Основы микроэлектроники

Размещено на http://www.allbest.ru/

Лекция 1 Введение. Интегральные микросхемы, как приборы нового типа

Микроэлектроника. Основные понятия.

Микроэлектроника - это раздел электроники, охватывающий исследования и разработку качественно нового типа электронных приборов (интегральные микросхемы (ИС,ИМС)) и принципов их применения.

Интегральные схемы (ИС) - совокупность большого количества взаимосвязанных компонентов (транзисторов, диодов, конденсаторов, резисторов и т.д.) ,изготовленных в едином техническом цикле на одной и той же несущей конструкции (подложке) и выполняющих определённую функцию преобразования информации.

Интегральные схемы как качественно новый тип приборов:

ь ИС самостоятельно выполняют законченную сложную функцию.

ь Повышение функциональности ИС не сопровождается ухудшением основных показателей, а наоборот способствует их улучшению.

ь Предпочтительность активных элементов перед пассивными.

ь Маловероятен разброс параметров у смежных элементов, так как они расположены друг от друга на расстоянии нескольких микрон.

Основные параметры ИС

1) Функциональная сложность ИС характеризуется степенью интеграции, то есть количеством элементов на кристалле: k = ln*N, где N - количество элементов.

2) Плотность упаковки - количество элементов на единицу площади кристалла. На данный момент достигнута плотность в 100.000 элементов на квадратный миллиметр.

Классификации ИМС



По конструктивно-технологическому исполнению:

Полупроводниковые (монолитные)	Гибридные	Прочие
Биполярные (ТТЛ, ТТЛШ, И2Л, ЭСЛ)	Униполярные (p-канальные, n-канальные, КМОП)	БиМОП	Тонкопленочные (1-2 мкм)	Вакуумные
			Толстопленочные (более 2 мкм)	Керамические

По степени интеграции различают:

Интегральная схема	Степень интеграции	Количество элементов
ИС	k ? 2	N ? 100
СИС	2 ?k ? 3	N ? 1.000
БИС	3 ?k ? 4	N ? 10.000
СБИС	4 ? k ? 6	N ? 10.000.000
УБС	k > 6	N > 10.000.000

По функциональному назначению ИС подразделяются на:

1) Аналоговые - генераторы, усилители, детекторы, формирователи, фильтры частот, устройства задержки сигналов, преобразователи, модуляторы.

2) Цифровые - триггеры, логические ИС, запоминающие устройства, устройства для обработки цифровой информации.

По применению в аппаратуре:

1) общее применение.

2) специальное применение.

По конструктивному исполнению:

1) Корпусные.

2) Безкорпусные.

По технологии производства:

1) Кремниевая технология.

2) Арсенид-галлиевая технология.

3) Кремний-германиевая технология.

Система условных обозначений ИМС.



1) Тип корпуса ИМС:

К - широкого применения,

Р, А - пластмассовый корпус,

С, И - стеклокерамический корпус,

М - металлокерамический или керамический корпус,

Е - металлополимерный корпус.

Если после К не стоит буквы, а после единицы стоит Б (К_140УД1Б-2) то ИМС бескорпусная.

2) Конструктивно-технологическое исполнение:

1,6 - ИМС на биполярных транзисторах,

5, 7 - ИМС на полевых транзисторах,

2, 4 - гибридные ИМС,

3, 8 - резервные.

3) Номер серии ИМС.

4) Принадлежность схемы по функциональному назначению.

5) Порядковый номер разработки в данной серии (1 или 2 цифры).

6) Тип выводов ИМС:

1 - гибкие выводы,

2 - ленточные выводы,

3 - жесткие выводы.

Для изготовления ИМС используют групповой метод, т.е. на одной и той же пластине изготавливается большое количество ИМС, если позволяет технологический процесс одновременно обрабатывается сразу несколько таких пластин.

Элемент - часть микросхемы, реализующая функцию какого-либо электрорадиоэлемента (транзистора, диода и т.д.), которая не может быть выделен как самостоятельное изделие.

Компонент - часть микросхемы, выполняющая функцию какого-либо электрорадиоэлемента, которая может быть выделена, как самостоятельное изделие.

Пленочная ИС (ПИС) - микросхема элементы которой выполнены в виде разного рода пленок нанесенных на поверхность диэлектрической подложк.

Гибридная ИС (ГИС) - микросхема которая представляет собой комбинацию пленочных пассивных элементов и активных компонентов расположенных на общей диэлектрической подложке (активные компоненты являются навесными).

Совмещенная ИС (СИС) - микросхема, у которой активные элементы выполнены в приповерхностном слое полупроводникового кристалла, а пассивные элементы нанесены в виде пленок на предварительно изолированную поверхность того же кристалла.

