Полупроводниковые ИС. Полупроводниковые ИС составляют основу современной микроэлектроники
Полупроводниковые ИС составляют основу современной микроэлектроники. Это микросхемы, элементы которых выполнены в объёме и (или) приповерхностном слое полупроводниковой подложки. Чаще всего для этих целей используют монокристаллические пластины кремния.
В зависимости от вида используемых активных элементов различают полупроводниковые ИС типа МОП (металл-окисел-полупроводник), биполярные полупроводниковые ИС и БИМОП. Последние представляют собой сочетание первых двух, в них комбинируются положительные их качества. Полевые транзисторы с управляющим pn- переходом в микроэлектронике используют редко.
Формирование элементов схемы проводится по планарной технологии, включающей следующие основные операции.
1. Окисление поверхности кремния, которое обычно проводится в специальных печах в атмосфере сухого или увлажнённого кислорода при температурах 900-1200оС. При этом на поверхности кремния образуется плёнка диоксида кремния SiO2, обладающая следующими важными свойствами с точки зрения использования её в производстве ИС. Во-первых, плёнка SiO2 является прекрасным диэлектриком и поэтому может быть использована для металлизации, нанесённой на поверхность окисла, от элементов ИС, сформированных в объёме или на поверхности кристалла. Во-вторых, она является практически непроницаемой для многих легирующих примесей, используемых при изготовлении элементов ИС. Поэтому SiO2 может успешно применяться в качестве маски для защиты необходимых областей кристалла от проникновения легирующих примесей при проведении процесса диффузии. Толщина оксида составляет обычно 100-1000нм в зависимости от температуры и длительности проведения диффузии и природы примеси.
2. Для изготовления «рисунка» будущей ИС, т.е. получения изображения активных и пассивных элементов схемы, контактных площадок, соединительных дорожек и т.д., применяется процесс фотолитографии, который в какой-то мере напоминает процесс обычной фотографии. На окислённую поверхность кремниевой пластины наносится тонкий (несколько нанометров) слой специального лака – фоторезиста, чувствительного к ультрафиолетовому свету. После сушки фоторезиста к нему в специальной установке плотно прижимается стеклянный фотошаблон, несущий на себе негативное изображение того рисунка, который необходимо перенести на пластину кремния. Через этот фотошаблон незакрытые участки фоторезиста засвечиваются ультрафиолетовым светом и впоследствии удаляются специальным травителем, обнажая в образовавшихся «окнах» оксидный слой. Другим травителем, растворяющим оксидную плёнку, но не
-8-
действующим на фоторезист, во вскрытых окнах удаляется оксидная плёнка и обнажается поверхность кремния. После удаления оставшегося фоторезиста рисунок, который был на фотошаблоне, переносится в оксидную плёнку в виде скрытых в ней окон и областей, закрытых (маскированных) островками оксидного слоя.
3.Через вскрытие окна проводится локальная диффузия легирующих примесей для придания слоям кремния, лежащим под этими окнами, соответствующих электрофизических свойств (необходимого типа проводимости, концентрации носителей и др.).
Для пояснения сказанного обратимся к рис.1.1, на котором приведена схема формирования изолированных островков кремния n-типа с помощью разделительных pn-переходов. Исходным материалом являлась пластина
кремния р-типа с наращенной на ней эпитаксиальной плёнкой n-типа. На их границе возникает pn-переход. Для получения отдельных изолированных друг от друга островков n-кремния поверхность эпитаксиальной плёнки окисляется и с помощью описанного процесса фотолитографии в слое оксида вскрываются окна. Через эти окна проводится диффузия
Рис.1.1. Схема формирования изолированных островков
с использованием эпитаксиальной плёнки
акцепторной примеси на всю толщину эпитаксиальной плёнки. После удаления маскирующего оксидного слоя в пластине остаются островки эпитаксиальной плёнки кремния n-типа, отделённые от кремния p-типа изолирующими pn- переходами. В таких островках и формируются отдельные элементы ИС.
