Интегральная микросхема

Интегральная схема (ИС) — это система микроскопических устройств (диодов, транзисторов, проводников и т.п.) на одной подложке. С чьей-то легкой руки микросхемы стали также называть чипами за некоторое сходство с тонкими ломтиками жареного картофеля (англ. chip).

Чип размером в 1 см2 может содержать миллионы микроскопических устройств. Очевидно, что последовательное созда

www.nanonewsnet.ru

ние таких приборов “вручную” невозможно из-за огромного количества межсоединений (попробуйте-ка правильно спаять 1.000.000 транзисторов о трех ногах каждый, плюс еще мириады обслуживающих элементов — резисторов, диодов и т.п., да при этом еще не запутаться в проводах!). Выход из создавшегося положения был найден на пути интеграции (объединения) в едином устройстве — интегральной схеме — всего этого множества полупроводниковых устройств и межсоединений, созданных в едином технологическом цикле.

Как делают микросхемы

Поскольку микросхема создается на поверхности пластины, технология ее изготовления называется планарной (от англ. “planar” — “плоский”). Ее основу составляет литография. Название “литография” происходит от греческих слов “литос” — камень и “графо” — пишу, что дословно означает “писать на камне”. Литография в микроэлектронике — это действительно способ формирования заданного рисунка (рельефа) в слое полупроводника.

Изготовление, или “выращивание”, интегральной микросхемы включает в себя несколько основных этапов: Подготовка подложки

Подложкой обычно является пластина кристалла кремния (Si) - самого распространенного полупроводника на Земле.

Так как свойства полупроводникового кристалла сильно зависят от направления (вдоль или поперек кристалла), то перед тем как нарезать кристалл на пластины, его свойства измеряют во всех направлениях и ориентируют нужным образом.

Для резки монокристаллов на пластины применяются диски с режущей кромкой, покрытой алмазной крошкой размером 4060 микрон, поэтому после резки пластины получаются шероховатыми, на них остаются царапины, трещины и другие дефекты, нарушающие однородность структуры приповерхностного слоя и его физико-химические свойства. Чтобы восстановить поверхностный слой, пластину тщательно шлифуют и полируют.

Все процессы по обработке полупроводниковых пластин проводятся в условиях вакуумной гигиены в специальных помещениях со сверхчистой атмосферой. В противном случае пыль может осесть на пластину и нарушить элементы и соединения микросхемы (гораздо меньшие по размерам, чем сама пыль).

Очищенная кремниевая пластина подвергается так называемому оксидированию (или окислению) - воздействию на заготовку кислородом, которое происходит под высокой температурой (1000°C).

Таким образом на поверхности заготовки создается тончайший слой диоксида кремния SiO2. Регулируя время воздействия кислорода и температуру кремниевой подложки, можно легко сформировать слой оксида нужной толщины.

Диоксидная пленка отличается очень высокой химической стойкостью, большой прочностью и обладает свойствами хорошего диэлектрика, что обеспечивает надежную изоляцию находящегося под ним кремния и защищает его от нежелательных воздействий в ходе дальнейшей обработки. Нанесение фоторезиста

Если некоторые области кремния, лежащие под слоем оксида, необходимо подвергнуть обработке, то оксид надо предварительно удалить с соответствующих участков. Для этого на диоксидную пленку наносится слой фоторезиста.

Фоторезист — это светочувствительный материал, который после облучения становится растворимым в определенных химических веществах.

Фотошаблон представляет собой пластинку, состоящую из прозрачных и непрозрачных участков, и играет роль трафарета. Экспонирование

На следующем этапе — экспонировании — пластину с наложенным на нее фотошаблоном подвергают действию излучения. Фоторезист, расположенный под прозрачными участками фотошаблона, засвечивается.

www.nanonewsnet.ru

НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ

В результате засвеченный слой, чьи структура и химические свойства изменились под действием излучения, а также находящийся под ним слой диоксида кремния могут быть удалены с помощью химикатов (каждый слой - своим химикатом). Травление

Удаление облученного фоторезиста и оксидной пленки называется травлением. Этот процесс необходим, чтобы вскрыть окно для доступа к материалу подложки. Травление может быть химическим “мокрым” или плазменным “сухим”. Химическое жидкостное травление основано на растворении химическими веществами не защищенных фоторезистивной маской участков образца. Более эффективными являются “сухие” методы обработки, основанные на взаимодействии газозарядной плазмы с поверхностным слоем материала. Кроме того, существует ионное, ионно-химическое и плазмохимическое травление.

