Полупроводниковые ИМС

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ

МИКРОЭЛЕКТРОНИКИ

Исторический обзор

Электроника – раздел науки и техники, в котором исследуются электронные явления в веществе; на основе результатов этих исследований разрабатываются методы создания электронных приборов, электронных схем и систем.

Электронные схемы и системы лежат в основе инструментальной базы автоматики, информатики, вычислительной техники, телемеханики и др.

Электроника прошла три этапа развития:

- ламповая,

- полупроводниковая,

- интегральная полупроводниковая электроника (микроэлектроника).

Наноэлектроника – это современный четвертый этап развития электроники.

В основе первого этапа развития электроники лежит эффект эмиссии электронов из нагретого катода и управление потоком этих электронов в вакууме с помощью электрического поля. На основе этого эффекта был создан активный схемный элемент – радиолампа, позволяющая выпрямлять и усиливать электрический сигнал, также генерировать электромагнитные колебания.

Двухэлектродная лампа, содержащая катод и анод, служит выпрямителем переменного тока.

В трехэлектродной лампе (триоде) есть еще один электрод - сетка, подавая напряжение на который можно управлять анодным током. Поэтому диод и триод называют активными схемными элементами. Резисторы (электрические со-

противления), конденсаторы (электроемкости) и катушки индуктивности относят к пассивным элементам.

Электронные схемы первого поколения состояли из дискретных активных и пассивных элементов. Ламповая электроника использовалась для создания не очень сложных электронных схем. В середине прошлого века перед электроникой встали проблемы:

- повысить надежность электронных схем;

-снизить их габариты, вес и энергопотребление;

-уменьшить себестоимость производства;

- увеличить быстродействие.

Ламповая электроника не могла решить эти проблемы.

Дискретные элементы изготовлялись из различных материалов по несовместимым технологиям. Снизить их себестоимость и увеличить производительность было невозможно.

Электронные схемы получались путем соединения дискретных элементов, например, пайкой. Межсоединения были самой ненадежной частью схем, их невозможно было полностью автоматизировать. В сложных схемах было так много межсоединений , что в электронике возникла ситуация, названная «тиранией межсоединений». Первая ламповая ЭВМ (1948 г.) содержала 20 000 радиоламп и еще большее число межсоединений, беспрерывно работать она могла только несколько часов.

Современные интегральные микросхемы (ИМС) содержат до миллиарда элементов и обеспечивают бесперебойную работу на протяжении десятков лет.

Уменьшить габариты, вес и энергопотребление радиоламп практически невозможно. Первая ламповая ЭВМ имела площадь 200 м² и потребляла 200 кВт электроэнергии. Этот недостаток не позволял создание мобильной электронной аппаратуры, необходимой для военной и космической техники.

К пятидесятым годам прошлого века ламповая электроника полностью исчерпала свои возможности. Возникла иная электроника, основанная на особых свойствах полупроводниковых структур, представляющих границу раздела между областями полупроводника с различными свойствами.

Если граница разделяет слои полупроводника с электронным и дырочным типами проводимости, то она называется p-n переходом и так же, как и диод, обладает односторонней проводимостью.

Граница раздела слоев различного состава называется гетеропереходом. Кроме того используются структуры, включающие слои металла, диэлектрика и полупроводника, которые называются МДП или МОП-структурами. В МОП-структуре диэлектриком служит окисел полупроводника, например, двуокись кремния SiO₂.

Эру полупроводниковой электроники открыло в 1947 г. изобретение американских физиков Дж. Бардина и У. Браттейна точечного транзистора (триода). Прибор имел два точечных контакта, образованных между поверхностью германия и тонкими золотыми проволочками. У. Шокли проанализировал полученные результаты и предложил конструкцию сплавного транзистора, которая была реализована в следующем году.

Термин «биполярный транзистор» связан с тем, что в нем используются носители заряда двух видов: электроны и дырки. Слово «транзистор» (от англ. transfer resistor) означает, что этот прибор согласует низкоомную цепь эмиттера с высокоомной цепью коллектора. В 1956 г. Шокли, Бардин и Браттейн получили Нобелевскую премию по физике за создание биполярного транзистора.

Ламповые диод и триод были заменены кристаллическими диодом и транзистором. Возникла электроника, основанная на использовании дискретных полупроводниковых приборов. Надежность электронных схем значительно увеличилась, уменьшились их габариты, вес и энергопотребление, но «тирания межсоединений» сохранилась. Себестоимость изделий электроники осталась высокой.

