Лекции по курсу - Технология и автоматизация производства электронной аппаратуры

Подождите немного. Документ загружается.

181

ЛЕКЦИЯ 20

ТЕХНОЛОГИЯ ПРОИЗВОДСТВА ИНТЕГРАЛЬНЫХ СХЕМ

Укрупненная схема технологического процесса производства ИС эпитак-

сиально-планарной структуры на базе транзисторов n-p-n-типа со скрытым n

слоем (не считая выращивания и раскроя слитка кремния на пластины, их шли-

фовку и полировку) можно представить с помощью таких технологических

операций:

1. Окисление пластин кремния p-типа;

2. Первая литография на SiO

;

3. Диффузия n

- примеси;

4. Снятие окисла, эпитаксия n-слоя;

5. Окисление;

6. Вторая литография на SiO

;

7. Разделительная диффузия p-примеси;

8. Окисление;

9. Третья литография на SiO

;

10. Базовая диффузия p-примеси;

11. Окисление

12. 4-ая литография на SiO

;

13. Эмиттерная диффузия n-типа;

14. Окисление;

15. 5-ая литография на SiO

;

16. Металлизация;

17. 5-ая литография (на металле);

18. Вытравливание контактов;

19. Зондовый контроль ИС на пластине;

20. Скрайбирование, ломка пластины, отбраковка;

21. Монтаж кристалла в корпус;

22. Монтаж выводов;

23. Герметизация;

24. Контроль функциональных параметров, отбраковка;

25. Испытания ИС.

1÷20 операции – это групповая обработка.

21÷25 операции – индивидуальная обработка.

Отдельные этапы процесса

(фотолитография, диффузия, контроль и испы-

тания) состоят из 3÷10) операций.

Общее число операций изготовления монолитных ИС (без учета заготови-

тельного этапа получения пластин) свыше 100.

Продолжительность полного цикла обработки около 100 часов.

182

Цикл групповых процессов обработки ИС заканчивается получением меж-

соединений – металлических проводников на поверхности кристалла.

Контроль параметров отдельных элементов на предшествующих этапах

производства чрезвычайно сложен и экономически не выгоден.

Целесообразнее сохранять дефектные кристаллы в пластине до конца

групповой обработки, а отбраковку выполнять после выполнения межсоедине-

ний путем комплексной проверки ИС на функционирование

(на работоспособ-

ность).

Однако специальный анализ брака ИС на отдельных этапах представляет

большой интерес с точки зрения выявления узких мест производства. Для этого

используют кристаллы-свидетели.

В нижеприведенной таблице 20.1. (построенной с помощью кристаллов-

свидетелей) результат анализа распределения брака выявил, что на индивиду-

альную обработку поступает лишь около половины кристаллов.

Выход годных монолитных ИС. Таблица 20.1.

Наименование этапа процесса Процент

брака

Выход годных

на отдельных

этапах, %

Общий

выход

годных,

1. Разделительная диффузия 5 95 95

2. Диффузия базы 10 90 86

3. Диффузия эмиттера 15 85 72

4. Образование межсоединений 10 90 65

5. Контроль на функционирование 25 75 49

6. Скрайбирование 15 85 42

7. Монтаж выводов 15 85 35

8. Герметизация 5 95 34

9. Окончательные испытания 25 75 25

Окончательный процент выхода годных ИС свидетельствует о том, что в

производство следует запускать в 4 раза больше схем, чем это требуется по

плану. Точность выходных характеристик ИС непосредственно зависит от точ-

ности электрофизических параметров диффузионных областей.

Поэтому важным является межоперационный контроль в процессе диффу-

зии (обычно с помощью пластин-свидетелей).

Типичные для

эпитаксиально-планарных ИС параметры и допуски приве-

дены в таблице 20.2.

183

Таблица 20.2.

Параметры Номинальное зна-

чение

Допуск, %

1.Поверхностное сопротивление, Ом

а) Эпитаксиального слоя 150 ±15

б) Диффузионной базы 200 ±10

с) Диффузионного эмиттера 2,5 ±30

2. Отношение сопротивлений резисторов

±5

3. Коэффициент усиления по току, β 70 ±50

4. Напряжение пробоя перехода, В

а) коллектор-подложка 80 ±25

б) коллектор-база 45 ±30

в) эмиттер-база 6,7 ±3

5. Напряжение насыщения коллектора при малом

токе, В

0,4 ±25

Процесс производства ИС должен обладать высокой эффективностью, под

которой следует понимать высокое качество (высокий процент выхода годных

ИС) и низкую трудоемкость.

