Технологические процессы в микро- и наноэлектронике

Ю. А. Родионов 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ  
В МИКРО- И НАНОЭЛЕКТРОНИКЕ 
 
 
Учебное пособие 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Москва    Вологда 
«Инфра-Инженерия» 
2019 
1 


УДК 621.382(076) 
ББК  32.844.1я73 
         Р60 
 
 
Рецензенты: 
Квасов Н. Т., д-р физ.-мат. наук, проф., главный научный сотрудник кафедры 
физики твёрдого тела  Белорусского государственного университета; 
Сычик И. В., д-р техн. наук, проф. кафедры микро- и нанотехники Белорусского 
национального технического  университета;  
Ковальчук Н. С., канд. техн. наук, доцент, зам. главного инженера по  серийному 
производству ОАО «ÄИнтеграл´ - управляющая компания холдинга ÄИнтеграл´». 
 
 
 
 
Родионов, Ю. А. 
Р60   
Технологические процессы в микро- и наноэлектронике : учебное  
пособие / Ю. А. Родионов. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2019. - 
352 с. : ил., табл. 
ISBN 978-5-9729-0337-5 
 
Рассмотрены основные положения физики твёрдого тела и физической 
химии полупроводников. Основное внимание уделено технологии, соответствующему оборудованию и оснастке, используемым для получения технологического слоя. Приводятся конкретные примеры решения обратных задач по 
определению технологических режимов получения слоёв с заданными параметрами. Освещены регламентные работы в промышленном производстве. Рассмотрены основные экологические проблемы в промышленных технологиях. 
Для студентов, обучающихся по специальности 11.00.00 «Электроника, 
радиотехника и системы связи», а также инженеров, занятых проектированием 
и обслуживанием электронных приборов. 
 
 
УДК 621.382(076) 
 
ББК  32.844.1я73 
 
 
 
 
 
 
ISBN 978-5-9729-0337-5 
‹ Родионов Ю. А., 2019 
 ” Издательство «Инфра-Инженерия», 2019 
 ” Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2019 
2 


 
СОДЕРЖАНИЕ 
ВВЕДЕНИЕ .................................................................................................................. 5 
1.ТВЕРДОТЕЛЬНЫЕ ИМС 
...................................................................................... 11 
1.1.
 Входной контроль полупроводниковых слитков ................................... 11 
1.2.
 Механическая обработка слитка .............................................................. 14 
1.3.
 Химподготовка поверхности подложки после механической  
 обработки .................................................................................................... 16 
2. ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОЕ СОЗДАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО СЛОЯ 
... 28 
2.1. Кремний - основа твердотельной электроники ...................................... 28 
2.2. Создание высокотемпературного оксида кремния 
................................. 30 
2.2.1.Окисление кремния при комнатной температуре 
....................... 30 
2.2.2. Физический механизм роста окисла при высокой температуре ... 31 
2.2.3. Структура окисла кремния ........................................................... 32 
2.2.4. Модель Дила – Гроува 
..................................................................... 33 
2.2.5. Оборудование и оснастка для окисления кремния ...................... 37 
2.2.6. Методы контроля параметров диэлектрических слоёв ............ 43 
2.2.7. Контроль дефектности плёнок .................................................... 46 
2.3. Создание газофазного эпитаксиального слоя кремния 
.......................... 51 
2.3.1. Хлоридный метод 
............................................................................ 52 
2.3.2. Пиролиз моносилана ....................................................................... 56 
2.3.3. Гетероэпитаксия кремния на диэлектрических подложках ..... 57 
2.3.4. Перераспределение примеси при эпитаксии ................................ 59 
2.4. Создание термодиффузионного слоя кремния ....................................... 68 
2.4.1. Механизмы диффузии примесей .................................................... 68 
2.4.2. Контроль параметров диффузионных слоёв 
............................... 84 
2.4.3. Прямые и обратные инженерные задачи при термодиффузии .... 86 
3. НИЗКОТЕМПЕРАТУРНЫЕ ВАКУУМНО-ПЛАЗМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ  
И ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ СОЗДАНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СЛОЁВ ... .95 
3.1. Элементы физики плазмы ......................................................................... 95 
3.2. Элементы физики вакуума ...................................................................... 110 
3.3. Наиболее востребованные средства откачки в микроэлектронной  
  промышленности 
..................................................................................... 116 
3.4. Вакуумная арматура и комплектация .................................................... 147 
3.5. Датчики вакуума ...................................................................................... 150 
3.6. Молекулярно-лучевая эпитаксия 
............................................................ 154 
3.7. Ионное легирование полупроводников ................................................. 159 
3.7.1. Элементы теории ионного легирования 
..................................... 162 
3.7.2. Техника ионного легирования 
....................................................... 178 
3 