Полупроводниковая ИС (ППИС) - микросхема все элементы которой выполнены в приповерхностном слое или в объеме полупроводникового кристалла.

После окончания всех основных технологических операций пластина с ИМС поступает на операции тестового контроля электрических параметров. На этом этапе отбраковываются и маркируются все ИМС параметры которых не соответствуют требуемым значениям. Затем пластина разделяется на отдельные кристаллы (ИМС) методом скрайбирования (либо с помощью алмазного резца либо с помощью лазера), затем пластину ломают на отдельные кристаллы и годные чипы монтируют в корпуса.

Скрайбирование - самый быстрый, высокопроизводительный метод разделения групповой мультиплицированной заготовки на отдельные печатные платы, имеющий низкую себестоимость.

Скрайбирование алмазным резцом.



1 - режущая грань резца; 2 - дорожки для скрайбирования в слое защитного диэлектрика; 3 - полупроводниковые микросхемы; 4 - кремниевая пластина. а) - нанесение рисок; б) - пластина с рисками; в) - конструкция алмазной пирамиды.

Лазерное скрайбирование.

а) - Схема лазерного скрайбирования полупроводниковых пластин; б) - Разламывание полупроводниковых пластин на кристаллы валиком: 1 - валик; 2 - защитная плёнка; 3 - кристалл. в) - Разламывание полупроводниковых пластин прокатыванием между валиками: 1 - пластина; 2 - упругий валик; 3 - защитная плёнка; 4 - стальной валик; 5 - плёнка-носитель.



Лекция 2 Гибридные интегральные схемы

Гибридная ИС (ГИС) - микросхема которая представляет собой комбинацию пленочных пассивных элементов и активных компонентов расположенных на общей диэлектрической подложке (активные компоненты являются навесными).

Главным элементом ГИС является подложка - конструктивная основа ГИС. К материалам подложек предъявляются следующие требования:

1) Высокое удельное сопротивление элементов

2) Механическая прочность

3) Физическая и химическая стойкость

4) Стойкость к высоким температурам

5) Хорошая полеруемость поверхностей

6) Невысокая стоимость

Материал подложки и технология изготовления должны обеспечивать высокий класс чистоты поверхности для обеспечения однородности и воспроизводимости электрических параметров схемных элементов.

Пассивными элементами называют резисторы, конденсаторы и катушки индуктивности. Активными элементами называют транзисторы, диоды и прочие элементы микросхем.

Пассивные элементы ГИС.

Резисторы.



,

, , .

R-сопротивление; a-длина резистора; b-ширина резистора; h-толщина резистора; Kф-коэффициент формы; -удельное поверхностное сопротивление, характеризует сопротивление квадрата поверхности.

Конденсатор.

, .

C- ёмкость конденсатора; a-длина резистора; b-ширина резистора; S - площадь обкладки; d - расстояние между обкладками конденсатора.

Катушка индуктивности.



Методы формирования тонких пленок.

Существует 3 основных метода формирования тонких пленок:

1. Термическое вакуумное напыление;

2. Ионно-плазменное напыление:

а) Катодное напыление;

б) Ионно-плазменное напыление;

3. Электрохимическое осаждение.

1. Термическое вакуумное напыление.

1. Металлический или стеклянный колпак.

2. Опорная плита.

3. Прокладка, поддерживающая вакуум.

4. Подложка.

5. Держатель.

6. Нагреватель.

7. Испаритель.

8. Поворотная заслонка.

Критерий необходимого вакуума - средняя длина свободного пробега атома должна в несколько раз превышать расстояние между испарителем и подложкой (10^-11 - 10^-12 мм рт. ст.).

Достоинства метода:

1) скорость напыления;

2) простота и отработанность технологии;

3) возможность получения чистых пленок из-за высокой степени вакуума.

Недостатки метода:

1) большой расход материала;

2) низкая адгезия (прочность сцепления пленки с подложкой или другой пленкой);

3) невысокое качество пленок из-за неравномерности напыления;

4) трудность воспроизведения химического состава испаряемого вещества;

5) трудность напыления тугоплавких материалов.

2. Катодное напыление.

1. Металлический или стеклянный колпак.

2. Опорная плита.

3. Прокладка, поддерживающая вакуум.

4. Подложка.

5. Держатель.

6. Катод изготовленный из напыляемого вещества.

7. Нагреватель.

8. Штуцер.

Катод 6 состоит либо из напыляемого вещества, либо электрически контактирует с ним. Роль анода выполняет подложка с держателем.

