Электронно-лучевая и рентгеновская литография

Существуют две основные возможности использования электронных пучков для облучения поверхности пластины с целью нанесения рисунка. Это одновременное экспонирование всего изображения целиком и последовательное экспонирование (сканирование) отдельных участков рисунка подобно тому, как это происходит в электронном сканирующем микроскопе.

Рентгеновская литография является разновидностью оптической бесконтактной печати, в которой длина волны экспонирующего облучения лежит в диапазоне 0.4 - 5 нм. Несмотря на то, что при рентгеновской литографии используется бесконтактная экспонирующая система, проявление дифракционных эффектов уменьшено за счет малой длины волны рентгеновского излучения.

Хотя потенциально и электронно-лучевая и рентгеновская литография обеспечивают разрешение на уровне единиц нанометров, широкого применения они не нашли.

Электронно-лучевая литография со сканированием луча удобна для проведения экспериментальных работ.

Травление.

Процесс травления пластин и подложек заключается в удалении приповер-хностного слоя твердого тела. Травление используется для очистки поверхности полупроводниковой подложки и формировании на ее поверхности требуемых структур. Различают химическое, газовое и плазмохимическое травление.

Химическое травление

Химическое травление проводят с помощью веществ, позволяющих получить хорошо растворимые или легко летучие продукты, которые легко удаляются с поверхности твердого тела. Как правило скорость химического травления лежит в диапазоне от 0,1 до 10 мкм/мин. Химическое травление подразделяют на изотропное, анизотропное и селективное.

Изотропное травление – растворение полупроводникового материала с одинаковой скоростью по всем кристаллографическим направлениям – позволяет равномерного стравливать тонкие слои и получать ровную поверхность. Такое травление часто называют полирующим. Оно широко используется для очистки поверхности полупроводника от посторонних загрязнений. Например, в полирующем травителе из смеси кислот: HF; HNO₃; СН₃СООН кремний переводится в газообразный тетрафторид кремния SiF₄. На рисунке показано, что при изотропном травлении возникает боковой подтрав ≈ толщине пленки, при этом формируется размытый край пленки и ухудшается точность воспроизведения рисунка маски.

Анизотропное травление – растворение полупроводникового материала с неодинаковыми скоростями по различным кристаллографическим направлениям – позволяет вытравливать глубокие канавки и щели. При анизотропном травлении точность воспроизведения рисунка маски весьма высокая. Примером такого травителя является щелочь КОН. Скорость травления в щелочи КОН плоскостей (100), (010), (001) в 400 раз превышает скорость травления плоскостей (111). В связи с этим при травлении монокристаллического кремния удаляются прежде всего плоскости, обладающие высокой скоростью травления, а остаются те, которые практически не травятся в КОН, т.е. (111). Это позволяет при формировании микроструктур из кремния обеспечивать очень точные размеры элементов. Однако при этом необходимо учитывать, что грани формирующихся профилей будут расположены под некоторым углом 54,7⁰ к исходной поверхности.

Селективное травление – разных материалов с существенно различными скоростями – используется для переноса изображения маски на поверхность полупроводниковой подложки. Так, трав-ление пленки SiO₂ на кремнии в растворе плавиковой кислоте HF является селективным процессом, поскольку травление прекращается на кремниевой подложке. Естественно, что при этом маска из фоторезиста должна обладать высокой стойкостью к раствору HF, т.е. иметь очень маленькую скорость травлении по отношению к SiO₂.

Недостатком жидкостного травления – сравнительно низкая точность воспроизведения рисунка маски, что делает невозможным его применение при производстве микросхем высокой степени интегации.

Газовое травление

Газовое травление совмещают с операциями окисления или эпитаксии для очистки поверхности пластин. Проводят в тех же реакторах с добавлением в газ-носитель галогенов F₂, Cl₂, B₂; галогеноводородов HF, HCl; соединений серы SF₆ и т.д. Травление является изотропным.

