Полупроводниковые интегральные микросхемы

Полупроводниковые интегральные микросхемыпредставляют собой функциональные узлы, выполненные на одном кристалле полупроводника различными технологическими приемами обра­ботки полупроводниковых материалов.

Миниатюризация с использованием полупроводниковых мик­росхем является более сложным процессом, чем миниатюриза­ция с применением пленочных и гибридных микросхем.

Основными полупроводниковыми материалами, используемы­ми для изготовления твердых микросхем, являются кремний, гер­маний и сапфир. Наибольшее распространение получили микро­схемы, выполненные на кристалле кремния, так как его физико-химические свойства лучше, чем германия. Так, например, исполь­зование кремния позволяет значительно (почти в 2 раза) расширить интервал рабочих температур ^—«-перехода (до 150 °С); обратный ток р—л-перехода у кремния в тысячу раз меньше, чем у германия. Кроме того, на поверхности кремния относительно легко можно получить тонкую окисную пленку, которая служит защитным по­крытием при проведении ряда технологических процессов и пре­дохраняет готовую микросхему от воздействия внешней среды. Кремний лучше обрабатывается, имеет большое объемное удель­ное электрическое сопротивление (до 10 000 Ом-см) и др.

Кремний получают в виде монокристаллических слитков вось­ми групп, каждая из которых имеет марки с буквенными обозна­чениями типа проводимости, например КЭФ — кремний элект­ронной проводимости (я-типа), легированный фосфором; КДБ — кремний дырочной проводимости (р-типа), легированный бором.

Стержневые монокристаллы полупроводников разрезают ал­мазной пилой на пластинки (подложки), которые затем шлифуют на специальных станках до толщины 0,2...0,5 мм и полируют ал­мазной пастой.

На подложке с помощью полупроводниковой технологии (ме­тодами диффузии, гальванического осаждения, вакуумного на­пыления, травления, фотолитографии) получают области с раз­личной проводимостью, эквивалентные либо емкости, либо ак­тивным сопротивлениям, либо полупроводниковым приборам различного типа. Изменение концентрации примесей в различных частях монокристаллической пластины позволяет за один техно­логический цикл получить многослойную структуру, воспроизво­дящую заданную электрическую схему.

В настоящее время все чаще используются групповые методы изготовления полупроводниковых интегральных микросхем, по­зволяющие за один технологический цикл получить несколько сотен заготовок микросхем. Наибольшее распространение полу­чил групповой пленарный метод, заключающийся в том, что эле­менты микросхем (диоды, транзисторы, конденсаторы, резисто­ры) располагаются в одной плоскости или на одной стороне под­ложки.

Основные технологические этапы получения полупроводнико­вых микросхем представлены на рис. 3.11. Самым распространен­ным методом изготовления элементов в микросхеме (разделения участков микросхемы) является изоляция окисной пленкой, по­лучаемой в результате термообработки поверхности кристалла (под­ложки).

Для получения изолирующих/?—«-переходов на подложке крем­ниевой пластины 1 ее обрабатывают в течение нескольких часов в окислительной среде при температуре 1000... 1200 "С. Под действием окислителя эпитаксиальный полупроводниковый поверхностный слой 2 кремния окисляется. Толщина окисной пленки 3 составля­ет несколько десятых долей микрона. Пленка препятствует ро

никновению в глубь кристалла атомов другого вещества. Однако если удалить пленку окиси с поверхности кристалла в определен­ных местах, то с помощью диффузии или других методов можно ввести в эпитаксиальный слой кремния примеси и получить уча­стки различной проводимости. После получения окисной пленки на подложку наносят светочувствительный слой — фоторезист 4. В последующем слой фоторезиста используют для получения на нем рисунка фотошаблона 5 в соответствии с топологией микро­схемы.-

Перенос изображения с фотошаблона на окисленную повер­хность кремниевой пластины, покрытую слоем фоторезиста, чаще всего производится с помощью фотолитографии. Экспонирова­ние фоторезиста осуществляется ультрафиолетовым светом, после чего подложку с экспонированным рисунком проявляют. Участ­ки, которые освещались, растворяются в кислоте, обнажая по­верхность окиси кремния 6, а участки, которые не экспонирова­лись, кристаллизуются и становятся нерастворимыми 7. Полу­ченную подложку с нанесенной на ней рельефной схемой рас­положения изолирующих р—л-переходов промывают и сушат. После травления незащищенных участков окиси кремния защит­ный слой фоторезиста удаляют химическим способом. Таким об­разом, на подложке получают «окна», свободные от двуокиси кремния. Такой способ получения рисунка схемы называется по­зитивным.

