Технологии производства полупроводниковых приборов

Поскольку большинство полупроводниковых приборов являются кремниевыми, в данном разделе описывается производство полупроводниковых приборов только на основе кремния. Кремний является наиболее подходящим материалом для интегральных микросхем, потому что легко образует оксидное покрытие, полезное при создании таких интегральных компонентов, как транзисторы.

Кремний является вторым наиболее распространенным элементом в земной коре в виде диоксида кремния, SiO₂, известного как кварцевый песок. Кремний освобождается из диоксида кремния путем восстановления с помощью углерода в электрической дуговой печи.

SiO2 + C = CO2 + Si

Такой кремний, полученный металлургическим способом, подходит для использования в кремниевых покрытиях трансформаторной стали, но не достаточно чист для использования в полупроводниковых приборах. Превращение в хлорид SiCl₄ (или SiHCl₃) позволяет провести очистку путем фракционной перегонки. Восстановление сверхчистым цинком или магнием дает пористый кремний, который требует дополнительной очистки. Или, термическое разложение на горячем поликристаллическом кремниевом стержневом нагревателе водородом дает сверхчистый кремний.

Si + 3HCl = SiHCl3 + H2SiHCl3 + H2 = Si + 3HCl2

Поликристаллический кремний плавится в кварцевом тигле, нагреваемом графитовым нагревателем. Графитовый нагреватель может работать при низком напряжении и высоком токе. В процессе Чохральского расплавленный кремний затвердевает в монокристаллический кремниевый стержень (размером с карандаш) с необходимой ориентацией кристаллической решетки (рисунок ниже). Стержень вращается и поднимается по уровню вверх, чтобы диаметр расширился до нескольких дюймов. После того, как нужный диаметр достигнут, монокристалл поднимается по уровню вверх, чтобы поддерживать постоянный диаметр на длине в несколько футов. В расплав в тигле могут быть добавлены примеси, чтобы создать, например, полупроводник P-типа. Система выращивания монокристалла заключена в инертной атмосфере.

Конечный монокристалл стачивается до точного окончательного диаметра и обрезается с концов. Слиток разрезают на пластины с помощью алмазной пилы с лезвием по внутреннему диаметру. Пластины шлифуются и полируются. Пластины могут иметь эпитаксиальный слой N-типа, выращенный на вершине пластины для более высокого качества путем термического осаждения. Пластины на данном этапе производства производителем кремниевых пластин поставляются производителю полупроводниковых приборов.

Обработка полупроводников включается в себя фотолитографию, процесс изготовления литографических печатных шаблонов с помощью кислотного травления. Версия этого процесса в производстве электроники – обработка печатных плат с медной фольгой, которая рассматривается на рисунке ниже в качестве легкого введения в фотолитографию, применяемую при производстве полупроводниковых приборов.

Мы начинаем с печатной платы из пропитанного эпоксидной смолой стекловолокна и ламинированного медной фольгой (рисунок (a) выше). Нам также необходим позитивный фотошаблон с черными линиями, соответствующими линиям медных проводников и площадок, которые должны остаться на готовой плате. Необходим позитивный фотошаблон, потому что используется позитивный фоторезист, несмотря на то, что для обработки и печатных плат, и полупроводников доступен негативный фоторезист. На рисунке (b) жидкий позитивный фоторезист наносится на медную поверхность печатной платы. Ему дается время высохнуть, также он может быть помещен в духовку (процесс предварительного задубливания). Фотошаблон может быть копией оригинального шаблона, нанесенной на прозрачную пластиковую пленку и масштабированной до нужного размера. Фотошаблон находится в контакте с печатной платой под стеклянной пластиной (рисунок (c)). Плата подвергается воздействию ультрафиолетового света (d), чтобы сформировать скрытое изображение из размягченного фоторезиста. Фотошаблон удаляется (e), и размягченный фоторезист смывается щелочным раствором (f). Промытая и высушенная (запеченная) плата имеет закаленный фоторезист, изображающий на поверхности медные дорожки и площадки, которые останутся после травления. Плата погружается в жидкость для травления (g) для удаления меди, не защищенной закаленным фоторезистом. Протравленная плата ополаскивается, а оставшийся фоторезист удаляется растворителем.

Основное различие в нанесении рисунка на полупроводники заключается в том, что место фоторезиста на этапах высокотемпературной обработки используется слой диоксида кремния на поверхности пластины. Но всё же, фоторезист требуется в условиях влажной обработки при низких температурах при нанесении рисунка на диоксид кремния.

