Курсовая: Разработка топологии и технологии изготовления ИМС
Министерство образования Украины
Запорожский государственный технический университет
Кафедра МЭиПТ
ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА
К КУРСОВОМУ ПРОЕКТУ ПО ДИСЦИПЛИНЕ ТЕХНОЛОГИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ
И ИНТЕГРАЛЬНЫХ СХЕМ
РАЗРАБОТКА ТОПОЛОГИИ И ТЕХНОЛОГИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ИМС
Разработал:
ст. гр. РП-316 А.Р. Небаба
Руководитель:
доцент В.М. Матюшин
2000
ЗАПОРОЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
Кафедра: Микроэлектроники и полупроводниковой техники
Дисциплина: Технология полупроводниковых приборов и ИС
Специальность
Курс: 4 Група: РП-316 Семестр: 8
ЗАДАНИЕ
на курсовой проект (работу) студенту
Небабе Андрею Романовичу
І.Тема проекта (работы): Разработка технологии и топологии изготовления
ИМС
2.Срок сдачи студентом законченного проекта (работы):
3.Исходные данные к проекту (работе):
электрическая принципиальная схема; минимальный размер окна в
фотошаблоне 5х5 мкм; ширина дорожки металлизации 15 мкм; размер
контактной площадки 100х100 мкм; удельное поверхностное сопротивление
базового слоя 70 Ом/кв.
4.Содержание расчетно-пояснительной записки (перечень вопросов, которые
необходимо разработать):
рассчитать размеры диффузионного резистора;
разработать топологию интегральной схемы, комплект фотошаблонов,
технологию изготовления ИС.
5.Перечень графического материала (с точным обозначением обязательных
чертежей): Технологический маршрут изготовления интегральной схемы;
Топология интегральной схемы.
6.Дата выдачи задания: ___________________________________ КАЛЕНДАРНИЙ
ПЛАН
№ Пор. Название этапов курсового проекта (работы) Срок выполнения этапов
проекту (работы) Примечание
1 Получение задания
2 Выбор темы работы
3 Изучение литературных
источников
4 Проведение расчетов и
разработка топологии
5 Разработка технологии
6 Оформление пояснительной
записки
7 Оформление графической части
8 Защита курсовой работы
Студент
.
(подпись)
Руководитель
.
(подпись) (фамилия, имя, отчество)
“______”_________________2000 г.
РЕФЕРАТ
ПЗ: 52 с., 23 рис., 11 источников.
Объект исследования – топология интегральной схемы.
Цели работы:
Рассчитать размеры диффузионного резистора;
Разработать топологию интегральной схемы;
Разработать комплект фотошаблонов;
Технологию изготовления ИС.
Разработка чертежа топологии включает в себя такие этапы: выбор
конструкции и расчет активных и пассивных элементов ИМС; размещение
элементов на поверхности и в объеме подложки и создание рисунка разводки
(коммутации) между элементами; разработку предварительного варианта
топологии, оценку качества топологии и ее оптимизацию; разработку
окончательного варианта топологии.
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ИМС, БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ, ИЗОЛЯЦИЯ P-N ПЕРХОДОМ,
ДИФФУЗИОННЫЙ РЕЗИСТОР, ТОПОЛОГИЯ, ФОТОШАБЛОН, ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ МАРШРУТ.
СОДЕРЖАНИЕ
с.
Задание на проект 2
Реферат 4
Введение 7
1 Технология изготовления элементов биполярных ИМС 8
1.1 Транзисторы типа n-p-n 8
Интегральные резисторы 10
1.3 Соединения и контактные площадки 14
1.4 Фигуры совмещения 15
1.5 Изоляция элементов 16
2 Расчет топологии диффузионных резисторов 18
3 Разработка топологии ИМС 19
4 Технологический процесс 39
4.1 Механическая обработка 40
4.2 Окисление 42
4.3 Фотолитография 44
4.4 Травление 45
4.5 Диффузия 46
4.6 Эпитаксия 48
4.7 Создание металлизации 50
4.8 Разделение пластин на кристалы 50
Выводы 51
Перечень ссылок 52
ВВЕДЕНИЕ
Эффективность производства и качество радиоэлектронной аппаратуры
зависят от научно-технического уровня ее технологии, которая должна
обеспечивать высокие параметры качества изделий. Технология интегральных
микросхем и микропроцессоров стала существенной частью современного
промышленного производства радиоэлектронной и электронной вычислительной
аппаратуры.
Вследствие сложности и многостадийности технология ИМС и МП выделилась в
самостоятельную научную дисциплину. Сегодня под технологией производства
ИМС и МП понимают совокупность технологических процессов изготовления,
контрольно-измерительных операций, а также физических, химических и
механических испытаний, осуществляемых с исходными материалами,
полуфабрикатами или отдельными электронными элементами для получения ИМС
(или МП) как законченных изделий, обладающих заданными параметрами
качества при приемлемых технико-экономических и социальных показателях.
Под производственным процессом обычно понимают ряд связанных между собой
процедур, направленных на серийный выпуск изделий. Он охватывает, как
правило, все функции промышленного предприятия: планирование,
научно-технические и конструкторские разработки, проектирование и
технологическую подготовку производства, материально-техническое и
контрольно-испытательное обеспечение процессов производства изделий,
собственно технологию изготовления изделий, упаковку, хранение и
внутризаводскую транспортировку изделий. Технологический процесс
включает в себя только технологические операции по изготовлению,
контролю и испытанию изделий, а также специальное оборудование для их
осуществления. Следовательно, технологический процесс производства
изделий является важнейшей частью производственного процесса.
Технологию ИМС и МП следует рассматривать как сложный функционально
запрограммированный комплекс, состоящий из трудовых ресурсов,
материалов, физических и химических процессов, оборудования,
транспортных линий, производственных и социально-экономических
отношений, связанных воедино целями выпуска продукции с заданными (или
приемлемыми) технике- и социально-экономическими показателями. Этот
комплекс функционирует (действует) по определенным закономерностям,
описываемым физическими, химическими, логико-математическими и
психологическими законами.
Особенностью современного развития радиоэлектроники и вычислительной
техники является непрерывная смена поколений РЭА и ЭВА, которая
базируется как на внедрении все более совершенных устройств в
аппаратуру, так и на использовании технологических методов и процессов
производства ИМС в общей технологии РЭА. Так, большие и сверхбольшие
интегральные микросхемы (БИС и СБИС), микропроцессоры на одном
кристалле, устройства на приборах с зарядовой связью (ПЗС), на
цилиндрических магнитных доменах (ЦМД), на поверхностных акустических
волнах (ПАВ), микросборки, индикаторные панели, устройства
оптоэлектроники и интегральной оптики, а также другие изделия
функциональной электроники изготавливаются с помощью методов и
процессов, которые возникли, реализуются и развиваются в технологии ИМС.
Становление производства ИМС как крупной отрасли промышленности,
изготавливающей сложные многофункциональные радиоэлектронные устройства,
привело к бурному развитию таких важнейших направлений человеческой
деятельности, как информатика, автоматика и технология управления.
1 ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ БИПОЛЯРНЫХ ИМС
1.1 ТРАНЗИСТОРЫ ТИПА N-P-N
Биполярный транзистор типа n-p-n является основным схемным элементом
полупроводниковых ИМС. Он обладает лучшими характеристиками, чем
транзистор типа p-n-p, а технология его изготовления более проста.
