Технология изготовления интегральных микросхе

Производство интегральных микросхем состоит из ряда операций, выполняя которые постепенно из исходных материалов получают готовое изделие. Количество операций технологического процесса может достигать 200 и более, поэтому рассмотрим только базовые.

Эпитаксия - это операция наращивания на подложке монокристаллического слоя, повторяющего структуру подложки и ее кристаллографическую ориентацию. Для получения эпитаксиальных пленок толщиной от 1 до 15 мкм обычно применяется хлоридный метод, при котором полупроводниковые пластины после тщательной очистки поверхности от различного рода загрязнений помещают в кварцевую трубу с высокочастотным нагревом, где пластины нагреваются до 1200±3 оС. Через трубу пропускают поток водорода с небольшим содержанием тетрахлорида кремния. Образующиеся при реакции атомы кремния занимают места в узлах кристаллической решетки, из-за чего растущая пленка продолжает кристаллическую структуру подложки. При добавлении в смесь газов газообразных соединений доноров наращиваемый слой приобретает дырочную проводимость.

Легирование - это операция введения примесей в подложку. Существуют два метода легирования: диффузия примесей и ионная имплантация.

Диффузия примесей представляет собой обусловленное тепловым движением перемещение частиц в направлении убывания их концентрации. Основной механизм проникновения примесных атомов в кристаллическую решетку состоит в их последовательном перемещении по вакансиям решетки. Диффузия примесей осуществляется в кварцевых печах при температуре 1100-1200 оС, поддерживаемой с точностью ±0,5 оС. Через печь пропускается нейтральный газ-носитель (N2 или Аг), который переносит частицы диффузанта (В2О3 или Р2О5) к поверхности пластин, где в результате химических реакций выделяются атомы примесей (В или Р), которые диффундируют вглубь пластин.

Ионное легирование широко используется при создании БИС и СБИС. По сравнению с диффузией процесс ионного легирования занимает меньше времени и позволяет создавать слои с субмикронными горизонтальными размерами, толщиной менее 0,1 мкм, с высокой воспроизводимостью параметров.

Термическое окисление применяется для получения тонких пленок диоксида кремния SiО2, оно основано на высокотемпературных реакциях кремния с кислородом или кислородосодержащими веществами. Окисление происходит в кварцевых печах при температуре 800-1200 оС с точностью ±1 оС..

Травление применяется для очистки поверхности полупроводниковых пластин от различного рода загрязнений, удаления слоя SiО2, также для создания на поверхности подложек канавок и углублений. Травление может быть как жидкостным, так и сухим.

Жидкостное травление осуществляется с помощью кислоты, либо щелочи. Кислотное травление применяют при подготовке пластин кремния к изготовлению структур микросхем с целью получения зеркально гладкой поверхности, а также для удаления пленки SiО2 и формирования в ней отверстий. Щелочное травление применяют для получения канавок и углублений.

Литография - это процесс формирования отверстий в масках, применяемых для локальной диффузии, травления, окисления и других операций. Существует несколько разновидностей этого процесса.

Фотолитография основана на использовании светочувствительных материалов - фоторезистов, которые могут быть негативными и позитивными. Негативные фоторезисты под действием света полимеризуются и становятся устойчивыми к травителям. В позитивных фоторезистах свет, наоборот, разрушает полимерные цепочки, поэтому засвеченные участки фоторезиста разрушаются травителем. При производстве ППИС слой фоторезиста наносят на поверхность SiО2, а при производстве ГИС - на тонкий слой металла, нанесенный на подложку, или на тонкую металлическую пластину, выполняющую функции съемной маски.

Необходимый рисунок элементов ИС получают путем облучения фоторезистасветом через фотошаблон, представляющий собой стеклянную пластину, на одной из сторон которой имеется позитивный или негативный рисунок элементов ИС в масштабе 1:1. При производстве ИС используется несколько фотошаблонов, каждый из которых задает рисунок тех или иных слоев (базовых и эмиттерных областей, контактных выводов и т. д.).

После облучения светом неполимеризованные участки фоторезиста удаляются травителем и на поверхности SiО2 (или металлической пленки) образуется фоторезистивная маска, через отверстия в которой осуществляют травление SiО2 (или металлической пленки), в результате чего рисунок фотошаблона оказывается перенесенным на поверхность подложки.

Рентгеновская литография использует мягкое рентгеновское излучение с длиной волны около 1 нм, что позволяет получить D » 0,1 мкм. Фотошаблон в этом случае представляет собой такую мембрану (около 5 мкм), прозрачную для рентгеновских лучей, на которой методом электронно-лучевой литографии создан рисунок элементов ИС.

Ионно-лучевая литография использует облучение резиста пучком ионов. Чувствительность резиста к ионному облучению во много раз выше, чем к электронному, что позволяет использовать пучки с малыми токами и соответственно малым диаметром (до 0,01 мкм). Система ионно-лучевой литографии технологически совместима с установками ионного легирования.

Введение

1. аналитический обзор

2. Технологическая часть

2.4.1 Очистка подложки

2.4.2 Термическое окисление

2.4.4 Ионная имплантация

2.4.5 Металлизация

2.4.6 Межслойная изоляция

3. инженерно - экономические расчеты

Заключение

Введение

Технология интегральных схем, развиваясь исключительно быстрыми темпами, достигла немыслимых успехов. Электроника прошла несколько этапов развития, за время которых сменилось несколько поколений элементной базы: дискретная электроника электровакуумных приборов, интегральная электроника микросхем (микроэлектроника), интегральная электроника функциональных микроэлектронных устройств (функциональная микроэлектроника). В настоящее время она играет определяющую роль в совершенствовании практически всех отраслях народного хозяйства (интегральные схемы используются в компьютерах, системах автоматизированного проектирования, промышленных роботах, средствах связи и пр.).

Применяемые при изготовлении полупроводниковых интегральных микросхем (ИМС) технологические процессы носят групповой характер, т.е. одновременно изготавливается большое количество ИМС. Многие технологические операции позволяют осуществить обработку до 200 пластин, что позволяет одновременно изготовить свыше миллиона электронных приборов.

Для реализации больших возможностей планарной технологии необходимо выполнение немалого числа общих требований производства и определенных технологических условий, обеспечивающих получение образцов полуфабрикатов высокого качества на всех технологических этапах. А это невозможно без применения особо чистых основных и вспомогательных материалов, выделяемых в специальный класс «для полупроводникового производства», точного технологического и контрольного оборудования, производственных помещений, удовлетворяющим столь высоким требованиям технологической гигиены, какие не встречаются ни в каких других отраслях.

Целью данного проекта является изучение современных технологических приемов в производстве изделий твердотельной электроники и разработка сквозного технологического процесса изготовления МДП-транзистора с диодом Шоттки.

транзистор интегральный схема

1. Аналитический обзор

Полевой транзистор с изолированным затвором - это полевой транзистор, затвор которого отделен в электрическом отношении от канала слоем диэлектрика. Полевой транзистор с изолированным затвором состоит из пластины полупроводника (подложки) с относительно высоким удельным сопротивлением, в которой созданы две области с противоположным типом электропроводности). На эти области нанесены металлические электроды - исток и сток. Поверхность полупроводника между истоком и стоком покрыта тонким слоем диэлектрика (обычно слоем оксида кремния). На слой диэлектрика нанесен металлический электрод - затвор. Получается структура, состоящая из металла, диэлектрика и полупроводника (рисунок 1). Поэтому полевые транзисторы с изолированным затвором часто называют МДП-транзисторами или МОП-транзисторами (металл-оксид (окисел)-полупроводник).

