При изготовлении полупроводниковых биполярных ИМС используют также комбинированную изоляцию. При этом горизонтальные участки элементов ИМС изолируют обратно включенными р-п переходами, а вертикальные — диэлектриком 92
(диоксидом или нитридом кремния). Изготовляют биполярные ИМС с комбинированной изоляцией по изопланарной, эпипланар- ной и полипланарной технологии.
Изопланарная технология. Эта технология основана на использовании кремниевых подложек с тонким (2—3 мкм) эпи- •' ^аксиальным слоем и селективного термического окисления ; ^ремния на всю глубину этого слоя. На первых стадиях форми- ’ рования элементов ИМС используют маскирующие свойства хлоев нитрида кремния Si3N4, которые препятствуют окисле- ■ нию кремния в защищенных местах. Кроме того, нитрид кремния легко удаляется травителем, содержащим ортофосфорную I,. кислоту и не воздействующим на диоксид кремния. Изопланар- :,. ная технология позволяет создавать тонкие базовые и неболь- ^1 щие коллекторные области, вертикальные стенки которых по- ;■; крыты слоем диоксида кремния, что обеспечивает получение транзисторных структур малых геометрических размеров. . В настоящее время используют две разновидности изопла- Варной технологии: ”Изопланар-1” и ”Изопланар-П”.
При технологии ”Изопланар-1” (рис. 37, а-г) в качестве исходных служат кремниевые подложки p-типа с эпитаксиаль- . ным п- и скрытым и+-слоями. Сначала на поверхность подложек наращивают слой нитрида кремния (рис. 37, а), в котором л фотолитографией формируют окна под изолирующие области ‘ и производят травление кремния на глубину, превышающую , половину толщины эпитаксиального слоя (рис. 37, б). Затем окислением вытравленные канавки заполняют диоксидом кремния (рис. 37, в). Оставшийся слой нитрида кремния удаляют, методами стандартной эпитаксиально-планарной технологии формируют в локализованных островках кремния и-типа (’’карманах”) транзисторные структуры и, напыляя металлические пленки (обычно алюминия), создают межэлементные ■ ■ соединения (рис. 37, г).
Технология ”Изопланар-И” отличается тем, что в создаваемых транзисторных структурах эмиттерные области вертикальной стороной выходят на изолирующий слой, а приконтактные 1 области коллекторов формируются в самостоятельных карманах и соединяются с базово-эмиттерными областями скрытыми 'г л -слоями. При этом упрощаются конфигарция элементов на V- фотошаблонах и процессы совмещения фотошаблонов с под’ Ложками. Все это улучшает параметры транзисторов.
Технология ”Изопланар-П” имеет несколько вариантов. ?. Рассмотрим наиболее характерный, при котором в качестве f .исходных используют двухслойные кремниевые подложки р- ■ ,Т№ с эпитаксиальным и скрытым и+-слоями (рис. 38, а). ^ Электропроводность эпитаксиального слоя зависит от структу- f93
Рис. 37. Последовательность формирования транзисторов полупроводниковой биполярной ИМС по технологии "Изопланар-1”:
а - создание исходной структуры, б - локальное травление эпитаксиального слоя, в - заполнение канавок диоксидом кремния, г - получение транзисторных структур; 1 - исходная подложка, 2 - эпитаксиальный слой, 3 - скрытые слои л+-типа, 4 - слой нитрида кремния, 5 - вытравленная канавка, 6 - слой диоксида кремния
Рис. 38. Последовательность формирования транзистора полупроводниковой биполярной ИМС по технологии ”Изопланар-П”:
а — создание исходной структуры, б — локальное травление эпитаксиального слоя, в - заполнение канавок диоксидом кремния, г - получение транзисторной структуры; 1 - исходная подложка, 2 - эпитаксиальный слой, 3 - скрытые слои л+-типа, 4 - слой нитрида кремния, 5 - вытравленная канавка, 6 - слой диоксида кремния
г)
ры формируемых транзисторов. Так, при изготовлении тран, зисторных структур, база которых создана эпитаксиальным наращиванием слоя кремния, этот слой имеет электропроводность p-типа, а если база сформирована диффузией, — и-типа.
После формирования базы наносят слой нитрида кремния, из которого формируют защитную маску для создания других областей транзисторов и резисторов. Участки поверхности кремниевых подложек, не защищенные слоем нитрида кремния, подвергают локальному травлению на относительно большую глубину, создавая канавки, что уменьшает высоту ступенек изолирующего слоя диоксида кремния (рис. 38, б). В результате длительного низкотемпературного окисления канавки за- „ полняются изолирующим слоем диоксида кремния, а участки, покрытые слоем нитрида кремния, остаются неокислйнными (рис. 38, в). При этом получают изолированные слоем диокси. да кремния участки, в которых по стандартной эпитаксиальнопланарной технологии формируют активные и пассивные элементы ИМС, затем наносят металлизацию, создают омические контакты (рис. 38, г) и осаждают защитный слой диэлектрика.
Использование изопланарной технологии при изготовлении полупроводниковых ИМС расширяет их функциональные возможности вследствие создания различных по структурам и параметрам транзисторов и резисторов. Такие ИМС имеют очень высокую плотность размещения элементов, так как по сравнению со стандартной планарно-эпитаксиальной технологией примерно в 2 раза уменьшаются размеры транзисторов и площади, занимаемые изолирующими областями. Кроме того, при изопланарной технологии снижается диффузия примесных атомов В боковых направлениях. Поэтому считают, что изопланарная технология наиболее перспективна для изготовления быстродействующих полупроводниковых биполярных ИМС оперативных и постоянных запоминающих устройств, а также некоторых микропроцессорных наборов. Использование ее для изготовления многоколлекторных транзисторов ИМС инжекционной логики (И2 Л) резко улучшило их характеристики.
ч Эпипланарная технология. При этой технологии, являющейся разновидностью планарной, изменена последовательность выполнения операции при формировании структур. Сначала на ; Поверхность кремниевых подложек p-типа со скрытым слоем и+-типа пиролитически осаждают слой диоксида кремния тол- ■ щиной 2—2,5 мкм, в котором вскрывают окна (рис. 39, а).
^атем производят локальное эпитаксиальное наращивание , кремния и-типа (рис. 39, б) ив полученных таким образом /. карманах и-и+-типа стандартными технологическими метода-
Рис. 39. Последовательность формирования транзистора полупроводниковой биполярной ИМС по эпипланарной технологии: а - создание исходной структуры, б - заполнение канавок эпитаксиальным наращиванием кремния n-типа, в - получение транзисторной структуры; 1 - исходная подложка, 2 - слой диоксида кремния, 3 — скрытый и+-слой, 4 - вытравленные канавки, 5 - кремнийРис. 39. Последовательность формирования транзистора полупроводниковой биполярной ИМС по эпипланарной технологии: а - создание исходной структуры, б - заполнение канавок эпитаксиальным наращиванием кремния n-типа, в - получение транзисторной структуры; 1 - исходная подложка, 2 - слой диоксида кремния, 3 — скрытый и+-слой, 4 - вытравленные канавки, 5 - кремний
Рис. 39. Последовательность формирования транзистора полупроводниковой биполярной ИМС по эпипланарной технологии: а - создание исходной структуры, б - заполнение канавок эпитаксиальным наращиванием кремния n-типа, в - получение транзисторной структуры; 1 - исходная подложка, 2 - слой диоксида кремния, 3 — скрытый и+-слой, 4 - вытравленные канавки, 5 - кремний
Рис. 39. Последовательность формирования транзистора полупроводниковой биполярной ИМС по эпипланарной технологии: а - создание исходной структуры, б - заполнение канавок эпитаксиальным наращиванием кремния n-типа, в - получение транзисторной структуры; 1 - исходная подложка, 2 - слой диоксида кремния, 3 — скрытый и+-слой, 4 - вытравленные канавки, 5 - кремний
Рис. 40. Последовательность формирования транзистора полупроводниковой биполярной ИМС по V-ATE- процессу полипланарной технологии:
а - создание исходной структуры, б - анизотропное химическое травление, в - нанесение двойного диэлектрического слоя SiO2-Si3N4, г - получение транзисторной структуры; 1 - исходная подложка, 2 - базовая область р-типа, 3 - эпитаксиальный слой и-типа, 4 - скрытый слой и+-типа, 5 - V-об- разные канавки, 6 - слой диоксида кремния
ЕадИ формируют активные и пассивные элементы ИМС. Готовая Транзисторная структура показана на рис. 39, в.
,Эпиплана риал технология позволяет создавать в локальных
эпитаксиальных слоях кремния толщиной около 2 мкм транзис- Аторы, паразитные взаимодействия между которыми незначи- ^ цельны, и перспективна для получения ИМС ВЧ- и СВЧ-диапазо- : нов. Основной ее недостаток состоит в трудности проведения ^■локальной эпитаксии.
Полипланарная технология. Основным принципом полипла- «^арной технологии является анизотропное травление кремние- /*ых пластин, рабочие поверхности которых ориентированы в Кристаллографических плоскостях (100). Это позволяет фор- ировать в эпитаксиальном слое V-образные разделительные области межэлементной изоляции. Различают две разновидности ^угой технологии: V-ATE- и VIP-процессы.
Д Для формирования транзисторов полупроводниковой ИМС :*до V-ATE-процессу (рис. 40, а-г) используют двуслойные крем- Ациевые пластины p-типа с эпитаксиальным слоем и-типа и скрытыми и+-слоями, в которых локальной диффузией атомов акцепторной примеси создают базовые области (рис. 40, а). Затем через окна в слое диоксида кремния производят анизотропное дамическое травление V-образных канавок на всю глубину эпитаксиального слоя кремния (рис. 40, б). Поверхность этих канавок покрывают двойным диэлектрическим слоем диоксид— нитрид кремния (рис. 40, в) и формируют локальные высоколегированные эмиттерные и приконтактные коллекторные области и+-типа. Завершается процесс нанесением однослойной алюминиевой или трехслойной (титан — платина — золото) металлизации (рис. 40, г). При этом металлизированная разводка располагается на рельефной поверхности.
Особенностью VIP-процесса (рис. 41, аг) является форми- - рование транзисторов полупроводниковой ИМС с гладкой ;поверхностью, что повышает качество и надежность внутри- дкемных соединений. Для этого полученную после травления ^рельефную поверхность (рис. 41, а) защищают двойным слоем ЭДксид — нитрид кремния (рис. 41,6), поверх которого выращи- ™к>т поликристаллический кремний, удаляя лишнюю часть его (^ЛИрованием до слоя нитрида кремния (рис. 41, в). Завершает- Процесс формированием элементов и межэлементных соеди- ^йений стандартными технологическими процессами. Готовая ^Транзисторная структура показана на рис. 41, г.
Полипланарная технология обеспечивает создание полупро- ^Водниковых ИМС, которые по удельной плотности размещения Элементов и электрическим характеристикам аналогичны ИМС, ЯВготовленным по изопланарной технологии, но имеют меньшую
9797$*-540
97
97
б)б)66бб6161Рис. 41. Последовательность формирования транзистора полупроводниковой биполярной ИМС по VIP- процессу полипланарной технологии:
б)
б)
6
6
б
б
61
61
а - создание исходной структуры, б - нанесение двойного диэлектрического слоя SiO2-Si3N4, в - заполнение V-образных канавок поли- кристаллическим кремнием, г - получение транзисторной структуры; 1 - исходная подложка, 2 - V-образиые канавки, 3 - базовая область р-типа, 4 - эпитаксиальный слой и-типа, 5 - скрытый слой и+- типа, 6 - поликристаллический кремний
площадь изоляции. Полипла- нарную технологию применяют для изготовления не только по-
лупроводниковых биполярных, но и МДП ИМС.
Сравнение всех рассмотренных технологий изготовления полупроводниковых биполярных ИМС показывает, что наиболее простой является технология, основанная на использовании трех фотошаблонов.
Однако изготовленные по этой технологии ИМС характеризуются малым быстродействием. Перспективными являются КИД- и БИД-технологии, основанные на применении изолирующей коллекторной или базовой диффузии, причем операций, но
г)БИД-технология состоит из меньшего количестваг)БИД-технология состоит из меньшего количестватребует более высокой точности.
г)
БИД-технология состоит из меньшего количества
г)
БИД-технология состоит из меньшего количества
Эпитаксиально-планарная и EPIC-технологии наиболее длительны и трудоемки, но до настоящего времени являются самыми распространенными и отработанными для производства ИМС среднего уровня интеграции. Изопланарная технология состоит из меньшего, чем эпитаксиально-планарная, количества операций, но сложнее КИД-технологии, хотя ее применение связано с глубоким окислением. Кроме того, она наиболее перспективна для получения высокого процента вы- 98
-хода годных БИС различной функциональной сложности. ► В последнее время широкое распространение получает технология изготовления ИМС, в которой применяются процессы ионного легирования. В этом случае структурные области ИМС получают либо только ионным легированием, либо сочетанием его с диффузией. Ионное легирование используют для формирования базовых и эмиттерных областей транзисторных структур или только базовых. В последнем случае эмиттерные области создают диффузией до формирования базы. Базовые области, формируемые ионным легированием, используют в качестве резисторов, причем внедряют ионы соответствующих примесей в кремний через предварительно созданный слой термического диоксида кремния. Остальные технологические операции выполняют по стандартной планарно-эпитаксиальной технологии.
ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ БИПОЛЯРНЫХ СОВМЕЩЕННЫХ ИМС
Для расширения номинальных значений параметров пассивных элементов (резисторов и конденсаторов), повышения точности их воспроизведения, а также улучшения рабочих характеристик ИМС используют комбинированную технологию. Так как эта технология включает операции полупроводниковой планарной, эпитаксиально-планарной и пленочной технологий, ее называют совмещенной. По планарной и эпитаксиально-планарной технологии в объеме полупроводниковой подложки формируют активные элементы ИМС и, если возможно, некоторые резисторы и конденсаторы (соответственно до 50 кОм и 300 пФ и с отклонениями от номинальных значений около ±10%). Пленочной технологией на предварительно пиролитически осажденном на поверхность сформированных структур слое диоксида кремния создают пассивные элементы.
Последовательность формирования элементов биполярной ИМС по совмещенной технологии показана на рис. 42, а-г. Сначала по эпитаксиально-планарной технологии формируют .транзисторные структуры, а также некритичные по номиналь- . ным значениям параметров и, точности воспроизведения диффузионные резисторы и конденсаторы. Затем наносят металлизацию для получения межэлементных соединений и осаждают толстый (около 1 мкм) слой диоксида кремния, который служит изолирующим основанием для формирования пленочных резисторов и конденсаторов.
Материалом пленочных резисторов обычно служит нихром. В качестве диэлектрика пленочных конденсаторов чаще всего
4*4*99
4*
4*
д)д)Второй фотолитографией вВторой фотолитографией в
д)
д)
Второй фотолитографией в
Второй фотолитографией в
Рис. 42. Последовательность формирования элементов биполярной ИМС по совмещенной технологии:
а - исходная подложка с сформированной транзисторной структурой, б - создание нижнего электрода конденсатора, пленочного резистора и омических контактов, в, г - нанесение диэлектрика и верхнего электрода конденсатора; 1 - исходная подложка, 2 — слой диоксида кремния, 3 - транзисторная структура, 4, 7 — слои алюминия, 5 - слой нихрома, 6 - слой диэлектрика
используют диоксид или нитрид кремния, а их электроды изготовляют из алюминия.
Первой фотолитографией в выращенном на подложке со структурами изолирующем слое диоксида кремния (рис. 42, а) формируют окна под омические контакты. Затем на всю поверхность напыляют сплошную пленку алюминия, которая заполняет также окна под омические контакты и служат переходными контактными площадками между элементами, сформированными в объеме подложки, и пленочными.
пленке алюминия формируют
окна под пленочные резисторы, после чего напыляют пленку
нихрома.
Третьей фотолитографией формируют в окнах пленочные резисторы (рис. 42, б), после чего удаляют пленку нихрома и лежащую под ней пленку алюминия. Затем на всю поверхность снова наносят сплошную пленку алюминия и четвертой фотолитографией формируют нижние обкладки конденсаторов, 100
а также соединения между пленочными резисторами, переходными контактными площадками и нижними обкладками конденсаторов.
Последующим осаждением слоя диоксида или нитрида кремния и пятой фотолитографией формируют диэлектрик конденсатора (рис. 42, в).
Завершающим этапом создания структуры совмещенных ИМС является напыление на всю поверхность подложек пленки алюминия, в которой шестой фотолитографией формируют верхние обкладки конденсаторов и недостающие межэлементные соединения (рис. 42, г).
Совмещенная технология по сравнению со стандартной планарно-эпитаксиальной содержит дополнительное количество операций, необходимых для формирования тонкопленочных элементов, что кроме увеличения длительности технологического процесса повышает стоимость изготовления ИМС. Однако такие ИМС обладают преимуществами, характерными как для полупроводниковых, так и для пленочных ИМС.
ОСОБЕННОСТИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ИМС НА МДП-ТРАНЗИСТОРАХ
Разработка МДП-транзисторов и МДП ИМС, выполняемых в виде структур металл — диэлектрик — полупроводник, является крупнейшим достижением полупроводниковой электроники. Серийное производство МДП-транзисторов и МДП ИМС в течение длительного времени было невозможно из-за трудности формирования совершенной границы раздела между диэлектриком и полупроводником, а также получения особо чистого слоя подзатворного диэлектрика. Совершенствование технологии и улучшение качества исходных материалов позволило в настоящее время освоить серийный выпуск МДП-транзисторов и МДП ИМС.
В зависимости от вида подвижных носителей — дырки или электроны — МДП-транзисторы соответственно подразделяют на р- и и-канальные. Особенность МДП ИМС состоит в том, что их изготовление и функционирование могут быть обеспечены формированием транзисторных структур металл — диэлектрик — полупроводник, отличающихся типом электропроводности канала.
Одним из основных вариантов технологии изготовления МДП ИМС является формирование МДП-транзисторных структур с каналом p-типа (рис. 43). Исходными для получения таких структур служат подложки из кремния /2-типа, имеющие толщину 200—250 мкм. Расположенные на небольшом расстоя- 101
Рис. 43. Структура МДП-транзисто- ра с каналом р-типа:
1, 4 — омические контакты к областям истока и стока, 2 - исходная подложка и-типа, 3 - металлический электрод затвора, 5 — подзатворный диэлектрик, 6 - области истока и стока
1
Рис. 44. Последовательность выполнения операций при изготовлении р-канального МОП-транзистора ИМС с металлическим затвором по стандартной технологии:
а, б - формирование окон и создание областей истока и стока, в — нанесение тонкого подзатворного слоя диоксида кремния, г, д - вскрытие окон под контакты к истоку и стоку и нанесение слоя алюминия; 1 - исходная подложка, 2 - слой диоксида кремния, 3, 7- окна в слое диоксида кремния, 4, 5 - области истока и стока, 6 - слой подзатворного диэлектрика, 8 — слой алюминия
Г НИИ высоколегированные области истока и стока электропроводности p-типа получают диффузией атомов акцепторных при; месей на глубину 1—2 мкм через окна, вытравленные в диок- . сидной маске. Между областями истока и стока на поверхности кремния должна быть сформирована очень чистая тонкая
(50—100 нм) пленка диоксида кремния, на которую наносят
, пленку алюминия, служащую затвором МДП-транзисторов. »С Омические контакты к областям истока и стока создают напы/»' пением пленки алюминия. Отметим, что если в качестве подза- 1,: творного диэлектрика используют слой диоксида кремния, тран: зисторы и ИМС соответственно называют МОП-транзисторами
- и МОП ИМС (металл — окисел — полупроводник).
А Основой для широкого внедрения в радиоэлектронные устройства МОП ИМС послужил целый ряд факторов, к числу которых, в первую очередь, относятся простота их конструкции и технологии изготовления, высокие быстродействие и надеж-
^ ность, меньшая стоимость, чем биполярных ИМС.
и Количество основных технологических операций при производстве МОП ИМС примерно равно 45, а биполярных — 130.
■ Меньшее количество технологических операций в технологии изготовления МОП ИМС по сравнению с биполярными ИМС . резко повышает процент выхода годных изделий при их одинаковой функциональной сложности. Кроме того, малые геомет- 1 рические размеры МОП-транзисторов позволяют создавать , на их основе МОП ИМС высокого уровня интеграции.
Особенностью МОП ИМС является то, что в них осуществ- . ляется электрическая самоизоляция элементов, обусловленная принципом действия и структурой МОП-транзисторов. Поэтому при изготовлении МОП ИМС не требуется формировать изолирующие области, что увеличивает эффективность использования поверхности пластин.
Так как МОП ИМС выполняются только на МОП-транзис- • торах, соединенных между собой согласно электрической схеме, . то, рассматривая общие принципы технологии их изготовления, " ограничимся описанием лишь методов формирования этих г транзисторов и межэлементных соединений.
'■ Последовательность выполнения операций при изготовлении р-канального транзистора МОП ИМС с металлическим за-
। Атвором по стандартной технологии показана на рис. 44, а-д. ' После химической очистки на поверхности исходных полупро- ■ водниковых подложек и-типа термическим окислением создаЮт маскирующий слой диоксида кремния, в котором фотолито- , графией получают окна под области истока и стока (рис. 44, а).
^•’ Затем двустадийной диффузией атомов бора формируют высо- Г колегированные области истока и стока глубиной 1—2 мкм
103
(рис. 44, б). Далее фотолитографией получают окна для формирования тонкого слоя подзатворного диэлектрика и тщательно очищают поверхность подложек. Слой диоксида кремния под будущим затвором (толщиной около 0,1 мкм) получают термическим окислением в атмосфере сухого кислорода (рис. 44, в). После этого фотолитографией вскрывают окна под контакты к областям истока и стока (рис. 44, г), напыляют тонкий слой алюминия и с помощью фотолитографии осуществляют необходимые внутрисхемные соединения (рис. 44, Э).
Технологический процесс изготовления «-канальных МОП ИМС отличается тем, что в качестве исходных используют подложки кремния p-типа электропроводности, а области истока и стока формируют диффузией атомов фосфора.
При изготовлении МОП ИМС возникает ряд трудностей. Так, в тонком слое подзатворного диэлектрика обычно локализуются положительно заряженные ионы щелочных металлов Li+, К+, Na+ и водорода Н+, а также отрицательно заряженные ионы кислорода О" ". Это приводит к нестабильности параметров МОП-транзисторов при приложении напряжения, под действием которого происходит дрейф зарядов.
Кроме того, при определенных значениях и полярностях потенциалов, действующих на проводниках металлизированной разводки, возможно образование паразитных МОП-струк- тур. В результате под слоем диоксида кремния, расположенным под металлизированной разводкой, возникают проводящие каналы, что вызывает токи утечки между областями истоков и стоков МОП-транзисторов. Для МОП ИМС опасно также короткое замыкание металла затвора или разводки на подложку.
Существенной проблемой при изготовлении МОП ИМС является точное совмещение затвора с областями истока и стока. Так, при отсутствии перекрытия канала металлическим затвором МОП-транзистор может быть неработоспособным, а при слишком большом перекрытии образуются большие емкости затвор — исток и затвор — сток, что снижает быстродействие МОП ИМС.
Для устранения этих недостатков разработаны различные технологические приемы. Напрймер, для стабилизации параметров транзисторов МОП ИМС непосредственно перед формированием слоя подзатворного диэлектрика поверхность подложек очищают, наносят на нее слои фосфорно-силикатного стекла, а затем отжигают при низкой температуре (450—550 °C) в атмосфере водорода.
Эффективным методом очистки поверхности кремния является обработка подложек в плавиковой кислоте с последую- 104
щйм длительным кипячением их в деионизованной воде для удаления атомов фтора, которые внедряются в кристаллическую решетку кремния и вызывают появление дополнительно* го заряда. Фосфорно-силикатное стекло, получаемое при нагре- ' ве окисленных подложек в водяном паре при температуре около 1000 °C, генерирует (вытягивает) ионы натрия из ди; оксида кремния и является барьером против проникновения
в него различных примесей из металла. При этом весьма важен •^ режим получения диоксида кремния, при котором необходимо х строго контролировать количество подаваемого предваритель- * до очищенного при температуре, близкой к температуре процесса окисления, окислителя (кислорода).
i Для исключения образования паразитных МОП-транзисто- ® ров под металлизированной разводкой оставляют более толс- г тый, чем подзатворный, слой диоксида кремния (до 1,5 мкм). й: Процесс изготовления МОП ИМС с использованием под метал- % лизированной разводкой толстого слоя диоксида кремния, §- называемый МТОП-технологией (металл — толстый оксид — полупроводник), состоит в том, что вначале на поверхности Z подложек выращивают этот слой и фотолитографией создают ■ь в нем окна под общую область истока, стока и канала. Затем . подложки вторично окисляют и в выращенном тонком подзат- ■ ворном слое диоксида вскрывают фотолитографией окна под - области истока и стока. После этого выполняют обычные опе- : рации формирования структур МОП-транзисторов.
! Для точного перекрытия затвором областей истока и стока ( разработаны транзисторы с самосовмещающимся (фиксированным) затвором, который может быть изготовлен из молибдена или поликристаллического кремния. Технология изготовления МОП-транзисторов с фиксированным затвором основана li- на том, что после получения толстого маскирующего слоя дир оксида кремния в нем фотолитографией вскрывают окна для f нанесения тонкого подзатворного слоя диоксида кремния, ко- I торый для формирования электрода затвора покрывают слоем молибдена, алюминия, вольфрама или поликристаллического [г кремния. Следующей фотолитографией в полученных слоях I ■ вскрывают окна для формирования областей истока и стока. I При этом слой металла (или поликристаллического кремния)
служит маской. Области истока и стока формируют как диффузией, так и ионным легированием.
§ 20. ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ИМС НА МОП-ТРАНЗИСТОРАХ
Для классификации типовых технологических процессов изготовления ИМС на МОП-транзисторах используют следую- 105
щие признаки: тип электропроводности подложек, технологию изготовления МОП-структур, материал затвора и подзатворного диэлектрика, а также способы формирования областей МОП- транзисторов. Как уже отмечалось, в зависимости от типа электропроводности исходных подложек различают р-канальную и и-канальную технологию, а структуры по виду подразделяют на КМОП, V-МОП, Д-МОП и УД-МОП. Для изготовления МОП ИМС могут использоваться как кремниевые подложки, так и подложки типа ’’кремний на сапфире” или ’’кремний на диэлектрике”. Наибольшее распространение получили самосовмещенная толстооксидная, изопланарная, КНС- и V-МОП технологии, а также самосовмещенная с использованием ионного легирования.
Самосовмещенная толстооксидная технология. Эта технология наиболее универсальна, позволяет изготовлять МОП ИМС с двумя и тремя слоями соединений и допускает широкий выбор материалов затвора. Особенность ее состоит в выращивании толстого защитного слоя диоксида кремния и использования слоя нитрида кремния в качестве защитной маски при диффузии.
Последовательность выполнения операций при изготовлении р-канального транзистора МОП ИМС с металлическим затвором по самосовмещенной толстооксидной технологии показана на рис. 45, а-г. В начале на подготовленную подложку осаждают слой нитрида кремния, в котором фотолитографией создают окна, и диффузией в них атомов бора формируют области истока и стока (рис. 45, а). Слой нитрида кремния, находящийся между областями истока и стока, покрывают фоторезистом, вскрывают в нем окна и производят локальное травление (рис. 45, б).
Затем выращивают толстый слой диоксида кремния (рис. 45, в), удаляют слой нитрида кремния между областями истока и стока и термическим окислением создают тонкий подзатворный слой диоксида кремния. Заканчивается процесс формированием электрода затвора и межэлементных соединений. Для этого проводят операции нанесения алюминиевой металлизации и ее локального травления. Изготовленный по такой технологии МОП-транзистор показан на рис. 45, г.
Основным преимуществом самосовмещенной толстооксидной технологии является отсутствие высокотемпературных операций после формирования слоя подзатворного диэлектрика. Кроме того, этот технологический процесс позволяет формировать затворы из поликристаллического кремния (рис. 46, a-в), что обеспечивает получение трехслойной системы сое- 106
, Рис. 45. Последовательность выпол- нения операций при изготовлении р-канального МОП-транзистора ИМ СL с металлическим затвором по само- К совмещенной толстооксидной тех- в нологии:■ й - структура транзистора с облас- ТЯми истока и стока, б - локаль- № ное травление слоя нитрида крем- ния, в - нанесение толстого слоя |J Диоксида кремния, г — готовая Й структура транзистора; 1 — исход- 1 Ная подложка и-типа, 2 - слой J Нитрида кремния, 3 - области ис- тока и стока, 4 — слой диоксида, Рис. 45. Последовательность выпол- нения операций при изготовлении р-канального МОП-транзистора ИМ СL с металлическим затвором по само- К совмещенной толстооксидной тех- в нологии:■ й - структура транзистора с облас- ТЯми истока и стока, б - локаль- № ное травление слоя нитрида крем- ния, в - нанесение толстого слоя |J Диоксида кремния, г — готовая Й структура транзистора; 1 — исход- 1 Ная подложка и-типа, 2 - слой J Нитрида кремния, 3 - области ис- тока и стока, 4 — слой диоксидакремния, 5 таллизациякремния, 5 таллизацияалюминиевая ме-алюминиевая ме-
, Рис. 45. Последовательность выпол- нения операций при изготовлении р-канального МОП-транзистора ИМ С
L с металлическим затвором по само- К совмещенной толстооксидной тех- в нологии:
■ й - структура транзистора с облас- ТЯми истока и стока, б - локаль- № ное травление слоя нитрида крем- ния, в - нанесение толстого слоя |J Диоксида кремния, г — готовая Й структура транзистора; 1 — исход- 1 Ная подложка и-типа, 2 - слой J Нитрида кремния, 3 - области ис- тока и стока, 4 — слой диоксида
, Рис. 45. Последовательность выпол- нения операций при изготовлении р-канального МОП-транзистора ИМ С
L с металлическим затвором по само- К совмещенной толстооксидной тех- в нологии:
■ й - структура транзистора с облас- ТЯми истока и стока, б - локаль- № ное травление слоя нитрида крем- ния, в - нанесение толстого слоя |J Диоксида кремния, г — готовая Й структура транзистора; 1 — исход- 1 Ная подложка и-типа, 2 - слой J Нитрида кремния, 3 - области ис- тока и стока, 4 — слой диоксида
кремния, 5 таллизация
кремния, 5 таллизация
алюминиевая ме-
алюминиевая ме-
Рис. 46. Последовательность вы; полнения технологических операций при изготовлении и-ка- нального МОП-транзистора ИМ С с поликремниевым затвором по самосовмещенной толстооксидной технологии:
а — формирование окон для создания областей истока и стока, нанесение слоев подзатворного диэлектрика и поликристал- лического кремния, б — создание областей истока и стока, в — нанесение алюминиевой металлизации; 1 - исходная подложка р-типа, 2 — окна, 3 — слой поликристаллического кремния, 4, 8 - тонкие слои диоксида кремния, 5 - толстый слой диоксида кремния, 6 - области истока и стока, 7 -- слой алюминия
динений (диффузионный слой — алюминий — поликристалли- ческий кремний).
Изготовление ИМС на МОП-транзисторах с затворами из по- ликристаллического кремния начинается с термического выращивания на подложках p-типа толстого слоя диоксида кремния и выполнения первой фотолитографии, а также удаления слоя диоксида кремния с участков, на которых формируют диффузионные и затворные области. Затем термическим окислением создают подзатворный слой диоксида кремния, наносят на него слой поликристаллического кремния и второй фотолитографией формируют области затворов транзисторов и по- ликремниевые проводники (рис. 46, я). Далее проводят диффузию атомов донорной примеси, формируя области истока и стока электропроводности и-типа и диффузионные проводники (рис. 46, 6).
После этого низкотемпературным разложением силана на подложку осаждают слой стекла, в которой третьей фотолитографией создают окна под контакты к поликристаллическому кремнию и диффузионным областям. Затем напыляют на подложку слой алюминия и четвертой фотолитографией формируют внутрисхемные соединения (рис. 46, в). На заключительной стадии наносят и вжигают слой алюминия для создания омических контактов к кремнию и покрывают поверхность структур защитным слоем диоксида кремния. Для его удаления с контактных площадок и линий скрайбирования проводят пятую фотолитографию.