Далее через обнаженные участки 6 подложки методом диффу­зии вводят примеси атомов бора или фосфора, которые создают изолирующий барьер 8. Диффузия производится в специальных печах при высокой температуре порядка 1200 "С в течение несколь­ких часов. Затем на полученных изолированных друг от друга уча­стках подложки методами вторичной диффузии, травления, на­ращивания или другими получают активные и пассивные элемен­ты схемы и токопроводящие пленки 9.

Рассмотрим некоторые способы изготовления элементов полу­проводниковой интегральной микросхемы.

Резисторы в полупроводниковых интегральных схемах могут быть получены за счет использования объемного сопротивления отдель­ных участков полупроводникового материала (объемные резисто­ры), отдельных изолированных участков полупроводникового ма­териала с введением в эти участки диффузионным или другим методом дополнительных примесей (диффузионные резисторы), а также путем поверхностного осаждения на подложку пленки поликристаллического кремния (пленочные резисторы).

Выбор типа полупроводникового резистора для интегральной схемы зависит от его сопротивления, точности изготовления, ра­бочего напряжения, мощности, методов изоляции в кристалле схемы и др. Наибольшее распространение получили объемные и диффузионные резисторы.

Объемные резисторы получают путем наложения на по­верхность равномерно легированного кристалла кремния контактов с выводами. Сопротивление резистора определяется по формуле

где р — удельное сопротивление материала; / — длина участка поверхности кристалла; s — поперечное сечение участка.

Поскольку электрические свойства резисторов определяются главным образом материалом кристалла, объемные резисторы имеют небольшие собственные шумы, хорошую линейность, вы­сокий температурным коэффициент сопротивления (ТКС) и хо­рошую стабильность во времени.

Этот метод позволяет получить резисторы с сопротивлением до 40 кОм. Основная проблема, связанная с применением объем­ных резисторов, заключается в том, что обычно требуются допол­нительные операции, необходимые для изоляции резисторов от других элементов, размещаемых на кристалле.

Диффузионные резисторы получают путем локальной диффузии примесей на небольшую глубину кристалла. Этим ме­тодом можно получить резисторы с номинальным сопротивлени­ем от 10 до 50 кОм. Диффузионные резисторы выполняют с точностью 10...20 % и с температурным коэффициентом сопротив­ления 0,1 ...0,3 1/°С. При необходимости могут быть получены не­сколько поверхностных резисторов на одном основании, имею­щем отдельные участки, изолированные друг от друга прорезны­ми канавками или выполненные в виде волнистой полоски. На концах резистивной полоски напыляются выводы и контактные площадки.

Конденсаторы для полупроводниковых интегральных микросхем характеризуются величиной емкости на единицу поверхности кри­сталла, сопротивлением изоляции, поляризацией, коэффициен­том потерь и температурным коэффициентом емкости. Основной трудностью при их изготовлении является получение высокого значения емкости на единицу поверхности кристалла. Эта труд­ность является общим недостатком для всех методов изготовления конденсаторов полупроводниковых интегральных схем.

В качестве конденсаторов постоянной емкости в полупровод­никовых интегральных схемах используют р—п- и я—р-переходы. Наибольшей емкостью обладают эмиттерные переходы, которые получили широкое распространение. Емкость такого перехода за­висит от приложенного напряжения. Так, при напряжении 2... 3 В емкость перехода может составлять 500... 800 пФ/мм².

При повышенных требованиях к параметрам конденсатора, а также в случае невозможности соблюдения полярности его вклю­чения применяются конденсаторы с МОП-структурой (металл — окисел — полупроводник), в которых в качестве диэлектрика ис­пользуется слой окисла кремния на поверхности конденсатора. Диффузионный базовый слой служит нижней обкладкой, а плен­ка алюминия, напыленная при формировании соединений в схе­ме, — верхней обкладкой конденсатора. Емкость таких конденса­торов может достигать 20 000 пФ при рабочих напряжениях до 300 В.

Увеличение емкости конденсаторов для интегральных схем можно обеспечить путем применения многослойных конденсато­ров, изготовленных методом тонкопленочной технологии. Емкость таких конденсаторов может быть до 1 мкФ/см².