Остальные элементы ИМС выбирают и конструируют таким образом, чтобы они
совмещались со структурой транзистора типа n-p-n. Их изготовляют
одновременно с транзистором типа n-p-n на основе какой-либо из его
областей. Таким образом, выбор физической структуры транзистора типа
n-p-n определяет основные электрические параметры остальных элементов
микросхемы.
Наиболее широкое распространение получила транзисторная структура типа
п-р-п со скрытым подколлекторным n+-слоем (рис. 1.1). Следует обратить
внимание на то, что вывод коллектора интегрального транзистора
расположен на поверхности прибора. Это увеличивает сопротивление тела
коллектора и ухудшает характеристики транзистора в усилительном режиме
(ухудшается частотная храктеристика) и в переключающем режиме
(уменьшается эффективность переключения в режиме насыщения). Увеличение
степени легирования всего объема коллекторной области и уменьшение ее
удельного сопротивления снижают пробивное напряжение перехода коллектор
— база и увеличивают емкость этого перехода, т. е. также ухудшают
характеристики транзистора. Компромиссным решением проблемыс является
создание скрытого высоколегированного n+-слоя на границе коллектора и
подложки. Этот слой обеспечивает низкоомный путь току от активной
коллекторной зоны к коллекторному контакту без снижения пробивного
напряжения перехода коллектор-база. Конструктивно он располагается
непосредственно под всей базовой областью и простирается вплоть до
дальней от базы стороны коллекторного контакта. Толщина слоя составляет
2,5—10 мкм, удельное поверхностное сопротивление ps=10-30 Ом/кв.
Рисунок 1.1 – Конструкция интегрального транзистора типа n+-p-n
Рабочая зона транзистора начинается непосредственно под эмиттерной
зоной, и для обеспечения требуемого коллекторного тока при минимальном
последовательном падении напряжения коллекторный контакт располагают как
можно ближе к эмиттерному. Минимальные горизонтальные размеры прибора
определяются двумя основными технологическими факторами: минимально
достижимыми при фотолитографии размерами окон в окисле кремния и зазоров
между окнами, а также размером боковой диффузии под окисел. Поэтому при
проектировании транзистора следует учитывать, что расстояние между
базовой областью и коллекторным контактом должно быть значительно больше
суммы размеров боковой диффузии р-базы и n+-области под коллекторным
контактом. Назначение этой n+-области состоит в обеспечении надежного
формирования невыпрямляющего контакта алюминия к слаболегированной
n-области коллектора, поскольку алюминий является акцепторной примесью в
кремнии с растворимостью порядка 1018 атомов/см3 при температуре
формирования контакта. Уровень же легирования эпитаксиального n-слоя,
составляющего тело коллектора, равен 1015—1016 атомов/см3. Как
отмечалось, он диктуется необходимостью увеличения напряжения пробоя
перехода коллектор-база.
Расстояния между изолирующей р-областью и элементами транзистора
определяются также размером боковой диффузии. Они должны быть примерно
равны толщине эпитаксиального слоя.
При больших токах существенную роль играет эффект вытеснения тока
эмиттера, который объясняется достаточно просто. Напряжение в любой
точке эмиттерного перехода представляет собой разность внешнего
напряжения и падения напряжения в объеме базы, т. е. напряжение в
центральной части эмиттера меньше напряжения у его краев, и внешние
области эмиттера работают при больших плотностях тока по сравнению с
внутренними. Повышенная плотность тока у краев эмиттера приводит к
повышенным рекомбинационным потерям носителей заряда в этих областях и к
уменьшению коэффициента усиления транзистора В. Конструкция мощных
транзисторов должна обеспечивать максимальное отношение периметра
эмиттера к его площади. Например, целесообразно использовать узкие
эмиттеры с большим периметром.
1.2 ИНТЕГРАЛЬНЫЕ РЕЗИСТОРЫ
Резисторы ИМС формируют в любом из диффузионных слоев транзисторной
структуры (эмиттерная и базовая области), в эпитаксиальном слое
(коллекторная область) с помощью ионного легирования.
Диффузионные резисторы (ДР) изготовляют одновременно с базовой или
эмиттерной областью (рис. 1.2, 1.3, 1.4). Сопротивление ДР представляет
собой объемное сопротивление участка диффузионного слоя, ограниченного
р-n-переходом. Оно определяется геометрическими размерами резистивной
области и распределением примеси по глубине диффузионного слоя, которое,
в свою очередь, характеризуется удельным поверхностным сопротивлением
рs. Значение рs является конструктивным параметром резистора, зависящим
от технологических факторов (режима диффузии). При создании ИМС
параметры диффузионных слоев оптимизируют с целью получения наилучших
характеристик транзисторов типа n-p-n, поэтому параметры ДР улучшают не
варьированием технологических режимов, а выбором конфигурации и
геометрических размеров резистора. Конфигурации диффузионных резисторов
даны на рис. 1.5. Низкоомные (десятки ом) резисторы (рис. 1.5 а) имеют
малое отношение l/b. Форму и размеры контактов к ним выбирают такими,
чтобы сопротивление приконтактных областей было значительно меньше
сопротивления основной области резистора. Резисторы с сопротивлением от
сотен Ом до единиц килоОм в плане имеют вид, изображенный на рис. 1.5,
б, в. Здесь длина и ширина приконтактной области равны ширине резистора.
Топологию, показанную на рис. 1.5, г, д, используют для создания
высокоомных резисторов (до 20 кОм). Эти резисторы имеют сравнительно
малую ширину, размеры приконтактных областей определяются возможностями
технологии создания надежного контакта проводящих алюминиевых полосок с
полупроводниковым материалом. Еще более высокоомные резисторы (до 60
кОм) имеют форму меандра (рис. 1.5, е) или изготовляются в донной части
базовой области (пинч-резисторы, рис. 1.5, ж). Длина однополоскового
диффузионного резистора не может превышать размеров активной области
кристалла (1-5 мм), ширина ограничена минимальной шириной окна под
диффузию, определяемой возможностями фотолитографии (2,5-3 мкм), и
боковой диффузией (уход примеси под окисел равен примерно глубине
диффузионного р-n-перохода). Типичные значения сопротивления
диффузионных резисторов, которые можно получить при данном значении рs,
лежат в диапазоне 4рs
отводимой под резистор.
Рисунок 1.2 - Конструкция диффузионного резистора на основе базовой
области
Рисунок 1.3 - Поперечный разрез структуры диффузионного резистора на
основе базовой области
Максимальное сопротивление ДР на основе базовой области приблизительно
равно 60 кОм, если площадь, отведенная под резистор, не очень велика (не
более 15% от площади кристалла). Воспроизводимость номинальных значений
сопротивления обычно составляет 15-20% и зависит от ширины резистора.
Отклонения от номиналов сопротивлений резисторов, расположенных на одном
кристалле, за счет неточностей технологии имеют один и тот же знак,
поэтому отношение сопротивлений сохраняется с высокий точностью.
Аналогично, температурный коэффициент отношения сопротивлений мал по
сравнению с ТКR для отдельного резистора [(1,5-3)10-4 1/°С]. Эту
особенность диффузионных резисторов учитывают при разработке
полупроводниковых ИМС.
Рисунок 1.4 - Конструкция диффузионного резистора на основе эмиттерной
области
Рисунок 1 5 - Конфигурации диффузионных резисторов
На основе эмиттерной области формируются резисторы небольших номиналов
[3—100 Ом с ТКR= (1-2)10-4 1/°С], поскольку значение рs эмиттерного слоя
невелико.