Для обеспечения высокой эффективности производства необходимо со-

блюдение ряда принципов:

Важнейшим является принцип технологической совместимости

элементов

ИС с наиболее сложным элементом, обычно транзистором.

Структура элементов (диодов, резисторов, конденсаторов) должна содер-

жать только те области, на основе которых построен транзистор.

Поэтому технологическое проектирование изготовления кристалла ИС

строится с учетом лишь структуры транзистора, а остальные элементы форми-

руются попутно.

Примером нарушения этого принципа является использование МДП-

конденсатора

в ИС с биполярными транзисторами, т. к. такой транзистор тре-

бует ряда дополнительных операций, связанных с получением диэлектрика

расчетной толщины.

В тоже время МДП-транзистор технологически совмещается с униполяр-

ным транзистором в МДП ИС.

В биполярных структурах в качестве конденсатора может быть использо-

ван обратно смещенный p-n-переход.

Т.о. характер и

последовательность операций обработки кристалла должны

полностью определяться структурой транзистора.

184

Вторым принципом является принцип групповой обработки, которая долж-

на охватывать как можно большее число операций.

Возможность групповой обработки ИС обусловлена широким использова-

нием физико-химических процессов (эпитаксия, диффузия, обезжиривание,

травление, отмывка), в которых в качестве рабочей среды используют газовые

и жидкие вещества.

Возможность одновременной обработки больших поверхностей позволяет

также вести многоместную обработку нескольких групповых заготовок одно-

временно на ряде операций.

В результате одновременной обработки и получения нескольких тысяч ИС

повышается воспроизводимость их характеристик и значительно снижается

трудоемкость изготовления отдельных ИС.

Так на пластине диаметром 50 мм можно, например, изготовить 625 ИС

размером 1×1 мм или 400 с размером 1,25×1,25 мм, или 275 размером 1,5×1,5

мм. Использование пластин большого диаметра лимитируется технологически-

ми трудностями обеспечения

равномерных свойств материала на большой

площади.

Индивидуальные операции на отдельных кристаллах значительно повы-

шают трудоемкость изготовления ИС и снижают экономичность процесса в це-

лом. Важным принципом технологии ИС является принцип универсальности

процессов обработки,

заключающийся в том, что для производства различных

по своим функциям ИС применяют идентичные по физической сущности про-

цессы с одинаковыми технологическими режимами.

Единая базовая структура для схем различных типов порождает и единую

базовую топологию, позволяющую одновременно производить микросхемы

различных типов.

Четвертый принцип – это принцип унификации пластин-заготовок, содер-

жащих максимальное

число признаков микросхемы.

Весь процесс производства ИС можно разделить на 2 этапа: заготовитель-

ный этап, в результате которого получают универсальную пластину-заготовку,

185

и этап специальной (избирательной) обработки, в результате которой микро-

схема приобретает определенные функциональные свойства.

Развитие этого принципа предполагает использование так называемого ба-

зового кристалла (платины), представляющего собой заготовку, в которой

сформирован универсальный набор элементов (с избыточностью).

Специальная обработка заключается в получении определенного рисунка

межсоединений в соответствии с функциональными свойствами микросхемы

данного

типа. Высокая чистота технологических сред, в которых осуществляет-

ся обработка, является общим требованием радиоэлектронного производства.

В производстве же ИС это требование приобретает принципиальное значе-

ние, перерастая в принцип высокой чистоты производства в целом.

Этот принцип предполагает использование материалов, практически не со-

держащих посторонних примесей, причем количество сознательно вводимых

примесей должно

быть строго регламентировано.

Требования к чистоте газов, используемых в процессах эпитаксии, диффу-

зии и пассивации сведены в таблице 20.3.

Таблица 20.3.

Содержание примесей, % объёма. (не более) Примесь

в N в Ar в O в H

0,0005 0,0005 --- 0,00001

0,001 0,001 0,001 ---

Точка росы – 65

С Точка росы

– +75

Содержание пылевых частиц не более 2÷3 в 1 л. газа при размере частиц не

более 0,7 мкм.

Столь жесткие требования обусловлены очень высокой чувствительностью

монокристаллического кремния к инородным атомам или ионам, наличие кото-

рых влияет на его свойства и обуславливает неисправный брак ИС.

Чем выше степень интеграции (чем больше элементов содержит ИС), тем

чувствительней» она к качеству выполнения операций, тем ниже процент вы-

хода годный ИС.

