Технологические процессы микроэлектроники

Московский государственный технический университет 
имени Н. Э. Баумана

Н.Н. Дронов, В.В. Макарчук,  
Н.В. Макушина 

Технологические процессы 
микроэлектроники 

Методические указания  
к выполнению лабораторного практикума

 
 
 
 
 
 
 

УДК 621.382
ББК 32.844.1
        Д75

 

Издание доступно в электронном виде на портале ebooks.bmstu.ru  

по адресу: http://ebooks.bmstu.ru/catalog/244/book1415.html

 
Факультет «Информатика и системы управления»

Кафедра «Проектирование и технология производства  

электронной аппаратуры»

 

Рекомендовано Редакционно-издательским советом  

МГТУ им. Н.Э. Баумана в качестве методических указаний
 
Дронов, Н. Н.

Технологические процессы микроэлектроники : методические 

указания к выполнению лабораторного практикума /  Н. Н. Дронов,  
В. В. Макарчук, Н. В. Макушина. — Москва : Издательство МГТУ 
им. Н. Э. Баумана, 2016. — 20 , [4] с.: ил.

ISBN 978-5-7038-4358-1

Описана методика проведения лабораторных работ по дисциплине 

«Технологические процессы микроэлектроники», выполнение которых 
необходимо для приобретения студентами начальных навыков распознавания элементов топологии полупроводниковых интегральных микросхем 
и практической работы с оборудованием, используемым при их производстве.

Для студентов, обучающихся по специальности «Проектирование и 

технология производства электронной аппаратуры», а также других специальностей факультета «Информатика и системы управления», подготовка 
которых предусматривает изучение дисциплин, связанных с технологиями 
микроэлектроники.

       УДК 621.382
        ББК 32.844.1

 
 

 
 

 
 
                                                                       © МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2016
                                                                       © Оформление. Издательство 
ISBN 978-5-7038-4358-1                                  МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2016

Д75

ПРЕДИСЛОВИЕ

Специалистам в области проектирования и производства электронной аппаратуры хорошо известно, что основу ее элементной 
базы составляют интегральные микросхемы (ИМС). В любом электронном устройстве (мобильный телефон, планшетный компьютер, 
игровая приставка и др.) содержится хотя бы одна ИМС.
Изобретение ИМС относят к 1959 г., когда два сотрудника —  
Р. Нойс (1927–1990) и Д. Килби (1923–2005) конкурирующих американских фирм, занимавшихся производством полупроводниковых приборов, независимо друг от друга подали заявки на выдачу 
им соответствующих патентов на изобретение. Это событие можно 
рассматривать как результат развития и совершенствования технологий производства электронной аппаратуры.
Изобретение ИМС обусловило появление микроэлектроники — 
области науки и техники, занимающейся всем комплексом вопросов, связанных с их проектированием и производством. В результате  
на смену лампам и дискретным транзисторам пришли приборы, содержавшие сначала десятки, а затем сотни, тысячи и миллионы элементов на кристалле. Использование ИМС позволило существенно 
сократить массогабаритные характеристики электронной аппаратуры новых поколений при одновременном расширении ее функциональных возможностей, снижении потребляемой мощности, стоимости и многократном увеличении надежности.
В 2000 г. важность изобретения ИМС для прогресса человечества была отмечена Нобелевским комитетом, присудившим 
Нобелевскую премию по физике одному из ее изобретателей — 
Д. Килби.
С момента создания первых работавших образцов ИМС они, 
постоянно технологически совершенствуясь и усложняясь, прошли 
большой путь развития, превратившись в конечном итоге в сверхбольшие интегральные микросхемы (СБИС). В настоящее время 
кремниевые кристаллы СБИС содержат уже более 1 млрд транзисторов, размер каждого из которых на порядок меньше длины вол