1.3 СОЕДИНЕНИЯ И КОНТАКТНЫЕ ПЛОЩАДКИ
Соединения
Элементы ИМС электрически соединены между собой с помощью алюминиевой
разводки толщиной до 0,8 мкм. Когда в однослойной разводке не удается
избежать пересечений, применяют диффузионные перемычки (рис. 1.6). Речь
идет об изоляции двух взаимно перпендикулярных проводников, первый из
которых размещен поверх защитного окисла, второй "подныривает" под него
в виде участка n+-слоя. Этот участок имеет заметное сопротивление (3-5
Ом), вносит дополнительную паразитную емкость и занимает сравнительно
большую площадь (для него требуется отдельная изолированная область),
поэтому диффузионной перемычкой пользуются в исключительных случаях.
Диффузионные перемычки не применяют в цепях питания, в которых протекают
достаточно большие токи.
Рисунок 1.6 - Конструкция диффузионной перемычки
Контактные площадки
Контактные площадки (КП), располагаемые обычно по периферии
полупроводникового кристалла служат для создания соединений
полупроводниковой схемы с выводами корпуса с помощью золотых или
алюминиевых проволочек методом термокомпрессии. Для КП используют тот же
материал что и для создания разводки (чаще всего алюминий); КП формируют
одновременно с созданием разводки. Для предотвращения замыканий КП на
подложку в случае нарушения целостности окисла при термокомпрессии под
каждой КП формируют изолированную область (за исключением КП,
соединенных с проводниками имеющими контакт с подложкой). Конструкция КП
приведена на рис. 1.7
Рисунок 1.7 - Конструкция соединений (а) и контактной площадки (б) ИМС
1.4 ФИГУРЫ СОВМЕЩЕНИЯ
Фигуры совмещения являются вспомогательными элементами ИМС, необходимыми
для точного выполнения операции совмещения рисунка фотошаблона при
фотолитографии с рисунком ранее созданных слоев. Число фигур совмещения
на единицу меньше числа операций фотолитографии, использованных при
изготовлении ИМС (рис. 1.9). Фигуры совмещения могут иметь различную
форму (рис. 1.10, а-д).
Рисунок 1.8 - Фрагмент топологии ИМС с фигурами совмещения
Рисунок 1.9 - Варианты фигур совмещения:
а - типа «линия — линия» (линии креста на шаблоне совмещаются с линиями
креста на кристалле), б-д - с контролируемым зазором между линиями фигур
совмещения на шаблоне и на кристалле
1.5 ИЗОЛЯЦИЯ ЭЛЕМЕНТОВ
Для нормальной работы ИМС необходимо, чтобы элементы или группы
элементов были размещены в электрически изолированных друг от друга
областях. Эти области должны иметь следующие электричские и физические
свойства: напряжение пробоя изоляции более высокое, чем напряжение
питания ИМС; малую паразитную емкость, небольшие токи утечки, высокую
теплопроводность, близость коэффициента термического расширения (КТР)
изолирующей области к КТР кремния, большую радиационную стойкость, малую
площадь, отводимую под изоляцию.
Изоляция с помощью p-n-переходов
Рисунок 1.10 - Изоляция двух интегральных транзисторов с помощью
р-n-переходов
Для формирования любого элемента полупроводниковой ИМС и создания ее
конструкции обычно достаточно трех p-n-переходов и четырех слоев двух
типов электропроводности. Изоляция обеспечивается р-n-переходом между
подложкой и коллекторными обла-стями элементов ИМС (рис. 1.10). При
подаче отрицательного потенциала на подложку изолирующий переход,
смещается в обратном направлении и карманы n-типа, в которых размещены
элементы ИМС, оказываются окруженными со всех сторон областью р-типа и
изолированными друг от друга обратно смещеньыми р-n-переходами,
сопротивление которых по постоянному току велико. Характеристики
изоляции могут ухудшаться за счет паразитных емкостей и токов утечки,
особенно при работе на высоких частотах и в тяжелых эксплуатационных
условиях (повышенные температуры). Несмотря на это, метод диодной
изоляции является распространенным.
Операция изоляции элементов осуществляется групповым методом,
органически сочетается с технологией изготовления ИМС в целом и
реализуется проведением разделительной (изолирующей) диффузии на всю
глубину эпитаксиального слоя.
Эта технология позволяет получать необходимую. степень легирования
коллектора и подложки независимо друг от друга. При выборе высокоомной
подложки и не очень высокоомного эпитаксиального слоя (коллектора) можно
обеспечить оптимальные емкости перехода коллектор-база и его напряжение
пробоя. Наличие эпитаксиального слоя позволяет точно регулировать
толщину и сопротивление коллектора, которое, однако, остается достаточно
высоким (70—100 Ом). Снижение сопротивления коллектора достигается
созданием скрытого n+-слоя путем диффузии в p-подложку примеси n-типа
перед наращиванием эпитаксиального слоя.
2 РАСЧЕТ ТОПОЛОГИИ ДИФФУЗИОННЫХ РЕЗИСТОРОВ
Все резисторы изготовлены на основе базового слоя, удельное
сопротивление которого Rs=70 Ом/кв.
В схеме используются резисторы двух номиналов R=250 Ом и R=1 кОм.
Ширина резистора b=5 мкм (см. рис. 2.1).
Длина резистора определяется по формуле 2.1:
l=(R/Rs-2k)*b, (2.1)
где k – поправочный коэффициент, k=0,56
Результат: l=12 мкм и l=65 мкм для 250 Ом и 1 кОм соответственно.
Рисунок 2.1 – Диффузионный резистор
3 РАЗРАБОТКА ТОПОЛОГИИ ИМС
Основой для разработки топологии полупроводниковой ИМС являются
электрическая схема (рис. 3.1), требования к электрическим параметрам и
к параметрам активных и пассивных элементов,
конструктивно-технологические требования и ограничения.
Рисунок 3.1 – Электрическая принципиальная схема
Разработка чертежа топологии включает в себя такие этапы: выбор
конструкции и расчет активных и пассивных элементов ИМС; размещение
элементов на поверхности и в объеме подложки и создание рисунка разводки
(коммутации) между элементами; разработку предварительного варианта
топологии, оценку качества топологии и ее оптимизацию; разработку
окончательного варианта топологии. Целью работы конструктора при
разработке топологии является минимизация площади кристалла ИМС,
минимизация суммарной длины разводки и числа пересечений в ней.
Важнейшей технологической характеристикой, определяющей горизонтальные
размеры областей транзисторов и других элементов ИМС, является
минимальный геометрический размер, который может быть уверенно
сформирован при заданном уровне технологии, например: минимальная ширина
окна в окисле кремния, минимальная ширина проводника, минимальный зазор
между проводниками, минимальное расстояние между краями эмиттерной и
базовой областей и т. д.
Рисунок 3.2 - Конструктивно-технологические ограничения при разработке
топологии ИМС на биполярных транзисторах
Конструктивно-технологические ограничения, которые учитываются при
разработке топологии ИМС на биполярных транзисторах, приведены на рис.
3.2.
