СОДЕРЖАНИЕ
Введение
Данный материал является достаточно важным для общего понимания технологических процессов в современном производстве интегральных микросхем. Мы описали не только принципы действия различных процессоров, видеочипов и других интегральных микросхем, но и их структуру, как и из чего они созданы.
1. ХАРАКТЕРИСТИКА БАЗЫ ПРАКТИКИ
Структура АО НИИЭТ
В настоящее время НИИ электронной техники представляет собой современное, динамично развивающееся предприятие, которое входит в число ведущих предприятий электронной отрасли промышленности.
Основная задача института – это проведение разработок и организация выпуска функционально сложных изделий микроэлектроники по следующим основным направлениям:
• БИС- и СБИС-микроконтроллеров (однокристальных микроЭВМ);
• процессоры цифровой обработки сигналов (ПЦОС);
• СБИС типа "система на кристалле" под конкретные задачи потребителей;
• цифро-аналоговые преобразователи и интерфейсные ИМС;
• мощные ВЧ и СВЧ кремниевые транзисторы (ведутся разработки перспективных изделий на SiC и GaN) и комплексированные изделия (модули) на их основе.
Потребителями продукции АО «НИИЭТ» являются свыше 200 предприятий, изделия применяются более чем в 40 регионах России.
Разработка
Дизайн-центр института выполняет полный комплекс работ по проектированию цифровых интегральных микросхем. Производство кристаллов для продукции НИИЭТ осуществляется лучшими отечественными и зарубежными фабриками. Специалисты Института разрабатывают и производят ИМС уже более 50 лет. За это время на предприятии сформировалась целая школа по созданию БИС и СБИС, ЦОС и АЦП. На данный момент в Институте работают 2 лаборатории, занимающиеся разработкой микроконтроллеров и других ИМС.
Партнерами предприятия являются ведущие отечественные и зарубежные кремниевые фабрики, с которыми заключены соглашения о предоставлении foundry-услуг по производству пластин с кристаллами по широкому спектру технологических процессов. Дизайн-центр располагает лицензиями и технической поддержкой ведущих мировых производителей программных инструментов, позволяющих проектировать микросхемы и мощные СВЧ транзисторы с проектными нормами до 14 нм.
Сборка
Институт оснащен самым современным оборудованием на отечественном рынке. АО «НИИЭТ» традиционно считается предприятием с высокой производственной культурой. Институт располагает современной производственной линией для сборки и герметизации интегральных микросхем (ИМС) и мощных СВЧ-транзисторов во всех типах металлокерамических корпусов.
Базовая технология сборки кристаллов позволила организовать производство (выпуск) как «простых» ИМС, так и функционально сложных БИС и СБИС, разработанных Дизайн-центром, в герметичных керамических корпусах отечественного и зарубежного производства.
Номенклатура изделий в 2016 году составила более 80 ИМС в 20-и типах металлокерамических корпусов. На 300 м2 производственных помещений АО «НИИЭТ» в смену производится 500 ИМС, в месяц – 10,5 тыс. ИМС, в год – 126 тыс. ИМС.
Уровень качества изготавливаемых изделий соответствует 1 группе по ГОСТу РВ 20.57.412-97.
Испытания и измерения
Испытательный центр АО НИИЭТ аккредитован системой «ВоенЭлектронсерт» на право проведения испытаний отечественной и импортной элементной базы, а также её сертификацию. Оборудование и технические возможности испытательной лаборатории позволяют проводить испытания ИЭТ на воздействие механических, климатических, электрических, конструктивных факторов, а также испытания на долговечность, безотказность и сохраняемость, включая сертификационные испытания и разрушающий физический анализ (РФА).
За годы существования АО «НИИЭТ» зарекомендовал себя как надежный поставщик российских электронных компонентов и занимает на данный момент одно из лидирующих мест на рынке отечественной микроэлектроники. Для улучшения технических характеристик изделий институт задействует интеллектуальный потенциал работающих на предприятии специалистов, 10% из которых имеют ученые степени или обучаются в аспирантуре.
Продукция НИИ электронной техники востребована в автомобильном сегменте, безопасности, промышленной электронике, космической и атомной отраслях. Институт поддерживает высокий уровень производительности и эффективности технических процессов, применяет современные бизнес-модели и эффективные рыночные компетенции.
Основные технологические операции
Особенностью полупроводниковых ИМС является то, что все элементы изготавливают одновременно в едином технологическом цикле, отдельные операции которого (окисление и травление, диффузия, эпитаксия) выполняются в одной и той же среде.
При создании активных и пассивных элементов современных ИМС используют следующие основные технологические операции: окисление, травление, литографию, диффузию, ионное легирование, эпитаксию, напыление и нанесение пленок.
2.1.Выращивание кристаллов
Методы выращивания монокристаллов
- из расплавов (скорость выращивания 0,1-1 см/ч.)
- из растворов (скорость выращивания 0,1 - 1 мм/сут.)
- из газовой фазы (скорость выращивания 0,1-1 мкм/ч.)