Плазмохимическое травление.

Плазмохимическое травление основано на разрушении обрабатываемого материала ионами активных газов, образующимися в плазме газового разряда и вступающими в химическую реакцию с атомами материала подложки. При этом молекулы газа в разряде распадаются на реакционно-способные частицы - электроны, ионы и свободные радикалы, химически взаимодействующие с травящейся поверхностью. В результате химических реакций образуются летучие соединения.

Для травления кремния и его соединений (оксида и нитрида кремния) наиболее часто используют высокочастотную плазму тетрафторида углерода CF₄ (фреон-14), гексафторида серы SF₆ и фреона-12 – CF₄Cl. Реакционно-способные частицы плазмы активно взаимодействуют с кремнием, образуя летучее соединение SiF₄.

Подобным же образом происходит травление SiO₂, Si₃N₄ и некоторых других материалов.

Характерно, что частицы, участвующие в травлении, травят различные материалы с разной скоростью. Типичное значение скорости травления 0,5 мкм/мин.

Реактор для плазмохимического травления имеет вид (см. рисунок). На электроде устанавливаются подложки. Между корпусом и электродом прикладывается ВЧ напряжение частотой 13,56 МГц для возбуждения плазмы. В реактор подается реакционный газ требуемого состава. Продукты реакции откачиваются.

Подбор газов, давления и режима работы реактора позволяют реализовать изотропное, анизотропное или селективное травление. Например, в кремнии при травлении через маску из SiO₂ удается получить профили с отклонением от вертикальности не более 1 мкм при травлении на глубину 100 мкм или реализовать травление кремния на глубину 40 мкм при ширине щели 1 мкм.

В плазме SF₆ получают селективное травление Si/SiO₂. Отношение скоростей травления Si/SiO₂ достигает 100. При использовании же CF₄+H₂ происходит селективное травление SiO₂/Si. Отношение скоростей травления SiO₂/Si достигает 35. Возможно се-лективное травление SiO₂ относительно фоторезистивной маски.

Уникальные возможности плазмохимического травления, прежде всего высокая точность воспроизведения рисунка маски, находят очень широкое применение в производстве сверхбольших интегальных микросхем (СБИС).

Диффузия

Для изменения электрофизических характеристик полупроводника при изготовлении микросхем используют диффузию примеси. Для формирования р- и n-областей обычно используют локальную диффузию атомов элементов III и V групп таблицы Менделееева с применением защитных масок из диэлектрических пленок. Диффузия этих элементов происходит в основном по вакансионному механизму, т.е. атом примеси перемещается по кристаллу занимая вакансии. Ясно, что с повышением температуры скорость диффузии возрастает из-за увеличения концентрации вакансий в кристалле.

Источники легирующих примесей могут быть твердые, жидкие и газообразные. Так, источниками бора служат: В₂О_3(т), ВВr_3(ж), ВF_3(г) или источниками фосфора: Р₂О_5(т), РCl_3(ж), РН_3(г).

Распределение примеси в процессе диффузии рассчитываются посредством законов Фика. В этих законах одним из основных параметров является коэффициент диффузии D. Коэффициент диффузии D имеет размерность м²/с и позволяет определить глубину диффузии атомов примеси за конечный промежуток времени t: . Коэффициент диффузии экспоненциально зависит от температуры , где ΔЕ – энергия активации, требуемая для перехода атома примеси из одного положения равновесия в другое.

При формировании микросхем встречаются два случая диффузии: из бесконечного и ограниченного источников. Распределение примеси в кристалле в разные моменты времени приведены на рисунках, здесь Х – расстояние от поверхности кристалла.

При диффузии из бесконечного источника концентрация примеси на поверхности кристалла постоянна.

При диффузии из ограниченного источника концентрация примеси на поверхности кристалла имеет определенное конечное значение в начальный момент времени и в последующем не восполняется.