Диоды и транзисторы в полупроводниковых микросхемах име­ют наиболее простую технологию изготовления. Для создания на полупроводниковой пластине активных элементов применяют планарную и планарно-эпитаксиальную технологии (с равномер­ным распределением примесей в полупроводниковом слое).

Существует три варианта расположения областей прибора: с вертикальной структурой, когда эмиттер Э, база Б и коллектор К располагаются на подложке друг над другом; структура с боковой инжекцией, когда все области расположены на подложке рядом; структура, в которой подложка используется в качестве одной из этих областей. Наиболее технологичной является структура с бо­ковой инжекцией, позволяющая уменьшить число технологичес

ких операций и облегчить формирование выводов от активных областей.

В полупроводниковых интегральных схемах используются би­полярные, униполярные (полевые) или МОП-транзисторы. Наи­более совершенной является технология получения МОП-тран­зисторов с р—п— /(-переходом, в которых между металлическим затвором и проводящими областями истока и стока расположен толстый слой двуокиси кремния. Такая технология позволяет сни­зить процент брака и повысить надежность интегральной схемы.

Обычно технология получения полупроводниковых интеграль­ных схем включает в себя 15...20, а иногда и более операций.

После получения всех компонентов схемы и вытравления плен­ки окисла с тех мест, где будут находиться выводы компонентов, полупроводниковая схема покрывается пленкой алюминия мето­дом напыления или гальванического осаждения. Внутрисхемные соединения получают с помощью фотолитографии с последую­щим травлением.

В процессе единого технологического цикла на подложке изго­товляют большое количество однотипных интегральных схем, после чего пластины разрезают на отдельные кристаллы, каждый из ко­торых содержит готовую микросхему. Кристаллы приклеивают к держателю корпуса, а электрические контакты микросхемы мето­дами пайки, сварки и термокомпрессии соединяют с выводами проволочными перемычками. Готовые микросхемы при необхо­димости герметизируют (см. подразд. 3.4).

Промышленность выпускает большую номенклатуру полупро­водниковых интегральных микросхем. Так, например, кремние­вые микросхемы серии 104 с диодно-транзисторными связями предназначены для работы в логических узлах ПК и узлах автома­тики, а германиевые полупроводниковые микросхемы с непо­средственными связями типа Р12-2 являются универсальными ло­гическими переключающими элементами НЕ—ИЛИ (микросхе­ма выполняется в металлостеклянном корпусе диаметром 3 мм и имеет массу 24 мг).

Рассмотрим в качестве примера технологию изготовления по­лупроводниковой интегральной микросхемы — амплитудного ди­одного детектора. Его схема (рис. 3.12, а) состоит из диода VD и нагрузки (резистора R и конденсатора С). На рис. 3.12, б показан внешний вид микросхемы, выполненной на базе кремниевого кри­сталла. Чтобы более наглядно выделить различные области полу­проводникового кристалла, на его модель наложены соответству­ющие детали электрической схемы. Область /, имеющая цилин­дрическую форму, используется в качестве диода, большая пря­моугольная область 3 осуществляет функции конденсатора, а уз­кий прямоугольный брус 2 — резистора. Размеры кристалла 0,31x0,47 мм.

Этапы технологической обработки микросхемы детектора пред­ставлены на рис. 3.13. В качестве заготовки используется прямо­угольная кремниевая пластинка — подложка 1 с диффузионным поверхностным слоем 2 «-типа (см. рис. 3.13, /).

Вначале подложку целиком покрывают защитным материалом (окисью кремния), а затем в соответствии с рисунком схемы очи­щают определенный участок от окиси кремния. Затем подложку погружают в травильный раствор. После окончания травления на подложке образуется паз 3 (см. рис. 3.13, II).

При дальнейшей обработке определенные участки поверхнос­ти снова покрывают защитным материалом, после чего подложку опять погружают в слабый раствор для травления. Внешний вид кристалла после этой операции показан на рис. 3.13, III. При по­вторном травлении на кристалле образуются большой приподня­тый над основанием прямоугольник 4, являющийся конденсато­ром, и небольшой участок цилиндрической формы — диод 5.

Заключительными операциями являются напыление контак­тов и припайка выводов для четырех областей (см. рис. 3.13, IV).