Подколпачное пространство сначала откачивается до 10^-5 - 10^-6 мм рт. ст., а затем вводят некоторое количество отчищенного нейтрального газа (часто аргон), создается давление 10^-1 - 10^-2 мм рт. ст. При подаче высокого напряжения (2 - 3 кВ) на катод, в пространстве анод-катод возникает аномальный тлеющий разряд, сопровождающийся образованием квазинейтральной электронно-ионной плазмы. В прикатодном пространстве образуется сильное электрическое поле. Положительные ионы газа, ускоряемые этим полем, бомбардируют катод, выбивая из него не только электроны но и нейтральные атомы. Катод разрушается, а нейтральные атомы осаждаются на подложку, формируя пленку.

Достоинства метода:

1) низкая температура;

2) небольшой расход напыляемого вещества т.к. напыление идет только на подложку.

Недостатки метода:

1) материал должен обладать высокой электропроводностью (невозможность напыления окислов и диэлектриков);

2) загрязненность пленок из-за не высокого вакуума;

3) низкая скорость напыления.

3. Ионно-плазменное напыление.



1. Металлический или стеклянный колпак.

2. Опорная плита.

3. Прокладка,поддерживающая вакуум.

4. Подложка.

5. Держатель.

6. Накаливаемый катод.

7. Анод.

8. Штуцер.

9. Мишень.

Между электродами 6 и 7 зажигается несамостоятельный дуговой разряд, характеризующийся специальным источником электронов в виде накаливаемого катода 6, низкими рабочими напряжениями (десятки вольт) и большой плотностью электронно-ионной плазмы.

Подколпачное пространство заполнено нейтральным газом с давлением 10^-3 - 10^-4 мм рт. ст.

На мишень подается отрицательный потенциал (2-3 кВ) достаточный для возникновения аномальный тлеющий разряд и интенсивной бомбардировки мишени положительными ионами плазмы. Выбиваемые атомы мишени попадают на подложку и осаждаются на ней.

Использование механической заслонки позволяет реализовать ионную отчистку мишени, что повышает качество напыляемой пленки.

По сравнению с катодным напылением у этого метода следующие преимущества:

1) большая скорость;

2) большая гибкость процесса;

3) более высокий вакуум (соответственно выше качества пленки).

4. Электрохимическое осаждение.

В основе метода лежит электролиз раствора содержащего ионы необходимых примесей. Ионы материалов в растворе имеют положительный заряд, поэтому подложку используют, как катод.

Достоинства метода:

1) большая скорость напыления;

2) возможность регулировки толщины получаемых пленок с помощью изменения тока.

Недостатки метода: очень низкое качество получаемых пленок.

Нанесение тонких сплошных пленок на поверхность подложки не является основной целью технологии, основная задача - создание требуемой топологии (геометрия рисунка). Для этого необходимо преобразовать сплошную пленку в соответствующий рисунок (изображение) удалив ненужные части.

Существует несколько методов формирования элементов ГИС:

1. Метод съемной маски;

2. Метод контактной маски.

Метод съемной маски.

Метод съемной маски основан на осаждении пленок через маски. Маска представляет собою тонкую биметалическую фольгу с отверстиями (окнами).

Недостатки метода:



1) в процессе происходит напыления на сами трафареты и приводит их в негодность;

2) провисание трафаретов;

3) металлические маски мало пригодны при катодном и ионно-плазменном напылении так как искажают электрическое поле, что влияет на скорость напыления.

Метод контактной маски.

Процесс создания или переноса геометрического рисунка (топологии) на поверхность подложки называют литографией.

Для формирования изображения на поверхности применяются специальные материалы называемые резистами (чувствительные к активному излучению материалы наносимые центрифугированием или пульверилизацией на подложку). После обработки активным излучением пленка резиста претерпевает физико-химические изменения в следствии которых становится устойчивой к воздействию агрессивной среды. Ненужные части пленки удаляют так называемым проявителем. Оставшийся рисунок называют маской.

Если после взаимодействия с активным излучением материал резиста разрушается и после может быть удален такой резист называют позитивным. Если же полимеризуется и преобретае трехмерную структуру, а необлученный материал может быть удален, то такой резист называют негативным.

Литография использующая в качестве активного излучения электромагнитные волны видимой и УФ области излучения называется фотолитографией.

Фотолитография.

Рисунок будущей маски изготавливают в виде так называемого фотошаблона. Фотошаблон - толстая стеклянная пластина на одной из сторон которой нанесена тонкая непрозрачная пленка с необходимым рисунком в виде прозрачных отверстий.

Получение тонкопленочного резистора методом фотолитографии представлено на рисунке слева, где 1 - фотошаблон, 2 - фоторезист, 3 - проводящий слой, 4 - резистивный слой.