Рассмотренная технология позволяет создавать МОП-транзисторы, имеющие низкое пороговое напряжение и малые геометрические размеры. Основным преимуществом ее является уменьшение взаимодействия между паразитными структурами за счет использования соединительных слоев с пороговыми напряжениями, превышающими пороговые напряжения МОП ИМС. Это исключает возможность образования участков с высокими токами утечки и большими емкостями, образование которых обусловлено инверсией электропроводности под затвором.
Изготовление ИМС на МОП-транзисторах с молибденовым затвором по самосовмещенной технологии (рис. 47, д-e) аналогично рассмотренному и начинается с создания на поверхности кремниевых подложек и-типа защитного толстого слоя диоксида кремния (около 1,3 мкм). Методом фотолитографии в местах формирования областей истока, стока и затвора слой диоксида кремния селективно удаляют. Термическим окислением в полученных окнах создают тонкий (0,1 мкм) подзатворный слой диоксида кремния и осаждают на подложки сплош- 108
Рис. 47. Последовательность выполнения технологических операций при изготовлении р-канально- го МОП-транзистора ИМС с молибденовым затвором по самосовмещенной тол- стооксидной технологии; а — формирование окон для создания областей истока и стока, нанесение слоя подзатворного диэлектрика и осаждение пленки молибдена для получения электрода затвора и межсоединений, б - создание областей истока и стока, в - нанесение алюминиевой металлизации; 1 - исходная подложка п-типа, 2 — пленка молибдена, 3, 5 - тонкий и толстый слои диоксида кремния, 4 - окно, 6 - области истока и стока, 7 - слой алюминия
ной слой молибдена. Затем проводят фотолитографию и травят молибден, формируя металлические затворы и первый слой соединительной металлизации над толстым слоем диоксида кремния (рис. 47, а).
После этого наносят на подложки слой боросиликатного стекла и при 1100 °C проводят диффузию. Атомы бора диффундируют в кремниевые подложки только через тонкий слой диоксида кремния, а толстый слой и слой молибдена служат защитными масками, сквозь которые атомы бора не проникают. Так обеспечивается само совмещение затвора. Области, легированные атомами бора, образуют исток и сток транзисторов (рис. 47, б),
На заключительном этапе с помощью фотолитографии одновременно вскрывают контактные окна к слою молибдена и диффузионным областям, напыляют слой алюминия и еще одной фотолитографией формируют в нем последний слой соединений (рис. 47, в).
Особенностью этого процесса является отсутствие диффузии примесных атомов в электрод затвора, как при изготовлении ИМС на МОП-транзисторах с поликремниевым затвором, что
обеспечивает более высокий процент выхода годных изделий. Кроме того, так как фоторезист не наносят на тонкий слой подзатворного диэлектрика, снижается опасность его загрязнения и, следовательно, повышается стабильность порогового напряжения МОП-транзисторов.
Изопланарная технология. При изготовлении ИМС по этой технологии структуры МОП-транзисторов изолируют слоем диоксида кремния. Создание структур самих МОП-транзисторов основано на использовании толстооксидной самосовмещенной технологии. Причем все их активные области (исток, сток, канал, поликремниевый затвор, диффузионные проводники) формируют на мезаобластях, окруженных слоем диоксида кремния и выступающих над поверхностью подложки (рис. 48). Для изоляции мезаобластей n-типа от подложек n-типа и защиты от осаждения толстого слоя диоксида кремния их покрывают двойным слоем, состоящим из нитрида и диоксида кремния.
Рассмотрим последовательность выполнения операций при изготовлении ИМС на МОП-транзисторах с каналом и-типа по изопланарной технологии. Сначала поверхность исходных кремниевых подложек p-типа покрывают толстым слоем диоксида кремния, поверх которого наносят слой нитрида кремния, и фотолитографией, а также селективным травлением формируют мезаобласти. Затем в вытравленные в кремниевых подложках канавки проводят на небольшую глубину диффузию атомов акцепторной примеси. Селективное легирование повышает удельную плотность заряда в приповерхностных слоях, увеличивая пороговое напряжение паразитных МОП-транзисторов. При термическом окислении поверхность вытравленных канавок покрывают слоем диоксида кремния.
Следует отметить, что для формирования мезаобластей, проведения термического окисления и селективного легирования необходим только один процесс фотолитографии.
После термического окисления слой нитрида кремния удаляют, фотолитографией вскрывают в защитном толстом слое диоксида кремния окна под области истоков, стоков и затворов
Рис. 48. Фрагмент структуры ИМС с и-канальным МОП-
транзистором, изготовленным по изопланарной технологии:
1 - исходная подложка р-ти- па, 2, 3 - толстый и тонкий слои диоксида кремния, 4 - электрод затвора, 5 - алюминиевая металлизация, 5 - области истока и стока
и по самосовмещенной технологии формируют МОП-транзисторы. На заключительном этапе технологического процесса создают электроды затворов и межэлементные соединения.
Изопланарная технология по сравнению с другими технологиями обладает следующими преимуществами:
получение мезаструктур, изолированных слоем диоксида кремния, уменьшает паразитные электрические связи между отдельными структурами и повышает плотность размещения МОП-транзисторов;
селективное легирование кремния под слоем толстого диоксида кремния улучшает электрические характеристики МОП- транзисторов и позволяет уменьшить расстояние между диффузионными областями соседних транзисторов до 4—5 мкм, Что также повышает плотность размещения транзисторов на подложке;
упрощается совмещение металлических контактов с диффузионными областями, так как эти области граничат не с подложкой, а со слоем диоксида кремния; при этом может быть существенно уменьшена площадь под контакты;
полученные структуры имеют плоскую поверхность, что снижает вероятность разрывов алюминиевой металлизации.
Таким образом, изготовленные по изопланарной технологии МОП ИМ С обладают высокой плотностью размещения элементов, а также хорошими электрическими характеристиками, что объясняется высокими пороговыми напряжениями образующихся паразитных МОП-структур.
КНС-технология. Эта технология является одной из наиболее перспективных и основана на формировании структур типа ’’кремний на сапфире”. Для получения таких структур на изолирующие сапфировые подложки наращивают эпитаксиальный слой кремния, в котором селективным травлением создают изолированные островки кремния. На последующих этапах технологического процесса окислением, фотолитографией, легированием и металлизацией создают МОП-транзисторы и необходимые соединения между ними.
Особенность КНС-технологии состоит в том, что с ее помощью получают МОП ИМС с очень хорошей изоляцией между отдельными элементами, отличающиеся высокой степенью интеграции, повышенным быстродействием и обладающие всеми преимуществами ИМС, изготовленных на монолитных кремниевых подложках.
V-МОП-технология. Эта технология является разновидностью стандартной n-канальной и основана на анизотропном травлении кремния для получения V-образных канавок, на боковых поверхностях которых формируют n-канальные V- 111
Одним из способов значительного повышения быстродейОдним из способов значительного повышения быстродействия МОП ИМС является создание комплементарных МОП-ствия МОП ИМС является создание комплементарных МОП-+£+£Рис. 49. Электрическая схема (а) и структура (б) комплементарной пары МОП-транзистора:Рис. 49. Электрическая схема (а) и структура (б) комплементарной пары МОП-транзистора:1 — исходная подложка «-типа, 2 - слой диоксида кремния, 3, 5 — области истоков и стоков р- и п-канальных транзисторов, 4 - алюминиевая металлизация1 — исходная подложка «-типа, 2 - слой диоксида кремния, 3, 5 — области истоков и стоков р- и п-канальных транзисторов, 4 - алюминиевая металлизация
Одним из способов значительного повышения быстродей
Одним из способов значительного повышения быстродей
ствия МОП ИМС является создание комплементарных МОП-
ствия МОП ИМС является создание комплементарных МОП-
+£
+£
Рис. 49. Электрическая схема (а) и структура (б) комплементарной пары МОП-транзистора:
Рис. 49. Электрическая схема (а) и структура (б) комплементарной пары МОП-транзистора:
1 — исходная подложка «-типа, 2 - слой диоксида кремния, 3, 5 — области истоков и стоков р- и п-канальных транзисторов, 4 - алюминиевая металлизация
1 — исходная подложка «-типа, 2 - слой диоксида кремния, 3, 5 — области истоков и стоков р- и п-канальных транзисторов, 4 - алюминиевая металлизация
МОП-транзисторы. Для изготовления МОП ИМС в качестве исходных служат высоколегированные подложки кремния и+-типа с нанесенными тонкими эпитаксиальными р- и п -слоями. Вместо эпитаксиальных слоев можно также использовать сформированные диффузией локальные р- и и+-области. На исходных подложках фотолитографией и анизотропным травлением получают V-образные канавки, на поверхности которых выращивают тонкий слой диоксида кремния, и наносят слой металлизации для создания электродов затворов. Областью истока является исходная подложка и+-типа, стока — эпитаксиальный слой или диффузионная область и+-типа, а канал образуется на боковой стенке канавки и его длина определяется толщиной эпитаксиального слоя или диффузионной области и углом наклона стенки канавки.
В настоящее время разработано несколько разновидностей ИМС на основе V-МОП-транзисторов.
ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КМОП ИМС
структур (КМОП-структур), которые состоят из сформированных на общей подложке МОП-транзисторов с Каналами р- и и-типов. Электрическая схема и структура комплементарной пары МОП-транзисторов показаны на рис. 49, а, б. Такую пару МОП-транзисторов называют также КМОП-инвертором.
Электрические характеристики КМОП ИМС (малая потребляемая мощность, высокие быстродействие и помехоустойчивость), а также малые геометрические размеры определяются принципом их построения. В стационарном состоянии один из транзисторов комплементарной пары всегда закрыт, поэ-
тому ток открытого транзистора зависит от тока утечки р-п переходов сток — подложка и при комнатной температуре равен единицам наноампер. Это обеспечивает
6)
Рис. 50. Последовательность выполнения технологических операций при изготовлении комплементарной пары МОП-транзисторов:
а - формирование кармана р-типа в подложке и-типа, б, в — создание областей истоков и стоков р- и и-канальных транзисторов, г, д — вскрытие окон и нанесение тонкого подзатворного слоя диоксида кремния, е — нанесение алюминиевой металлизации; I - исходная подложка и-ти- па, 2 - карман р-типа, 3, 7 - толстый и тонкий слои диоксида кремния, 4, 5 - области истоков и стоков р- и и-канальных транзисторов, 6 — окно, 8 - слой алюминия
мощность рассеивания одного инвертора в статическом режиме порядка 10-8 Вт.
Изготовление комплементарной пары МОП-транзисторов (рис. 50, а-е) начинается с формирования в подложке и-типа диффузионного кармана p-типа, который в дальнейшем используется в качестве подложки для и-канального транзистора (рис. 50, а). Затем диффузией атомов бора в подложку и-типа создают стоковую и истоковую областир-канального транзистора (рис. 50, б), а с помощью диффузии атомов фосфора в карман р-типа — стоковую и истоковую области и-канального транзистора (рис. 50, в).
Последующие операции маскирования и травления слоя диоксида кремния проводят в местах, где будет наноситься слой особо чистого подзатворного диоксида кремния (рис. 50, г). Далее термическим окислением создают тонкий слой диоксида кремния одновременно на обеих транзисторных структурах (рис. 50, д), вскрывают контактные окна к диффузионным областям и формируют соединительную металлизацию (рис. 50, е).
Рассмотренный процесс основан на использовании стандартной технологии изготовления МОП ИМС, однако он более сложен и включает три операции диффузии и шесть операций фотолитографии. Поэтому процент выхода годных КМОП-элементов меньше и они имеют более высокую стоимость. В КМОП ИМС общая площадь структур, занятых активными приборами, за счет диффузионных карманов p-типа больше, чем в МОП ИМС. Для формирования и-канальных транзисторов, имеющих пороговое напряжение около 2 В, необходимо, чтобы концентрация атомов бора в приповерхностной области карманов составляла (2^5) • 1016 см-3. Получить такую концентрацию достаточно сложно, так как при последующей высокотемпературной обработке происходит диффузия атомов бора в диоксид кремния и, следовательно, обеднение приповерхностных слоев кремния. Поэтому, несмотря на преимущества КМОП ИМС (в том числе и возможность получения высокой рабочей частоты до 40-50 МГц), их используют в настоящее время ограниченно, в основном в тех случаях, когда стоимость не имеет существенного значения.
БАЗОВЫЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ
ПРОЦЕССЫ ИЗГОТОВЛЕНИЯ
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ БИПОЛЯРНЫХ И МОП ИМС
Биполярная технология. Последовательность выполнения технологических операций при изготовлении полупроводниковых биполярных ИМС с изоляцией активных и пассивных элементов обратно включенными р-п переходами приведена в табл. 3.
Рабочие поверхности исходных подложек кремния диаметром 100 или 125 мм, обладающих электропроводностью р-ти- па, ориентированы в кристаллографической плоскости (Ш). Высота микронеровностей на рабочих поверхностях подложек должна быть не более 0,001 мкм.
Химическая обработка подложек перед
первым окислением производится в кислотных растворах при 60—70 °C. Качество поверхности подложек определяют визуально в темном поле микроскопа, а количество дефектов, приходящихся на единицу площади, — по количеству светящихся точек.
Первое окисление подложек проводят при 1100—1150 °C в особо чистых технологических средах, выращивая при этом слой диоксида кремния толщиной 0,5—1 мкм, к качеству которого предъявляют очень высокие требования. Толщину слоя диоксида определяют по его окраске, а качество поверхности (наличие загрязнений и сквозных пор) — так же, как после химической обработки.
Первой фотолитографией в слое диоксида кремния формируют окна, в которые затем проводят диффузию атомов мышьяка для получения высоколегированного скрытого слоя коллектора. При проведении этой операции необходимо контролировать качество поверхности подложек во вскрытых окнах. Если на поверхности имеются островки диоксида кремния, то через них не проникнут диффундирующие атомы и, следовательно, в этом месте не изменится тип электропроводности. Такие дефекты значительно повышают токи утечки ИМС.
Таблица 3. Последовательность выполнения технологических операций
при изготовлении полупроводниковых биполярных ИМС
ОперацияОперацияСечение структурыСечение структуры
Операция
Операция
Сечение структуры
Сечение структуры
ОперацияСечение структуры
Эпитаксиальное наращивание слоя кремния и-типа
п
" V hi J р
Второе окисление
Вторая фотолитография
Вторая диффузия (создание изолирующих и базовых областей)
Третья фотолитография
п
Vhi7
Р
п
VШ)
P
ви ггтл т^л вл
w 1 ph Г V
с hl J р
Vy t 'р J W п
"<^ J
р
Третья диффузия (создание эмиттерных областей и замыкание изолирующей)
Четвертая диффузия (создание низкоомных участков и+-типа под омические контакты к эмиттерам и коллекторам)
Пятая диффузия (создание низкоомных участков p-типа под омические контакты к базам)
VI ^ W
V—BiГ р
ха:/ Р
р*
у ^г*-
Р
ОперацияОперацияСечение структурыСечение структуры
Операция
Операция
Сечение структуры
Сечение структуры
После первой фотолитографии подложки вновь подвергают химической обработке для удаления фоторезиста и подготовки к второй фотолитографии. Удалив фоторезист в растворе горячей серной кислоты, подложки обрабатывают в растворителях и кислотах и передают на операцию диффузии.
Первой диффузией получают высоколегированный скрытый и+-слой коллекторов. Диффузию атомов мышьяка проводят при 1100 °C из газообразного или твердого источника. Толщина образующегося скрытого и+-слоя составляет 0,6— 0,8 мкм, а поверхностная концентрация атомов мышьяка — около 1020 см-3.
Удаление слоя диоксида кремния в плавиковой кислоте производят для подготовки подложек к операции эпитаксиального наращивания.
Эпитаксиальным наращиванием получают слой монокристаллического кремния и-типа, который легируют атомами фосфора непосредственно в процессе роста. Удельное объемное сопротивление этого слоя составляет 1 Ом • см, а толщина — 0,2—10 мкм.
Второе окисление поверхности подложек проводят так же, как первое, определяя толщину и качество слоя диоксида кремния.
Второй фотолитографией в слое диоксидакрем-
117
ния формируют окна под изолирующие и базовые области транзисторов. Как и при первой фотолитографии, необходимо контролировать качество поверхности подложек во вскрытых окнах. Неполное удаление из них слоя диоксида кремния вызывает закорачивание эмиттерных и коллекторных областей, что снижает процент выхода годных ИМС.
Второй диффузией одновременно создают базовые изолирующие области транзисторов. Изолирующие области имеют прямоугольную или квадратную форму и состоят из замкнутых участков кремния p-типа, внутри которых расположены транзисторные структуры.
Вторую диффузию обычно проводят в две стадии, причем на первой из них при 900—1000 °C через вскрытые окна вводят примесные атомы (обычно бора) до получения их поверхностной концентрации порядка 1019—1020 см"3. Длительность первой стадии несколько десятков минут. На второй стадии при 1100—1200 °C происходит окисление поверхности и перераспределение атомов, продиффундировавших на первой стадии. Одновременно идет процесс диффузии атомов акцепторной примеси из исходной кремниевой подложки p-типа в контактирующий с ней выращенный эпитаксиальный слой и-типа. После окончания второй стадии диффузии поверхностная концентрация атомов бора должна быть (1-^5) • 1018 см"3.
Третье окисление поверхности подложек проводят так же, как первое, определяя толщину и качество слоя диоксида кремния.
Третьей фотолитографией в слое диоксида кремния формируют окна под эмиттерные области. Неудаленные островки диоксида кремния внутри вскрытых окон и сквозные поры в слое диоксида кремния, изолирующем базовую область, вызывают короткие замыкания между эмиттером и коллектором и снижают пробивное напряжение переходов база — коллектор.
Третьей диффузией при 1110 °C, создают эмиттерные области транзисторов. Эту диффузию обычно проводят в одну стадию, используя в качестве диффузанта атомы фосфора, поверхностная концентрация которых должна быть порядка 1019 см"3. Глубина переходов эмиттер — база должна быть не менее 0,8—1 мкм.
Четвертое окисление поверхности подложек проводят так же, как первое, определяя толщину и качество слоя диоксида кремния.
Четвертой фотолитографией в слое диоксида кремния формируют окна под омические контакты к эмиттерным и коллекторным областям транзисторов. Наиболее слож- 118
ной операцией при проведении четвертой фотолитографии является совмещение рисунков окон на рабочем фотошаблоне с рисунками коллекторных, базовых и эмиттерных областей, сформированных на предыдущих операциях. Точность выполнения этой операции оказывает непосредственное влияние на процент выхода годных ИМС.
Четвертой диффузией, которую проводят при 1100 °C, дополнительно легируют атомами фосфора области эмиттеров и коллекторов, создавая низкоомные участки кремния под омические контакты. При этом поверхностная концентрация атомов фосфора близка к пределу его растворимости в кремнии. Технологический режим четвертой диффузии примерно такой же, как при третьей.
Пятое окисление поверхности подложек проводят аналогично четырем предыдущим.
Пятой фотолитографией в слое диоксида кремния формируют окна под омические контакты к базовым областям транзисторов. Пятую фотолитографию проводят так же, как четвертую.
Пятой диффузией, которую проводят при 1050 °C, дополнительно легируют атомами бора области баз, создавая низкоомные участки кремния с высокой поверхностной концентрацией атомов бора.
Шестое окисление поверхности подложек проводят, предварительно удалив слой диоксида кремния, оставшийся после пятой фотолитографии.
Шестой фотолитографией формируют окна под омические контакты к высоколегированным участкам эмиттерных, базовых и коллекторных областей.
Напыление пленки алюминия толщиной 0,1—0,2 мкм на всю поверхность подложек выполняют для создания омических контактов и межэлементных соединений.
Седьмой фотолитографией в пленке алюминия формируют межэлементные соединения. Затем подложки термо- обрабатывают при 450 °C в аргоне 5—10 мин для улучшения адгезии алюминиевых контактов к высоколегированным участкам кремния и уменьшения их сопротивления.
При контроле структур определяют их вольт- амперные характеристики на зондовых установках, одновременно маркируя бракованные. После этого подложки с готовыми структурами скрайбируют алмазным резцом и разделяют на кристаллы.
МОП-технология. Технологические процессы изготовления МОП-транзисторов и МОП ИМС состоят из тех же операций, 119
что и процессы изготовления биполярных полупроводниковых. Как известно, МОП-технологця основывается на соответствующих операциях формирования р- или и-канальных МОП-транзисторов ИМС. Рассмотрим, как изготовляют р-канальные МОП-транзисторы по одному из типовых технологических процессов (табл. 4). Рабочие поверхности исходных подложек кремния диаметром 100, 125 или 150 мм, обладающих электропроводностью и-типа, ориентированы в кристаллографической плоскости (100). Высота микронеровностей на работах поверхностях подложек должна быть не более 0,001 мкм.
Химическую обработку подложек и последующий контроль перед первым окислением выполняют так же, как при изготовлении биполярных полупроводниковых ИМС.
Таблица 4. Последовательность выполнения
технологических операций
при изготовлении р-канальных МОП-транзисторов ИМС
ОперацияОперацияПлан и сечение по А-А структуры
Операция
Операция
Первая фотолитография
Химическая обработка и первое окисление подложек
1 - область формирования транзистора, 2 - слой диоксида кремния, 3 - подложка
/ 2 3
1 - область истока, 2 - область затвора, 3 —
Вторая фотолитография
область стока
1 - область затвора, 2 — слой диоксида кремния
ОперацияОперацияПервая диффузия (создание областей р-типа истоков и стоков)Первая диффузия (создание областей р-типа истоков и стоков)
Операция
Операция
Первая диффузия (создание областей р-типа истоков и стоков)
Первая диффузия (создание областей р-типа истоков и стоков)
План и сечение по А-А структуры
1 - области истока и стока p-типа глубиной
2 мкм, 2 - слой диоксида кремния
■ Третья фотолитография■ Третья фотолитография
■ Третья фотолитография
■ Третья фотолитография
1 - слой диоксида кремния, 2 - области истока и стока
Второе окислениеВторое окисление
Второе окисление
Второе окисление
1 — слой диоксида кремния (подзатворный) толщиной 0,02 мкм, 2 — области истока и
стока
Четвертая фотолитографияЧетвертая фотолитография
Четвертая фотолитография
Четвертая фотолитография
1 - окна под омические контакты, 2 - области истока и стока, 3 — слой диоксида кремния-
Пятая фотолитография
металлизации, 3 - межсоединения, 4 - исток, 5 - электрод затвора, 6 — сток
Первым окислением поверхности подложек наращивают слой диоксида кремния толщиной 0,1 — 0,3 мкм, толщину и качество которого контролируют так же, как и при изготовлении биполярных ИМС.
Первой фотолитографией удаляют на 40-50% толщины слой диоксида кремния из областей, внутри которых будут формироваться истоки, затворы и стоки МОП-транзисторов.
Второй фотолитографией из областей, где должны быть сформированы окна под истоки и стоки, удаляют весь оставшийся после первой фотолитографии слой диоксида кремния, оставляя его только над областями, где будут сформированы затворы.
Первой диффузией, проводимой в две стадии, одновременно создают области истоков и стоков. На первой стадии в течение 20—25 мин при 900—1000 °C через вскрытые окна вводят атомы бора до получения их поверхностной концентрации порядка 1018 см-3. На второй стадии при 1100— 1050 °C происходит окисление поверхности и перераспределение атомов бора, продиффундировавших на первой стадии. После окончания второй стадии диффузии поверхностная концентрация атомов бора должна быть 1016 см-3.
Третьей фотолитографией удаляют слой диоксида кремния, перекрывающий полученные первой диффузией области истоков и стоков.
Вторым окислением создают тонкий слой подзатворного диэлектрика. В МОП-транзисторах диэлектриком служит слой термически выращенного диоксида кремния, толщина которого составляет 0,07—0,09 мкм. Операция получения слоя подзатворно.го диэлектрика является самой ответственной в. МОП-технологии, так как от его качества зависят все параметры МОП-транзисторов. Присутствие в этом слое посторонних примесных атомов и дефекты приводят к нестабильности таких параметров, как плотность заряда в объеме и на поверхности диэлектрика, пробивное и пороговое напряжения, крутизна вольт-амперной характеристики.
Четвертой фотолитографией формируют окна для создания омических контактов к истокам и стокам.
Напыление пленки алюминия толщиной около 1 мкм на всю поверхность подложек выполняют для формирования электродов затворов и омических контактов к областям истоков и стоков.
Пятой фотолитографией формируют межэлементные соединения.
Пассивация — пиролитическое осаждение (при темпе-
ратуре около 300 °C) слоя диоксида кремния толщиной 0,50,8 мкм - предназначена для защиты металлических межэлементных соединений от внешних воздействий (коррозии, механических повреждений).
Шестую фотолитографию проводят для удаления пассивирующего слоя с контактных площадок транзисторных структур.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
Каковы особенности технологии изготовления полупроводниковых приборов н ИМС?
Как вводят примесные атомы в полупроводниковые подложки для создания областей р- и и-тнпов?
На чем основана планарная технология?
Каковы особенности КИД- и БИД-технологии?
Какие методы создания диэлектрической изоляции вы знаете?
Каковы преимущества КНС-технологни?
Как изготовляют МОП и КМОП ИМС?
Можно ли на одной подложке изготовлять биполярные и МОП ИМС?
ГЛАВА ЧЕТВЕРТАЯ
ТИПОВЫЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ
ПРОЦЕССЫ ИЗГОТОВЛЕНИЯ
ПЛАТ ГИБРИДНЫХ ИМС, БИС И МИКРОСБОРОК
Основой гибридных ИМС, БИС и микросборок (МСБ) являются платы, которые в зависимости от назначения имеют следующие конструктивные особенности.
На поверхности плат гибридных ИМС в одном слое формируют пленочные резисторы, конденсаторы, а также контактные площадки, межэлементные и межкомпонентные соединения.
На поверхности плат гибридных БИС также формируют аналогичные элементы. Но в связи с тем, что степень интеграции таких БИС высока (2 < К < 4), создают несколько уровней.
Платы МСБ представляют собой многослойные межкомпонентные соединения и контактные площадки и могут иногда содержать пленочные резисторы.
Конструктивные особенности алат обусловливают изготовление их различными методами из разных материалов. Классификация технологических процессов изготовления плат гибридных ИМС, БИС и МСБ приведена на рис. 51. Основными этапами технологических процессов изготовления плат являются:
Рис. 51. Классификация технологических процессов изготовления плат гибридных ИМС, БИС и МСБ
подготовка масок пли фотошаблонов в зависимости от технологии нанесения пленок и способов формирования конфигурации элементов;
подготовка технологического оборудования, оснастки и материалов для нанесения пленок (очистка поверхностей подколпачных устройств установок термического испарения или ионно-плазменного распыления, а также испарителей и испаряемых материалов);
подготовка партии подложек к нанесению пленок (входной контроль геометрических размеров и отбраковка в соответствии с техническими требованиями, очистка и контроль качества поверхности) ;
нанесение пленок на подложки;
формирование конфигурации пленочных элементов и структур (если это не было сделано на предыдущем этапе);
подгонка параметров пленочных элементов до заданных номинальных значений (если необходимо);
нанесение защитных покрытий на подложки с пленочными элементами.
124
§ 23. ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПЛАТ ТОНКОПЛЕНОЧНЫХ ГИБРИДНЫХ имс
В соответствии с приведенной на рис. 51 классификацией типовые процессы тонкопленочной технологии основаны на различных методах нанесения пленок в вакууме и формирования конфигурации элементов, межэлементных и межкомпонентных соединений и контактных площадок плат гибридных ИМС с помощью масок и фотолитографии.
■ Метод свободной маски является самым простым и наиболее распространенным методом формирования пленочных элементов заданной конфигурации. При этом каждый слой тонко- .1 пленочной структуры наносится через специальный трафарет — 1 съемную маску, с определенной точностью повторяющую гео- :< метрию проводящих, резистивных или диэлектрических элементов гибридных ИМС.
Съемные маски представляют собой моно- или биметаллические пластины с прорезями, соответствующими топологии (форме и расположению) создаваемых пленочных элементов. Такие маски позволяют формировать до нескольких сотен одинаковых (идентичных) слоев.
При нанесении пленок маски должны достаточно плотно прилегать к поверхности подложек, не допуская подпыления материала в зазор между ними и искажения геометрических размеров элементов, что приводит к изменению их электрических параметров. Чем меньше толщина маски и затенение при напылении от потока испаряемого вещества, направленного под углом к поверхности подложки, тем более четок рисунок и выше точность изготовления элементов.
Так как маски находятся в тесном контакте с нагреваемыми до 400 °C подложками, материалы, из которых изготовляют маски, должны обладать низкой упругостью паров. В ином случае при такой температуре возможно испарение материала мас- ки и загрязнение им пленки, растущей на подложке. Этим требованиям удовлетворяют нержавеющая сталь, молибден и некоторые медные сплавы (бронзы). Наиболее широко применяют биметаллические маски из бериллиевой бронзы БрБ-2 (100150 мкм), покрытые тонким (10-15 мкм) слоем никеля, обеспечивающие точность выполнения рисунка ± 5 мкм.
Технология изготовления масок основана на фотолитогра- . фии и предварительном изготовлении фотошаблонов. Требования, предъявляемые к фотошаблонам по их точности и дефектности, в этом случае ниже, чем в производстве полупроводниковых ИМС.
■ Последовательность изготовления биметаллических масок ’125
Рис. 52. Последовательность изготовления биметаллической маски; а - нанесение, сушка и экспонирование слоя фоторезиста, б - фото- резистивная маска после проявления н задубливания, в - электрохимическое нанесение слоя никеля, г - удаление фотореэистнвной маски, д - биметаллическая маска после травления; 1 - ультрафиолетовое излучение, 2 - фотошаблоны, 3 — слой негативного фоторезиста, 4 — заготовка из бронзовой фольги, 5 — фоторезнс- тивная маска, 6 - слой никеля показана на рис. 52, а-д. Тщательно обезжиренную и очищенную заготовку 4 из бронзовой фольги покрывают с обеих сторон слоем 3 негативного фоторезиста и через соответствующие фотошаблоны 2 экспонируют ультрафиолетовым излучением 1 (рис. 52, а). После проявления и задубливания слоя фоторезиста (рис. 52, б) в местах будущих прорезей (окнах) остается фоторезис- тивная маска 5. Затем на заготовку электролитически осаждают слой б никеля (рис. 52, в), удаляют фоторезистив- ную маску (рис. 52, г) и травят заготовку (рис. 52, д) через образовавшиеся окна в слое
никеля. Травитель должен быть селективным, т.е. травить брон- ^зу, не взаимодейтсвуя с никелем.
Рассмотрим типовой технологический процесс изготовления с помощью съемных масок пассивных элементов (резисторов R1 и R2, конденсатора С, токоведущих дорожек и контактных площадок 1-4) платы гибридной ИМС (рис. 53).
Вначале подложку, например из ситалла, тщательно обезжиривают и травят в химических реактивах, сушат в чистом аргоне и для окончательной очистки ее поверхности обрабатывают в потоке ионов, создаваемом в рабочей камере вакуумной установки термического испарения. Затем через первую маску 126
Рис. 53. Схема соединения пассивных элементов гибридной ИМС
с прорезями (рис. 54, а), соответствующими конфигурации резисторов, напыляют резистивный материал. Далее через вторую маску (рис. 54, б) напыляют тонкопленочные проводники, контактные площадки 1-4 и нижний электрод конденсатора. После этого через третью маску (рис. 54, в) напыляют диэлектрик конденсатора, а через четвертую — его верхний электрод (рис. 54, г). Формирование структуры завершается напылением через пятую маску диэлектрического слоя (рис. 54, б), служащего для защиты элементов от внешних воздействий и механических повреждений.
Таким образом, используя метод свободной маски, совмещают процессы нанесения пленок из разных материалов и формирования конфигурации элементов. Обычно многослойные пленочные структуры формируют через съемные маски в раздельном или непрерывном вакуумном цикле.
При раздельном цикле каждый слой пленочной структуры осаждают на одну или несколько подложек на отдельной технологической установке. При этом исключается взаимное загрязнение испаряемых материалов, менее сложна технологическая оснастка вакуумной камеры, возможен межоперационный (промежуточный) контроль качества и электрофизических параметров нанесенных пленок.