Рисунок 1 - Топология и основные элементы МОП-транзистора

Технология изготовление МОП-ИМС занимает доминирующее положение среди процессов изготовления полупроводниковых ИМС. Это объясняется тем, что ИМС на МОП-транзисторах составляют значительную часть основных изделий микроэлектроники различного функционального назначения. Благодаря высокой надежности и большой функциональной сложности МОП-ИМС имеют меньшие геометрические размеры, чем ИМС на биполярных транзисторах. Технология изготовления кристаллов МОП-ИМС во многом схожа с технологией биполярных ИМС. Отличие при этом обусловлено рядом конструктивно-технологических особенностей самих МОП-ИМС.

Различают МОП-транзисторы со встроенным и индуцированным каналом :

· В МОП-транзисторах со встроенным каналом есть специальный встроенный канал, проводимость которого модулируется смещением на затворе. В случае канала p типа положительный канал отталкивает дырки из канала (режим обеднения), а отрицательный притягивает (режим обогащения). Соответственно проводимость канала либо уменьшается, либо увеличивается по сравнению с ее значением при нулевом смещении.

· МОП-транзисторах с индуцированным каналом проводящий канал возникает между сильнолегированными областями истока и стока и, следовательно, заметный ток стока появляются только при определенной полярности и при определенном значении напряжения на затворе относительно истока (отрицательного при p-канале и положительного при n-канале). Это напряжение называют пороговым.

Первыми в промышленном производстве были p-МОП-ИМС, т.к. изготовление n-МОП-ИМС затруднялось возникновением на поверхности p-Si при термическом оксидировании инверсного n-слоя, который электрически связывает элементы ИМС. Но в настоящее время в производстве преобладают n-канальные ИМС .

Транзисторы с электронной проводимостью канала имеют лучшие характеристики, так как подвижность электронов в кремнии значительно превышает подвижность дырок.

МДП-ИМС изготавливают по планарной технологии. Наиболее ответственные моменты в технологическом процессе это: создание подзатворного диэлектрика, точное совмещение затвора с каналом и получение структур с малой длиной канала.

Для полевого транзистора с изолированным затвором возможно его сочетание с диодом Шоттки. Диод Шоттки в интегральном исполнении представляет собой контакт полупроводник - металл, на котором образуется так называемый барьер Шоттки. Переходам такого типа, выполненных с учетом определенных требований, присущи такие эффекты как несимметрия вольт-амперной характеристики и наличие барьерной емкости. Для получения подобных переходов металл, наносимый в качестве электрода на поверхность электронного полупроводника, должен иметь работу выхода, меньшую работы выхода полупроводника; для электрода, наносимого на поверхность дырочного полупроводника, требуется металл с большей работой выхода (рисунок 2) .

Рисунок 2 - Зонная диаграмма образования бартера Шоттки в месте контакта металла и полупроводника p-типа

В этом случае в полупроводнике на границе с металлом образуется обогащенный основными носителями слой, обеспечивающий высокую проводимость перехода независимо от направления тока.

В целом, изготовление МДП-транзистора с диодом Шоттки не требует введения дополнительных технологических операций.

2. Технологическая часть

2.1 Описание технологического процесса

Рисунок 3 - Последовательность технологических операций производства МОП-транзистора с диодом Шоттки

В исходную пластину методом ионной имплантации внедряются бор для получения подложки p-типа (рисунок 3, а).

После этого с помощью фотолитографии и ионной имплантации фосфора формируются области с повышенным содержанием доноров (рисунок 3, в-е).

В последствии выращивается дополнительный слой диоксида кремния. Так как температура на этой стадии высокая, то примеси фосфора в течение этой операции более равномерно распределяются в толще приповерхностного слоя подложки (рисунок 3, ж).

С помощью очередной фотолитографии удаляем оксид кремния в области, разделяющей сток и исток будущего транзистора (рисунок 3, з).

Теперь самая ответственная во всем цикле производства операция - выращивание подзатворного диэлектрика (рисунок 3, и).

Теперь остается сформировать электроды стока, истока и затвора, а также переход Шоттки. Сейчас упрощенно покажем эту металлизацию (рисунок 3, к-м), а далее более подробно рассмотрим принципы ее формирования (раздел 2.4.5).

2.2 Выбор класса производственных помещений

За основу современных требований по классам чистоты чистых помещений и чистых зон берутся нормы, определенные в Федеральном стандарте США FS209E . Подготовленный проект Российского стандарта гармонизован с этим стандартом США.

Критерий чистоты - это отсутствие или минимальное число частиц загрязнений, которые находясь на поверхности пластины могут вызывать либо дефекты в выращиваемых слоях, либо становиться причиной коротких замыканий соседних близко расположенных элементов ИС.

Таблица 1- Классы чистоты по взвешенным в воздухе частицам для чистых помещений

Класс чистоты	Предельно допустимая счетная концентрация частиц N (шт/м 3) размером равным и превышающим (мкм)
Класс 1 ISO
Класс 2 ISO
Класс 3 ISO
Класс 4 ISO
Класс 5 ISO
Класс 6 ISO
Класс 7 ISO
Класс 8 ISO
Класс 9 ISO

Количественный критерий - критический размер частиц - одна треть от минимального геометрического горизонтального размера элемента ИС:

Таким образом, можно выбирать чистое помещение, соответствующее классам чистоты от ISO 1 до ISO 6. Ориентируясь также на стоимость, выбираем класс чистоты ISO 2, для которого максимально допустимая концентрация взвешенных в воздухе частиц, равных или больших чем рассматриваемый размер 0,2 мкм (число частиц в 1м 3 воздуха) составляет:

где N - номер класса чистоты ISO; D - рассматриваемый размер частиц, мкм.

2.3 Основные материалы и реактивы

В течение многих лет основным полупроводниковым материалом, который используется для изготовления интегральных схем, остается монокристаллический кремний. Пластины кремния являются той основой, в поверхностных слоях которой создаются полупроводниковые области с заданными электрофизическими характеристиками. На поверхности кремния формируются диэлектрические слои окислением самого полупроводникового материала или нанесением диэлектриков из внешних источников; образуются структуры многослойной металлизации, защитные, стабилизирующие слои и так далее. Требования к пластинам кремния детально отработаны, существует целый каталог международных стандартов ассоциации SEMI, в то же время продолжается постоянное повышение требований к кремнию, что связано с постоянным стремлением к снижению себестоимости конечного продукта - интегральных схем.

Ниже приведены некоторые геометрические характеристики пластин кремния в соответствии с техническими условиями ЕТО.035.124ТУ, ЕТО.035.206ТУ, ЕТО.035.217ТУ, ЕТО.035.240ТУ, ЕТО.035.578ТУ, ПБЦО.032.015ТУ .

Диаметр пластины 100мм.

Ориентация кремниевой подложки (100) имеет преимущество по сравнению с (111), заключающееся с более высокой подвижности электронов, обусловленной низкой плотностью поверхностных состояний на границе кремний-диэлектрик.

Толщина пластины 500 мкм.

Разброс значений толщины в партии ±10 мкм.

Разброс значений толщины по пластине ±12 мкм.

Прогиб 20 мкм.

Отклонение от плоскостности ±5 мкм.

Количество светящихся точек, менее 10

Высокие требования по примесям и механическим частицам предъявляются к деионизованной воде. В таблице 2 приведены выписки из руководящего материала международной ассоциации SEMI с указанием рекомендуемых параметров сверхчистой воды для производства полупроводниковых интегральных схем с минимальным размером элемента 0,8-1,2 мкм. Соответствующая индексация жидких реагентов по стандартам SEMI записывается как SEMI C7.

Значение параметра удельного электрического сопротивления воды должно быть близко к теоретической величине 18,2 МОм·см.

