6
Осуществить комплекс мероприятий по совершенствованию технологически производства. Расширить в дальнейшем пятилетке в 1,5—2 раза применение прогрессивных базовых технологий…
Организовать массовый выпуск персональных компьютеров. Обеспечить рост объема производства вычислительной техники в 2—2,3 раза. Высокими темами направить масштабы применения современных высокопроизводительных электронно-вычислительных машин всех классов.
Из проекта Основных направлений экономического и социального развития СССР на 1986—1990 годы и на период до 2000 года
Города для электровов
Кандидат технических наук
Д. Г. КРУТОГИН
Интервальные полупроводниковые схемы стали в последние годы основным структурным элементом твердотельной электроники. Далее опытный радиолюбитель теперь вместе сборки усилителя из деталей предпочитает использовать готовую микросхему. Тем более так поступают профессиональные конструкторы. В бытовой радиоаппаратере, например в телевизоре, число микросхем достигает десять, в специальной — сотен и тысячи штук на изделия. Многоelementные интервальные схемы называются большими — сокращенно БИС. Применение таких схем оказывается особенно эффективным в вычислительной технике.*)
Как делаются микросхемы? Давайте проследим за основными этапами изготовления БИС, построаемся оценить и трудности, и достижения в их технологически.
БИС под микросопом наполинает своеей четкой планировкой карту большого города. Вот и сравним построение БИС с возведением города, города для электровов.
- От редакции. Этим вопросам посвящен цикл статей под рубрикой «Полупроводниковые элементы вычислительной техники», который публикуется в «Кванте», начиная с 9-го номера 1985 года.
8
300 мкм. Способ получения пластин не очень экономен: алмазная пила толщиной 300 мкм, а затем шлифовка переводят в опилки более 60 % объема монокристаллического кремниевого слитка, полученного ценой немалых usили и энергетических затрат. Да и толщина готовой пластин будет использована плохо. Полезная глубина, то есть толщина тех слоев, в которых потекут нужные нам точки, не превышает 1 мкм. Но сделать пластин более тонкими, к сожалению, нельзя — они будут разрушаться при обработке.
В качестве стройплощадки для ВИС можно использовать пластинку диэлектрика — оксида алюминия (Al₂O₃), называемого в обиходе салфюром. Пластинку салфира полируют как же тщательно, как кремневую, а затем на нее наносят monокристаллический слой кремния нужной толщины. Салфир выбран в качестве подложки потому, что расположение atoms на поверхности кристалла салфира при определении направления среда очень близко к структуре кристаллической решетки кремния. Это обстоятельство позволяет вырастить на поверхности салфира тонкий кристаллический слой кремния — рабочую область будущего трансистора. Комбинация слоев «кремний на салфир» — ее обозначают КНС — широко использовется в технологически изготовления ВИС. Она обладает важным применением: салфир — прекрасный диэлектрик, он обеспечивает полную электрическую изоляцию отдельных элементов схемы. С точки зрения топологии микросхемы эти элементы в кремниевой схеме подобны близкам, выпытым в землю, а в КНС-структура они подобны домикам (рис. 1).
В рамках нашей анализии современная ВИС эквивалентна городу из 100—150 тысяч домов-транзисторов с развитыми системами коммуникаций (дороги, электроснажение и т. п.). Размеры этого города — от 2×3 мм до 6×8 мм. И на такой стройплощадке мы будем возводить все дома одновременно. Более того, на одной кремниевой пластине мы будем одновременно строить 100—150 ВИС-городов (в зависимости от размеров пластины и площади микросхемы). Наша «громадная» стройплощадка в натуральную величины выглядает примерно так, как на рисунке 2.
Возможно, у читателя возник вопрос: а почему бы не делать микросхему на кристалле размером, скажем, 15×15 мм — это ведь тоже немного для пластины диаметром 150 мм, а емкость ВИС возрастет на порядок. Оказывается, на кристалле увеличенного размера почти наверняка найдется дефект atomной решетки, способный полностью вывести из строя ВИС. На поверхности плащадью 1—2 см² даже у самой лучшей на сегодня пластины встреется хотя бы один дефект. Так что приходит до овольствования «мальм».
Рис. 2. Примерно так выглядает в натуральную величины «стройплощадка», на которой одновременно возводится до сотни «городов»-ВИС. А чтобы разглядыть план отделного «квартала», необходимо увеличить его в сотни раз.
9
Строить начнем с … окон
Итак, мы приступаем к строительству. Дома в нашем городе неизенькие. Посмотрите на рисунок 3,a: три «этажа» в рабочей области трансистора, два этажа металлической разводки да плосколько этажей междуной изоляции; так что в домашнєсторе по крайней мере 5—7 этажей.
Общее число операций, совершаемых при строительстве интегральной микросхемы, достигает сотни, но при этом неокторы операции повторяются многоократно. Мы рассмотрим важнейшие моменты в процессе изготовления ВИС.
Рабочие области трансистора — коллектор, база, эмittтер — образуются при легировании кремния соответствующими примесями элементов III и V группы перiodической системы. Ввести в творое тело чужеродные atoms можно, используя явление диффузии. Если пластину кремния нагревать в парах летучого соединения легирующего элемента — например, в парах BH₃ или AsH₃, — то часть atoms в или As пропикнет в кремний.
(Такой процесс называют диффузионным легированием.) Чтобы применяпели не всюду, а лишь в места, предусмотренные топологней ВИС, надо зашитить поверхность пластины экраном, непроницаемый для применения атомов. В экране надо оставить «окна»: через них на очередной этаж будут поступать «стройматериалы» — atoms применений (доноры и акцетторы) будут пропикать в кремний, формируя рабочие области трансистора (см. рисунок 3, б—2).
Таким экраном для кремния оказался его собственный окид SiO₂. Достаточно «толстый» слой оксида легко образуется на поверхности кремния при температуре около 1000 °C; он не проницаем для применения атомов; устойчив при температуре диффузии; прочно держится на кремнии. Растение SiO₂ в кислоте (травление) позволяет проделать в нем окна для последующей диффузии. (Далеко не всегда технологам так веет. Например, прекрасный полупроводниковый материал — асcenд галля GaAs — не образует такого запитного слоя при окислении, и его экранирование превращается в отдельную проблему.)
Легко ли «прорубить окно»?
Прежде чем протравливать окна в SiO₂, надо зашитить от расторения остальной часть оксидной пленки (на этом этапе зашитный слой сам нуждается в защите). Здесь включается важнейшая в технологически микрозлестрики процедура — фотолитография. Цель ее — «раскрoint» запитный слой SiO₂ в соответствии с топологичкой схемой ВИС.
Фотолитография — это совокупность операций, связанных с применением светочувствительных составов, подобных тем, которые наносят на фотопленку или фотобумагу. Составы эти называют фоторезистами. Глагол «to resist» в англичском языке означает «сопротивляемся». Засвеченный фоторезист легко расторяется в травяших расторах, неасвеченный — «сопротивляемся» травленю. (Можно подобрать и такой состав, который, наоборот, становится устойчивым после засвечивания.)
На специальной центрифуге жидкий резист тонкимровным слоем размывается по поверхности окисленной пластины кремния и подсушива-