-9-
Основным элементом биполярных ИС является n-p-n—транзистор
На его изготовление ориентируется весь технологический цикл. Все другие элементы должны изготавливаться, по возможности, одновременно с этим транзистором, без дополнительных технологических операций.
Рис.1.2. Структура биполярного транзистора
На рис.1.2 показана структура биполярного транзистора полупроводниковой ИС, сформированного на одном из островков пластины. Транзистор изготовлен последовательным чередованием процессов окисления, фотолитографии и локального легирования. Сначала в оксидной плёнке, полученной на поверхности кремния, методом фотолитографии вскрывалось окно под базу Б, через которое проводилась диффузия акцепторной примеси. Между р-областью базы и n-областью коллектора К возникал коллекторный pn- переход. После получения базы оксидный слой стравливался, а затем наращивался вновь. Во вновь выращенной оксидной плёнке методом фотолитографии вскрывалось центральное окно под эмиттер Э и окно над коллектором К. Через эти окна проводилась диффузия донорной примеси до получения сильно легированной n+ -области коллектора, через которую он может присоединяться к алюминиевой контактной площадке. Для этого прежний оксидный слой стравливается с поверхности пластины и выращивается новый. В новом слое методом фотолитографии вскрываются окна над эмиттером, базой и n+ - областью коллектора. В эти окна и на поверхность пластины напыляется плёнка алюминия, на которой методом фотолитографии оставляют изолированные друг от друга контактные площадки. Посредством этих площадок транзистор можно соединять с другими элементами ИС или с внешними выводами.
В качестве резисторов полупроводниковых ИС используют обычно базовые области транзисторов. Недостатком таких резисторов являются ограниченный диапазон возможных значений сопротивлений и невозможность соблюдения жёстких допусков на них, высокие температурные коэффициенты сопротивления, возможность образования паразитных элементов, ограничение на прикладываемое напряжение.
Диоды ИСимеют, как правило, транзисторную структуру, позволяющую варьировать способы их включения в зависимости от требований, предъявляемых к параметрам (быстродействие, пробивное напряжение, значение прямого тока и т.д.)
В качестве конденсаторов в полупроводниковых ИС используют ёмкости pn- переходов транзисторных структур (эмиттерного или коллекторного).
Характерной особенностью полупроводниковых ИС является отсутствие среди элементов катушек индуктивности, а следовательно трансформаторов. Это объясняется тем, что до сих пор не удалось использовать в твёрдом теле какое-либо физическое явление, эквивалентное электромагнитной индукции. Поэтому при разработке ИС стараются реализовать необходимую функцию без использования индуктивностей, что в большинстве случаев удаётся. Если же катушка индуктивности или трансформатор принципиально необходимы, их приходится использовать в виде навесных компонентов. Структура элементов полупроводниковой ИС представлена на рис.1.3.
Основным элементом МДП ИС (или МОП ИС) является МДП(или МОП)-транзистор.
Изготовление других элементов также подстраивается под базовый транзистор. Транзисторы используются и в качестве активных элементов и в качестве нагрузочных резисторов, что обеспечивает высокую технологичность изготовления таких ИС.
Элементы биполярной ИС необходимо тем или иным способом изолировать друг от друга с тем, чтобы они не взаимодействовали через кристалл.
Элементы МОП ИС не нуждаются в специальной изоляции друг от друга, так как взаимодействие между смежными МОП-транзисторами не имеет места. В этом – одно из главных преимуществ МОП ИС по сравнению с биполярными. Размеры полевых транзисторов примерно на порядок меньше размеров биполярных. Это позволяет достигать более высокой плотности упаковки. Поэтому МДП-структуры находят широкое применение при конструировании СБИС.
Размеры кристаллов у современных полупроводниковых ИС достигают 20×20 мм2 . Чем больше площадь кристалла, тем более сложную, более многоэлементную ИС можно на нем разместить. При одной и той же площади кристалла можно увеличить количество элементов, уменьшая их размеры и расстояния между ними.
Рис.1.3. Структура элементов полупроводниковой ИС
Плёночные ИС
Это микросхемы, элементы которой выполнены в виде разного рода плёнок, нанесённых на поверхность диэлектрической подложки (рис.1.4).