При локальной диффузии следует учитывать искривление ее фронта у края окна в маске, которое увеличивает размеры диффузионной области на Δl. Значения Δl могут достигать 0.8 х, где х – глубины диффузии.

При создании активных и изолирующих областей ИМС используют двухстадийную диффузию.

На первом этапе используют диффузию из бесконечного источника – этап загонки примеси.

На втором этапе применяют диффузию из ограниченного источника – этап разгонки примеси . Процесс является изотропным.

.Ионная имплантация

Ионная имплантация – это управляемое введение атомов примеси в поверхностный слой подложки путем бомбардировки ее ионами с энергией от нескольких килоэлектрон-вольт до нескольких мегаэлектронвольт (обычно 20 – 2000 кэВ). Процесс ионной имплантации осуществляют для модификации электрофизических свойств поверхностного слоя полупроводниковой подложки.

Общее количество ионов, падающих на подложку, называется дозой:

,

где J₁ – ионный ток, m – кратность заряда иона, q – заряд электрона, t – время.

При токе однозарядных ионов несколько миллиампер за 100 сек можно ввести в подложку диаметром 100 мм дозу легирования 10²⁰ – 10²¹ атом/см2. Сталкиваясь с электронами и ядрами подложки, ионы примеси на некоторой глубине теряют энергию и останавливаются. Если известны тип и энергия ионов и свойства материала подложки, то глубина проникновения (или длина пробега) может быть вычислена. Для пучков с типичными энергиями от 10 до 500 кэВ величина пробега достигает примерно одного мкм.

Внедрение ионов в кристаллическую решетку обрабатываемого материала приводит к появлению дефектов структуры.

Выбитые из узлов решетки атомы вещества приводят к образованию вакансий и дефектов структуры в виде внедренных межузельных атомов – дислоцированных атомов. Эти же дефекты возникают при попадании ионов примеси между узлами решетки.

Общая разупорядоченность кристаллического строения (вплоть до перехода вещества в аморфное состояние) решетки при ионной бомбардировке называется радиационным пов-реждением, ясно, что это сущест-венно снижает электрические характе-ристики приповерхностного слоя полупроводниковой подложки. Примесь, ионы которой по-пали в междоузлия, не может выпол-нять свои функции.

Для изменения профиля распределения имплантированных ато-мов по глубине по-верхностного слоя применяют варьиро-вание энергии ионного пучка и числа ионов, попадающих в подложку. Пунктир-ными линиями пока-заны профили распре-деления ионов фосфора, имплантированных в кремниевую подложку пучками различных энергий; при этом каждая последующая обработка выполняется пучком большей энергии. Результирующая концентрация ионов имплантированного вещества получается достаточно однородной при некоторой заданной толщине слоя.

Боковое отклонение ионов примеси при имплантации через маску является чрезвычайно важным с практической стороны параметром. Эксперименты показали, что боковое отклонение Δа составляет десятки нанометров (≈50 нм).

Для активации примеси, необходимо, чтобы ионы и атомы примеси заняли места в узлах решетки, формируя твердый раствор замещения и вносили вклад в концентрацию свободных носителей заряда, являясь либо донорами, либо акцепторами.

Для полного восстановления кристаллических свойств и активации примеси после ионной имплантации необходим отжиг при температуре 900 – 1000⁰С.

Однако, такая термообработка вызывает термическую диффузию примесей, что снижает точность ионной имплантации..

Избежать этого позволяет отжиг путем мгновенного повышения температуры. При отжиге в течении нескольких секунд диффузионная длина примеси не превысит нескольких долей микрометра. Источниками нагрева при импульсном отжиге могут быть:

- Лазеры

- Электронный луч

- Импульсные лампы

- Графитовые нагреватели.

Все они могут обеспечить нагрев за время менее 0,1 мкс в течении 1 сек. Это не является мгновенным отжигом, но все же за это время не произойдет заметного изменения профиля диффузии.