3.7.3. Прямые и обратные инженерные задачи в области ионного  
легирования .............................................................................................. 188 
3.8. Плазмохимическое травление кремния ................................................. 193 
3.8.1. Классификация процессов плазмохимического травления 
....... 195 
3.8.2. Кинетика изотропного травления кремния .............................. 198 
3.8.3. Анизотропия и селективность 
.................................................... 203 
3.9. Осаждение диэлектрических плёнок на кремний 
................................. 205 
3.9.1. Осаждение диоксида кремния 
..................................................... 206 
3.9.2. Осаждение нитрида кремния 
...................................................... 208 
3.9.3. Осаждение алмазоподобных плёнок 
........................................... 210 
3.9.4. Создание сверхтонкой мембраны ............................................... 213 
4. ТЕХНОЛОГИЯ ЛИТОГРАФИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ 
................................. 223 
4.1. Основные термины и определения 
......................................................... 225 
4.2. Основные свойства и состав фоторезистов ........................................... 232 
4.3. Производственная схема фотолитографического процесса ................ 236 
4.4. Подробно об экспонировании 
................................................................. 245 
4.5. Основные оптические эффекты, вызывающие ухудшение рисунка .... 253 
4.6. Иммерсионная литография ..................................................................... 261 
4.7. Взрывная литография .............................................................................. 264 
4.8. Электронно-лучевая литография 
............................................................ 265 
4.9. Рентгеновская литография ...................................................................... 275 
4.10. Электронорезисты 
.................................................................................. 277 
4.11. Нанопринтная литография .................................................................... 278 
4.12. Экстремальная ультрафиолетовая литография (EUVL) .................... 280 
4.13. LIGA-процесс ......................................................................................... 285 
5. МЕТАЛЛИЗАЦИЯ ............................................................................................. .288 
5.1. Свойства плёнок алюминия .................................................................... 288 
5.2. Электродиффузия в плёнках алюминия ................................................ 290 
5.3. Методы получения металлических плёнок ........................................... 291 
5.4. Создание омических контактов .............................................................. 295 
5.5. Использование силицидов металлов 
...................................................... 300 
5.6. Многоуровневая металлизация 
............................................................... 301 
5.7. Контактные узлы ...................................................................................... 302 
5.8. Основные технологические процессы сборки интегральных схем  
  в корпус .................................................................................................... 311 
5.9. Основные конструкции корпусов ИМС ................................................ 317 
5.10. Упрощённый маршрут изготовления микроэлектронного  
    акселерометра 
............................................................................................... 
320 
6. ТРЕБОВАНИЯ К ОБОРУДОВАНИЮ В ТЕХНОЛОГИИ МИКРО-  
И НАНОЭЛЕКТРОНИКИ .................................................................................. 330 
7. ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ В ТЕХНОЛОГИИ МИКРО-  
И НАНОЭЛЕКТРОНИКИ .................................................................................. 340 
ЛИТЕРАТУРА ......................................................................................................... 350 
4 


 
ВВЕДЕНИЕ 
Микро- и наноэлектроника в настоящее время занимает исключительные 
позиции во всех сферах человеческой деятельности. Практически каждый месяц 
появляются новые оригинальные микроэлектронные устройства и разработки, 
начиная от детских игрушек и заканчивая серьёзными приборами космонавтики 
и оборонного комплекса. Успехи производства в этой области и предприятия  
в целом, несмотря на высокий уровень автоматизации процессов, всё-таки определяются в первую очередь человеческим фактором - квалификацией технического персонала. Квалификация, в свою очередь, определяется качеством профессиональной подготовки сотрудников. Базовая же подготовка персонала зависит от уровня знаний и понимания общеизвестных законов физики и химии  
и, главное, умения использовать их для решения конкретных производственных 
задач. 
 Подготовка технического персонала в техническом университете (колледже, техническом училище, на курсах повышения квалификации и т. д.) имеет 
свою специфику по сравнению с классическим университетским образованием. 
Технические образовательные учреждения готовят будущих технологов, конструкторов, операторов, наладчиков технологического оборудования для промышленных предприятий. Поэтому в их обязанности входит обеспечение бесперебойной работы порученных им участков при высоких технико-экономических 
показателях технологических процессов и одновременно сведение к минимуму 
возможных экологических проблем. Для этого технологическому персоналу необходима подготовка по профилактическому обслуживанию технологического оборудования и оснастки (недопущение переноса загрязнений на поверхность пластин) и обеспечение экологической безопасности при работе с химическими реактивами и средами (основные химические операции связаны с токсичными веществами). Поэтому в учебном пособии уделено внимание оборудованию как основным источникам загрязнения пластин в процессе производства и профилактическим работам, необходимым для предотвращения этих засорений. Рассмотрены 
также экологические проблемы промышленного производства микро- и наноэлектронных изделий. 
Эта специфика подготовки технического персонала накладываются и на соответствующее учебное пособие. 
В соответствии с физиологией человека степень усвоения и запоминания 
изучаемого материала на лекции определяются зрительным (слайды, рисунки)  
и слуховым (речь лектора) факторами. Аналогично в учебнике каждое текстовое высказывание должно сопровождаться качественным и информативным 
рисунком. Зачастую грамотно выполненный рисунок даёт большую информацию, чем текстовой материал.  
5 