Минимально допустимые размеры, мкм
Ширина линии скрайбирования слоя 60
Расстояние от центра скрайбирующей полосы до края слоя металлизации или
до края диффузионной области 50 - 100
Размер контактных площадок для термокомпрессионной приварки проводников,
d1 100 x 100
Расстояние между контактными площадками, d2 70
Размер контактных площадок тестовых элементов рабочей схемы 50Х50
Ширина проводника d3:
при длине <50 мкм 4
при длине >50 мкм 5
Расстояние между проводниками d4
при длине < 50 мкм 3
при длине >50 мкм 4
Ширина области разделительной диффузии d5 4
Расстояние от базы до области разделительной диффузии d6 10
Расстояние между краем области подлегирования коллекторного контакта и
краем разделительной области d7 10
Расстояние между краем разделительной области и краем скрытого n+-слоя,
d8 10
Расстояние между краем контактного окна в окисле к коллектору и краем
базы, d9 7
Расстояние между краем контактного окна в окисле к базе и краем базы ,
d10 3
Расстояние между эмиттерной и базовой областями, d11 3
Расстояние между краем контактного окна в окисле к эмиттеру и краем
эмиттера, d12 3
Расстояние между контактным окном к базе и эмиттером, d13 4
Расстояние между базовыми областями, сформированными в одном коллекторе
9
Расстояние между эмиттерными областями, сформированными в одной базе 6
Расстояние между контактным окном к коллектору и областью разделительной
диффузии, d14 10
Размеры контактного окна к базе , d15 4 х 6
Размеры контактного окна к эмиттеру, d16 4 х 4 или
3х5
Ширина области подлегирования n+-слоя в коллекторе , d17 8
Ширина контактного окна к коллектору, d18 4
Ширина резистора, d19 5
Размеры окна вскрытия в окисле 2,5 x 2,5
Перекрытие металлизацией контактных окон в окисле к элементам ИМС, d20 2
Расстояние от края контактного окна к разделительным областям для подачи
смещения до края области разделения, d21 6
Расстояние от края контактного окна к изолированным областям n-типа для
подачи смещения до края области разделения, d22 6
Ширина диффузионной перемычки 3
Размер окна в пассивирующем окисле, d23 100 х 100
Расстияние от края окна в пассивации до края контактной площадки, d24 6
Расстояние между соседними резисторами, d25 7
Расстояние между диффузионными и ионно-легированными резисторами 4
Расстояние между контактной площадкой и проводящей дорожкой, d26 20
Ширина скрытого n+-слоя 4
Расстояние между контактными площадками тестовых элементов 40
Следует обращать особое внимание на размеры топологических зазоров, так
как при неоправданно малых их значениях ИМС или не будет
функционировать, из-за перекрытия областей структуры (например, базовой
области и области разделительной диффузии), или будет иметь искаженные
параметры за счет усиления паразитных связей между элементами. С другой
стороны, завышение размеров топологических зазоров приводит к увеличению
площади кристалла
Сущность работы по созданию топологии ИМС сводится к нахождению такого
оптимального варианта расположения элементов схемы, при котором
обеспечиваются высокие показатели эффективности производства и качества
ИМС: низкий уровень бракованных изделий, низкая стоимость,
материалоемкость, высокая надежность, соответствие получаемых
электрических параметров заданным.
К разработке топологии приступают после того, как количество, типы и
геометрическая форма элементов ИМС определены.
Количество и размеры изолированных областей оказывают существенное
влияние на характеристики ИМС, поэтому:
1) суммарная площадь изолирующих p-n-переходов должна быть минимальной,
так как их емкость является паразитной. Минимальные размеры
изолированной области определяются геометрическими размерами находящихся
в ней элементов и зазорами, которые необходимо выдерживать между краем
изолированной области и элементами и между самими элементами,
размещенными в одной изолированной области;
2) к изолирующим р-n-переходам всегда должно быть приложено напряжение
обратного смещения, что практически осуществляется подсоединением
подложки p-типа, или области разделительной диффузии p-типа, к точке
схемы с наиболее отрицательным потенциалом. При этом суммарное обратное
напряжение, приложенное к изолирующему переходу не должно превышать
напряжения пробоя;
3) диффузионные резисторы, формируемые на основе базового слоя, можно
располагать в одной изолированной области, которая подключается к точке
схемы с наибольшим положительным потенциалом. Обычно такой точкой
является контактная площадка ИМС, на которую подается напряжение
смещения от коллекторного источника питания;
4) резисторы на основе эмиттерного и коллекторного слоев следует
располагать в отдельных изолированных областях;
5) транзисторы типа п-р-п, коллекторы которых подсоединены
непосредственно к источнику питания, целесообразно размещать в одной
изолированной области вместе с резисторами;
6) транзисторы типа п-р-п, которые включены по схеме с общим
коллектором, можно располагать в одной изолированной области;
7) все другие транзисторы, кроме упомянутых в п. 5 и 6 необходимо
располагать в отдельных изолированных областях, т. е. все коллекторные
области, имеющие различные потенциалы, должны быть изолированы;
8) для уменьшения паразитной емкости между контактными площадками и
подложкой, а также для защиты от короткого замыкания в случае нарушения
целостности пленки окисла под ними при приварке проволочных выводов под
каждой контактной площадкой создают изолированную область, за
исключением контактных площадок с наиболее отрицательным потенциалом;
9) количество изолированных областей для диодов может сильно изменяться
в зависимости от типа диодов и способов их включения. Если в качестве
диодов используются переходы база-коллектор, то для каждого диода
требуется отдельная изолированная область, так как каждый катод
(коллекторная область n-типа) должен иметь отдельный вывод.
10) для диффузионных конденсаторов требуются отдельные изолированные
области. Исключение составляют случаи, когда один из выводов
конденсатора является общим с другой изолированной областью;
11) для диффузионных перемычек всегда требуются отдельные и
изолированные области.
После определения количества изолированных областей проводится их
размещение в нужном порядке, размещение элементов, соединение элементов
между собой и с контактными площадками. При этом соблюдаются следующие
правила:
1) при размещении элементов ИМС и выполнении зазоров между ними
необходимо строго выполнять ограничения (см. рис. 3.1), соответствующие
типовому технологическому процессу;
2) резисторы, у которых нужно точно выдерживать отношение номиналов,
должны иметь одинаковую ширину и конфигурацию и располагаться рядом друг
с другом. Это относится и к другим элементам ИМС, у которых требуется
обеспечить точное соотношение их характеристик;
3) резисторы с большой мощностью не следует располагать вблизи активных
элементов;
4) диффузионные резисторы можно пересекать проводящей дорожкой поверх
слоя окисла кремния;
5) форма и место расположения конденсаторов не являются критичными;
6) соединения, используемые для ввода питания, заземления, входной и
выходной выводы, необходимо выполнять в виде широких и коротких полосок,
что уменьшает паразитные сопротивления;
7) для улучшения развязки между изолированными областями контакт к
подложке следует располагать рядом с мощным транзистором или как можно
ближе к входу или выходу схемы;
8) число внешних выводов в схеме, а также порядок расположения и
обозначения контактных площадок выводов ИМС на кристалле должны
соответствовать выводам корпуса;
9) коммутация в ИМС должна иметь минимальное количество пересечений и
минимальную длину проводящих дорожек. Если полностью избежать
пересечений не удается, их можно осуществить, используя обкладки
конденсаторов, формируя дополнительные контакты к коллекторным областям
транзисторов, применяя диффузионные перемычки и, наконец, создавая
дополнительный слой изоляции между пересекающимися проводниками;
10) первую контактную площадку располагают в нижнем левом углу кристалла
и отличают от остальных по ее положению относительно фигур совмещения
или заранее оговоренных элементов топологии. Нумерацию остальных
контактных площадок проводят против часовой стрелки. Контактные площадки
располагают в зависимости от типа выбранного корпуса по периметру
кристалла или по двум противоположным его сторонам;
11) фигуры совмещения располагают одной-двумя группами в любом свободном
месте кристалла;
12) при разработке аналоговых ИМС элементы входных дифференциальных
каскадов должны иметь одинаковую топологию и быть одинаково
ориентированными в плоскости кристалла; для уменьшения тепловой связи
входные и выходные каскады должны быть максимально удалены; для
уменьшения высокочастотной связи через подложку контакт к ней следует
осуществлять в двух точках - вблизи входных и выходных каскадов.