Кроме параметров, указанных в таблице, в рекомендациях SEMI приведены данные по наличию следов ряда металлов в воде. Анализ проводится на содержание следующих металлов: Li, Na, K, Mg, Ca, Sr, Ba, B, Al, Cr, Mn, Fe, Ni, Cu, Zn, Pb.

Для воды градации SEMI C7 для всех без исключения указанных элементов допустимая концентрация следов лежит в пределах от 0,001 до 0,005 ppb.

Уровень чистоты жидких химических реактивов, применяемых в производстве интегральных схем, определяется серией международных стандартов и имеет различные градации в соответствии с уровнем сложности интегральных схем.

«Grade 2» имеет обозначение стандарта, начинающееся с символов SEMI C7. Реактивы, имеющие уровень чистоты «Grade 2», используются при изготовлении интегральных схем с проектными нормами в диапазоне 0,8-1,2 мкм, что соответствует требованию задания. В реактивах градации «Grade 2» контролируются посторонние частицы размером 0,5 мкм и выше. Практически во всей номенклатуре реактивов максимальная норма - 25 частиц в 1 мл реактива. В спецификациях на такие реактивы содержание следов металлов указывается 5-10 ppb.

Помимо стандартов для химических реактивов повышенной чистоты разработаны спецификации в виде руководящих материалов.

В соответствии с ними сформированы три уровня (яруса) требований к чистоте: A, B, C (в английском написании - Tier A, Tier B, Tier C). Уровню А соответствуют требования стандарта SEMI C7. Соответственно, реактивы для данного технологического процесса должны отвечать Tier A (ярус A).

В технологии изготовления интегральных схем исключительную роль играют газы. Практически все технологические процессы проходят в газовой среде и проблема создания производства полупроводниковых приборов «без загрязнений» - это в большой степени проблема чистоты газов. Различают два типа газовых сред: газы - носители и газы химических реакций в технологических процессах. Парциальное давление газов-носителей, как правило, высокое, в связи с чем их чистота с учетом высокой концентрации в рабочей газовой среде особенно критична в технологии.

Таблица 3 - Газы в технологических процессах изготовления ИС

	Наименование	Химическая формула
				533 (из них 500 ppm - водород H 2)
	Треххлористый бор		99,9995 (по весу в жидкой фазе)	5 (по весу в жидкой фазе)
	Трифторид бора			0,94% - газы не растворимые в воде, 200 ppm - SiF 4 . Остальные примеси - 28 ppm.
	Четырехфтористый углерод			30, в т. ч. 20 - N 2 , 5 - O 2
				1012, из них 300 - B 4 H 10 - тетраборан
	Дихлорсилан			Основные примеси - другие хлорсиланы в жидкой фазе
	Гексафторэтан
	Хлористый водород
	Фтористый ангидрид			525, в т. ч. 200 - водяные пары по объему
	Трифторид азота			1000, в т. ч. CF 4 - 500, CO - 130, N 2 -100, O 2 - 100
	Закись азота			26, в т. ч. 10 - N 2
	Кислород
				181, в т. ч. 100 - H 2 , 50 - N 2
	Моносилан
	Четыреххлористый кремний			Основные примеси: SiH 2 Cl 2 - 0,2% в жидкой фазе, SiHCl 3 - 0,2% в жидкой фазе
	Гексафторид серы			209, в т. ч. 100 - CF 4
	Гексафторид вольфрама			39, в т. ч. 20 - HF
	Трифторид хлора

2.4 Основные технологические операции

2.4.1 Очистка подложки

Понятно, что на любой подложке в каком-то количестве присутствуют загрязнения. Это могут быть частицы пыли, молекулы различных веществ, как неорганических, так и органических. Пылеобразные частицы удаляются либо механической кистевой, либо ультразвуковой отмывкой. Применяются методы с использованием центробежных струй. Процедура химической очистки обычно проводится после ликвидации неорганических молекул и атомов, и заключается в удалении органических загрязнений.

Обычная процедура очистки выполняется в смеси H 2 O-H 2 O 2 -NH 4 OH, которая обеспечивает удаление органических соединений за счет сольватирующего действия гидроксида аммония и окисляющего действия перекиси водорода. Для удаления тяжелых металлов используют раствор H 2 O-H 2 O 2 -HCl. Подобная очистка подложек проводится при температуре ~80?С в течение 10-20 минут, после чего осуществляется их отмывка и сушка.

2.4.2 Термическое окисление

Под окислением полупроводников понимают процесс их взаимодействия с окисляющими агентами: кислородом, водой, озоном и т.д.

Слой двуокиси кремния формируется обычно на кремниевой пластине за счет химического взаимодействия в приповерхностной области полупроводника атомов кремния и кислорода. Кислород содержится в окислительной среде, с которой контактирует поверхность кремниевой подложки, нагретой в печи до температуры 900 - 1200 °С. Окислительной средой может быть сухой или влажный кислород. Схематично вид установки показан на рисунке 4 (в современных установках пластины в подложкодержателе располагаются вертикально).

Рисунок 4-Схема установки процесса термического окисления

Требования к оборудованию:

1) контролируемая с точностью до 1 градуса температура подложкодержателя;

2) обеспечение плавного повышения и понижения температуры в реакторе (двухстадийный нагрев);

3) отсутствие посторонних частиц в реакторе (подложкодержатель сначала вводится в трубу реактора, а затем опускается на дно);

4) отсутствие посторонних примесей, в частности, ионов натрия на внутренней поверхности реактора (с целью их удаления проводится предварительная продувка трубы реактора хлором);

5) обеспечение введения кремниевых пластин в реактор сразу после их химической очистки.

Химическая реакция, идущая на поверхности кремниевой пластины, соответствует одному из следующих уравнений:

· окисление в атмосфере сухого кислорода (сухое окисление): Si ТВ + O 2 = SiO 2 ;

· окисление в парах воды (влажное окисление): Si ТВ +2H 2 O = SiO 2 + 2H 2 ;

· термическое окисление в присутствии хлора (хлорное окисление);

· окисление в парах воды при повышенных температуре и давлении (гидротермальное окисление).

При одной и той же температуре коэффициент диффузии воды в диоксиде кремния существенно выше коэффициента диффузии кислорода. Этим объясняются высокие скорости роста оксида во влажном кислороде. Выращивание пленок только во влажном кислороде не применяется из-за плохого качества оксида. Более качественные пленки получаются в сухом кислороде, но скорость их роста слишком мала.

Для маскирования при локальных обработках оксидирование ведут в режиме сухой-влажный-сухой кислород. Для формирования подзатворного диэлектрика МОП-структур применяют сухой кислород, т.к. пленки получаются более качественные.

2.4.3 Литографические процессы

Основное назначение литографии при изготовлении структур микросхем - получение на поверхности пластин контактных масок с окнами, соответствующими топологии формируемых технологических слоев, и дальнейшая передача топологии (рисунка) с маски на материал данного слоя. Литография представляет собой сложный технологический процесс, основанный на использовании явлений, происходящих в резистах при актиничном облучении.

Резисты, растворимость которых в проявителе увеличивается после облучения, называются позитивными. Негативные резисты после облучения становятся практически нерастворимыми в проявителе.

Стандартно в электронной промышленности применяется оптическая литография - фотолитография (рисунок 5), - для которой применяют фоторезисты, чувствительные к актиничному излучению с длиной волны от 200 до 450 нм. Фоторезисты представляют собой сложные полимерные композиции, в составе которых имеются фоточувствительные и пленкообразующие компоненты, растворители и специальные добавки.