Способы выращивания – это разные способы отвода теплоты кристаллизации Рост кристаллов возможен только тогда, когда вблизи поверхности кристалла поддерживается постоянный градиент температуры, что подразумевает наличие в кристаллизационной установке нагревателя и холодильника. Расплав — это жидкая фаза, состав которой соответствует составу кристаллизующегося нелегированного вещества или соединения. Раствор — это жидкая фаза, состав которой отличается от состава выращиваемого нелегированного вещества или соединения. Процесс кристаллизации из жидкой фазы состоит из следующих этапов:
1) подвод кристаллизующегося компонента к поверхности роста (фронту кристаллизации);
2) поверхностная диффузия (миграция по поверхности роста и встраивание атомов в кристалл);
3) диффузия в объеме кристалла (миграция в кристалле);
4) отвод скрытой теплоты кристаллизации от поверхности роста. Все технологические методы выращивания монокристаллов из расплавов можно разделить на две группы: а) тигельные методы;
б) беcтигельные методы.
2.2. Поверхностная обработка полупроводниковых материалов
Полученные после разрезания слитка полупроводниковые пластины (подложки) обладают рядом нарушений, к которым относятся наличие механически нарушенного слоя, неплоскостность и неплоскопараллельность сторон, изгиб и большой разброс по толщине.
Слой материала, подлежащего удалению в процессе последующей обработки пластины называется припуском на обработку. Минимальное значение припуска должно обеспечивать удаление микронеровностей и дефектного слоя, получаемого при предшествующей обработке. В процессе обработки полупроводниковой подложки для получения нужного качества поверхности (чистоты) припуск удаляется не сразу, а постепенно – в несколько этапов. При этом предварительный припуск должен быть как можно большим, чтобы удалить дефектный слой H, но после предварительной обработки появляется новый дефектный слой, только меньшего размера. Отрезанные полупроводниковые пластины загружают в установки для шлифовки и полировки.
2.2.1. Шлифовка полупроводниковых пластин
Как уже говорилось ранее, пластины после резки имеют различные типы дефектов (неплоскостность, изгиб, глубокий нарушенный слой, разброс по толщине). Поэтому необходима дальнейшая обработка подложек шлифовкой и полировкой, которые являются важным процессом для технологии изготовления любой ИС.
Шлифовка – вторая по важности операция обработки ИС, позволяющая достичь минимальных шероховатостей и неровностей подложек. Обработка осуществляется на специальных установках при помощи шлифующих материалов, обладающих большей или соизмеримой твердостью по сравнению с материалом самих подложек. Шлифовка бывает предварительной и окончательной.
В промышленности применяют два вида шлифовки:
высокоскоростная обработка кругами с закрепленным абразивом (частота вращения круга доставляет 1000 вращений в минуту, при этом происходит значительное повышение температуры образца);
малоскоростная обработка с помощью свободного абразива (влияние нагрева незначительно).
2.2.2. Химическое травление
Травление пластин кремния происходит на границе твердой и жидкой сред, и его можно рассматривать как гетерогенную реакцию.
Процесс травления состоит из пяти стадий: диффузии реагента к поверхности; адсорбции реагента; поверхностной химической реакции; десорбции продуктов реакции; диффузии продуктов реакции от поверхности. Скорость всего процесса определяется скоростью наиболее медленной (контролирующей) стадии. При травлении кремния контролирующими стадиями могут быть либо диффузия реагента к поверхности, либо поверхностная химическая реакция, что определяется видом травителя и энергией активации стадий процесса.
2.2.3. Плазмохимическое травление
Плазмохимическое травление основано на разрушении обрабатываемого материала ионами активных газов, образующимися в плазме газового разряда и вступающими в химическую реакцию с атомами материала при бомбардировке поверхности пластин или подложек. При этом молекулы газа в разряде распадаются на реакционно-способные частицы - электроны, ионы и свободные радикалы, химически взаимодействующие с травящейся поверхностью. В результате химических реакций образуются летучие соединения.
2.2.4. Полировка полупроводниковых пластин
Основная цель процесса – обеспечить высокую чистоту обрабатываемой поверхности и оставить минимально нарушенный слой. Так же как и шлифовка, полировка может быть предварительной и окончательной (тонкой).
Предварительную полировку выполняют специзделиями и пастами зернистостью от 3 мкм до 1 мкм, а окончательную – субмикронными мягкими полирующими составами, при этом полированные поверхности пластин имеют 13-14 класс шероховатости
2.2.5. Очистка пластин после механической обработки
Очистка поверхности начинается с обработки пластин в органических растворителях. Как правило, нельзя ограничиться каким-либо одним из них, следует использовать последовательно несколько растворителей. При их выборе важно учитывать, что:
1) растворитель не должен реагировать с материалом подложки;
2) каждый последующий растворитель должен растворять предыдущий;
3) все растворители должны быть высокой степени чистоты.
Для очистки поверхности используются следующие растворители: трихлорэтилен, толуол, ацетон, четыреххлористый углерод, этиловый спирт и др.
Наиболее эффективны кипячение в реактиве и очистка в потоке реактива.
Скорость растворения органических загрязнений увеличивается более чем на порядок величины, если растворитель нагревается от комнатной температуры до 70 °С. Нагрев до более высоких температур может приводить к деструкции, разрушению растворителя, которое сопровождается выделением продуктов разложения, часто являющихся отравляющими веществами.
