Технология интегральных микросхем

 
 
 
 
 
В. И. Смирнов 
 
 
 
ТЕХНОЛОГИЯ ИНТЕГРАЛЬНЫХ 
МИКРОСХЕМ  
 
Учебное пособие 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Москва    Вологда 
«Инфра-Инженерия» 
2023 
 

 
УДК 621.382 
ББК 32.965 
С50 
 
Рецензенты: 
Ульяновский филиал Института радиотехники и электроники 
им. В. А. Котельникова РАН (директор д-р техн. наук,  
профессор В. А. Сергеев); 
профессор кафедры конструирования и технологии электронных систем 
и устройств Самарского национального исследовательского университета 
им. академика С. П. Королева д-р техн. наук, профессор М. Н. Пиганов 
 
 
Смирнов, В. И. 
С50  
Технология интегральных микросхем : учебное пособие / В. И. Смир- 
нов. – Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2023. – 244 с. : ил., табл. 
 
 
ISBN 978-5-9729-1232-2 
 
Изложены вопросы технологии производства интегральных микросхем. Основное внимание уделено вопросам формирования структуры 
полупроводниковых микросхем. Рассмотрена технология получения тонких пленок в гибридных интегральных схемах. 
Для студентов, обучающихся по направлению подготовки 11.03.03 
«Конструирование и технология электронных средств», профиль «Конструирование и технология электронных средств». 
 
 
УДК 621.382 
ББК 32.965 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
ISBN 978-5-9729-1232-2 
” Смирнов В. И., 2023 
 
” Издательство «Инфра-Инженерия», 2023 
 
” Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2023 

ОГЛАВЛЕНИЕ 
 
ВВЕДЕНИЕ........................................................................................................ 6 
 
1. ПОЛУЧЕНИЕ СЛИТКОВ И ПЛАСТИН 
МОНОКРИСТАЛЛИЧЕСКОГО КРЕМНИЯ .................................................. 9 
1.1. Свойства монокристаллического кремния 
........................................... 9 
1.2. Получение металлургического кремния ............................................ 12 
1.3. Выращивание монокристаллических слитков кремния 
.................... 15 
1.4. Маркировка слитков 
............................................................................. 19 
1.5. Резка слитков кремния на пластины и их обработка ........................ 21 
1.5.1. Ориентации слитка ........................................................................ 21 
1.5.2. Резка слитка на пластины ............................................................. 24 
1.5.3. Обработка поверхности пластин .................................................. 26 
Контрольные вопросы 
................................................................................. 32 
 
2. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОПЕРАЦИИ ФОРМИРОВАНИЯ  
СТРУКТУРЫ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ИМС ........................................ 33 
2.1. Формирование диэлектрических и поликристаллических  
кремниевых пленок 
......................................................................................... 33 
2.1.1. Термическое окисление кремния ................................................. 35 
2.1.2. Химическое осаждение из газовой фазы ..................................... 39 
2.1.3. Анодное окисление кремния ........................................................ 40 
2.1.4. Получение пленок нитрида кремния ........................................... 43 
2.1.5. Получение пленок поликристаллического кремния 
................... 44 
2.2. Эпитаксиальные процессы .................................................................. 45 
2.2.1. Классификация эпитаксиальных процессов 
................................ 46 
2.2.2. Парофазная, жидкофазная и твердофазная эпитаксия ............... 47 
2.2.3. Газофазная эпитаксия кремния 
..................................................... 48 
2.2.4. Молекулярно-лучевая эпитаксия ................................................. 52 
2.2.5. Гетероэпитаксия кремния на сапфире ......................................... 55 
2.3. Фотолитография ................................................................................... 60 
2.3.1. Общая характеристика процесса фотолитографии 
..................... 61 
2.3.2. Основные операции фотолитографии 
.......................................... 62 
2.3.3. Фотошаблоны 
................................................................................. 71 
2.3.4. Фоторезисты 
................................................................................... 72 
2.3.5. Способы повышения разрешающей способности  
фотолитографии .............................................................................................. 76 
3 
 