В проекте используется позитивный высококачественный и стабильный фоторезист ФП-20Ф, предназначенный для реализации контактных и проекционных фотолитографических процессов в производстве полупроводниковых приборов и интегральных схем. В соответствии с этим для травления можно применять слабый водный раствор KOH или NaOH.

Наиболее оптимальный способ нанесения фоторезиста - центрифугирование. Подложка закрепляется на горизонтальной центрифуге. На подложку наносится 1-5 мл фоторезиста (в зависимости от размеров подложки). Центрифуга приводится во вращение до скорости 1000-3000 об/мин (в зависимости от марки фоторезиста). Вращение продолжается 1-2 мин до формирования пленки фоторезиста, растворитель при этом испаряется.

Рисунок 5 - Схема основных операций фотолитографического процесса

Существует несколько способов экспонирования, в проекте будем использовать бесконтактный (рисунок 6). Проекционная печать позволяет полностью исключить повреждения поверхности шаблона. Изображение топологического рисунка шаблона проецируется на покрытую резистом пластинку, которая расположена на расстоянии нескольких сантиметров от шаблона.

1- источник света; 2- оптическая система; 3- шаблон;

4- фоторезист; 5- кремниевая пластина.

Рисунок 6- Схема проекционной печати

Для достижения высокого разрешения отображается только небольшая часть рисунка шаблона. Это небольшая отражаемая область сканируется или перемещается по поверхности пластины. В сканирующих проекционных устройствах печати шаблон и пластина синхронно перемещаются.

При сушке фоторезиста очень важно подобрать нужные температуру и время. Сушка фоторезиста будет осуществляться наиболее распространенным способом - ИК-излучением. При этом растворитель удаляется равномерно по толщине слоя резиста и не происходит его уплотнения, а время сушки понижается до нескольких минут.

2.4.4 Ионная имплантация

Легирование полупроводниковых материалов с целью получения заданных электрофизических параметров слоев при формировании определенной геометрической структуры ИС остается важнейшей технологической задачей. Существует два вида легирования: диффузионное (включает в себя стадии загонки примеси и последующей разгонки) и ионное.

Наиболее распространенным является ионная имплантация (ионное легирование) как процесс внедрения в мишень ионизованных атомов с энергией, достаточной для проникновения в ее приповерхностные области (рисунок 7). Этот способ отличается универсальностью (можно вводить любые примеси в любое твердое тело), чистотой и точностью процесса легирования (практически исключается попадание неконтролируемых примесей) и низкими температурами процесса.

1 - источник ионов; 2 - масс-спектрометр; 3 - диафрагма; 4 - источник высокого напряжения; 5 - ускоряющая трубка; 6 - линзы; 7 - источник питания линз; 8 - система отклонения луча по вертикали и система отключения луча; 9 - система отклонения луча по горизонтали; 10 - мишень для поглощения нейтральных частиц; 11 - подложка.

Рисунок 7 - Схема установки ионного легирования

При ионной имплантации проявляется ряд нежелательных эффектов, таких как эффект каналирования, аморфизация приповерхностного слоя подложки, образование радиационных дефектов.

Эффект каналирования наблюдается при попадании иона в свободное пространство между рядами атомов. Такой ион постепенно теряет энергию за счет слабых скользящих столкновений со стенками канала и, в конце концов, покидает эту область. Расстояние, проходимое ионом в канале, может в несколько раз превышать длину пробега иона в аморфной мишени, а значит профиль распределения примеси получается неравномерным.

При внедрении ионов в кремниевую кристаллическую подложку они подвергаются электронным и ядерным столкновениям, однако, только ядерные взаимодействия приводят к смещению атомов кремния. Легкие и тяжелые ионы по-разному взаимодействуют с подложкой.

Легкие ионы при внедрении в мишень первоначально испытывают в основном электронное торможение. На профиле распределения смещенных атомов по глубине подложки существует скрытый максимум концентрации. При внедрении тяжелых ионов они сразу начинают сильно тормозиться атомами кремния.

Тяжелые ионы смещают большое количество атомов мишени из узлов кристаллической решетки вблизи поверхности подложки. На окончательном профиле распределение плотности радиационных дефектов, который повторяет распределение длин пробега выбитых атомов кремния, существует широкий скрытый пик. Например, легкие ионы 11 B испытывают в основном электронное торможение, тяжелые ионы 31 P или 75 As - тормозятся атомами кремния.

В связи с этим после проведения ионного легирования необходимо провести постимплантационный отжиг, чтобы восстановить приповерхностную область мишени.

Области стока и истока будем формировать внедрением фосфора, а для получения подложки p-типа исходную подложку будем легировать бором.

2.4.5 Металлизация

Металлизация завершает процесс формирования полупроводниковых структур. Для каждой ИМС металлизацию желательно выполнять из одного материала. Процесс металлизации заключается в реализации межкомпонентных соединений с низким сопротивлением и создании контактов с низким сопротивлением к высоколегированным областям p- и n-типа и слоям поликристаллического кремния.

Согласно заданию на курсовой проект необходимо сформировать 3 слоя металлизации. Такая металлизация полнее отвечает предъявляемым требованиям, но менее технологична, т.к. содержит не один слой металла.

В качестве первого слоя металлизации на оксиде чаще всего используют тугоплавкие металлы, особенно молибден и ванадий. Имя большую проводимость, чем другие тугоплавкие металлы, они отличаются высокой стабильностью, хорошей адгезией, легко травятся при фотолитографии. Должны обладать малой растворимостью в материале подложки и создавать хороший омический контакт с полупроводником, небольшим пороговым напряжением. Вторым слоем обычно служит алюминий, а в особо ответственных устройствах - золото. Он должен быть высокопроводящим.

Последний по порядку нанесения слой металлизации, называемый проводящим слоем, должен иметь хорошую электропроводность и обеспечивать качественное подсоединение контактных площадок к выводам корпуса. Для проводящих слоев применяются медь, алюминий, золото.

Существует множество методов получения металлических пленок. Получение качественных незагрязненных пленок методом термовакуумного напыления сложно. Пленки алюминия, полученные термовакуумным испарением, обладают большой неравномерностью размеров зерен и высоко концентрацией внутри зерен. Их последующая термообработка приводит к миграции атомов металла и скоплению их вокруг крупных частиц с образованием высоких бугорков. Получение рисунков на таких пленках фотолитографией приводит к большим неровностям краев вследствие анизотропии травления по границам зерен. Поэтому для получения линий металлизации очень малой ширины отказываются от термовакуумных процессов . Способ химического осаждения пленок из парогазовой смеси чаще применяется в лабораторных условиях. Электронно-лучевое несмотря на то, что усложняет конструкцию установки, позволяют снизить загрязнение пленок и повысить производительность процесса (рисунок 8). Оптимальная скорость роста пленки составляет 0.5 мкм/мин. С помощью данного метода наносят пленки алюминия и его сплавов, а также Si, Pd, Au, Ti, Mo, Pt, W.

Рисунок 8 - Схема процесса электронно-лучевого испарения

К преимуществам электронно-лучевого испарения относятся:

· возможность использования больших по массе источников (не требуется перезагрузка при нанесении толстых пленок);

· возможность последовательного нанесения различных пленок из соседних источников, расположенных в одной камере;

· высокая скорость роста пленок;

· возможность напыления тугоплавких материалов.

Барьер Шоттки по выполняемым функциям не относится к металлизации, но по технологии формирования его можно отнести к металлизации, т.к. она аналогична получению омических контактов к активным областям. Важнейшим этапом формирования барьеров Шоттки является выбор пары металл - полупроводник и оптимальных режимов.