Фотолитографию осуществляют следующим образом. На подложку наносят сплошные пленки необходимых материалов, например, для создания резистора, резистивный слой и поверх него - проводящий (а). Затем поверхность покрывают фоторезистом и с помощью соответствующего фотошаблона создают в нем рисунок проводящего слоя (б), проводят травление для удаления ненужных частей проводящего слоя (в), оставшийся фоторезист удаляют (г). В результате на пока еще сплошной поверхности резистивного слоя получают готовые контактные площадки. Снова наносят фоторезист и с помощью другого фотошаблона создают рисунок полоски резистора (д). Затем проводят травление, удаляют фоторезист и получают готовую конфигурацию резистора с контактными площадками(е).

Материалы, применяемые в изготовлении ГИС.

Для резистивных пленок чаще всего используют хром, нихром (Ni - 80%, Cr - 20%) и кермет из смеси хрома и моноокись кремния (1:1).

Для обкладок конденсаторов используют алюминий, причем до напыления нижней обкладки приходится напылять тонкий слой CrTi, так как адгезия алюминия непосредственно с подложкой недостаточна. Для диэлектрических слоев наиболее распространен моноокись кремния SiO и моноокись германия GeO. Особое место среди диэлектриков занимают окислы Ta₂O₅ и Al₂O₃.

Для проводниковых пленок и омических контактов используют, как правило, либо золото с подслоем CrTi, либо медь с подслоем ванадия. Толщина проводящих пленок 0,5 - 1 мм.

Подложки должны обладать свойствами хорошей изоляции, малой диэлектрической проницаемости, высокой теплопроводности, достаточной механической прочности, полируемости (шероховатость не должна превышать 25 - 50 нм), ТКЛР должен быть близок к ТКЛР используемых пленок. Наиболее распространенные материалы для подложек - ситаллы и керамика.



Лекция 3 Физика полупроводниковых структур

В полупроводниках существует два основных механизма переноса носителей заряда:

1) Диффузия - направленное перемещение носителей заряда в кристалле в сторону уменьшения их концентрации.

2) Дрейф - упорядоченное движение носителей заряда под действием внешнего электрического поля.

Контакт полупроводник-полупроводник

p⁺-n несмещенный переход

Поскольку концентрация дырок в p⁺-области выше чем концентрация электронов в n-области то возникает процесс диффузии из p- в n-область (ток диффузии). Одновременно начинается диффузия электронов из n- в p-область. В результате у границы p- и n- областей образуется двойной электрический слой пространственного заряда. Поле этого двойного слоя создает потенциальный барьер, препятствующий дальнейшей диффузии дырок в n-область и электронов в p-область. Для перехода электронов в p-область и дырок в n-область им необходимо преодолеть разность потенциалов (запрещенную зону). Таким образом на границе полупроводников с различным типом проводимости образуется p-n-переход.

Если приложить к p-n-переходу прямое напряжение то в нем создается электрическое поле противоположное полю , результирующее поле ослабляется, потенциальный барьер снижается, в p-область попадают дополнительные электроны, а в n-область - дырки, этот процесс называется инжекцией зарядов. При подаче обратного напряжения в p-n-переходе создается поле совпадающее по направлению с собственным, следовательно результирующее поле усиливается, потенциальный барьер увеличивается, движение зарядов сводится к минимуму.

Контакт металл-полупроводник.

Может быть омический или выпрямляющий.

Работой выхода электронов из твердого тела называют энергию необходимую для вылета за пределы кристалла (ц_м - работа выхода электронов из металла, ц_s - работа выхода электронов из полупроводника).

Омический контакт.

Омическим контактом называется физический контакт металла с полупроводником электрическое сопротивление которого мало и не зависит от направления тока в заданном диапазоне значений токов.

Металл-p-полупроводник	Металл-n-полупроводник
цм> цs, цмs>0 В этом случае часть электронов из p-полупроводника перейдет в металл, следовательно в близи границы контакта накапливаются ОНЗ, образуется обогащенный слой.	цм< цs, цмs<0 В этом случае часть электронов из металла перейдет в n-полупроводник, следовательно в близи границы контакта накапливаются ОНЗ, образуется обогащенный слой.

Наличие обогащенного слоя в обоих случаях означает что сопротивление системы в целом определяется нейтральным слоем полупроводника и не зависит ни от величины ни от полярности приложенного напряжения. Такой контакт называют омическим.



Выпрямляющий контакт.

Металл-p-полупроводник	Металл-n-полупроводник
цм< цs, цмs<0 В этом случае часть электронов из металла перейдет в p-полупроводник, следовательно, в приконтактном слое начнется рекомбинация, уменьшится количество ОНЗ и образуется обедненный слой.	цм>цs, цмs>0 В этом случае часть электронов из n-полупроводника перейдет в металл, в приконтактном слое уменьшится количество ОНЗ, образуется обедненный слой.

