ПРОИЗВОДСТВО КРЕМНИЕВЫХ И ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ
     

David G. Baldwin, James R. Rubin, Afsaneh Gerami


Общие сведения о технологии изготовления кремниевых полупроводниковых приборов
Описание технологии изготовления кремниевых полупроводниковых приборов - как дискретных схем (полупроводниковых схем, содержащих только один активный прибор, например, транзистор), так и интегральных микросхем (соединенных между собой матриц активных и пассивных элементов на одной полупроводниковой подложке, способных выполнять, по крайней мере, функцию одной электронной схемы) - включает многочисленные высокотехнологические процессы и операции. Цель данной статьи состоит в общем описании и объяснении основных технологических этапов изготовления кремниевых полупроводниковых приборов и соответствующих вопросов охраны окружающей среды, здоровья и безопасности (EHS).
     
Изготовление интегральных схем (IC) представляет собой цепь технологических процессов, которые могут повторяться много раз. В самых популярных IC применяется 6 и более масок для формирования рисунков, чаще всего от 10 до 24. Изготовление микросхемы начинается с кремниевой пластины, имеющей сверхвысокую чистоту и диаметр от 4 до 12 дюймов. Высокочистый кремний является почти изолятором, но определенные примеси, которые называются легирующими добавками и добавляются в количестве от 10 до 100 частей на миллион, делают кремний способным проводить электричество.
     
 Интегральная схема может содержать миллионы транзисторов (а также диодов, резисторов и конденсаторов) из легированного кремния, соединенных между собой по соответствующей схеме, которые образуют логическую ячейку вычислительной машины, ячейку памяти или схему другого типа. Сотни микросхем могут быть изготовлены на одной пластине.
     
Для всех кремниевых полупроводниковых приборов существует шесть основных технологических процессов: окисление, литография, травление, легирование, химическое парофазное осаждение и металлизация. Затем следуют процессы сборки, испытания, маркировки, упаковки и отгрузки.

Окисление
Обычно первый этап изготовления полупроводниковых приборов включает окисление внешней поверхности пластины, которое позволяет получить тонкую пленку (около одного микрона) диоксида кремния . Эта пленка защищает поверхность кремния от проникновения посторонних химических веществ и служит маской для последующего процесса диффузии. Возможность создавать ("выращивать") на кремнии химически устойчивую защитную пленку диоксида кремния делает кремниевые пластины наиболее широко применяемыми полупроводниковыми подложками.
     
Окисление, обычно называемое термическим окислением, представляет собой процесс, который выполняют в высокотемпературных диффузионных печах. Защитная пленка диоксида кремния выращивается в атмосфере, содержащей либо кислород (сухое окисление), либо кислород в смеси с водяным паром (жидкостное окисление). Температура в печах поддерживается в диапазоне от 800 до . Также могут добавляться хлористые соединения в виде хлористого водорода (HCl) для контроля нежелательных примесей. На современных предприятиях наблюдается тенденция к применению вертикальных печей окисления. Вертикальные печи лучше соответствуют требованиям строгого контроля загрязнений, большему размеру пластин и делают возможной более равномерную технологическую обработку. Они также позволяют экономить драгоценное место чистых помещений.

Сухое окисление
Кремниевые пластины, подвергаемые окислению, сначала очищаются с помощью детергента и водного раствора, растворителей с ксилолом, изопропиловым спиртом или других. Очищенные пластины высушиваются и загружаются в кварцевый держатель для пластин, который называется лодочкой. Затем они помещаются в кварцевую трубу или ячейку диффузионной печи с операторского конца (загрузочный конец). Через входной конец трубы (источник) подается высокочистый кислород или смесь кислорода и азота. Поток "сухого" кислорода контролируется в кварцевой трубе и обеспечивает избыток кислорода для выращивания диоксида кремния на поверхности кремниевой пластины. Основная химическая реакция следующая:
Si + ->

Жидкостное окисление
Наиболее распространенные способы введения водяного пара, когда вода является окислителем, следующие: пирофорное окисление, под высоким давлением, барботерное и импульсное. Основные химические реакции имеют следующий вид:
     
Пирофорное окисление и под высоким давлением:
 Si + 2 + 2-> + 2

     
     Барботерное и импульсное окисление:
Si + 2 -> + 2


Пирофорное окисление включает введение и горение смеси газа-окислителя кислорода и газообразного водорода. Такие системы обычно называются горящими водородными системами или горелками. Водяной пар образуется, когда необходимое количество водорода и кислорода вводится на входе трубы и вступает в реакцию. Данная смесь должна строго контролироваться, чтобы обеспечивалось надлежащее горение и предотвращалось накопление взрывоопасного газообразного водорода.
     
Окисление под высоким давлением (HiPox) технически называется системой пиросинтеза воды; водяной пар при этом образуется посредством реакции сверхчистого водорода и кислорода. Затем пар откачивается в камеру высокого давления, в которой создается давление в 10 атмосфер, что ускоряет процесс жидкостного окисления. В качестве источника пара также может применяться деионизованная вода.
     
При барботерном окислении деионизованная вода подается в контейнер, который называется барботер. В нем поддерживается постоянная температура воды ниже точки кипения () с помощью нагревательной сетки. Газообразный азот или кислород подается на вход барботера, насыщается водяным паром, когда он поднимается через воду, и выпускается через выход в диффузионную печь. Барботерные системы чаще всего применяются в качестве систем окисления.
     
При импульсном окислении деионизованная вода непрерывно стекает на поверхность подогреваемого дна кварцевого контейнера. Происходит интенсивное испарение воды при попадании на горячую поверхность. Газообразный азот или кислород течет над испаряющейся водой и переносит водяной пар в диффузионную печь.

Литография
Литография (фотолитография или просто маскирование) - это процесс точного создания рисунков на окисленной поверхности пластины. Микросхема создается слой за слоем; при этом каждый слой получает рисунок от фотошаблона, созданного на этапе схемотехнического проектирования.
     
В полиграфической промышленности разработаны методы, являющиеся настоящими предшественниками процессов изготовления современных полупроводниковых приборов. Эти методы связаны с изготовлением печатных форм, обычно металлических, на поверхности которых после удаления материала посредством химического травления образуется рисунок. Аналогичный базовый метод применяется при создании эталонных фотошаблонов, используемых при изготовлении каждого слоя микросхемы.
     
Созданию фотошаблонов предшествует этап автоматизированного схемотехнического проектирования на основе электрической принципиальной схемы. Это позволяет быстро создавать фотошаблоны и облегчает внесение необходимых изменений. Данный метод называется автоматизированным проектированием (CAD). Использование мощных компьютерных алгоритмов системами проектирования в режиме on-line дают разработчику возможность проектировать топологию схемы и модифицировать её непосредственно на экранах дисплеев с интерактивными графическими возможностями.
     

Окончательный рисунок, или фотошаблон, для каждого слоя схемы создается с помощью фото-графопостроителя, управляемого компьютером, или с помощью генератора изображений. Полученные с помощью фото-графопостроителя рисунки уменьшаются до фактических размеров схемы. Эталонный фотошаблон изготавливается на стеклянной пластине, покрытой пленкой хрома, его рисунок воспроизводится на рабочем фотошаблоне, который служит как для контактной, так и для проекционной литографии на пластине.
     
Фотошаблоны формируют рисунок проводящих и изолирующих областей, который переносится на пластину с помощью фотолитографии. Большинство фирм не производит собственные фотошаблоны, а применяют поставляемые изготовителями.

Очистка


go_down.gif Следующая часть документа