При непрерывном цикле все слои последовательно осаждают за один вакуумный цикл, что исключает атмосферное загрязнение плат при их транспортировании из одной установки в другую, а также значительно сокращает время изготовления ИМС, так как уменьшается количество циклов откачки вакуумной камеры, нагрева и охлаждения подложек. Кроме того, при этом способе легче обеспечить автоматизацию процесса.
В первом случае рабочие камеры вакуумных установок оборудованы одним или несколькими испарителями и устройствами карусельного типа для смены подложек по мере их напыления. Причем каждая подложка совмещается только с одной съемной маской. Во втором случае каждая позиция многопозиционной установки оснащается испарителем для нанесения определенного материала и необходимой маской, а подложки поочередно перемещаются с позиции на позицию. В некоторых вакуумных установках непрерывного осаждения пленок несколько разных материалов (два-три) загружают
в индивидуальные испарители, которые при напылении соответствующего слоя на подложки поочередно заменяются. При этом на все подложки последовательно через одну и ту же маску наносят слой одного материала, затем другого и тд.
Резистивно-емкостные тонкопленочные микросхемы (RC- схемы) часто изготовляют комбинированным способом: часть слоев осаждают в раздельных вакуумных циклах, а часть — в непрерывном. Например, резистивные полоски (рис. 54, а), контактные площадки и проводники (рис. 54, б) наносят в раздельных вакуумных циклах, а электроды конденсатора, его диэлектрик, а также защитный слой — в непрерывном вакуумном цикле. Такое построение технологического процесса позволяет контролировать и подгонять (если необходимо) сопротивление резисторов после нанесения проводящего слоя, а также исключает воздействие атмосферы на тонкопленочные диэлектрические слои конденсаторов.
Метод свободной маски при всех его достоинствах (многоразовое использование масок, высокая производительность и экономичность) имеет ряд существенных недостатков, не позволяющих рекомендовать его для изготовления микросхем с малыми и очень точными размерами элементов и высокой степенью интеграции. Такими недостатками являются коробление масок, неплотное прилегание их к поверхности подложек и, как следствие, подпыление, образование нечеткого (’’размытого”) края тонкопленочных элементов, искажение их геометрических размеров.
Метод фотолитографии позволяет формировать элементы любой сложности и конфигурации и имеет большую точность, чем метод свободной маски, но более сложен, так как включает ряд прецизионных операций. При использовании фотолитографии процессы нанесения пленок и формирования конфигурации элементов разделены во времени. Этот метод имеет несколько разновидностей.
При прямой фотолитографии характерна такая последовательность выполнения операций: нанесение сплошной пленки материала тонкопленочного элемента на подложку; формирование на ее поверхности защитной фоторезистивной маски; вытравливание через окна в фоторезисте ненужных уча-
Рис. 54. Последовательность изготовления плат гибридных ИМС методом свободной маски:
в — напыление резисторов, б — напыление контактных площадок, нижне- w электрода конденсатора и проводников, в — напыление диэлектрика Конденсатора, г - напыление верхнего электрода конденсатора, д — •НЩыленне защитного слоя
a)5)
6) г)
Рис. 55. Последовательность изготовления плат гибридных ИМС методом прямой фотолитографии:
а - фоторезистивная маска после травления резистивного материала, б — тонкопленочные резисторы и фоторезистивная маска для создания проводников и контактных площадок, в - фоторезистивная маска на защитном покрытии, г - топология пленочных элементов
стков пленки. Рассмотрим, как изготовляют методом прямой фотолитографии платы гибридных ИМС, содержащие резисторы, проводники и контактные площадки (рис. 55, а-г).
Вначале на диэлектрическую подложку наносят сплошную пленку резистивного материала и проводят первую фотолитографию. При этом после экспонирования, проявления и задуб- ливания создается фоторезистивная маска (темные области на рис. 55, а), через которую травят резистивный слой. Затем эту маску удаляют и сверху наносят (например, напыляют) сплошную пленку алюминия. После второй фотолитографии и травления алюминия на поверхности подложки остаются полученные 130
ранее резисторы, а также сформированные проводники и контактные площадки, закрытые фоторезистивной маской, которая на рис. 55, б также показана в виде темных областей.
Удалив не нужную более маску, на проводящие элементы и резисторы наносят защитное покрытие (например, пленку SiO, алюмо- или боросиликатного стекла) и проводят третью фотолитографию. В результате фоторезистивной маской (темные области на рис. 55, в) закрывают поверхность подложки, оставляя открытыми участки защитного покрытия над контактными площадками. Протравив защитное покрытие и удалив фоторезистивную маску, получают плату с пленочными элементами (рис. 55, г).
При двойной фотолитографии технологический процесс формирования тонкопленочных резистивных и проводящих элементов ИМС стараются построить так, чтобы вначале нанести оба слоя (резистивный и проводящий), а затем последовательным избирательным травлением создать необходимую конфигурацию элементов. Метод двойной фотолитографии осуществляют двумя способами.
При первом способе (рис. 56, a-и) на очищенную подложку 7 последовательно напыляют сплошную резистивную 2 и про-
Рис. 56. Последовательность изготовления резистивного и проводящего элементов плат гибридных ИМС методом двойно* фотолитографии (первый способ):
в - напыление сплошных резистивного и проводящего слоев, б, в — нанесение, экспонирование и проявление первого слоя фоторезиста, г - травление проводящего слоя, д - удаление первого слоя фоторезиста, е, ж - нанесение, экспонирование и проявление второго слоя фоторезиста, з - травление резистивного слоя, и - удаление второго слоя фоторезиста, 1 - подложка, 2, 3 - слои резистивного и проводящего материала, 4, 8 - слои фоторезиста, 5, 9 — фотошаблоны, 7 - Контактная площадка, 6, 10 — фоторезистивные мягки, 11 - резистор < контактными площадками
5* 131
водящую 3 пленки (рис. 56, а). Затем наносят позитивный фоторезист 4 и проводят первую фотолитографию, используя фотошаблон 5 (рис. 56, 6), В результате получают фоторезистивную маску б (рис. 56, в), через которую травят проводящий слой 3 (рис. 56, г), формируя контактные площадки 7 (рис. 56, д). Далее вновь наносят слой 8 фоторезиста и проводят вторую фотолитографию, используя фотошаблон 9 (рис. 56, е). Через полученную таким образом фоторезистивную маску 10 (рис. 56, ж) стравливают резистивный слой 2 (рис. 56, з) и после удаления фоторезиста (рис. 56, «) получают тонкопленочные резистор 11 и контактные площадки.
При втором способе после напыления резистивной 2 и проводящей 3 пленок (рис. 57, в) сначала проводят первую фотолитографию (рис. 57, б, в) и одновременное их травление (рис. 57, г, д). Затем после снятия первого слоя фоторезиста (рис. 57, е) проводят вторую фотолитографию (рис. 57, ж) и через вновь полученную фоторезистивную маску 9 (рис. 57, з) стравливают проводящий слой в местах формирования резистивных элементов (рис. 57, и). На изготовленный резистор 10 (рис.
Рис. 57. Последовательность изготовления резистивного и проводящего элементов плат гибридных ИМС методом двойной фотолитографии (второй способ):
а - напыление сплошных резистивного и проводящего слоев, б - нанесение и экспонирование первого слоя фоторезиста, в — проявление, г - травление проводящего слоя, д - травление резистивного слоя, е — удаление слоя фоторезиста, ж — нанесение и экспонирование второго слоя фоторезиста, з - проявление, и - травление проводящего слоя, к - удаление слоя фоторезиста; 1 — подложка, 2 — слой резистивного материала, 3 - слой проводящего материала, 4, 7 — слои фоторезиста, 5, 8 - фотошаблоны, 6, 9 - фоторезистивные маски, 10 - резистор с контактными площадками
к) наносят защитный слой диэлектрического материала и третьей фотолитографией вскрывают в нем окна над контактными площадками (на рис. 55, a-и и 57, а—к эти операции не показаны).
. Для изготовления плат гибридных ИМС, содержащих проводники и резисторы из двух различных (высокоомного и низкоомного) резистивных материалов, рекомендуется следующий технологический процесс: последовательное напыление пленок высокоомного, низкоомного и проводящего материалов, последовательная фотолитография проводящей, низкоомной и высокоомной пленок, нанесение защитного слоя.
Обратная (взрывная) фотолитография сочетает особенности масочного и фотолитографического методов формирования конфигурации тонкопленочных элементов и называется методом контактной маски, при этом тонкопленочные слои наносят через тонкие металлические маски одноразового использования, которые формируют на поверхности подложек, например, напылением медных пленок с последующей фотолитографией для создания в них окон, соответствующих заданной конфигурации элементов. При невысоких температурах нагрева подложек маски выполняют из фоторезиста. В отличие от свободных контактные маски являются неотъемлемой частью подложек и не имеют микрозазора с их поверхностью. Возможны два варианта формирования тонкопленочных элементов с помощью контактных масок.
При первом варианте на очищенную диэлектрическую подложку 1 наносят (ионным распылением, осаждением из парогазовой смеси) слой 2 меди толщиной 0,1 мкм, а затем — слой 3 фоторезиста (рис. 58, <z). После сушки фоторезиста, экспонирования его через фотошаблон 4 (рис. 58, б), травления и задуб- ливания получают фоторезистивную маску 5 (рис. 58, в). Локальным травлением слоя меди (рис. 58, г) и снятием слоя фоторезиста получают контактную маску 6 (рис. 58, О), через которую напыляют слой 7 резистивного материала (рис. 58, е).
При этом варианте резистивный материал осаждается как на контактную маску 6, так и на свободные от нее участки подложки 1. При быстром (взрывном) стравливании вместе с контактной маской 6 удаляются участки резистивного слоя 7, расположенные поверх нее (селективное травление), но остается резистивная полоска 8 (рис. 58, ж).
При втором варианте пленка осаждается только на свободные от маски участки подложки (селективное нанесение). - Обратную фотолитографию нельзя применять при создании Многослойных плат гибридных ИМС. Это объясняется тем, что для получения рисунков последующих слоев требуется
133
Рис. 58. Последовательность изготовления резистивного элемента методом контактной маски:
а - напыление материала контактной маски и нанесение слоя фоторезиста, б — экспонирование, в - проявление, г - травление материала контактной маски через фоторезистивную маску, д - удаление слоя фоторезиста, е - напыление резистивного материала, ж — травление материала контактной маски;
1 — подложка, 2 - слой меди, 3 — слой фоторезиста, 4 — фотошаблон, 5, 6 - фоторезистнвная и контактная маски, 7 - слой резистивного материала, 8 - резистивная полоска
их обработка травильными растворами, которые, воздействуя на предыдущие слои, изменяют их электрофизические параметры. Следовательно, необходима очень тщательная очистка подложек от химических реактивов, так как в ином случае невозможно добиться удовлетворительной адгезии при осаждении последующих слоев.
Комбинированный метод основан на совмещении фотолитографического и масочного методов создания пленочных резисторов, проводников и конденсаторов заданной конфигурации. При этом фотолитографией формируют сложные элементы, а с помощью масок — простые или те, которые невозможно изготовить фотолитографией. Существует несколько вариантов этого метода, но наибольшее распространение получили два из них.
При первом варианте,вначале напыляют резистивные полоски через маску и сплошной проводящий слой на них, а также открытые участки подложки. Затем фотолитографией проводящего слоя формируют токоведущие дорожки и контактные площадки, и поочередным напылением через свободные маски - нижние электроды, диэлектрик и верхние электроды конденсаторов. После этого наносят защитный слой.
При втором варианте вначале напыляют сплошные резистивный и проводящий слои, проводят их фотолитогра- 134
фию и травление через фоторезистивную маску 6 (рис. 57, а-ё), еще раз проводят фотолитографию и травление проводящего сдоя через фоторезистивную маску 9 (рис. 57, ж-к). Далее последовательным напылением через свободные маски формируют нижние электроды, диэлектрик и верхние электроды конденсаторов и наносят защитный слой.
Если платы гибридных ИМС не содержат конденсаторов, применяют один из следующих наиболее распространенных вариантов:
последовательно напыляют резистивные полоски через свободную маску и сплошной проводящий слой, проводят фотолитографию проводящего слоя и наносят защитный слой;
наносят сплошную резистивную пленку, проводят фотолитографию, напыляют через свободную маску проводники и контактные площадки, а затем наносят защитный слой;
напыляют сплошной резистивный слой, а затем через свобод: ную маску — проводники и контактные площадки, проводят фотолитографию резистивного слоя и наносят защитный слой.
При выборе технологического процесса изготовления плат гибридных ИМС учитывают их конструктивные особенности, точность формирования рисунков и тип промышленного производства. Так, масочный метод применяют при мелкосерийном и серийном производстве. При этом точность изготовления резисторов и конденсаторов составляет ± 10%. При фотолитографии, чаще используемой в массовом производстве, точность изготовления этих элементов равна ± 1%. Комбинированный метод, применяемый при серийном и массовом производстве, обеспечивает точность изготовления пленочных резисторов ± 1 %, а конденсаторов ± (5 -г 10)%.
Электронно-лучевой метод позволяет формировать элементы плат гибридных ИМС гравировкой электронным лучом сплошных резистивных и проводящих слоев, ранее нанесенных на поверхность подложек разными способами. Управляют перемещением электронного луча по поверхности подложки с помощью электрического и магнитного полей по заданной программе. Такой способ изготовления плат гибридных ИМС наиболее экономичен, если они содержат резисторы высокой точности и плотно расположенные токоведущие дорожки (проводники.
ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПЛАТ
ТОЛСТОПЛЕНОЧНЫХ ГИБРИДНЫХ ИМС
Изготовление плат гибридных ИМС по толстопленочной технологии (рис. 59) основано на механическом нанесении на поверхность подложек пастообразных материалов (смесей 135
Рис. 59. Схема типового технологического процесса изготовления толстопленочных гибридных ИМ С
стеклянного порошка с наполнителем, органическим связующим и добавками, обеспечивающими определенную консистенцию) . Пасты наносят через специальные трафареты, прорези в которых соответствуют конфигурации элементов. При последующей ступенчатой термической обработке пасту вжигают, 136
окончательно формируя таким образом элементы плат гибридных ИМС. Толщина слоев при этом составляет 10— 70 мкм.
Долгое время толстопленочную технологию не применяли так широко, как тонкопленочную, которая появилась значительно раньше и, естественно, ее методы были исследованы и отработаны более тщательно. Однако простота формирования толстых пленок при сравнительно низких затратах на оборудование и рациональном использовании материалов, высокая эксплуатационная надежность плат при работе ИМС в жестких температурных условиях (от —180 до +300 °C), возможность создания ИМС большой мощности с электрофизическими параметрами, близкими к параметрам тонкопленочных ИМС, привели к широкому использованию толстопленочной технологии. Этому способствовали также совершенствование существующих и разработка на основе металлоорганических соединений новых видов паст, позволяющих шире применять фотолитографию и формировать точные рисунки элементов.
Пасты представляют собой суспензию тонкодисперсных порошков (с размером частиц от десятых долей микрометра до нескольких микрометров) функциональных материалов и стекла в органическом связующем. В зависимости от назначения паст (проводящая, диэлектрическая, резистивная и др.) в качестве функциональных материалов, которые придают пленкам необходимые физические свойства, используют металлы, их оксиды и смеси. Твердая фаза составляет около 75 %, из которых 5% приходится на порошок стекла. В жидкую фазу (около 25%) входят компоненты, изменяющие текучесть и вязкость паст, а также поверхностно-активные вещества (ПАВ), улучшающие смачивание частиц порошка и поверхностей подложек расплавленным стеклом.
В процессе вжигания пасты мелкодисперсное (с размером частиц 1-3 мкм) легкоплавкое (температура размягчения 425— 600 °C) стекло С-72-ЗТ, С-5, С-14 или С-551, содержащее оксиды свинца, кремния, висмута, цинка, магния, расплавляется и при последующем затвердевании формирует монолитную структуру элементов с равномерно распределенными частицами функционального материала (рис. 60). Образующийся на границе раздела пленка-подложка переходный слой 2 стекла толщиной 6-8 мкм обеспечивает прочную связь нанесенной пленки с подлож-
Рис. 60. Структура толсто- 4 пленочного проводника:
1 — функциональный ма' териал, 2 — стекло, 3 - подложка
кой 3, в определенной мере компенсируя различие ТКЛР материалов, из которых они изготовлены.
Проводящие пасты предназначены для изготовления проводников и контактных площадок, которые должны обладать следующими свойствами:
высокой удельной проводимостью во избежание заметного падения напряжения и нагрева;
хорошей адгезией к подложкам;
возможностью пайки и сварки;
устойчивостью к воздействиям технологических и эксплуатационных факторов (температуре, среде и др.);
совместимостью с элементами, выполненными из резистивных и диэлектрических паст.
Наибольшее распространение при изготовлении проводников, контактных площадок и электродов конденсаторов плат гибридных ИМС имеют пасты на основе Ag и Pd-Ag (палладий вводят для снижения коррозии и миграции серебра, а также уменьшения стоимости паст). Пасты ПП-1-ПП-5, КСС-1 и КСС-2 обеспечивают широкий диапазон электрофизических параметров различных элементов.
Пасты на основе золота незаменимы, когда требуется большая надежность при сохранении высоких электрофизических параметров. Вместе с тем большая стоимость и относительно быстрое растворение таких паст в припое ограничивает их применение. Наиболее широко применяют пасты ПЗП-1 (для нанесения проводников) и ПЗП-З, ПЗП4, ПЗП-5 (для выполнения монтажных площадок в корпусах). Перспективно также применение для многослойных плат золотых и марганцево-молибденовых (Mg-Mo) паст. В последнее время разработан ряд композиций, не содержащих драгоценных металлов, например пасты на основе Си, Al, Ni, W.
Температура вжигания проводящих паст на воздухе, в азоте или аргоне составляет 500—1000 °C.
Припойные пасты предназначены для монтажа компонентов на платы. Основу таких паст составляют припои ПОС 61, ПОСК 50/18 или композиции Sn—Pb— Cd-Jn,a в качестве флюса используется канифоль или производные органических кислот. Температура оплавления припойных паст ПЛ 1-1, ПЛ1-3, КЛ-1, КЛ-2 составляет 140—250 °C.
Резистивные пасты предназначены для изготовления резисторов и представляют собой сложные композиции из металлов, их оксидов и стекла. Для обеспечения требуемых сопротивлений, шумовых характеристик, температурной и временной стабильности резистивной пленки используют пасты на основе серебра и палладия (р, = 5 ? 1 -10s Ом/а), рутения 138
(ps = 5 т 5 • 106 Ом/п), оксидов индия (ps до 5 • 106 Ом/п), таллия (ps = 2 • 101 -^ 1 • 106 Ом/п) и кадмия (ps = 102 -r 106 Ом/п). Выбор пасты зависит от конструкции плат, применяемых материалов и условий эксплуатации изделий.
Температура вжигания резистивных паст составляет 550— 1000 °C.
Значительные успехи, достигнутые в последние годы в области синтеза, исследования и практического применения металлоорганических соединений (МОС), открывают широкие перспективы для использования их в качестве материалов электронной техники. Так, для получения резистивных слоев толщиной 200-350 нм применяют пастообразные композиции, представляющие собой смесь раствора МОС, органического связующего и мелкодисперсного порошка стекла (например, борнилмер- каптиды Ag, Pb, Ап растворяют в формциклогексаноне в соотношении 1:2,5). Для улучшения качества слоев в раствор добавляют 10% канифоли от массы сухих компонентов при общем содержании металлов 14%. Методом центрифугирования при частоте вращения 1800—3000 об/мин на подложки наносят равномерную по толщине пленку, которую вжигают при 750 °C и скорости движения конвейера 4 см/мин. Последующей фотолитографией получают резисторы, ps которых составляет от 5 до 500 Ом/п.
Используя разнообразные МОС, в состав которых могут входить Pd, Та, Ru, Rh, Со и другие металлы, можно изготовлять резисторы с ps до 1 МОм/п, а также наносить проводники и диэлектрические слои.
Диэлектрические пасты предназначены как для изготовления конденсаторов, так и для создания многослойной коммутации плат толстопленочных гибридных ИМС. Наиболее широко применяют пасты на основе титаната бария, которые позволяют получать конденсаторы с удельной емкостью Суд до 7000 пФ/см2.
Диэлектрические пасты для многослойной коммутации должны обладать низкой диэлектрической проницаемостью и высоким сопротивлением, так как предназначены для изоляции верхнего проводящего слоя от нижнего. Применение в этом случае стекол нецелесообразно, так как они аморфны и при последующей термической обработке их слои деформируются (уменьшается толщина), что увеличивает паразитные емкости.
Композиции стекол и керамических наполнителей (до 50%) не позволяют изготовлять беспористые слои (пористость снижает сопротивление изоляции под действием влаги). Наиболее церспективны композиции, состоящие из кристаллизующихся стекол, называемых ситаллоцементами (70—80 мас.%), и напол- 139
нителя из глинозема, органической связки, ланолина и вазелинового масла. При кристаллизации ситаллоцементов образуется достаточно жесткий кристаллический каркас, препятствующий растеканию стекла. Инертный наполнитель при спекании с си- таллоцементом способствует созданию еще более жесткого каркаса. Диэлектрические пасты на основе ситаллоцемента СЦ-273 позволяют получать пленки, удельная емкость которых при толщине 60—70 мкм и сопротивлении 1013 Ом равна 180—220 пФ/см2.
Температура кристаллизации диэлектрических паст около 750 °C.
Светочувствительные (фотополимерные) пасты представляют собой суспензии порошков и их оксидов в органическом связующем, содержащем светочувствительные добавки — диазосоединения. Иными словами, светочувствительные пасты — это смеси традиционных паст с фоторезистом. Применение светочувствительных паст позволяет разделить во времени операции их нанесения и выполнения рисунка, совмещение которых характерно для общепринятой толстопленочной технологии, а также обеспечивает высокую точность формирования рисунка плат при высокой разрешающей способности фоторезисторов. Получаемый на подложке отпечаток светочувствительной пасты подсушивают для удаления растворителя, а затем экспонируют ультрафиолетовым излучением, при котором светочувствительные соединения полимеризуются и становятся нерастворимыми в органических составах. После традиционных для фотолитографии операций проявления, удаления неэкспонированных участков и сушки сформированный рисунок отжигают на воздухе при 800-900 °C.
Диэлектрические подложки являются основой конструкции толстопленочных гибридных ИМС. Помимо изоляции элементов друг от друга и рассеивания выделяющейся при работе ИМС теплоты подложки защищают их от механических повреждений и воздействия окружающей среды. Поэтому подложки толстопленочных гибридных ИМС должны обладать хорошими диэлектрическими и механическими свойствами, необходимой точностью геометрических размеров и малой шероховатостью поверхности, хорошими теплопроводностью и адгезией к наносимым пастам, достаточными термической (до 1000 °C) и химической стойкостью, минимальным газовыделением и согласовываться по ТКЛР с наносимыми слоями.
В наибольшей степени этим требованиям удовлетворяют различные виды керамики, в первую очередь высокоглиноземистая керамика, состоящая иэ А12О3 (94,4-99,8%) и добавок SiO2 (0,92-3,7%), МпО (2,35%), Сг2О3 (0,49%), СаО (0,91140
2,1%), В2О3 (0,92%), MgO (0,2-1,49%). В зависимости от соотношения компонентов подложки из такой керамики имеют следующие параметры: высоту микронеровностей Rz = 2 -г 20 мкм; относительную диэлектрическую проницаемость е = s= 8,9 -5-9,6; коэффициент теплопроводности 35—36,7 Вт/ (м • °C); ТКЛР = (6 -г 6,4) • 10“6 1°/С. Наиболее часто для толстопленочных ИМС используют подложки, размеры которых равны 10 X 10 X 1 и 16 X 10 X 1 мм при допусках ± 0,05 мм, а реже - 60 X 48 X 1 и 30 X 24 X 0,5 мм.
Подложки из керамики на основе оксидов бериллия ВеО (99,5 %) имеют следующие параметры: е = 6,4, ТКЛР = 6 • 10~6 1/°С и обладают значительно более высокой теплопроводностью (около 230 Вт/(м • °C), чем из А12О3, что важно при создании мощных ИМС высокой степени интеграции.
Еще лучшим коэффициентом теплопроводности обладают металлические подложки со стекловидным покрытием, которые будут рассмотрены далее.
Трафареты предназначены для дозированного нанесения паст ■ на подложки и создания определенного рисунка элементов толстопленочных гибридных ИМС. В производстве используют фольговые и сетчатые трафареты.
, Фольговые трафареты представляют собой листы металлической (из одного или двух металлов) фольги толщиной, равной заданной толщине слоя пасты, и закрепляются на жесткой рамке. Эти трафареты изготовляют методом фотолитографии, для чего на фольгу наносят слой фоторезиста и про' водят необходимые операции (сушку, экспонирование, проявле- : ние, задубливание). Так формируют фоторезистровую маску, через которую травят фольгу. При одностороннем химическом ' травлении обратную сторону фольги защищают слоем кислото- 1 стойкой краски или задубленным слоем фоторезиста. Однако при этом неизбежно искажение формы края окон из-за бокового подтравливания. Более четкий край окон получают двусторон- t ним травлением, для чего фоторезист наносят на обе поверхнос- ’ ти, а затем экспонируют.
л При изготовлении фольговых биметаллических трафаретов J фольгу из бронзы или меди с одной стороны покрывают слоем •’ фоторезиста, который экспонируют и проявляют. Затем на эту ' же сторону фольги гальванически наносят слой металла (нике- $ ля). После удаления слоя фоторезиста на не защищенных им - местах фольги остается слой никеля, создающий маску, через •t которую, защитив обратную сторону фольги кислотостойким | Лаком, проводят химическое (селективное) травление.
в Сетчатые трафареты выполняют из стальной, шел- | ковой, капроновой или другой сетки, которую равномерно на- |141
тягивают на рамку. Обычно диаметр нитей сетки равен 20— 50 мкм, а сторона квадратных ячеек составляет 40-240 мкм. На сетку наносят фоторезист и после фотолитографии формируют защитный фото эмульсионный слой, закрывающий ее в необходимых местах. Толщина, ширина, равномерность и точность отпечатка пасты зависит от степени натяжения сетки, толщины ее нитей, размеров образуемых ими ячеек и толщины защитного фотоэмульсионного слоя. Общий вид и фрагменты сетчатого трафарета показаны на рис. 61, а—в.
Процесс трафаретной печати (рис. 62) состоит в дозированном нанесении пасты 4 на подложку 2 продавливанием ее через трафарет 1 с помощью специальной пластины (ракеля) 3 из резины, фторопласта или полиуретана. Перемещаясь по трафарету,
Рис. 61. Сетчатый трафарет (л) и его фрагменты (б, в):1 - рамка, 2 - защитный слой, 3 - сеткаРис. 61. Сетчатый трафарет (л) и его фрагменты (б, в):1 - рамка, 2 - защитный слой, 3 - сетка
Рис. 61. Сетчатый трафарет (л) и его фрагменты (б, в):
1 - рамка, 2 - защитный слой, 3 - сетка
Рис. 61. Сетчатый трафарет (л) и его фрагменты (б, в):
1 - рамка, 2 - защитный слой, 3 - сетка
Рис. 62. Схема трафаретной печати:
1 - трафарет, 2 - подложка, 3 - ракель, 4 - паста
ракель продвигает перед собой пасту, которая под его давлением заполняет отверстия в трафарете. Подача пасты происходит при прямом и обратном движениях ракеля. Существуют два способа нанесения паст.
При бесконтактном способе трафарет располагается на некотором фиксированном расстоянии от подложки (0,25—1,5 мм). По мере перемещения ракеля трафарет изгибается, касается подложки и таким образом на нее наносится паста в виде столбиков, копирующих отверстия в сетке. Растекаясь, столбики соединяются и образуют рисунок трафарета.
В установках трафаретной печати предусмотрены крепление подложек (чаще всего вакуумной присоской), рама для размещения маски, а также устройство приложения дозированного усилия на ракель (0,05 кг/см2) и регулирования скорости его перемещения (около 15 см/с). В зависимости от вязкости паст ^ 500 П) и размера ячеек сетки используют ракели с углом заточки от 45 до 60°.
Следует отметить, что толщина отпечатка и его качество зависят от технологических режимов нанесения паст. Так, отпечаток имеет большую толщину, если сетка трафарета натянута сильнее и расстояние между ней и подложкой максимально, а также при увеличении толщины защитного фоторезистивного эмульсионного слоя, повышении давления и уменьшении скорости перемещения ракеля.
При контактном способе нанесения паст между трафаретом и подложкой нет зазора, что позволяет получать, например, резисторы, разброс сопротивлений которых равен ±5% (при бесконтактном — ±10%). Кроме того, этим способом формируют рисунки элементов в виде очень тонких линий и маленькие контактные площадки.
Термическую обработку пасты — сушку и вжигание — выполняют после нанесения каждого слоя.
Сушка необходима для выравнивания следов сетки, усадки пасты и частичного удаления растворителя. В зависимости от способа сушки (термическая при 150 °C или инфракрасное облучение) ее продолжительность составляет 5—20 мин. Несоблюдение режима сушки приводит к интенсивному испарению растворителя при последующем обжиге и растрескиванию отпечатка.
Вжигание способствует остекловыванию паст, их спеканию и созданию надежного контакта с подложкой. Режимами вжигания (временем, температурой, средой и скоростью перемещения подложек через определенные температурные зоны) определяются параметры толстопленочных элементов, их воспроизводимость, стабильность и надежность.
На первой стадии вжигания пасты (при 300-400 °C) из нее окончательно удаляется растворитель. Оптимальная скорость роста температуры при этом составляет 20 °С/мин. На второй, наиболее ответственной стадии происходит остекловывание пасты, окисление входящих в нее металлов (если необходимо) и спекание. При этом следует поддерживать температуру на заданном уровне с точностью ±(1 2) °C. В ином случае скорость химических реакций, определяющих окончательный состав, физико-химические свойства и электрофизические параметры пленок, при повышении температуры, например, на 10 °C увеличивается вдвое.
Третья стадия — постепенное охлаждение подложек.
Термическую обработку пасты проводят в конвейерных печах, которые в зависимости от типа имеют пять - восемь зон плавного регулирования режимов сушки и вжигания как на воздухе, так и в интертной атмосфере.
После изготовления пленочных элементов подложки армируют выводами (если необходимо) и подгоняют сопротивление резисторов до заданного номинала.
Монтаж компонентов на подложки и герметизация толстопленочных гибридных ИМС не отличаются от аналогичных операций, выполняемых при изготовлении тонкопленочных ИМС, и будут рассмотрены далее.
Изготовление толстопленочных гибридных ИМС завершается контролем их работоспособности и испытаниями. Так, все 100% плат контролируют по внешнему виду, затем по значению емкости и добротности проверяют качество конденсаторов, а по значению сопротивления — качество резисторов.
При испытаниях ИМС проверяют на работоспособность при повышенных температурах, подвергают многократному циклированию и ударам, контролируют на герметичность и стабильность параметров во времени.
ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПЛАТ ГИБРИДНЫХ БИС И МСБ
Платы гибридных БИС и МСБ, представляющие собой диэлектрические основания с многослойной электрической разводкой (коммутацией) и контактными площадками для монтажа компонентов или кристаллов полупроводниковых ИМС (БИС) и выполнения соединения с внешними выводами корпуса или печатной платы, называют коммутационными. В отдельных случаях на коммутационных платах формируют пленочные резисторы и конденсаторы. Однако тенденцией при производстве гибридных БИС и МСБ является использование либо ком- 144
поненгов, либо отдельно изготовляемых на диэлектрических основаниях (например, из ситалла) пленочных элементов, которые затем монтируют на коммутационные платы в качестве компонентов.
, Основные проблемы технологии изготовления многослойных коммутационных плат обусловлены необходимостью создания на подложках большой площади (до 100 X 100 мм) системы пленочных проводников, расположенных в двух — десяти слоях, и межслойной изоляции, обладающей высокой электрической прочностью.
Удельное объемное электрическое сопротивление проводников коммутационных плат должно быть не более 0,01 Ом • см, сопротивление изоляции — не менее 1000 МОм при площади пересечения 0,5 мм2. Электрическая прочность межслойной изоляции должна составлять до 4 • 107 В/см, а удельная емкость между слоями быть не более 5 пФ/см2.