Для обеспечения разработки эскиза топологии, принципиальная
электрическая схема с самого начала вычерчивается так, чтобы ее выводы
были расположены в необходимой последовательности. Каждая линия,
пересекающая резистор на принципиальной электрической схеме, будет
соответствовать металлизированной дорожке, пересекающей диффузионный
резистор по окислу на топологической схеме.
На этапе эскизного проектирования топологии необходимо предусмотреть
решение следующих задач: расположить как можно большее число резисторов
в одной изолированной области; подать наибольший потенциал на
изолированную область, где размещены резисторы; подать наиболее
отрицательный потенциал на подложку вблизи мощного транзистора выходного
каскада, рассредоточить элементы, на которых рассеиваются большие
мощности; расположить элементы с наименьшими размерами и с наименьшими
запасами на совмещение в центре эскиза топологии; сократить число
изолированных областей и уменьшить периметр каждой изолированной
области.
В случае если принципиальная электрическая схема содержит обособленные
группы или периодически повторяющиеся группы элементов, объединенных в
одно целое с точки зрения выполняемых ими функций, разработку
рекомендуется начинать с составления эскизов топологии для отдельных
групп элементов, затем объединить эти эскизы в один, соответствующий
всей схеме.
На основе эскиза разрабатывается предварительный вариант топологии,
который вычерчивается на миллиметровой бумаге в выбранном масштабе,
обычно 100:1 или 200:1 (выбираются масштабы, кратные 100). Топология
проектируется в прямоугольной системе координат. Каждый элемент
топологии представляет собой замкнутую фигуру со сторонами, состоящими
из отрезков прямых линий, параллельных осям координат. Придание
элементам форм в виде отрезков прямых линий, не параллельных осям
координат, допустимо только в тех случаях, когда это приводит к
значительному упрощению формы элемента. Например, если форма элемента
состоит из ломаных прямых, составленных в виде ступенек с мелким шагом,
рекомендуется заменить их одной прямой линией. Координаты всех точек,
расположенных в вершинах углов ломаных линий, должны быть кратны шагу
координатной сетки.
При вычерчивании чертежа топологии на миллиметровой бумаге принимается
минимальный шаг координатной сетки, равный 0,5 мм. Можно выбрать другой
шаг, но он должен быть кратным минимальному. Действительный (на
кристалле) размер шага координатной сетки зависит от выбранного масштаба
топологии.
При вычерчивании общего вида топологии рекомендуется использовать линии
разного цвета для различных слоев ИМС: эмиттерного - черный, базового —
красный, разделительного коллекторного — зеленый, вертикального — черный
пунктирный, скрытого — зеленый пунктирный, металлизации — желтый, окна в
окисле для контакта к элементам — синий пунктирный, окна в пассивирующем
(защитном) окисле — синий сплошной.
В процессе вычерчивания топологии для получения оптимальной компоновки
возможно изменение геометрии пассивных элементов, например
пропорциональное увеличение длины и ширины резисторов или их
многократный изгиб, позволяющие провести над резистором полоски
металлической разводки или получить более плотную упаковку элементов.
При изменении формы пассивных элементов в процессе их размещения
проводятся корректировочные расчеты. При проектировании слоя
металлизации размеры контактных площадок и проводников следует брать
минимально допустимыми, а расстояния между ними — максимально
возможными.
После выбора расположения элементов и контактных площадок, создания
рисунка разводки необходимо разместить на топологии фигуры совмещения,
тестовые элементы (транзисторы, резисторы и т. д.—приборы,
предназначенные для замера электрических параметров отдельных элементов
схемы), реперные знаки. Фигуры совмещения могут иметь любую форму из
приведенных на рис. 1. (чаще всего квадрат или крест). Причем на каждом
фотошаблоне, кроме первого и последнего, имеются две фигуры,
расположенные рядом друг с другом. Меньшая фигура предназначена для
совмещения с предыдущей технологической операцией, а большая — с
последующей. На первом фотошаблоне расположена только большая фигура, а
на последнем — только меньшая.
При разработке топологии важно получить минимальную площадь кристалла
ИМС. Это позволяет увеличить производительность, снизить
материалоемкость и повысить выход годных ИМС, поскольку на одной
полупроводниковой пластине можно разместить большее число кристаллов и
уменьшить вероятность попадания дефектов, приходящихся на кристалл. При
размерах стороны кристалла до 1 мм ее величину выбирают кратной 0,05 мм,
а при размерах стороны кристалла 1—2 мм —кратной 0,1 мм.
Для любой принципиальной электрической схемы можно получить много
приемлемых предварительных вариантов топологии, удовлетворяющих
электрическим, технологическим и конструктивным требованиям. Любой
предварительный вариант подлежит дальнейшей доработке.
Если после уплотненного размещения всех элементов на кристалле
выбранного размера осталась незанятая площадь, рекомендуется перейти на
меньший размер кристалла. Если этот переход невозможен, то незанятую
площадь кристалла можно использовать для внесения в топологию изменений,
направленных на снижение требований к технологии изготовления
полупроводниковой ИМС. Например, можно увеличить размеры контактных
площадок и расстояния между контактными площадками, ширину проводников и
расстояние между ними, по возможности выпрямить элементы разводки,
резисторы, границы изолированных областей.
В заключение производятся контрольно-проверочные расчеты полученной
топологии микросхемы, включающие в себя оценку теплового режима и
паразитных связей.
Проверка правильности разработки топологии ИМС
Последний из составленных и удовлетворяющий всем требованиям вариант
топологии подвергается проверке в такой последовательности. Проверяются
соответствие технологическим ограничениям: минимальных расстояний между
элементами, принадлежащими одному и разным слоям ИМС; минимальных
размеров элементов, принятых в данной технологии, и других
технологических ограничений; наличие фигур совмещения для всех слоев
ИМС; размеров контактных площадок для присоединения гибких выводов;
расчетных размеров элементов их размерам на чертеже топологии; мощности
рассеяния резисторов, максимально допустимой удельной мощности рассеяния
(Р0=Р/SR=103-104 мВт/мм2), а также обеспечение возможности контроля
характеристик элементов ИМС.
