Podręcznik

Realizacja układów scalonych spełniających zadane funkcje elektryczne i/lub logiczne stanowi przedmiot mikroelektroniki i w uproszczeniu obejmuje:

• syntezę projektu elektrycznego/logicznego,
• jego przetworzenie na projekt struktury fizycznej układu i
• wyprodukowanie układu w odpowiednim materiale podczas procesu technologicznego.

Rozważana tu będzie tylko najważniejsza grupa przyrządów wykonanych w półprzewodniku monokrystalicznym, tj. w technologii monolitycznej.

Właściwości funkcjonalne elementów i podstawowych komórek układów scalonych zależą od ich konstrukcji, to znaczy od kształtów poszczególnych obszarów w strukturze półprzewodnikowej, rozkładów koncentracji domieszek i innych parametrów fizycznych określonych w procesie technologicznym.

Z tego względu, przed wprowadzeniem modeli złączy i tranzystorów, przedstawiono zarys operacji technologicznych, których zadaniem jest wykonanie na i w podłożu krzemowym warstw o różnych właściwościach fizycznych:

• nanoszenie warstw różnych materiałów o odpowiedniej grubości na powierzchnię struktury i definiowanie ich kształtów,
• lokalne, selektywne modyfikowanie właściwości określonych obszarów w objętości struktury monokrystalicznej.

Podstawowym, powszechnie stosowanym materiałem półprzewodnikowym jest obecnie krzem Si. W zastosowaniach specjalnych wykorzystuje się związki o ogólnym symbolu (wskazującym przynależność do grupy układu okresowego pierwiastków) A^IIIB^V, zwłaszcza arsenek galu GaAs w paśmie mikrofalowym. Pewien renesans zastosowań germanu (historycznie pierwszego materiału wykorzystanego w tranzystorze ostrzowym J. Bardeena i W. H. Brattaina w 1948 r.) ma miejsce w technologii krzemowej w postaci warstw krzemo-germanowych Si_xGe_y. Są one wprowadzane jako bazy tranzystorów bipolarnych i kanały tranzystorów unipolarnych ze względu na węższe pasmo zabronione i większą ruchliwość nośników ładunku niż w krzemie.

Jedynie zarys technologii krzemowej będzie tu przedstawiony, ale większość operacji jest podobna w odniesieniu do innych materiałów podłoża. Płytki podłożowe o grubości kilkuset mm i średnicy od kilku do kilkunastu cali, wycinane są z lasek monokryształu wyciąganego metodą Czochralskiego z fazy ciekłej. Po oszlifowaniu i oczyszczeniu powierzchni (usunięciu warstwy zdefektowanej strukturalnie i zanieczyszczonej innymi materiałami) płytki płasko-równoległe stanowią materiał wyjściowy do bezpośredniego wytwarzania w nich elementów układu i/lub naniesienia warstwy epitaksjalnej.

Epitaksja jest operacją wytwarzania warstwy półprzewodnika na podłożu monokrystalicznym z odwzorowaniem budowy krystalicznej tego podłoża, lecz posiadającej inne właściwości fizyczne ukształtowane w zadany sposób.

W technologii krzemowej epitaksja najczęściej realizowana jest z fazy gazowej w rurze kwarcowej (reaktorze) umieszczonej w piecu indukcyjnym. Doprowadzany do reaktora lotny związek krzemu (najczęściej silan SiH₄) ulega rozkładowi w wysokiej temperaturze a uwolnione atomy krzemu krystalizują na podłożu (o temperaturze ok. 600^oC). Wprowadzone do reaktora w trakcie epitaksji atomy domieszki zostają wbudowane do narastającej nowej warstwy monokrystalicznej. Koncentracja domieszki jest uzależniona od stężenia jej lotnego związku (ulegającego rozkładowi termicznemu) w reaktorze.

Homoepitaksja, czyli epitaksja warstwy tego samego półprzewodnika co podłoże, służy wytworzeniu słabo domieszkowanej warstwy na podłożu niskorezystywnym jak w tranzystorze indywidualnym (rys. 2.1), bądź w celu wykonania złącza p-n w układzie scalonym z izolacją złączową (rys. 2.2). Dzięki względnie niskiej temperaturze procesu można uzyskać dość ostry profil domieszkowania, który w analizie ilościowej można nieraz przybliżać rozkładem skokowym (rys. 2.3).

Rys. 2.1 Schematyczny przekrój indywidualnego tranzystora bipolarnego w klasycznej technologii epitaksjalno-planarnej

Rys. 2.2 Struktura tranzystora bipolarnego z izolacją LOCOS

Heteroepitaksja, czyli epitaksja warstwy z innego materiału niż podłoże, może być stosowana m. in. do nanoszenia warstwy krzemu na podłoże dielektryczne (Silicon on Saphire), a także wykonania warstwy krzemo-germanowej.