В связи с этим большое значение приобретают операции отмывки пластин,

т. е. полного удаления следов реактивов, остающихся от предыдущей обработ-

ки. Применяемая при этом вода (сверхчистая) не должна оставлять на поверх-

186

ности ионы растворенных в ней загрязнений, для чего воду подвергают процес-

сам деионизации (обессоливания).

Изложенное требование целиком относиться к заготовительному циклу об-

работки – очистки исходного материала, легированию и выращиванию моно-

кристалла, резке слитка, шлифовке, полировке и пассивации пластин.

Так, из-за недостаточно тщательной очистка поверхности перед пассива-

цией (окислением) кремния образуются

дефекты в окисной пленке (поры,

включения и т. п.), что приводит к браку в процессе фотолитографии и диффу-

зии.

Высокая плотность дефектов в окисной пленке и в исходном кремнии за-

трудняет внедрение в производство БИС, в которых используются кристаллы

большей площади, чем в обычных ИС. Недостаточная чистота процесса обра-

ботки,

кроме брака, приводит к быстрой деградации ИС на этапе их функцио-

нирования. Чистота процессов сборки и обработки обеспечивается и соответст-

вующей чистотой окружающей рабочей атмосферы, под которой понимают

минимальную запыленность воздуха.

В зависимости от допустимой запыленности производственные помещения

делят на 5 классов.

Предельная допустимая запыленность атмосферы производственного по-

мещения (по ОСТ 11.ПО

.050.001) сведена в таблице 20.4.

Таблица 20.4.

Класс чистоты атмосферы помеще-

ния как рабочего объема

Допустимое содержание частиц размером

не более 0,5 мкм в 1 л. воздуха

1 4

2 35

3 350

4 3500

5 По санитарным нормам (СН 245-71)

В помещениях 3-го и 4-го классов чистоты выполняют резку слитков полу-

проводникового материала, исследуют его физические свойства и надежность

ИС.

В помещениях 2-го класса чистоты осуществляют химическую обработку

пластин, обработку ИС, контроль электрических параметров, шлифовку и по-

лировку пластин, изготовление фотошаблонов.

187

В помещениях первого класса чистоты выполняют наиболее ответственные

операции: финишную очистку и отмывку пластин, фотолитографию, эпитакси-

альное наращивание, диффузию примесей, вакуумное напыление.

Производственные помещения должны удовлетворять определенным тре-

бованиям с точки зрения их расположения, внутренней отделки, герметично-

сти, правил поведение и форм одежды персонала. Чистота окружающей среды

проще и дешевле обеспечивается

в ограниченном объеме, необходимом для

выполнения той или иной операции.

Поэтому ряд операций фотолитографии и сборки осуществляют в изолиро-

ванных от окружающей среды устройствах – скафандрах, с помощью резино-

вых перчаток, герметично вмонтированных в скафандр.

В скафандр подается специально очищенный воздух под небольшим избы-

точным давлением для уменьшения вероятности проникновения пыли

извне в

рабочий объем.

Соединяя ряд скафандров герметичными каналами для передачи обрабаты-

ваемых изделий, создают технологические поточные линии (например, линии

фотолитографии).

Соответствующие требования предъявляются также к технологической та-

ре для хранения и транспортировки полуфабрикатов.

Для повышения точности, стабильности и воспроизводимости технологи-

ческих операций обработки и контроля большое значение имеет микроклимат

производственных

помещений.

По температурно-влажностным параметрам производственные помещения

делятся на три класса (см. табл. 20.5).

Таблица 20.5.

Температура,

С Класс помеще-

ний

Зимой Летом

Относительная

влажность, %

1 21±1 23±1 45±5

2 20±2 21±2 45±5

3 По санитарным нормам (СН 245-71)

Все перечисленные мероприятия, называемые вакуумной гигиеной, на-

правлены на повышение технологической и эксплуатационной надежности

микросхем.

188

ЛЕКЦИЯ 21

СТРУКТУРА ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ

МИКРОЭЛЕКТРОННОЙ ТЕХНОЛОГИИ

Управление ТП-ми в любой отрасли промышленности должно обеспечи-

вать получение продукции с определенными свойствами. Решение этой задачи

основывается на понимании взаимосвязи между свойствами изделия, особенно-

стями технологии его изготовления и характеристиками оборудования, с помо-

щью которого реализуется эта технология.

