АРХИВ СТАТЕЙ ЖУРНАЛА «МОЙ КОМПЬЮТЕР» ЗА 2003 ГОД

В недрах микросхем

• Все журналы \ Номер 1/224 `2003 от 13.01.2003 \ В недрах микросхем

Сергей КРУШНЕВИЧ insgas@svitonline.com

В прошлый раз я рассказал о технологии получения подложек, сегодня я хочу рассказать о технологиях создания на них структур. Также вы узнаете, что означают таинственные фразы типа «0.13-микронный технологический процесс».
Продолжение, начало см. в МК №52(223), 2002

Несколько слов о важности поддерживания чистоты в помещениях :-). Так как описываемые далее операции получения структур на подложках проводятся на открытом воздухе (не в прямом смысле :-)), то существует опасность безвозвратно повредить целую партию микросхем из-за пылинки размером всего 0.1 мкм. Поэтому все помещения, в которых производится дальнейшая обработка нарезанных подложек, тщательно герметизируют, очищают в них воздух и поддерживают постоянный микроклимат. Количество частиц размером 0.5 мкм в таких помещениях не должно превышать 103… 106 штук на 1 м3 (в зависимости от степени чистоты), температура должна быть 201°С, влажность составлять 455%, а давление воздуха быть чуть выше атмосферного. Для сравнения: в обычной комнате размер пылинки измеряется миллиметрами — загляните в системный блок :-), температура плавает в широком диапазоне, а влажность составляет 50–99%.

Помещения, которые соответствуют вышеописанным требованиям чистоты, принято называть «чистая» комната. Между прочим, в новостях МК № 44 (215) публиковалась фотография этой самой комнаты.

Независимо от применяемой технологии, структуры на подложке получают повторением определенного количества основных операций: литографии, диффузии и окисления, в соответствии с картой технологического процесса.

Литография

Суть литографии сводится к получению «окон» (не путайте с таковыми в Windows :-)), то есть, грубо говоря, снятию в нужных местах слоя пленки (точнее, шара подложки).

Самой широко распространенной является фотолитография, в основу которой положена технология получения фотоотпечатка (как правило, используются ультрафиолетовые источники света). Изредка используются и другие методы получения окон, например, с помощью рентгенолитографии (для переноса изображения служат рентгеновские лучи).

С помощью литографии на подложке формируют контактную маску (пленку на поверхности подложки с конфигурацией окон в соответствии с определенным послойным чертежом (рис. 1)). Затем проводят травление подложки, в результате получаются углубления — «окна» в самой подложке (рис. 2). После чего контактную маску снимают и подложка с «окнами» готова к последующей обработке, например, диффузии.

Чаще всего литография проводится по пленке окиси кремния (для получения «окон» к чистому кремнию) или по слою металлизации (для получения разводки).

Для формирования нужной конфигурации областей используют послойные чертежи (на них указана только конфигурация «окон» (рис. 1)), которые получают из топологического чертежа (рис. 3). Для правильного совмещения новых областей (точнее, «окон») с областями, полученными во время предыдущих операций, используют метки совмещения (на рис. 1 и 3 это знак «+»). От точности совмещения и качества полученных «окон» зависит минимально допустимое расстояние между элементами и их размеры и, как следствие, степень интеграции. Сейчас предельный размер элементов в массовом производстве составляет 0.13 мкм, хотя уже существуют техпроцессы с допуском 0.09 мкм и даже 0.03 мкм. Профи говорят «микроны», а по системе СИ — это микрометры.

Диффузия и окисление

В полупроводниковой индустрии диффузия используется для получения в структуре подложки областей с определенным типом проводимости (а точнее, для изменения ее типа). Для формирования области n-типа используют «доноры», а для p-типа —«акцепторы».

Чисто научный ликбез от редакции.

Если создать контакт из двух полупроводников, один из которых n-типа (основной носитель тока — электрон), а другой — р-типа (основной носитель тока — дырка), такой контакт будет называться р-n-переходом. В итоге, электроны и дырки (положительно заряженные атомы, имеющие на один электрон меньше, чем атомы окружающей кристаллической решетки) будут диффундировать через этот контакт в полупроводник другого типа и рекомбинировать один с другим. Процессы диффузии приводят к нарушению электрической нейтральности соединения. Одна часть контакта, которая состоит из полупроводника n-типа, оказывается заряженной положительно (из нее ушла часть электронов), а другая — отрицательно. Поэтому в самом контакте возникает скачок электростатического потенциала. Если не приложено внешнее напряжение, ток через контакт не течет, поскольку в состоянии равновесия ток, вызванный этим потенциалом, точно компенсируется обратным диффузионным потоком частиц.