Modyfikacja (najczęściej selektywna) właściwości elektrycznych podłoża i już istniejących warstw przez domieszkowanie donorami lub akceptorami realizowana jest w operacjach implantacji i dyfuzji.

We współczesnych technologiach mikroelektronicznych implantacja Eimpl jonów stanowi podstawowy sposób wprowadzania określonej dawki domieszki do półprzewodnika. Polega na wbijaniu wysokoenergetycznych jonów domieszki w podłoże półprzewodnikowe. W urządzeniu nazywanym implantatorem wiązkę tych jonów uwolnionych termicznie ze źródła, przyspiesza się i ogniskuje w specjalnym układzie pól elektrycznych oraz oczyszcza zakrzywiając tor wiązki w polu magnetycznym (eliminacja jonów o innej masie).

W wyniku implantacji uzyskuje się rozkłady domieszek, które można aproksymować funkcją Gaussa (rys. 2.3) (dokładniej superpozycją tych funkcji – rozkładem Pearsona). Koncentracja domieszki zależy przede wszystkim od dawki, a zasięg od energii implantowanych jonów (kilkadziesiąt lub stokilkadziesiąt eV). W trakcie wygrzewania poimplantacyjnego formuje się docelowy rozkład domieszek i odbudowuje uszkodzoną strukturę krystaliczną w cienkiej warstwie przypowierzchniowej (problem ten jest zredukowany w przypadku implantacji przez warstewkę tlenku krzemu).

Formowanie docelowego rozkładu domieszek w procesie wysokotemperaturowym (ponad 1000 ^oC) polega na dyfuzji domieszki w te obszary podłoża, gdzie jej koncentracja jest niższa, w wyniku chaotycznych ruchów cieplnych. Zjawisko to opisują znane w fizyce prawa Ficka, a rozkład koncentracji uzyskany w wyniku omawianej dyfuzji z ograniczonego źródła (warstwy do której wprowadzono ściśle określoną dawkę domieszki) można aproksymować także rozkładem Gaussa Erozg (rys. 2.3). Należy podkreślić, że w procesie technologicznym występuje wiele operacji wysokotemperaturowych, podczas których domieszki wcześniej wprowadzone ulegają rozdyfundowaniu, co oznacza, że końcowy rozkład domieszki jest wynikiem dyfuzji wielostopniowej.

Wyżej wymieniony rodzaj dyfuzji nazywany bywa redyfuzją w odróżnieniu od predyfuzji – operacji służącej do wprowadzenia domieszki do podłoża z zewnętrznego źródła o nieograniczonej wydajności (predyfuzja obecnie nie jest w zasadzie stosowana ze względu na trudności w kontrolowaniu zwłaszcza płytkiego domieszkowania).

Rys. 2.3 Rozkłady koncentracji domieszek w złączu p-n

W układach scalonych stosowane są warstwy dielektryczne do izolacji różnych obszarów przewodzących i do pasywacji ochronnej układu oraz jako dielektryk w kondensatorze MOS (rys. Rtcmosc1).

Rys. 2.4 Uproszczona struktura inwertera CMOS

Technologia krzemowa jest pod tym względem wyjątkowo wygodna, ponieważ naturalnym dielektrykiem jest dwutlenek krzemu SiO₂, który można łatwo uzyskać przez utlenianie termiczne podłoża krzemowego. Można w ten sposób wytworzyć cienki (nawet rzędu pojedynczych nm) tlenek bramkowy w tranzystorze MOS i grube warstwy pasywujące podłoże (rzędu setek nm), a nawet obszary o grubości pojedynczych mm zagłębione w podłożu dzielące warstwę epitaksjalną na izolowane wyspy (rys. 2.2). Łatwość wytworzenia tego tlenku stanowi o jeszcze jednym bardzo ważnym zastosowaniu: do maskowania podłoża w procesach selektywnego domieszkowania.

W innych przypadkach warstwy dielektryczne są osadzane chemicznie z fazy gazowej - CVD (Chemical Vapor Deposition). Metodą tą nanosi się warstwy szkliwa (mieszaniny tlenków) izolującego kolejne poziomy metalizacji (połączeń wewnątrzukładowych) i ochraniającego cały układ oraz inne materiały dielektryczne jak azotek krzemowy Si₃N₄ (wykorzystywany przede wszystkim do maskowania przy selektywnym utlenianiu podłoża).

W układach scalonych nanoszone są również warstwy przewodzące. Są to warstwy polikrzemowe (wytwarzane metodą CVD) stanowiące bramki tranzystora MOS (rys. 2.4) oraz warstwy metalizacji Al. lub Cu, tworzące kontakty elektryczne do elementów oraz połączenia wewnątrzukładowe (wielopoziomowe).