Итак, для контактного слоя применим силицид платины, который будет нанесен методом электронно-лучевого испарения путем совместного испарения из двух источников. Барьер Шоттки обеспечит сплав титана и вольфрама, нанесенный на кремний тем же методом. По сути, этот сплав будет аналогичен сильнолегированной области. Для проводящего слоя применим алюминий, также нанесенный методом электронно-лучевого испарения.

2.4.6 Межслойная изоляция

Многоуровневая металлизация применяется для БИС и СБИС. Увеличение числа элементов увеличивает и площадь межэлементных соединений, поэтому их размещают в несколько уровней, разделенных изолирующими слоями и соединенными между собой в нужных местах.

Изолирующие диэлектрические пленки должны иметь высокое напряжение пробоя, низкие диэлектрическую постоянную и потери, минимальное химическое взаимодействие с прилегающими пленками, низкий уровень механических напряжений, низкую плотность связанного электрического заряда, высокую химическую стабильность и технологичность при получении пленок и создании рисунка. Недопустимым является наличие сквозных микроотверстий, которые могут привести к короткому замыканию между слоями металлизации.

Технология многоуровневой металлизации включает формирование первого уровня металлизации, получение изолирующего слоя с последующим вскрытием межуровневых контактных окон, формирование второго слоя металлизации и т.д.

Многие серийно выпускаемые ИМС изготавливаются на основе алюминиевой металлизации с изолирующими слоями SiO 2 . Пленки диоксида кремния могут осаждаться как с легирующими добавками, так и без них. Важнейший параметр при осаждении SiO 2 - воспроизводимость рельефа (рисунок 9).

Рисунок 9-Конформное воспроизведение. Толщина пленки на стенках ступеньки не отличается от толщины на дне и поверхности. Обусловлено быстрой поверхностной миграцией

В данном проекте в качестве изолирующей пленки между многоуровневой металлизацией используется нелегированный диоксид кремния, наносимый методом химического осаждения из газовой фазы (рисунок 10). Последний основан на использовании явления пиролиза или химических реакций при формировании пленок изолирующего материала.

Рисунок 10 - Установка формирования пленок методом химического осаждения из газовой фазы при нормальном давлении

В качестве химически активного газа применяют моносилан SiH 4 и кислород, а в качестве буферного газа - азот.

SiH 4 + O 2 > SiO 2 + 2H 2

Такой процесс является самым низкотемпературным для получения качественных диэлектрических слоев SiO 2 (реакцию проводят в диапазоне температур 200-400?С). Недостатком является горючесть и взрывоопасность силана. Пленки формируются очень чистыми, но из-за низких температур получаются неплотными. Во избежание этого нужно строго регулировать концентрацию силана в газовой фазе и подавать его непосредственно на поверхности пластин, предотвращая рост SiO 2 в газовой фазе .

3. нженерно-экономические расчеты

Тема проекта: Разработка технологического процесса изготовления полупроводниковых интегральных схем

Тип технологии: МОП транзистор с диодом Шоттки

Материал подложки: Si

Исходные данные по проекту:

Размер кристалла (чипа) 10х1 0 мм 2

Минимальная проектная норма элемента ИС 0,3мкм

Плотность дефектов на слой 0,1деф/см 2

Число слоев металлизации 1

Вычисление процента выхода годных структур на пластине (Y) производится по следующей формуле:

где D 0 - удельная плотность дефектов, приходящихся на одну фотолитографию, деф/см 2 ; A - активная площадь кристалла, см 2 ; F - число фотолитографических процессов в полном технологическом цикле изготовления ИС.

Расчет общего объема выпуска годных изделий проводится по исходным данным. Выход годных структур на пластине: ,

где A пл - активная площадь пластины диаметром 100 мм, A - площадь элемента, см 2 .

Годовой объем производства при запуске Z=300 пластин в сутки при условии, что процент выхода годных изделий на сборочных операциях W=95%:

Таблица. Расчет порогового напряжения МОП транзистора.

	1 10 16 => 1 10 22 м -3		1,5 = 1,5 10 -6 м
	40 => 4 10 -8 м		1,5 = 1,5 10 -6 м
	1,5 => 1,5 10 -6 м
	16 => 1,6 10 -5 м
	8.85 10 -12 Ф/м 2

8,6 10 -4 Ф/м

где, - поверхностный потенциал.

где,- падение напряжения на слое оксида.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В данной курсовой работе рассмотрена технология изготовления плат полупроводниковых интегральных микросхем. Полупроводниковая интегральная микросхема - это микросхема, элементы которой выполнены в приповерхностном слое полупроводниковой подложки. Эти ИС составляют основу современной микроэлектроники. Размеры кристаллов у современных полупроводниковых интегральных микросхем достигают мм 2 , чем больше площадь кристалла, тем более многоэлементную ИС можно на ней разместить. При одной и той же площади кристалла можно увеличить количество элементов, уменьшая их размеры и расстояния между ними.

При использовании другого типа подзатворного диэлектрика, других металлов при формировании контактов с кремнием, других изолирующих слоев возможно получение более сложных схем с еще меньшим размером элементов.

Список использованных источников

1. Ежовский Ю.К. Основы тонкопленочного материаловедения и технологии интегральных устройств: Учебное пособие/ СПбГТИ.- СПб., 2005.-127с.

2. Интегральные устройства радиоэлектроники УМК, СЗТУ, СПб 2009

3. Малышева И.А. Технология производства интегральных микросхем: Учебник для техникумов.- М.: Радио и связь., 1991. - 344с.

4. http :// www . karelia . ru , Гуртов В.А. Твердотельная электроника: Учебное пособие. -Петрозаводск., 2005.-405с.

5. Цветов В.П. Технология материалов и изделий твердотельной электроники: Методические указания/ СПбГТИ.- СПб.,1998.-67с.

6. http://www.analog.energomera.ru, Пластины кремния монокристаллического.

7. http :// www . karelia . ru , Курс лекций по дисциплине «Технология сбис».

Подобные документы

Анализ технологии изготовления плат полупроводниковых интегральных микросхем – такого рода микросхем, элементы которых выполнены в приповерхностном слое полупроводниковой подложки. Характеристика монокристаллического кремния. Выращивание монокристаллов.

курсовая работа , добавлен 03.12.2010


Устройство и принцип действия биполярных транзисторов. Структура и технология изготовления полупроводниковых интегральных микросхем на основе биполярного транзистора с помощью метода диэлектрической изоляции; подготовка полупроводниковой подложки.

контрольная работа , добавлен 10.06.2013


Описание и анализ конструкции диффузионного резистора. Оптимизация его конструкции с учетом критерия минимальной площади. Последовательность операций планарно-эпитаксиальной технологии производства биполярных полупроводниковых интегральных микросхем.

курсовая работа , добавлен 20.11.2013


Схемотехнические параметры. Конструктивно–технологические данные. Классификация интегральных микросхем и их сравнение. Краткая характеристика полупроводниковых интегральных микросхем. Расчёт полупроводниковых резисторов, общие сведения об изготовлении.

курсовая работа , добавлен 13.01.2009


Принцип действия полупроводниковых диодов, свойства p-n перехода, диффузия и образование запирающего слоя. Применение диодов в качестве выпрямителей тока, свойства и применение транзисторов. Классификация и технология изготовления интегральных микросхем.

презентация , добавлен 29.05.2010


Этапы проектирование полупроводниковых интегральных микросхем. Составление фрагментов топологии заданного уровня. Минимизация тепловой обратной связи в кристалле. Основные достоинства использования ЭВМ при проектировании топологии микросхем и микросборок.

презентация , добавлен 29.11.2013


Исследование принципа действия биполярного транзистора. Конструирование и расчет параметров диффузионных резисторов. Классификация изделий микроэлектроники, микросхем по уровням интеграции. Характеристика основных свойств полупроводниковых материалов.