- Достоинство ионной имплантации:

- Универсальность метода, возможен ввод любых примесей в любое твердое тело

- Изотопная чистота легирующих примесей

- Контролируемое введение примесей на строго определенную глубину

Недостаток

- Невозможность получения глубоких областей диффузии

- Нарушение кристаллической структуры подложки

Металлизация

Для создания соединений с низким сопротивлением между различными участками полупроводниковой подложки на ее поверхность наносят тонкую пленку металла с последующим травлением с помощью литографии для изготовления токопроводящих дорожек.

В кремниевых ИМС для металлизации в настоящее время часто используют алюминий и его сплавы. Это обусловлено его низким удельным сопротивлением, хорошей адгезией и низкой стоимостью. Для металлизации используются также золото и многокомпонентные соединения, такие как Ti-Pt, Ti-Pd-Au, Ti-Pt-Au.

Осаждение металлических пленок проводят, как правило, путем осаждения металлосодержащих компонент на поверхности подложек в вакуумных камерах. Осаждение осуществляется различными способами. Среди них наибольшее распространение получили: термическое, электронно-лучевое испарение и магнетронное распыление.

Термическое испарение. Нанесение пленок на подложку производится в вакуумной камере. Рабочее давление ≈ 10^-4 Па.

Подложки крепятся на подложкодержатель. Испаряемый металл помещается на испаритель. Испаритель может иметь вид пластинки, лодочки или спирали, которые выполняются из тугоплавкого материала. Нагрев испарителя до температуры плавления металла осуществляется протекающим через него электрическим током. Пары металла движутся в сторону подложек и конденсируются на них, образуя тонкую металлическую пленку. Для обеспечения равномерности толщины металлической пленки подложкодержатель вращается. Скорость роста пленки ≈0,1 мкм/мин.

Достоинство: простота конструкции испарителя; низкая стоимость.

Недостатки: загрязнение пленки материалом нагревателя.

Электронно-лучевой испаритель. Используется вместо термического испарителя в вакуумной установке. Принцип электронно-лучевого нагрева состоит в том, что кинетическая энергия потока ускоренных электронов при бомбардировке ими поверхности вещества превращается в тепловую энергию, в результате чего оно нагревается до температуры испарения.

Поток электронов формируется катодом. Электроны ускоряются электрическим полем анода. С помощью электромагнита происходи разворот электронного луча на 180⁰ и он направляется на водоохлаждаемый тигель. В тигель загружен испаряемый металл. В результате формируется поток паров металла, который направляется на подложку, где происходит его конденсация и формирование тонкой металлической пленки.

Ток электронного луча ≈ 1 А. Ускоряющее поле анода ≈ 10 кВ. Скорость осаждения металлической пленки зависит от испаряемого металла и может достигать 1 мкм/мин.

Достоинство:

высокая чистота материала пленки, поскольку отсутствует загрязнение материалом тигля;

возможность последовательного нанесения различных материалов при смене тигля;

высокая скорость роста пленки металла;

возможность напыления тугоплавких материалов.

Недостаток: наличие ионизирующего излучения, проникающего в приповерхностные слои кремниевых подложек.

Магнетронное распыление. В основе магнетронного распыления лежит диодная система ионного распыления., принцип действия которой состоит в следующем. (см. рис.)

Два основных элемента системы – катод и анод располагаются в рабочей вакуумной камере при давлении рабочего газа Ar порядка 10 Па. При подаче напряжения в систему между электродами возникает тлеющий разряд и в плазме появляются ионы аргона и электроны. Они ускоряются электрическим полем. Электроны движутся к аноду и на своем пути ионизируют атомы Ar. Ионы Ar⁺ под действием поля движутся к катоду, набирая энергию. В результате происходит бомбардировка катода высокоэнергетическими ионами Ar⁺. Ионы аргона, отдавая энергию, вышибают из катода атомы, которые движутся к аноду и оседают на подложке. На подложке формируется тонкая пленка материала катода. Скорость роста пленки составляет ≈0,01 мкм/мин.