Ма
атериал д
данного у
должен о
ориентир
роваться в
ю 
пособия 
на требов
учебного 
омышленн
ных микр
нных пред
в первую
дприятий
й 
жать тольк
вые понят
ро- и нано
ории микр
оэлектрон
ро- и нано
оэлектрон
нных проосновное
вания про
ко ключев
е внимани
ие должно
тия из тео
о быть уд
делено тех
хнике вып
полнения 
промыш-
-
процессов
в, включая
я технолог
гические 
«тонкости
и» - ноу-х
хау.  
очередь 
и содерж
цессов и 
ленных п
 
Ри
ис. В 1. «Де
ерево знан
ний» полуп
проводник
ковой микр
ро- и наноэ
электрони
ики 
 
«Д
Дерево зна
ис. В 1) по
оказывает
т, что без
з корней 
(физики 
и химии)
не могут 
существо
овать. Поэ
этому в н
нашем пос
собии фи) 
-
микро- и
зико-хим
и наноэлек
мическим 
ам явлени
ий и техно
ологий уде
еляется ос
собое вни
имание. 
Баз
зовыми э
аний» (ри
ктроника 
принципа
лементам
ми электр
оники, в 
том числ
и наноэл
лектрони-
ки, являю
ются рези
истор, кон
нденсатор
р (рис. В 2
2 - В 5) и
вность.  
ле микро- 
индуктив
Од
днако в ми
икроэлект
тронном и
исполнен
ии они вы
ыглядят и
иначе, чем
м в обыч-
ной элект
тронике (р
рис. В 4). 
 
Рис
с. В 2. Рези
стор 
6 


 
Рис. В
В 3. Конден
нсатор 
 
 
Рис. В
В 4. Микро
электронн
ный конде
нсатор 
 
 
Р
Рис. В 5. М
Металличес
ские соеди
инения и R
RC-цепочк
ка 
7 


По
омимо это
ого, в ми
икроэлект
тронике п
присутств
вуют акти
ивные эл
ементы - 
диоды и 
транзист
торы (рис.
. В 6 - В 9
9) 
 
Рис. 
В 6. Бипол
лярный тр
ранзистор 
n-p-n 
 
 
Р
Рис. В 7. Ба
азовый кон
нтакт бипо
олярного т
транзистор
ра 
 
 
Рис. В 8. 
n-МОП-тр
ранзистор 
8 


 
Рис. В 9. р
р-МОП-тр
ранзистор 
 
 
В с
связи с б
большими
и техноло
огическим
ми трудно
изготовлен
ния тверые индукт
тивности
 практич
чески не и
использую
остями из
ются. Поэ
этому в и
инженер-
-
дотельны
ном обих
ходе микр
роэлектро
онику час
ают RC-э
электрони
икой. 
Сх
хемотехни
ическое о
объединен
сто назыв
ние указа
нных эле
ементов д
даёт интег
гральную
ю 
МС. Допо
олнение к
к ИМС се
датчика) и
и преобра
азователя 
электри-
в механи
ический (
енсора (д
(актуатор
р) даёт м
микроэлек
ктромехан
ническую
ю 
схему ИМ
ческого 
систему 
сигнала 
МЭМС. 
 
Ри
ис. В 10. П
Полупровод
дниковая 
(твердотел
льная) ИМ
МС 
 
Ка
ак видно и
10, в твер
рдотельно
ой ИМС в
в полупро
оводнико
овую под-
ктивные э
элементы
ы. На пове
ерхности 
и наносятс
ся только
о 
из рис. В 
тся все ак
страиваю
ы коммут
тации (ал
люминиев
медная м
металлиза
ация) и з
защитные
е 
вая, или 
мниевые 
ложку вс
элементы
(диэлект
трические
е, как прав
вило, кре
оксидны
е плёнки)
). 
 
9 


 
Рис. В 11
1. Гибридн
ная ИМС 
В 11, в гиб
ИМС все
е активны
отельные
е 
из рис. В
оры) и па
ры, плёно
очные кон
ые (тверд
нденсатор
ры и алюак видно 
транзист
бридной 
(резистор
я разводк
ка) нанесе
ассивные 
ены на по
трической
й подлож
жки. В ка-
-
ческой по
одложки и
оверхност
использую
ть диэлект
ют сапфир
 керамику
у, ситалл,
иэлектрич
ованный 
алюмини
ий и разно
пластмас
р, стекло, 
ссы (напр
ример, по
олиимид).
, 
. 
ацию акти
ивных и п
пассивных
ого рода 
х элемент
тов прово
одят золот
той тонко
ой прово-
 
Ка
диоды и 
миниевая
честве ди
оксидиро
Коммута
локой с п
помощью
ю термоком
мпрессии
и. 
В н
настояще
ем пособи
ии в осно
овном рас
ссматрива
аются тве
ердотельн
ные ИМС
С 
более труд
доёмкие. 
как наиб
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
10