В обедненном слое концентрация ОНЗ меньше равновесной (в дали от контакта), следовательно, приконтактный слой обладает повышенным удельным сопротивлением и определяет сопротивление системы в целом. Потенциальный барьер в приконтактном слое называется барьером Шоттке. Такие контакты обладают выпрямительными свойствами и могут быть основой для создания диоидов. В основном для металлизации полупроводников в ИМС используют алюминий. На границе алюминия с n-кремнием будет возникать барьер Шоттке, для предотвращения этого контакты вжигают.

Контакт диэлектрик-полупроводник.

В качестве диэлектрика в основном используется диоксид кремния SiO₂. Слои диоксида кремния всегда содержат примеси донорного типа, которые при контакте с кремнием сосредотачиваются вблизи граници. Поэтому пленки диоксида кремния на границе с кремнием образуют тонкий слой положительно заряженных донорых атомов, а отданные им электроны переходят в слой кремния.

Биполярные транзисторы (БТ). Принцип работы.

БТ представляют собой два встречно включенных p-n-перехода. Взаимодействие обеспечивается при расстоянии соединения меньшем диффузионной длины НЗ.



Вид смещения	p	n
Прямое	+	-
Обратное	-	+

Виды смещения на переходах для различных режимов работы БТ:

	Нормальный активный режим	Инверсный режим	Режим насыщения	Режим отсечки
Эмиттерный переход (ЭП)	Прямое	Обратное	Прямое	Обратное
Коллекторный переход (КП)	Обратное	Прямое	Прямое	Обратное

При нормальном включении транзистора (ЭП прямосмещенный, КП обратносмещенный) потенциальный барьер ЭП уменьшается, а КП увеличивается. Электроны инжектирующие из эмиттера в базу, проходят ее почти без рекомбинации и попадают в коллектор находящийся под положительным потенциалом, таким образом коллектор собирает поступившие в базу ННЗ.

Сопротивление обратносмещенного КП очень велико - несколько Мом, поэтому можно включать весьма большие сопротивления нагрузки не изменяя ток коллектора. Следовательно в цепи нагрузки может выделяться значительная мощность: P = I²R.

Сопротивление прямосмещенного ЭП наоборот очень мало (при I_э = 1 мА, R_э = 25 Ом) поэтому при почти одинаковых токах мощность потребляемая в цепи эмиттера намного меньше чем мощность выделяемая в цепи нагрузки, следовательно,транзистор усиливает мощность (является усилительным прибором).



.

, , .

, .

Схемы включения:

С общей базой

С общим эмиттером

С общим коллектором



Лекция 4 Полупроводниковые интегральные схемы. Технологические основы полупроводниковой микроэлектроники

микросхема диэлектрический биполярный полупроводниковый

Полупроводниковая ИС - это микросхема, которая представляет собой кристалл полупроводника, в приповерхностном слое и объёме которого сформированы области, эквивалентные элементам электрической схемы и соединений между ними.

Основные технологические операции по изготовлению ППИС

1. Подготовительные.

Подготовительные монокристаллические слитки кремния обычно получают методом кристаллизации из расплава (метод Чохральского), при этом стержень с затравкой в виде монокристалла кремния после соприкосновения с расплавом медленно поднимают с одновременным вращением. Вслед за затравкой вытягивают нарастающий и застывающий слиток. Диаметр стержня 1,5-3 см, длина - до 3 метров (обычно 70-100 см). Затем слиток кремния разрезают на пластины толщиной от 0,5 до 4 см.

Перед началом основных технологических операций проводят шлифовку пластин для:

1) удаления механических дефектов;

2) обеспечения параллельности плоскостей;

3) обеспечения необходимой толщины пластин (0,15 - 0,25 мм).

После шлифовки проводят полировку пластин для снижения шероховатости поверхности до сотых долей микрона.

Проводят травление.

2. Эпитаксия.

Эпитаксия - это процесс наращивания монокристаллических слоев на подложку, при котором кристаллографическая ориентация наращиваемого слоя повторяет кристаллографическую ориентацию подложки.

Эпитаксия может быть:

1) Из газовой фазы.

Используется типовой хлоридный процесс. Монокристалл кремниевой пластины помещают в тигель в кварцевую трубу через которую пропускают поток водорода с небольшим количеством примеси тетрохлорида кремния SiCl₄. При высокой температуре на поверхности кремниевой пластины проходит реакция:

.

В результате на поверхности пластины создается слой чистого кремния, а пары соляной кислоты удаляются с потоком водорода. Если к парам SiCl₄ добавить B₂H₆ (гексогидрид бора) то сождаемая пленка будет иметь дырочный тип проводимости, если же PH₃ (тригидрид фосфора) - электронный тип.