Результатом травления является полное удаление материала на участках, не защищенных фоторезистом.

5. Заключительным этапом формирования микросхемы являются процессы эпитаксии, диффузии и металлизации.

Эпитаксией называют ориентированное наращивание слоев вещества с воспроизведением кристаллической структуры подложки.

Его производят в особом реакторе.

Диффузию используют для создания р- и n-областей. Для этого в кремний в качестве акцептора вносят бор (B), а в качестве доноров — фосфор (P) и мышьяк (As). Процесс заключается в нагреве пластины и внедрении в нее ионов с высокой энергией.

Металлизация завершает изготовление чипа. В ходе этого процесса осаждаются тонкие металлические пленки из алюминия, золота или никеля, которые образуют электрические соединения между активными областями и приборами на кристалле- те токопроводящие линии и контактные площадки, которые мы можем наблюдать на любой микросхеме.

Итак, процесс изготовления микросхем включает несколько технологических этапов: очистка, окисление, литография, травление, диффузия, осаждение и металлизация.

Развитие литографии

Бесспорно, для дальнейшего развития электроники, т.е. увеличения производительности за счет уменьшения размеров чипов, ключевым моментом является совершенствование методов литографии.

Это значит, что толщина линий, наносимых светом на поверхности фоторезиста в момент формирования “рисунка” микросхемы, должна стремиться к уменьшению. Этого можно достичь уменьшением длины волны, ведь чем меньше длина волны, тем более мелкие детали рельефа она позволяет «нарисовать».

Первоначально засветка производилась инфракрасным излучением с длиной волны чуть более 1 микрона — и ширина дорожек была примерно такой же. Затем стандартными стали длины волн 435 и 365 нм. При помощи источника излучения с длиной волны 365 нм вычерчивались линии толщиной до 0,35 микрон, что почти соответствует длине волны.

Затем благодаря переходу на источники, действующие в спектре глубокого УФ-излучения (DUV-литография “Deep Ultra Violet”) с длиной волны 248 нм, полупроводниковая промышленность перешла на 0,18-микронную литографию. Достижение топологических размеров в 100 нм и меньше потребует уменьшения длины волны излучения, возможно, за счет применения принципиально новых источников.

НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ

В настоящее время интенсивно развивается EUV-литография (Extreme Ultra Violet) — литография в спектре жесткого ультрафиолета, обеспечивающая толщину линий проводников в 70 нм, что примерно в тысячу раз меньше толщины человеческого волоса.

EUV-литография является обычной литографией, но с использованием излучения с длиной волны 11 - 14 нм, отражательной оптикой и фотошаблонами. Оптическая система содержит набор зеркал между источником света и маской.

Рис 106. Схема оптической литографии

Чтобы дать читателю представление о преимуществах EUV-литографии, приведем несколько наглядных примеров: EUV-технология приводит к появлению микропроцессоров в 30 раз быстрее существующих. Процессор в 10 ГГц, например, будет настолько быстрым, что, например, за время, пока человек успевает моргнуть глазом (около 1/5 секунды), он сможет произвести порядка 2 млрд. вычислений. EUV-литография предназначена для печати на кремниевой подложке элементов размером 0,07 мкм (70 нм) и менее. Это все равно, что рисовать изображение размером с двухрублевую монету на поверхности Земли с космического корабля, а затем поверх него печатать другую картинку, четко совмещая их между собой. На одном кристалле соли (с ребром 0,25 мм) разместилось бы около 3600 таких 70-нанометровых элементов. Элементы, нанесенные с помощью EUV- и DUV-литографии, примерно так же отличаются друг от друга, как две оди-

наковые линии, проведенные на бумаге шариковой ручкой (EUV) и маркером (DUV).

Переход к EUV- литографии позволил пересечь 100 нм рубеж, оставаясь в рамках традиционной фотолитографии. Однако сложная зеркальная оптика и технология изготовления фотошаблонов делает такой подход исключительно дорогим, оставляя место для разработки литографических процессов, основанных на иных физических принципах.