Применение щеток и кистей увеличивает степень очистки поверхности от загрязнений, однако при этом возможны механические повреждения поверхности в виде царапин и сколов.
Эффективна очистка с помощью ультразвука. В этом случае пластины помещаются в ванну с растворителем, укрепленную на сердечнике магнитостриктора. При воздействии ультразвука в растворе образуются кавитационные пузырьки растворителя, которые с силой ударяют о поверхность пластин, удаляя загрязнения. Однако при ультразвуковой очистке пластины часто крошатся, особенно по краям.
Важнейшим требованием к растворителям является высокая степень их чистоты. Наличие в них малейших следов растворенных жиров и других примесей приводит к загрязнению поверхности пластин и снижению качества очистки.
2.2.6. Скрайбирование и разлом пластин
Скрайбирование заключается в нанесении рисок на поверхность пластины в двух взаимно перпендикулярных направлениях алмазным резцом, диском, проволокой или лазерным лучом. Под рисками образуются напряжённые области, по которым происходит разлом пластины после приложения к ней механического воздействия.
Скрайбированную пластину разламывают:
механически, приложив к ней изгибающий момент,
пластину помещают рабочей поверхностью (скрайберными рисками) вниз на гибкую (например, из резины) опору и с небольшим усилием покатывают последовательно в двух перпендикулярных направлениях, параллельно направлениям скрайбирования, стальным, резиновым валиком диаметром 10-30 мм (или стальным (фторопластовым) клином (призмой) с небольшим радиусом скругления). Гибкая опора деформируется, пластина изгибается в месте нанесения риски и лопается по ним.
с помощью ультразвука;
термоударом — нагревом и последующим быстрым охлаждением;
скрайбированные пластины помещают в конверт из пластичного материала, затем вакуумно-плотно закрывают и откачивают из него воздух — в результате чего возникает механическое воздействие и пластина разламывается.
Таким образом, разламывание происходит в две стадии: вначале на полоски, а затем на отдельные кристаллы. Чтобы полоски или кристаллы в процессе разламывания не смещались относительно друг друга (это может привести к произвольному разламыванию и царапанью кристаллов друг о друга), перед разламыванием пластину покрывают сверху эластичной плёнкой (полиэтиленовой, лавсановой), что позволяет сохранить ориентацию полосок и кристаллов в процессе разламывания. Для сохранения ориентации кристаллов для последующих операций (особенно это важно при автоматизированной сборке) иногда пластину перед разделением на кристаллы закрепляют на специальной подложке — спутнике. Кристаллы между операциями на спутнике закрепляют:
на стеклянном спутнике — примораживанием;
на пластмассовом — электростатическими силами;
на тонкой эластичной плёнке — адгезивными составами. Адгезию слоя подбирают такой, чтобы при разломе кристалл прочно удерживался, а после — снимался без остатков адгезивного вещества.
Ввиду того, что вручную тяжело правильно подобрать необходимое усилие прижима, в современном процессе производства полупроводниковой продукции широко применяется техника и автоматизация. И хотя современное оборудование позволяет выдержать шаг скрайбирования с точностью до ±10 мкм, размеры готовых кристаллов после разламывания имеют значительный разброс, обусловленный влиянием кристаллографической ориентации пластин. При подготовке к сборке перед контролем кристалла его поверхность очищают от различных загрязнений. В технологическом плане более удобно провести эту очистку непосредственно после скрайбирования и перед разламыванием на кристаллы — отходы обработки в виде крошки могут стать причиной появления брака.
2.3. Фотолитография
Метод получения определённого рисунка на поверхности материала, широко используемый в микроэлектронике и других видах микротехнологий, а также в производстве печатных плат. Один из основных приёмов планарной технологии, используемой в производстве полупроводниковых приборов.
2.3.1. Нанесение и сушка резиста
Наиболее широко распространённый метод нанесения фоторезистов на поверхность — это центрифугирование. Этот метод позволяет создавать однородную плёнку фоторезиста и контролировать её толщину скоростью вращения пластины (порядка нескольких тысяч оборотов в минуту). Как правило, используется при работе с большими круглыми пластинами.
При использовании не подходящих для центрифугирования поверхностей, например для покрытия небольших поверхностей, используется нанесение погружением в фоторезист. Недостатками этого метода являются большой расход фоторезиста и неоднородность получаемых плёнок.
При необходимости нанести резист на сложные поверхности используется аэрозольное распыление, однако толщина плёнки при таком методе нанесения также не является однородной.
После нанесения резиста необходимо провести его предварительную сушку (задубливание). Для этого образец выдерживается несколько минут в печи, при температуре 100—120оС. Этот этап необходим для испарения растворителя, содержащегося в фоторезисте, что способствует улучшению адгезии, исключению прилипания к фотошаблону, возможности нанесения второго слоя фоторезиста и имеет положительное влияние в некоторых других аспектах.