Достоинством ионного распыления является:

- Большая площадь катода, источника атомов осаждаемого вещества, позволяет осаждать равномерные по толщине пленки на подложках большого размера;

- Катод или мишень представляет собой источник длительного действия частиц наносимого материала, что облегчает автоматизацию и повышает однородность процесса.

Недостаток:

- Для поддержания тлеющего разряда требуется относительно высокое давление аргона, что загрязняет пленку газовыми включениями и вынуждает располагать подложку на небольшом расстоянии от анода.

- Бомбардировка подложки высокоэнергетическими электронами, что вызывает ее радиационное повреждение.

В магнетронной системе под катодом располагается магнит. В результате вблизи поверхности катода возникают скрещенные электрическое и магнитное поля. В результате траектории электронов будут представлять собой циклоиды. В этом случае большая часть энергии электронов расходуется на ионизацию в непосредственной близости от катода, где создается высокая концентрация положительных ионов Ar⁺. В результате возрастает интенсивность бомбардировки катода, скорость его распыления и скорость роста пленки на подложке (≈1 мкм/мин).

Достоинства магнетронного распыления:

- Так как увеличивается эффективность ионизации, то тлеющий разряд поддерживается при давлениях до 10^-2 Па, что обеспечивает высокую чистоту наносимых пленок;

- Высокая скорость роста пленки на подложке;

- Исключена бомбардировка подложки электронами.

Были рассмотрены способы нанесения металла на подложку. Но эти же способы можно использовать для нанесения на подложку и диэлектрических материалов. Для этого необходимо внести незначительные изменения в вакуумные установки.

Технология структуры КМОП

Биполярный транзистор, входящий в состав интегральной схемы, и который не может быть выделен из нее в качестве самостоятельного компонента, представляет собой интегральный транзистор.

Для изготовления интегральной микросхемы используется кремниевая подложка, диаметр которой может достигать 200 – 300 мм при толщине до 0,5 мм. На такой подложке одновременно могут изготавливаться сотни и тысячи интегральных микросхем. Подложку потом делят на отдельные кристаллы, каждый из которых представляет собой ИМС. Это отличительная особенность полупроводниковой технологии. Интегрально-групповой метод подразумевает, что одновременно обрабатывается большое количество подложек. При этом на каждой подложке создают десятки и сотни тысяч ИМС.

Для изготовления интегральной микросхемы используется кремниевая подложка, диаметр которой может достигать 200 – 300 мм при толщине до 0,5 мм. На такой подложке одновременно могут изготавливаться сотни и тысячи интегральных микросхем. Подложку потом делят на отдельные кристаллы, каждый из которых представляет собой ИМС. Это отличительная особенность полупроводниковой технологии. Интегрально-групповой метод подразумевает, что одновременно обрабатывается большое количество подложек. При этом на каждой подложке создают десятки и сотни тысяч ИМС.

Разработка МДП-транзисторов и МДП ИМС является крупнейшим достижением полупроводниковой электроники. Основой для широкого внедрения в микроэлектронику МДП ИМС послужил целый ряд факторов, к числу которых, в первую очередь, относятся простота их конструкции и технологии изготовления, высокое быстродействие и надежность, меньшая стоимость, чем биполярных ИМС.

Особенностью МДП ИМС является то, что в них осуществляется электрическая самоизоляция элементов, обусловленная принципом действия и структурой МДП транзисторов. Поэтому при изготовлении МДП ИМС не требуется формировать изолирующие области, что увеличивает эффективность использования поверхности пластин.

Для примера рассмотрим структуру и технологические этапы изготовления КМОП структуры, электрическая схема которой имеет вид. В ней последовательно включены МДП транзисторы: VT1 – с индуцированным каналом n-типа, VT2 – с индуцированным каналом р-типа.

Процесс изготовления МДП ИМС с такой структурой состоит из следующих этапов.