Производство ИМС представляет собой сложный процесс, в котором мож-

но выделить

три фазы:

- заготовительную, включающую в себя изготовление слитков, резку их на

пластины и получение пластин со скрытым слоем, подготовку оснастки и инст-

румента (фотошаблонов, транспортной и технологической тары, реактивов и

др.) и, наконец, производство корпусов, специальных лент, паучков для сборки

приборов;

- обрабатывающую, предназначенную для получения интегральных струк-

тур в

полупроводниковом материале или на его поверхности;

- сборочно-контрольную, завершающую изготовление ИМС. В неё входят

операции: разделения пластин на кристаллы, сборка схем в корпуса, герметиза-

ция, контроль качества изделий и испытания.

Основные характеристики ИМС, определяющие область их применения,

создаются обрабатывающей фазой. Она предъявляет особо высокие требования

к точности и стабильности ТП

-ов и условиям их выполнения. Все это, наряду с

большим разнообразием методов и приемов обработки, приводит к необходи-

мости решения сложных задач управления и разработки совершенных средств.

Технология обрабатывающей зоны получила название планарной. Она

универсальна, пригодна для производства разнообразных приборов, допускает

изменение состава операций, обеспечивает возможность построения гибкого

автоматизированного производства.

В технологическом оборудовании (ТО)

микроэлектроники используются различные физические явления.

189

Главные проблемы при создании такого оборудования – это организация

целенаправленного воздействия на полупроводниковые материалы, что связано

с получением необходимых свойств изделий, и создание условий для выполне-

ния этих операций путем формирования рабочего объема с жестко контроли-

руемыми свойствами среды.

К характеристикам рабочего объема, в котором выполняются технологиче-

ские операции, относятся:

- состав

среды, определяемый парциальным давлением паров веществ;

- давление в рабочем объеме;

- интенсивность и градиент электромагнитного поля;

- чистота среды, т.е. отсутствие в ней посторонних частиц, атомов, ионов и

т. д.

технологические операции в микроэлектронике характеризуются высокой

точностью, должны обеспечивать изменение свойств материалов в локальных

областях малых размеров и

исключать побочные явления, которые могут воз-

никать в процессе обработки.

Для формирования необходимых свойств ИМС используются:

- механическая обработка;

- химические реакции;

- воздействие сфокусированными пучками вещества – электронная и ион-

ная обработка;

- воздействие электромагнитным полем– низкотемпературная плазменная.

Комплекс оборудования для производства ИМС представляет собой пол-

ный набор технологических установок, измерительной

аппаратуры и средств

управления.

Так, поточная линия производственной системы диффузии включает:

- три (трехтрубные) диффузионные печи, оснащенные загрузчиками;

- газораспределительную систему;

- транспортную систему, позволяющую адресовать кассеты с пластинами в

любой реактор;

- центральный пульт управления линией;

190

- промышленные роботы, обеспечивающие перегрузку кассет из накопите-

ля в транспортную кассету и обратно.

Поточная линия комплектуется в виде чистого коридора, где в качестве

главного ТО используются физико-термические установки, установки ионной

имплантации, оборудование для эпитаксии.

Как правило формирование объема с необходимым типом проводимости

осуществляется с помощью термической диффузии, иногда ионной

импланта-

ции. Эти операции должны обеспечивать строгое соблюдение количества и

распределения примесей в материале подложки.

Поскольку объективный контроль процесса внедрения примеси невозмо-

жен, особое внимание при разработке ТО и систем управления (СУ) уделяется

обеспечению оптимальных технологических режимов. При этом выборочный

контроль результатов процесса позволяет определять его эффективность путем

оценки выхода

годных результатов на операции.

Существуют многочисленные методы термической диффузии: метод «за-

паянной ампулы»; диффузия в вакууме; метод «открытой трубы».

Общим для всех методов является:

- создание источника примеси на полупроводнике или вблизи его поверх-

ности;

- нагрев полупроводника до температур, обеспечивающих приемлемую для

производства скорость диффузии;

- прекращение процесса по достижении

расчетной глубины границы леги-

рованной области.

При изготовлении биполярных и металл-диэлектрик-полупроводник

(МДП)-схем наибольшее распространение получил метод «открытой трубы».

Диффузия при этом выполняется в две стадии.

На первой – «загонке» – диффузант переносится инертным газом к пласти-

нам и насыщает через открытые окна (в SiO

) поверхностный слой. Концентра-

ция примесей обычно определяется предельной растворимостью примеси (бора

или фосфора) в кремнии.