2) Из жидкостной фазы - методом Чохральского.

Для улучшения контроля процесса применяют электроэпитаксию - через выращиваемый граничный слой пропускают электрический ток, при определенной полярности происходит охлаждение (рост пленки) или нагрев граници раздела двух фаз (растворение верхнего слоя подложки в расплаве).

3) Молекулярно-лучевая эпитаксия - конденсация молекулярных пучков в сверхвысоком вакууме (аналог вакуумного напыления).

3. Термическое окисление.

Термическое окисление кремния - один из самых характерных процессов в полупроводниковой технологии изготовления ИМС. Пленка диоксида выполняет следующие функции:

1) защитная (пассивация, изоляция поверхности);

2) маскирование;

3) функцию тонкого диэлектрика под затвором МОП транзистора (МДП).



Окисление кремния проводят при температуре от 1000? до 1200?С в атмосфере кислорода (сухое окисление) или смеси кислорода с парами воды (влажное).

4. Легирование (внедрение примеси).

Осуществляется либо в однозонных печах (если используется жидкий или газообразный источник диффузии) или в двузонных печах, если используется твердый источник диффузии. При этом в первой зоне диффузант примешивается к потоку нейтрального газа-носителя и переносится во вторую зону, где при более высокой температуре происходит диффузия.

Теоретические основы диффузии базируются на законах Фика:

1)

D - коэффициент диффузии, N - концентрация, I - плотность потока частиц.

2)

- характеризует скорость накопления частиц в кристалле или накопление атомов примеси на определённой глубине. Для того что бы рассчитать распределение примеси по глубине в любой момент времени необходимо задать граничные условия.

N(0,t) - концентрация примеси на поверхности.

N(?,t) - концентрация примеси на противоположной стороне подложки.

L_N - глубина, на которую надо внедрить примесь.

N_S - поверхностная концентрация.

N₀ - собственная концентрация.

Ш Случай неограниченного источника диффузанта.

.

,

где еrfc - дополнительная функция ошибок, близкая к экспоненциальной функции e^-z.

.

Для создания p-n-перехода необходимо на глубине L_N получить равенство концентраций внедряемой примеси и собственной концентрации кристалла:



.

Ш Cлучай ограниченного источника диффузанта.

Сначала в приповерхностный слой пластины вводят некоторое количество атомов диффузанта, затем источник диффузии отключают, повышают температуру и атомы примеси перераспределяются по глубине при неизменном их общем количестве.

где Q - количество атомов примеси на единицу площади.

Ш Ионная имплантация.

Это метод легирования пластин путем бомбардировки атомами примеси, ускоренными до энергии достаточной для внедрения атомов вглубь твердого тела. Энергия атомов порядка 100-150 КэВ. Концентрация примеси в имплантированном слое зависит от плотности тока в пучке и времени процесса (он идет от нескольких минут до нескольких часов).



Преимущества:

1) низкая температура процесса;

2) контролируемость.

Недостатки: сканирование пучка.

5. Травление.

1) собственно травление - химическая реакция жидкого травителя с твердым телом с образованием растворимого соединения. В отличие от механического травления стравливание происходит плавно, один молекулярный слой следом за другим. Подбирая травитель, его концентрацию, температуру и время процесса регулируют толщину удаляемого слоя.

2) Электролитическое травление - процесс происходит в условиях протекания тока через жидкость. Твердое тело - анод.

3) Ионное травление - пластина помещается в вакуум, в нём создается тлеющий разряд, на кремний подается отрицательный потенциал и ионы плазмы бомбардируют пластину (травят). Энергия ионов - 2-3 кэВ.

6. Литография.

Литография - процесс создания или переноса геометрического рисунка (топологии) на поверхность подложки.

Бывает:

1) Фотолитография.

2) Электронная литография. В этом виде литографии сфокусированный пучок электронов сканирует поверхность пластины, покрытой резистом или диоксидом кремния. В тех местах, которые должны быть засвечены ток пучка максимальный. В местах засветки диоксид кремния травится быстрее.

3) Лазерная литография. Она основана на воздействии сканирующего луча эксимерного лазера на кремниевую подложку, помещенную в среду хлора. В результате химической реакции ионов хлора с атомами кремния при тепловом воздействии лазерного луча образуется газообразное соединение SiCO₄, которое улетучивается, а на подложке образуется вытравленный участок.

7. Отжиг.