I. Поверхность слаболегированной подложки n-типа окисляют. Толщина слоя окисла ≈0,8 мкм.

II. Методом фотолитографии и последующего травления SiO₂ в требуемых местах подложки формируют окна для ее легирования акцепторной примесью. Проводят ионную имплантацию бора В на глубину ≤ 0,5 мкм для выполнения в n-подложке карманов с проводимостью р-типа.

III. В местах расположения на подложке КМОП структуры снимают SiO₂ и проводят формирование на вскрытом кремнии высококачественного слоя SiO₂ толщиной менее 0,1 мкм для подзатворного диэлектрика. Затем на поверхность подложки наносят слой поликремния толщиной ≈ 0,5 мкм. Методами фотолитографии и плазмохимического травления в слоях поликремния и SiO₂ создают окна в местах будующего положения стоков и истоков полевых транзисторов. Причем вскрытие окон производится последовательно для МОП транзисторов с индуцированным n-каналом и с индуцированным р-каналом.

IV. Через вскрытые окна последовательно проводят ионную имплантацию сначала, например, фосфора, а затем бора. Глубина имплантации примеси ≈0,1 – 0,2 мкм. В результате в кармане р-типа формируются истоковая и стоковая области с проводимостью n+ - типа для транзистора с индуцированным каналом n-типа, а в подложке – истоковая и стоковая области с проводимостью р+ - типа для транзистора с индуцированным р-каналом. Островки SiO₂ и поликремния служат маской при ионной имплантации.

V. На поверхность подложки наносят толстый слой SiO₂, который выполняет защитныу функции.

VI. В слое SiO₂ фотолитографией и плазмохимическим травлением вскрывают окна к поликремнию, n+- и р+ - областям. Производят напыление пленки алюминия, в которой с помощью фотолитографии и плазмохимического травления формируют металлическую разводку.

Для рассматриваемой КМОП структуры соединяют Затвор1 - Затвор2 и Сток 1 – Сток 2. Вывод Исток 1 присоединяют к земляной шине, а вывод Исток 2 к линии питания.

Видно, что сформированы два МОП транзистора: с n- и р-каналами, соединенные последовательно в соответствии со схемой КМОП-структуры.

Особенности рассматриваемой структуры.

· Для изготовления затвора используется поликремний. Он лучше сочетается с SiO₂, что повышает процент выхода годных микросхем и обеспечивает однообразие обработки, поскольку наносятся и травятся слои Si – SiO.

· Самосовмещенный затвор. При изготовлении МДП транзисторов необходимо чтобы длина канала точно совпадала с длиной затвора. Если длина затвора меньше длины канала, то транзистор не работает – не возникает проводящий канал между истоком и стоком. Используя традиционные структуры и процессы литографии требование совпадения длин затвора и канала выполнить достаточно сложно из-за погрешностей изготовления фотошаблонов и их позиционирования. Поэтому длину затвора выполняют несколько больше длины канала. В этом случае затвор частично перекрывает области стока и истока. Но это приводит к увеличению паразитных емкостей сток – затвор и исток – затвор. Для точного совмещения длин затвора и канала была разработана технология самосовмещенного затвора. Суть ее видна из рисунка IV. На нем показана ионная имплантация примеси для формирования областей стока и истока МОП транзисторов. Причем имплантация производится через маску, образованную SiO₂ и, обратите внимание, полоской затвора, образованного слоем высококачественного подзатворного SiO₂ с поликремнием сверху. В этом случае длина канала точно совпадает с длиной затвора. Использование такой технологии позволяет существенно увеличить быстродействие и уменьшить размеры КМОП структур.

Процессоры AMD (Advansed Micro Device)(Адвансед микро дивайс)

Для примера рассмотрим очень кратко особенности технологии изготовления процессоров фирмы AMD. Современные процессоры AMD Athlon 64 и AMD Opteron изготавливают по 90 нм проектным нормам.