2.4. Литография высокого разрешения 
...................................................... 85  
2.4.1. Рентгенолитография ...................................................................... 85 
2.4.2. Электронолитография ................................................................... 89 
2.4.3. Ионно-лучевая литография 
........................................................... 93 
2.4.4. Наноимпринтная литография ....................................................... 97 
2.5. Диффузия примесных атомов в полупроводниках 
............................ 99 
2.5.1. Основные закономерности процесса диффузии ....................... 100 
2.5.2. Механизмы диффузии ................................................................. 103 
2.5.3. Источники примесных атомов 
.................................................... 106 
2.5.4. Способы проведения диффузии ................................................. 110 
2.6. Ионная имплантация .......................................................................... 116 
2.6.1. Сущность метода ионной имплантации .................................... 116 
2.6.2. Установка для ионной имплантации 
.......................................... 117 
2.6.3. Физические основы метода ионной имплантации 
.................... 120 
2.6.4. Образование радиационных дефектов 
....................................... 123 
2.6.5. Отжиг радиационных дефектов 
.................................................. 124 
2.7. Травление ............................................................................................ 128 
2.7.1. Общая характеристика процесса травления 
.............................. 128 
2.7.2. Жидкостное (химическое) травление ........................................ 137 
2.7.3. Ионно-плазменные методы травления ...................................... 140 
Контрольные вопросы 
............................................................................... 149 
 
3. ТЕХНОЛОГИЯ ПОЛУЧЕНИЯ ПЛЕНОК 
............................................... 150 
3.1. Термовакуумное напыление тонких пленок .................................... 150 
3.2. Ионно-плазменные методы получения тонких пленок 
................... 158 
3.2.1. Общая характеристика методов ................................................. 158 
3.2.2. Катодное распыление .................................................................. 160 
3.2.3. Трехэлектродная система распыления 
....................................... 162 
3.2.4. Высокочастотное ионно-плазменное распыление 
.................... 164 
3.2.5. Реактивное распыление 
............................................................... 165 
3.2.6. Магнетронное распыление 
.......................................................... 167 
3.3. Формирование толстых пленок ГИС ................................................ 170 
3.3.1. Общая характеристика технологии ГИС ................................... 170 
3.3.2. Материалы для изготовления ГИС ............................................ 171 
3.3.3. Технологические операции изготовления 
толстопленочных ГИС 
.................................................................................. 176 
Контрольные вопросы 
............................................................................... 182 
4 
 

4. СБОРОЧНО-КОНТРОЛЬНЫЕ ОПЕРАЦИИ 
.......................................... 183 
4.1. Сборка и монтаж ИМС ...................................................................... 183 
4.1.1. Разделение пластин на кристаллы 
.............................................. 183 
4.1.2. Монтаж кристаллов в корпус ..................................................... 185 
4.1.3. Электрический монтаж выводов ИМС ...................................... 190 
4.1.4. Герметизация ИМС ..................................................................... 200 
4.2. Методы контроля технологических процессов ............................... 210 
4.2.1. Методы контроля параметров монокристаллических  
слитков кремния 
............................................................................................ 210 
4.2.2. Методы контроля поверхности полупроводниковых пластин ... 214 
4.2.3. Методы контроля дефектности диэлектрических слоев .......... 216 
4.2.4. Измерение толщины тонких пленок .......................................... 217 
4.2.5. Измерение толщины эпитаксиальных слоев ............................. 224 
4.2.6. Измерение глубины залегания p-n-перехода 
............................. 225 
4.2.7. Методы химического анализа 
..................................................... 227 
Контрольные вопросы 
............................................................................... 238 
 
ЗАКЛЮЧЕНИЕ ............................................................................................. 239 
 
СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ 
........................................................................... 241 
 
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 
.......................................................... 242 
 