Разработка документации на комплект фотошаблонов для производства ИМС
Исходя из окончательного и проверочного варианта топологии ИМС,
выполняют чертежи слоев схемы, необходимые для создания комплекта
фотошаблонов. Для ИМС со скрытым слоем и изоляцией элементов
р-п-переходами, изготовляемой по планарно-эпитаксиальной технологии,
необходим комплект из семи фотошаблонов для проведения следующих
фотолитографических операций:
1 - вскрытия окон в окисле под локальную диффузию донорной примеси при
создании скрытых слоев перед операцией эпитаксии
2 - вскрытия окон в окисле под разделительную диффузию акцепторной
примеси при создании изолирующих областей;
3 - вскрытия окон в окисле под локальную диффузию акцепторной примеси
при создании базовой области транзисторов и резисторов;
4 - вскрытия окон в окисле под локальную диффузию донорной примеси при
создании эмиттерных областей транзисторов, резисторов, диффузионных
перемычек и приконтактных областей в коллекторах транзисторов;
5 - вскрытия окон в окисле под контакты разводки к элементам ИМС;
6 - фотолитографии по пленке алюминия для создания рисунка разводки и
контактных площадок;
7 - фотолитографии по пленке защитного диэлектрика для вскрытия окон к
контактным площадкам ИМС.
Результатом разработки топологии является топологическая схема
(рис. 3.3) и комплект фотошаблонов (рис. 3.4 – 3.10).
Рисунок 3.3 – Эскиз топологии кристалла
Рисунок 3.4 – Фотошаблон для первой фотолитографии (создание скрытого n+
слоя)
Рисунок 3.5 – Фотошаблон для второй фотолитографии (создание
разделительного слоя)
Рисунок 3.6 – Фотошаблон для третьей фотолитографии (создание базового
слоя)
Рисунок 3.7 – Фотошаблон для четвертой фотолитографии (создание
эмиттерного слоя)
Рисунок 3.8 – Фотошаблон для пятой фотолитографии (вскрытие контактных
окон)
Рисунок 3.9 – Фотошаблон для шестой фотолитографии (создание рисунка
разводки)
Рисунок 3.10– Фотошаблон для седьмой фотолитографии (вскрытие окон для
внешних выводов)
4 ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ПРОЦЕСС
На рисунке 4.1 представлена технологическая схема маршрута для
производства проектируемой ИМС.
Нанесение защитного диэлектрика и вскрытие в нем окон для
термокомпрессии
Монтаж кристаллов на ленту
Термокомпресия.
Герметизация корпуса.
Испытания, классификация, сортировка.
Маркировка.
Упаковка и складирование.
Рисунок 4.1 - Схема технологического маршрута. Часть 2.
3.1 Механическая обработка
Ориентация слитков полупроводникового материала осуществляется методом
дефрактометрии и проводится на рентгеновской установке
УРС-50И, обеспечивающей точность измерения около 10’. Данная установка
позволяет произвести ориентацию исходного слитка в плоскости (111) в
течении 10 - 15 мин., при необходимости более высокой точности (до 3 -
5’) возможно использование установок ДРОН - 2 или ДРОН-3.
Резку кремниевого слитка производят на станках, при помощи дисков с
внутренней режущей кромкой (толщиной 0,1 - 0,15 мкм) с нанесенным на
внутреннее основание диска, при помощи никелевой связки, алмазным слоем
с размером зерна 40-60 мкм. и с следующими габаритными размерами диска:
внешний диаметр - 546 мм; внутренний диаметр - 184 мм.
Процесс резки осуществляется на станке Алмаз-6М [5], который позволяет
производить резку при скорости подачи 6-20 мм/мин и скорость вращения
диска 1000-2500 об/мин с принудительным охлаждением водой или другими
специальными жидкостями. Рекомендуется следующий режим работ для резания
кремниевых слитков на пластины: частота вращения шпинделя 1600-2200
об/мин, скорость подачи 30-60 мм/мин., при чем поперечная подача на шаг,
устанавливается равной сумме толщины отрезаемых пластин и предполагаемой
толщины реза ( в пределах от 0,8 до 1,2 мм) и корректируется по
измерению толщины первых пробных пластин.
Контроль глубины нарушенного слоя и его качество производят
рентгеновским, электрохимическим или электронографическим методами.
Пластины должны удовлетворять следующим требованиям: класс обработки не
менее 7-8; разброс по толщине 30 мкм; прогиб не более 15мкм;
клиновидность не более 20 мкм. Рекомендуется для оперативности
производить селективное травление поверхности косого или сферического
шлифа с последующим изучением полученной структуры под микроскопом типа
МБС-2 или МБС-3.
Шлифовка производится на станке СДШ-150 позволяющем обрабатывать 30
пластин диаметром 100 мм одновременно [5]. Частоту вращения верхнего
шлифовальника рекомендуется поддерживать в пределах 22-27 об/мин, а
нижнего 25-31 об/мин при давлении на кремниевую пластину в 20-21 кг.
Пластины поступаемые на шлифовку должны быть предварительно
отсортированы по толщине (разброс не более 10 мкм).
Для двухсторонней шлифовки кремния применяют водные растворы суспензий
на основе карбида кремния зеленого или электрокорунда белого
зернистостью М14 и М20 ( размер зерна 14-11 и 20-14) для первоначальной
обработки и по ходу процесса зернистость уменьшают до М5 и М7 при чем
пропорции Т:Ж = 1:2 или 1:3 и по окончании процесса шлифовки в течении
одной минуты производят обработку при более низких давлениях. После
операции шлифовки производят контроль состояния поверхности при помощи
индикатора с ценой деления 0,001 мм. После шлифовки поверхность должна
иметь однородный матовый оттенок, без сколов и царапин; разнотолщинность
поверхности не более 15 мкм, клиновидность не более 5 мкм и класс
обработки 11 - 12 для кремниевых пластин диаметром 100 мм.
Полировку производят на оборудовании типа Ю1МЗ.105.004 позволяющем
одновременно отполировать 32 пластины диаметром 100 мм [6]. В качестве
суспензии для полировки используют субмикронный порошок оксида кремния
или оксида алюминия взвешенный в растворе КОН или NaОН. Контроль
состояния поверхности осуществляется с помощью стереоскопических
микроскопов типа МБС-2, МБС-3 и микронеровность не должна выходить за
пределы 0,05 - 0,1 мкм, а толщина нарушенного слоя не более 3 мкм.
3.2 Окисление
Процесс окисления проводится на том же оборудовании, что и газовая
химическая полировка.
При газовой химической полировке применение безводного хлористого
водорода в установке для газовой химической полировки позволяет
достигнуть лучшей обработки поверхности, чем водная химическая
полировка, однако процесс газовой полировки является высокотемпературным
(порядка 1200°С). Этот процесс проводится на установке, аналогичной
показанной на рисунке 3.3, применяемой для .диффузии из газообразного
источника в потоке газа-носителя.
Для процесса газовой полировки характерна следующая типичная
последовательность операций:
1) устанавливается нужное распределение температуры и печи с потоком
азота;
2) устанавливается поток газа-носителя (водород, 8 л/мин; печь с
внутренним диаметром трубы 35 мм), а поток азота перекрывается;
3) вносят лодочку с пластинами и выжидают 5 мин до установления
теплового равновесия;
4) к газу-носителю добавляют требуемый поток хлористого водорода;
5) полируют в течение 10 мин (обычная продолжительность полировки);
6) прекращают поток НСl и вынимают пластины.
Перед газовым травлением поверхность может быть либо отшлифована, либо
механически отполирована. В процессе газовой полировки шлифованные
пластины под действием травления становятся почти оптически плоскими;
если механически полированные пластины были оптически плоскими до
газовой полировки, то они остаются ими в процессе газовой полировки.
Скорость полировки зависит от температуры и концентрации хлористого
водорода . Удельное сопротивление, тип проводимости и поверхностная
обработка кремния не оказывают заметного влияния на скорость полировки.