2.3.2. Экспонирование
Процесс облучения светочувствительного материала актиничным электромагнитным излучением. Продуктами превращений полимеров могут быть полимерные молекулы иной полярности или (при деструкции полимерной цепи под действием излучения) мономеры. Продуктами превращений низкомолекулярных веществ могут быть, напротив, полимеры. В любом случае протекают процессы разрыва или образования химической связи, имеющие высокие активационные барьеры – или отрыв групп-заместителей от мономеров, или разрыв/образование связей между мономерами. Все эти реакции не протекают с заметными скоростями без воздействия высокоэнергетического
2.3.3. Проявление и удаление резиста
В зависимости от характера протекающих в резистах реакций, их подразделяют на две группы: позитивные и негативные. В негативных резистах под воздействием света (для фоторезитов) происходит полимеризация мономерных молекул с образованием полимерных, в результате чего растворимость резиста на облученных участках уменьшается, и после проявления они остаются на поверхности подложки. В позитивных резистах в результате реакции распада происходит разрыв связей в молекулах полимеров, и на облученных участках растворимость резиста увеличивается. При проявлении позитивных резистов облученные участки удаляются, а не облученные остаются на подложке .Проявление скрытого изображения для негативных фоторезистов заключается в обработке резиста органическим растворителем. В позитивных резистах продукты деструкции полимера обладают кислотными свойствами, и для перевода их в растворимую форму применяют растворы неорганических соединений с щелочными свойствами (например, KOH, NaOH для фоторезиста). После отмывки от следов проявителя и сушки полученную маску подвергают тепловому «задубливанию» (120÷180° С в зависимости от марки резиста), в результате чего окончательно формируются её защитные свойства. Термическая обработка облученного резистного слоя улучшает функциональные характеристики резистных масок, прежде всего их контрастность при проявлении. Кроме того, правильно выбранный режим обработки позволяет "залечивать" дефекты масок за счет релаксации механических напряжений, возникающих вследствие структурных перестроек резистных слоев во время их экспонирования.
Следующая операция – обработка участков поверхности подложки, не закрытых резистивным слоем, через сформированные на ее поверхности резистные маски, и перенос рисунка топологического слоя на подложку. Обычно обработка связана с травлением поверхности металла, осажденного ранее на подложку.
Используют как жидкостные, так и «сухие» методы травления (например, в плазме CF4). Завершающей операцией является удаление резиста с поверхности подложки. Для этого используют различные способы, в частности, обработку в органических растворителях с последующим механическим удалением слоя, кипячение в кислотах, ионно-плазменную и плазмохимическую обработку поверхности в атмосфере О2
2.4. Получение диэлектрических пленок
Диэлектрические пленки используют в качестве маскирующих покрытий при диффузии, а в готовых приборах и схемах - в качестве защиты и изоляции элементов и линий металлизации.
Диэлектрические пленки являются одним из наиболее ответственных элементов структуры приборов и во многих случаях определяют механизм отказов и, следовательно, надежность приборов. Любые неоднородности диэлектрических пленок как при маскировании, так и при защите почти неизбежно приводят к дефектам и отказам приборов.
2.4.1. Термическое окисление кремния
Окисление кремния – физико-химический процесс, применение которого необходимо в течение всего цикла изготовления ИС. Двуокись кремния, полученная термическим окислением, используется для формирования межкомпонентной изоляции в ИС, подзатворного диэлектрика в микросхемах, содержащих МОП структуры, служит в качестве маски при загонке легирующей примеси в необходимые места кремниевой пластины.
Процесс окисления происходит в кварцевом или карбид-кремниевом реакторе (трубе) при температурах Т 7000÷ 12000С в потоке “сухого” кислорода или паров воды. В качестве газов-разбавителей используются азот или аргон. Для устранения нежелательных загрязнений (примесей) в растущей плёнке двуокиси кремния при проведении процесса в реактор может подаваться небольшое количество хлористого водорода.
2.4.2. Контроль качества защитных диэлектрических пленок
При использовании защитных диэлектрических пленок SiO2 и Si3N4 в процессах планарной технологии подвергают контролю три основные характеристики: толщину пленки, наличие в ней сквозных отверстий (пористость) и количество дефектов на границе раздела кремний -- защитная пленка.
Толщина защитной диэлектрической пленки является главным критерием, определяющим максимальную глубину проникновения легирующей примеси в полупроводниковые кристаллы при проведении процесса диффузии в планарной технологии.
Наличие сквозных отверстий (пор) в защитной пленке приводит к паразитному легированию исходной подложки и замыканию отдельных активных областей транзисторных структур интегральной микросхемы при проведении процессов локальной диффузии.
Количество дефектов на границе кремний -- защитная пленка связано с плотностью зарядов на этой границе. Увеличение плотности зарядов приводит к ухудшению электрических параметров готовых полупроводниковых приборов и интегральных микросхем.
Таким образом, контроль рассмотренных характеристик защитных диэлектрических пленок позволяет оценить возможность их применения в последующих технологических процессах.
2.5. Легирование полупроводниковых подложек
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 диффузияоснована на перераспределении частиц одного вещества в другом в направлении убывания концентрации при тепловом воздействии.
Ионная имплантация - это введение в полупроводник необходимых 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 кристаллической решетке, разупорядочение ее и возникновение нескольких тысяч точечных дефектов. Поэтому полупроводниковые подложки для восстановления их кристаллической структуры и снятия напряжений после ионного легирования отжигают при 600 - 800°С или обрабатывают лазером.