дипломная работа , добавлен 20.06.2012


Краткая историческая справка о развитии интегральных схем. Американские и советские ученные, которые внесли огромный вклад в разработку и дальнейшее развитие интегральных схем. Заказчики и потребители первых разработок микроэлектроники и ТС Р12-2.

реферат , добавлен 26.01.2013


Изучение современных тенденций в области проектирования интегральных микросхем и полупроводниковых приборов. Анализ алгоритма создания интегральных микросхем в среде Cadence Virtuoso. Реализация логических элементов с использованием NMOS-транзисторов.

курсовая работа , добавлен 08.11.2013


Маршрут изготовления биполярных интегральных микросхем. Разработка интегральной микросхемы методом вертикального анизотропного травления с изоляцией диэлектриком и воздушной прослойкой. Комплекс химической обработки "Кубок", устройство и принцип работы.

Продолжительность: 2 часа (90 мин.)

11.1 Основные вопросы

Понятие интегральной микросхемы;

Виды интегральных микросхем, различия между полупроводниковыми и гибридно-пленочными микросхемами;

Основные этапы производства полупроводниковых интегральных микросхем;

Основные этапы производства гибридно-пленочных интегральных микросхем.

11.2 Текст лекции

11.2.1 Понятие интегральной микросхемы. Виды интегральных микросхем – до 40 мин

Ранее вся электронная аппаратура создавалась на основе дискретных электрорадиоэлементов, которые с помощью соединительных проводов объединялись в функциональные узлы. Усложнение электронной аппаратуры, высокая трудоемкость операций по установке и электрическому монтажу дискретных элементов обусловили необходимость использования функционально законченных электронных узлов, изготовление которых было бы автоматизированным – интегральных микросхем, выполняющих функции преобразования, хранения, обработки, передачи и приема информации и определяющих тактико-технические, конструктивно-технологические, эксплуатационные и экономические характеристики ЭВМ.

Интегральной микросхемой (ИМС) называют функционально законченный электронный узел, элементы и соединения в котором конструктивно неразделимы и изготовлены одновременно в едином технологическом процессе.

По конструктивно-технологическому исполнению ИМС делятся на полупроводниковые и гибридно-пленочные.

Полупроводниковые ИМС имеют в своей основе кристалл полупроводникового материала, в поверхностном слое которого (путем внедрения атомов примеси) создаются все элементы ИМС – транзисторы, диоды, резисторы, конденсаторы, а соединения между ними выполняются по поверхности кристалла тонкопленочной технологией.

Полупроводниковые ИМС могут быть:

Однокристальными (монолитными);

Многокристальными (микросборки).

Однокристальные ИМС выполнены на одном кристалле полупроводникового материала, могут иметь индивидуальный корпус с внешними выводами для монтажа на печатной плате, а могут быть бескорпусными и входить в состав микросборок.

Микросборка представляет собой совокупность бескорпусных микросхем, смонтированных на общей коммутационной плате. Также в качестве компонентов в микросборке могут присутствовать бескорпусные электрорадиоэлементы.

Гибридно-пленочные ИМС состоят из пленочных пассивных элементов (резисторов, конденсаторов и т.п.), бескорпусных полупроводниковых кристаллов (транзисторов, диодов, ИМС) и коммутационных проводников, собранных на подложку из изоляционного материала.

Число элементов в ИМС характеризует ее степень интеграции. По этому параметру все микросхемы условно делят на малые (МИС - до 10 2 элементов на кристалл), средние (СИС - до 10 3), большие (БИС - до 10 4), сверхбольшие (СБИС - до 10 6), ультрабольшие (УБИС - до 10 9) и гигабольшие (ГБИС - более 10 9 элементов на кристалл).

Наиболее высокой степенью интеграции обладают цифровые ИМС с регулярной структурой: схемы динамической и статической памяти, постоянные и перепрограммируемые запоминающие устройства. Это связано с тем, что в таких схемах доля участков поверхности ИМС, приходящаяся на межсоединения, существенно меньше, чем в схемах с нерегулярной структурой.

В качестве активных элементов в полупроводниковых ИМС в вычислительной технике чаще всего используют униполярные (полевые) транзисторы со структурой «металл – диэлектрик (оксид) – полупроводник» (МДП- или МОП-транзисторы). Существует два типа МДП-транзисторов: n-типа, обладающие электронной проводимостью, и p-типа, характеризующиеся проводимостью дырочной. Принцип действия таких транзисторов достаточно прост. В подложке кремния формируются две легированные области с электронной (n-тип) или дырочной (p-тип) проводимостью. Эти области называются стоком и истоком. В обычном состоянии электроны (для n-типа) или дырки (для p-типа) хотя и диффундируют в область кремния за счет избыточной концентрации, но не способны перемещаться между стоком и истоком, поскольку неизбежны процессы рекомбинации в области кремния. Кроме того, за счет такой диффузии на границах контактов между легированными областями стока и истока и кремния возникают локальные электрические поля, препятствующие дальнейшей диффузии и приводящие к образованию обедненного носителями слоя. Поэтому в обычном состоянии прохождение тока между истоком и стоком невозможно. Для того чтобы иметь возможность переносить заряд между истоком и стоком, используется третий электрод, называемый затвором. Затвор отделен от кремниевой подложки слоем диэлектрика, в качестве которого выступает диоксид кремния (SiO2). При подаче потенциала на затвор создаваемое им электрическое поле вытесняет вглубь кремниевой подложки основные носители заряда кремния, а в образующуюся обедненную носителями область втягиваются основные носители заряда стока и истока (мы говорим об основных носителях заряда, а не конкретно о дырках или электронах, поскольку возможен и тот и другой вариант). В результате между истоком и стоком в подзатворной области образуется своеобразный канал, насыщенный основными носителями заряда. Если теперь между истоком и стоком приложить напряжение, то по каналу пойдет ток. При этом принято говорить, что транзистор находится в открытом состоянии. При исчезновении потенциала на затворе канал разрушается и ток не проходит, то есть транзистор запирается.

Также в полупроводниковых ИМС могут использоваться и другие типы транзисторов, например, биполярные.

Биполярная технология на 30 % сложнее МДП технологии. В МДП технологии меньше количество технологических операций, особенно высокотемпературных диффузии; при одинаковой сложности - меньше размер (20 % от биполярной технологии), и, следовательно, больше процент выхода годных микросхем (т.к. вероятность возникновения дефекта на меньшей площади меньше).

Высокая надежность МДП микросхем обусловлена: меньшими размерами элементов (малые размеры элементов и малое энергопотребление дает возможность широко применять резервирование и мажоритарную логику даже в сложных схемах); значительным уменьшением числа межэлементных соединений.

К достоинству биполярных микросхем можно отнести быстродействие.

11.2.2 Основные технологические особенности производства интегральных микросхем – до 50 мин

Важнейшим принципом технологии полупроводниковых МС является технологическая совместимость элементов ИМС с наиболее сложным элементом, которым является транзистор. Другие элементы (диоды, резисторы, конденсаторы) должны по возможности содержать только те области, которые включает транзистор. таким образом, технологический процесс изготовления полупроводниковой ИМС базируется прежде всего на технологии изготовления транзисторных структур.

Второй важный принцип – групповая обработка МС. Она должна охватывать как можно большее число операций. При групповой обработке улучшается воспроизводимость параметров ИМС и существенно снижается трудоемкость изготовления отдельных ИМС.

