В. И. Смирнов

Федеральное агентство по образованиюГосударственное образовательное учреждение высшего профессионального образованияУльяновский государственный технический университетВ. И. СмирновФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫТЕХНОЛОГИИЭЛЕКТРОННЫХ СРЕДСТВУчебное пособиедля студентов, обучающихся по специальности 21020165 –Проектирование и технология радиоэлектронных средствУльяновск 20051УДК 621.38 (075)ББК 32.965 я 7С 50Рецензенты:Ульяновское отделение Института радиотехники и электроники РАН;профессор кафедры «Аэронавигация и радиоэлектронное оборудование» Ульяновского высшего авиационного училища гражданской авиации, канд.

техн. наук, А. В. ЕфимовУтверждено редакционно-издательским советом университетав качестве учебного пособияСмирнов, В. И.С 50 Физико-химические основы технологии электронных средств: учебноепособие / В. И. Смирнов. − Ульяновск: УлГТУ, 2005.− 112 с.ISBN 5-89146-600-0Рассмотрены основные технологические операции производства электронных средств с точки зрения физических явлений, сопутствующих или лежащихв основе той или иной операции.

Основное внимание уделено технологии полупроводниковых микросхем, которые реализуются в приповерхностном слоеполупроводниковой пластины. Рассмотрены также основные операции изготовления гибридных интегральных микросхем.Пособие предназначено для студентов специальности 21020165, изучающихвопросы технологии электронных средств.УДК 621.38 (075)ББК 32.965 я 7 В. И.

Смирнов, 2005 Оформление. УлГТУ, 2005ISBN 5-89146-600-02ОГЛАВЛЕНИЕПРЕДИСЛОВИЕ………………………...………………………………….. 51. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ТЕХНОЛОГИИ ИНТЕГРАЛЬНЫХМИКРОСХЕМ……..……………………………………….………..……1.1. Классификация интегральных микросхем по технологииих изготовления………...……………………..………………….1.2. Особенности формирования структуры полупроводниковойИМС на примере эпитаксиально-планарного транзистора…....1.3. Общая характеристика технологического процессаизготовления полупроводниковых ИМ…...……………………66892. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ТЕХНОЛОГИИВЫРАЩИВАНИЯ МОНОКРИСТАЛЛИЧЕСКОГО КРЕМНИЯ…..… 122.1.

Получение поликристаллического кремния………………...… 122.2. Выращивание монокристаллических слитков кремнияметодом Чохральского…...……………………………...……… 132.3. Получение монокристаллического кремния методомбестигельной зонной плавки……………………….…………… 153. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ТЕХНОЛОГИИПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ИНТЕГРАЛЬНЫХ МИКРОСХЕМ……... 163.1. Эпитаксиальные процессы в технологии полупроводниковыхинтегральных микросхем………………………………….…… 163.2. Формирование диэлектрических слоев на поверхностикремния………………………………………….………………..

243.3. Формирование структур методом диффузии………………..… 313.4. Формирование структур методом ионной имплантации…...… 393.5. Ядерное (трансмутационное) легирование кремния………..… 443.6. Процессы в кремниевых структурах, стимулированныелазерным излучением……….……………...…………………… 463.7. Процессы в кремниевых структурах, стимулированныерадиационными дефектами…………………………..…….…… 483.8. Литографические процессы в технологии электронныхсредств…………………………….……………………………… 513.9. Травление...……………………………………………………… 644. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ТЕХНОЛОГИИГИБРИДНЫХ ИНТЕГРАЛЬНЫХ МИКРОСХЕМ…………….……… 724.1.

Термовакуумное напыление тонких пленок………………...… 724.2. Ионно-плазменные методы получения тонких пленок…….… 794.3. Технология толстопленочных ГИС………………….………… 8935. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В МЕТАЛЛИЧЕСКИХПРОВОДНИКАХ И КОНТАКТАХ.…………..……………..………… 965.1. Металлы и сплавы, применяемые в технологии электронныхсредств…………………….…………………….……………….

965.2. Электромиграция ионов в металлических проводниках…..… 995.3. Диаграммы состояния бинарных сплавов…………...…..…… 101ЗАКЛЮЧЕНИЕ…………………………………………………………… 106ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ………………………………………...… 109БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК…………………………………… 1114ПРЕДИСЛОВИЕПроизводство электронных средств, в особенности микросхеми микропроцессоров, в настоящее время переживает бурный подъем.