В основном для металлизация кремния используется алюминий. Если пленку алюминия просто напылить на поверхность кремния, то образуется барьеры Шоттки. На границе с n-областями появлятся выпрямляющие переходы. Чтобы этого избежать алюминий вжигают в кремний при температуре 600?С. При этом на границе алюминий-кремний образуется слой в котором растворен практически весь алюминий. После застывания получается приповерхностный слой кремния легированный алюминием с концентрацией 5•10¹³ см^-3. Поскольку алюминий является акцептором по отношению к кремнию, то возможно образование p-n переходов в n-слоях. Чтобы этого избежать n-область вблизи контакта сильно легируют создавая n⁺ слой с концентрацией 10²⁰ см^-3.



Лекция 5 Полупроводниковые интегральные схемы. ППИС на биполярных элементах

Технология изготовления ППИС на БТ.

Элементы ППИС необходимо изолировать друг от друга что бы необходимые соединения осуществлялись только путем металлической разводки. Все способы изоляции можно разделить на 2 главных типа:

1) изоляция обратно смещенным p-n-переходом;

2) изоляция диэлектриком.

Изоляция обратно смещенным p-n-переходом.

Предусматривает собой осуществление 2-х встречно включенных диодов между изолируемыми элементами.

1. Метод тройной диффузии.

Локальная диффузия проводится через окна в маске диоксида кремния. В исходную пластину p-кремния внедряют донорную примесь и получают n-слой (область коллектора). Во время второй диффузии в полученный n-слой внедряют акцепторную примесь с большей концентрацией на меньшую глубину. Затем проводят третью диффузию для получения эммитерного слоя. Каждая диффузия включает в себя следующие процессы: окисление пластины, наложение фотошаблона, засвечивание, травление и диффузию.



Недостатки:

1) Образование паразитного p-n-p транзистора

2) Трудность подбора диффузантов, поскольку концентрация примеси ограничена предельной растворимостью.

3) Коллекторный слой является неоднородным, концентрация примеси возрастает от донной части к поверхности, как следствие малое пробивное напряжение.

2. Планарно-эпитаксиальная технология.

Имеется исходная пластина p-кремния с отполированной поверхностью.

1) Проводится общее окисление пластины.

2) Фотолитография: формирование окон в окисле под n⁺ слой.

3) Диффузия: формирование n⁺ слоя.

4) Стравливание окисла.

5) Наращивание эпитаксиального n - слоя, диффузия из n⁺ в n слой (под действием температуры).

6) Общее окисление.

7) Вторая фотолитография, формирование окон в окисле под разделительную диффузию.

8) Вторая диффузия, формирование p - слоёв разделительных (n - карманов), диффузант бор.

9) Третья фотолитография. Формирование окон под базовую область.

10) Третья диффузия, формирование базовых областей. Диффузант бор. Диффузия ведется в две стадии: загонка и разгонка.

11) Четвёртая фотолитография, формирование окон в окисле под эмиттер и омические контакты коллектора.

12) Четвёртая диффузия, создание n⁺ слоёв. Диффузант фосфор.

13) Пятая фотолитография, формирование окон в окисле под омические контакты.

14) Напыление алюминия.

15) Шестая фотолитография, формирование окон в окисле под металлическую разводку.

16) Травление алюминия.

17) Термическая обработка для вжигания алюминия.

Скрытый n⁺-слой необходим для снижения горизонтального сопротивления коллектора.

Профиль распределения примеси по глубине эпипланарного биполярного интегрального транзистора.



Профиль распределения эффективной концентрации.

3. Изоляция коллекторной диффузией (ИКД технология).

В полупроводнике p-кремния создаются скрытые n⁺ слои, затем наращивается эпитаксиальный слой p-типа. Далее проводят разделительную диффузию с помощью донорной примеси, формируя n⁺ разделительные слои. В результате получаются карманы p-типа (базовые слои) и разделительные n⁺ слои вместе со скрытыми слоями (коллекторы). Затем проводят диффузию для формирования эмиттерных областей.



Достоинства:

1) В КИД - технологии число фотолитографий уменьшается по сравнению с предыдущим процессом.

2) Область коллектора сильно легирована, поэтому нет необходимости для повышения быстродействия ИМС проводить дополнительную диффузию золота или другой понижающей время жизни неосновных носителей тока примеси.

3) Тонкий эпитаксиальный слой ограничивает пробивное напряжение коллектор-база из-за распространения объемного заряда в базовую область.

Изоляция диэлектриком.

1. EPIC-технология.

Исходная пластина n-кремния покрывается эпитаксиальным n⁺-слоем, толщиной 2-3 мкм. Затем в пластине вытравливают канавки глубиной 10-15 мкм. Всю поверхность окисляют и напыляют слой поликристаллического кремния (200-300 мкм). Структуру переворачивают и сошлифовывают вплоть до канавок. В результате получаются n-карманы со срытым n⁺-слоем, в которых формируют элементы полупроводниковых ИС.