Следующим важным принципом является универсальность процессов обработки . Он означает, что для изготовления совершенно различных по своим возможностям и назначению ИМС применяются одинаковые типовые технологические процессы, оборудование и режимы. Это позволяет одновременно, без переналадки оборудования, выпускать ИМС различного функционального назначения.

Четвертый принцип – унификация пластин-заготовок , содержащих максимальное количество признаков микросхемы.

Технологический процесс производства современных (полупроводниковых) СБИС представляет собой последовательность операций и переходов между ними, осуществляемых над исходными полупроводниковыми пластинами с целью получения микросхем с требуемыми эксплуатационными характеристиками. Технологические операции можно разделить на три группы: подготовительные, основные и заключительные.

К подготовительным операциям относят выращивание полупроводниковых слитков (например, методами Чохральского и зонной плавки), резку слитков на пластины, шлифовку, полировку, травление поверхности пластин, промывку в деионизованной воде, сушку и др.

К основным технологическим операциям относят литографию (фотолитографию в ультрафиолетовой области спектра и в жестком ультрафиолете, рентгенолитографию, электронно-лучевую и ионную литографии), эпитаксию (посредством испарения в глубоком вакууме и распыления ионами инертного газа, эпитаксию за счет реакций разложения и восстановления, жидкофазную и молекулярно-лучевую эпитаксии), окисление, травление (ионно-лучевое и ионно-плазменное), легирование (диффузия, ионная имплантация), отжиг (посредством галогенных ламп, отжиг электронным пучком, лазерный отжиг), осаждение на поверхность пластин различных по химическому составу пленок и др.

К заключительным технологическим операциям относят скрайбирование и ломку пластин на кристаллы, разварку внешних выводов, герметизацию кристаллов в корпусах и др.

Практически все перечисленные технологические операции сопровождаются контрольными операциями, позволяющими осуществлять отбраковку дефектных пластин и кристаллов. К ним относят, например, контроль содержания примесей в пластинах, контроль деформаций поверхности пластин и др.

При производстве различных типов гибридных интегральных микросхем технологический процесс может содержать различные операции (это зависит от выбранной технологии - тонкопленочной или толстопленочной, от того, какие пассивные элементы используются в схеме - есть ли, например, пленочные конденсаторы).

Укрупненные схемы технологических процессов производства полупроводниковых и гибридно-пленочных ИМС приведена на рисунках 11.1 и 11.2.

Рисунок 11.1 – Укрупненная схема технологического процесса изготовления полупроводниковых однокристальных ИМС.

Рисунок 11.2 – Укрупненная схема технологического процесса изготовления гибридно-пленочных ИМС.

Изготовление полупроводниковых ИМС осуществляют, используя два основных технологических процесса: диффузию примесей, создающих в полупроводнике область с типом проводимости, противоположным исходному, и эпитаксиальное наращивание слоя кремния на кремниевую подложку, имеющую противоположный тип проводимости.

Все элементы схемы формируются в так называемых островках, образованных в кристалле и изолированных между собой. Металлические полоски, необходимые для соединения элементов в электрическую схему, напыляют на поверхность пластины-кристалла. Для этого электроды всех элементов выводятся на поверхность пластины и размещаются в одной плоскости, в одном плане. Поэтому технология изготовления схем с помощью диффузии называется планарно-диффузионной , а с помощью эпитаксиального наращивания – эпитаксиально-планарной.

Исходным материалом для изготовления ИМС по планарно-диффузионной технологии является слабо легированная пластина кремния p -типа, на которую методом фотолитографии наносят защитный слой SiО2 (рис. 1.20). Через окна в защитном слое производится диффузия примеси p -типа, в результате чего образуются островки, границы которых упираются снизу в защитный слой, что резко снижает возможность протекания токов утечки по поверхности. Между островками и подложкой образуется р-п- переход, к которому подключают напряжение таким образом, чтобы этот переход был заперт (т.е. минусом на р -подложке). В результате островки становятся изолированными друг от друга.

Рис. 1.20.

Исходным материалом при эпитаксиально-планарной технологии служит пластина кремния n-типа со слоем SiO2 (рис. 1.21, а), в которой вытравливают продольные и поперечные канавки (рис. 1.21, б). Полученную фигурную поверхность (в виде шахматной доски) снова окисляют, создавая изоляционный слой диоксида кремния (рис. 1.21, в). На этот слой эпитаксиально наращивают слой кремния собственной проводимости (рис. 1.21, г), а верхний слой кремния n-типа сошлифовывают. Полученные таким образом островки (рис. 1.21, д ) надежно изолированы друг от друга фигурным слоем диэлектрика и емкость между ними существенно меньше, чем в предыдущем случае. Однако такая технология ИМС сложнее и стоимость их изготовления выше.

Рис. 1.21.

В полученных тем или иным способом островках формируют как активные, так и пассивные элементы методом диффузионной технологии или эпитаксиальным наращиванием.

Компоненты ИМС

Транзисторы ИМС получают последовательной диффузией донорных и акцепторных примесей в островки, созданные тем или иным способом (рис. 1.22, а). Характерным для них является расположение выводов в одной плоскости.

Для осуществления логических операций созданы многоэмиттерные транзисторы (рис. 1.22, б, в ), применение которых основано на их свойстве оставаться открытыми, если хотя бы к одному из эмиттеров приложено относительно базы прямое напряжение. Запирание транзисторов происходит тогда, когда на все эмиттеры поданы обратные напряжения.

Рис. 1.22.

а – биполярный транзистор; б – многоэмиттерный транзистор; в – условное обозначение многоэмиттерного транзистора

Наряду с биполярными в ИМС широко применяют нолевые МДП-транзисторы, особенно МОП-транзисторы с индуцированным каналом. В основе их изготовления, так же как и биполярных, лежит планарная технология. Так, при изготовлении островков по планарно-диффузионной технологии получается практически готовая заготовка для МОП-транзистора. Каждый из двух соседних островков (см. рис. 1.20) может быть стоком или истоком этого транзистора. Поэтому для их изготовления требуется меньшее по сравнению с эпитаксиально-планарной технологией количество операций.

Диоды ИМС специально не изготавливают, а в качестве их используют транзисторы, включаемые по одной из схем (рис. 1.23) в зависимости от требований, предъявляемых к диоду.

Так, на рис. 1.23, а, б в качестве диода используется p-n-переход база–эмиттер. Диод открыт при указанной на рисунке полярности приложенного напряжения и закрывается при противоположной полярности. Диоды, выполненные в соответствии с рис. 1.23, а, б, обеспечивают высокое быстродействие, но малый ток. Диоды, выполненные в соответствии с рис. 1.23, в, используют два параллельных р-n-перехода и, соответственно, больший ток, но меньшее быстродействие. Диоды, в соответствии с рис. 1.23, г, д, имеют наибольшее допустимое обратное напряжение, подобно тому, как в биполярных транзисторах наибольшее напряжение может быть приложено к переходу база–коллектор.

Рис. 1.23.

Резисторы ИМС получают диффузией примесей в отведенные для них островки одновременно с созданием эмиттерных и базовых областей транзисторов. В процессе эмиттерной диффузии создаются резисторы с относительно низким сопротивлением (так как в эмиттерной области концентрация носителей велика), а в процессе базовой диффузии – с относительно высоким сопротивлением, потому что в базовой области концентрация носителей значительно меньше. Значения диффузионных резисторов от 10 Ом до 50 кОм.

На рис. 1.24 изображен резистор, сформированный в процессе базовой диффузии.

Рис. 1.24.

