Раздел 3: Технологическая схема производства ИС

Раздел 3: Технологическая схема производства ИС

Маршрут технологического производства

Маршрут технологического производства ИС представляет собой последовательность всех шагов физического формирования топологических структур, необходимых для изготовления ИС. Для удобства из нескольких последовательных шагов состоит «модуль», а объединение модулей составляют определенный «блок» ИС.
Теперь поговорим о ключевых этапах технологического процесса КМОП-логики. Это основа современной микроэлектроники, и понимание этих процессов крайне важно для тех, кто хочет работать в области проектирования и производства интегральных схем. Начинается всё с кремниевой пластины. Это основа, на которой мы будем строить нашу схему. Пластина должна быть идеально чистой, поэтому её тщательно очищают от любых загрязнений и оксидных слоев — чистота подложки критически важна.

Формирование изоляции активных областей друг от друга

Мы создаем активные области, где будут располагаться транзисторы. Для этого используется либо локальное окисление (LOCOS), либо более современный метод — изоляция траншеей (STI). Это как разметка на холсте: мы определяем, где будут находиться ключевые элементы нашей схемы. Современные технологии предпочитают STI, так как это позволяет уменьшить размеры элементов и повысить плотность транзисторов.

Формирование карманов

Карманы (wells) — это области в кремниевой подложке, которые формируются путем легирования и определяют тип проводимости (n-тип или p-тип) активных областей транзисторов.

Формирование затворов

Теперь переходим к созданию затворов транзисторов. Сначала наносится тонкий слой оксида кремния — это будет изолятор между затвором и каналом транзистора. Затем наносится слой поликремния, который структурируется с помощью фотолитографии. Поликремний легируется для улучшения проводимости в открытых от фоторезистивной маски местах. Затвор — это, можно сказать, 'рубильник' транзистора, который управляет потоком тока.

Формирование активных областей

Теперь переходим к созданию активных областей транзистора, истоков и стоков. Это области, через которые ток входит и выходит из транзистора. Для этого используется ионная имплантация — процесс, при котором ионы бора или фосфора 'вбиваются' в кремний. После этого проводится высокотемпературный отжиг, чтобы активировать примеси и 'залечить' повреждения кристаллической решетки.

Формирование спейсера

Модуль спейсер (Spacer) — это важный этап в современном технологическом процессе производства КМОП-транзисторов, особенно в технологиях с малыми технологическими нормами. Этот модуль используется для формирования боковых изоляционных структур вокруг затвора транзистора, что позволяет улучшить его характеристики и уменьшить паразитные эффекты. В современных FinFET-транзисторах (которые используются в технологиях 22 нм и менее) спейсеры играют еще более важную роль. Они формируются вокруг трехмерного "плавника" (fin) транзистора и обеспечивают изоляцию между затвором и истоком/стоком в трехмерной структуре.
Таким образом, спейсер, как топологический элемент, позволяет достичь ряд преимуществ:
Уменьшение паразитных емкостей. Спейсеры изолируют затвор от истока и стока, что снижает паразитные емкости и улучшает быстродействие транзистора.
Контроль длины канала. Спейсеры помогают точно контролировать длину канала транзистора, что особенно важно в современных технологиях с малыми размерами.
Улучшение надежности. LDD-области, формируемые с помощью спейсеров, уменьшают электрическое поле в канале, что снижает вероятность пробоя и увеличивает срок службы транзистора.

Формирование силицида

Формирование силицида — это важный этап в производстве КМОП-микросхем, который используется для снижения сопротивления контактов и улучшения электрических характеристик транзисторов. Силициды — это соединения металлов с кремнием, которые обладают высокой электропроводностью и позволяют создавать низкоомные контакты к истоку, стоку и затвору транзистора. Без силицидов было бы невозможно достичь тех высоких характеристик, которые мы видим в современных процессорах и памяти. Этот процесс требует точного контроля температуры, времени отжига и используемых материалов, но результат того стоит — низкое сопротивление контактов и высокая производительность микросхем.
Для отжига силицидов используются установки быстрого термического отжига (RTA — Rapid Thermal Annealing). Эти установки позволяют быстро нагревать и охлаждать образцы, что минимизирует диффузию примесей и повреждения кристаллической решетки. В зависимости от используемого металла силициды могут иметь разные свойства:
TiSi₂ (силицид титана): Широко использовался в старых технологических процессах. Обладает низким сопротивлением, но требует высоких температур для формирования. Отжиг при температуре 600–800 °C.
CoSi₂ (силицид кобальта): Используется в более современных процессах. Обладает хорошей стабильностью и низким сопротивлением. Отжиг при температуре 500–700 °C.
NiSi (силицид никеля): Наиболее популярный материал в современных технологиях (например, 28 нм и менее). Обладает низким сопротивлением и формируется при относительно низких температурах. Однако NiSi менее стабилен при высоких температурах, что требует тщательного контроля процесса. Отжиг при температуре 400–500 °C.
Отжиг силицидов — это критически важный этап в производстве современных КМОП-микросхем. Он позволяет создавать низкоомные контакты, которые улучшают производительность и надежность транзисторов. Однако этот процесс требует точного контроля температуры, времени и используемых материалов. Современные технологии, такие как NiSi, позволяют формировать силициды при относительно низких температурах, что делает их идеальными для процессов с малыми нормами.
Чтобы обеспечить формирование качественного силицида с низким сопротивлением необходимо:
Контроль фазы силицида. Неправильный отжиг может привести к образованию нежелательных фаз с высоким сопротивлением.
Контроль температурного режима. Слишком высокая температура может вызвать деградацию силицида, а слишком низкая — неполное формирование.
Контроль толщины. В современных технологиях с малыми нормами (например, 22 нм и менее) требуется тщательный контроль толщины слоев. В FinFET-транзисторах из-за трехмерной структуры "плавника", необходимо обеспечить равномерное формирование силицида на всех поверхностях.