Электроника, основанная на дискретных полупроводниковых приборов, существовала недолго, после 1960 г. ее сменила интегральная полупроводниковая электроника (микроэлектроника). Начался третий этап развития электроники. Основными элементами электронных систем стали интегральные микросхемы (ИМС).

ИМС – это микроминиатюрный функциональный узел электронной аппаратуры, в котором активные, пассивные и соединительные элементы изготавливаются в едином технологическом цикле на поверхности и в объеме материала и имеют общую оболочку.

Изготовление всех элементов ИМС в едином технологическом цикле и в одном материале позволяет использовать вместо последовательной технологии (индивидуальной для каждого элемента) параллельную (интегральную) технологию. Себестоимость производства сложных электронных схем в расчете на один схемный элемент резко уменьшилась.

Возможность перехода на интегральную технологию связана с тем, что полупроводниковая структура обладает практически всеми необходимыми схемными свойствами: отдельный p-n переход может использоваться как резистор, конденсатор, диод, переключатель сигнала, стабилизатор напряжения, фоточувствительный элемент, светодиод, полупроводниковый лазер, а в сочетании с другими p-n переходами и как транзистор, тиристор и т.п. Следовательно, формируя в полупроводниковом кристалле в одном технологическом цикле множество p-n переходов, можно создать сложную ИМС.

Развитие твердотельной интегральной электроники шло по пути уменьшения габаритов, увеличения быстродействия, объема памяти и надежности схем. На этом пути были разработаны методы миниатюризации элементов ИМС, открывшие возможности перехода к наноэлектронике.

Возникновение и развитие полупроводниковой микро- и наноэлектроники стало возможным благодаря развитию современной квантовой теории твердого тела. Чтобы разобраться в принципе действия полупроводниковых приборов, ИМС и наноэлектронных устройств, необходимо изучить основы квантовой механики.

Отметим хронологию наиболее важных открытий и изобретений в области полупроводниковых приборов и ИМС.

1947 г. – создание точечного транзистора.

1950 г. – получение монокристаллического германия.

1951 г. – промышленный выпуск биполярных транзисторов. Изобретение полевого транзистора с управляющим p-n переходом.

1952 г. – получение монокристаллического кремния.

1955 г. – промышленный выпуск кремниевых биполярных транзисторов.

1956 г. – изобретение диффузионного транзистора.

1958 г. – изобретение планарного транзистора.

1959 г. - промышленный выпуск интегральных схем (ИС).

1960 г. – создание эпитаксиальных транзисторов, МДП- транзисторов, диодов Шоттки. Выпуск ИС малой степени интеграции (число элементов на одном кристалле не более 100).

1962 г. - разработка цифровых ИС по технологии МОП.

1966 г. – выпуск ИС средней степени интеграции (с числом элементов на кристалле до 1000).

1969 г. – выпуск ИС большой степени интеграции (с числом элементов до 10 000 на кристалле) или больших ИС (БИС). Изобретение приборов с зарядовой связью (ПЗС).

1971 г. – разработка микропроцессоров.

1975 г. – разработка ИС сверхбольшой степени интеграции (с числом элементов на кристалле более 10 000) - СБИС.

1981 г. – создание сканирующего туннельного микроскопа (СТМ).

1986 г. – вручение Нобелевской премии за СТМ.

С созданием СТМ получила интенсивное развитие нанотехнология. Нанотехнология - это совокупность методов изготовления и обработки материалов, устройств и систем, размеры которых составляют 1 – 100 нм (хотя бы в одном измерении).

Полупроводниковые ИМС

В первых дискретных полупроводниковых приборах (точечных и сплавных) электронно-дырочный переход формировался после разделения полупроводниковой пластины на кристаллы. Поэтому каждый кристалл требовал индивидуальной обработки.

Предпосылкой для создания монолитных микросхем стало получение электронно-дырочных переходов диффузией примеси в твердой фазе (1953 г.). Это позволило перейти к групповой технологии - созданию переходов одновременно для всех приборов в одной пластине до ее разделения. Это снизило трудоемкость обработки и стоимость приборов.

Сначала транзисторы с диффузионными переходами создавались по мезатехнологии: методом термической диффузии примесей создавался базовый, а затем и эмиттерный слои по всей площади пластины; базовые и эмиттерные области отдельных приборов маскировались, кремний вокруг этих областей протравливался до коллекторного слоя, который до разделения пластины на кристаллы оставался общим для всех приборов. Поэтому мезаструктура имела сложный рельеф, т.к. базовые и эмиттерные области возвышались уступами над коллекторным слоем. Маскирование можно было проводить только через трафарет, применяя пчелиный воск, битум или другие стойкие к травителям вещества.