Конденсаторы ИМС, так же как и диоды, специально не изготавливают. Для их формирования, так же как и в варикапах, используется барьерная емкость р-п- переходов, которые формируются в островках одновременно с формированием транзисторов. Возможны три варианта формирования конденсаторов. Наибольшую удельную емкость конденсатора обеспечивает использование перехода эмиттер–база (порядка 1500 пФ/мм2), однако этот p-n-переход обладает наименьшим среди всех пробивным напряжением (единицы вольт). Использование перехода коллектор–база позволяет получить конденсатор, удельная емкость которого в 5–6 раз меньше, чем у конденсатора на основе перехода база–эмиттер, а пробивное напряжение примерно во столько же раз больше. Последний вариант выполнения конденсатора заключается в использовании барьерной емкости, образуемой между подложкой кристалла и коллектором транзистора.

Поскольку барьерная емкость образуется только у запертого р-n-перехода, напряжение, приложенное к обкладкам конденсатора, должно быть запирающим, т.е. обратным для p-n-перехода, емкостью которого он образован.

Корпуса микросхем

Для защиты от воздействия внешних факторов и механических повреждений все микросхемы помещают в защитный корпус. ИМС размещаются, как правило, в монолитных корпусах с 14 или 16 выводами. Простейший и самый дешевый корпус – пластмассовый. Однако ввиду недостаточного теплоотвода в нем можно размещать лишь схемы невысокой степени интеграции с рассеиваемой мощностью до 200 мВт.

Микросхемы со средней и высокой степенью интеграции из-за большого числа активных элементов рассеивают большую мощность. Для их размещения необходимы корпуса, обеспечивающие хороший теплоотвод и защищающие их от перегрева. Поэтому для микросхем средней и высокой степени интеграции используют керамический и металлокерамический корпуса. Если необходимо более интенсивное охлаждение, могут использоваться радиаторы. Плата с размещенными на ней корпусами микросхем может также обдуваться вентилятором, расположенным внутри корпуса электронного устройства.

Поскольку БИС/СБИС значительно сложнее МИС и СИС, для их работы требуются гораздо большее число выводов и более сложные корпуса. Так, 16-разрядный микропроцессор Intel 8086 размещался в 40-контактном корпусе, а число контактов у микропроцессора Pentium 4 составляло уже 480. Для вывода электрических сигналов в корпусах современных СБИС используют специальные шариковые выводы, расположенные по периметру корпуса в несколько рядов. Количество контактов в таких корпусах находится в пределах от нескольких сот до двух тысяч. Причем новые модификации процессоров разрабатываются под серийно выпускаемые корпуса. Для подключения процессорных СБИС применяются специальные соединители – сокеты, к которым осуществляется механический прижим корпуса процессора. Для процессоров Sandy Bridge используется корпус и соответствующий сокет с 2011 контактами.

Современные СБИС рассеивают настолько большую мощность, что для их охлаждения используются специальные охлаждающие системы – кулеры, содержащие вентилятор, радиатор с теплоносителем и систему регулирования.

Без чего сложно представить существование современного человека? Конечно, без современной техники. Некоторые вещи так вошли в нашу жизнь, так приелись. Интернет, телевизор, микроволновки, холодильники, стиральные машины – без этого сложно представить современный мир и, конечно, себя в нем.

Что делает практически всю сегодняшнюю технику по-настоящему полезной и нужной?

Какое изобретение предоставило прогрессу широчайшие возможности?

Одно из самых незаменимых открытий человека - технология производства микросхем.

Благодаря ей современная техника имеет такие небольшие размеры. Она компактна и удобна.

Все мы знаем, что в доме может уместиться огромное количество вещей, состоящих из микросхем. Многие из них помещаются в кармане брюк и имеют незначительный вес.

Тернистый путь

Чтобы добиться результата и получить микросхему, ученые трудились долгие годы. Начальные схемы имели огромнейшие по нынешним меркам размеры, они были больше и тяжелее холодильника, при ом что современный холодильник не состоит сплошь из сложных и запутанных схем. Ничего подобного! В нем есть одна маленькая, но превосходящая по своей полезности старые и громоздкие. Открытие произвело фурор, дав толчок дальнейшему развитию науки и техники, прорыв был сделан. Оборудование для производства микросхем выпущено.

Оборудование

Производство микросхем является непростой задачей, но благо у человека имеются те технологии, которые максимально упрощают задачу производства. Несмотря на сложность, ежедневно выпускается огромное количество микросхем по всему миру. Они постоянно совершенствуются, приобретают новые особенности и повышенные характеристики. Как же появляются эти маленькие, но умные системы? В этом помогает оборудование для производства микросхем, о котором, собственно, говорится далее.

При создании микросхем используются системы электрохимического осаждения, камеры отмывки, лабораторные окислительные камеры, системы электроосаждения меди, фотолитографическое и другое технологическое оборудование.

Фотолитографическое оборудование является самым дорогим и точным в машиностроении. Оно отвечает за создание изображений на кремниевой подложке для выработки намеченной топологии микросхемы. На тонкий слой материала наносится фоторезист, впоследствии подвергающийся облучению фотошаблоном и оптической системой. В процессе работы оборудования идет уменьшение размеров элементов рисунка.

В системах позиционирования ведущую роль играет линейный электродвигатель и лазерный интерферометр, имеющие часто обратную связь. Но, например, в технологии, разработанной московской лабораторией «Амфора», такая связь отсутствует. Это отечественное оборудование имеет более точное перемещение и плавное повторение с обеих сторон, что исключает возможность люфта.

Специальные фильтры защищают маску от нагревания, исходящего от области глубокого ультрафиолета, перенося температуру за 1000 градусов на протяжении долгих месяцев работы.

Низкоэнергетичные ионы осваивают в нанесении на многослойные покрытия. Ранее эта работа выполнялась исключительно методом магнетронного распыления.

Технология производства микросхем

Начинается весь процесс создания с подбора полупроводниковых кристаллов. Самым актуальным является кремний. Тонкую полупроводниковую пластину начищают до возникновения зеркального отображения в ней. В дальнейшем обязательным этапом создания будет фотолитография с применением ультрафиолета при нанесении рисунка. В этом помогает станок для производства микросхем.

Что такое микросхема? Это такой многослойный пирожок из тонких кремниевых пластин. На каждую из них нанесен определенный рисунок. Этот самый рисунок и создается на этапе фотолитографии. Пластины осторожно помещают в специальное оборудование с температурой свыше 700 градусов. После обжига их промывают водой.

Процесс создания многослойной пластины занимает до двух недель. Фотолитографию проводят многочисленное количество раз вплоть до достижения необходимого результата.

Создание микросхем в России

Отечественные ученые в этой отрасли также имеют собственные технологии производства цифровых микросхем. По всей стране функционируют заводы соответствующего профиля. На выходе технические характеристики мало чем уступают конкурентам из других стран. Отдают предпочтение российским микросхемам в нескольких государствах. Все благодаря зафиксированной цене, которая меньше, чем у западных производителей.

Необходимые составляющие выпуска качественных микросхем

Микросхемы создаются в помещениях, оборудованных системами, контролирующими чистоту воздуха. На всем этапе создания специальные фильтры собирают информацию и обрабатывают воздух, тем самым делая его чище, чем в операционных. Работники на производстве носят специальные защитные комбинезоны, которые часто оборудованы системой внутренней подачи кислорода.

Производство микросхем является прибыльным бизнесом. Хорошие специалисты в этой области всегда востребованы. Практически вся электроника функционирует за счет микросхем. Ими оснащаются современные автомобили. Космические аппараты не смогли бы функционировать без наличия в них микросхем. Процесс получения регулярно совершенствуется, качество улучшается, возможности расширяются, срок пригодности растет. Микросхемы будут актуальны на протяжении долгих десятков, а то и сотен лет. Главная их задача - приносить пользу на Земле и вне ее.