Для основы фотошаблонов применяют оптическое боросиликатное стекло или полимерные пленки, которые хорошо обрабатываются и не изменяют свойств под действием излучения. Для выполнения рисунка применяют галоидно-серебряную фотографическую эмульсию (эмульсионные фотошаблоны), металлы (металлизированные фотошаблоны) и полупрозрачные для видимого света оксиды или другие материалы (транспарентные, цветные фотошаблоны).

Рис 11 наглядно демонстрирует процесс фотолитографии. На поверхность двуокиси кремния наносится равномерный слой фоторезиста. Сверху на него накладывается фотошаблон. Сквозь него фоторезист засвечивается ультрафиолетовым светом. После этого пластину с фоторезистом проявляют; в процессе проявления засвеченные участки фоторезиста стравливаются и в этих местах обнажается поверхность двуокиси кремния. Оставшийся (незасвеченный) слой фоторезиста подвергают термическому дублению – полимеризации, в результате чего этот слой становится нечувствительным к химическим травителям. Поэтому, когда на следующем этапе пластину подвергают травлению, растворяются лишь обнаженные участки двуокиси кремния, вплоть до поверхности самой пластины, вследствие чего в оксидной маске получается необходимая совокупность «окон», через которые в дальнейшем проводят локальную диффузию или напыление контактов. Далее удаляется задубленный слой фоторезиста и пластина с оксидной маской готова к дальнейшей обработке.

5 Методы получения полупроводниковых слоев и переходов

Все рассмотренные ранее этапы технологии производства ИС можно охарактеризовать как предварительные. Действительно, проделав эти действия мы получим лишь заготовку интегральной схемы. Теперь же надо монтировать на ней элементы, которые и будут определять работу готового изделия. Для этого на пластине необходимо создать полупроводниковые слои и переходы. Данные этапы являются предварительными и основными этапами сборки микросхемы.

Полупроводниковые структуры интегральных микросхем нельзя изготовить, не применив хотя бы один из трех процессов: эпитаксиальное наращивание полупроводниковых слоев, диффузионное и ионное легирование. Рассмотрим каждый из них.

5.1 Эпитаксия

Эпитаксия – процесс наращивания монокристаллических слоев на монокристаллических подложках. Монокристаллические подложки в процессе роста эпитаксиального слоя выполняют ориентирующую роль затравки, на которой происходит кристаллизация.

Эпитаксиальные слои можно наращивать в вакууме, из парогазовои и жидкой фазы.

В зависимости от состава материалов слоя и подложки различают процессы автоэпитаксии и гетероэпитаксии. Если составы материалов практически одинаковы, например слой кремния на кремниевой пластине, процесс называют автоэпитаксией. Гетероэпитаксия – процесс ориентированного нарастания вещества, отличающегося по химическому составу от вещества подложки.

Для осаждения слоев кремния из парогазовой фазы в промышленном производстве используют кремнийсодержащие соединения: тетрахлорид кремния, силан. В соответствии с применяемыми исходными продуктами называют и методы: хлоридный и силановый.

Хлоридный метод основан на использовании химического взаимодействия паров тетрахлорида кремния с чистым водородом.

В результате реакции на подложке осаждается чистый кремний, а пары HCl уносятся потоком водорода. Эпитаксиальный слой осажденного кремния монокристалличен и имеет ту же структуру и ориентацию, что и подложка.

Если к парам тетрахлорида кремния добавить пары галоидных соединений бора (BBr3) или фосфора (PCl3), то эпитаксиальный слой будет иметь уже не собственную, а примесную проводимость, поскольку в ходе химической реакции в кремний будут внедряться акцепторные атомы бора или донорные атомы фосфора.

5.2 Диффузионное легирование

Внедрение примесей в исходную пластину (в эпитаксиальный слой) путем диффузии при высокой температуре является одним из основных способов создания диодных и транзисторных структур в интегральной технологии.

Диффузия может быть локальной и общей. В первом случае она осуществляется на определенных участках пластины через специальные маски (рис 12 а, б), во втором – по всей поверхности (рис 10 в).

Диффузию можно проводить и однократно и многократно (двойная, тройная диффузия). Например, в исходную пластину n-типа можно во время первой диффузии внедрить акцепторную примесь и получить р-слой, а затем во время второй диффузии внедрить в полученный слой (на меньшую глубину) донорную примесь и тем самым обеспечить трехслойную структуру (рис 10 г).

5.3 Ионное легирование

Основной особенностью ионного легирования является возможность воспроизводимого получения заданной концентрации примеси на данной глубине практически на любой площади пластины. Это обусловлено тем, что можно с большой точностью задавать ток ионного луча. Возможно получение неглубоких однородно легированных слоев, а также резких р-n переходов. Распределениями примесей можно легко управлять в широких пределах, изменяя дозу облучения, энергию и угол падения ионов.

Ионное легирование осуществляется путем бомбардировки пластины ионами примеси, ускоренными в специальных установках (ускорителях частиц) до значи­тельной энергии. На схеме установки ионного легирования (рис 13) ионы примеси из источника ионов входят в анализатор по массе. Необходимость разделения ионов по массе вызвана тем, что вытягиваемый из источника поток ионов неодно­роден по составу; в нем присутствуют ионы различных элементов и соединений и многозарядные ионы. Для разделения ионов по отношению массы к заряду приме­няют различные сепараторы, которые основаны на взаимодействии движущегося иона с магнитными и электрическими полями или с комбинацией этих полей. В большинстве установок сепараторами являются секторные магнитные системы, в которых происходит Поворот пучка ионов на угол менее 180° (например, 45°, 6О0 или 90°).

Ионы с определенным отношением массы к заряду входят в электростатический ускоритель ионов, к электродам которого от отдельного высоковольтного исто­чника подводится напряжение, в отдельных установках до 200 кВ и выше. Уско­ренные ионы через щель поступают в фокусирующую систему, а затем в скани­рующую систему, которая обеспечивает перемещение сфокусированного пучка ионов по полупроводниковой пластине, расположенной в приемной камере. В ус­тановке обеспечивается необходимый высокий вакуум. Получаемый ток пучка ио­нов в различных установках составляет от десятков микроампер до нескольких мил­лиампер. Сканирование пучка в одном поперечном направлении механическое, а в другом электростатическое, площадь сечения пучка 1 ¸ 2 мм2. Число одновременно закладываемых в камеру пластин с диаметром 75 ¸ 150 мм в разных установках со­ставляет 96 ¸ 24. Следует заметить, что глубина проникновения ионов, зависящая от их энергии, составляет 0,1 ¸ 0,5 мкм, т.е. очень мала и недостижима при диффу­зионном легировании. Это позволяет получать резкие профили (большие градиен­ты) распределения примеси.