Кроме того, ширина проводников и зазоры между ними должны быть не менее 50—100 мкм, а расстояния между контактными площадками — 0,2-0,625 мм. Необходимо также обеспечивать хороший теплоотвод оснований коммутационных плат, совместимость и автоматизацию технологических операций их изготовления, максимальное исключение драгоценных металлов и остродефицитных материалов.
В зависимости от сложности разводки, материала подложек и способов формирования пленочных структур многослойные коммутационные платы гибридных БИС и МСБ (рис. 63) изготовляют, используя различные технологии.
Тонкопленочная технология предусматривает последовательное формирование на ситалловых подложках проводящих и диэлектрических слоев, а также контактных переходов между разными уровнями разводки и состоит из следующих операций: напыления и фотолитографии первого проводящего слоя; нанесения и фотолитографии изоляционного слоя; напыления и фотолитографии второго проводящего слоя; нанесения и фотолитографии защитного слоя.
В качестве изоляционного слоя используют неорганические
Рис. 63. Структура многослойной коммутационной платы гибридной БИС:
1 - подложка, 2, 4, 6 — коммутационные слои, 3, 5 - диэлектрические слои, 7 - шариковый вывод, 8 - интегральная микросхема
(SiO, SiO2, A12O3) и органические (негативные фоторезисты, полиимидные лаки) материалы, а в качестве проводящего — хром, медь и др.
Особенность тонкопленочной технологии — возможность формирования пленочных резисторов (если необходимо) перед нанесением первого слоя металлизации. Тонкопленочные коммутационные платы имеют сравнительно невысокую плотность монтажа: не более 16 кристаллов на плате размером 24 X 30 мм. Кроме того, в тонкопленочных коммутационных платах невозможно свести к минимуму паразитные связи. Другими словами, чем тоньше слой диэлектрика между двумя проводящими слоями, тем меньше электрическая прочность и больше электрическая емкость С = 0,0885eS/d (где е и d — диэлектрическая проницаемость и толщина слоя диэлектрика; 5 — площадь перекрытия проводящих слоев).
Таким образом, для получения высококачественной межслойной изоляции на подложках большой площади необходимо использовать материалы, обладающие высокими изоляционными свойствами, и наносить их слои толщиной более 1—2 мкм, а для уменьшения потерь и паразитных связей увеличивать толщину проводников.
Толстопленочная технология, подробно рассмотренная в § 24, состоит в последовательном выполнении операций нанесения и вжигания паст: первой проводящей, изолирующей, второй проводящей и защитной.
По толстопленочной технологии можно изготовлять коммутационные платы более чем с двумя слоями разводки. Однако это сопряжено с определенными трудностями, так как последовательное нанесение каждого слоя пасты и вжигание его при высокой температуре нарушает стабильность состава предыдущих слоев. Температура вжигания каждого последующего слоя пасты должна быть ниже, чем предыдущего, а следовательно, второй, третий и т.д. проводящие и изолирующие слои следует формировать из паст, отличающихся по составу.
Особенность этой технологии — двукратное нанесение и вжигание изолирующего слоя, что необходимо для получения максимально возможной его толщины и уменьшения паразитных емкостей между проводниками первого и второго коммутационных уровней. Кроме того, при создании тол сто пленочных коммутационных плат возможно коробление и растрескивание подложек большой площади. Поэтому подложки площадью до 60 X 48 мм имеют толщину 0,8-1,5 мм, а бо'льшие - от 2 до 4 мм. Однако и в этом случае процент выхода годных плат площадью 100 X 100 мм недостаточно высок, так как из-за дефектов, обнаруженных хотя быв одном из слоев, бракуют всю плату. 146
Технология изготовления коммутацион- ' яых плат из многослойной керамики не имеет этих недостатков и основана на спекании алунда А12О3 со стеклом при температуре около 1500 °C. Проводники выполняет из паст, содержащих тугоплавкие материалы (например, молибден).
При изготовлении многослойных керамических плат сначала отливают отдельные слои. Для этого смешивают порошки керамики и стекла с органическим связующим и растворителем, получая жидкую массу, из которой формуют листы определенной толщины. После сушки в печи для удаления растворителя листы разрезают на квадратные заготовки, в которых на быстродействующих многопуансонных перфорационных установках пробивают сквозные отверстия.
Затем на поверхности заготовок формируют из проводящей пасты методом трафаретной печати проводники. Пасту наносят под давлением, поэтому она заполняет также пробитые в заго- , товках сквозные отверстия. Металлизированные листы сушат и контролируют, так как для получения высокого процента выхода годных изделий необходимо выявить дефекты до сборки плат из отдельных листов. Далее листы собирают в определенной последовательности в пакеты и спрессовывают под высоким давлением при температуре около 350 °C. При этом сквозные отверстия, заполненные проводящей пастой, должны для создания надежных межслойных переходов совпадать в слоях.
Спрессованные пакеты — платы — обрезают до нужных размеров и подвергают длительному отжигу в атмосфере водорода, медленно нагревая до температуры около 1800 °C. При слишком высоких скоростях нагрева органическое связующее разлагается излишне быстро и продукты его распада плохо удаляются, в результате чего платы могут расслоиться. Открытые участки металлизации электрохимически покрывают слоем никеля или золота и лудят.
Основные параметры многослойных коммутационных керамических плат приведены в табл. 5.
Таблица 5. Многослойные коммутационные керамические платы
ПараметрПлаты
массового выпуска прецизионные
Минимальная ширина линий и зазоров, мм 0,2-0,40,125
Минимальный диаметр переходных отверстий, мкм 0,3-0,40,125
ПараметрПлаты
массового выпуска
прецизионные
Минимальный шаг переходных отверстий, мм
2,0-2,5
0,5-1,25
Толщина подложек, мм
2,0-4,0
5,5
Максимальные размеры подложек, мм
До 100X100
90X90
Максимальное количество слоев коммутации
6-8
До 33
Удельное сопротивление проводников, Ом/см
5-10
5-10
Удельная паразитная емкость, пФ/см
0,9-2,0
0,9-2,0
Технология изготовления коммутационных плат на полиимидной пленке основана на раздельном формировании двусторонней пленочной электрической разводки на полиимидной пленке и пленочных проводников на ситалловой подложке, а затем микроконтактировании их.
Последовательность изготовления коммутационной платы гибридной БИС с трехуровневой системой разводки показана на рис. 64, а-е. Первый уровень (внутренние и внешние контактные площадки, внутрисхемные соединения и, если необходимо, пленочные резисторы и конденсаторы) формируют на ситалловой подложке по тонкопленочной технологии, а второй и третий - на полиимидной пленке. Для этого двусторонней фотолитографией в полиимидной пленке толщиной 25 или 50 мкм формируют отверстия соответственно диаметром 20—30 или 50—60 мкм (рис. 64, я). При размерах подложек 60 X 48 мм количество отверстий может быть несколько тысяч, а при размерах 100 X 100 или 150 X 150 мм — несколько десятков тысяч. Двусторонняя фотолитография позволяет создавать удобные для последующего вакуумного напыления металла конусообразные отверстия, необходимые для коммутации второго и третьего уровней разводки.
Напыляемый в вакууме на полиимидную пленку (рис. 64, б) комбинированный слой 2 (Or—Си—Сг) толщиной 1—2 мкм обладает высокой адгезией и служит для формирования маски из фоторезиста 3 (рис. 64, в). После гальванического нанесения на слой 2 слоя 4 и защитного слоя из сплава Sn—Bi, Sn-Ni 148
Рис. 64. Последовательность изготовления коммутационной платы гиб- ридной БИС на полиимид- ной пленке с трехуровневой системой разводки: а, б - полинмидная пленка с отверстиями и ее металлизация, в - формирование фоторезистнвной маски, г - гальваническое наращивание, д - удаление слоя фоторезиста, е — монтаж платы на ситалловую подложку; 1 — полиимид- ная пленка, 2 - слой Сг-Си~Сг, 3 - слой фоторезиста, 4 - слои Си и Sn-Bi, 5 — столбиковый вывод, б - ситалловая подложка, 7 - полупроводниковый кристалл
или Sn—РЬ (рис. 64, г), а также удаления не нужных более слоя 3 фоторезиста и слоя 2 получают платы с двусторонней металлизацией (рис. 64, д).
Такие платы с помощью, например, столбиковых выводов 5 монтируют (рис. 64, е) на ситалловые подложки б с первым уровнем разводки, создавая коммутацию между всеми слоями разводки.
Коммутационные платы на полиимидной пленке характеризуются высокой разрешающей способностью (минимальная ширина линий и зазоров 40—70 мкм). При этом плотность монтажа кристаллов на платах площадью 30 X 24 мм достигает 24. Благодаря высоким изоляционным свойствам полиимидной пленки (р = 1017 Ом • см) такие платы обладают высокой надежностью.
Полиимидные пленки применяют также при изготовлении плат на металлических основаниях.
Технология изготовления коммутационных плат на металлических основаниях площадью до 100 X 100 мм обеспечивает высокие эксплуатационные характеристики БИС и МСБ. Наряду с выполнением таких функций, как многослойная разводка, хороший теплоотвод, металлические платы могут одновременно служить одним из Проводников разводки или частью корпуса БИС и МСБ.
В настоящее время разработано несколько типов комму- $щионных плат из стали, алюминия, титана, ковара и других 149
металлов и сплавов. Технология их изготовления состоит из получения металлических оснований, нанесения диэлектрического слоя, а также формирования многослойной разводки и металлизированных переходов от расположенных, на разных уровнях проводников к металлическому основанию. Общими операциями являются штамповка из листовых заготовок металлических оснований, а также тщательная обработка и очистка их поверхности от загрязнений. Затем в зависимости от материала на поверхность основания наносят необходимое диэлектрическое покрытие.
Стальные платы с эмалевым покрытием получают осаждением легкоплавких бесщелочных стекол с керамическим наполнителем и последующим обжигом при 860—1000 °C. В результате этого на поверхности стального основания образуется эмаль — стекловидное диэлектрическо'е покрытие толщиной 50—150 мкм (е = 10 -г 12, р = 1011 Ом • см). Электрическую разводку (проводники) на эмалированных платах формируют трафаретной печатью, используя неорганические проводящие, резистивные и диэлектрические пасты на стекловидной основе. После вжига- ния при температуре около 700 °C они образуют с эмалью прочную химическую связь (на керамических платах — механическую). Теплопроводность таких плат 40Вт/(м • К), а максимальная рабочая температура 800-1000 °C.
Стальные платы с полиимидпым покрытием получают нанесением и полимеризацией лака ПАК, который используют также для изготовления изоляции между проводящими слоями. Проводящие слои формируют вакуумным напылением алюминия и фотолитографией.
Стальные платы с диэлектрическим покрытием на основе эпоксидной смолы имеют следующие характеристики: е = = 10 -г 12; р = 9,7 • 106 Ом • см; максимальную рабочую температуру 200—250 °C.
Алюминиевые платы для создания на их поверхности слоя оксида алюминия А12О3 анодируют. Проводящие слои формируют вакуумным напылением алюминия и фотолитографией. Такие платы имеют следующие характеристики: е = 7; р = = 10*2 Ом • см; максимальную рабочую температуру 400— 450 °C. Кроме того, платы из алюминия, как и стальные, могут иметь диэлектрическое покрытие на основе эпоксидной смолы (е = 4, р = 2,6 • 107 Ом • см и максимальную рабочую температуру 200-250 °C).
Платы из титана с покрытием А12О3 имеют следующие характеристики: е = 7; р = 10*2 Ом • см; максимальную рабочую температуру 400-500 °C.
Отдать предпочтение какой-либо технологии изготовления 150
Р многослойных коммутационных плат трудно, однако несомнен- - но, что сочетание гибких полиимидных плат с жесткими (кера’ ^ическими или металлическими) существенно повышает плот- < цость монтажа и улучшает теплбвые и механические характеристики гибридных БИС и МСБ.
В настоящее время наиболее перспективны коммутацион- 1 дые платы из анодированного алюминия с разводкой на поли- имидной пленке. Такие платы имеют до десяти слоев развод: ки, обладают необходимой жесткостью и эффективным теплоотводом, а гибридные БИС и МСБ на их основе наиболее техно. ЛОГИЧНЫ.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
■1. Как классифицируют платы гибридных ИМ С, БИС и МСБ?
Каковы особенности метода свободной маски?
Какова последовательность выполнения операций при двойной ■ фотолитографии?
Какие варианты метода обратной фотолитографии вы знаете?
Какие пасты и подложки применяют при изготовлении плат толстопленочных гибридных ИМС?
Через какие трафареты и какими способами выполняют трафаретную печать?
Зачем выполняют термообработку паст?
Каковы особенности технологии изготовления коммутационных плат из многослойной керамики?
Как изготовляют коммутационные платы на полиамидной пленке?
Какие материалы применяют для изготовления оснований коммутационных металлических плат?
ГЛАВА ПЯТАЯ
ТЕХНОЛОГИЯ ПОДГОНКИ ПАРАМЕТРОВ
ПЛЕНОЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ,
МОНТАЖА КРИСТАЛЛОВ, СБОРКИ И ГЕРМЕТИЗАЦИИ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ, ИМС И БИС
ПОДГОНКА ПАРАМЕТРОВ ПЛЕНОЧНЫХ
ЭЛЕМЕНТОВ ГИБРИДНЫХ ИМС И БИС
Современная микроэлектронная технология обеспечивает - Точность выходных параметров пленочных пассивных элементов ГЙбридных ИМС только ±(5 т- 10)%. Этого недостаточно для прецизионных гибридных ИМС, а также БИС, точность которых Должна быть не ниже ± 1 %. Кроме того, погрешности технологии ,151
формирования пленок приводят к невоспроизводимости электрофизических параметров и геометрических размеров пленочных элементов, увеличивают брак и снижают выход годных ИМС и БИС. Этими причинами обусловлена необходимость подгонки пленочных элементов до близких к номинальным значениям в пределах установленных допусков.
При дискретной подгонке пленочных резисторов и конденсаторов (рис. 65, а—в) их топологией предусматриваются специальные перемычки 1 и 4. Эти перемычки перерезают (например, лучом лазера) или припаивают (приваривают), что позволяет удалить или присоединить одну или несколько секций пленочного резистора или конденсатора. Дискретная подгонка резисторов и конденсаторов обеспечивает точность номиналов соответственно ±(2^3)% и ± 5 %.
Плавная подгонка резисторов основана на изменении как их удельного поверхностного сопротивления ps, так и геометрических размеров и обеспечивает высокую точность номиналов. Изменяют значение ps, воздействуя на структуру материала пленки. Известно, что пленки отличаются от массивного материала не только толщиной, но особенностями структуры, которая определяется технологией их нанесения (см. § 12). Например, мелкозернистые пленки металлов и сплавов, нанесенные в вакууме, имеют огромное количество дефектов (вакансий, избыточных атомов и др.), искажающих их параметры и ис-
б)6)
Рис. 65. Конфигурация пленочных резисторов (а, б) и конденсатора (в) при дискретной подгонке:
1,4- перемычки, 2 - резистор, 3 - контактная площадка, 5 - диэлектрик, 6, 7 - нижний и верхний электроды конденсаторов
Рис. 66. Изменение сопротивления пленочного резистора при термообработке -
К тинные электрофизические свойства материалов. Следовательно, '^ при подгонке необходимо перераспределить или ликвидировать J дефекты в пленке, снять напряжения, изменить и стабилизиро- | вать структуру и фазовое состояние, т.е. довести параметры ‘(. резисторов до заданных значений.
Подгонка номиналов пленочных резисторов основана на из- I менении структуры пленки ее термической обработкой, пропус- ■^ канием электрического тока (термотоковая обработка) или ^ нагревом инфракрасным ИК либо лазерным излучением.
Так как эти методы связаны с интенсивным нагревом резистивной пленки, в ней одновременно происходит два про- $ цесса (рис. 66): окисление поверхностного слоя (кривая 2) й и упорядочение структуры (кривая 2) в результате перераспре- ^ деления (удаления) дефектов, изменения границ между зерна- jf ми и их укрупнения (рекристаллизации). Первый процесс уве- J личивает как удельное поверхностное ps, так и номинальное < сопротивление R резисторов, а второй — их проводимость, $ но при этом уменьшается ps и R. Суммарное изменение сопротивления Д7?£ зависит от интенсивности нагрева Q, его вре- $’ мени и условий. Другими словами, результирующая кривая 3 может быть сдвинута ближе к кривой 1 или 2 в зависимости от ' условий подгонки.
Так, при термической обработке пленочных резисторов на воздухе преобладают процессы окисления, а в вакууме — процессы упорядочения структуры. При пропускании импульс’ ного тока через резисторы происходят аналогичные процессы. При нагреве резисторов ИК-излучением эффект может быть различным. Длительный ИК-нагрев на воздухе необратимо увеличивает ps и R резисторов из-за диффузии кислорода в пленку, а в вакууме — уменьшает, как при термообработке. При воздействии импульсного излучения происходят лишь структурные изменения, снижаются ps и R, а окисление не успевает произойти.
■ Изменение геометрических размеров элементов при плавной подгонке осуществляется механическим, химическим и лазерным методами.
, При механическом методе подгонки резисторов их поверхность обрабатывают абразивным порош- ■ ком А12О3 с размером зерен около 25 мкм, который подается из сопла. Ударяясь о поверхность, зерна порошка удаляют часть резистивной пленки, уменьшая эффективное сечение резисторов, что увеличивает их сопротивление R. В процессе подгонки сопротивление резисторов постоянно сравнивается с соПротивлением стандартного резистора, включенного в одно из . плеч мостовой схемы и соединенного со специальным устрой- £153
ством, обеспечивающим контроль и управление. В зависимости от используемого оборудования этим методом за 1 ч можно подогнать сопротивления от 300 до 4000 резисторов.
В основном этот метод применяют при подгонке толстопленочных резисторов. Невысокая точность (± 5 %), необходимость вскрытия защитного слоя платы и воздействие абразива на соседние элементы ограничивают его применение.
Химический метод предусматривает уменьшение толщины резистивной пленки травлением (т.е. увеличение ps и Л) или увеличение ее толщины гальваническим наращиванием (т.е. уменьшение ps и R). Этот метод перспективен также для подгонки номиналов пленочных конденсаторов (селективным травлением верхнего электрода). Погрешность метода 1—2%. Недостатки его — малая скорость процесса и необходимость тщательной отмывки плат.
Лазерный метод получил наибольшее распространение, так как экономичен, производителен, обеспечивает высокую точность, позволяет автоматизировать процесс и, кроме того, строго локализовать его, фокусируя лазерный луч. Этот метод применяют как для подгонки резисторов, так и конденсаторов, соответственно выжигая часть резистивной пленки или верхнего электрода.
Высокая плотность энергии сфокусированного лазерного луча (И7 = 1010 4- 1015 Вт/см2) достаточна для испарения практически любого материала. Кратковременность воздействия лазерного излучения (0,1—5 мкс) почти не изменяет свойства соседних участков пленки, не подвергающихся обработке, а небольшая глубина его поглощения не нарушает структуру подложки или слоев, находящихся под обрабатываемой пленкой. Регулируя энергию лазерного излучения и длительность импульсов, можно термообрабатывать пленку (изменять р^ или испарять ее (изменять геометрические размеры).
Промышленностью выпускаются установки лазерной подгонки разных типов, работающие в полуавтоматическом и автоматическом режимах. Так, на установке АМЦ 0716 для подгонки толстопленочных резисторов сопротивлением 102 —106 Ом в полуавтоматическом режиме погрешность составляет ± 5 % при производительности 250 шт/ч. Подгонку тонкопленочных резисторов таких же сопротивлений на полуавтомате АМЦ 077 выполняют с погрешностью ± 0,5 %. При подгонке резисторов на установке АМЦ 0637 в автоматическом режиме при прочих равных условиях погрешность уменьшается до ±(0,054-0,1) %.
Подгонка может быть групповой и индивидуальной. Групповая (параллельная) подгонка основана на одновременном из- 154
j
щенении параметров группы элементов, а индивидуальная (последовательная) — на их поочередной обработке.
МОНТАЖ КРИСТАЛЛОВ
И ПРИСОЕДИНЕНИЕ ВЫВОДОВ
При сборке полупроводниковых приборов и ИМС кристалЛЫ или платы устанавливают на основания корпусов и выполняют электрические соединения. В зависимости от типов приборов и ИМС электрические соединения создают между контактными площадками, представляющими собой металлизированные участки кристаллов (плат), и гибкими (проволочными, ленточными) или жесткими (шариковыми, в виде выступов или балочными) выводами (рис. 67, а-г).
Следует отметить, что основные особенности, а следовательно, и трудности выполнения таких электрических соединений связаны с небольшой толщиной (0,25—2,0 мкм) и сравнительно невысокой прочностью нанесенных пленок, малыми размерами контактных площадок и большой толщиной или диаметром (25—180 мкм) выводов. Таким образом, из-за большой разницы толщин (в лучшем случае 1:100) происходит либо перегрев тонкопленочных контактных площадок, либо недостаточный нагрев выводов и образуются непрочные соединения.
Создают электрические соединения, т.е. выполняют проволочный и беспроволочный монтаж, различными методами микроконтактирования.
Клеевые соединения выполняют, используя как токопроводящие (контактолы), так и непроводящие клеи.
Контактолы изготовляются на основе эпоксидных или полиэфирных смол с наполнителем из мелкодисперсного (около 1 мкм) металлического порошка (Au, Ag, Р<1,М1идр.) и имеют низкое удельное объемное электрическое сопротивление р = = (2^-100) • 10~4 Ом • м.
Рис. 67. Выводы:
в - проволочный, б - балочный, в-в виде выступа, г - шариковый; г(,- вывод, 2 - клей, 3 - интегральная микросхема, 4 - контактная Площадка, 5 - подложка
После нанесения жидкого клея под действием электростатических и гидростатических сил в нем образуются металлические пятна касания в виде проводящих цепочек, которые при отверждении клея фиксируются. В зависимости от марки клея его капля отверждается от 48 ч при комнатной температуре до 1 ч при 120-180 °C. Однако неоднородность состава контактола от капли к капле, малый срок годности (так как жидкая составляющая быстро испаряется), плохая устойчивость к влаге и температуре, недостаточная адгезия к некоторым металлическим поверхностям, наличие внутренних напряжений, усадка при охлаждении, высокий ТКЛР, резко отличающийся от ТКЛР соединяемых деталей, и большая площадь соединений (0,20,3 мм2) ограничивают применение этого вида контактирования. Еще реже используют непроводящие клеи.
Пайка — это процесс соединения двух металлических деталей в твердом состоянии с помощью припоя, заполняющего пространство между ними. При пайке места соединения деталей и припой разогревают до температуры выше его температуры плавления. Расплавленный припой, смачивая соединяемые поверхности, диффундирует в них на небольшую глубину, а соединяемые поверхности частично растворяются в припое. Образующийся шов после остывания прочно соединяет детали.
Пайку в основном применяют при проволочном монтаже гибридных ИМС, БИС и микросборок, а также при монтаже кристаллов, имеющих столбиковые или шариковые выводы. При этом чаще всего используют припой ПОС 61 (61% Sn; 38,2% Pb; 0,8% Sb). Если материал контактных площадок интенсивно растворяется в олове, используют модифицированный припой ПСрОС 3-58 (3% Ag; 0,5% Sb; 57,8% Sn; остальное — Pb). Для монтажа компонентов, чувствительных к перегреву, применяют припой ПОСК 50 (50% Sn; 18% Cd; 0,2% Sb; 0,008% Си; остальное - Pb), имеющий температуру плавления 142—145 °C (припои ПОС 61 и ПСрОС 3-58 имеют температуру плавления 183-194 °C).
Обычно пайку выполняют без флюса или используя пассивные флюсы, предохраняющие детали и припой от окисления. Среди флюсов предпочтительнее те, которые не требуют последующей отмывки: ФКСп (канифоль 10-60 мас.%, этиловый спирт — 90—40 мас.%) и ФПЭт (полиэфирная смола 15—20 мас.%, метилэтилкетон или этилацетат 80—85 мас.%).
Пайку осуществляют в течение 2—3 с маломощным электрическим микропаяльником (£7 = 6В; Р = 6Вт; Т = 260 °C) с автоматическим регулированием температуры или сдвоенным электродом с импульсным нагревом в течение 1 с, используя припой в виде таблеток диаметром 0,8 мм и толщиной 0,08—0,1 мм. 156
К . Низкая надежность, сравнительно большие размеры паяного * шва, возможность соединения лишь некоторых материалов я И низкая производительность ограничивают применение этих К методов пайки в технологии изготовления полупроводниковых ® ^приборов и ИМС..
К г Более широкое распространение получила пайка при креп® пении подложек и кристаллов к основаниям корпусов. Так, Е '«пайка с использованием мягких припоев или эвтектических $ сплавов обеспечивает малое сопротивление соединений, их хо- 2 рошее согласование по ТКЛР с материалом корпуса (а следова- ® тельно, небольшие механические напряжения), достаточные теп- д лопроводность и механическую прочность. Для этих целей при* меняют припои, например Au—Sn и Pb—Sn—Ag, температура плавления которых соответственно равна 280 и 300 °C. На место t соединения помещают припой в виде пасты или диска из фоль- ■- ги. Так как для создания качественного контактирования . соединяемые поверхности должны хорошо смачиваться припо- j ем, установочную плоскость кристаллов покрывают слоем ме- V таллизации (Au, Ag, Ni с подслоем Сг), а основания корпусов — у слоем Ni или Ag.
)- Эвтектический сплав Au-Si (94 и 6 мас.%), имеющий темпе> ратуру плавления 370 °C, используют в виде фольговых дисков, которые помещают между кристаллами и основаниями корпу- - сов. Для создания надежных соединений температура должна быть в пределах 390—420 °C, а давление 1—3 Н/мм2 поддержи- 1 ваться в течение 3—5 с.
. Пайку стеклом применяют только при монтаже кристаллов в корпуса. Легкоплавкие стекла С84-1, С88-1, С89-3, С90-1 име- ■ ют ТКЛР, равный (8,4—9,0) • 10~6 К-1, и температуру размяг- . чения не более 550 °C. Использование стекла исключает электрический контакт кристаллов с корпусами.
Микросварка — это процесс образования неразъемных сое' динений деталей их сплавлением или деформированием, в ре- ■ зультате чего возникают прочные связи между атомами соеди- ; няемых материалов. Сварка отличается от пайки меньшими i загрязнением и газонасыщением мест контактирования, что ■ обусловлено отсутствием припоя.
; ■ ■ Сварка давлением (термокомпрессионная, кос- # венным импульсным нагревом и ультразвуковая) основана ” на одновременном действии температуры и давления на соеди- . няемые детали, которые при этом не расплавляются, а лишь у- увеличивается их пластичность. В результате пластической ' -деформации одной или обеих соединяемых деталей между ;®Х поверхностями вследствие металлических связей возникает & .физический контакт и происходит взаимная диффузия.
Соединение металлических деталей с металлическими или неметаллическими под действием высоких давлений и температуры называют термокомпрессией. Этим методом можно сваривать круглые и плоские проводники с тонкими металлическими пленками, нанесенными на хрупкие подложки. Изменение технологических режимов термокомпрессии (времени, температуры и давления) в пределах ±10% заметно не влияет на качество соединений.
Термокомпрессией соединяют золотые и алюминиевые проводники с контактными площадками из золота, алюминия,' кремния, германия и др. Так, при соединении золотой проволокой алюминиевых контактных площадок кристаллов с выводами корпусов режим термокомпрессии следующий: температура 350 °C; давление 108 Н/м2; время 0,5—3 с. При этом деформация присоединяемой детали составляет 30—60%.
Сварочный инструмент обычно выполняют в виде иглы (клина) или капилляра из твердых сплавов ВК-6М, ВК-15, оксида бериллия или синтетического корунда (рис. 68, а, б).
Термокомпрессионная сварка имеет довольно много разновидностей, которые классифицируют по ряду признаков. Так, по способу нагрева термокомпрессия бывает с индивидуальным
Рис. 68. Термокомпрессионная сварка внахлестку клином (а) и капилляром (б) :1 - сварочный инструмент, 2 - проволочный вывод, 3 — контактная площадка, 4 — платаРис. 68. Термокомпрессионная сварка внахлестку клином (а) и капилляром (б) :1 - сварочный инструмент, 2 - проволочный вывод, 3 — контактная площадка, 4 — платад)д)Рис. 69. Термокомпрессионная сварка встык:
Рис. 68. Термокомпрессионная сварка внахлестку клином (а) и капилляром (б) :
1 - сварочный инструмент, 2 - проволочный вывод, 3 — контактная площадка, 4 — плата
Рис. 68. Термокомпрессионная сварка внахлестку клином (а) и капилляром (б) :
1 - сварочный инструмент, 2 - проволочный вывод, 3 — контактная площадка, 4 — плата
д)
д)
а — оплавление шарика, б - готовое соединение, I — капилляр, 2 — проволочный вывод, 3 - шарик, 4 — водородная горелка, 5 — контактная площадка, 6 - плата
", или одновременным подогревом рабочего столика (кристалла, t платы) и сварочного инструмента, а по способу соединения — * внахлест (сшиванием — рис. 68, а, б) и встык (рис. 69, а, б). й В первом случае проволока подается под инструмент сбоку h (рис. 68, а) или через рабочий инструмент (рис. 68, б), Во вто: ром случае (рис. 69, а, б) внутри капилляра и на конце прово. доки из золота предварительно создают (например, водородной микрогорелкой) оплавленные шарики, которые затем при 1 нагревании и деформировании привариваются к контактной площадке. По форме образующегося соединения, которая за. висит от типа инструмента и степени деформации вывода, судят о качестве сварки.
Следует отметить, что не все материалы свариваются термо; компрессией. Кроме того, соединяемые поверхности необхо- . димо предварительно тщательно подготовлять (травить, зачищать, обезжиривать, защищать от окисления).
Термокомпрессионную сварку выполняют как вручную, так и на специальных полуавтоматических (ЭМ-439) и автоматических (ЭМ-490 и ЭМ-496) установках.
В отличие от термокомпрессионной при сварке косвенным импульсным нагревом рабочий инструмент — электрод (рис. 70) нагревается только в момент выполнения соединения, а его формой предусмотрено сосредоточение выделяющейся теплоты на торцевой части жала и локальный нагрев места сварки. Про. цесс взаимной диффузии соединяемых материалов при сварке
импульсным нагревом играет не менее важную роль, чем при
термокомпрессии. В зависимости от материала контактной площадки (Au, А1, Си, Ni) давление составляет 3 • 107 - 2 • 108 Н/м2, температура — 300—700 °C, длительность импульса — 0,01—2 с. Наиболее успешно сварку косвенным импульсным нагревом
Au и AI к вы-Au и AI к вы-Рис. 70. Инструмент для сварки косвенным импульсным нагревомРис. 70. Инструмент для сварки косвенным импульсным нагревомприменяют для присоединения проволоки из водам транзисторов и корпусов ИМС, изготовленных из ковара, никеля и др.
Au и AI к вы-
Au и AI к вы-
Рис. 70. Инструмент для сварки косвенным импульсным нагревом
Рис. 70. Инструмент для сварки косвенным импульсным нагревом
При этом способе сварки предъявляют . определенные требования к рабочему инструменту (высокие первичное напряжение, плот' ность тока и температура жала), который изготовляют из жаропрочной стали, нихрома и . твердых сплавов. Такой инструмент выдер- , живает от 6000 до 40 000 сварок. Сварку выполняют на установках с ручным (”Кон- ' Такт-ЗА”, СКИН-1, ЭМ-408А) и полуавтомати- 4§ским (ЭМ-425А и ЭМ-441) управлением.
- В тех случаях, когда свариваемые поверхНости покрыты достаточно прочной оксидной
пленкой (например, контактные площадки из алюминия), соединение может быть непрочным, если не активизировать процесс сварки и не разрушить пленку. С этой целью применяют.ультразвуковую сварку (рис. 71). Сварочный инструмент 1 из металлокерамического сплава или карбида титана прижимает с усилием р = 20 150 Н/мм2 вывод 4 к контактной площадке 5. Электрические колебания от преобразователя 3 передаются через волновод 2 инструменту 1 и преобразуются в механические ультразвуковые, колебания, которые распространяются вдоль свариваемых поверхностей. При амплитуде ультразвуковых колебаний 0,5—5 мкм и частоте 20—60 кГц микронеровности свариваемых поверхностей сминаются и срезаются, оксидная пленка разрушается и в результате в зоне контакта интенсивно выделяется теплота. Таким образом менее чем за 1 с при температуре, соответствующей 0,3—0,5 температуры плавления соединяемых материалов, эти материалы становятся пластичными и свариваются.