Для переноса изображения и создания масок в 1957 г. был предложен метод фотолитографии, а в 1958 г. был разработан метод окисного маскирования кремния.

Соединение этих двух методов позволило перейти к планарной технологии (1959 г.): в 1958 г. был изобретен планарный транзистор, а уже в следующем году – освоен промышленный выпуск интегральных схем. С помощью фотолитографии создавались миниатюрные и точные по размерам окна в термостойком слое двуокиси кремния, в которые избирательно проводилась диффузия примеси. В результате любая диффузионная область ограничивалась p-n переходом с донной и боковых сторон и имела выход лишь на рабочую плоскость пластины.

Планарная технология обеспечивает выход всех областей элементов схемы на общую плоскость пластины и возможность их соединения с помощью пленочных проводников (межсоединений, которые формируются тоже методом фотолитографии). Таким образом планарная технология в сочетании с групповой обработкой большого количества идентичных схем на общей пластине (групповая пластина) решила проблему создания ИМС.

Полупроводниковая ИМС – это функциональный электронный узел, элементы и соединения которого конструктивно неразделимы и изготовляются одновременно в едином технологическом процессе в объеме и на поверхности полупроводникового кристалла.

Создание полупроводниковой ИМС сводится к формированию в приповерхностном слое полупроводниковой пластины элементов (транзисторов, диодов, резисторов) и их последующему объединению в функциональную схему пленочными проводниками по поверхности пластины (межсоединениями).

Для характеристики типа применяемых в ИМС транзисторов, а также технологических методов их изготовления используют понятие структуры ИМС.

Структура ИМС определяет последовательность слоев в составе микросхемы по нормали к поверхности кристалла, которые различаются материалом, толщиной и электрофизическими свойствами. Существуют структуры на биполярных транзисторах (диффузионно-планарная, эпитаксиально-пла-нарная и др.), на МДП-приборах и пр. Заданная структура позволяет установить состав и последовательность технологических методов обработки пластины, а также определить технологические режимы каждого метода.

На рис. 1.1 изображен фрагмент ИМС с диффузионно-планарной структурой, включающий биполярный транзистор и резистор.

Рис. 1.1. Фрагмент ИМС с диффузионно-планарной

структурой: Т – транзистор. R – резистор

Для одновременного формирования транзистора и резистора необходимо, чтобы р-область резистора и изолирующая его n-область имели глубину и электрофизические свойства, одинаковые с областями соответственно базы и коллектора транзистора. Такое соответствие должно выполняться и для всех других элементов, входящих в ИМС. Оно является главным признаком и необходимым условием применения интегральной технологии и позволяет минимизировать число технологических операций изготовления ИМС.

Интегральная технология – это совокупность методов обработки, позволяющая при наличии структурного подобия (технологической совместимости) различных элементов ИМС формировать их в едином технологическом процессе.

ИМС одной и той же серии, но различного функционального назначения, имеют единую структуру и единую базовую технологию, для которой характерны определенная последовательность обработки, определенный комплект оборудования, а также определенная настройка оборудования, т.е. жесткие технологические режимы. Это повышает эффективность и экономичность производства ИМС.

Базовая технология не зависит от размеров элементов в плоскости пластины, их взаимного расположения и рисунка межсоединений.

Эти свойства ИМС определяются топологическим проектированием и обеспечиваются фотолитографией – процессом избирательного травления поверхностных слоев с применением защитной фотомаски.

Топология микросхемы - это чертеж, определяющий форму, размеры и взаимное расположение элементов и соединений ИМС в плоскости, параллельной плоскости кристалла. Поскольку схема включает различные слои (коллекторный, базовый и др.), различают общую и послойную топологию.

По чертежу каждого слоя можно изготовить фотошаблон для создания оксидной маски, используемой для локальной диффузии примеси. Функциональные свойства ИМС определяет ее топология, а именно, рисунок межсоединений.

Можно создать кристалл с универсальным набором элементов (с избытком) и сплошным слоем металлизации. Такие кристаллы в составе общей пластины могут быть доработаны до конкретных функциональных схем в зависимости от рисунка межсоединений.

Такая универсальная заготовка – пластина называется базовым кристаллом. Она обеспечивает экономичность производства ИМС узкого назначения, выпускаемых в небольших количествах.