Резкоулучшились основные технические характеристики микроэлектронных устройств, в первую очередь быстродействие и энергопотребление. Номенклатуравыпускаемой продукции непрерывно расширяется, возникают новые направления такие, как нанотехнология и микросистемотехника. Современному инженеру-технологу электронных средств все сложнее ориентироваться в новыхтехнологических методах и конструктивных решениях. Помочь ему в этом может знание физико-химических основ технологии электронных средств.В настоящем учебном пособии рассматриваются основные технологические операции производства электронных средств с точки зрения физическихявлений, сопутствующих или лежащих в основе той или иной операции. Основное внимание уделено технологии полупроводниковых микросхем, которыереализуются в приповерхностном слое полупроводниковой пластины.

Рассмотрены также основные операции изготовления гибридных интегральных микросхем. Вопросы, связанные с такими технологическими операциями, как сборкаи функциональный контроль микросхем или технология печатных плат в данном учебном пособии не рассматриваются.В первой главе представлены общие сведения о технологии интегральныхмикросхем, дана их классификация и кратко описаны основные технологические операции при изготовлении полупроводниковых микросхем. Вторая главапосвящена методам выращивания кремниевых монокристаллических слитков.Третья глава является основной, в ней рассмотрены все основные технологические операции формирования структуры полупроводниковой микросхемы, а именно, окисление поверхности кремниевой пластины, эпитаксия, фотолитография, легирование с помощью диффузии и ионной имплантации и такдалее.

Для анализа технологических операций в качестве примера выбран эпитаксиально-планарный транзистор. Хотя он и не обладает оптимальной конструкцией, но для его изготовления используются практически все типичные технологические операции.В четвертой главе рассмотрены процессы, лежащие в основе технологииизготовления тонкопленочных и толстопленочных гибридных интегральныхмикросхем.

В первую очередь это относится к напылению на диэлектрическуюподложку тонких пленок ионно-плазменными методами и термовакуумнымиспарением, а также формированию пленок методом трафаретной печати.В пятой главе отдельно выделены вопросы, связанные с процессами, протекающими в металлических проводниках и контактных соединениях.51. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ТЕХНОЛОГИИИНТЕГРАЛЬНЫХ МИКРОСХЕМ1.1 Классификация интегральных микросхемпо технологии их изготовленияИнтегральная микросхема (ИМС) − это микроэлектронное изделие, выполняющее определенную функцию преобразования, обработки сигнала и (или)хранения информации, элементы которого изготовлены в виде слоевв приповерхностном слое подложки или на ее поверхности в едином технологическом процессе.

Обычно ИМС имеет герметичный корпус и внешние электрические выводы. Особенностью ИМС являются малые размеры и расположение всех элементов (транзисторов, сопротивлений, конденсаторов и так далее)на одной подложке, так что вся микросхема представляет собой механическиединый блок.По технологии изготовления ИМС делятся на две основные группы: полупроводниковые и гибридные микросхемы. В полупроводниковых ИМС всеэлементы формируют в приповерхностном слое полупроводниковой пластины(обычно кремниевой), используя локальное введение различных примесей через специально сформированную на поверхности маску.

Это позволяет создаватьвсевозможныер-п-переходы,составляющиеосновудиодови транзисторов, а также обеспечивающие изоляцию элементов друг от друга.Соединение элементов в соответствии с принципиальной схемой устройства осуществляется с помощью металлизации, наносимой на поверхность пластины и ее селективного травления. Фрагмент полупроводниковой микросхемы, а именно, структура биполярного и полевого транзисторов показаны нарис. 1.1. Области эмиттера Э, базы Б и коллектора К биполярного п-р-птранзистора (рис.

1.1а) сформированы с помощью локального легированиякремниевой пластины р-типа. Все выводы транзистора находятся на однойплоскости (планарная структура). Серым цветом показан слой SiO2, чернымцветом – металлизация. Буквами И, З и С обозначены соответственно исток, затвор и сток полевого транзистора с индуцированным каналом (на рис. 1.1бон показан пунктиром).По объему производства полупроводниковые ИМС значительно превосходят гибридные. Это объясняется рядом преимуществ таких, как лучшие массо-габаритныепоказатели,стоимость, надежность и такдалее.

Тем не менее в даннойтехнологии существует ряд ограничений,которыене позволяют реализовать люРис. 1.1. Структура биполярного (а)бой электронный блок в интеи полевого (б) транзисторовгральном исполнении.6Если, например, электронный блок содержит прецизионные резисторы,то сформировать их с помощью полупроводниковой технологии проблематично, поскольку существует технологический разброс параметров порядка 10 %.Если блок содержит резисторы больших номиналов, то сформировать его вприповерхностном слое пластины можно, но такой резистор будет заниматьслишком большую площадь на кристалле.