Лекция 13 Интегральные микросхемы

1
ЛЕКЦИЯ 12. ИНТЕГРАЛЬНЫЕ МИКРОСХЕМЫ
1. Классификация изделий микроэлектроники. Термины и определения
Микроэлектроника – современное направление электроники, включающее исследование, конструирование и производство интегральных схем (ИС) и радиоэлектронной
аппаратуры на их основе. Основной задачей микроэлектроники является создание микроминиатюрной аппаратуры с высокой надежностью и воспроизводимостью, низкой стоимостью, низким энергопотреблением и высокой функциональной сложностью.
Интегральная схема (микросхема) – микроэлектронное изделие, выполняющее
определенную функцию преобразования, обработки сигнала, накапливания информации и
имеющее высокую плотность электрически соединенных элементов (или элементов и
компонентов), которые с точки зрения требований к испытаниям, приемке, поставке и
эксплуатации рассматриваются как единое целое.
Элемент – часть интегральной схемы, реализующий функцию какого-либо электрорадиоэлемента, которая не может быть выделена как самостоятельное изделие. Под
радиоэлементом понимают транзистор, диод, резистор, конденсатор и т.п. Элементы могут выполнять и более сложные функции, например логические (логические элементы)
или запоминание информации (элементы памяти).
Компонент – часть интегральной схемы, реализующая функцию какого-либо
электрорадиоэлемента, которая может быть выделена как самостоятельное изделие. Компоненты устанавливаются на подложке микросхемы при выполнении сборочномонтажных операций. К простым компонентам относятся бескорпусные диоды и транзисторы, специальные типы конденсаторов, малогабаритные катушки индуктивности и др.
Сложные компоненты содержат несколько элементов, например диодные или транзисторные сборки.
Критерием сложности ИС, т.е. числа N содержащихся в ней элементов и простых
компонентов, является степень интеграции, определяемая коэффициентом k=lgN, значение которого округляется до ближайшего большего целого числа. Так, ИС первой степени
интеграции (k = 1) содержит до 10 элементов и простых компонентов, второй степени интеграции (k = 2) – от 10 до 100, третьей степени интеграции (k = 3) – от 1000 до 10000 и
т.д. Интегральную схему, содержащую 500 и более элементов, изготовленных по биполярной технологии, или 1000 и более, изготовленных по МДП-технологии, называют
большой интегральной схемой (БИС). Если число N превышает 10000, то ИС называют
сверхбольшой (СБИС). На смену СБИС приходят так называемые ультрабольшие интегральные схемы (УБИС), содержащие на одном кристалле от нескольких сотен тысяч до
нескольких миллионов элементов.
Важным показателем качества технологии и конструкции ИС является плотность
упаковки элементов на кристалле – число элементов, приходящихся на единицу его площади. Кроме уменьшения размеров элементов для повышения плотности элементов на
кристалле используется совмещение нескольких (обычно двух) функций некоторыми областями полупроводникового кристалла, а также трехмерные структуры, разделенные диэлектрическими прослойками.
Уровень технологии характеризуется минимальным технологическим размером
 , т.е. наименьшими достижимыми размерами легированной области в полупроводниковом слое или пленочном слое на поверхности, например минимальной шириной эмиттера,
шириной проводников, расстояниями между ними. Для полупроводниковых ИС уменьшение по мере совершенствования технологии приводит к улучшению их электрических
параметров, например повышению быстродействия из-за снижения паразитных емкостей
р-n-переходов, увеличению крутизны полевых транзисторов.
По функциональному назначению ИС подразделяются на аналоговые и цифровые.
В аналоговых ИС сигнал изменяется как непрерывная функция. Самая распространенная
2
аналоговая ИС – так называемый операционный усилитель, а также ИС диапазона высоких и сверхвысоких частот. Цифровые ИС предназначены для преобразования и обработки сигналов, представленных в дискретном виде.