Достоинства этого метода — возможность сварки деталей из различных материалов (даже диэлектрических), значительно отличающихся по толщине, невысокие требования к чистоте свариваемых поверхностей и отсутствие структурных изменений в зоне сварки вследствие незначительного локального перегрева. Ультразвуковую сварку выполняют на установках ЭМ-423М, ЭМ-424А, УЗП-02, НПВ-2 с автоматической подстройкой частоты, что позволяет выбирать оптимальные режимы.
Сварка плавлением (сдвоенным электродом, лазерная, электронно-лучевая) основана на нагревании свариваемых деталей до температуры плавления.
При сварке сдвоенным (расщепленным) электродом учитывается особенность выполнения соединений в ИМС, которая предопределяет одностороннее расположение электродов 2
Рис. 71. Схема ультразвуковой сварки:1 - сварочный инструмент, 2 - волновод, 3 - преобразователь, 4 - вывод, 5 - контактная площадка 160Рис. 71. Схема ультразвуковой сварки:1 - сварочный инструмент, 2 - волновод, 3 - преобразователь, 4 - вывод, 5 - контактная площадка 160Рис. 72. Сдвоенный электрод (с) и схема сварки (б) :1 - прокладка, 2 — электрод, 3 - проволочный вывод, 4 - контактная площадкаРис. 72. Сдвоенный электрод (с) и схема сварки (б) :1 - прокладка, 2 — электрод, 3 - проволочный вывод, 4 - контактная площадка
Рис. 71. Схема ультразвуковой сварки:
1 - сварочный инструмент, 2 - волновод, 3 - преобразователь, 4 - вывод, 5 - контактная площадка 160
Рис. 71. Схема ультразвуковой сварки:
1 - сварочный инструмент, 2 - волновод, 3 - преобразователь, 4 - вывод, 5 - контактная площадка 160
Рис. 72. Сдвоенный электрод (с) и схема сварки (б) :
1 - прокладка, 2 — электрод, 3 - проволочный вывод, 4 - контактная площадка
Рис. 72. Сдвоенный электрод (с) и схема сварки (б) :
1 - прокладка, 2 — электрод, 3 - проволочный вывод, 4 - контактная площадка
Kfonc. 72, а, б), объединенных в жесткую конструкцию с электро- Ж^пляпионной (из слюды или синтетического корунда) проклад- №кой 1, толщина которой равна 30—220 мкм. В зависимости диаметра (30—150 мкм) проволочного вывода 3 длина и ■ширина торца каждого электрода соответственно составляют №20—100 и 80-600 мкм. Изготовляют электроды из вольфрама, Кмолибдена или твердого сплава ВК-8. Такие электроды выдер- « Живают до 30—40 тыс. сварок., и В процессе сварки участок вывод - контактная площадка ^является частью электрической цепи и место контакта при ^прохождении через него электрического тока вследствие выде- »пения теплоты разогревается. Усилие прижатия электрода сос- ■ тавляет 3—10 Н, а время сварки — от 0,005 до 0,02 с.
ж При лазерной сварке материалы соединяемых деталей под В.действием электромагнитного излучения высокой интенсивнос- №ти расплавляются, а после охлаждения образуют сварной шов. ж Основное достоинство лазерной сварки — возможность кон- Вцентрации больших энергий на малых площадях (10s—106 ® Вт/см2) в короткие промежутки времени. Это позволяет соеди- Княть лазерной сваркой практически любые металлы в непосред- Ественной близости от металлостеклянных и металлокерамических спаев.
^ Отсутствие специальных сред (вакуума, защитной атмосфе- &ры и др.), легкость фокусировки лазерного луча до диаметра *0,25-1 мм и возможность его проникновения через оптически ^прозрачные вещества (стекло, кварц и др.) делают этот метод 5 наиболее перспективным для использования в микроэлектрон- f ной технологии.
$ Электронно-лучевая сварка основана на тех же физических ^ принципах, что и электронно-лучевые испарители.
>{ Необходимо отметить, что сборочные операции в техноло- । гии изготовления полупроводниковых приборов и ИМС являются трудоемкими, так как значительную часть их выполняют ^Вручную. В первую очередь, это относится к проволочному мон- '^яажу с использованием выводов в виде тонких проволочек из ЙШяота, меди или алюминия. С функциональным усложнением J-ЯЗделий микроэлектроники и увеличением степени их интег- j грации появился метод группового беспроволочного мон-
!•! Возможность применения этого метода обусловлена, во-пер- ^®ых, выполнением выводов либо в виде объемных элементов, й Жестко связанных с кристаллом (шариковых, балочных и др. — ^ см. рис. 67), либо в виде ленточных носителей, которые будут * рассмотрены далее. Поскольку такие выводы имеют строгую ^взаимную ориентацию, перед присоединением их к контакт- «4-^40
ным площадкам плат требуется лишь общая ориентация кристалла.
Во-вторых, при групповом монтаже высота (или диаметр) всех выводов должна быть равной, а условия его проведения (температура, время и усилие сжатия контактируемых поверхностей) - одинаковыми. Очень важно также, чтобы плоскости платы и торца инструмента были параллельны. Кроме того, при монтаже кристаллов с жесткими выводами рабочая сторона кристаллов обычно обращена к плате, что затрудняет совмещение мест контактирования.
Монтаж кристаллов с жесткими выводами на одно-, двух- или трехслойном ленточном носителе не имеет этих недостатков и наиболее приемлем в массовом производстве. Однослойный ленточный носитель представляет собой медную или алюминиевую фольгу, двухслойный — полиимидную пленку, фольгированную алюминием, а трехслойный — раздельно изготовленные фольгу и пленку диэлектрика, затем склеенные полиэфирной или эпоксидной смолой.
Лента-носитель с кристаллами ИМС показана на рис. 73, а
а)
Рис. 73. Лента-носитель с кристаллами ИМС:
1 — полупроводниковый кристалл, 2 - лента-носитель, 3 - луженые жесткие выводы
д)в)
3
е)
Рис. 74. Последовательность выполнения ■ операций при монтаже кристаллов с шариковыми выводами на ленте-носителе:
а - нанесение медной фольги на ленту-носитель, б, в - фотолитография и селективное травление, г, д - монтаж кристаллов снизу и сверху, е - нанесение герметизирующего покрытия; 1 - медная фольга, 2 - попиимидная пента, 3 - кристалл, 4 — шариковый вывод, 5 - герметизирующее покрытие
Е последовательность выполнения операций при монтаже крис- к таллов с шариковыми выводами — на рис. 74, а-е. При этом на 1 перфорированную полиимидную ленту — носитель 2 наносят ® медную фольгу 1 (рис. 74, а). Для получения выводных рамок X применяют фотолитографию и селективное травление (рис. 74, ■«, б, в). Кристаллы можно монтировать на лицевой или обрат- га ной стороне медной фольги (рис. 74, г, д). Во втором случае v полиимидную пленку вытравливают в нужном месте теплым 4 раствором соды с гидразином. Завершается процесс сборки х нанесением герметизирующего покрытия (рис. 74, е).
р ’§ 28. ГЕРМЕТИЗАЦИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ,
| ИМС И БИС
а Герметизация является завершающим технологическим про® цессом изготовления полупроводниковых приборов и ИМС. Герметизацию проводят для полной изоляции элементов, ком- f понентов, кристаллов и электрических соединений от окружаю- Л щей среды, содержащей влагу, а также активные вещества, | способные вызвать коррозию, химические взаимодействия и, ^, как следствие, привести к выходу изделий из строя.
Различают корпусную, бескорпусную и комбинированную герметизащоо. Выбор способа герметизации зависит от кон- • струкции полупроводникового прибора или ИМС и должен обеспечивать механическую прочность изделия при его эксплуатации, исключать чрезмерный нагрев элементов и выделение газов и паров металлов внутри корпуса в процессе герметиза- у ции, выполняться в чистой и неактивной среде (инертный газ, осушенный воздух и т.п.), допускать механизацию и автома-
газацию.
При корпусной герметизации предварительно изготовляют элементы корпусов — основания с изолированными выводами, ■ крышки и вспомогательные детали. После монтажа прибора, f кристалла или платы на основание корпуса и микроконтактиро- ,J, вация выводов присоединяют крышку, в результате чего образуется замкнутый объем.
у В металлостеклянных корпусах (рис. 75, а) ^нование 4 и крышку 1 выполняют из металла, а выводы 5 изо;., даруют от основания стеклом 3.
^ :• Металлокерамические корпуса (рис. 75, б) у состоят из керамического основания 4 с выводами 5 и метал- V лической крышки 1. Так как из-за высокой температуры спека- ■(V ния керамики армировать основание металлическими выводами невозможно, их в специальной технологической рамке впаи- Ж вают в него стеклом 3. Кроме того, к бортику керамического Я 6»163
Рис. 75. Корпуса полупроводниковых приборов и ИМС: а - металлостеклянный, б - металлокерамический, в — стеклянный, г - пластмассовый, д - металлополимерный; 1 - крышка, 2 - кристалл (сборка), 3 - стекло, 4 — основание, 5 - вывод, 6 - рамка, 7 — компаундРис. 75. Корпуса полупроводниковых приборов и ИМС: а - металлостеклянный, б - металлокерамический, в — стеклянный, г - пластмассовый, д - металлополимерный; 1 - крышка, 2 - кристалл (сборка), 3 - стекло, 4 — основание, 5 - вывод, 6 - рамка, 7 — компаунд
Рис. 75. Корпуса полупроводниковых приборов и ИМС: а - металлостеклянный, б - металлокерамический, в — стеклянный, г - пластмассовый, д - металлополимерный; 1 - крышка, 2 - кристалл (сборка), 3 - стекло, 4 — основание, 5 - вывод, 6 - рамка, 7 — компаунд
Рис. 75. Корпуса полупроводниковых приборов и ИМС: а - металлостеклянный, б - металлокерамический, в — стеклянный, г - пластмассовый, д - металлополимерный; 1 - крышка, 2 - кристалл (сборка), 3 - стекло, 4 — основание, 5 - вывод, 6 - рамка, 7 — компаунд
основания стеклом припаивают металлическую рамку б, к которой сваркой или пайкой присоединяют металлическую крышку 1. Так как рамка и крышка должны при пайке хорошо смачиваться припоем на основе олова, их предварительно покрывают тонким слоем никеля, меди или золота. Выводы 5 можно также присоединять к керамическому основанию 4 с помощью проводящих паст.
Стеклянные корпуса (рис. 75, в) более технологичны и состоят из стеклянного основания 4 и металлической или стеклянной крышки 1. В процессе формовки основание армируют выводами 5 и металлической рамкой б, а затем спекают, в результате чего образуется металлостеклянный спай.
В керамических корпусах как крышка, так и основание выполнены из керамики. Это позволяет монтировать 164
| внешние выводы и выполнять герметизацию пайкой стеклом г без рамки, что упрощает конструкцию.
Г Во избежание термических напряжений и растрескивания f рассмотренные корпуса изготовляют из материалов, имею- |щих близкие по значению температурные коэффициенты линейного расширения (ТКЛР). Стекло, кроме того, в процессе сборки и герметизации приборов и ИМС не должно размягчаться при нагревании. Наиболее удачными парами материалов являются железо-никель-кобальтовый сплав 29НК (ковар) — стекло С48-2 или С49-2 (температуры размягчения 570 и 585 °C), желе- зо-никель-медный сплав 47НД — стекло С89-8 или С90-1 (температуры размягчения 530 и 550 °C); керамика 22ХС или ! ’’Поликор” — стекло С72-4 (температура размягчения около 560 °C). При получении спаев стекло — металл металлическую поверхность предварительно оксидируют.
В пластмассовых корпусах крышки 1 приклеивают к основаниям 4 специальными клеями. Этот вариант герметизации применяют только при изготовлении малоответственных ИМС, так как он не обеспечивает вакуумноплотную .,- защиту.
| Разнообразие конструкций и типоразмеров корпусов (от к небольших со штыревыми выводами для герметизации полу- I проводниковых приборов до многовыводных с планарными I выводами для герметизации микросборок) обусловило приме- t нение различных видов пайки и сварки, некоторые из которых < были описаны в § 27. Вместе с тем следует рассмотреть другие | виды сварки и пайки, наиболее часто применяемые при герме- | тизации.
к Холодная сварка- это процесс получения не* разъемного соединения в результате пластической деформации f двух деталей. При сближении свариваемых деталей на расстоя- Г ние действия межатомных сил между поверхностными атомами fc образуются металлические связи. Степень деформации сваривае- ( мых деталей должна быть 75—85 %, т.е. их суммарная толщина после сварки составляет 15—25% от первоначальной. Усилие сжатия при холодной сварке зависит от пластичности материалов | соединяемых деталей и контактной площади рабочего инструмента (пуансона), обычно выполняемого из инструменталь- t НОЙ стали Х12, ХВГ, ШХ13 или твердого сплава ВК20. Так, для 1 соединения деталей из меди МБ или Ml удельное давление должно быть 1500-1800 Н/мм2, а деталей из меди с коваровы- I' ми, стальными или из сплава 47НД составлять 2000—2500 Н/мм2.
В зависимости от свойств свариваемых материалов приме- Ь няют дву- или одностороннюю холодную сварку. Двусторонней в соединяют детали из материалов примерно одинаковой плас- Ь165
Рис. 76. Односторонняя холодная сварка корпуса ИМС: 1, 4 — верхний и нижний пуансоны, 2, 3 — крышка и основание корпусаРис. 76. Односторонняя холодная сварка корпуса ИМС: 1, 4 — верхний и нижний пуансоны, 2, 3 — крышка и основание корпуса
Рис. 76. Односторонняя холодная сварка корпуса ИМС: 1, 4 — верхний и нижний пуансоны, 2, 3 — крышка и основание корпуса
Рис. 76. Односторонняя холодная сварка корпуса ИМС: 1, 4 — верхний и нижний пуансоны, 2, 3 — крышка и основание корпуса
тичности, а односторонней — различной пластичности. Причем в первом случае (рис. 76) пуансоны одновременно деформируют фланцы крышки и корпуса и поэтому во избежание подрезки более пластичного фланца крышки воздействующий на него верхний пуансон должен иметь плоскую широкую торцевую поверхность.
Холодная сварка проста, доступна и применяется в основном для герметизации металлостеклянных корпусов транзисторов и диодов средней и большой мощности, а также корпусов ИМС из металлов, обладающий высокой теплопроводностью.
Электроконтактная сварка— это процесс получения неразъемного соединения нагревом свариваемых кромок до пластичного состояния и последующим их сжатием (осадкой). Для иагрева свариваемых кромок через них пропускают электрический ток. При этом количество необходимой теплоты можно определить по следующей формуле (закон Джоуля- Ленца) :
Q = 0,24I2Rt,
где 7 — сварочный ток; R — сопротивление участка цепи в месте контакта; t - время действия тока.
Кроме сварочного тока, который обычно составляет несколько десятков тысяч ампер, и длительности его прохождения основным параметром электроконтактной сварки является усилие сжатия электродов, которое в зависимости от свариваемых материалов составляет 1—20 кН. Монолитные электроды изготовляют из бронзы БрБ2, БрХБ или БрНБТ, основание комбинированных - из меди Ml, М2 или М3, а рабочую часть - из сплава ВМ (20-30% Си, 70-80% W).
Наиболее распространена электроконтактная сварка неподвижными электродами, при которой соединяемые детали устанавливают в специальное гнездо нижнего электрода, а верхний электрод при опускании центрирует их и сжимает с удельным давлением 50—100 Н/мм2. При роликовой электроконтактной сварке соединяемые детали перемещаются между двумя вращающимися роликами.
Электроконтактной сваркой чаще всего герметизируют
Рис. 77. Взаимное расположение электрода и корпуса ИМС при аргонно-дуговой сварке:1 — электрод, 2 - сопло, 3, 5 - теплоотводы крышки и основания, 4 - корпус микросхемы, 6 — плитаРис. 77. Взаимное расположение электрода и корпуса ИМС при аргонно-дуговой сварке:1 — электрод, 2 - сопло, 3, 5 - теплоотводы крышки и основания, 4 - корпус микросхемы, 6 — плитаРис. 78. Выполненное соединение корпуса ИМС с крышкой:1 - сварочный шов, 2 - крышка, 3 - вывод, 4 - изолятор, 5 - основаниеРис. 78. Выполненное соединение корпуса ИМС с крышкой:1 - сварочный шов, 2 - крышка, 3 - вывод, 4 - изолятор, 5 - основание
Рис. 77. Взаимное расположение электрода и корпуса ИМС при аргонно-дуговой сварке:
1 — электрод, 2 - сопло, 3, 5 - теплоотводы крышки и основания, 4 - корпус микросхемы, 6 — плита
Рис. 77. Взаимное расположение электрода и корпуса ИМС при аргонно-дуговой сварке:
1 — электрод, 2 - сопло, 3, 5 - теплоотводы крышки и основания, 4 - корпус микросхемы, 6 — плита
Рис. 78. Выполненное соединение корпуса ИМС с крышкой:
1 - сварочный шов, 2 - крышка, 3 - вывод, 4 - изолятор, 5 - основание
Рис. 78. Выполненное соединение корпуса ИМС с крышкой:
1 - сварочный шов, 2 - крышка, 3 - вывод, 4 - изолятор, 5 - основание
корпуса полупроводниковых приборов и микросхем круглой и прямоугольной формы со штыревыми выводами.
Для герметизации ИМС широко используют корпуса с боковыми выводами и стеклянными или керамическими изоляторами, расположенными непосредственно под зоной герметизации или вблизи нее. Так как при этом герметизация сваркой давлением невозможна, применяют ультразвуковую, электронно-лучевую или лазерную сварку (см. § 27), а также аргонщэ- дуговую.
При аргонно-дуговой сварке (рис. 77), которая является одним из видов электродуговой, яргон, обтекающий электрод и зону соединения, предохраняет расплавленный металл от воздействия кислорода и азота воздуха. Неплавящий- ся вольфрамовый электрод служит для возбуждения и поддержания горения дуги. При герметизации этим способом (рис. 78) кромки крышки и основания корпуса микросхемы под воздействием теплоты электрической дуги оплавляются с образованием сварочной ванны. Охлаждаясь, металл в месте сварки кристаллизуется, и образуется сварочный шов. Основное преимущество аргонно-дуговой сварки — возможность местного (локального) нагрева деталей, а недостаток — повышенные требования к точности их совмещения и изготовления оснастки. Аргонно- дуговой сваркой герметизируют металлостеклянные корпуса со штыревыми выводами, когда периметр соединения больше 50 мкм, а суммарная толщина фланцев 0,2—0,6 мм.
При микроплазменной сварке (рис. 79), которая является разновидностью аргонно-дуговой, локализация и стабилизация плазменного луча достигается с помощью 167
Рис. 79. Микроплазменная горелка:1 - электрод, 2 - сопло, 3, 5 - плазмообразующий и защитный газы, 4 - корпус плазмотрона, б - теплоотвод, 7 - фланцы корпуса ИМ СРис. 79. Микроплазменная горелка:1 - электрод, 2 - сопло, 3, 5 - плазмообразующий и защитный газы, 4 - корпус плазмотрона, б - теплоотвод, 7 - фланцы корпуса ИМ С
Рис. 79. Микроплазменная горелка:
1 - электрод, 2 - сопло, 3, 5 - плазмообразующий и защитный газы, 4 - корпус плазмотрона, б - теплоотвод, 7 - фланцы корпуса ИМ С
Рис. 79. Микроплазменная горелка:
1 - электрод, 2 - сопло, 3, 5 - плазмообразующий и защитный газы, 4 - корпус плазмотрона, б - теплоотвод, 7 - фланцы корпуса ИМ С
сопла 2 с диаметром выходного отверстия менее 1 мм. Так как возбуждение дугового разряда между электродом 7 и свариваемым изделием (фланцы корпуса 7 микросхемы) через узкое сопло невозможно, вначале возбуждают вспомогательную дугу между электродом 7 и соплом 2, включенным через токоограничительный резистор. Образующаяся при этом низкотемпературная плазма (10 000 К) возбуждает основную дугу между электродом и изделием. При одинаковых полярностях потенциалов изделия сопла и электрода вспомогательный разряд шунтируется и гаснет.
Установка микроплазменной сварки МПУ4 может работать как в непрерывном, так и им
пульсном режимах постоянного тока. Ток основной дуги составляет 1,5—30 А, ток вспомогательной — до 6 А. Плазмообразующим и защитным газом чаще всего служит аргон.
При корпусной герметизации применяют также пайку припоями и стеклом.
Пайка припоями выполняется при температурах 170—350 °C. Перед пайкой изделие облуживают расплавленным припоем или помещают его между соединяемыми деталями в виде прокладок, таблеток, колец и др. Далее корпуса герметизируют, применяя различные способы нагрева, необходимые для оплавления припоя.
При кондуктивном методе нагрева детали корпуса ИМС с прокладкой припоя между ними, предварительно обработанной раствором или расплавом флюса (канифоли), зажимают с небольшим усилием между двумя нагревательными плитами. Недостаток этого метода — значительный нагрев основания корпуса, на котором расположена ИМС (или полупроводниковый прибор), а также необходимость применения флюса, остатки которого трудно полностью удалить, и они могут попасть внутрь корпуса.
При обдуве струей горячего газа (азота или аргона) корпуса со стороны крышки применение флюса исключается, так как пайка проводится в инертной атмосфере.
Конвективный нагрев применяют при крупносерийном и
массовом производстве. Собранные детали корпусов сжимают и фиксируют на все время пайки, которую проводят в конвейерных печах с защитной средой. Скорость движения конвейера и температурный режим печи (подъем температуры до заданной, выдержка и охлаждение) обеспечивают оптимальный цикл пайки.
Этот метод пайки достаточно прост и доступен, однако из-за высокой теплопроводности припоя необходимо нагревать весь корпус. Кроме того, прочность паяного шва обычно ниже прочности соединяемых материалов (меди, никеля и особенно ковара) .
Пайку стеклом применяют не только для контакта кристаллов с корпусами и крепления внешних выводов к керамическим основаниям, но и для соединения керамических крышек с основаниями. Это значительно упрощает конструкцию корпусов и сборку ИМС. При такой пайке в качестве припоев используют низкотемпературные стекла (например, PbO—ZnO— В2О3).
Бескорпусная герметизация предполагает совмещение герметизации с формированием корпуса (т.е. его заранее не изготовляют) . При этом методе свободное пространство (конструктивные промежутки) между элементами полупроводниковых приборов и ИМС заполняют полимеризующимся электроизоляционным составом (компаундом), который при затвердении образует монолитную оболочку. Герметизирующие компаунды преимущественно изготовляют на основе эпоксидных, кремний- органических или полиэфирных смол.
Эпоксидные компаунды наряду с высокой адгезией, малой усадкой (менее 1%) и высокими механическими свойствами имеют низкую жизнеспособность и применяются как пресс- материалы при литьевом прессовании.
Кремнийорганические смолы — это достаточно эластичные композиции, термостойкость которых составляет до 250 °C, а при кратковременных температурных воздействиях до 350— 400 °C. Однако из-за более низких, чем у эпоксидных компаундов, механической прочности и адгезионных свойств их применяют лишь для предварительной защиты изделий с целью фиксации гибких проволочных или ленточных выводов.
> Полиэфирные компаунды, обладающие небольшой вязкостью и отвердевающие при комнатной температуре, в основном применяют для свободной заливки или обволакивания.
Преимущества бескорпусной герметизации — значительное сокращение количества технологических операций, повышение производительности процесса и снижение стоимости изделий. Кроме того, приборы и ИМС имеют меньшие габариты
и массу, чем загерметизированные в корпуса. Недостатки этого метода герметизации — слабое уплотнение внешних выводов, различие между ТКЛР изолирующего материала, полупроводника и металла выводов, а также низкая теплопроводность герметиков.
Бескорпусную герметизацию выполняют обволакиванием герметиком, заливкой полимером, а также опрессовкой расплавленным термопластическим или термореактивным материалом.
Обволакивание — наиболее простой способ, при котором каплю герметика наносят на сборку или кратковременно погружают сборку в герметик. Этот способ используют для предварительной защиты изделий перед заливкой или опрессовкой.
Заливку выполняют в специальные многократного использования литьевые формы из силиконовой резины. Заливка может быть свободной или в вакууме.
Литьевое прессование является наиболее совершенным способом создания бескорпусных оболочек, применяемым в серийном производстве. Этот способ основан на использовании разъемных пресс-форм и пресс-порошков, получаемых из эпоксидных и кремнийорганических смол или их компози- щш. Расплавленный в специальной камере пресс-порошок подают через литниковые каналы под давлением в формующие гнезда. Когда через 3—5 мин давление снимают и раскрывают пресс- форму, изделие выталкивается из нее.
При комбинированной герметизации (см. рис. 75, д) предварительно изготовляют крышку 1 в виде металлического колпачка, в которую устанавливают сборку 2 с выводами 5, заливая их компаундом 7. Так обычно герметизируют толстопленочные гибридные ИМС невысокой степени интеграции.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
Каковы особенности дискретной и плавной подгонки пленочных элементов гибридных ИМС?
Какие методы точной подгонки пленочных элементов вы знаете?
Каков состав проводящих клеев?
Каково назначение пайки и какими методами ее выполняют при сборке полупроводниковых приборов и ИМС?
Какие методы сварки давлением и плавлением применяют для соединения деталей ИМС?
Каковы особенности монтажа кристаллов с жесткими выводами?
Какие корпуса применяют для герметизации полупроводниковых приборов и ИМС?
170
Какие методы сварки применяют при герметизации полупроводниковых приборов и ИМС и каковы их особенности?
В каких случаях при герметизации применяют пайку припоем и стеклом?
Как осуществляют бескорпусную герметизацию полупроводниковых приборов и ИМС?
ГЛАВА ШЕСТАЯ
КОНСТРУКТИВНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ИНДИКАТОРНЫХ УСТРОЙСТВ
ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ
Устройства, предназначенные для светового отображения буквенных и цифровых символов, а также мнемонических схем и преобразующие электрическую энергию в световую, называются индикаторами. Под действием тока р-п переходы или полупроводниковый слой люминофора индикаторов начинает излучать свет. В соответствии с этим различают индикаторы на светодиодах и электролюминесцентные, которые в зависимости от назначения и вида светового поля подразделяют на точечные, мнемонические, знаковые, знакосинтезирующие, матричные, а также полупроводниковые шкалы.
Точечными индикаторами являются отдельные светодиоды или небольшие ячейки с люминофорным покрытием. При прохождении тока через р-п переход светодиода или через кристалл люминофорного покрытия ячейки появляется светящаяся точка.
Мнемонические индикаторы имеют сплошное светящееся поле обычно в виде прямоугольников н используются в светящихся технологических схемах, называемых мнемоническими.
Знаковые индикаторы состоят из отдельныхсве- :.тодиодов или кристаллов люминофора и высвечивают очерта- ; .ния знаков ”+”, ”-” и др..
Знако синтезирующие ин дикато ры состоят из нескольких р-п переходов или кристаллов люминофора, расположенных в одной плоскости по контурам изображения знаков в виде сегментов. При подаче напряжения на выводы соответствующих сегментов высвечиваются соответствующие знаки или буквы.
Матричные индикаторы представляют собой плоскости с большим количеством регулярно расположенных и соединенных между собой точечных светодиодов или люминес- 171
центных ячеек. При подаче напряжения на выводы светодиодов в определенной комбинации высвечиваются буквы и цифры или графическая информация.
Полупроводниковые шкалы выполняются в виде одного или нескольких полупроводниковых р-п переходов, расположенных в одной плоскости, и имеют управляемую геометрию светящегося поля (рис. 80). Область 4, обладающая электропроводностью и+-типа, выполняется низкоомной, а область 3 р-типа — высокоомной. При подаче напряжения потенциалы всех точек п+-области одинаковые, а в p-области распределяются неравномерно и зависят от напряжения на управляющем электроде 2. Чем больше управляющее напряжение, тем большая часть поля шкалы светится. Таким образом, длина светящейся части поля линейно зависит от напряжения управления.
Свет является электромагнитными колебаниями очень высокой частоты. Так как человеческий глаз реагирует только на световые колебания, лежащие между ультрафиолетовой и инфракрасной областями светового спектра, свечение индикаторов должно соответствовать этой части спектра.
В связи с тем что свет возникает внутри структуры полупроводниковых источников, отдельные ее элементы должны быть прозрачными, а некоторые прозрачные элементы — электропроводными.
При распространении света внутри прибора происходит его поглощение, преломление и отражение. Поглощение света зависит от свойств полупроводниковой структуры и физических явлений, происходящих в ией. Так, частично свет поглощается материалом, используемым в качестве связующего при изготовлении электролюминесцентных индикаторов. Преломление и отражение света происходят при переходе им границ раздела областей, обладающих различными оптическими свойствами.
/2^"Р
Рис. 80. Полупроводниковая шкала с управляемой геометрией светящегося поля:
1 - омические контакты, 2 - управляющий электрод, 3, 4 - р- и л+-области
Все это необходимо учитывать при создании различных индикаторов.
Цвет изображения значительно влияет на эффективность восприятия глазом световой информации. Так как цвет свечения полупроводниковых источников света зависит от материалов, из которых они изготовлены, выбор материала определяется необходимым цветом свечения.
Человеческий глаз — очень чувствительный орган и может реагировать на свет малой интенсивности. Однако систематическое наблюдение источников малой интенсивности утомляет зрение, поэтому индикаторы должны светиться достаточно интенсивно. В то же время очень яркое свечение вызывает ’’ослепление”, поэтому в некоторых индикаторах предусматривают светорассеивающие элементы.
Особенностью зрительного восприятия является возможность различать по отдельности расположенные рядом точечные источники только с определенного расстояния (при определенных углах зрения). При увеличении расстояния эти источники воспринимаются как один, и изображение, получаемое на матричном индикаторе, воспринимается как единое целое.
ИЗГОТОВЛЕНИЕ ИНДИКАТОРОВ НА СВЕТОДИОДАХ
Полупроводниковые светодиоды излучают свет в результате рекомбинации неравновесных носителей — дырок и электронов — при прохождении через р-п переход прямого тока. Освободившиеся при рекомбинации кванты энергии — фотоны — представляют собой свет, длина волны излучения которого зависит от ширины запрещенной зоны полупроводника. Для создания устройств отображения информации выбирают полупроводники, имеющие большую ширину запрещенной зоны.
Излучающие свет р-п переходы называют светоизлучающими, а приборы, содержащие такой р-п переход, — светоизлучающими диодами или светодиодами. Светодиоды используют в качестве простейших индикаторов и создают из них более сложные индикаторы.
Полупроводниковый светодиод с плоской «-областью показан на рис. 81, а. Излучение света р-п переходом происходит через «-область. Омические контакты б и 2 соответственно расположены на поверхностях р- и «-областей 5 и 3 перехода. Свет распространяется через окно 1, образуемое омическим контактом 2. Поскольку распространение света происходит из оптически более плотной среды в оптически менее плотную, все лучи, которые попадают на границу под углом, большем угла пол- 173
K^iK^iW///////////Z'<W///////////Z'<Рис. 81. Полупроводниковые светодиоды:а — с плоской «-областью, б — с плоской «-областью и полусферическим покрытием, в — с полусферической «-областью; 1 — окно, 2, б - омические контакты, 3, 5 - «• и р-области, 4 - светоизлучающий р-п переход, 2 - светопропускающий компаундРис. 81. Полупроводниковые светодиоды:а — с плоской «-областью, б — с плоской «-областью и полусферическим покрытием, в — с полусферической «-областью; 1 — окно, 2, б - омические контакты, 3, 5 - «• и р-области, 4 - светоизлучающий р-п переход, 2 - светопропускающий компаунд
K^i
K^i
W///////////Z'<
W///////////Z'<
Рис. 81. Полупроводниковые светодиоды:
а — с плоской «-областью, б — с плоской «-областью и полусферическим покрытием, в — с полусферической «-областью; 1 — окно, 2, б - омические контакты, 3, 5 - «• и р-области, 4 - светоизлучающий р-п переход, 2 - светопропускающий компаунд
Рис. 81. Полупроводниковые светодиоды:
а — с плоской «-областью, б — с плоской «-областью и полусферическим покрытием, в — с полусферической «-областью; 1 — окно, 2, б - омические контакты, 3, 5 - «• и р-области, 4 - светоизлучающий р-п переход, 2 - светопропускающий компаунд
ного внутреннего отражения, возвращаются в «-область. В результате этого, а также из-за экранирования верхним электродом световая отдача светодиодов мала.