Пассивные элементы полупроводниковых ИС обладают рядом существенных недостатков, которые можно в значительной мере ослабить, используя для их изготовления плёночную технологию.
В зависимости от способа нанесения плёнок и связанной с этим их толщиной различают тонкоплёночные ИС(ТкГИС) с толщиной плёнок 1-2мкм и толстоплёночные ИС (ТсГИС)с толщиной плёнок 10-20мкм и выше. Поскольку до сих пор никакая комбинация напылённых плёнок не позволяет получить активные элементы, то плёночные ИС содержат только пассивные элементы, а функции, выполняемые чисто плёночными ИС, крайне ограничены. Поэтому плёночную ИС дополняют активными компонентами, располагая их на той же подложке и соединяя с пленочными элементами. Такие схемы называют гибридными
Рис.1.4.Структура элементов плёночной ИС: 1-верхняя обкладка; 2-нижняя обкладка;
3-диэлектрик; 4- соединительная металлическая полоска
Гибридные ИС (ГИС)
Это микросхемы, которые представляют собой комбинацию плёночных пассивных элементов и активных компонентов, расположенных на общей диэлектрической подложке. Дискретные компоненты, входящие в состав гибридной ИС, называют навесными, подчёркивая этим их обособленность от основного технологического цикла получения плёночной части схемы.
Плёночные резисторы изготавливают в виде полосок той или иной конфигурации методом вакуумного напыления чистых металлов (хрома, тантала и др.), металлических сплавов (нихрома и др.) и металлокерамических материалов (керметов). Толстые плёнки получают методом шелкографии. По сравнению с резисторами, сформированными методами диффузии, они обладают рядом существенных преимуществ: низким термическим коэффициентом сопротивления, широким диапазоном номинальных значений и возможностью точной подгонки к номиналам, отсутствием паразитных элементов, высокой временной стабильностью.
Плёночные конденсаторы изготавливают путём нанесения на подложку тонкой металлической плёнки, затем тонкого диэлектрического слоя, потом снова тонкой металлической плёнки. Для увеличения ёмкости часто используют многослойные структуры с параллельным соединением образующихся конденсаторов. По своим параметрам плёночные конденсаторы, как правило, существенно превосходят диффузионные.
Навесные элементы– транзисторы, диоды, ИС и др. – в ТкГИС, как и в ТсГИС, приклеивают на поверхность готовой плёночной части схемы и соединяют с соответствующими контактными площадками элементов.
Основными достоинствами гибридных плёночных ИС по сравнению с полупроводниковыми являются:
- возможность создания широкого класса цифровых и аналоговых ИС при сравнительно коротком цикле их разработки;
- универсальность метода конструирования микросхем, обеспечивающая возможность использования активных компонентов, различающихся по функциональному назначению и конструктивному исполнению (бескорпусные ИС, МДП-транзисторы, диодные и транзисторные сборки и др.)
- возможность получения плёночных пассивных элементов широкой номенклатуры с жёсткими допусками;
- высокая экономическая эффективность изготовления небольших партий схем;
-13-
- сравнительно высокий процент выхода годных схем вследствие возможности отбраковки компонентов перед сборкой.
Степень интеграции ГИС не может оцениваться так же, как в случае полупроводниковых ИС. Тем не менее существует термин большая ГИС (или
БГИС), который означает, что в состав ГИС в качестве навесных компонентов входят не отдельные транзисторы, а целые полупроводниковые ИС.
Совмещённые ИС
Это смешанные ИС, в которых сочетаются полупроводниковые и плёночные интегральные элементы. При этом активные элементы выполнены в приповерхностном слое полупроводникового кристалла (как у полупроводниковой ИС), а пассивные нанесены в виде плёнок на предварительно изолированную поверхность того же кристалла (как у плёночной ИС). Совмещённые ИС используются тогда, когда необходимы высокие номиналы и высокая стабильность сопротивлений и ёмкостей; эти требования легче обеспечить с помощью плёночных элементов, чем полупроводниковых.
Совмещённая технология особенно часто используется при создании аналоговых ИС, к которым предъявляются жёсткие требования по параметрам.
