В 60-е годы огромные усилия исследователей были направлены на создание тонкопленочных активных элементов. Однако надежно работающих транзисторов с воспроизводимыми характеристиками никак не удавалось получить, поэтому в тонкопленочных ГИС продолжают использовать активные навесные элементы. К моменту изобретения интегральных микросхем из полупроводниковых материалов уже научились изготавливать дискретные транзисторы и резисторы. Для изготовления конденсатора уже использовали емкость обратно смещенного p-n перехода. Для изготовления резисторов использовались омические свойства кристалла полупроводника. На очереди стояла задача объединить все эти элементы в одном устройстве.
5.2 Основы развития технологии микроэлектроники.
5.2.1
Развитие микроэлектроники определяется уровнем достигнутой микротехнологии.
Планарная технология. При планарной технологии требуется обеспечить возможность создания рисунка тонких слоев из материала с различными электрическими характеристиками, чтобы получить электронную схему. Важная особенность планарной технологии заключается в ее групповом характере: все интегральные схемы (ИС) на пластине изготавливают в одном технологическом цикле, что позволяет одновременно получать несколько полупроводниковых схем.
5.2.1.1
Технологические процессы получения тонких пленок.
1) Эпитаксия (упорядочение) – процесс наращивания на кристаллической подложке атомов упорядоченных в монокристаллическую структуру. с тем чтобы структура наращиваемой пленки полностью повторила кристаллическую ориентацию подложки. Основное достоинство техники эпитаксии состоит в возможности получения чрезвычайно чистых пленок при сохранении возможности регулирования уровня легирования. Применяют три типа эпитаксиального наращивания: газовую, жидкостную и молекулярную.
При газовой эпитаксии водород с примесью четырех хлористого кремния (SiCl4 + H2) с контролируемой концентрацией пропускают через реактор (Рис. 5.1), в котором на графитовом основании (1) расположены кремниевые пластины (2). С помощью индукционного нагревателя графит прогревается выше 1000 0С эта температура необходима для обеспечения правильной ориентации осаждаемых атомов в решетке и получении монокристаллической пленки. В основе процесса лежит обратимая реакция: SiCl4 + 2H2 ↔ Si + 4HCl – прямая реакция соответствует получению эпитаксиальной пленки, обратная реакция травлению подложки. Для легирования эпитаксиальной пленки в газовый поток добавляют примесные атомы. Фосфорит (PH3) используют в качестве донорной примеси, а диборан (B2 H3) в качестве акцепторной примеси.
При жидкостной эпитаксии получают многочисленные структуры из разных материалов. На Рис. 5.2: 1, 2, 3, 4 – растворы
5 – скользящий графитовый держатель растворов
6 – подложка
7 – основной графитовый держатель
8 – толкатель
9 – электрическая печь
10 – кварцевая труба
11 – термофара
Подвижная конструкция с различными растворами последовательно подводит растворы к подложке. Таким образом получают гетеропереходы с различными материалами толщиной менее 1 мкм (Ge – Si, GaAs – GaP)
Молекулярно-лучевая эпитаксия проводится в сверхвысоком вакууме и основана на взаимодействии нескольких молекулярных пучков с нагретой монокристаллической подложкой. На Рис. 5.3 иллюстрируется процесс получения соединения AlxGa1–xAs. Каждый нагреватель содержит тигель, являющимся источником молекулярного пучка одного из основных элементов пленки. Температура каждого нагревателя выбирается таким образом, чтобы давление паров, испаренных материалов, было достаточно для образования молекулярных пучков. Подбором температуры нагревателя и подложки получают пленки со сложным химическим составом. Дополнительное управление процессом выращивания осуществляется с помощью специальных заслонок, расположенных между нагревателем и подложкой. Метод молекулярно-лучевой эпитаксии наиболее перспективен для твердотельной электроники в которой существенную роль играют слоистые структуры субмикронных размеров.
2) Окисление. Слой двуокиси кремния формируется обычно на подложке за счет химического соединения атомов кремния с кислородом, который подается к поверхности кремниевой подложки нагретой технической печи до температуры 900-1200 оС.
Рис. 5.4 : 1 – подложка
2 – кварцевая лодочка
3 – нагреватель
4 – кварцевая труба
Окислительной средой может быть сухой или влажный кислород. Окисление происходит быстрее в атмосфере влажного кислорода, поэтому оно используется для получения толстых пленок SiO2. Наиболее часто используется толщина окисла составляющая десятые доли мкм, а верхний практический предел 1–2 мкм.
5.2.2 Литографические процессы используемые для формирования токологии микросхем.
5.2.2.1 Фотолитография.