Более высокую световую отдачу имеют светодиоды с плоской «областью и полусферическим покрытием из светопропускающего компаунда (рис. 81, б). Так как оптическая плотность компаунда 7 больше, чем «области, весь свет, излученный переходом, попадает в область покрытия. Геометрически покрытие выполняют так, чтобы угол падения любого луча был меньше угла его полного внутреннего отражения. Таким образом, весь световой поток диода излучается в окружающее пространство. Интенсивность свечения таких светодиодов на порядок больше, чем светодиодов без полусферического покрытия.
Для увеличения светоотдачи «область выполняют также в виде полусферы (рис. 81, в). В этом случае все световые лучи, генерируемые р-п переходом, попадают на границу раздела под углом, меньшим угла полного внутреннего отражения, и излучаются. Светоотдача диода при этом максимальна. Однако технология изготовления светодиодов с полусферической «областью сложна, поэтому они дороги.
Светодиоды в основном изготовляют из арсенида и фосфида галлия, а также из твердых растворов этих соединений. Как уже отмечалось, выбор исходного материала зависит от необходимого цвета свечения. При производстве диффузионных светодиод дов исходными являются подложки из арсенида галлия «-типа, "легированные теллуром, оловом или кремнием; p-область создают диффузией цинка. Для обеспечения наибольшего светового излучения распределение примесей в р-п переходе должно быть равномерным.
Лучшие, чем диффузионные, с точки зрения эффективности светового излучения светодиоды изготовляют жидкостной эпитаксией. По этой технологии подложки из арсенида галлия «-типа, легированные кремнием, закрепляют в графитовой ло- 174
дочке, в нижней части которой находится определенное коли* честно кремния, галлия и арсенида галлия, и помещают в печь.
При нагреве лодочки эти вещества расплавляются, и кремний, • а также арсенид галлия растворяются в металлическом галлии. - При контакте расплава с подложками в течение первой вы- • " сокотемпературной части процесса (850-900 °C) происходит , замещение галлия в кристаллической решетке кремнием и об’ разуется слой n-типа. При температуре ниже 850 °C (вторая ; часть процесса) мышьяк замещается в кристаллической решетке , кремнием, в результате чего образуется слой р-типа.
. Жидкостная эпитаксия позволяет формировать на подлож- ; ках из арсенида галлия структуры, характеризующиеся равно- ‘ • мерной толщиной и однородностью р-п переходов. После формирования р-п переходов к р- и n-областям тонкопленочной тех- ■ нологией создают омические контакты, разделяют подложки на I ■ кристаллы, которые устанавливают на теплоотводы, и приваривают контакты к внешним выводам.
i Так изготовляют светодиоды из арсенида галлия, имеющие : инфракрасное излучение. Излучением в видимой области спект- [ ра обладают светодиоды, изготовляемые газофазной эпитаксией трехкомпонентных соединений GaAsP или GaAlAs. Например, [ для создания светодиодов красного свечения применяют зпи- f таксиальное наращивание на подложки из арсенида галлия моно- I кристаллических легированных слоев трехкомпонентного сое' динения GaAsP.
i Реактор установки эпитаксиального наращивания (рис. 82) 5 заключен в многозонную печь. Подложки из арсенида галлия, f закрепленные в держателе 5, помещают в рабочую камеру реак- i тора 3, через которую пропускают газообразные вещества. В Г зону смешивания III вводят отдельно арсин AsH3 и фосфин РН3
в токе водорода, а также хлориды галлия и алюминия, образующиеся при пропускании хлористого водорода над источниками галлия 7 и алюминия 2 (эти вещества находятся в жидком сос- £ тоянии).
* Процесс наращивания эпитаксиального слоя происходит при •"расходах водорода 2,5 л/мин, хлористого водорода 5 см3/мин и суммарном расходе арсина и фосфина 15 см3/мин. Темпера
;. тура в эоне I источника галлия составляет 775—800 °C, в зоне 77 источника алюминия - 790 °C, в зоне 777 смешивания — 850875 °C, а в зоне7К эпитаксиального наращивания - 725—775 °C. При таком режиме скорость роста эпитаксиального слоя равна * 0,5 мкм/мин.
।. Для получения эпитаксиального слоя n-типа в качестве I;: легирующей добавки используют селенистый водород H2Se, который вводят в зону смешивания 777 в токе водорода. Эпи-
I175
Рис. 82. Схема установки для эпитаксиального наращивания монокристаллических слоев соединения GaAlAs:1, 2, 4 - источники галлия, алюминия и цинка, 3 — реактор, 5 — держатель с подложками, 6 — выход водорода с продуктами реакций; I - зона источника галлия, II - зона источника алюминия, III - зона смешения газообразных веществ, исходных для синтеза, IV - зона эпитаксиального наращиванияРис. 82. Схема установки для эпитаксиального наращивания монокристаллических слоев соединения GaAlAs:1, 2, 4 - источники галлия, алюминия и цинка, 3 — реактор, 5 — держатель с подложками, 6 — выход водорода с продуктами реакций; I - зона источника галлия, II - зона источника алюминия, III - зона смешения газообразных веществ, исходных для синтеза, IV - зона эпитаксиального наращивания
Рис. 82. Схема установки для эпитаксиального наращивания монокристаллических слоев соединения GaAlAs:
1, 2, 4 - источники галлия, алюминия и цинка, 3 — реактор, 5 — держатель с подложками, 6 — выход водорода с продуктами реакций; I - зона источника галлия, II - зона источника алюминия, III - зона смешения газообразных веществ, исходных для синтеза, IV - зона эпитаксиального наращивания
Рис. 82. Схема установки для эпитаксиального наращивания монокристаллических слоев соединения GaAlAs:
1, 2, 4 - источники галлия, алюминия и цинка, 3 — реактор, 5 — держатель с подложками, 6 — выход водорода с продуктами реакций; I - зона источника галлия, II - зона источника алюминия, III - зона смешения газообразных веществ, исходных для синтеза, IV - зона эпитаксиального наращивания
Рис. 83. Последовательность выполнения технологических операций при изготовлении светодиода:
а - исходная подложка с р-п переходами, б - создание омических контактов, в - установка кристалла на теплоотвод и присоединение внешних выводов, г - опрессовка светорассеивающим компаундом;
1, 2 - п- и р-области, 3 - омический контакт, 4 - золотой проводник, 5 — теплоотвод, б - внешний вывод, 7 - светопропускающий компаунд
таксиальный слой p-типа получают введением из источника 4 в поток водорода паров цинка чистотой 99,999%.
Последовательность выполнения технологических операций при изготовлении светодиодов показана на рис. 83, а-г. Вначале на исходных подложках с р-п переходами (рис. 83, а) вакуумным распылением создают омические контакты 3 к п- и р-об- ластям (рис. 83, б). Затем подложки разделяют на кристаллы, которые устанавливают на теплоотводы 5 (рис. 83, в).
Кристаллы, излучающие свет с торца р-п перехода, крепят к теплоотводам р-областью 2. Поскольку толщина р-области значительно меньше толщины «-области, охлаждение р-п пере- 176
. ходов в этом случае эффективнее, чем при креплении кристал- -лов «-областью. Одновременно теплоотвод служит одним из ■ внешних выводов светодиодов. Второй внешний вывод 6 соеди- ;няют с омическим контактом и «-областью, приваривая золотой = проводник 4 диаметром 0,03 мм. Для фиксации внешних выводов и герметизации светодиодов их опрессовывают светорассеивающим компаундом 7 (рис. 83, г).
* Аналогично на подложках из фосфида галлия изготовляют : светодиоды зеленого свечения.
' Светодиоды с изменяющимся цветом свечения получают эпитаксиальным наращиванием на подложки из фосфида галлия вначале слоя фосфид — арсенид галлия, а затем фосфида галлия, формируя в них структуры. К областям каждого р-п пере- 1 хода создают омические контакты, которые соединяют с внешними выводами. При подаче напряжения на один р-п переход светодиод излучает зеленый свет, а при подаче на другой — красный.
Рис. 84. Одноразрядные полупроводниковые знакосинтезирующие индикаторы:а — бескорпусный, б — в пластмассовом корпусе; 1 - контактные площадки, 2 - светоизлучающие сегменты, 3 - подложка, 4 — выводыРис. 84. Одноразрядные полупроводниковые знакосинтезирующие индикаторы:а — бескорпусный, б — в пластмассовом корпусе; 1 - контактные площадки, 2 - светоизлучающие сегменты, 3 - подложка, 4 — выводы177177Светодиоды синего и голубого свечения выполняют в основном из селенида или оксида цинка. Трудность создания эффек- ■ тивных индикаторов этих цветов состоит в том, что в указан- , ных материалах рассмотренными методами невозможно сфор- мировать р-п перехода, поэтому применяют МОП-технологию. Недостаток таких светодиодов — очень низкий кпд. Более высо- ! кий кпд имеют светодиоды, инфракрасное излучение перехода J которых преобразуется в видимое голубое с помощью люмино- , фора, однако и их кпд примерно в 50 раз ниже, чем кпд прибо- g ров зеленого свечения.
Рис. 84. Одноразрядные полупроводниковые знакосинтезирующие индикаторы:
а — бескорпусный, б — в пластмассовом корпусе; 1 - контактные площадки, 2 - светоизлучающие сегменты, 3 - подложка, 4 — выводы
Рис. 84. Одноразрядные полупроводниковые знакосинтезирующие индикаторы:
а — бескорпусный, б — в пластмассовом корпусе; 1 - контактные площадки, 2 - светоизлучающие сегменты, 3 - подложка, 4 — выводы
177
177
Знакосинтезирующие полупроводниковые индикаторы, высвечивающие какой-либо один символ, называют одноразрядными. В зависимости от необходимого цвета свечения их изготовляют на подложках из арсенида или фосфида галлия. Светоизлучающие сегменты бескор- пусных полупроводниковых знакосинтезирующих индикаторов (рис. 84, а) представляют собой светодиоды, световое излучение которых проходит через тонкие p-области. Омические контакты к p-областям создают вакуумным напылением тонких прозрачных проводящих пленок оксидов металлов (CdO, In2 О3 ) и соединяют пленочными проводниками с контактными площадками. Омические контакты к «-областям и их соединения с контактными площадками выполняют вакуумным напылением тонких пленок металлов (например, А1). Одноразрядные бескорпусные знакосинтезирующие индикаторы используют в микросборках.
При изготовлении одноразрядных защищенных индикаторов (рис. 84, б) . сначала присоединяют внешние выводы к контактным площадкам, а затем герметизируют кристаллы, опрессовывая их светопропускающим компаундом. Тонкий прозрачный слой компаунда иа лицевой части индикаторов обеспечивает хорошую видимость светящихся сегментов.
Знакосинтезирующие индикаторы, высвечивающие несколько символов, называют многоразрядными и изготовляют по гибридной технологии из одноразрядных бескорпусных (рис. 85). Предварительно на фольгированных стеклотекстолитовых под ложках 2 фотолитографией и травлением фольги создают контактные площадки, проводники и выводы 1. Затем прикрепляют кристаллы 4 одноразрядных индикаторов, соединяя сваркой или пайкой их контактные площадки с контактными площадками подложек. Герметизируют индикаторы, закрепляя линзовую крышку 3.
г з
Рис. 85. Многоразрядный зиакосинтезирующий монолитный полупроводниковый индикатор:
1 - выводы, 2 - подложка с металлизацией, 3 - накидная линзовая крышка, 4 - кристалл
178
Гибридные знакосинтезирующие индикаторы герметизируют также либо в полых керамических корпусах или держателях со свето рассеивающими светопроводами, либо в стеклянных корпусах с воздушным зазором между кристаллом и корпусом.
Многоразрядные монолитные полупроводниковые индикаторы (рис. 86, a-в") изготовляют, как одноразрядные, но на одной полупроводниковой подложке формируют группы сегментов, которые при подаче напряжения высвечиваются в виде нескольких символов. Располагая сегменты в определенном порядке, можно получать на световом поле необходимое изображение. Однако при этом очень велик расход полупроводникового материала.
Рис. 86. Герметизация монолнт- ’НЫх полупроводниковых индикаторов:
- в полых керамических корпусах со стеклянной крышкой, б — свободной заливкой светопропускающим компаун- Дом, в - накидной линзовой крышкой; 1 - выводы, 2 — кристалл, 3 — проводниковый !О1ой, 4 - керамический кор- ИУс, 5, 7 - стеклянная и линзовая крышки, 6 - компаунд, 8 - Йодложка
Рис. 87. Матричный полупроводниковый индикатор отражающего типа (а), его сечение (б) и ход лучей в ячейке (в) :
’1 — кристалл светодиода, 2 — проводник из золота, 3 — контактная площадка, 4 - отражающая стеклянная пластинка, 5 - алюминиевая подложка, б — катод, 7 - светопоглощающий компаунд, 8 — анод
Монолитные индикаторы могут быть различной конструкции. В одной из них кристалл крепится в полом керамическом корпусе, на внутреннюю поверхность которого пленочной технологией нанесена схема соединений. К контактным площадкам этой схемы каким-либо методом контактирования присоединяют контактные площадки кристалла и внешние выводы. Герметизируют такие индикаторы, приклеивая стеклянную крышку (рис. 86, а).
В другой конструкции проволочные выводы от кристалла приваривают к внешним выводам и заливают индикатор светопропускающим компаундом (рис. 86, б).
В третьей конструкции кристалл крепят на керамической подложке с предварительно нанесенными вакуумным напылением пленочными проводниками и контактными площадками. Сначала к контактным площадкам приваривают проволочные выводы от кристалла, а затем присоединяют внешние выводы. Герметизируют такие индикаторы, приклеивая к подложке линзовую крышку (рис. 86, в).
Матричные полупроводниковые индикаторы отражающего типа изготовляют по гибридной технологии (рис. 87, а, б). При этом на подложку 5 из алюминия с диэлектрическим покрытием напыляют проводники, предназначенные для крепления катодов 6, и контактные площадки 3, служащие для присоединения анодов 8 светодиодов. Кроме того, на эту подложку черным светопоглощающим компаундом крепят отражающую стеклянную пластинку 4, в окна которой приваривают кристаллы 1 светодиодов. Затем приваривают аноды 8 золотыми проводниками 2 к контактным площадкам 3. При подаче напряжения диод начинает светиться. Ход лучей света в ячейке такого индикатора показан на рис. 87, в.
ИЗГОТОВЛЕНИЕ ЭЛЕКТРОЛЮМИНЕСЦЕНТНЫХ ИНДИКАТОРОВ
Принцип действия электролюминесцентных индикаторов основан на электролюминесценции — излучении света некоторыми кристаллическими веществами под воздействием электрического тока. Поглощая энергию, такие кристаллы излучают свет. Вещества, способные люминесцировать под действием тока, называют электролюминофорами. Это полупроводники с большой шириной запрещенной зоны (например, сульфид цинка).
Для возникновения люминесценции необходимо создать большую напряженность электрического поля в части объема кристалла люминофора или на его краю. Остальной объем служит балластным сопротивлением и не дает развиться пробою, 180
защищая кристалл люминофора от разрушения. Поэтому при изготовлении электролюминесцентных индикаторов слой люминофора должен быть тонким, а сопротивление — достаточно большим, чтобы он не нагревался выше допустимой температуры при прохождении тока.
i Электролюминесценция возникает при возбуждении кристаллов как постоянным, так и переменным полем. Более интенсивно излучают свет электролюминесцентные индикаторы, питаемые переменным напряжением частотой около 30 гКц.
. Тонкопленочные ячейки электролюминесцентных индикаторов (рис. 88) изготовляют на прозрачных стеклянных подложках 3, которые перед вакуумным напылением тонких пленок тщательно обезжиривают и очищают. Затем напыляют тонкий (около 0,2 мкм) прозрачный электропроводящий слой оксида металла (CdO или 1п2О3), который служит одним из электродов. Активный слой люминофора имеет толщину около 0,5 мкм и выполняется из сульфида цинка с добавлением марганца для величения яркости свечения. Активный слой защищают с обеих торон диэлектрической пленкой 3 нитрида кремния Si3N4, :оторую наносят реактивным катодным распылением. Поверх той пленки осаждают проводящий слой, служащий вторым лектродом. Обычно вторые электроды злектролюминесцент- ых индикаторов выполняют в виде общего непрозрачного электрода 1.
. При подаче переменного напряжения на электроды индика- ор начинает светиться. Цвет излучения зависит от добавок, соторые вводят в люминофор, и может быть синим, зеленым,
желтым или красным.
j Более прогрессивной является технология изготовления электролюминесцентных индикаторов на гибких, например Полиимидных, пленках. Такие индикаторы имеют малые тол
Рис. 88. Тонкопленочная ячейка электролюминесцентного индикатора:1,4- непрозрачный и прозрачный электроды, 2 — активный слой (~ 0,5 мкм), 3 — пленка нитрида кремния, 5 — стеклянная подложкаРис. 88. Тонкопленочная ячейка электролюминесцентного индикатора:1,4- непрозрачный и прозрачный электроды, 2 — активный слой (~ 0,5 мкм), 3 — пленка нитрида кремния, 5 — стеклянная подложкащину и массу, а структура их ячеек такая же, как у люминесцентных ячеек на стеклянных подложках.
Рис. 88. Тонкопленочная ячейка электролюминесцентного индикатора:
1,4- непрозрачный и прозрачный электроды, 2 — активный слой (~ 0,5 мкм), 3 — пленка нитрида кремния, 5 — стеклянная подложка
Рис. 88. Тонкопленочная ячейка электролюминесцентного индикатора:
1,4- непрозрачный и прозрачный электроды, 2 — активный слой (~ 0,5 мкм), 3 — пленка нитрида кремния, 5 — стеклянная подложка
Изображения, высвечиваете электролюминесцентными Индикаторами, зависят от положения и конфигурации прозрач- Hbix электродов. Прозрачные Электроды ячеек злектролюми- есцентных мнемонических ин-
[каторов выполняются в виде [лошной пленки, поэтому их етовое поле представляет со-
бой сплошной прямоугольник, а знакосинтезирующих — в виде сегментов, при подаче напряжения на которые высвечиваются изображения знаков.
Электролюминесцентные индикаторы также могут быть одноразрядными и многоразрядными. Многоразрядные изготовляют на одной подложке или объединением нескольких одноразрядных по гибридной технологии. Герметизируют электролюминесцентные индикаторы в пластмассовых или стеклянных корпусах.
При герметизации в пластмассовых корпусах (рис. 89, а) для соединения элементов корпуса со стеклянной крышкой применяют органические герметики. Однако вследствие различных температурных коэффициентов линейного расширения пластмассы и стекла такая герметизация не обеспечивает защиту от влаги.
Лучшие результаты дает герметизация индикаторов в стеклянные корпуса с воздушным зазором между слоем люминофора и приклеиваемой стеклянной крышкой (рис. 89, 6). При этом стеклянную подложку 2 с нанесенными на нее тонкопленочными электролюминесцентными ячейками крепят в корпусе 7 и соединяют проводниками б в виде пленки, нанесенной на внутреннюю поверхность корпуса, электроды с внешними выводами 4. Такой способ герметизации позволяет отказаться от нанесения защитных слоев на люминофор, что повышает светотехнические показатели индикаторов.
Рис. 89. Герметизация электролюминесцентных индикаторов в пластмассовый (с) и стеклянный (6) корпуса:
1, 7 - пластмассовый и стеклянный корпуса, 2 - стеклянная подложка с прозрачными электродами и люминофором, 3 — элементы крепления, 4 — выводы, 5 - непрозрачный электрод, 6 - пленочный проводник, 8 - наружное стекло, 9 - свободное пространство
Л* КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
. ;/1. Какие устройства используют для отображения информации?
!2. Из каких материалов изготовляют светодиоды?
Какова технология изготовления светодиодов из арсенида гал-
'лия?
)4. Из каких материалов изготавливают электролюминесцентные
[индикаторы?
15. От чего зависит цвет свечения светодиодов и электролюминесцент-
;ных индикаторов?
Как герметизируют светодиоды и электролюминесцентные инди- ' каторы?
ГЛАВА СЕДЬМАЯ
ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВОЙ И МИКРОЭЛЕКТРОННОЙ ТЕХНОЛОГИИ
§ 32. ОСНОВНЫЕ ТЕНДЕНЦИИ
, Основными тенденциями развития полупроводниковой и [ Микроэлектронной технологии являются:
' расширение использования кремния в качестве основного материала, а также применение других полупроводников;
разработка новых конструкций полупроводниковых при* боров и ИМС, обладающих большими мощностью, граничной час- 1ТОТОЙ и способностью выдерживать высокие напряжения;
создание новых устройств функциональной микроэлектроники;
совершенствование систем автоматизированного проектирования ИМС, освоение новых технологий, обеспечивающих дальнейшее увеличение плотности компоновки элементов ИМС, их быстродействия и уменьшения потребляемой мощности; ; создание роботизированного и автоматического технологи; ческого оборудования высокой производительности.
В настоящее время основным материалом в производстве ИМС является кремний, обладающий уникальными электрофизическими свойствами. В ближайшие десятилетия его ведущее положение в микроэлектронике и полупроводниковой технологии не изменится. Однако малая подвижность носителей зарядов в кремнии не позволяет создавать на его основе прнбо- ры высокого быстродействия. Поэтому применяют арсенид и фосфид галлия и другие соединения. Арсенид галлия обладает । значительной подвижностью носителей зарядов, что позволяет .Изготовлять из него приборы СВЧ и быстродействующие ИМС
(например, ультра БИС). Между тем широкое применение арсенида галлия ограничивается такими технологическими трудностями, как получение материала высокой чистоты и структурного совершенства, а также пластин большого диаметра, отсутствие надежных методов осаждения на их поверхности прочных оксидных или других диэлектрических пленок.
Недостатком наиболее распространенных в настоящее время способов изготовления ИМС, при которых основным методом формирования рисунков структур служит фотолитография, является большая зависимость качества и процента выхода годных изделий от чистоты и химического состава окружающей среды. Капельное нанесение на подложки слоев фоторезиста, их экспонирование и обработка в открытых ваннах, а также другие процессы обработки в условиях постоянного соприкосновения с атмосферой ухудшают качество изготовляемых изделий.
Оборудование технологических ’’чистых комнат”, ужесточение требований вакуумной гигиены и другие мероприятия способствуют производству качественных ИМС, размеры элементов которых составляют 2—5 мкм. Для изготовления ИМС с элементами меньших размеров этого недостаточно, поэтому необходимо создание вакуумных технологических линий.
Поскольку такие операции с использованием жидкостей, как нанесение слоев фоторезиста, травление пленок, промывка, выполняться в вакууме не могут, применяют ’’сухую технологию”. При этом трудно управляемое жидкостное удаление остатков фоторезиста заменяется, например, управляемой ’’сухой” плазмохимической обработкой. Для ’’сухой технологии” созданы технологические модули, имеющие однотипные стыковочные узлы, отличающиеся лишь конструкцией средств технологического воздействия и подсоединяемые к единой вакуумной транспортной магистрали. Это позволяет обрабатывать подложки в контролируемой среде, уменьшает количество вносимых в формируемые структуры загрязнений и повышает качество выпускаемых изделий. Так как операции ’’сухой технологии” легко управляемы, возможно создание автоматизированных и автоматических линий.
Основным направлением развития технологии изготовления ИМС с элементами субмикронных размеров является применение сверхвысоковакуумных технологических установок, на которых выполняются операции молекулярно-лучевой эпитаксии и ионно-лучевого осаждения для формирования сложных структур.
Совершенствование методов и средств контроля является важным направлением развития современной технологии. Традиционные методы визуального (с помощью микроскопа) 184
I .контроля чистоты поверхности подложек и точность их совме- В.щения с фотошаблонами, а также зондовый контроль электри- г ческих параметров структур оказываются при изготовлении К БИС и СБИС недостаточными. При этом возникает необходи- I мость контроля среды, обрабатываемых подложек и нанесенных | на них пленок более ’’тонкими” методами. Так, при подготов- I ке подложек необходимо контролировать химический состав ь неоднородностей на их поверхностях и посторонних микровклю- f чений. Например, при окислении поверхности кремниевых под- г ложек контролируют однородность состава осажденной оксид- Ь. ной пленки по толщине, состав химических соединений в погра- | ничном слое кремний — диоксид кремния, а при формировании I структур определяют химический состав загрязнений на их по- | верхности.
I § 33. НОВЫЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ
Г И КОНСТРУКТИВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ
[ Как уже отмечалось, одним из направлений совершенство- । вания полупроводниковых приборов и ИМ С является повыше- L ние их граничной частоты и мощности. В настоящее время | осваивается производство транзисторов в основном из арсенида К галлия, граничная частота которых достигает 200 ГГц. Разрабо- I тайная технология достаточно совершенна и позволяет наладить | крупносерийный выпуск таких приборов.
| Как известно, граничная частота транзисторов в большой | степени определяется подвижностью носителей зарядов в полу- | проводнике. Большую, чем арсенид галлия, подвижность заря- Е дов имеют сложные полупроводники. Перспективным является 1 также фосфид индия InP. Исследованиями установлено, что по- F левые транзисторы с затвором Шотки (ПТШ), выполненные из I фосфида индия, обладают большей мощностью, чем аналогичные Г приборы из арсенида галлия.
I Экспериментальные работы по повышению граничной часто- | ты ПТШ из арсенида галлия показали, что при длине затвора [ 0,25 мкм и ширине 0,75 мкм их максимальная частота усиле- [ Ния превышает 100 ГГц. Вследствие малой ширины затвора та- | кие транзисторы могут усиливать сигналы, мощность которых Г не превышает нескольких милливатт. Для создания ПТШ из ар- । сенида галлия может быть использована ионная имплантация, ' эпитаксиальное наращивание из газовой фазы или молекуляр- ■ но-лучевая эпитаксия.
Для серийного производства транзисторов, предназначенных . для работы в диапазоне миллиметровых волн, в настоящее ■ время наиболее применимо эпитаксиальное наращивание слоев
из газовой фазы. Перспективной для создания таких приборов является молекулярно-лучевая эпитаксия, при которой можно с высокой точностью контролировать толщину выращиваемых слоев, а также уровень их легирования. Формировать структуры полевых транзисторов с затвором Шотки длиной 0,2—0,5 мкм целесообразно электронно-лучевой литографией.
Для работы в диапазоне миллиметровых волн разработаны полевые транзисторы с затвором Шотки, имеющие гетеропереход (ГСП ПТШ). Для создания таких переходов полупроводник с большой шириной запрещенной зоны (например, соединение GaAs—AlAs) сильно легируют, а с малой не легируют. Вследствие высокой подвижности носителей зарядов максимальная частота усиления таких транзисторов может достигать 200 ГГц, но их структура и соответственно технология изготовления значительно сложнее, чем ПТШ. Серийное производство ГСП ПТШ возможно лишь при освоении технологии нанесения хорошо контролируемых по основным электрофизическим параметрам слоев сложных соединений. Наиболее перспективными при этом считают молекулярно-лучевую эпитаксию и осаждение слоев пиролитическим разложением металлоорганических соединений.
Разработка технологии изготовления высококачественных гетероструктур привела к созданию биполярных транзисторов с гетеропереходом (БТГ). Формирование гетеропереходов в полупроводниках с различной шириной запрещенной зоны позволяет повысить уровень легирования базы, что уменьшает ее сопротивление и увеличивает граничную частоту БТГ. Коэффициент усиления тока современных БТГ, созданных молекулярно-лучевой зтаксией, достигает 500, а их рабочие частоты равны 60—100 ГГц.
Новыми являются СВЧ-транзисторы с вертикальной структурой. Движение электронов в таких транзисторах происходит в плоскости, перпендикулярной плоскости подложки, а электроды стока и истока расположены друг над другом. Поскольку длина свободного пути носителей заряда зависит от толщины эпитаксиального слоя (0,1-0,2 мкм), при осаждении ее контролируют. Граничная частота этих транзисторов достигает 100 ГГЦ и они обладают большей, чем ПТШ и ГСП ПТШ, выходной мощностью. Между тем выпуск СВЧ-транзисторов с вертикальной структурой не велик, что объясняется технологическими трудностями их изготовления.
Производство тонкопленочных полупроводниковых ИМС некоторых типов обусловлено развитием телевидения и вычислительной техники: для портативных телевизоров и персональных компьютеров необходимы плоские экраны. Интегральные схемы управления плоскими экранами создают в виде матриц 186
тонкопленочных полевых транзисторов из аморфного или поликристаллического кремния.
При изготовлении тонкопленочных транзисторов из аморфного кремния пленку полупроводника, а также подзатворного диэлектрика (нитрида кремния) осаждают разложением силана SiH4 при температуре 250 °C. Тонкопленочные транзисторы из поликристаллического кремния изготовляют по МОП-техноло- гии. Матрицы тонкопленочных транзисторов из аморфного кремния могут содержать более 3 • 10s элементов, а из поликристаллического — меньшее их количество. Между тем при изготовлении первых необходимо использовать дорогие плавленые оксид-кремниевые подложки, поэтому наиболее перспективны вторые.
34. УСТРОЙСТВА ФУНКЦИОНАЛЬНОЙ МИКРОЭЛЕКТРОНИКИ
■ Как уже отмечалось, при возрастании степени интеграции уменьшаются размеры элементов и расстояния между ними, снижается предельно допустимая мощность и ограничивается интервал рабочих температур ИМС. Это затрудняет их изготовление существующими технологическими методами, ухудшает показатели качества, воспроизводимость электрофизических параметров и уменьшает процент выхода годных изделий. Так, выход годных БИС третьей (К = 3) и СБИС пятой (К = 5) степеней интеграции соответственно составляет 99 и 1 %.
Этих недостатков во многих случаях лишены устройства функциональной микроэлектроники, предназначенные для усиления, интегрирования и преобразования различных сигналов, а также выполнения других функций. Принцип действия их основан на физических явлениях и процессах, происходящих в твердом теле. При этом отпадает необходимость формирования в объеме и на поверхности подложек традиционных активных и пассивных элементов. Функциональные микросхемы выполняются на основе не только полупроводников, но и сверхпроводников, сегнетоэлектриков, а также материалов, обладающйх фотопроводящими свойствами.
Рассмотрим основные направления развития функциональной микроэлектроники.
О птоэлектроника характеризуется применением устройств, которые при обработке информации преобразуют электрические сигналы в оптические и наоборот. Особенность оптоэлектронных устройств состоит в том, что их элементы связаны оптически, а электрически изолированы друг от друга. Благодаря этому обеспечивается хорошее согласование высоковольтных цепей с низковольтными.
Наибольший интерес представляют электронно-оптические приборы, в которых используются внутренний фотоэффект и люминесценция. Замена в традиционных электронных цепях гальванических и магнитных связей оптическими существенно уменьшает паразитные влияния как внутри ИМС, так и между ними, повышает плотность информации в каналах связи, их быстродействие и помехозащищенность.
М агнетозлектроника характеризуется использованием тонких магнитных пленок, энергия и время перемагничивания которых соответственно в 10—20 и 10—30 раз меньше, чем у ферритовых сердечников. Это позволяет создавать на таких пленках быстродействующие запоминающие устройства (ЗУ) с малой мощностью управления, логические ИМС, магнитные усилители и др.
Акустоэлектроника основана на преобразовании акустических сигналов в электрические и наоборот. Одним из наиболее перспективных направлений акустоэлектроники является использование поверхностных акустических волн, на которые можно легко воздействовать, а также управлять ими по мере необходимости на всем пути распространения вдоль линии. Технология изготовления таких линий совместима с технологией изготовления ИМС.