 
5 
 

ВВЕДЕНИЕ 
 
Интегральная микросхема (ИМС)  это микроэлектронное изделие, 
выполняющее определенные функции преобразования и обработки сигнала, а также хранения информации, для которого характерна высокая плотность расположения элементов (транзисторов, диодов, резисторов, конденсаторов). Элементы ИМС изготовлены в виде легированных различными примесями слоев вприповерхностном слое подложки. Обычно 
ИМС имеет герметичный корпус ивнешние выводы, что позволяет рассматривать ее как единое целое. 
По конструктивно-технологическому исполнению ИМС делят на две 
основные группы: полупроводниковые и гибридные. В полупроводниковых ИМС все элементы формируют вблизи поверхности полупроводниковой пластины (обычно кремниевой), легируя ее различными примесями 
через маску, сформированную с помощью фотолитографии. Локальное 
введение примесных атомов дает возможность создавать р-п-переходы, 
составляющие основу диодов итранзисторов, а также обеспечивающие 
изоляцию элементов ИМС друг от друга.  
В гибридных интегральных микросхемах (ГИС) пассивные элементы 
(резисторы, конденсаторы, индуктивные элементы), а также электропроводящие дорожки и контактные площадки изготавливают наповерхности 
диэлектрической подложки по пленочной технологии, аактивные (транзисторы, диоды, бескорпусные ИМС) монтируют наподложке с помощью 
навесного монтажа. В зависимости от технологии изготовления пассивных элементов различают тонкопленочные и толстопленочные ГИС. Тонкопленочные элементы, толщина которых менее 1 мкм, изготавливают 
термовакуумным испарением или ионно-плазменными методами. Толстопленочные элементы изготавливают методом трафаретной печати, 
нанося на подложку через трафарет пасту специального состава с последующей термообработкой (сушкой и вжиганием). 
По своим основным характеристикам (быстродействию, стабильности, массогабаритным параметрам и т. д.) ГИС существенно уступают полупроводниковым ИМС. В то же время они позволяют изготавливать широкий класс электронных устройств, являясь при этом экономически целесообразными даже в условиях мелкосерийного производства. Это объясняется менее жесткими требованиями к трафаретам, с помощью кото6 
 

рых изготавливают пленочные элементы, а также использованием менее 
дорогостоящего оборудования. В ГИС можно получать разброс параметров резисторов на уровне ± 5 %, конденсаторов – на уровне ± 10 %,  
а с применением операции подгонки можно уменьшить разброс параметров до десятых долей процента.  
Отдельную группу составляют пленочные и совмещенные ИМС. 
Доля таких микросхем в общем объеме производства ИМС довольно мала. 
Пленочные ИМС – это, как правило, наборы резисторов или конденсаторов содинаковыми параметрами или параметрами, изменяющимися по 
определенному закону, например, R, 2R, 4R и т. д. Совмещенная ИМС 
представляет собой микросхему, в которой все активные элементы (транзисторы и диоды) формируются вблизи поверхностиполупроводниковой 
пластины, а пассивные элементы (резисторы, конденсаторы, контактные 
площадки и др.)– на ее поверхности по пленочной технологии. Такие 
ИМС, изготовленные по совмещенной технологии, сочетают высокую 
степень интеграции с хорошими электрическими характеристиками пассивных элементов. Однако эти достоинства совмещенных ИМС достигаются за счет усложнения технологического процесса, что ведет к удорожанию таких ИМС. 
Технология полупроводниковых ИМС является наиболее сложной, в 
ней количество отдельных операций может составлять несколько сотен. 
По своему назначению и месту, занимаемому в общем процессе производства полупроводниковых ИМС, все технологические операции (процессы) 
могут быть разделены на три группы (рис. В.1). Первая группа включает в 
себя заготовительные операции, в частности, получение монокристаллических слитков полупроводника определенного типа электропроводности 
и заданного удельного сопротивления, резку слитков на пластины, обработку полученных пластин, а также контроль качества результатов обработки. В эту же группу входят операции изготовления фотошаблонов,  
а также отдельных деталей и узлов корпуса ИМС.  
Вторая группа процессов включает в себя обрабатывающие операции, которые предназначены для формирования всех элементов ИМС  
в полупроводниковых пластинах и контроля на функционирование полученных структур. Сюда входят операции эпитаксии, окисления, фотолитографии, легирования примесными атомами с помощью диффузии или 
ионной имплантации, а также технохимическая обработка и напыление 
7 
 

тонких металлических пленок. Это наиболее ответственные операции, 
определяющие общий технологический уровень производства ИМС. 
 
 
 
 
Рис. В.1. Классификация технологических процессов производства 
полупроводниковых ИМС 
 
В группу сборочно-контрольных операций входят: разделение пластины на отдельные кристаллы (чипы), монтаж кристаллов на основание 
корпуса, разварка выводов, герметизация, контроль и маркировка, а также 
механические и климатические испытания. Практически все перечисленные технологические операции сопровождаются контрольными операциями, которые предназначены для отбраковки дефектных пластин и кристаллов на ранних стадиях технологического процесса.  
 