Формирование контактов

Формирование контактов — это важный этап в производстве КМОП-микросхем, который обеспечивает электрическое соединение между активными элементами транзисторов (истоком, стоком и затвором) и металлическими межсоединениями. Это промежуточный слой металлизации (блок Middle-End-Of-Line), который используется для соединения элементов внутри одной ячейки транзистора до формирования основных металлических слоев. Процесс формирования требует высокой точности и контроля, особенно в современных технологиях с малыми размерами. Качество контактов напрямую влияет на производительность и надежность микросхемы.
Контактный модуль включает в себя создание контактных отверстий (контактов) и их заполнение проводящим материалом (обычно вольфрамом или медью). После заполнения контактных отверстий излишки металла удаляются с помощью химико-механической полировки (CMP — Chemical Mechanical Polishing). Это обеспечивает плоскую поверхность для последующих этапов металлизации.
LIL и SAC — это две важные технологии формирования контактов, которые используются в современных КМОП-процессах для повышения плотности элементов, уменьшения паразитных эффектов и улучшения производительности микросхем. LIL (Local Interconnect Layer) — это технология, которая позволяет создавать локальные соединения между элементами транзистора (например, между истоком, стоком и затвором) на самом раннем этапе формирования транзистора. SAC (Self-Aligned Contact) — это технология формирования контактов, которая позволяет создавать контактные отверстия с высокой точностью, используя самосовмещение. Контактные отверстия формируются с использованием спейсеров (боковых изоляционных стенок) и других структур транзистора, что позволяет достичь высокой точности без необходимости точного совмещения маски (FinFET, <10 нм). Обе технологии играют ключевую роль в развитии микроэлектроники.

Формирование металлизации (Cu/low-k)

Формирование металлизации с использованием меди (Cu) в сочетании с низко-диэлектрическими материалами (low-k) необходимо, чтобы уменьшить паразитные емкости и улучшить быстродействие микросхем в производстве современных КМОП-микросхем, но требует тщательного контроля и использования передовых технологий, таких как «Дамасцен» .
Первый этап — это нанесение изолирующего слоя с низкой диэлектрической проницаемостью (low-k). Обычно это материалы на основе оксида кремния (SiO₂) с добавлением углерода или фтора, которые уменьшают диэлектрическую проницаемость. Чем ниже значение k, тем меньше паразитные емкости между проводниками.
С помощью фотолитографии и травления в диэлектрике создаются отверстия (via) и траншеи (trench). Отверстия используются для вертикальных соединений между слоями, а траншеи — для горизонтальных проводников.
Чтобы предотвратить диффузию меди в диэлектрик и улучшить адгезию, на стенки отверстий и траншей наносится барьерный слой. Обычно это тонкий слой тантала (Ta) или нитрида тантала (TaN). Этот слой играет роль 'прокладки', которая защищает диэлектрик и улучшает контакт.
Затем отверстия и траншеи заполняются медью. Медь используется благодаря своему низкому удельному сопротивлению, что позволяет уменьшить задержки сигналов и повысить быстродействие микросхемы. Заполнение происходит с помощью электрохимического осаждения (ECD — Electrochemical Deposition).
После заполнения медью излишки металла удаляются с помощью химико-механической полировки (CMP — Chemical Mechanical Polishing). Это обеспечивает плоскую поверхность для последующих слоев металлизации.

Формирование многослойной металлизации

В современных технологиях с нормами менее 10 нм модуль металлизации становится еще более сложным. Используются многослойные структуры с десятками слоев металлизации, а также новые материалы и методы, такие как воздушные зазоры (air gaps) для дальнейшего уменьшения диэлектрической проницаемости.