Компания AMD закупает кремниевые монокристаллы у сторонних производителей, из которых нарезают круглые пластины, толщина которых составляет приблизительно 1/40 дюйма (≈0,6 мм), а диаметр 8 дюймов (200 мм). Затем на этих кремниевых подложках на фабрике в Германии формируют процессоры.

Производственная мощность фабрики составляет 5 тыс. пластин в неделю. С учетом того, что на каждой 200-миллиметровой пластине расположено более 315 процессоров получается весьма впечатляющая цифра.

После этого пластины отправляют в Малайзию, где из них вырезаются конкретные кристаллы-процессоры - чипы. Каждый чип встраивается в корпус, который обеспечивает электрическое соединение кристалла микропроцессора с внешними устройствами. Вот почему на всех процессорах AMD стоит надпись — Assemled in Malaysia (Собран в Малайзии).

Ну и наконец, последняя стадия производства процессоров — тестирование. Для этого уже готовые процессоры отправляются в Сингапур, где и завершается этап производства.

Технологические этапы производства самих микропроцессоров примерно одинаковы во всех компаниях. Напомним, что формирование микросхем в простейшем случае включает следующие обязательные этапы производства, некоторые из которых повторяются неоднократно:

· выращивание кремниевых заготовок и получение из них пластин;

· шлифование кремниевых пластин;

· нанесение защитной пленки диэлектрика (SiO₂);

· нанесение фоторезиста;

· литографический процесс;

· травление;

· диффузия;

· металлизация.

Все перечисленные этапы используются для того, чтобы создать на кремниевой подложке сложную структуру полупроводниковых планарных транзисторов (КМОП транзисторов) и связать их должным образом между собой. Количество таких транзисторов на одной микросхеме приближается к миллиарду.

После тщательной полировки поверхности кремниевой подложки ее покрывают слоем оксидной пленки (SiO₂), выполняющей функцию диэлектрика и защитной пленки при дальнейшей обработке кристалла кремния.

Диоксид кремния в зависимости от его назначения получают либо влажным окислением, либо газофазной эпитаксией, либо путем сухого окисления непосредственно чистым кислородом при высоких температуре и давлении. Для того чтобы пленка диоксида кремния имела точно заданную толщину и не содержала дефектов, необходимо поддерживать строго постоянную температуру во всех точках пластины в процессе окисления.

Для изготовления защитных масок при формирования требуемых структур на поверхности подложки проводят фотолитогафию. Точность процесса фотолитографии во многом определяется длиной волны используемого излучения. В качестве источника ультрафиолетового излучения используется эксимерный лазер на KrF c λ = 248 нм.

Для травления структур используется плазмо-химическое травление, обладающее высокими анизотропией и селективностью.

Для процесса диффузии легирующей примеси применяется ионная имплантация с последующим отжигом.

После проведения требуемого числа технологических процессов на поверхности подложки в каждом чипе будет сформировано около миллиарда транзисторов.

Далее необходимо в нужной последовательности соединить их между собой проводниками. Если принять во внимание, что каждый транзистор имеет сток, исток, затвор и что каждый из этих электродов должен быть соединен проводником с другими компонентами, то совершенно очевидным становится огромное количество требуемых соединений. Осуществить требуемую разводку в пределах того же слоя, где расположены сами транзисторы, просто нереально — неизбежны скрещивания между проводниками.

Даже обычные материнские платы для соединения всех микросхем друг с другом используют более 8 слоев. В каждом таком слое проводники не перекрещиваются друг с другом. Аналогично решается задача и в микросхемах: для соединения транзисторов применяют несколько слоев металлизации, то есть слоев с металлическими проводниками, причем, чем больше транзисторов насчитывается в микросхеме, тем больше слоев металлизации используется.

Для соединения транзисторов друг с другом и другими электронными компонентами в слое диоксида кремния фотолитографией и последующим травлением вскрывают окна и на поверхность подложки напыляют тонкую пленку металла. Проводят фотолитографию и формируют внутреннюю разводку проводников – первый слой металлизации.