Радиационно-стимулированная диффузия (РСД) представляет новое направление, являющееся комбинацией высокотемпературной диффузии и ионной имплантации. Этот метод сконцентрировал в себе ряд достоинств обоих ранее описанных методов. Сущность метода РСД заключается в бомбардировке кристалла легкими ионами, энергия которых передается атомам подложки. Вследствие этого наблюдается смещение атомов в междоузельное пространство и образуются вакансии. В определенных условиях вакансии могут мигрировать в кристалле, меняясь положением в решетке с соседними атомами основного кристалла или атомами примеси. Эта часть процесса носит диффузионный характер и аналогична термической генерации дефектов. Ионная бомбардировка увеличивает коэффициент диффузии любой примеси. При стимулировании диффузии в полупроводниках методом ионной бомбардировки главную роль играют неравновесные вакансии и междоузельные атомы. Ионизационные и полевые эффекты существенной роли не играют
2.5.1. Диффузионное легирование
Осуществляется посредством диффузии примесей в полупроводниковую подложку из Si при температуре T=(1150…1300)0 C (напомним, что температура плавления кремния составляет 14200 С).
По способу проведения различают общую и локальную диффузию.
Общая диффузия осуществляется по всей поверхности полупроводниковой подложки. В результате диффузии в полупроводниковой пластине создаётся тонкий диффузионный слой, например, n-типа проводимости (рис.1.7, а). Такой слой отличается от эпитаксиального неоднородным распределением примеси N (х) по глубине слоя
Локальная диффузия осуществляется на определенных участках пластины через окна в маске, например в слое SiO2 (рис. 1.8).
 В случае локальной диффузии примеси распространяются не только вглубь пластины, но и под маску, тo еcть во всех перпендикулярных направлениях. В результате этой, так называемой боковой диффузии участок p-n перехода выходящий на поверхность оказывается защищенным окислом SiO2. Если обозначить глубину диффузионного слоя через L, то глубина боковой диффузии равна 0.7L.
Диффузию можно проводить в одну и ту же пластину не более трех раз. В результате двухкратной диффузии получают n-p-n переход (рис. 1.9, а).
Для этого в эптаксиальный n-слой сначала на большую глубину проводится диффузия акцепторной примеси, при этом формируется базовая область будущего транзистора p-типа проводимости. Затем на меньшую глубину проводится диффузия примеси, создающей эмиттерную область n+ типа проводимости.
Профиль распределения концентраций примесей по глубине полупроводника имеет вид, показанный на рис 1.9, б.
Из рис. 1.9, б следует, что при проведении многократной диффузии концентрация каждой вновь вводимой примеси должна превышать концентрацию предыдущей, а глубина легирования, наоборот, должна быть меньшей. В противном случае тип проводимости полупроводника не изменится, значит, не образуется и p-n переход.
Таким образом, для каждой последующей диффузии следует выбирать легирующую примесь (которую в дальнейшем будем называть диффузант) с большим значением предельной растворимости Ns, чем в предыдущем случае. При этом руководствуются характеристиками примесей, используемыми при диффузионном легировании кремния, представленными в табл. 1.1.
Обычно вначале, в зависимости от типа проводимости подложки, проводят диффузию сурьмы, или бора, обладающих наименьшей предельной растворимостью Ns в кремнии.
2.5.2. Ионное легирование
Это технологическая операция введения примесей в поверхностный слой пластины или эпитаксиальной пленки путем бомбардировки ионами примесей.
Идея использования ионного пучка для легирования полупроводников (в частности, кремния) проста. Разогнанные электрическим полем, обладающие значитальной энергией ионы элементов, используемых обычно для создания примесной проводимости, внедряясь в кристалл полупроводника занимают в его решетке положение атомов замещения и создают соответствующий тип проводимости. Внедряя ионы III и IV групп в монокристалл кремния, можно получить p-n переход в любом месте и на любой прощади кристалла.
Основными блоками ионно-лучевой установки являются источник ионов, ионный ускоритель, магнитный сепаратор, система сканирования пучком ионов, мишень (пластина кремния).
Ионное легирование широко используется при создании БИС и СБИС. По сравнению с диффузией оно позволяет создавать слои с субмикронными горизонтальными размерами толщиной менее 0,1 мкм с высокой воспроизводимостью параметров.
2.6. Металлизация
Металлизация завершает процесс формирования полупроводниковых структур. Для каждой ИМС металлизацию желательно выполнять из одного материала. Процесс металлизации заключается в реализации межкомпонентных соединений с низким сопротивлением и создании контактов с низким сопротивлением к высоколегированным областям p- и n-типа и слоям поликристаллического кремния.