2. КНС-технология (кремний на сапфире).

Изготовление больших интегральных схем (БИС) на основе структур "кремний на сапфире" (КНС) имеет ряд преимуществ по сравнению с изготовлением их на подложке кремния, таких как быстродействие, снижение расхода мощности, высокая плотность упаковки элементов. Перед наращиванием слоя кремния в камере роста проводился отжиг подложки при температуре T = 1400°C в течение 30 минут.

После снижения температуры подложки до заданной (500-850°C) проводится осаждение слоя кремния со скоростью ~ 1 мкм/час. Затем этот слой протравливается до подложки и образуются островки-карманы, в которых формируются элементы.

Комбинированные способы изоляции.

1. Изопланарная технология.

В основе метода лежит локальное прокисление эпитаксиального слоя n-Si через маску нитрида кремния SiN₄. В результате эпитаксиальный слой оказывается разделенным на отдельные карманы. Боковые изолирующие слои диэлектрические, а донные части карманов изолированы встречно включенными p-n-переходами.



Замечания:

• Боковые изолированные слои не полупроводниковые, а изолирующие т.к. окисление идет на всю глубину эпитаксиального слоя (не более 1 мкм).

• Донные же части карманов разделены p -n- переходами, поэтому метод относится к комбинированным.

• Каждый карман в свою очередь разделен окислом на две части. В главной части осуществляется база и эмиттер во второй - коллектор. Обе части связаны через скрытый n+ слой, что уменьшает коллекторную емкость.

• Локальное прокисление эпитаксиального слоя создается по всей его толщине, при этом толщина эпитаксиального слоя не превышает 1 мкм. Получение пленки SiO a при термическом окислении толщиной более 1 мкм очень длительный процесс.

• Этот метод обеспечивает высокую плотность компоновки элементов, применяется для изготовления изоляции БИС.

2. Метод изоляции V-канавками.

В основе метода лежит сквозное протравливание эпитаксиального n-слоя методом анизотропного травления, при этом поверхность должна иметь ориентацию 1.0.0, травление идет по плоскостям 1.1.1. Грани этих плоскостей сходятся чуть ниже границы эпитаксиального слоя. Рельеф окисляется затем на всю поверхность напыляется поликристаллический кремний для выравнивания.



Элементы ППИС.

1. Разновидность биполярных интегральных транзисторов.

1) Многоэмиттерные транзисторы.

МЭТ - составляют основу класса цифровых схем ТТМ.

Недостатки:

Ш образование горизонтальных паразитных транзисторов n⁺ - p - n⁺. Для того чтобы этого избежать либо увеличивают расстояния между эмиттерами, так чтобы оно превышала диффузионную длину носителей заряда, либо легируют базовый слой золотом.

Ш Необходимо уменьшение инверсного коэффициента передачи тока эмиттера для этого искусственно увеличивают сопротивление базы, удаляя омический контакт от активной области транзистора.

2) Многоколлекторные транзисторы.

Это многоэмиттерный транзистор, работающий в инверсном режиме. Составляют основу класса цифровых схем И²Л. Главной проблемой является увеличение коэффициента передачи тока, отсюда следует что коллекторы располагают как можно ближе друг к другу.

3) Транзисторы Шоттки

Составляют основу класса цифровых схем ТТЛШ.

4) Супер в-транзисторы (транзисторы со сверхтонкой базой).

Это транзисторы с коэффициентом усиления от 3000 до 5000, но пробивное напряжение такого транзистора очень низкое, поэтому эти транзисторы ставятся во входных каскадах операционных усилителей.

Проблемы:

Ш Технические проблемы, две диффузии проводят через одно окно.

Ш Оттеснение коллекторного перехода.

Ш Принципиальные физические проблемы.

2. Интегральные диоды.

Это диодные включения интегральных транзисторов (испльзуются либо не все контакты, либо некоторые закорачиваются):

Ш анод - катод (А - К)

Ш БК - Э

Ш Б - Э

Ш БЭ - К

Ш Б - К

Ш Б - ЭК

3. Интегральные резисторы.

Диффузионные до 20 кОм

Пинч-резисторы до 50-60 кОм

Ионно-легированные резисторы до 200-300 кОм



4. Интегральные конденсаторы.

Конструкция интегрального диффузионного конденсатора:

1 - алюминиевый вывод от верхней обкладки конденсатора; 2 - алюминиевый вывод от нижней обкладки конденсатора; 3 - контакт к подложке; 4 - подложка р-типа; 5 - коллекторная n-область (нижняя обкладка конденсатора); 6 - базовая р-область (верхняя обкладка конденсатора); 7 - пленка окисла кремния.

Размещено на Allbest.ru