8 
 

1. ПОЛУЧЕНИЕ СЛИТКОВ И ПЛАСТИН 
МОНОКРИСТАЛЛИЧЕСКОГО КРЕМНИЯ 
 
1.1. Свойства монокристаллического кремния 
 
 
Монокристаллический кремний представляет собой полупроводник 
с шириной запрещенной зоны при комнатной температуре ¨E = 1,12 эВ. 
Кристаллическая решетка кремния кубическая гранецентрированная (типа 
алмаза), постоянная решетки а = 0,543 нм. Подвижность электронов примерно равна 1350 см2/(ВÂc), подвижность дырок – около 480 см2/(ВÂc). Концентрация собственных носителей заряда в кремнии при комнатной температуре составляет величину 1,5ڄ1010 смí3. Электрофизические свойства 
кремния во многом определяются содержащимися в нем примесными атомами. Легируя кремниевую пластину донорной или акцепторной примесью, 
можно создавать в приповерхностном слое различные p-n-переходы,  
составляющие основу всех элементов ИМС (транзисторов, диодов, диффузионных резисторов, конденсаторов и т. д.). В качестве доноров при изготовлении ИМС используют фосфор, мышьяк или сурьму. В качестве акцепторов по ряду причин обычно используют бор. Энергия ионизации 
указанных примесных атомов находится в диапазоне от 40 до 50 мэВ. 
 
На свойства монокристаллического кремния большое влияние оказывают дефекты кристаллической решетки, которые делятся на 4 типа: 
точечные, линейные, поверхностные и объемные. 
Точечные дефекты малы во всех трех измерениях, их размеры по 
всем направлениям не превышают нескольких атомных диаметров. Среди 
них имеются вакансии, атомы замещения и атомы внедрения (рис. 1.1). 
Точечные дефекты возникают в результате хаотического теплового движения атомов в кристаллической решетке. При любой температуре кристаллической решетки всегда имеются атомы, у которых кинетическая 
энергия превышает среднее значение. Эти атомы могут преодолеть потенциальный барьер, создаваемый межатомным взаимодействием, и выйти из 
своего узла на поверхность кристалла или в междоузлие. В результате на 
прежнем месте расположения атома образуется вакансия. Вакансии могут 
перемещаться по кристаллу. Чем выше температура, тем больше концентрация вакансий и меньше время нахождения их в узле решетки. При температурах, близких к температуре плавления, количество вакансий в кристалле может достигнуть 1 % от общего числа атомов. Точечные дефекты 
9 
 

могут привести к локальным искажениям кристаллической решетки. 
Смещения атомов вокруг вакансии возникают в ближайших двух-трех соседних атомных слоях, что и составляет доли межатомного расстояния. 
Вокруг межузельного атома смещение соседних атомов существенно 
больше, чем вокруг вакансий.  
 
 
 
   а)  
 
       б) 
 
 
    в)  
   
         г) 
Рис. 1.1. Точечные дефекты: а – идеальная решетка; б – вакансия;  
в – атом замещение; г – атом внедрения 
 
Линейные дефекты в кристаллах отличаются от точечных дефектов 
тем, что в одном из направлений длина дефекта может быть очень большой, даже сопоставимой с размерами кристалла. Основным линейным 
дефектом является дислокация, представляющая собой линию, вблизи которой нарушено периодическое расположение атомов в кристаллической 
решетке. В реальных кристаллах по разным причинам некоторые атомные 
плоскости могут обрываться. Края таких оборванных плоскостей образуют краевые дислокации (рис. 1.2 а). Кроме краевых дислокаций существуют также винтовые дислокации, которые могут возникнуть в результате сдвига одной части кристалла относительно другой (рис. 1.2 б). Дислокации возникают в процессе выращивания кристаллов, а также при их 
термической или механической обработке, вызывающей пластическую 
деформацию.  
Образование краевой дислокации можно представить себе так, словно в идеальную кристаллическую решетку вставлена дополнительная 
плоскость, которая не имеет продолжения в нижней половине кристалла. 
Такую «неполную» атомную плоскость называют экстраплоскостью. Схематически ее изображают буквой Т (отрицательная дислокация) или перевернутой буквой Т (положительная дислокация). Протяженность дислокаций может составлять несколько тысяч периодов кристаллической решетки, а может распространиться и по всему кристаллу, что существенно вли10