МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ЭЛЕМЕНТОВ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ИС И ИХ ИЗГОТОВЛЕНИЕ

Для изготовления полупроводниковых ИС попользуют в большинстве слу­чаев пластины монокристаллического кремния р — или и-типа проводимости, снабженные эпитаксиальными н так называемыми «скрытыми» слоями. В ка­честве легирующих примесей, с помощью которых изменяют проводимость исходного материала пластины, применяют соединения бора, сурьмы, фосфора, алюминия, галия, индия, мышьяка, золота. Для создания межсоединений и контактных площадок используют алюминий и золото. Весьма перспективен как материал проводников кристаллический поликремний, который ие обладает по­лупроводниковыми свойствами, как материал диэлектрических покрытий н изо­ляции элементов двуокись кремния и нитрид кремния. Применяемые (материалы должны обладать очень высокой чистотой: содержание примесей в большинстве материалов, используемых при изготовлении полупроводниковых микросхем, не должно превышать Ю-5 ... Ю-9 частей основного материала.

Изменяя определенным образам концентрацию примесей в различных частях монокристаллической полупроводниковой пластины, можно получить многослой­ную структуру, воспроизводящую заданную электрическую функцию и до из­вестной степени эквивалентную обычному дискретному резистору, конденсатору, диоду или транзистору [5].

Процесс изготовления современных полупроводниковых ИС весьма сложен. Он проводится только в специальных помещениях с микроклиматом на преци­зионном оборудовании. Основные технологические операции изготовления полу­проводниковых микросхем можно разделить на шесть этапов.

1. Механическая обработка кремния. От цилиндрического слитка монокрн-сталлического кремния отделяются круглые пластины толщиной 250...600 мкм (прн этой операции толщина нарушенного приповерхностного слоя монокристал­ла может превышать 80 мкм). Для снятия нарушенного слоя пластины шлифуют­ся и нумеруются, в результате толщина этого слоя уменьшается до 1...2 мкм. Для окончательной доводки поверхности пластин применяется химическое трав­ление. В настоящее время диаметр пластин доходит до 150 мм.

Эпитакснальное наращивание.

Термин «эпнтаксия» обозначает процесс ориентированного наращивания монокристаллической решетки кремния пластины за счет осаждения слоев. Прн введении дополнительных примесей получают эпитаксиальные слои (пленки с заданным типом проводимости). Например, иа пластине кремния с проводимостью п-типа можно получить эпитакснальиую пленку с проводимостью р-типа. Элитаксиальиый слой, представляющий собой монокристаллическое продолжение основного материала, ие имеет механических дефектов и напряжений. Эпитакснальное иаращиваиие производят в специаль­ных печах прн температуре около 1200°С. Скорость увеличения толщины плен­ки — несколько микрометров в час.

Наиболее широко используются эпитаксиальные пленки толщиной 1... 10 мкм, однако для получения современных полупроводниковых цифровых ИС с высо­ким быстродействием толщину пленки приходится уменьшать до единиц микро­метров

Окисление поверхности пластины. Для защиты и маскирования поверх­ности кремния при операциях диффузии применяется окисление пластин в атмосфере кислорода или паров воды при температуре 1000...1300СС. Толщина наращиваемого окисла — около 1 мкм.

Фотолитография. Комплекс фотолитографических процессов повторяется в технологическом процессе изготовления полупроводниковых микросхем не­однократно (от 3 до 14 раз). Каждый раз на окисленную пластину кремния наносится тонкий слой (толщиной около 1 мкм) светочувствительной эмуль­син— органического фоторезиста, который засвечивается через фотошаблон от источника ультрафиолетового излучения. После проявления фоторезиста сла-бым раствором щелочи можно «вскрыть» необходимые «окна» иа поверхности окисла хремиия. В этих окнах смесью фтористого аммония н плавиковой кислоты двуокись кремния SiOj стравливается и тем самым селективно (выборочно) открывается поверхность кремния.

Диффузия примеси в кремнии. Этот процесс проводят в диффузионных печах при температуре примерно 1200°С с применением специальных примесей. Для получения проводимости л-типа применяют диффузаяты: фосфор, сурьму, мышьяк; для получения проводимости р-типа — бор, галлий, индий.