Конструктивно-технологическая классификация ИС отражает способ изготовления и получаемую при этом структуру. По этому критерию различают полупроводниковые
и гибридные ИС. В полупроводниковых ИС все элементы и межэлементные соединения
изготовлены в объеме и на поверхности полупроводника. В гибридных ИС на диэлектрической подложке изготовляются пленочные пассивные элементы (резисторы, конденсаторы) и устанавливаются навесные активные и пассивные компоненты. Промежуточным
типом ИС являются совмещенные интегральные схемы, в которых транзисторы изготовляются в активном слое кремния, а пленочные резисторы и диоды – как и проводники на
изолирующем слое двуокиси кремния.
По типу применяемых активных элементов (транзисторов) интегральные схемы
делятся на ИС на биполярных транзисторах (биполярных структурах) и ИС на МДПтранзисторах (МДП-структурах).
2. Типовые технологические процессы и операции создания полупроводниковых ИС
2.1. Подготовительные операции
Создание полупроводниковых ИС начинается с получения монокристаллических
слитков кремния или германия. Мы будем далее говорить о кремнии, являющемся основой интегральных схем. Известно несколько методов получения монокристаллических
слитков. Кратко остановимся на методе Чохральского и методе зонной плавки.
Метод Чохральского. В расплавленное
нагревателем 1 вещество 3, которое находится в тигле
2 и имеет температуру, близкую к температуре кристаллизации, опускают монокристаллическую затравку 4 того же состава, что и расплав (рис.1,а). Далее
приводится в действие механизм подъема и вращения
затравки; при этом затравка смачивается расплавом и
увлекает его вверх, вследствие чего расплав на затравке нарастает в виде кристаллической фазы. Метод
а)
б)
обеспечивает получение полупроводникового мате- Рис.1. Получение монокририала в форме совершенных монокристаллов с опре- сталла кремния методом:
деленной кристаллической ориентацией и минималь- а) Чохральского, б) зонной
ным числом дефектов. Нагреватель может быть рези- плавки
стивным, высокочастотным, электронно-лучевым.
Метод зонной плавки (метод перекристаллизации). На рис. 1,б показана схема
безтигельной вертикальной зонной плавки. Обозначения такие же, как на рис.1,а.
Перед началом кристаллизации расплавляется не вся твердая фаза кристалла 4, а
только узкая зона 3, которую перемещают вдоль кристалла смещением нагревателя.
Большинство примесей обладают хорошей растворимостью в жидкой фазе по сравнению с
твердой, поэтому по мере продвижения зона плавления все больше насыщается примесями, которые концентрируются на конце слитка. Обычно процесс зонной плавки повторяют несколько раз, по окончании очистки загрязненный конец слитка отрезают.
Достоинством метода является совмещение процесса глубокой очистки полупроводника с выращиванием его монокристалла. Обычно изготовляют монокристаллы с равномерным распределением легирующей примеси (донорной или акцепторной). Легирование кремния или германия элементами осуществляется введением в расплав соответствующей примеси. Таким образом, слитки могут иметь электронную электропроводность (n-
3
тип) или дырочную (р-тип). Максимальная длина может достигать 100…150 см, а диаметр
слитка до 150 мм и более.
Слитки кремния разрезают на множество тонких пластин (толщиной 0,4...0,5 мм)
с помощью вращающихся стальных дисков с внутренней и внешней режущими кромками,
армированными искусственными или природными алмазами. Применяется также резка с
помощью тонкой проволоки (0,08...0,1 мм), совершающей возвратно-поступательное движение. Резку проводят вольфрамовой проволокой, покрытой тонким слоем алмазной
крошки.
После резки слитков, для получения параллельности сторон пластин, точного соответствия заданным размерам и уменьшения глубины нарушенного слоя проводят шлифование пластин. Для шлифования применяются абразивные материалы, алмазные порошки, полировочные пасты.
Важным в полупроводниковой технологии является также очистка поверхности
от загрязнений органическими веществами, особенно жирами. Для этого используют органические растворители (толуол, ацетон, этиловый спирт и др.) при повышенной температуре. Травление, очистка и многие другие процессы сопровождаются отмывкой пластины в деионизованной воде.