Легированная кремниевая пластина N-типа на рисунке (a) ниже является исходным материалом в производстве полупроводниковых соединений. На поверхности пластины выращивается слой диоксида кремния (b) при высокой температуре (выше 1000°С) в диффузионной печи в присутствии кислорода или водяного пара. Капля резиста помещается в центр охлажденной пластины, а после чего та вращается в вакуумном патроне, для равномерного распределения резиста. К пластине с запеченным резистом (c) прикладывается маска из хрома на стекле (d). Эта маска содержит шаблон окна, которые подвергаются воздействию ультрафиолета (e).

После снятия маски (рисунок (f) выше) позитивный фоторезист может быть обработан щелочным раствором (g) для открытия окон в размягченном ультрафиолетом фоторезисте. Назначением фоторезиста является защита диоксида кремния от плавиковой кислоты во время травления, оставляя открытыми только окна, соответствующие открытым участкам на маске. Оставшийся фоторезист (i) удаляется с пластины перед возвращением в диффузионную печь. Пластина подвергается воздействию газообразной легирующей примеси P-типа при высокой температуре в диффузионной печи (j). Примесь диффундирует в кремний только через отверстия в слое диоксида кремния. Каждая P-диффузия через отверстие создает PN переход. Если конечным продуктом должны были стать диоды, то пластина размечается алмазом и разделяется на отдельные чипы диодов. Однако, обработка пластины может быть продолжена и дальше, для получения биполярных транзисторов.

Для преобразования диодов в транзисторы требуется небольшая диффузия N-типа в середине существующей P-области. Эту задачу решает повторение предыдущих шагов с маской, имеющей меньшие размеры отверстий. Хотя это и не показано на рисунке выше (j), на этом этапе в процессе P-диффузии вероятно был сформирован оксидный слой на поверхности полученной области P-типа.

Оксидный слой на P-диффузии показан на рисунке ниже (k). Наносится и сушится позитивный фоторезист (l). Прикладывается маска эмиттера из хрома на стекле (m), заготовка подвергается воздействию ультрафиолетового излучения (n). Маска удаляется (o). Размягченный ультрафиолетом фоторезист в отверстии эмиттера удаляется щелочным раствором (p). Открытый диоксид кремния вытравливается плавиковой кислотой (HF) на рисунке (q).

После удаления с пластины неэкспонированного фоторезиста (r), пластину помещают в диффузионную печь (s) для высокотемпературной обработки. Газообразная примесь N-типа, такая как хлорокись фосфора (POCl), диффундирует через маленькое окно эмиттера в оксиде (s). Это создает NPN слои, соответствующие эмиттеру, базе и коллектору биполярного транзистора. Важно, чтобы на этом этапе эмиттер N-типа не прошел насквозь через базу P-типа, тем самым создавая короткое замыкание между эмиттером и коллектором. Область базы между эмиттером и коллектором также должна быть такой тонкой, чтобы транзистор пригодный коэффициент усиления β. В противном случае, толстая область базы может сформировать пару диодов, а не транзистор. На рисунке (t) показана металлизация, создающая контакты с областями транзистора. Ее выполнение потребует повторения предыдущих этапов (не показаны) с маской с отверстиями в оксиде для контактов. Еще один повтор с другой маской устанавливает шаблон металлизации поверхности оксида и контакта областей транзистора через отверстия.

Хотя на рисунке показано только один транзистор, металлизация может соединять множество транзисторов и других компонентов в интегральную схему. Готовая пластина размечается алмазом и разделяется на отдельные кристаллы для упаковки в корпуса. Точно отмеренная алюминиевая проволока связывает металлизированные контакты на кристалле со свинцовым каркасом, который выводит контакты из конечного корпуса.

Подведем итоги

• Большинство полупроводниковых приборов производятся на основе сверхчистого кремния, так как он образует стеклянный оксид на поверхности пластины. Этому оксиду можно придать рисунок с помощью фотолитографии, делающей возможным создание сложных микросхем.
• Монокристаллы кремния в форме стержней выращиваются с помощью процесса Чохральского, а затем распиливаются алмазной пилой на пластины.
• Нанесение рисунка на кремниевые пластины с помощью фотолитографии похоже на нанесение рисунка на медные печатные платы.
• Фоторезист наносится на пластину, которая через маску подвергается воздействию ультрафиолетового света. Затем резист обрабатывается, а пластина протравливается.
• Травление фтористоводородной кислотой открывает окна в защитном диоксиде кремния на поверхности пластины.
• Воздействие газообразных легирующих примесей при высокой температуре создает полупроводниковые PN переходы в отверстиях в слое диоксида кремния.
• Фотолитография повторяется для большего количества диффузий, контактов и металлизации.
• Металлизация может соединять между собой несколько компонентов, образуя интрегральную схему.

Теги