Приложение внешнего напряжения изменяет это динамическое равновесие. Если знак приложенного напряжения такой, что разность потенциалов между полупроводниками n- и р-типа отрицательна, то через контакт ток пойдет. В этом случае электроны движутся в сторону увеличения потенциала, а положительно заряженные дырки — в сторону его уменьшения. Величина данного тока пропорциональна концентрации электронов в полупроводнике n-типа и дырок в полупроводнике р-типа. Напряжение, имеющее такое направление, называют прямым. Если к р-n-переходу приложено напряжение обратного знака, то есть такое, которое способствует перетеканию электронов из полупроводника р-типа в полупроводник n-типа, а дырок — наоборот, то ток окажется очень малым. Дело в том, что концентрация носителей тока в полупроводниках с противоположным основным типом носителей ничтожно мала.

Таким образом, р-n-переход представляет собой систему с односторонней проводимостью. Он может применяться для выпрямления переменного тока в полупроводниковых диодах. В полупроводниковых же транзисторах используется резкое изменение силы тока в таких переходах при небольших изменениях потенциала.

Конец ликбеза. Надеемся, вы все поняли :-).

Процесс диффузии (здесь имеется в виду проникновение материала в материал — прим. ред.) проводят в открытой камере при температуре 1200°С. Проникновение веществ вовнутрь подложки происходит через «окна» в оксидной пленке, так как через саму пленку диффузанты практически не проходят.

Как было сказано раньше, при высокой температуре кремний сильно химически активен, поэтому одновременно с явлениями диффузии происходит и образования новой оксидной пленки (рис. 4).

Эпитаксиальный слой

Эпитаксиальный слой преимущественно используется в биполярной технологии для получения «скрытой» n+-области (которая позволяет значительно снизить электрическое сопротивление коллекторной области, рис. 5). Физически эпитаксиальный слой — это слой, повторяющий монокристаллическую структуру подложки, но отличающийся от нее электрофизическими параметрами (типом проводимости и (или) удельным сопротивлением).

Методы изоляции

Кристалл микросхемы представляет собой набор из огромного количества отдельных элементов (резисторов, транзисторов и т.д.), которые, с одной стороны, должны быть надежно электрически изолированы друг от друга, а с другой — иметь хороший тепловой контакт с подложкой. Поэтому для каждого элемента создается отдельная изолированная область —карман. Необходимо отметить, что при использовании униполярной технологии зачастую необходимость в карманах отпадает, но об этом ниже. На сегодняшний день представлено довольно много методов изоляции, но мы рассмотрим только несколько основных.

Изоляция обратносмещенным p-n-переходом является самой старой и одновременно самой простой в получении технологией, которая обеспечивает наибольшую степень интеграции. Но конечно, не обошлось без недостатков: существуют точки утечки, паразитные емкости, низкая радиационная стойкость и т.д. Кроме того, на подложку необходимо подать наибольший «минус питания». Практически во всех микросхемах, изготовленных по биполярной технологии, используется изоляция обратносмещенным p-n-переходом (рис. 6).

Иногда применяется технология изоляции диэлектриком. Физически конечная микросхема, полученная таким способом, представляет собой диэлектрическую подложку, в которой сформированы карманы. Основным недостатком метода является малая степень интеграции и трудность получения (рис. 7).

Существуют также технологии, совмещающие в себе преимущества вышеописанных методов, но они не так широко используются.

Биполярная технология

Самая старая технология получения интегральных микросхем. Ее название происходит от основного конструктивного элемента —биполярного транзистора, а название областей — от основных составляющих транзистора: эмиттер, база и коллектор (не путайте с корректором :-)). Приставка «би» переводится как «два» и означает, что в передаче тока участвуют два типа носителей (основных и не основных).

При изготовлении микросхем чаще всего используется подложка p-типа, на которой выращен эпитаксиальный слой n-типа. Для изоляции в основном применяют метод обратносмещенного p-n-перехода.

Как же все-таки получают структуры? Итак, берут подложку (скажем, p-типа) с эпитаксиальным слоем и проводят литографию в соответствии с послойным чертежом (рис. 1). Далее подложку помещают в диффузионную печь и проводят глубокую диффузию (как правило бора) для получения «карманов» (то есть коллекторных областей, рис. 6). Потом снова проводят литографию и диффузию акцепторов. Теперь у нас появилась базовая область. Аналогичным образом получают эмиттерную область и подколлекторный контакт, который препятствует возникновению p-n-перехода (так как обычно используемый как проводник алюминий является акцептором, рис. 8). В случае применения другого материала металлизации необходимость в подколлекторном контакте может отпасть.

На сегодня все. До встречи на страницах МК!

(Продолжение следует)

Идёт загрузка...

Данную страницу никто не комментировал. Вы можете стать первым.

Ваше имя:
Ваша почта:
Комментарий:
Введите символы или вычислите пример: * Обновить