Качество полировки связано с чистотой хлористого водорода. В выпускаемом
промышленностью хлористом водороде иногда присутствует ацетилен; это
нежелательно, поскольку приводит к образованию матовых поверхностей.
Нежелательным является также наличие двуокиси углерода и воды.
Окисление. От газовой полировки можно переходить сразу к процессу
окисления простым изменением состава газового потока. При этом не
требуется вынимать пластины из печи. Для быстрого получения качественной
плёнки, окисление производят сначала в сухом кислороде для формирования
пленки, затем длительно окисляют во влажном кислороде и окончательной
стадией является формовка окисла в сухом кислороде. Окисление
планируется так, чтобы величина окисла была в пределах 1,0-1,5 мкм в
связи с тем, что особенность галлия в том, что у него самая высокая
скорость диффузии в окисел кремния.
3.3 Фотолитография
Перед нанесением фоторезиста пластины промывают в жидком трихлорэтилене
и его парах, а также в кипящей азотной кислоте. Кроме того, промывку
пластин можно проводить в толуоле, амилацетате, ацетоне и этиловом
спирте.
Нанесение фоторезиста. Для нанесения слоя фоторезиста на пластину
используют методы центрифугирования, пульверизации, окунания в раствор,
полива и т. д. Рекомендуется применять метод центрифугирования, так как
при сравнительно несложном оборудовании он позволяет получать
равномерные пленки фоторезиста с разбросом по толщине, не превышающим
±10%. Для нанесения слоя фоторезиста типа ФП-383 пластину с помощью
вакуумного присоса закрепляют в центре вращающегося диска и в процессе
его вращения на пластину из пипетки наносят несколько капель
фоторезиста. Толщина слоя зависит от скорости вращения диска центрифуги
и густоты фоторезиста. Обе эти характеристики подбирают эмпирически.
После нанесения слоя фоторезиста его сушат, во время сушки происходит
испарение растворителя и пленкообразование. Для получения
высококачественной пленки фоторезист ФП-383 сушат в два этапа. Сначала
его в течение 15—30 мин подсушивают при комнатной температуре, а затем в
течение 30—60 мин сушат при температуре 100—150° С .
Экспонирование осуществляют контактным способом. Для экспонирования
фоторезистов используют различные источники света, спектры излучения
которых содержат достаточно мощные линии в требуемом диапазоне длин
волн. Наиболее часто применяют лампы ПРК.-2, ПРК-4, СВДШ-250, СВД-120.
До проведения экспонирования опытным путем подбирают необходимую
величину экспозиции, при которой получается наиболее качественное
воспроизведение рисунка. При изменении рисунка фотошаблона или другой
какой-либо технологической операции величину экспозиции нужно подбирать
заново.
Для позитивных фоторезистов проявление связано с химической реакцией
превращения инденкарбоновых кислот в растворимые соли. Для проявления
фоторезистов на основе хинондиазидов обычно используют сильно
разбавленные водные растворы едкого натра или тринатрийфосфата.
Задубливание фоторезиста после его проявления проводят при более высоких
температурах, чем сушку фоторезиста после его нанесения на пластину
полупроводника. Процесс задубливания осуществляют в две стадии: при
комнатной температуре и при температуре 150—200° С в течение 1 ч.
После задубливания пластины контролируют на бездефектность. Наиболее
распространенными дефектами фотолитографии являются наличие клина,
неровность края рисунка в виде выступов и впадин, локальные проколы и
нарушения пленки фоторезиста. Эти дефекты выявляют, просматривая
готовые пленки фоторезиста под микроскопом.
3.4 Травление
Процесс травления существует для того, чтобы удалить пленку SiO2.
Травление SiO2 проводят в плавиковой кислоте. При выборе травителя
учитывают, что чистый водный раствор плавиковой кислоты быстро проникает
под пленку фоторезиста, вызывая подтравливание окисла и образование
клина между пленкой SiO2 и поверхностью полупроводникового материала.
Для уменьшения этого явления в травильный раствор плавиковой кислоты
вводят фтористый аммоний. Используется травитель следующего состава: 30г
NH4F, 60мл Н2О, 9мл НF (48%) [4].
После травления пластины подвергают тщательной промывке в деионизованной
воде.
Удаление задубленного слоя фоторезиста производят в горячей
концентрированной серной кислоте или щелочи.
После удаления фоторезиста с поверхности окисного слоя и очистки
контролируют геометрические размеры полученного в окисном слое рисунка и
в до диффузии пластины хранят в метиловом спирте.
3.5 Диффузия
Наиболее широкое применение находит способ диффузии, в котором
используется кварцевая труба, выходной конец которой открыт в атмосферу
(рисунок 4.2). Входной конец трубы соединяется с газовой линией с
помощью шлифа. Газ-носитель входит в эту трубу и вытесняет воздух. Труба
располагается по оси одной или двух печей. Кремниевые пластины
помещаются в высокотемпературной части трубы, а источник примеси — ближе
к входу газа. При испарении примеси ее атомы попадают в газ-носитель, в
результате чего образуется локальный источник легирования.
1 - пластины кремния; 2 - выходной конец трубы; 3 - труба;
4 - источник диффузии (B2O3); 5 - печи
Рисунок 4.2 – Схема двухзонной диффузионной печи
Перед проведением диффузии следует определить распределение температуры
в печи и при необходимости отрегулировать его. Для этого
платина-платинородиевая термопара в кварцевом футляре медленно (со
скоростью 5—50 см/час) перемещается внутри печи. Термическое равновесие
устанавливается в каждой точке гораздо быстрее, если движется только
термопара, а футляр остается неподвижным (в этом случае допустимо
движение со скоростью 25—50 см/час). Поток азота при определении
температурного распределения должен быть таким же, как во время диффузии
( 0,4 л/мин ).
Различия, связанные с положением пластин, малы, если в процессе
диффузии лодочка защищена от прямого потока газа, например, «кварцевой
ватой». Экран из кварцевой ваты улучшает однородность концентрации
примеси, перемешивая поток по сечению трубы.
Загруженная лодочка осторожно помещается в участок печи, температура
которого должна соответствовать 1160 С0. Для точной установки можно
откалибровать толкающий стержень или ручку лодочки. Нет необходимости в
специальном цикле предварительного нагревания. По возможности поток
примеси следует подавать только после того, как пластины достигнут
температуры диффузии; обычно для этого достаточно 1 мин. после
загрузки.
Так как диффузия идет из твердого источника, при которой свежий источник
загружается раньше кремниевых пластин и поддерживается при температуре
900 С0, необходимо иметь возможность изменять направление газового
потока на противоположное на время загрузки пластин. Этим
предотвращается конденсация примесей на поверхности холодных пластин,
когда они только помещены в горячую зону печи. Как только пластины
достигли нужной температуры, направление потока опять изменяется на
нормальное и начинается диффузия. Процесс диффузии продолжается в
течении нескольких часов.