Примером акустоэлектронного устройства может служить резонистор (рис. 90), работающий в режиме механического резонанса. В кремниевой подложке между стоком 2 и истоком 4 имеется канал, над которым расположен затвор 3 в виде упругой балки из золота, закрепленной одним концом на подложке. На затвор подается постоянное напряжение. При подаче на входной электрод 5 переменного напряжения сигнала происходит взаимодействие полей, создаваемых постоянным и переменным
Рис. 90. Резонистор:
7 - изолирующий слой, 2 - сток, 3 - затвор, 4 - исток, 5 — входной электрод, 6 — подложка
напряжениями, в результате чего затвор начинает вибрировать. Так как при колебаниях затвора изменяется ток в цепи исток — сток, в нагрузке RH появляется переменная составляющая и происходит усиление сигнала.
Добротность резонисторов на частоте 1—45 кГц равна 100— 750. Получить такую добротность на низких частотах другими способами трудно. Промышленностью выпускаются резонисто- ры, работающие на частотах до 1 МГц.
Еще одним примером акустоэлектронного прибора является усилитель на поверхностных волнах (рис. 91), выполненный на сапфировой подложке 3 с выращенным монокристаллическим слоем 2 кремния n-типа, на который подается напряжение питания. При поступлении на вход прибора высокочастотного сигнала на поверхности подложки возникает акустическая поверхностная волна. Между n-слоем кремния и сапфировой подложкой имеется воздушный зазор, при распространении в котором поверхностная волна усиливается, и на выходе прибора снимается усиленный электрический сигнал. Такой усилитель, имеющий длину 10 мм и ширину 1,25 мм, обеспечивает усиление 30 дБ на частоте 108 МГц при потребляемой мощности 0,7 Вт. Это весьма высокие показатели.
Для исследования спектрального состава электрических сигналов используют функциональные микроэлектронные преобразователи, принцип действия которых основан на взаимодействии упругих акустических поверхностных волн с электромагнитным полем. Достоинствами этих преобразователей являются малые объем и масса. Габаритные размеры некоторых из них не превы-
Рис. 91. Акустоэлектронный усилитель: 1 — воздушный зазор, 2 — моиокристал- лический слой кремния и-типа, 3 - сапфировая подложка
Рис. 92. Принцип действия ионистора:
1 - серебряный катод, 2 - твердый электролит, 3 — ионы серебра, 4 -■ угольный анод
шают 30 X 20 X 15 мм. Анализаторы спектра, выполняющие аналогичные функции, но изготовленные на интегральных микросхемах, имеют объем на два порядка больше.
Хемотроника возникла на стыке двух направлений — электрохимии и электроники и основана на использовании физических, физико-химических и электрохимических процессов, происходящих в жидкостях или на границах их раздела. Примером хемотронного функционального устройства является ионистор, предназначенный для интегрирования (т.е. накопления) напряжения. Интегрирование напряжения в течение длительного времени является непростой задачей. Ионистор отлично выполняет эту функцию.
Ионистор (рис. 92) представляет собой твердотельный элемент из высокопроводящих твердых электролитов (например, RbAg4J5). При подключении источника входного напряжения минусом к серебрянному катоду, а плюсом к угольному аноду подвижные ионы серебра, содержащиеся в электролите, будут двигаться к катоду и оседать на нем в виде металлического серебра. При этом на аноде происходит разделение заряда, образуется двойной электрический слой и результирующее напряжение будет пропорционально амплитуде приложенного напряжения и времени его действия, т.е. равно интегралу приложенного напряжения за это время.
Достоинством ионисторов являются простота конструкции и стабильность параметров. В течение 16 месяцев они сохраняют до 97 % заряда.
Криоэлектроника основана на взаимодействии электромагнитного поля с электронами в твердых телах при их охлаждении до температуры от 80 до 0 К. В криотронных приборах используются явления сверхпроводимости, зависимости диэлектрической проницаемости некоторых диэлектриков от напряженности электрического поля и аномального увеличения подвижности носителей зарядов при температуре ниже 80 К. Высокое быстродействие небольшие размеры этих приборов позволяют создавать на их основе криотронные БИС, обладающие ничтожно малым уровнем шумов, широкой полосой пропускания (десятки гигагерц) и усилением (до 10 000).
Диэлектрическая электроника основанана эффектах, обусловленных прохождением эмиссионных токов-в неметаллических твердых телах. Приборы диэлектрической электроники удачно сочетают достоинства полупроводниковых и электровакуумных: они микроминиатюрны, имеют низкий уровень шумов и малочувствительны к изменениям температуры и воздействию радиации.
Квантовая микроэлектроника основана на
эффекте вынужденного электромагнитного излучения в полу- 1 проводниках при прохождении через них тока. Наибольший интерес представляют оптические квантовые генераторы — лазеры, 1 излучающие световые волны одинаковой частоты и применяемые, например, в оптических линиях связи. В квантовой микро, электронике все более широко применяются приборы, основан, ные на эффектах Ганна и Джозефсона.
Эффект Ганна — эго явление генерации высокочастотных колебаний электрического тока в р-п переходе при приложении ■ к нему постоянного напряжения, превышающего некоторое кри' тическое значение.
Эффект Джозефсона состоит в том, что через диэлектрическую пленку толщиной около 2 им, помещенную между двумя сверхпроводящими слоями, в условиях низких температур даже при отсутствии разности потенциалов проходит туннельный ток, которым можно управлять сравнительно слабыми внешни» ми сигналами. - .■
- Биоэлектроника основана на анализе структур и жизнедеятельности живых организмов. Так, изучая и модели- руя нервные клетки человека и животных, полученные модели 1 применяют в биоэлектронике для создания совершенных, высоконадежных, микроминиатюрных, экономичных и быстро при. способляющихся к новым ситуациям устройств вычислительной : техники.
'§ 35. ЗАКАЗНЫЕ И ПОЛУЗАКАЗНЫЕ ИМС
Интегральные микросхемы изготовляют по заказной или полузаказной технологии.
", При изготовлении заказных ИМСиспользуют • системы автоматизированного проектирования (САПР), с помощью которых разрабатывают специальную, пригодную только для создания данных ИМС схему размещения и метод формирования элементов на подложках. Одним из современных мето- г дов автоматизированного проектирования и изготовления ИМС ‘1 является метод стандартных элементов.
При этом методе, используя записанные в памяти ЭВМ различные топологии элементарных схем (расположение на подложках транзисторов, резисторов, конденсаторов и межсоединений) и их математические модели, компонуют ИМС любой сложности, а ЭВМ по специальной программе автоматически синтезирует их математические модели.
В математическое обеспечение САПР входят также программы, с помощью которых определяются основные параметры ИМС (коэффициент усиления, время задержки, выходная мощ-
191
ность и др.) и технология их изготовления. Например, по программам для всех операций разрабатывается конфигурация рисунков фотошаблонов и графопостроители ЭВМ вычерчивают их чертежи. Эта информация записывается на магнитный носитель, затем используется для изготовления фотошаблонов на автоматизированных фотонаборных генераторах изображения. Кроме того, по программам разрабатывается необходимая технологическая документация, по которой изготовляют ИМС.
Достоинством заказной технологии является хорошее использование площади поверхности кристаллов, поскольку ЭВМ выбирает наилучший вариант размещения стандартных элементов при компоновке ИМС. Заказную технологию применяют при объеме выпуска ИМС более 30 тыс. в год.
Для изготовления полузаказныхИМС используют подложки с предварительно созданными базовыми матричными кристаллами (БМК). В центре такого кристалла (рис. 93) расположена прямоугольная матрица транзисторов, необходимых для реализации одной или нескольких электронных схем и объединенных в базовые ячейки 2. В кристалле имеются каналы для вертикальных 4 и горизонтальных 3 соединительных проводников (трасс) и контактные площадки 1 для подключения внешних выводов.
Базовые ячейки могут быть вентильными и компонентны-
Рис. 93. Структура биполярного базового матричного кристалла:
1 - контактные площадки, 2 - базовые ячейки, 3 - каналы для горизонтальных трасс (второй слой металлизации), 4 — каналы для вертикальных трасс (первый слой металлизации)
Рис. 94. Нсскоммутированные резисторы (а), транзисторы (б) и частично скоммутированные транзисторы (в) компонентной базовой ячейки
ми. Вентильные представляют собой набор заранее скоммути- рованных на кристалле с помощью проводников элементов, а компонентные (рис. 94, а-в) - нескоммутированных или частично скоммутированных. Примером может служить предназначенный для создания аналоговых микросхем БМК, имеющий размеры 3,6 X 3,9 мм, в котором сформировано 1170 элементов: 60 р-и-р-транзисторов, 250 и-р-и-транзисторов, 680 резисторов и 20 конденсаторов.
При изготовлении ИМС из БМК разрабатывают схему коммутации элементов, соединяют их, проверяют схему и выполняют герметизацию.
Многие БМК собраны в функциональные библиотеки — комплексы схемотехнических и топологических описаний вариантов реализации различных логических схем — триггеров, регистров и др. Такие библиотеки обычно состоят из 50—100 наиболее часто встречающихся логических схем и используются для проектирования ИМС на основе БМК. Функциональные библиотеки БМК и современные системы автоматизированного проектирования позволяют оперативно разрабатывать принципиальные схемы и топологию ИМС.
При создании полузаказных ИМС на основе БМК вначале изготовляют фотошаблоны для нанесения первого и второго слоев металлизации, а также изолирующих слоев. Затем вакуумным распылением наносят эти слои на БМК, проводят зондовый контроль, при котором бракованные структуры с помощью специального устройства маркируются краской. Технология разделения, сборки и герметизации ИМС на основе БМК, называемых матричными БИС (МБИС), такая же, как при изготовлении ИМС других типов. Большинство БМК совместимы с другими ИМС по электрическим и конструктивным параметрам. Выпускаемые БМК имеют различные степени интегра- 7-540 193
mni, площадь, потребляемую мощность и стоимость. Поэтому при необходимости можно выбирать БМК, параметры которых наиболее соответствуют требованиям, предъявляемым к МБИС, проектируемым на их основе.
Создание полузаказных ИМ С целесообразно при выпуске менее 30 тыс. в год. Срок разработки МБИС составляет лишь 8—9 недель, тогда как при использовании метода стандартных элементов он равен 12—16 неделям.
АВТОМАТИЗАЦИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
Основным направлением интенсификации производства полупроводниковых приборов и ИМС является автоматизация технологических процессов, которая обеспечивает повышение производительности труда, качества продукции, ее коккуренто- ' способности и снижение себестоимости.
Автоматизация технологических процессов — это комплекс мероприятий по разработке и внедрению прогрессивных технологий и созданию на их основе высокопроизводительного оборудования для выполнения технологических операций без непосредственного участия человека.
Особенностью производства большинства полупроводниковых приборов и ИМС является невозможность их качественного изготовления непосредственно человеком, который физиологически нс способен осуществлять необходимые микроперемещения и микропозиционирования. Кроме того, при работе человек загрязняет технологическую зону микрочастицами одежды и органических веществ. Все это определяет направления автоматизации технологических процессов: создание комплексов технологического оборудования, работающего под управлением ЭВМ, использование роботов и манипуляторов для выполнения технологических и вспомогательных операций, а также вакуумных автоматических линий для многооперационной обработки подложек в полностью контролируемой среде.
Примером автоматизации технологического процесса с использованием ЭВМ является автоматическая линия сборки ИМС (рис. 95), которая состоит из модулей — высокопроизводительных автоматов, работающих по сигналам, поступающим с поста управления от микроЭВМ ’’Электроника”. Модули связаны между собой автоматической транспортной системой, накопители 2 которой расположены па входе и выходе, а также между группами технологических модулей одного назначения. Модули 3, 4 и 5 соответственно предназначены для монтажа кристаллов, присоединения к ним проволочных выводов и нанесения предварительной защиты. Система управления обеспечивает автомати- 194
Рис. 95. Автоматическая линия сборки ИМС:1 - модуль системы управления, 2 - накопители транспортной системы, 3 — модуль монтажа кристаллов, 4 - модуль присоединения проволочных выводов, 5 - модуль нанесения предварительной защитыРис. 95. Автоматическая линия сборки ИМС:1 - модуль системы управления, 2 - накопители транспортной системы, 3 — модуль монтажа кристаллов, 4 - модуль присоединения проволочных выводов, 5 - модуль нанесения предварительной защиты
Рис. 95. Автоматическая линия сборки ИМС:
1 - модуль системы управления, 2 - накопители транспортной системы, 3 — модуль монтажа кристаллов, 4 - модуль присоединения проволочных выводов, 5 - модуль нанесения предварительной защиты
Рис. 95. Автоматическая линия сборки ИМС:
1 - модуль системы управления, 2 - накопители транспортной системы, 3 — модуль монтажа кристаллов, 4 - модуль присоединения проволочных выводов, 5 - модуль нанесения предварительной защиты
ческую адресацию отрезков металлической ленты в соответствии с последовательностью выполнения операций сборки.
Так как разработка новых ИМС в некоторых случаях продолжается всего несколько месяцев, технологическое оборудование должно легко переналаживаться. Модуль 1 системы управления рассматриваемой линии обеспечивает возможность ее гибкой переналадки на сборку различных типов ИМС.
Для упрощения эксплуатации линии предусмотрены контроль настройки и состояния ее технологических модулей, а также выдача на дисплей поста управления инструкций оператору по их переналадке на выпуск запланированной партии изделий. Кроме того, при работе линии автоматически контролируется правильность функционирования технологического вспомогательного оборудования и выдается соответствующая оперативная информация, что обеспечивает быстрое определение и устранение неисправностей.
Операции электронолитографии, ионной имплантации, плазмохимического травления резиста, ионно-плазменной обработки и вакуумного нанесения пленок выполняются на вакуумной автоматической линии (рис. 96, а}. Подложки, предварительно загруженные в кассету, из вакуумного загрузочного устройства 1 поштучно через шлюзовые устройства 2 подаются магистральным конвейером 10 в вакуумные технологические модули 3-9 для обработки в соответствии с технологическим маршру-
7*7*195
7*
7*
Рис. 96. Вакуумная автоматическая линия обработки подложек (г) и один из вариантов технологического маршрута (б) :
1,2 — вакуумные загрузочное и шлюзовое устройства, 3 - модуль электронной литографии, 4 — модуль ионной имплантации, 5 - модуль плазмо-химического травления, б - модуль отжига, 7 - модуль ионло-химического травления, 8 - модуль плазмохимического травления резиста, 9 - модуль нанесения пленки, 10 - магистральный конвейер
том (рис. 96, б). После обработки подложки поступают в кассету, которая затем извлекается из разгрузочного устройства.
При обработке подложек в полностью контролируемой среде, какой является вакуум в рабочем пространстве линии, уменьшается количество загрязнений, что повышает выход годных структур. Однако создаваемые на вакуумных автоматических линиях условия непригодны для изготовления тонкопленочных СБИС и ультра БИС.
Для реализации молекулярно-лучевой эпитаксии, ионнолучевого осаждения и других современных технологических процессов, а также поверхностно-чувствительных методов контроля созданы сверхвысоковакуумные технологические комплексы, которые являются новым поколением автоматизированных линий. Такие комплексы служат для автоматического выполнения операций очистки поверхности подложек от загрязнений и примесей, формирования тонких пленок и их металлизации, нанесения диэлектрических покрытий. Рабочие модули комплексов оснащаются манипуляторами и высокочувствительной аналитической аппаратурой (например, вторично-ионным масс-спектрометром) или другими диагностическими устройствами, позволяющими на различных стадиях формирования структур контролировать их свойства.
Сверхвысоковакуумный магистрально-модульный комп-
Рис. 97. Сверхвысоковакуумный магистрально-модульный комплекс: 1 - вакуумная транспортная магистраль, 2, 10 - загрузочный и разгрузочный модули, 3 - кассета с подложками, 4 - каретка конвейера, 5, 6, 7, 8 - модули подготовки подложек, молекулярно-лучевой эпитаксии, нанесения диэлектриков и металлизации, 9 - поперечные манипуляторы, 11 - вакуумные затворы
леке (рис. 97) оснащен вакуумной транспортной магистралью 1, связывающей через вакуумные затворы 11 загрузочный 2 и разгрузочный 10 модули, а также модули подготовки подложек 5, молекулярно-лучевой эпитаксии 6, нанесения диэлектриков 7 и металлизации 8. Поперечные манипуляторы 9 перемещают кассеты 3 из загрузочного модуля на магистраль и с магистрали — в технологические модули и обратно, а вакуумные затворы 11 позволяют поддерживать высокий вакуум в технологических модулях.
При перемещении вакуумной транспортной магистрали 1 на шаг каретки 4 передают кассеты с подложками на очередную позицию обработки, после чего одновременно срабатывают все вакуумные затворы и поперечные манипуляторы.. При этом кассета из шлюзовой камеры загрузки перемещается транспортной магистралью на первую позицию, а кассета, находящаяся на последней позиции, передается в шлюзовое разгрузочное устройство. На остальных позициях производится замена обработанных подложек вновь поданными, начинается выполнение технологических операций, в модуль загрузки поступает новая кассета, а из модуля разгрузки извлекается обработанная.
РОБОТИЗАЦИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
Автоматическую стационарную или передвижную машину, выполненную в виде исполнительного механизма — манипулятора, имеющего несколько степеней подвижности, а также 197
программируемую систему управления, предназначенную для выполнения двигательных управляющих функций, называют промышленным роботом. В производстве полупроводниковых приборов и ИМС роботы освобождают персонал от выполнения монотонных ручных операций (например, при сварке, контроле), а также служат для выполнения транспортных операций в вакуумных технологических модулях.
Существует довольно сложная классификация роботов. Применительно к технологии изготовления полупроводниковых приборов и ИМС роботы разделяют по точности манипулирования и степени воздействия на атмосферу рабочих пространств. Так, ультрапрецизионные роботы обеспечивают точность позиционирования до 0,03 мкм, прецизионные — до 5 мкм, а нормальной точности — до 0,15 мкм. По степени газо- и пылевы- деления роботы бывают вакуумные, чистые и обычные. Вакуумные роботы при работе существенно не изменяют параметров вакуума, а чистые (или ’’белые”) не ухудшают атмосферу чистых комнат; к обычным роботам не предъявляют требований по герметичности, газо- и пылевыделениям.
Ультрапрецизионные роботы служат, например, для перемещения контрольных зондов на операциях промежуточного контроля подложек, а также применяются на операциях литографии. Ультрапрецизионным чистым роботом является автоматическая установка проекционной фотолитографии ЭМ-589.
Прецизионные промышленные роботы ОЗУМ-1200МЗ (рис. 98) предназначены для микросварки внешних выводов ИМС с контактными площадками кристаллов. Так как при монтаже невозможно очень точно установить кристаллы относительно корпусов, такие роботы оснащены системой ’’машинного зрения” с телевизионным датчиком 10, позволяющим определять индивидуальное смещение и разворот кристаллов. Для обработки информации, поступающей от этого датчика, и определения координат точек, в которые должны перемещаться сварочные электроды блока микросварки 12 для точного присоединения проводников к контактным площадкам и внешним выводам ИМС, служит микроЭВМ ”Электроника-60”. Вместе с блоком управления 3 эта ЭВМ является системой управления роботом.
Робот может работать в режимах обучения и автоматическом. Работа в режиме обучения начинается с юстировки и настройки ’’машинного зрения” оператором-наладчиком. Монитор 8 позволяет оператору наблюдать картинку, находящуюся в поле зрения телевизионного датчика, а оптическая головка 13 (ОСМЭ-П2), перемещаемая механизмом 14, и проектор 11 — видеть микросхему и процесс сварки. 198
Рис. 9S. Прецизионный робот ОЗУН-12000МЗ для микросварки выводов ИМС:
1 - панель включения, 2 — устройство загрузки-выгрузки, 3, 9 - блок и панель управления, 4 - ультразвуковой генератор УЗГ-2,5, 5 - ЭВМ ”3лектроиика-60”, б, 7 - лампы сигнализации работы и аварии, 8 - монитор, 10 — телевизионный датчик, 11 - проектор, 12 — блок микросварки, 13, 14 - оптическая головка ОСМЭ-П2 и механизм ее Перемещения, 15 - стол
После юстировки ’’машинного зрения” оператор задает температуру электродов, мощность ультразвуковых колебаний, поступающих от генератора 4 (УЗГ-2,5), время присоединения и другие режимы, обеспечивающие качественное выполнение сварки, и вручную выполняет сварку. Система управления запоминает координаты всех точек сварки и последовательность выполняемых операций. В результате робот готов к работе в автоматическом режиме. При этом корпус микросхемы автоматически подается устройством загрузки—выгрузки 2 в рабочую зону, определяются координаты точек сварки, вычисляются необходимые коррекции и производится микросварка всех выводов с контактными площадками кристалла. Затем корпус извлекается из рабочей зоны блока микросварки, и цикл повторяется.
Применение роботов ОЗУМ-1200 ^3 увеличивает производительность труда и снижает брак на операции микросварки.
199
Один оператор-наладчик может обслуживать до 10 таких роботов.
В настоящее время наиболее прогрессивным является создание робототехнических комплексов (РТК) — систем, состоящих из технологических установок и роботов, которые могут функционировать автономно, выполняя многократные циклы. Как правило, современные РТК выполняются в виде легко перестраиваемых на производство новых изделий модулей, встраиваемых в технологические системы и называемых в этом случае гибкими производственными модулями (ГПМ).
Базовые конструкции гибких производственных модулей с вакуумными роботами показаны на рис. 99, а—в. Обрабатываемые подложки подаются через шлюз 1 роботом-перегрузчи- ком 3 в рабочую камеру 5, которая отсекается от его камеры 2 вакуумным затвором.
В первой конструкции ГПМ (рис. 99, а) робот-перегрузчик перемещается над расположенными по кольцу рабочими камерами. Во второй конструкции (рис. 99, б) ГПМ оснащается линейным транспортным роботом-перегрузчиком, а рабочие камеры монтируются в один—три или более рядов вдоль обслуживаемой им трассы. В третьей конструкции ГПМ (рис. 99, в) роботы-погрузчики устанавливаются у рабочих камер, смонтированных вдоль вакуумной магистрали.
В гибкой вакуумной производственной системе, состоящей из трех ГПМ (рис. 100), рабочие камеры 2 с роботом-погрузчиком 3 объединены в типовой модуль. Унифицированные вакуумные шлюзы 1 позволяют создавать из таких модулей легко
Рис. 99. Базовые конструкции (a-е) гибких производственных модулей с вакуумными роботами:
1 - шлюз, 2 - камера робота-перегрузчика, 3 - робот-перегрузчик, 4 - вакуумный затвор, 5 - рабочая камера, 6 - воздействующая среда, 7 - обрабатываемая подложка, 8 - крышка рабочей камеры, 9 - рабочая камера в положении профилактических работ
200
Рис. 100. Гибкая вакуумная производственная система:
I — шлюз, 2 — рабочая камера, 3 — робот-перегрузчик, 4 - транспортный робот-склад, 5 - вакуумный затвор в положении ’’Открыто”
перестраиваемые на выпуск новых изделий комплексы. Для исключения загрязнений в процессе изготовления ИМС их транспортирование между ГПМ осуществляют вакуумные транспортные роботы-склады 4.
Применение вакуумных роботов нормальной точности, довольно простых по конструкции и обладающих одной—тремя степенями подвижности, позволяет не только проводить технологические процессы при глубоком вакууме, но и способствуют повышению качества выпускаемых ИМС.
ИНТЕГРАЦИЯ В МИКРОЭЛЕКТРОНИКЕ
Одним из основных направлений интеграции и миниатюризации в электронике является увеличение количества элементов ИМС на единице площади в результате уменьшения их размеров. Стремление к уменьшению размеров элементов объясняется не только желанием снизить габариты и массу ИМС, а также радиоэлектронной аппаратуры, но и тем, что через активные элементы малых размеров проходят меньшие токи. Вследствие этого уменьшается потребляемая ИМС мощность, увеличиваются их быстродействие и надежность.
С 1985 г. началось промышленное производство ИМС с субмикронными размерами элементов, что значительно повышает их степень интеграции. Так, при длине канала МОП-транзисторов 0,1 мкм и минимальной-толщине слоя подзатворного диэлектрика 5 нм на кристалле площадью 1 см2 размещается 106 КМОП инверторов. Кроме того, при этом уменьшается площадь кристаллов, что позволяет формировать на подложках в едином технологическом цикле большее количество структур и соответственно снижает стоимость ИМС.
Другим направлением интеграции является создание ИМС
201
осаждением топких монокристаллических кремниевых пленок па аморфные изолирующие подложки, например из окисленного кремния. После зонной перекристаллизации получают плеики высокого качества, предназначенные для формирования элементов ИМС, размеры которых менее микрометра.
Повышению степени интеграции способствует также создание объемных или вертикальных многослойных пленочных структур. При этом сформированные структуры одного слоя соединяют пленочной металлизацией и покрывают слоем диэлектрика, на который осаждают еще одну пленку полупроводника и формируют в ней структуры, которые соединяют металлизацией второго уровня и т.д.
Перспективным направлением является разработка технологии одновременного изготовления на подложках большого количества однотипных простых структур, соединенных между собой системой перемычек, и программируемых перемычками логических схем. Зондовым контролем определяют годные структуры, адреса которых программируются логическими схемами, и соединяют эти структуры пленочной металлизацией второго уровня в соответствии со схемой создаваемого устройства (например, устройства памяти ЭВМ), а негодные или частично годные отключают пережиганием перемычек. Такие подложки не разделяют на кристаллы, а вырезают из них полученные устройства, размеры которых могут быть, например, 64X76 мм. Плотность упаковки элементов в таких устройствах весьма высока, и поскольку они имеют мало внешних выводов и проволочных соединений, их надежность во много раз выше, чем выполненных из нескольких ИМС.
Между тем повышение плотности упаковки элементов ИМС значительно усложняет технологию и увеличивает количество операций, способных привести к браку. Так, если технологии, применявшиеся в 60-х годах, состояли примерно из 40 операций, то в настоящее время количество их достигает 300 и более. Для снижения брака на разных операциях необходимо использовать все более совершенные технологические установки и контрольно-измерительные приборы, что, в свою очередь, повышает капитальные затраты. Однако увеличение процента выхода годных ИМС эти затраты компенсирует.
Следует отметить, что повышение плотности упаковки элементов ИМС и связанное с ним уменьшение их размеров имеют определенные пределы. Так, создание более 500—700 тыс. элементов на одном кристалле технологически сложно и экономически нецелесообразно, поскольку пока не существуют эффективные методы проектирования многофункциональных устройств на микросхемах такого уровня интеграции.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
Какие полупроводники используют для изготовления СВЧ-транзисторов?
Какие эффекты и процессы используются при создании устройств функциональной микроэлектроники?
Какова технология изготовления полузаказиых ИМС на основе матричных кристаллов?
Каков принцип действия вакуумной автоматической линии для производства ИМС?
Каково назначение роботов в современных производствах ИМС?
Поясните достоинства и недостатки увеличения плотности упаковки элементов ИМС.
ГЛАВА ВОСЬМАЯ
КАЧЕСТВО И НАДЕЖНОСТЬ
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ И ИМС
ОСНОВНЫЕ ПОКАЗАТЕЛИ КАЧЕСТВА И НАДЕЖНОСТИ
Качество и надежность полупроводниковых приборов и ИМС закладываются при их проектировании, обеспечиваются в процессе изготовления и поддерживаются при эксплуатации. Качество и надежность полупроводниковых приборов и ИМС зависят прежде всего от их конструкции, используемых материалов и комплектующих изделий, а также от сложности технологических процессов и стабильности их режимов. При этом определяющим является выбор технологии.
Качество изделий микроэлектроники — это совокупность свойств, обусловливающих их способность удовлетворять определенным требованиям в соответствии с назначением. Основные показатели качества полупроводниковых приборов и ИМС регламентируются Государственными стандартами. Так, ГОСТ 4.465—87 устанавливает показатели их назначения, экономного использования энергии, технологичности, стандартизации и унификации, объемно-массовые, стойкости к внешним воздействиям, надежности.
Показатели назначения характеризуют основные свойства изделий. Например, показатель ’’время включения” характеризует быстродействие прибора (ИМС), а ’’полоса пропускания” — его работоспособность в заданном диапазоне частот.
Показателями экономного использования энергии являются потребляемые мощность, ток, удельная энергоемкость.
Показателями технологичности являются выход годных из-
203
делий (%), трудоемкость изготовления 1000 изделий, коэффициенты использования дефицитных материалов и драгоценных металлов. Особенно важный показатель — процент выхода годных изделий. Это объясняется тем, что им определяется не только уровень и стабильность производства изделий но и их стоимость, а также надежность.
Показателем стандартизации и унификации является коэффициент применяемости конструкций, который характеризует процент использования в изделиях стандартизованных элементов и деталей.
Объемно-массовыми показателями являются объем, масса, удельная материалоемкость изделий микроэлектроники, а также степень их интеграции.
Показателями стойкости к внешним воздействиям являются, например, предельные значения повышенной и пониженной температуры, давления, влажности, при которых изделия сохраняют работоспособность.
Показатели надежности характеризуют свойство изделий сохранять значения установленных параметров функционирования в определенных пределах, соответствующих заданным режимам и условиям эксплуатации, хранения и транспортировки. Надежность любого устройства характеризуется следующими свойствами: безотказностью, долговечностью, ремонтопригодностью и сохраняемостью.
Безотказность — это свойство изделий сохранять работоспособность в течение требуемого времени необходимой наработки без перерывов.
Долговечность — это свойство изделий сохранять работоспособность до полного износа при эксплуатации с необходимыми для ремонта и обслуживания перерывами.
Ремонтопригодность — это возможность обнаружения,устранения и предупреждения отказов. Все изделия подразделяются на ремонтируемые (восстанавливаемые) и перемонтируемые (невоостанавливаемые). Большинство изделий микроэлектроники являются нево останавливаемыми. Бескор- пусные гибридные ИМС и БИС, а также микросборки допускают восстановление работоспособности при отказах частичной заменой компонентов.
Сохраняемость — это свойство изделий непрерывно находиться в исправном и работоспособном состоянии в течение хранения и транспортирования, а также после них.
Количественно безотказность оценивают вероятностью безотказной работы в течение определенного времени, интенсивностью отказов и средней наработкой до отказа, долговеч- 204
ность — ресурсом и сроком службы, а сохраняемость — длительностью хранения.
Вероятность безотказной работы — это вероятность того, что в течение определенного времени не произойдет отказа изделия.
Интенсивность отказов — среднее число отказов за единицу времени.
Средняя наработка до отказа — это время работы изделия, в течение которого отказы отсутствуют.
Ресурс, или срок службы — это время работы изделия до выхода его из строя.
Срок сохраняемости — это время, в течение которого изделия сохраняют свои свойства при хранении в специальных помещениях или в составе аппаратуры.
Одним из методов оценки качества полупроводниковых приборов и ИМС на этапах их производства и эксплуатации является оценка единым комплексным показателем, называемым коэффициентом качества. За высшую оценку условно принимают коэффициент качества, равный единице. Коэффициент качества определяют с учетом процента сдачи продукции с первого предъявления, претензий потребителя, процента брака, состояния технологической дисциплины и других показателей.
СТАНДАРТИЗАЦИЯ И КОНТРОЛЬ КАЧЕСТВА'
Государственные стандарты (ГОСТы) представляют собой документы, определяющие нормы, правила, методы производства, свойства конкретной продукции и т.д., и предназначены для применения в разных сферах народного хозяйства.
Способы и методы проверки различных параметров полупроводниковых приборов и ИМС определяются Государственными стандартами системы контроля качества изделий электронной техники. Оценивают качество полупроводниковых приборов и ИМС, сравнивая результаты их испытаний с требованиями стандартов.
Цель испытаний полупроводниковых приборов и ИМС — определение количественных показателей качества и надежности, получение гарантии качества и снижения возможных отказов в будущем. В ходе испытаний необходимо проверять устойчивость полупроводниковых приборов и ИМС к воздействию различных эксплуатационных факторов (климатических, механических и электрических), которые оказывают разное влияние на их работоспособность. Повышенная температура, например, приводит к нестабильности и деградации электрических параметров, потере герметичности корпусов, пониженная — к обры- 205
вам и коротким замыканиям, нарушениям механической целостности, а низкое атмосферное давление — к ухудшению условий теплообмена, перегреву и другим нежелательным последствиям.
Перечень и методы испытаний полупроводниковых приборов и ИМС на воздействие различных факторов регламентируются ГОСТ 20.57.406-81.