Для создания очередного слоя на полученном рисунке схемы на всей подложке выращивается дополнительный слой диоксида кремния – межслойный диэлектрик. В нем вскрывают окна для создания межслойных переходов, напыляют металл и фотолитографией с последующим травлением формируют второй слой металлической разводки и т.д.

В процессорах AMD Athlon 64 и AMD Opteron используется 8-слойная разводка.

В течение многих лет в качестве металла для внутрислойных соединений повсеместно использовался алюминий.

Однако, при неуклонном уменьшении размеров транзисторов, а следовательно, и размеров контактных проводников негативные свойства алюминиевой разводки начинают преобладать: а именно:

· Большой коэффициент диффузии алюминия в кремнии приводит к проколам р-n переходов и нежелательному легированию акцепторной примесью, поскольку Al – Алюминий элемент III группы таблицы Менделеева.

· Электромиграция. При протекании электрического тока вытекающий поток электронов замещается мигрирующими ионами Al. Это приводит к эрозии тонкого алюминиевого проводника и, в конце концов, к разрыву Al – элемента разводки.

· Сравнительно высокое сопротивление проводников. Удельное сопротивление алюминия составляет 2,8 мкОммм²/м. При 0,25-мкм проектных нормах сопротивление алюминиевых проводников составит порядка 100-200 Ом/мм, а при переходе 0,13-микронные технологические процессы оно возрастет до 400-800 Oм/мм.

Поэтому фирма AMD стала использовать медные соединения.

Основное преимущество меди в меньшей удельной проводимости = 1,7 мкОммм²/м, медные проводники способны выдерживать значительно большую плотность тока, обладают более высокой устойчивостью к разрушению под воздействием тока

Но использование медной разводки ставит ряд проблем.

· Медь легко диффундирует в глубь кристалла, что вызывает выход микросхемы из строя.

· Кроме того, медь, в отличие от алюминия, плохо поддается травлению

Компания AMD была первой, которая стала использовать медные соединения при производстве микропроцессоров. Все процессоры AMD, выполненные по 0,18-микронному технологическому процессу и менее, используют медные соединения. Компания Intel также перешла на медные соединения, но несколько позже — при производстве процессоров по 0,13-микронному технологическому процессу.

Рассмотрим более подробно процесс создания медных соединений.

Создание каждого нового слоя традиционно начинается с получения оксидной пленки. Далее, посредством фотолитографии в оксидной пленке вытравливаются бороздки требуемой глубины по форме проводников этого слоя и вскрываются окна к контактным площадкам предыдущего слоя. На поверхность подложки наносят ≈ 10 нм слой антидиффузной пленки из Cr, Mo, Ta или W, предотвращающий диффузию меди.

Затем проводят электрохимическое осаждение меди на поверхность всей подложки из раствора медного купороса Cu₂SO₄, при этом происходит заполнение бороздок и контактных окон в слое диоксида кремния.

После заполнения медью канавок лишний слой меди удаляется с пластины посредством полировки поверхности подложки до слоя SiO₂. В результате образуются проводники данного уровня металлизации.

Для формирования следующего уровня металлизации технологический процесс повторяется. В результате образуется многослойная система металлизации.

Нижние слои металлизации предназначены для локальной коммутации. В этих слоях критичной является плотность размещения металлических проводников. Верхние слои предназначены для глобальной коммутации. В этих слоях критичным является сопротивление проводников.

Конечно, использование перспективных многослойных медных соединений – не единственная особенность современных микросхем. Немало усилий прилагается и для усовершенствования самих транзисторов, составляющих основу любой микросхемы. Например, в новом поколении процессоров будут использоваться такие нововведения, как КНИ транзисторы, в которых за счет использования дополнительного слоя диоксида кремния снижаются емкость и токи утечки, а также транзисторы с двумерными затворами и другие новшества, позволяющие повысить быстродействие транзисторов при одновременном уменьшении их геометрических размеров.