Формирование контактных площадок (Al Pad)

Алюминиевая контактная площадка (Al Pad ) — это металлическая площадка на поверхности кристалла, которая используется для подключения микросхемы к внешним выводам. Это ключевой элемент, который обеспечивает электрическое соединение между внутренними элементами микросхемы и внешним миром. В современных технологиях Al Pad используется в сочетании с другими материалами (например, медью) для улучшения характеристик. Также могут использоваться дополнительные слои (например, барьерные слои из титана или тантала) для предотвращения диффузии и улучшения адгезии.
Сначала на поверхность наносится толстый слой алюминия (обычно толщиной 1–2 мкм). Это делается с помощью методов напыления, таких как PVD (Physical Vapor Deposition — физическое осаждение из паровой фазы). С помощью фотолитографии на алюминий наносится фоторезистивная маска, которая определяет форму и размеры Al Pad. Затем выполняется плазмохимическое травление, в ходе которого удаляются излишки алюминия, и формируются контактные площадки. Чтобы защитить Al Pad от коррозии и механических повреждений, на его поверхность наносится защитный слой (обычно нитрид кремния Si₃N₄ или оксид кремния SiO₂). Этот слой также предотвращает окисление алюминия. После в защитном слое создаются отверстия, которые открывают доступ к Al Pad. Эти отверстия используются для подключения проволочных соединений или шариковых выводов.
Формирование Al Pad — это сложный процесс, который сталкивается с несколькими вызовами:
Коррозия. Алюминий подвержен окислению, поэтому требуется нанесение защитного слоя.
Электромиграция. При высоких плотностях тока алюминий может мигрировать, что приводит к разрыву соединений. Для предотвращения этого используются легирующие добавки (медь или кремний).

Кристальное производство ИС

Кристальное производство ИС — это сложный и многоэтапный процесс, который требует использования передовых технологий и оборудования. Он лежит в основе создания современных электронных устройств, от процессоров и памяти до датчиков и микроконтроллеров. Благодаря постоянному развитию технологий (например, переход на EUV-литографию и использование новых материалов) кристальное производство продолжает двигаться в сторону уменьшения размеров элементов и увеличения производительности чипов.
Объединяя различные модули, отдельные операции и процессы в технологический маршрут (поток операций), можно изготовить любую ИС:

Формирование активных элементов (Front-End-of-Line, FEOL)

• Окисление: На поверхности пластины создается слой диоксида кремния (SiO₂) для изоляции и защиты.

• Фотолитография: Нанесение фоторезиста (светочувствительного материала) на пластину. Экспонирование через фотошаблон с использованием ультрафиолетового света для создания рисунка схемы.

• Травление слоев: Для создания рисунка схемы в материале через резистивную маску удаляются лишние участки материала.

• Легирование: Введение примесей (бор, фосфор) для создания областей с разными электрическими свойствами (p-n-переходы). Это может выполняться методом ионной имплантации или диффузии.

• Термическая обработка: Активация примесей и восстановление кристаллической структуры.

• Нанесение слоев: Добавление диэлектриков и проводящих материалов с использованием методов химического осаждения из газовой фазы (CVD) или физического осаждения из паровой фазы (PVD).

Формирование межсоединений (Back-End-of-Line, BEOL)

• Металлизация: Создание проводящих слоев (алюминий, медь) для соединения элементов схемы.

• Планаризация: Выравнивание поверхности с помощью химико-механической полировки (CMP).

• Многослойная структура: Повторение процессов литографии, травления и металлизации для создания многоуровневой структуры чипа.

Тестирование и контроль качества

• Метрология: Результаты выполненных операций контролируются метрологически в процессе производства.

• Электрическое тестирование: Проверка параметров чипов на пластине после производства ИС.

Конспект раздела

Технологическая схема производства ИС

Кристальное производство ИС — это сложный и многоэтапный процесс, который требует использования передовых технологий и оборудования.
Front-End-Of-Line:
Современные технологии STI позволяют уменьшить размеры элементов и значительно повысить плотность транзисторов.
Длительный отжиг после формирования карманов проводится при высоких температурах (900–1100 °C) для активация примесей и восстановления кристаллической решетки в карманах.
После ионной имплантации температура пластины в процессе обработки не должна превышать 400°С.
От качества затвора зависят ключевые характеристики транзистора: скорость переключения, энергопотребление и надежность.
После формирования истока и стока проводится короткий высокотемпературный отжиг (900–1100 °C минуты или секунды в RTA), чтобы активировать примеси.
LDD-области формируются с помощью спейсеров.
Middle-End-Of-Line :
Для отжига силицидов используются специальные установки быстрого термического отжига (RTA).
LIL и SAC — это две важные технологии формирования контактов, которые используются в современных КМОП-процессах для повышения плотности элементов, уменьшения паразитных эффектов и улучшения производительности микросхем.
Back-End-Of-Line:
Al металлизация использует процессы плазмохимического травления в Cl-содержащей плазме
Медь не травиться плазмохимическими методами, используется метод «Дамасцен». После заполнения медью канавок в диэлектрике излишки металла удаляются с помощью химико-механической полировки (CMP — Chemical Mechanical Polishing).
Чтобы защитить Al Pad от коррозии и механических повреждений, на его поверхности находится защитный слой, который удаляется непосредственно перед распайкой проволочных соединений или шариковых выводов в корпус.