2.2. Эпитаксия
Это процесс наращивания монокристаллических слоев на полупроводниковую
подложку, при котором кристаллическая структура наращиваемого слоя повторяет кристаллографическую ориентацию подложки. Эпитаксия обычно используется для получения тонких рабочих слоев однородного полупроводника на сравнительно толстых подложках, играющих роль несущей конструкции. Эпитаксия позволяет выращивать монокристаллические слои любого типа электропроводности и любого удельного сопротивления на подложке, обладающей также любым типом электропроводности и удельным сопротивлением. Граница между эпитаксиальным слоем и подложкой не получается идеально резкой, поэтому затруднено создание сверхтонких (менее 1 мкм) слоев и многослойных эпитаксиальных структур. Однако она позволила получить достаточно тонкие
слои (1...10 мкм), которые невозможно получить другими средствами.
Возможна как газовая, так и жидкостная эпитаксия, при которых наращивание
монокристаллического слоя осуществляется из газовой или жидкой фазы, содержащей необходимые компоненты - соединения кремния, бора (акцептор) или фосфора (донор).
2.3. Термическое окисление
Получаемая в этом процессе пленка двуокиси кремния (SiО2) выполняет несколько важных функций: функцию защиты поверхности; функцию маски, через окна которой
вводятся необходимые примеси; функцию тонкого диэлектрика под затвором МДПтранзистора. Это стало одной из причин того, что кремний является основным материалом для изготовления полупроводниковых интегральных схем.
Следует заметить, что поверхность кремния всегда покрыта собственной окисной
пленкой даже при самых низких температурах, но эта пленка имеет слишком малую толщину (около 5 нм). Поэтому ее нельзя использовать для выполнения перечисленных
функций. Пленки SiО2 приходится получать искусственным путем.
Искусственное окисление кремния обычно осуществляется при высокой температуре (1000...1200°С) и называется термическим окислением. Оно может быть проведено в
атмосфере кислорода (сухое окисление) и в смеси кислорода с парами воды (влажное
окисление) или просто в парах воды. Сухое окисление идет в десятки раз медленнее
влажного. Например, для выращивания пленки SiО2 толщиной 0,5 мкм в сухом кислороде
при 1000°С требуется около 5 ч, а во влажном – 20 мин. С уменьшением температуры на
каждые 100°С время окисления растет в 2...3 раза.
4
2.4. Легирование
Легирование – операция введения необходимых примесей в монокристаллический полупроводник. Основным способом легирования является диффузия примесных
атомов при высокой температуре. Широкое распространение получил и другой способ –
ионное легирование (имплантация).
Диффузионное легирование может быть общим (по всей поверхности, рис.2,а) и
локальным (на определенных участках через окна в масках, рис.2, б).
Диффузию можно проводить
однократно и многократно (двойная и
трехкратная диффузия). Существует
предельная растворимость примеси,
которая зависит от температуры. При
некоторой температуре концентрация
примеси достигает максимального
значения, а затем уменьшается. Это
а)
б)
значение в кремнии для мышьяка со20
-3
ставляет 20·10 см (1150°С), фос- Рис.2. Диффузионное легирование а) по всей пофора 13·1020 см -3 (1150°С), бора верхности, б) локальное
5·1020 см-3 (1200°С) и сурьмы 0,6·1020
см-3 (1300°С). Источниками примеси
могут быть их химические соединения в виде жидкости, твердого тела или газа.
Время проведения диффузии пропорционально квадрату необходимой глубины
диффузии, поэтому получение глубоких диффузионных слоев требует большого времени:
в интегральных схемах глубина рабочих диффузионных слоев обычно 1...4 мкм. Так как
зависимость коэффициентов диффузии от температуры сильная (экспоненциальная), то
предусматривается очень точная регулировка температуры. Допустимая нестабильность
температуры составляет сотые доли процента.
Ионное легирование осуществляется путем бомбардировки пластины ионами
примеси, ускоренными в специальных установках (ускорителях частиц) до значительной
энергии. На схеме установки ионного легирования (рис.3) ионы примеси из источника
ионов 1 входят в анализатор по массе 2.