ны видимого человеческим глазом спектра электромагнитного излучения.
В настоящее время разработка и проектирование СБИС представляет собой чрезвычайно сложную инженерно-техническую 
задачу, решить которую могут только специалисты очень высокой 
квалификации, обладающие знаниями в области всего спектра проблем микроэлектроники. Подготовка таких специалистов сегодня 
также вызывает большие проблемы и осуществляется по принципу 
«от простого — к сложному».
Предлагаемый цикл лабораторных работ ориентирован на студентов, которые только начинают знакомиться с микроэлектро- 
никой. 
Цель работ — приобретение начальных навыков общения с интегральными микросхемами, оборудованием и инструментом, используемыми при их производстве.
Лабораторные работы № 1 и 2 относятся к этапу топологического проектирования ИМС и помогают студенту научиться распознавать активные и пассивные элементы микросхемы по их топологии. 
При их выполнении студенты дополнительно приобретают навыки 
работы с оптическим микроскопом.
Лабораторная работа № 3 знакомит студентов с технологической 
операцией контактной литографии. Здесь в качестве инструмента применяется комплект так называемых промежуточных фото- 
шаблонов (ПФШ), который изготавливается до начала производства 
каждого типа ИМС и используется в дальнейшем для получения 
комплекта рабочих фотошаблонов. С помощью последних и выполняется эта технологическая операция.
Выполнение каждой лабораторной работы оценивается по системе «зачет/незачет». По результатам каждой работы студент  
должен предоставить отчет, содержащий формулировку цели работы, подробное описание основных этапов ее выполнения и полученные результаты. После проверки преподавателем отчета студент 
должен устно ответить на контрольные вопросы, содержащиеся в 
конце описания каждой лабораторной работы. Если преподаватель 
признает удовлетворительными содержание отчета и ответы на контрольные вопросы, студент за выполненную лабораторную работу 
получает оценку «зачет».
 
 
 

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1

АНАЛИЗ ТОПОЛОГИИ ПОЛУПРОВОДНИКОВОЙ  
ИНТЕГРАЛЬНОЙ МИКРОСХЕМЫ

Цель работы
1. Изучение особенностей топологии отдельных элементов 
ИМС (транзисторов, диодов, резисторов).
2. Приобретение навыков распознавания элементов электрической схемы, сформированных в объеме кристалла ИМС.
3. Знакомство с принципами компоновки элементов ИМС и организации межэлементных электрических связей (межсоединений).
4. Знакомство с функциями вспомогательных (служебных) элементов, сформированных в объеме кристалла ИМС.
Продолжительность работы 4 ч, включая подготовку и сдачу отчета.
Необходимые теоретические сведения по физической структуре 
и топологии полупроводниковых ИМС приведены в соответствующем лекционном курсе.

Теоретическая часть

В настоящее время среди всех видов ИМС широкое распространение и применение нашли полупроводниковые ИМС, в наибольшей степени обладающие свойствами технологичности и пригодности для организации массового производства. 
Предлагаемая для изучения ИМС произведена по так называемому EPIC-технологическому процессу (EPIC — Epitaxcial Passivated 
Integrated Circuit) с диэлектрической изоляцией ее элементов друг 
от друга, последовательность технологических операций  которого 
представлена на рис. 1.1.
1.  В качестве исходного материала используют пластину моно- 
кристаллического кремния n-типа проводимости (рис. 1.1, а), 
на поверхности которой создают сильно легированный  n+-слой 
(рис. 1.1, б).

Рис. 1.1. Процесс производства ИМС по технологии с диэлектрической 
изоляцией элементов

2. На поверхности пластины формируют слой диоксида кремния 
SiO2 (рис. 1.1, в).
3. Слой диоксида кремния стравливают со всех участков, лежащих вне выбранных изолированных областей (рис. 1.1, г).

4. В пластине вытравливают канавки, окружающие изолированные области (рис. 1.1, д).
5. Поверх кремниевой пластины, включая наружную поверхность канавок, вновь формируют слой диоксида кремния (рис. 1.1, е).
6. Поверх слоя диоксида кремния формируют слой поликристаллического кремния толщиной порядка 150 мкм, который также 
заполняет канавки. Этот слой обладает необходимой механической 
прочностью и стабильностью размеров (рис. 1.1, ж).
7. Монокристаллический кремний сошлифовывают и стравливают до появления слоя диоксида. Таким образом удаляют излишний высокоомный материал подложки (рис. 1.1, з), в результате чего 
образуются разделенные слоем диоксида островки монокристаллического кремния, в которых в дальнейшем и будут сформированы 
элементы ИМС.
8. Пластину переворачивают и далее обрабатывают по обычной 
планарно-эпитаксиальной технологии, формируя элементы ИМС и 
межэлементные электрические связи (межсоединения) между ними 
(рис. 1.1, и).