2.7. Технология монтажа и сборки кристаллов
Монтаж кристаллов в корпуса или на платы должен обеспечивать прочное механическое соединение, надежный электрический контакт, хороший теплоотвод. Выбор способа монтажа зависит от конструкции, назначений и условий эксплуатации полупроводниковых приборов и ИМС. При монтаже кристаллов используют четыре метода их присоединения: стеклом, пластмассой, приклеиваением низкотемпературную и эвтектическую пайку. Достоинством присоединения кристаллов стеклом является низкая стоимость, хорошее согласование по ТКЛР с соединяемыми материалами, а также возможность выполнения в многовыводных корпусах одновременно с пластмассовой герметизацией монтажа кристаллов и выводов. Монтажом в полупроводниковом производстве называют операции по креплению кристаллов со сформированными в них активными областями в корпуса (на ножки, кристаллодержатели). При монтаже достигаются требуемое расположение кристалла, прочное механическое соединение, надежный электрический контакт и хороший теплоотвод. После монтажа кристаллов проводится разводка выводов и герметизация приборов и ИМС. Операции монтажа кристаллов и подложек в корпуса относятся к наиболее важным и ответственным в техпроцессе сборки. В зависимости от назначения прибора кристаллы могут присоединяться и к промежуточному элементу-термокомпенсатору на плату. Используются наиболее эффективно для присоединения кристаллов пайка эвтектическими припоями, пайка низкотемпературными припоями, присоединение с помощью легкоплавких стекол, приклеивание токопроводящими и токонепроводящими клеями. Интенсивно проводятся исследования по разработке процессов присоединения кристаллов методом трехфазной сварки, в частности диффузионной. При выборе способа монтажа кристаллов учитываются конструктивные особенности прибора, его электрические и тепловые характеристики, тип корпуса и другие показатели.
Индивидуальное задание
Планарная технология изготовления полупроводниковых приборов
Это совокупность технологических операций, используемых при изготовлении планарных (плоских, поверхностных) полупроводниковых приборов и интегральных микросхем. Процесс включает в себя формирование отдельных компонентов транзисторов, а также объединение их в единую структуру.
Сутью концепции было рассмотрение схемы в проекции на плоскости, что позволяло использовать элементы фотографии, такие как негативные фотоплёнки при засвечивании светочувствительных реактивов. Последовательность таких фотопроекций позволила создавать на кремниевой подложке сочетания диоксида кремния (диэлектрик) и легированных участков (проводники). Применяя также металлизацию (для соединения элементов схемы) и концепцию изоляции элементов схемы p-n-переходами, смогли создать схему на одной кремниевой пластине («вафля»), изготовленной из монокристалического кремниевого слитка («буля»).
Принципы технологии
На вход технологии поступают пластины, называемые подложками. Состав материала подложек, кристаллическая структура (вплоть до межатомных расстояний в подложках для современных процессоров) и кристаллографическая ориентация строго контролируются. В ходе технологического процесса в приповерхностном слое полупроводникового материала, являющегося подложкой или нанесённого на подложку, создают области с различным типом или величиной проводимости, определяемой в конечном счёте различной концентрацией донорных и акцепторных примесей, а также материалом слоя. Поверх слоя полупроводникового материала, с использованием в нужных местах прослоек диэлектрического материала, наносятся слои проводящего материала, образующего контактные площадки и необходимые соединения между областями. Области и слои проводника, полупроводника и диэлектрика в совокупности образуют структуру полупроводникового прибора или интегральной микросхемы.
Особенность планарной технологии состоит в том, что после завершения каждой технологической операции восстанавливается плоская (планарная) форма поверхности пластины, что позволяет создавать достаточно сложную структуру, используя конечный набор технологических операций.
Планарная технология обеспечивает возможность одновременного изготовления в едином технологическом процессе огромного числа дискретных полупроводниковых приборов или интегральных микросхем на одной подложке, что позволяет существенно снизить их стоимость. Также в случае изготовления на одной пластине идентичных приборов параметры всех приборов оказываются близкими. Ограничителем является только площадь подложки, поэтому диаметр подложек по мере развития технологий производства подложек стремятся увеличивать.
Для контроля качества выполнения промежуточных операций на подложке, как правило, выделяют несколько малых областей (обычно в центре и на периферии), на которых в ходе штатного технологического процесса формируются тестовые проводящие дорожки и элементарные приборы (конденсаторы, диоды, транзисторы и т. п.). В этих же областях формируют контактные площадки относительно большой площади для тестирования годности пластин перед скрайбированием (разделением на отдельные приборы). Для совмещения изображений при фотолитографии также в специально выделенной области формируются знаки совмещения, подобные тем, какие можно встретить на многоцветной печатной продукции.