Во всех типах ИС межсоединения элементов осуществлются с помощью тонких металлических полосок, напылённых или нанесённых на поверхность подложки и в нужных местах контактирующих с соединяемыми элементами. Процесс нанесения этих соединительных полосок называют металлизацией, а сам «рисунок» межсоединений – металлической разводкой.
Поскольку ИС подобно транзистору, представляет собой конструктивное единое целое, выполняет определённую функцию и должна удовлетворять определённым требованиям при испытаниях, поставках и эксплуатации, она относится к разряду электронных приборов. Но по сравнению с диодом, транзистором и т.п. ИС является качественно новым типом электронного прибора.
Первая-главная особенность ИС как электронного прибора состоит в том, что ИС самостоятельно выполняет законченную, часто весьма сложную функцию, тогда как элементарные электронные приборы выполняют аналогичную функцию только в ансамбле с другими компонентами.
Второй важной особенностью ИС является то, что повышение функциональной сложности этого прибора по сравнению с элементарными не сопровождается ухудшением какого-либо из основных показателей (надёжность, стоимость и т.п.). Более того, эти показатели улучшаются.
Поскольку габариты и масса простых и средних ИС близки к габаритам и массе дискретных транзисторов, можно считать, что в первом приближении выигрыш по этим показателям при переходе от дискретных схем к интегральным определяется степенью интеграции и может достигать сотен и тысяч раз. Поскольку все элементы ИС изготавливаются в едином технологическом цикле, то количество технологических операций по их изготовлению не намного превышает количество операций по изготовлению
отдельного транзистора. Поэтому стоимость ИС при прочих равных условиях близка к стоимости одного транзистора. Значит, в зависимости от степени интеграции (или, точнее, от плотности упаковки), стоимость одного элемента ИС по сравнению со стоимостью аналогичного дискретного компонента может быть в сотни раз меньше. Такое же соотношение имеет место между стоимостью ИС и стоимостью аналогичной схемы, выполненной на дискретных компонентах.
Третья особенность ИС состоит в предпочтительности активных элементов перед пассивными – принцип, диаметрально противоположный тому, который свойствен дискретной транзисторной технике. В последней активные элементы, особенно транзисторы, наиболее дорогие, и поэтому оптимизация схемы при прочих равных условиях состоит в уменьшении количества активных компонентов. В ИС дело обстоит иначе: у них задана стоимость не элемента, а кристалла; поэтому целесообразно размещать на кристалле как можно больше элементов с минимальной площадью. Минимальную площадь имеют активные элементы, а максимальную – пассивные. Следовательно, оптимальная ИС – это ИС, у которой сведены к минимуму количество и номиналы резисторов и, особенно конденсаторов.
Четвёртая особенность ИС связана с тем, что смежные элементы расположены друг от друга на расстоянии, измеряемом в мкм или долях мкм. На таких малых расстояниях различие электрофизических свойств материала маловероятно, а следовательно, маловероятен и значительный разброс параметров у смежных элементов. Т.е. параметры смежных элементов взаимосвязаны – коррелированны, что сохраняется и при изменении температуры: у смежных элементов температурные коэффициенты параметров практически одинаковы.
Гибридные ИС тоже представляют собой тип электронных приборов. Однако наличие навесных компонентов делает их менее специфичными, чем полупроводниковые ИС. Спецификой ГИС как электронного прибора могут быть либо высокие номиналы резисторов и конденсаторов, недостижимые в полупроводниковых ИС, либо повышенная функциональная сложность.
ГИС – это гибкий, дешёвый, оперативно проектируемый тип ИС, хорошо приспособленный к решению специальных, частных задач.
В целом микроэлектроника как область науки и техники интегрирует в себе три равнозначных аспекта: физический, технологический и схемотехнический. Знание этих аспектов позволит разработчику ИС оценивать как новые варианты элементной базы или схемных решений, так и новые варианты технологических процессов с точки зрения их пригодности для реализации данных элементов и данных схем.
Дата добавления: 2016-04-02; просмотров: 4767;