W celu odwzorowania projektu topografii układu (layoutu) definiującego kształty poszczególnych obszarów w podłożu oraz warstw wytwarzanych na powierzchni, każda z wymienionych wyżej operacji stowarzyszona jest z operacjami maskowania i litografii.

Jak już wspomniano, jako materiał maskujący wykorzystuje się tlenek termiczny (w operacjach domieszkowania) i azotek krzemowy (do selektywnego utleniania). Pierwotną warstwą maskującą pozwalającą wytrawić odpowiednie okna w tych materiałach (także okien kontaktowych), bądź stanowiącą samodzielnie maskę do selektywnego domieszkowania podłoża lub trawienia definiującego kształt połączeń przewodzących i bramek tranzystorów MOS, jest tzw. rezyst. Jest to materiał zmieniający swoje właściwości chemiczne pod wpływem odpowiedniego promieniowania: w zakresie widzialnym (fotolitografia) lub rentgenowskiego.

Zgodnie z projektem maski do określonej operacji technologicznej naświetlane są odpowiednie obszary fotorezystu, co prowadzi do zróżnicowania (w wyniku polimeryzacji lub depolimeryzacji) rozpuszczalności tego materiału w odpowiednich substancjach trawiących. Obszary rozpuszczalne są usuwane tworząc okna do następnych procesów: domieszkowania lub trawienia kolejnej warstwy w specjalnie dobranym rozpuszczalniku nie naruszającym rezystu.

Możliwe jest również bezpośrednie wykonywanie okien bombardując warstwę maskującą wiązką elektronów (elektronolitografia).

Warto zwrócić uwagę, że dyfuzja (lateralna) i litografia są operacjami krytycznymi z punktu widzenia minimalizacji wymiarów charakterystycznych.

Zbiór minimalnych wymiarów obszarów dyfuzyjnych, bramek tranzystorów, okien kontaktowych, ścieżek połączeń, itd., a także minimalnych odległości między nimi, stanowi podstawowe technologiczne uwarunkowanie dla projektanta układu - tzw. reguły projektowania.

Do ostatnich operacji produkcyjnych należy montaż zewnętrznych wyprowadzeń elektrycznych i hermetyzacja układu w obudowie.

Spośród wymienionych etapów procesu technologicznego, wynik operacji litografii (wymiary obszarów), domieszkowania (rozkład koncentracji domieszek) oraz utleniania (grubość tlenku bramkowego) mają pierwszorzędne znaczenie dla przeprowadzenia analizy ilościowej i stworzenia modeli elementów układów scalonych.

Operacje domieszkowania przeprowadzone selektywnie i w odpowiedniej sekwencji prowadzą do ukształtowania złącz p-n stanowiących części składowe elementów półprzewodnikowych takich jak tranzystor bipolarny czy tranzystor MOS. Są to struktury trójwymiarowe, ale ze względu na trudności matematyczne modele analityczne przedstawione w podręczniku wykorzystują rozkłady jednowymiarowe domieszek.

Przykładowo, najprostszy rozkład koncentracji domieszek w tranzystorze bipolarnym w kierunku prostopadłym do powierzchni płytki można przedstawić następująco:

>

Rys. 2.5 Rozkład koncentracji domieszek w tranzystorze bipolarnym

Rozkład koncentracji domieszek określających właściwości elektryczne poszczególnych obszarów złącza p-n zależy od  sposobu jego wytwarzania.

Dla potrzeb ilościowej analizy właściwości elektrycznych złącza p-n rzeczywiste rozkłady domieszek mogą być aproksymowane:

1. rozkładem skokowym np. w przypadku złącza epitaksjalnego

$N( x) =\begin{cases} -N_{a} =\mathrm{const} \ \ \ x< x_{j}\\ \ \ N_{d} =\mathrm{const} \ \ \ x\geq x_{j} \end{cases}$      (2.1)

b) rozkładem Gaussa Erozg w przypadku wprowadzenia domieszek do półprzewodnika metodą implantacji lub dyfuzji:

$N(x)=N_{S}exp(-ax^{2})$                         (2.2)

Funkcja ta jest niewygodna w obliczeniach (jej całka nie stanowi funkcji analitycznej). Stosuje się więc dalsze uproszczenia w postaci funkcji wykładniczej:

$N(x)=N_{S}exp(-bx)$                           (2.3)

a nawet liniowej:

$N(x)=N_{S}(1-cx)$                              (2.4)

Proces wytwarzania współczesnych wyrobów elektronicznych wymaga wielokrotnego wykonania zasygnalizowanych operacji technologicznych - łącznie kilkuset. Przykładowy - skrócony proces wytwarzania układów CMOS oraz modele podstawowych operacji przedstawiono w dalszej części przedmiotu.