Основные технологические операции
Литография
Цепочка операций
Подготовка подложки: применяется механическая и химическая полировка для получения плоской поверхности без механических дефектов (выполняется 1 раз при поступлении подложки в техпроцесс);
формирование на поверхности подложки слоя необходимого материала с заданной структурой: эпитаксиальное наращивание, осаждение диэлектрических или металлических плёнок (операция выполняется не в каждом цикле);
создание на поверхности подложки защитного слоя: в случае кремниевых подложек для этого используется окисление поверхности, для удешевления процесса, а также в случае других подложек часто используется осаждение (CVD-процесс) слоя диоксида или нитрида кремния, либо другого материала с низким коэффициентом диффузии легирующих примесей. Толщина слоя подбирается так, чтобы за время, необходимое для создания легированной области необходимой конфигурации в подложке, легирующий элемент не достиг подложки сквозь защитный слой;
нанесение слоя фоторезиста, обладающего устойчивостью к используемым травителям;
совмещение изображений по знакам совмещения и экспонирование рисунка окон на слой фоторезиста (выполняется на степперах);
удаление (проявление) исключительно засвеченных (либо незасвеченных — зависит от типа фоторезиста) участков слоя фоторезиста;
стравливание защитного слоя с подложки на участках, не закрытых фоторезистом;
удаление остатков слоя фоторезиста;
возможная операция: внедрение легирующих примесей нередко проводят в двухстадийном процессе, разделяя фазы загонки примеси в приповерхностную область и разгонки загнанной примеси по требуемому объёму (отжига); загонка производится путём локальной (с поверхности или из газовой фазы) диффузии или ионной имплантации легирующих примесей через окна в защитном слое в поверхность подложки; режимы диффузии (имплантации) подбираются так, чтобы за время этой и всех последующих технологических операций размер легированной области достиг требуемых размеров по площади и глубине, а нарушенная радиацией при ионном легировании кристаллическая решётка восстановилась;
возможная операция: плазменное или химическое травление поверхности подложки для удаления излишков слоя ранее осаждённого материала.
плазменное или химическое травление поверхности подложки для удаления защитного слоя (выполняется не в каждом цикле).
планаризация (сглаживание неровностей) поверхности перед переходом к новому циклу, например при помощи процесса CMP.
Основные циклы, выполняемые при создании полупроводниковых приборов, следующие:
формирование областей р-типа (локальное внедрение примесей)
формирование областей n-типа (локальное внедрение примесей)
формирование проводящих дорожек и контактных площадок (удаление излишков слоя металла).
Завершающие операции при производстве микросхем
Скрайбирование
Крепление кристаллов к корпусу
Присоединение выводов к кристаллу
Герметизация кристалла
Тестирование
Заключение
Мы разобрались в технологических процессах в современном производстве интегральных микросхем. Также подробно рассмотрели основные технологические операции.
Библиографический список
а) основная литература
Барыбин А.А. Физико-технологические основы электроники : Учебник / А.А.Барыбин, В.Г.Сидоров ; Под общ. ред. А.А.Барыбина .− СПб. : Лань, 2006 .− 268 с.
Герасименко Н.Н. Кремний − материал наноэлектроники : учебное пособие / Н. Герасименко, Ю. Пархоменко .− М. : Техносфера, 2007 .− 351 с.
Пасынков В.В. Материалы электронной техники : Учебник для студ.вузов / В.В. Пасынков, В.С. Сорокин .− СПб. : Лань, 2001 .− 366 с.
Балашов, Ю. С. Сборочные операции и их контроль в микроэлектронике : Учеб. пособие / Ю. С. Балашов, В. В. Зенин, Ю. Е. Сегал; Воронеж. гос. техн. ун-т .− Воронеж : Изд-во Воронеж.гос. техн. ун-та, 1999 .− 160 с.
Курносов А.И., Юдин В.В. Технология производства полупроводниковых приборов и интегральных схем / А.И. Курносов, В.В. Юдин. − М.: Высш. шк., 1986. − 388 с.
Просолович В.С. Основы современных технологических процессов : курс лекций / В.С. Просолович, Ю.Н. Янковский, Д.И. Бринкевич .− Минск : БГУ, 2011 .− 134 с.
Старосельский В.И. Физика полупроводниковых приборов микроэлектроники : учеб-ное пособие для студ. вузов, обуч. по направлению подгот. 210100 "Электроника и микроэлектроника" / В.И. Старосельский .− М. : Юрайт, 2011 .− 463 с.
Степаненко И.П. Основы микроэлектроники: учебное пособие для вузов / И.П.Степаненко. − М. : Лаборатория Базовых Знаний, 2004 .− 488 с.
Технология, конструкции и методы моделирования кремниевых интегральных мик-росхем. Часть 2. Элементы и маршруты изготовления кремниевых ИС и методы их математического моделирования / М.А. Королев [и др.]. – М. : Бином. Лаборатория знаний, 2009. – 422 с.
Технология СБИС: В 2-х кн. / Под ред. Зи С. − М.: Мир, 1986. − Кн.1. − 404 с.; Кн.2. − 416 с.
Тилл У. Интегральные схемы: материалы, приборы, изготовление / У. Тилл, Дж. Лаксон . – М. : Мир, 1985. – 504 с.
Юрков Н.К. Технология производства электронных средств : учебник для студ. вузов / Н.К. Юрков .− Санкт-Петербург ; Москва ; Краснодар : Лань, 2014 .− 474 с.
Таиров Ю.М. Технология полупроводниковых и диэлектрических приборов : Учеб-ник для вузов / Ю.М. Таиров, В.Ф. Цветков .− СПб. : Лань, 2002 .− 422 c.
Горлов М.И. Диагностика в современной микроэлектронике / М.И. Горлов, В.А. Емельянов, Д.Ю. Смирнов .− Минск : Интегралполиграф, 2011 .− 375 с.
Томилин В.И. Физико-химические основы технологии электронных средств : учебник для студ. вузов / В.И. Томилин .− М. : Академия, 2010 .− 409 с.