Фотолитография является основным технологическим процессом в микроэлектронике при получении линий шириной до 1 мкм и его долей. Сначала изготавливают оригинал топологии микросхемы в сильноувеличенном размере (до 500 раз). Затем делают фотографию с уменьшением в 100 раз, затем в 10 раз и т.д. пока окончательное изображение на пластине не будет точно соответствовать требуемой схеме. Полученная фотопластина используется в качестве маски для передачи рисунка на поверхность подложки. Рассмотрим фотолитографический процесс для получения отверстия в слое двуокиси кремния расположенном на подложке. Рис. 5.5
1 – стеклянный фотошаблон
2 – фоторезист
3 – SiO2 (окись кремния)
4 – кремниевая подложка
5 – светонепроницаемый рисунок на фотоэмульсии
6 – ультрафиолетовое излучение
Этапы:
а) Первичное покрытие
б) Контактная печать
в) После проявления
г) После травления
д) После удаления фоторезиста
Сначала на окисный слой наносят фоторезист (2), затем к фоторезисту прикладывают стеклянный фотошаблон (1) с рисунком соответствующим той части окисла, которая должна быть удалена (5). Экспонируют фотошаблон в ультрафиолетовых лучах (6). Проявляют. В процессе проявления не экспонированные участки фоторезиста (2) растворяются. Окисный слой в окне стравливают кислотным раствором и удаляют оставшийся слой фоторезиста – такой метод называется методом контактной печати. Кроме того используют проекционную печать, когда между фотошаблоном и подложкой располагают оптические линзы.
5.2.2.2 Электронно-лучевая литография.
Для получения рисунка методом электронной литографии применяют два способа:
1) Электронный луч, управляемый ЭВМ, перемещается заданным образом по поверхности подложки.
2) Электронный пучок проходит через специальные маски.
В первом случае применяют два типа сканирующих систем – растровую и векторную. В растровой системе электронный луч модулируется по интенсивности и построчно проходит по всей поверхности подложки. В векторной системе электронный луч отклоняется таким образом, что его след на резисте точно соответствует необходимому рисунку.
Во втором варианте фотокатод располагают на поверхности оптической маски с заданным рисунком. Ультрафиолетовые лучи облучают фотокатод сквозь маску, что приводит к эмиссии электронов с фотокатода в соответствующих рисунку областях. Эти электроны проецируются на поверхность резиста с помощью однородных совпадающих по направлению электростатических и магнитных полей. Разрешающая способность такой системы соответствует субмикронным размерам по всей площади подложки.
5.2.2.3 Рентгеновская литография.
Метод рентгеновской литографии иллюстрируется на Рис. 5.6 :
1а – электронный луч
2а – мишень
3а – рентгеновские лучи
1 – прозрачный материал
2 – поглотитель
3 – прокладка
4 – полимерная пленка (резист)
5 – подложка
Маска состоит из мембраны (4) прозрачной для рентгеновских лучей, поддерживающей пленку, которая имеет заданный рисунок и сделана из материала сильно поглощающего рентгеновские лучи. Эта маска располагается на подложке покрытой радиационно чувствительным резистом. На расстоянии Д от маски находится точечный источник рентгеновского излучения, которое возникает при взаимодействии сфокусированного электронного луча с мишенью. Рентгеновские лучи облучают маску, создавая проекционные тени от поглотителя рентгеновских лучей на полимерные пленки. После экспонирования удаляют либо облученные области при позитивном резисте, либо не облученные при негативном резисте. При этом на поверхности резиста создается рельеф, соответствующий рисунку. После получения рельефа на резисте подложка обрабатывается травлением, наращиванием дополнительных материалов, легированием, нанесением материала через окна в рисунке резиста.
5.2.2.4 Ионно-лучевая литография.
Появилась как результат поиска путей преодоления ограничений электронной и рентгеновской литографии. Возможны два способа формирования изображения на ионорезисте: сканирование с фокусированным лучом и проецирование топологии с шаблона в плоскость подложки. Сканирующая электронно-лучевая литография аналогична сканирующей электронной литографии. Ионы He+, H+, Ar+ образуемые в источнике ионов вытягиваются из источника, ускоряются и фокусируются в плоскость подложки электронно-оптической системы. Сканирование выполняют кадрами площадью 1 мм2 с пошаговым перемещением столика с подложкой и совмещением на каждом кадре. Сканирование с фокусированным ионным лучом предназначено для получения топологии с размерами элементов от 0,03–0,3 мкм. Проекционная ионно-лучевая литография выполняется широким коллимированным ионным пучком площадью 1 см2.
5.2.3
Перспективы развития планарной технологии в США изложены в "Национальной технологической маршрутной карте полупроводниковой электроники" отражающей развитие микроэлектроники до 2010 года. По прогнозам этой работы основным материалом в производстве массовых СБИС будет служить по прежнему кремний. В производстве СБИС предусматривается использовать усовершенствованные процессы микролитографии с применением резистивных масок формируемых при ультрафиолетовом или рентгеновском облучении для создания токологических рисунков на полупроводниковые пластины.