3.6 Эпитаксия
Эпитаксиальное наращивание n-слоя производится с применением хлоридного
метода. Этот метод основан на использовании химического взаимодействия
паров тетрахлорида кремния с чистым водородом. Суммарную реакцию
хлоридного процесса можно рассматривать как обратимую реакцию
восстановления тетрахлорида кремния водородом:
SiCl4+2H2 <=> Si+4HCl
Процесс эпитаксиального осаждения включает переходы:
загрузка пластин в гнезда подложкодержателя;
продувка реактора азотом для вытеснения воздуха;
напуск в реактор водорода и отключение азота, продувка водородом;
нагрев пластин до температуры 1200 °С и выдержка около 10 мин до
восстановительного отжига;
газовое травление в обезвоженном хлористом водороде, по окончании
продувка водородом и охлаждение подложкодержателя до температуры
эпитаксиального наращивания 1150°С;
осаждение эпитаксиального слоя, для чего в камеру подают жары
тетрахлорида кремния, легирующее соединение в концентрациях,
обеспечивающих оптимальную скорость роста 0,2...3,0 мкм/мин и требуемый
уровень легирования слоя; продувка водородом;
защита поверхности эпитаксиального слоя пленкой диоксида кремния, что
необходимо для транспортировки эпитаксиальных структур или для
межоперационного хранения, для этого в камеру подают СО2, SiHCl, H2.
Продувка водородом;
медленное охлаждение пластин до комнатной температуры в потоке водорода;
продувка реактора азотом, разгерметизация реактора, выгрузка
эпитаксиальных структур.
В современных промышленных установках, например УНЭС-2П-КА,
управление процессом осуществляется в основном ЭВМ, оператор выполняет
только загрузку и выгрузку пластин. Отходы химических реакций на выходе
реактора поступают в скруббер, где сжигаются в пламени водорода. При
выполнении процесса необходимо соблюдать правила безопасной работы с
токсичными веществами и водородом.
Управление процессами эпитаксии из парогазовой фазы можно осуществлять
плавным изменением концентрации реагентов в парогазовой смеси
(температурой дозатора, скоростью потока газа-носителя), температурой
пластин или подложек, временем. Эти параметры можно контролировать
независимо друг от друга, что облегчает создание установок с
автоматическим программным управлением и делает процессы
воспроизводимыми и экономичными.
Легирование эпитаксиальных слоев осуществляется одновременно с их ростом
путем введения в парогазовую смесь соединений, содержащих легирующие
элементы, называемые источниками легирующих примесей.
Источником легирующей примеси является галогенид РС1з или РОС1з. Его
заливают в отдельный или в общий с источником материала слоя дозатор.
Галогениды хорошо растворяются в тетрахлориде кремния, легко испаряются
и насыщают поток проходящего водорода. У горячих поверхностей пары
источников примеси восстанавливаются водородом:
2РС1з+ЗН2 => 2Р+6НС1
Галогениды имеют высокое давление паров, сильно зависящее от
температуры, поэтому незначительные колебания температуры могут вызывать
существенные изменения концентрации примеси в растущем слое.
3.7 Создание металлизации
Создание омического контакта осуществляется нанесением в вакууме пленки
алюминия толщиной 0,5 мкм. Далее проводят третью фотолитографию,
операции которой повторяют в том же порядке, как и для предыдущих с той
разницей, что фоторезист ФП-383 наносят на металлизированную поверхность
пластины и травление пленки алюминия ведут в растворе следующего
состава: H3PO4:HNO3:H2O:CH2COOH=6:1:2:1 [4] в течении 2 мин. при
комнатной температуре.
3.8 Разделение пластин на кристаллы
Для разделения пластин на кристалы используется лазерное скрайбирование,
для данного метода необходим твердотельный лазер (оптический квантовый
генератор ОКГ) активный элемент которого, выполнен из алюминиевого
граната с примесью неодима (АИГ:Nd), а длина волны составляет 1,06 мкм.
Перед скрайбированием на пластины наносят на центрифуге защитное
покрытие для предохранения структур от повреждения. Пластины закрепляют
вакуумным прижимом на столе установке, скорость скрайбирования в
пределах от 100 до 200 мм /сек. Скрайбирование целесообразно производить
на установке ЭМ-210 позволяющей скрайбировать пластины диаметром 100 мм
и толщиной 460 мкм за 3 прохода при скорости скрайбирования 120 мм/сек и
глубине 100 мкм /проход [5].
Контроль качества производится при помощи микроскопа ММУ-3.
При разламывании пластин на кристаллы, на полуавтомате ПЛП-3, необходимо
соблюдать следующие режимы: сила нажатия на пластины должна быть в
пределах от 100 до 1500 Н, а скорость движения ленты с пластиной порядка
40 мм/сек [5].
ВЫВОДЫ
В данной работе разработана топология и технология изготовления
интегральной микросхемы.
Для изготовления заданной схемы была выбрана планарная технология на
кремниевой пластине. Изоляция элементов схемы осуществляется с помощью
обратно включенного p-n перехода.
Топология кристалла была разработана с учетом
конструктивно-технологических ограничений и требований. Размеры
диффузионных резисторов, используемых в схеме, были рассчитаны
упрощенным методом исходя из заданных: ширины резистора и поверхностного
сопротивления.
Кристалл размером 530 х 610 мкм имеет шесть контактных площадок для
внешних выводов.
При изготовлении схемы используется семь фотолитографий для:
1 - вскрытия окон в окисле под локальную диффузию при создании скрытых
слоев перед операцией эпитаксии
2 - вскрытия окон в окисле под разделительную диффузию акцепторной
примеси при создании изолирующих областей;
3 - вскрытия окон в окисле под локальную диффузию акцепторной примеси
при создании базовой области транзисторов и резисторов;
4 - вскрытия окон в окисле под локальную диффузию донорной примеси при
создании эмиттерных областей транзисторов;
5 - вскрытия окон в окисле под контакты разводки к элементам ИМС;
6 - создания рисунка разводки и контактных площадок;
7 - для вскрытия окон к контактным площадкам ИМС.
Для всех фотолитографий был разработан комплект фотошаблонов.
Разработанная технология изготовления ИС не требует сложного
оборудования и обеспечивает приемлемый результат для заданной схемы.
ПРЕЧЕНЬ ССЫЛОК
1 Маслов А.А., Технология и конструкции полупроводниковых приборов, М.:
Энергия, 1970. – 296 с.: ил.
2 Курносов А.И., Юдин В.В., Технология производства полупроводниковых
приборов и интегральных микросхем. – 5-е изд., перераб. и доп. М.:
Наука, - 1986.
3 Технология СБИС: в 2-х книгах, пер с англ., под ред. Зи С. - М.: Мир,
1986. – 404 с.: ил.
4 Болтакс Б.И. Диффузия и точечные деффекты в полупроводниках. – Л.:
Наука, 1972. – 384 с.: ил.
5 Готра З.Ю Технология микроэлектронных устройств: Справочник. – М.:
Радио и связь, 1991. – 528 с.: ил.
6 Булкин А.Р., Якивчик П.Н. Технология производства полупроводниковых
приборов. – М.: Мир, 1986. – 320 с.: ил.
7 Готра З.Ю Технология микроэлектронных устройств: Справочник. – Львов:
Каменяр, 1986. – 287 с.: ил.
8 Малышева И.А. Технология производства интегральных микросхем: Учебник
для техникумов. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Радио и связь, 1991. –
344 с.: ил.
9 Коледов Л.А. Конструирование и технология микросхем. Курсовое
проектирование: Учеб. пособие для вузов – М.: Высш. шк., 1984. – 231 с.,
ил.
10 Черняев В.Н. Технология производства интегральных микросхем и
микропроцессоров: Учебник для вузов. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.:
Радио и связь, 1987. – 464 с.: ил.
11 Матсон Э.А. Конструкции и технология микросхем. – Мн.: Выш. шк.,
1985. – 207 с., ил.
 |