Создание межсоединений. Для создания «монтажа» между элементами подложки полупроводниковой ИС пластина кремния со сформированными эле­ментами (транзисторами, диодами и резисторами) покрывается слоем осаж­денного алюминия толщиной 0.5...2 мкм, который затем в ненужных местах стравливается через соответствующие окна фоторезиста (после заключительной операции фотолитографии). При этом на поверхности полупроводника остается рисунок соединительных алюминиевых проводников, имеющих ширину около 10 мкм, а также контактных площадок.

В настоящее время для создания полупроводниковых ИС на биполярных транзисторах используется несколько разновидностей технологических процессов, отличающихся главным образом способами создания изоляции между отдель­ными элементами.

Наиболее широко применяется традиционная плаиарио-эпитаксиальная тех­нология с изоляцией элементов при помощи обратносмещенных р-л переходов. Недостатками такого метода изоляции структур считаются увеличенные пара­зитные емкости и токи утечки между отдельными элементами, большая площадь элементов (с учетом площади изолирующих областей), относительно невысокие пробивные напряжения, низкая радиационная стойкость. Однако структуры с р-п изоляцией наиболее просты в изготовлении.

В изопланарной технологии изоляция элементов осуществляется травлением канавок между элементами с последующим термическим окислением поверхности этих канавок. При этом удается примерно вдвое повысить плотность разме­щения элементов, повысить радиационную стойкость и надежность ИС, увели­чить процент выхода годных ИС.

Полипланарная технология предусматривает заполнение зазоров между эле­ментами поликристаллическим кремнием, что позволяет еще больше увеличить плотность размещения элементов (в три раза больше, чем в плаиарном про­цессе), уменьшить паразитные емкости между элементами, увеличить надеж­ность ИС.

Еще большую плотность размещения элементов позволяет получить техно­логия с использованием анизотропного травления канавок (травление вдоль кристаллографических осей).

Большое многообразие технологических процессов (как более простых, так и более сложных, чем биполярные) используется и при изготовлении полупро­водниковых ИС иа МОП структурах [6]. Эти структуры образованы тремя слоями: металл (затвор), окисел (изоляция затвора), полупроводник (области истока, канала и стока). Стандартная технология (металлический затвор с однослойной диэлектрической изоляцией толщиной около 1 мкм) позволяет изготавливать МОП транзисторы как с р-каналом, так и с я-каналом (в пер­вом случае носителями заряда являются дырки, во втором — электроны, по­этому я-канальные МОИ ИС обладают более высоким быстродействием, чем р-канальные). Рабочая частота цифровых МОП ИС, выполненных по стандартной технологии, не превышает 1...2 МГц, аналоговых — 300...500 МГц (за счет большого тока питания).

В МНОП ИС используется двухслойный диэлектрик между металлическим затвором и полупроводником: слой двуокиси кремния толщиной около 50 мкм и слой нитрида кремния (Н) толщиной 10...20 мкм. МНОП структуры имеют пониженное пороговое напряжение по сравнению со стандартными МОП струк­турами.

С целью повышения быстродействия МОП ИС применяется также прогрес­сивная технология с использованием кремниевых затворов. Вместо слоя металла используются области сильнолегирозаиного кремния толщиной около 1 мкм. Этим приемом удается повысить быстродействие цифровых ИС в 3...5 раз, сни­зить пороговое напряжение открывания ключа н увеличить в 1,5 раза плот­ность размещения элементов. Изготовление МОП ИС на изолирующих подлож­ках (сапфир или шпинель с эпитаксиально выращенным слоем кремния тол­щиной около 1 мкм) позволяет в настоящее время повысить быстродействие таких ИС до 100 МГц (до 250 МГц в перспективе).

Применение в составе МОП ИС транзисторов с разным типом проводимости (р-канальных и я-канальных) позволяет создавать цифровые ИС с относительно высоким быстродействием (до 20 МГц) при очень малой статической потреб­ляемой мощности (произведение потребляемой мощности на быстродействие составляет около 1 пДж). Эти структуры называются КМОП (буква К — от слова комплементарный, дополнительный).

Изготовление МОП ИС с применением двойной диффузии (сначала созда­ется р-канал, а затем в нем я-слой) позволяет уменьшить длину канала до 1...2 мкм (прн стандартной технологии не удается сделать канал длиной менее 5 мкм), в результате пропорционально увеличивается быстродействие каскада.

На основе арсенида галлия удается изготовить МОП транзисторы с часто­той генерации до 10 ГГц. В цифровой технике на таких транзисторах можно получить ключи с временем задержки сигнала менее 1 ис.