Технологии производства полупроводников: от очистки кремния к изготовлению интегральных схем

Ниже представлен обзор исключительно кремниевой технологической линии, доминирующей в современных интегральных схемах. Уникальная способность кремния формировать стабильный оксидный слой делает его идеальным для точного паттернирования транзисторов и других микрокомпонентов.

Кремний

Кремний — второй по распространённости элемент в земной коре, в основном как диоксид кремния (SiO₂) — кварцевый песок. Промышленно кремний получают восстановлением SiO₂ углеродом в электродуговой печи:

SiO₂ + C → CO₂ + Si

Полученный металлургический кремний подходит для применений вроде пакетов трансформаторов, но не достигает чистоты, требуемой для полупроводников. Для полупроводниковой чистоты кремний сначала превращают в хлорид — SiCl₄ или SiHCl₃ — который очищают фракционной перегонкой. Последующее восстановление ультрачистым цинком или магнием даёт «губчатый» кремний, который дальше рафинируют. Термическое разложение SiHCl₃ на нагретом поликристаллическом стержне кремния в водородной атмосфере — другой путь к ультрачистому кремнию.

Si + 3HCl → SiHCl₃ + H₂
SiHCl₃ + H₂ → Si + 3HCl₂

После очистки поликристаллический кремний плавят в кварцевой тигле, нагреваемой индукционно через графитовый сасцептор или прямой высокочастотный нагреватель. Процесс Чохральски тянет монокристаллический « boule » (слиток) из расплава, сохраняя ориентацию кристаллической решётки и контролируемый диаметр. Легирующие примеси (фосфор или бор) вводятся в расплав для создания p- или n-проводимости. Вся камера роста работает в инертной атмосфере для предотвращения загрязнения.

Слиток шлифуют до точного диаметра и обрезают концы. Затем его пилят алмазной пилой на пластины (wafer). Последующее шлифование и полировка дают пластины с субмикронной шероховатостью. Опциональный эпитаксиальный n-слой может быть термически осаджен на пластину для дальнейшего улучшения характеристик приборов. Эти пластины затем отправляются в фабрики для изготовления приборов.

Технологическая обработка полупроводников

Фотолитография — краеугольный камень паттернирования полупроводников. Процесс параллелен производству печатных плат (PCB), но с более высокими температурами и жесткими допусками. Этапы:

• Нанесение положительного фоторезиста на поверхность пластины.
• Центрифугирование пластины для равномерного распределения резиста.
• Экспозиция резиста через хром-на-стекле маску под ультрафиолетом.
• Проявка экспонированного резиста в щелочном растворе, удаление размягченных областей.
• Травление пластины — обычно фтористоводородной кислотой (HF) для открытия окон в защитном слое SiO₂.
• Снятие оставшегося резиста и высокотемпературная диффузия.

Фтористоводородная кислота селективно удаляет диоксид кремния, не трогая кремний, создавая точные окна для диффузии легирующих примесей. Легирующие вещества вводятся в газообразной форме (например, POCl₃ для n-типа или B₂O₃ для p-типа) в диффузионной печи выше 1000 °C. Диффузия происходит только через окна, образуя чётко определённые p-n переходы.

После диффузии легирования металлизационные шаги создают электрические контакты. Фотолитография повторяется для паттернирования металлических слоёв (часто алюминий или медь), соединяющих множество транзисторов в интегральные схемы. Наконец, пластина рассекается на отдельные кристаллы (dies), контактная пайка к выводам и герметизация в корпуса.

Ключевые выводы

• Ультрачистый кремний необходим для создания стеклянного слоя SiO₂, служащего фотолитографическим резистом.
• Метод Чохральски производит монокристаллические слитки кремния, которые алмазной пилой режут на пластины.
• Фотолитография на кремнии зеркалит производство ПП: фоторезист, УФ-экспозиция, проявка, HF-травление, диффузия легирования.
• Контролируемая диффузия газообразных легирующих присадок при высоких температурах формирует активные области диодов и транзисторов.
• Повторяющаяся литография и металлизация позволяют интегрировать тысячи приборов на одной пластине.

Связанные ресурсы

• Рабочий лист: Монтаж и производство печатных плат