Порядок выполнения работы

1. Полученный у преподавателя образец ИМС (в кассете) установите на предметный столик микроскопа. Отрегулировав освещение и резкость, добейтесь четкого изображения межсоединений на 
поверхности кристалла ИМС. Составьте эскиз соединений между 
элементами кристалла, включая его периферийные контактные 
(монтажные) площадки. Проводники (независимо от их ширины) 
можно изображать простыми линиями. Основываясь на стандартной оцифровке внешних выводов корпуса ИМС, пронумеруйте периферийные контактные площадки.
2. Установите кассету с образцом ИМС на подставку, обеспечивающую наклон кристалла к плоскости предметного столика микроскопа на угол 30°. В результате регулировки резкости должна 
контрастно просматриваться зона кристалла с элементами ИМС. 
При перемещении тубуса микроскопа вверх-вниз соответственно 
перемещается и зона резкости по кристаллу, что позволяет четко 
различать отдельные области и элементы ИМС в целом.
3. После выполнения п. 2 определите места расположения металлических контактов в отдельных областях элементов ИМС. На 
эскизе межсоединений обозначьте эти контакты точками, указав их 
назначение (Э, Б, К — для транзисторов; А, К — для диодов).

4. Используя принципиальную электрическую схему ИМС, приведенную на рис. 1.2, нанесите на эскиз топологии кристалла ИМС 
соответствующие обозначения элементов (VT1, VT2, …, VD1, …, R1, 
R2, …).

Рис. 1.2. Принципиальная электрическая схема ИМС:

1–14 — номера выводов корпуса ИМС (9, 10, 13 — не задействованы)

5. Составьте эскизы топологии отдельных элементов ИМС 
(транзисторов, многоэмиттерного транзистора, диода и резисторов), придав им схемные обозначения.
6. Найдите на кристалле знаки совмещения. Нарисуйте их эскиз 
и укажите их принадлежность к  тому или иному топологическому 
слою (коллекторному, базовому и  т. д.), определив тем самым по- 
следовательность их применения.

Содержание отчета

1. Эскиз топологии кристалла ИМС с указанием межсоединения 
между отдельными ее элементами и обозначением контактов, их 
назначения, а также элементов ИМС в соответствии с ее принципиальной электрической схемой.
2. Эскизы топологий отдельных элементов ИМС (многоэмиттерного транзистора, транзисторов, диода и резисторов) с обозначением областей каждого элемента.
3. Эскизы знаков совмещения с обозначением топологического 
слоя для каждого знака.
4. Ответы на контрольные вопросы.

Контрольные вопросы

1. Назовите топологические слои изученной ИМС в порядке их 
формирования.
2. Как осуществляется изоляция межсоединений от поверхности кристалла ИМС?
3. Как осуществляется изоляция элементов ИМС друг от друга в 
поверхностном слое кристалла?
4. Какими факторами ограничены минимальные размеры периферийных (монтажных) контактных площадок?
5. Для чего служат знаки совмещения и в какой последовательности они формируются и используются?
6. Каким образом можно топологически преобразовать транзистор в диод?
7. С какой целью формируют так называемую шейку в базовой 
области многоэмиттерного транзистора?
8. С какой целью отдельным резисторам придают форму «ме- 
андра»?
9. Какое значение имеют избыточные (незадействованные) элементы кристалла ИМС?

 
 
 
 

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 2

БАЗОВЫЙ МАТРИЧНЫЙ КРИСТАЛЛ.  
АНАЛИЗ СОСТАВА И РАЗМЕЩЕНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ

Цель работы

Ознакомление с порядком размещения в БМК элементов различных типов, а также с особенностями структурно-технологического 
формирования транзисторов n–p–n- и p–n–p-типов проводимости в 
едином планарно-эпитаксиальном технологическом процессе с двумя скрытыми слоями.
Продолжительность работы 4 ч, включая подготовку и сдачу отчета.
Необходимые теоретические сведения по физической структуре 
и топологии БМК приведены в соответствующих разделах лекционного курса.

Теоретическая часть

Базовый матричный кристалл (БМК) содержит универсальный 
набор нескоммутированных элементов (транзисторов, диодов, резисторов и конденсаторов), изготовленных по одной из интегральных 
технологий в групповой кремниевой пластине. Выбрав необходимые элементы и организацию между ними электрических связей, 
БМК можно преобразовать в конкретную специализированную интегральную микросхему достаточно высокой степени интеграции. 
При необходимости соединения между элементами БМК создают с 
помощью двух и более уровней металлизации.
Появление БМК в 70-х годах ХХ века позволило существенно 
сократить время проектирования и изготовления специализированных интегральных микросхем, а также стоимость их разработки, 
поскольку требовало для каждой проектируемой микросхемы изготовления только шаблонов коммутационных слоев. Кроме того, 
сокращение времени изготовления новой микросхемы достигалось 
и за счет того, что для ее производства можно было воспользовать