Фотолитографические технологии в производстве оптических деталей : учебное пособие / Д. Ю. Кручинин, Е. П. Фарафонтова. – Екатеринбург : Изд-во Урал.ун-та, 2014. – 51 с.
б) дополнительная литература:
1. Автоматизация управления и проектирования в электронной промышленности / Ю.К. Фортинский [и др.] ; М-во обороны РФ, Упр. развития электронной компонент. базы, Науч.-исслед. ин-т электрон. техники, Воронежс. гос. лесотехн. акад. − Воронеж : Воронежский государственный университет, 2008 . 274 с.
2. Базовые лекции по электронике : (в 2 т.) : сборник / под ред. В.М. Пролейко. − Москва : Техносфера, 2009 .− Т. 2: Твердотельная электроника .−607 с.
3. Балашов, Юрий Степанович. Сборочные операции и их контроль в микроэлектронике : Учеб. пособие / Ю. С. Балашов, В. В. Зенин, Ю. Е. Сегал; Воронеж. гос. техн. ун-т .− Воронеж : Изд-во Воронеж.гос. техн. ун-та, 1999 .− 160 с.
4. Горлов М.И. Диагностика в современной микроэлектронике / М.И. Горлов, В.А. Емельянов, Д.Ю. Смирнов .− Минск : Интегралполиграф, 2011 .− 375 с.
5. Дрейзин В.Э. Управление качеством электронных средств : учебное пособие для студ. вузов / В.Э. Дрейзин, А.В. Кочура .− М. : Академия, 2010 .− 284 с.
6. Зиновьев Г.С. Силовая электроника : учебное пособие для бакалавров : [учебное пособие для студ. специальности "Промышл. электроника"] / Г.С. Зиновьев ; Новосибирский гос. техн. ун-т .− 5-е изд., испр. и доп. − Москва : Юрайт, 2012 .− 667 с.
7. Комаров Ф.Ф. Ионная имплантация диэлектриков / Ф.Ф. Комаров, А.В. Леонтьев .— Минск : БГУ, 2010 .− 190 с.
8. Марголин В.И. Физические основы микроэлектроники : учебник для студ. вузов / В.И. Марголин, В.А. Жабрев, В.А. Тупик .− М. : Академия, 2008 .− 398 с.
9. Нанотехнология в ближайшее десятилетие / Под ред. А.Н. Андриевского. – М.: Мир, 2002. – 320 с.
10. Парфенова Е.Л. Физические основы микро- и наноэлектроники : учебное пособие / Е.Л. Парфенова, Л.А. Терентьева, М.Г. Хусаинов .− Ростов-на-Дону : Феникс, 2012.− 234 с.
11. Пасынков В.В. Полупроводниковые приборы : Учебник для вузов / В.В.Пасынков, Л.К. Чиркин .− СПб. : Лань, 2006 .− 478 с.
12. Тенденции в развитии электроники и электронной промышленности : курс лекций / В.Б. Оджаев [и др.] .− Минск : БГУ, 2010 .— 262 с.
13. Томилин В.И. Физико-химические основы технологии электронных средств : учеб-ник для студ. вузов / В.И. Томилин .− М. : Академия, 2010 .− 409 с.
14. Чурилов А.Б. Введение в наноэлектронику / А.Б. Чурилов. – Ярославль: 2002. – 288с.
15. Шишкин Г.Г. Электроника : учебник для бакалавров : / Г.Г. Шишкин, А.Г. Шишкин ; Моск. авиац. ин-т (Нац. исслед. ун-т) ,Моск. гос. ун-т им. М. В. Ломоносова .− Москва : Юрайт, 2014 .− 703 с.
16. Физические основы технологии микроэлектроники : Учебное пособие / А.П. Бурмаков, П.И. Гайдук, Ф.Ф. Комаров, А.В. Леонтьев .— Минск : БГУ, 2002 .− 194 с.
17. Физические измерения в микроэлектронике / В.А. Пилипенко, В.Н. Пономарь, В.А. Горушко, А.А. Солонинко .— Минск : БГУ, 2003 .− 168 с.
18. Энциклопедия технологии полупроводниковых материалов : [в 2 т.] / под ред. К.А. Джексона и В. Шретера .− Воронеж : Водолей, 2004. - Т.2: Технологические процессы / пер. с англ. под ред. Э.П. Домашевской .− 2011 .− 908 с.
19. Ямпурин Н.П. Основы надежности электронных средств : учебное пособие для студ. вузов / Н.П. Ямпурин, А.В. Баранова ; под ред. Н.П. Ямпурина .− М. : Академия, 2010 .− 237 с.
Информационные электронно-образовательные ресурсы:
http://niiet.ru − Научно-исследовательский институт электронной техники.
http://www.lib.vsu.ru− Зональная научная библиотека ВГУ.
http://www.studfiles.ru - Файловый архив студентов.
http://www.intuit.ru − Национальный Открытый Университет «ИНТУИТ».
http://www.elibrary.ru − Научная электронная библиотека.
http://stud.izhdv.ru
https://ozlib.com – Технология, конструкция и методы моделирования кремниевых интегральных микросхем.
https://studme.org – Основы конструирования и технологии производства радиоэлектронных средств.
|
Скачать 1.15 Mb.