Испытания обычно регулярно повторяют и проводят в лабораторных или эксплуатационных условиях. В промышленности испытания, как правило, проводят в лабораторных условиях, имитируя различные воздействующие факторы с помощью специальных испытательных стендов. Испытательный стенд представляет собой устройство для установки объекта испытаний в заданных положениях, создания необходимых воздействий, управления процессом и объектом испытаний, а также получения информации.
Категории испытаний. Для контроля качества полупроводниковых приборов и ИМС проводят квалификационные, приемо-сдаточные, периодические, типовые и контрольно-выборочные испытания.
При квалификационных испытаниях определяют соответствие изделий данной новой серии полному объему требований стандартов и ТУ и готовность производства к их массовому изготовлению.
При приемо-сдаточных и с п ы т а н и я х контролируют качество каждой предъявляемой к сдаче партии изделий и по результатам принимают решение о возможности ее приемки и поставки.
Периодические испытан и я служат для периодического (в определенные сроки) контроля качества изделий и подтверждения стабильности технологического процесса их производства за контролируемый период.
Типовые испытания проводят при изменении конструкции, технологии, материалов, полуфабрикатов и компонентов, используемых при изготовлении данных изделий.
При контрольно-выборочных испытаниях определяют соответствие серийно выпускаемых изделий полному объему требований стандартов и ТУ.
Кроме того, проводят следующие испытания на надежность: на безотказность, долговечность, сохраняемость и ресурсные. Особое значение имеют так называемые технологические испытания, целью которых является своевременная отбраковка потенциально ненадежных полупроводниковых приборов и ИМС.
Виды испытаний. По характеру воздействий испытания под-
разделяют на конструктивные, электрические, механические и климатические.
При конструктивных испытаниях проверяют конструкцию полупроводниковых приборов и ИМС как в целом, так и отдельных их элементов. При этом контролируют размеры и массу изделий, их герметичность, механическую прочность выводов и соединений и др.
Механическую прочность гибких и балочных выводов приборов и ИМС контролируют испытаниями на изгиб и растяжение, а жестких — на сдвиг. Количество изгибов, прикладываемые усилия и время их действия установлены нормативно-технической документацией для каждого типа приборов и ИМС.
Испытания на герметичность в основном выполняют вакуумно-жидкостным и масс-спектрометрическим методами.
При вакуумно-жидкостном методе загерметизированные приборы или ИМС помещают в жидкость, над которой создают вакуум, и регистрируют появление пузырьков воздуха из отверстий, щелей или неплотностей в корпусах. В качестве жидкости чаще всего используют прозрачное масло, которое нагревают до температуры 120 °C. Вакуумно-жидкостный метод контроля герметичности — самый простой.
Масс-спектрометрический метод основан на обработке гелием изделий в корпусах, последующем удалении его с их поверхности и обнаружении с помощью гелиевых течеискателей при вытекании из корпуса.
Электрические испытания служат для проверки работоспособности полупроводниковых приборов и ИМС, а также стабильности их параметров в различных режимах. Работоспособность ИМС проверяют электрической или термоэлектрической тренировкой. При электрической тренировке включают изделия в электрическую схему, подавая на их выводы максимальные напряжения и пропуская максимально допустимые токи, а затем выдерживают в соответствии с ТУ определенное время. Электрические испытания проводят на специальных стендах (ИИС-1М, ИИС-3 или других), обеспечивающих контроль и регистрацию параметров по заданной программе.
При термоэлектрической тренировке изделия помещают в термокамеру и подвергают их действию максимальных напряжений и токов при определенной температуре, указанной в ТУ.
При механических испытаниях изделия проверяют на виброустойчивость и вибропрочность, ударную прочность и воздействие линейных нагрузок.
Климатические испытания включают проверки на теплоустойчивость при эксплуатации, холодоустойчивость 207
при эксплуатации и транспортировке, влагоустойчивость, устойчивость к пониженному и повышенному атомсферному давлению и воздействию морского тумана.
Производственный контроль и контроль готовых изделий. Производственный контроль является составной частью типового технологического процесса и сводится к выявлению явных дефектов, определяющих процент выхода годных изделий, и скрытых дефектов, которые снижают надежность. В обоих случаях контроль может носить как активный, диагностирующий, характер, так и пассивный. Диагностирующий контроль (диагностика) дает информацию о природе дефектов. В зависимости от его результатов вносят изменения в технологический процесс. Пассивным контролем регистрируют по принципу ’’годен — не годен’’ наличие дефекта, не вскрывая его механизма. При контроле качества по явным дефектам пассивный контроль сводится к сортировке, т.е. разделению изделий или полуфабрикатов на группы или по принципу 100%-ной проверки ’’годен — не годен”.
Следует отметить, что целью производственного контроля является не только своевременная отбраковка дефектных изделий на различных стадиях их изготовления, но и обеспечение требуемого качества. При этом можно как измерять параметры структур, сформированных при выполнении технологической операции, так и контролировать технологические режимы и параметры данной операции.
Производственный контроль подразделяют на входной, пооперационный (межоперационный) и финишный.
При входном контроле проверяют качество поступающих на данную операцию полупроводниковых материалов, металлов и диэлектриков, органических и неорганических веществ, деталей корпусов, фотошаблонов и масок, а также дискретных компонентов (для сборки гибридных ИМС).
При пооперационном контроле оценивают качество выполнения определенных операций (например, очистки поверхностей, эпитаксиального наращивания пленок, окисления, диффузии и др.). Пооперационный контроль проводят либо после выполнения технологической операции, либо в ходе ее, причем объектами его являются как изготовленные структуры, так и технологические режимы и среды.
Финишный контроль проводят по завершении определенного этапа изготовления ИМС (например, после формирования пассивных элементов гибридных ИМС, проверки функционирования полупроводниковых ИМС на неразделенной подложке и др.). На завершающем этапе производства финишный контроль совпадает с контролем качества готовых изделий.
208
Контроль готовых изделий является заключительной операцией типового технологического процесса и, кроме того, применяется при использовании изделий (например, перед установкой в аппаратуру) или их исследовании (например, при испытаниях, анализе отказов и др.).
Контролируют качество готовых полупроводниковых приборов и ИМС, измеряя их электрические параметры при нормальных условиях окружающей среды или в режимах, имитирующих условия эксплуатации. Во втором случае электрические параметры изделий измеряют при выполнении соответствующих испытаний. При этом проводят сплошной 100%-ный контроль или выборочно контролируют определенную часть изделий, статистически обрабатывая результаты.
Для повышения качества изделий на промышленных предприятиях введена Государственная приемка. Основными целями ее являются обеспечение строгого соответствия качества выпускаемых изделий ГОСТам, отраслевым стандартам, ТУ и помощь предприятиям в налаживании их изготовления.
Государственной приемкой готовых изделий занимаются представители отдела госприемки, подчиняющиеся только Государственному комитету по стандартизации. В состав подразделений Госприемки направляются специалисты высшей квалификации, которые могут не только определить истинный уровень качества выпускаемых изделий, но и установить причины возникновения дефектов, дать рекомендации по их устранению, наметить мероприятия по повышению качества.
По действующему положению изделия, не принятые Гос- приемкой, не могут быть поставлены потребителям, т.е. предприятие не может получить за них деньги и оказывается материально заинтересованным в повышении качества выпускаемых изделий. Поскольку продукция высокого качества оплачивается по более высоким ценам, прибыли предприятия, а следовательно, и фонды на жилищное строительство, премии и другие поощрения увеличиваются. Это обеспечивает материальную заинтересованность работающих в высоком качестве продукции.
Вся выпускаемая продукция регулярно проходит Государственную аттестацию качества на высшую, первую или вторую категорию. При этом качество продукции, аттестованной по высшей категории, должно соответствовать качеству лучших отечественных и зарубежных образцов. Такой продукции присваивается Знак качества на срок до 3 лет. Качество продукции первой категории должно соответствовать требованиям ГОСТа или ТУ. Продукция, аттестованная по второй и тертьей категориям качества, является морально устаревшей и подлежит снятию с производства. Предприятие некоторое время может про- 209
должать изготовлять продукцию второй категории качества, но ее цена уменьшается на 30%. Это значительно снижает прибыль предприятия и делает невыгодной дальнейшее производство такой продукции.
Для поощрения предприятия за выпуск аттестованной по высшей категории качества продукции на нее устанавливаются повышенные цены.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
Что называют качеством изделий и какими показателями оно характеризуется?
Что называют надежностью изделий и какие свойства се характеризуют?
Какой документацией регламентируются параметры полупроводниковых приборов и ИМС?
Как оценивают качество и надежность изделий микроэлектроники?
Каковы цели различных испытаний полупроводниковых приборов и ИМС?
Для чего выполняют производственный контроль?
Какие виды производственного контроля вы знаете?
ГЛАВА ДЕВЯТАЯ
ОРГАНИЗАЦИЯ ПРОИЗВОДСТВА
ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ
Прежде чем рассматривать и изучать организацию производства полупроводниковых приборов и ИМС, необходимо дать основные определения.
Производственный процесс — это совокупность всех действий людей и орудий труда, необходимых для изготовления выпускаемых изделий. Следует отметить, что в производственный процесс входят не только обработка материалов и полуфабрикатов, сборка и выпуск изделий, но и вспомогательные процессы, например подготовка производства, изготовление оснастки, ремонт оборудования, технический контроль и др.
Основой производственного процесса являются технологические процессы.
Технологический процесс — это часть производственного процесса, содержащая действия по изменению и последующему определению состояния предмета производства. 210
Технологический процесс непосредственно связан с изменением размеров, формы или свойств обрабатываемых заготовок и состоит из одной или нескольких операций.
Операция — это часть технологического процесса, выполняемая на одном рабочем месте (установке, стенде и т.д.) и состоящая из ряда действий над каждой заготовкой или группой совместно обрабатываемых заготовок. Большинство операций по изготовлению полупроводниковых приборов и ИМС выполняются на специализированных рабочих местах.
Специализированное рабочее место- это часть производственной площади, оборудованной и оснащенной для выполнения определенных операций технологического процесса и закрепленной за одним рабочим или группой рабочих, выполняющих одно задание.
Рациональная планировка рабочих мест, размещение и хранение на них инструментов, приспособлений, материалов, заготовок и деталей разрабатываются технологическими службами предприятия. Расстановка оборудования на рабочем месте и оснастка должны обеспечивать технологическую последовательность выполнения операций, экономию производственных площадей, свободный подход. Кроме того, на рабочих местах должны быть созданы условия, отвечающие современным требованиям безопасности труда, культуры производства, эргономики и эстетики.
Технологические процессы изготовления полупроводниковых приборов и ИМС делятся на заготовительные, обрабатывающие и сборочные. При заготовительных процессах, например, выполняются операции резки полупроводниковых слитков на пластины, штамповка заготовок металлических и пластмассовых деталей и др. Обрабатывающие процессы включают операции механической, химической и термической обработки полупроводниковых пластин, эпитаксиального наращивания слоев, литографии, скрайбирования и др. Сборочные процессы содержат операции присоединения к контактным площадкам кристаллов проводников и приварки их к выводам, контроля функционирования ИМС и герметизации их корпусов.
В электронной промышленности различают три основных типа производства — опытное, серийное и массовое, каждое из которых характеризуется постоянством номенклатуры изделий, специализацией рабочих мест, универсальностью применяемого оборудования и технологической оснастки, а также квалификацией рабочих.
Опытное производство характеризуется постоянно изменяющейся номенклатурой изготовляемых изделий, малым объемом их выпуска и неповторяемостью на протяжении
211
года. При этом рабочие места практически универсальны, а квалификация рабочих основных цехов не ниже 5-го разряда.
Серийное производство характеризуется ограниченной номенклатурой изделий, изготовляемых периодически повторяющимися партиями, и сравнительно большим объемом выпуска. Рабочие места частично специализированы, а квалификация рабочих соответствует 3—4-му разрядам. В зависимости от количества изделий в партии различают мелко-, средне- и крупносерийное производство.
Массовое производство характеризуется сравнительно небольшой и постоянной в течение года номенклатурой изделий, большим объемом их выпуска, высоким уровнем специализации, широким применением поточных линий, специализированного оборудования и технологической оснастки. Квалификационный уровень рабочих в основном ниже 4-го разряда.
Типом производства в значительной степени определяются виды и назначение основных цехов и участков.
ВИДЫ И НАЗНАЧЕНИЕ ОСНОВНЫХ ЦЕХОВ
И УЧАСТКОВ
Основной структурной производственной единицей предприятия являются цеха, специализироанные на выполнении однородных технологических процессов или изготовлении изделий одинакового назначения. Цеха предприятий подразделяются на основные, вспомогательные и обслуживающие и обычно состоят из нескольких производственных участков. Производственный участок — это группа рабочих мест, объединенных по видам выполняемых технологических операций. Специализация цехов и участков может быть предметной, технологической, а также подетальной.
В цехах с предметной специализацией выполняется весь комплекс технологических операций по изготовлению нескольких однотипных изделий с применением различных технологических процессов и операций (например, цех транзисторов). Предметную специализацию в основном применяют на предприятиях с массовым характером производства. В этом случае фотолитографическое, диффузионное и другое технологическое оборудование устанавливают в цепочку в соответствии с последовательностью выполнения технологических операций, что обеспечивает высокую производительность труда.
В цехах с технологической специализа- ц и е й выполняются строго определенные технологические 212
операции при изготовлении изделий любых типов. Технологическую специализацию в основном применяют на предприятиях с серийным характером производства, выделяя, например, цехи подготовки полупроводниковых материалов, химикомеханической обработки пластин, эпитаксиального наращивания пленок, окисления и диффузии, фотолитографии, сборки и др.
При подетальной специализации, внедряющейся в последнее время, отдельные предприятия специализируются на изготовлении, например, только полупроводниковых подложек или корпусов ИМС. Это позволяет полностью автоматизировать технологические процессы и значительно увеличить выпуск ИМС, а также освобождает другие предприятия от необходимости иметь соответствующие цеха.
Рассмотрим для примера схему цеха по изготовлению тонкопленочных микросборок, производственные участки которого оснащаются соответствующим оборудованием и имеют технологическую специализацию. В зависимости от требований электронно-вакуумной гигиены производственные помещения участков подразделяются по чистоте, температуре и влажности на пять классов. Наиболее жесткие требования предъявляют к помещениям первого класса.
Участок изготовления фотошаблонов размещается в помещении третьего класса по чистоте и первого по температуре и влажности. Это объясняется значительной зависимостью качества фотошаблонов от температуры и влажности.
Химико-подготовительный участок, где выполняют операции обезжиривания и очистки подложек, при которых выделяются пары химических веществ, располагается в помещении третьего класса по чистоте, температуре и влажности.
Участок фотолитографии размещается в помещении первого класса по температуре и влажности и третьего — по чистоте. Это обусловлено необходимостью обеспечения высокой точности совмещения подложек с фотошаблонами и зависимостью выхода годных структур от степени чистоты подложек и фотошаблонов.
Участок вакуумного напыления пленок размещается в помещении третьего класса по чистоте, влажности и температуре.
Участок резки подложек па кристаллы размещается в помещении пятого класса по чистоте и третьего — по температуре и влажности.
Участок сборки размещается в помещении пятого класса по чистоте и третьего — по температуре и влажности, так 213
как на этом этапе изготовления ИМС условия окружающей среды оказывают незначительное влияние на их параметры.
Участок герметизации оснащен комплектом оборудования для сварки и пайки корпусов, при работе которого выделяются различные газы, и размещается в помещении пятого класса по чистоте и третьего — по температуре и влажности.
Участок контроля, где проводят все определяемые техническими условиями виды контроля ИМС, а также участки маркировки и упаковки размещаются в обычных рабочих помещениях. Кроме того, в состав цеха входят технологическое бюро, бюро технического нормирования и контроля, а также планово-диспетчерское бюро цеха микросборок, снабжающие его технологической, нормативной и плановой документацией, оказывают технологическую помощь, осуществляют технический контроль и др.
Ремонт оборудования проводит ремонтная группа цеха. Группа технологического обеспечения отвечает за своевременную поставку в цех химических реактивов, газов и материалов. Макетный участок выполняет подготовительные работы, связанные с освоением новых изделий. Цех может также иметь участок входного контроля материалов и компонентов.
При производстве толстопленочных микросборок в цех дополнительно входят участки приготовления пасты, изготовления трафаретов и плат, подгонки параметров элементов.
ЭЛЕКТРОННО-ВАКУУМНАЯ ГИГИЕНА
И СОСТОЯНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СРЕД
Электронно-вакуумная гигиена — это система мер по устройству производственных помещений, вентиляции и отопления, применению специальной технологической одежды, а также специальные правила поведения работающих, обеспечивающие высокую чистоту в зоне выполнения технологических операций.
Необходимость поддержания в производственных помещениях высокой чистоты объясняется тем, что влага, кислоты, пыль и другие загрязнения, попавшие на подложки или полупроводниковые структуры в процессе йзготовления полупроводниковых приборов и ИМС, могут привести к появлению дефектов, что снижает их качество или выводит из строя.
Дефекты эпитаксиальных слоев определяются наличием загрязнений на исходных подложках и загрязнений,захватываемых в процессе наращивания. Загрязнения способствуют также образованию дислокаций. Основными источниками загрязнений подложек являются воздух производственных помещений и ра- 214
бочих объемов, технологические газы, реактивы, деионизованная вода.
Наиболее опасно присутствие в воздухе частиц размером менее 0,5 мкм, поскольку им свойствешю долго находиться во взвешенном состоянии и они могут оседать на подложки. Стандартом установлено следующее разделение производственных помещений и работах объемов в зависимости от максимальной концентрации частиц размером менее 0,5 мкм в 1 л воздуха: 0, 5, 35, 350, 1000, 3500, 10 000, 35 000. Операции окисления, диффузии, наращивания эпитаксиальных слоев выполняются в рабочих объемах, концентрация частиц пыли в 1 л воздуха которых составляет не более 5, а вакуумного нанесения диэлектрических и проводящих слоев — не более 35.
Наиболее важные технологические операции (например, фотолитографические) проводят в ’’чистых” комнатах, расположенных внутри рабочих помещений. Атмосфера ’’чистых” комнат должна соответствовать самым высоким требованиям электронно-вакуумной гигиены. Воздух, подаваемый в ’’чистые" комнаты, тщательно фильтруют, пропуская через волокнистые фильтры, обладающие высокой производительностью.
Работать в ’’чистых” комнатах можно только в специальной одежде, изготовленной из малопылящих материалов, и перчатках. Комплект одежды закрепляется за каждым работающим персонально. При работе в ’’чистых” комнатах следует соблюдать определенные правила (например, нельзя делать резких движений, разговаривать).
В зависимости от характера выполняемых работ в рабочих помещениях специальными установками кондиционирования воздуха круглосуточно поддерживается относительная влажность от 40 до 60% и температура 20—26 °C. Вентиляционное оборудование включается за час до начала работы. Запыленность воздуха производственных помещений контролируют 2 раза в смену не менее чем в шести точках.
Технологические газы (водород, азот, аргон, кислород и др.), поступающие в баллонах по своим характеристикам, непригодны для использования в технологических процессах, поэтому их дополнительно очищают от примесей других газов и микрочастиц. Так, водород, аргон и азот очищают от кислорода и паров воды, присутствие которых вызывает нежелательное окисление подложек при нагреве. Особо чистый водород получают диффузионной очисткой, пропуская его через мембрану из сплава палладия с серебром.
В производстве ИМС используют особо чистые жидкие реактивы, которые предварительно фильтруют для удаления посторонних микрочастиц. Деионизованную воду также приходится 215
очищать фильтрованием от микрочастиц (содержание их может быть до 300 в 1 л).
В процессе производства полупроводниковых приборов и ИМС состояние технологических сред надо постоянно контролировать, для чего применяют различные измерительные приборы. Так, размеры и объемные концентрации микрочастиц в жидких и газообразных средах определяют лазерными счетчиками ЛАМ-2 и ЛАМ-3. Эти счетчики позволяют регистрировать содержание частиц размерами больше 0,1 мкм в 1 дм3 среды.
ТРАНСПОРТИРОВКА ИЗДЕЛИЙ
В ПРОЦЕССЕ ПРОИЗВОДСТВА
Загрязнения подложек и структур могут произойти также при межоперационном транспортировании или хранении. Одновременно возможно, кроме того, окисление или другие нежелательные изменения их поверхности. Поэтому в технологических процессах предусматриваются специальные межоперационные переходы и используется технологическая тара нескольких типоразмеров. Производственную тару изготовляют из таких износостойких и негигроскопических материалов, не накапливающих и не выделяющих со временем загрязнений, как полистирол , полиэтилен, винипласт или алюминиевый сплав АМЦ. Производственная тара может быть герметизированной и негер- метизированной. Тара для фотошаблонов и светочувствительных материалов должна быть непрозрачной.
Так как в процессе изготовления или использования тара загрязняется, ее перед каждой загрузкой очищают: обезжиривают, моют и сушат. Очистка тары ветошью и щетками не допускается. Очищенную тару упаковывают в чистые сухие полиэтиленовые пакеты и в таком виде подают на рабочие места.
Керамические или полупроводниковые подложки с сформированными структурами, компоненты для гибридных схем, фотошаблоны, а также детали корпусов можно брать только пинцетом или руками, защищенными резиновыми перчатками (напальчниками) . Способы загрузки деталей в тару регламентируются технологической документацией. Время межоперационного хранения подложек также устанавливается технологической документацией. Тару с подложками хранят в пылезащищенных шкафах, а фотошаблоны, фотооригиналы и сетчатые трафареты — в таких шкафах, но обязательно в вертикальном положении.
В современных технологических линиях, представляющих собой гибкие вакуумные системы, транспортировка подложек с операции на операцию осуществляется автоматически (рис. 216
Рис. 101. Транспортировка пластин в вакуумной технологической линии:
1 - технологические модули, 2 - центральная камера, 3 — вакуумный затвор, 4 -. робот, 5, 7 - вакуумные загрузочное и разгрузочное устройства, 6 — линейный конвейер-манипулятор
101). Кассеты с подложками загружаются в вакуумное загрузочное устройство 5. Роботы 4, расположенные внутри центральных камер 2, подают подложки через вакуумные затворы 3 в обрабатывающие технологические модули 1, а затем перегружают их на линейный конвейер-манипулятор 6, соединяющий центральные камеры. Обработанные подложки поступают в кассеты, которые выгружаются разгрузочным устройством 7.
Перемещение подложек из модуля в модуль определяется технологическим маршрутом и осуществляется в полностью контролируемой среде, что резко уменьшает их загрязнения и увеличивает процент выхода годных изделий. Работа манипуляторов происходит под управлением ЭВМ.
Для транспортирования подложек между отдельными технологическими модулями гибких вакуумных производственных систем используются также вакуумные роботы-склады, снабженные типовыми вакуумными шлюзами. Через такой шлюз кассеты с подложками поступают на склад или выгружаются со склада в рабочую камеру для обработки.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
Из каких элементов состоит производственный процесс?
По какому принципу специализируют цеха предприятия?
Какова структура цеха изготовления мнкросборок?
Какие правила электронно-вакуумной гигиены надо соблюдать при изготовлении полупроводниковых изделий и ЙМС?
Каковы правила транспортирования и хранения подложек?
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Уважаемый читатель! Вы, конечно, понимаете, что в данном учебнике изложены лишь основы технологии изготовления полупроводниковых приборов и интегральных микросхем. Вместе с тем вы получили представление о современном уровне и перспективах развития важнейших направлений полупроводниковой и микроэлектронной технологии, что позволит вам овладеть выбранной профессией.
Рассмотренные в книге технологические процессы не являются единственно возможными. При изготовлении полупроводниковых приборов и ИМС различных типов применяют набор универсальных технологических операций, выполняемых в определенной последовательности. Многие из этих операций являются общими для большинства технологических процессов, которые подробно описываются во второй—десятой книгах предлагаемой серии учебных пособий.
С развитием электроники, появлением функционально более сложных и принципиально новых полупроводниковых приборов и ИМС технология их изготовления непрерывно совершенствуется и обновляется. Поэтому в практической деятельности вам следует постоянно пополнять и углублять свои знания, обращаясь к новым книгам и периодическим изданиям по специальности, перенимая опыт высококвалифицированных рабочих, осваивая передовые методы и приемы труда. Все это будет способствовать освоению вами выбранной профессии и позволит успешно выполнять сложные технологические операции при создании изделий микроэлектроники.
В добрый путь!
ПРИЛОЖЕНИЯ
Приложение 1. Параметры кремния ПараметрЗначение
Атомный номер14
Атомная масса, г 28,086
Количество валентных электронов . . . 4
Концентрация атомов, см-34,96• 10
Плотность, г/см32,328
Постоянная элементарной кристаллической решетки, нм0,543
Твердость по шкале Мосса7,0
Температура плавления, °C1417±4
Удельная теплопроводность, Вт/(см • С) 1,57
Удельная теплота плавления, Дж/г1800
Теплота возгонки (сублимации), Дж/г (18±2) -10
Температурный коэффициент линейного расширения, 1/°С (2,62±О,3)•10"6
Коэффициент преломления3,42
Относительная диэлектрическая проницаемость . . . . 12
Ширина запрещенной зоны, эВ1,115
Температурный коэффициент ширины запрещенной зоны, эВ/°С—2,3 • 10 4
Работа выхода электрона из беспримесного материала, эВ5,05±0,2
Концентрация подвижных носителей в беспримесном материале (собственная концентрация), см-3 . . 1,5- 1О10
Подвижность электронов в беспримесном материале, см2/(В - с)135О±1ОО
Подвижность дырок в беспримесном материале, см2/ (В • с) 480± 15
Приложение 2. Энергия ионизации (зВ) атомов примесных элементов в германии и кремнии
Примесный элемент
В германии
В кремнии
донора акцептора
донораакцептора
В (1)
-0,0104
-0,045
Al (1)
-0,0102
-0,057
Ga (1)
-0,0108
-0,065
Продолжение
Примесный элемент
В германииВ кремнии
донора акцепторадонораакцептора
In (1) Р(1)
As (1) Sb (1) Си (1) Си (2) Си (3) Au (1) Аи (2) Аи (3) Аи (4) Тс (1)
Sc (1)
Cd (1) Cd (2) Ag (1) Ag (2) Ag (3) Pt (1)
0,0112-0,072
0,0120-0,044
0,0127-0,049
0,0096-0,039
0,04-0,24
0,33-0,49
0,026-
0,05-0,35
0,16-0,34
0,20-0,3
0,04-
0,10
0,14___
0,05
0,16
0,13
0,29___
0,09___
0,04
рекомендуемая литература
Бер А.Ю., Минс кер Ф.Е. Сборка полупроводниковых приборов и интегральных микросхем. М., 1981.
Бочкин О.И., Брук В.А., Никифоров а-Дс и и с о в а С.Н. Механическая обработка полупроводниковых материалов. М„ 1983.
Волчкевич Л.И. Автоматизация производства электронной техники. М., 1988.
Ефимов И.Е., Козырь И.Я., Горбунов Ю.И. Микроэлектроника: Физические и технологические основы, надежность. М., 1986.
К ра с о в В.Г., Петраускас Г.Б., Чериозубов Ю.С. Тол- стоплсночпая технология в СВЧ-микроэлектронике. М., 1985.
Малышева И.А. Технология производства микроэлектронных устройств. М., 1980.
Материалы для производства изделий электронной техники, М„ 1987.
М о к с с в О.К., Романов А.С. Химическая обработка и фотолитография в производстве полупроводниковых приборов и микросхем. М„ 1985.
М о к с е в О.К. Полупроводниковые Приборы и микросхемы. М., 1987.
Моряков О.С. Сварка и пайка в полупроводниковом производстве. М., 1982.
Моряков О.С. Термические процессы в микроэлектронике. М., 1987.
Перельман Б.Л., С и д о р о в ВТ. Методы испытаний и оборудование для контроля качества полупроводниковых приборов, М„ 1986.
Предисловие 3
Введение 5
Глава первая. Полупроводниковые приборы и интегральные микросхемы 9
Основные сведения 9
Основные этапы развития микроэлектроники12
Особенности изготовления полупроводниковых приборов и ИМС 15
Технологическая документация 17
Глава вторая. Физико-химические основы технологии изготовления полупроводниковых приборов и ИМС 20
Ориентация полупроводниковых монокристаллических слитков 20
Механическая обработка полупроводниковых слитков и пластин 24
Жидкостная и сухая обработка полупроводниковых пластин 30
Эпитаксиальное наращивание полупроводниковых слоев 35
Формирование защитных и пассивирующих покрытий .39
Литография 44
Легирование полупроводниковых подложек 50
Нанесение тонких пленок 57
Глава третья. Типовые технологические процессы изготовления полупроводниковых приборов и ИМС 67
Основные сведения 67
Планарная и эпитаксиально-планарная технология изго
товления элементов ИМС 71
Технология изготовления полупроводниковых бипо
лярных ИМС с изоляцией р-п переходами . . . 77
Технология изготовления полупроводниковых биполярных ИМС с диэлектрической изоляцией 87
Технология изготовления полупроводниковых биполярных ИМС с комбинированной изоляцией 92
Технология изготовления биполярных совмещенных ИМС 99
Особенности изготовления ИМС на МДП-транзисторах 101 § 20. Технология изготовления ИМС на МОП-транзисторах 105 §21. Технология изготовления КМОП ИМС 112
Базовые технологические процессы изготовления полупроводниковых биполярных и МОП ИМС 114
Глава четвертая. Типовые технологические процессы изготовления плат гибридных ИМС, БИС и мнкросборок 123 § 23. Технология изготовления плат тонкопленочных гибридных ИМС 125
Технология изготовления плат тол сто пленочных гибридных ИМС 135
Технология изготовления плат гибридных БИС и МСБ 144
Глава пятая. Технология подгонки параметров пленочных
элементов, монтажа кристаллов, сборки и герметизации полупроводниковых приборов, ИМС и БИС 151
Подгонка параметров пленочных элементов гибридных ИМС и БИС 151
Монтаж кристаллов и присоединение выводов 155
Герметизация полупроводниковых приборов, ИМС и БИС 163
Глава шестая. Конструктивно-технологические особенности изготовления индикаторных устройств 171
Основные сведения 171
Изготовление индикаторовна светодиодах 173
Изготовление электролюминесцентных индикаторов . . 180
Глава седьмая. Перспективы развития полупроводниковой и микроэлектронной технологии 183
Основные тенденции 183
Новые технологические и конструктивные направления 185
Устройства функциональной микроэлектроники 187
Заказные и полузаказные ИМС 191
Автоматизация технологических процессов 194
Роботизация технологических процессов 197
Интеграция в микроэлектронике 201
Глава восьмая. Качество н надежность полупроводниковых
приборов и ИМС 203
Основные показатели качества н надежности 203
Стандартизация и контроль качества 205
Глава девятая. Организация производства 210
Основные сведения 210
Виды и назначение основных цехов н участков212
Электронно-вакуумная гигиена и состояние технологических сред 214
Транспортировка изделий в процессе производства . . . 216
Заключение 218
Приложения 219
Рекомендуемая литература 221
Учебное издание
Технология полупроводниковых приборов и изделий микроэлектроники
Книга 1
Козырь Иван Яковлевич, Горбунов Юрий Иванович,
Чсрпозубов Юрий Сергеевич, Пономарев Александр Сергеевич
ОБЩАЯ ТЕХНОЛОГИЯ
Заведующая редакцией С.В. Никитина. Редактор А.Ш. Долгова. Мл. редактор Т.В. Шсгаиова. Художник П.Б. Борисовский. Художественный редактор ВТ. Пасичник. Технический редактор Л.М. Матюшина. Корректор Р.К. Косинова. Оператор В.А. Фетисова.
ИБ № 7885
Изд. № ЭГ-256. Сдано в набор 24.03.89. Поди, в печать 15.08.89. Формат 84хЮ81/32. Бум. кн.-журн. Гарнитура Пресс-Роман. Печать высокая. Объем 11,76 усл. псч. л. 11,97 усл. кр.-отт. 13,22 уч.-изд. л. Тираж 30 000 экз. Зак. № 540. Цена 30 коп.
Издательство ’’Высшая школа”, 101430, Москва, ГСП-4, Неглинная ул., д. 29/14.
Набрано на наборно-пишущих машинах издательства.
Отпечатано в Ярославском полиграфкомбинате при Госкомпечати СССР. 150014, Ярославль, ул. Свободы, 97.