Необходимость разделения ионов по массе
вызвана тем, что вытягиваемый из источника
поток ионов неоднороден по составу; в нем
присутствуют ионы различных элементов и
соединений и многозарядные ионы. Для разделения ионов по отношению массы к заряду
применяют различные сепараторы, которые Рис. 3. Схема установки ионного легирооснованы на взаимодействии движущегося вания
иона с магнитными и электрическими полями
или с комбинацией этих полей. В большинстве установок сепараторами являются секторные магнитные системы, в которых происходит поворот пучка ионов на угол менее 180° (например, 45°, 60° или 90°).
Ионы с определенным отношением массы к заряду входят в электростатический
ускоритель ионов 3, к электродам которого от отдельного высоковольтного источника 9
подводится напряжение, в отдельных установках до 200 кВ и выше. Ускоренные ионы через щель 4 поступают в фокусирующую систему 5, а затем в сканирующую систему 6, которая обеспечивает перемещение сфокусированного пучка ионов по полупроводниковой
пластине 8, расположенной в приемной камере 7. В установке обеспечивается необходимый высокий вакуум. Получаемый ток пучка ионов в различных установках составляет от
десятков микроампер до нескольких миллиампер. Сканирование пучка в одном поперечном направлении механическое, а в другом электростатическое, площадь сечения пучка 1
5
...2 мм2. Число одновременно закладываемых в камеру пластин с диаметром 75... 150 мм в
разных установках составляет 96...24. Следует заметить, что глубина проникновения
ионов, зависящая от их энергии, составляет 0,1 ...0,5 мкм, т.е. очень мала и недостижима
при диффузионном легировании. Это позволяет получать резкие профили (большие градиенты) распределения примеси.
Ионное легирование характеризуется универсальностью и гибкостью, позволяет с
высокой точностью управлять количеством легирующей примеси (путем регулировки тока пучка ионов) и глубиной внедрения – изменением энергии (напряжения источника).
Процесс ионного легирования может осуществляться при низких температурах, вплоть до
комнатных, благодаря чему сохраняются исходные электростатические свойства кристаллов. Это большое преимущество метода перед диффузионным легированием. Низкая температура позволяет проводить ионное легирование на любом этапе технологического цикла. Однако недостатком метода (кроме необходимости сканирования пучка) является возникновение обилия радиационных дефектов в облученном полупроводнике, вплоть до образования аморфного слоя. Такие дефекты полностью удается устранить путем кратковременного отжига (в кремнии при 900...1100°С).
2.5. Травление
Мы уже упоминали о травлении как об одной из подготовительных операций,
связанной с полировкой и очисткой поверхности полупроводника. Однако травление имеет более широкое применение.
Остановимся сначала на химическом травлении. Оно подразделяется на изотропное, анизотропное и селективное. Изотропное травление – это растворение полупроводникового материала с одинаковой скоростью по всем кристаллографическим направлениям. Такое травление позволяет равномерно стравливать тонкие слои и получать ровную
поверхность. Такое травление называют также полирующим или химическим полированием. Анизотропное травление – растворение полупроводникового материала с неодинаковой скоростью по различным кристаллографическим направлениям позволяет вытравливать глубокие канавки и щели. Селективное (избирательное) травление – растворение
полупроводникового материала с повышенной скоростью травления в местах выхода на
поверхность структурных дефектов.
Анизотропным травлением получают углубление различных конфигураций на
поверхности полупроводниковых пластин, разделительные канавки для диэлектрической
изоляции и др. Обычно это травление является локальным, т.е. выполняется через окна и
дорожки в маскирующих пленках SiO2 или нитрида кремния Si3N4, поэтому его скорость,
форма углубления и боковое расширение (“подтравливание”) зависят от кристаллографического направления их сторон. Например, можно получить V-образный профиль углублений. Селективное травление применяют для выявления на поверхности пластин дислокаций, дефектов, микроцарапин. Для повышения избирательности действия в состав травителя вводят поверхностно-активные вещества, которые увеличивают разность между
скоростью травления дефектного и бездефектного участков.
Перед травлением пластины обязательно обезжиривают, а после выполнения операции химической очистки или травления пластины промывают деионизованной водой.
Применяется жидкостное и сухое травление. Сухое травление осуществляется путем ионно-плазменной и ионно-лучевой обработки. Сухое травление поверхности пластин, используемое в технологическом процессе изготовления ИС после фотолитографии для создания рельефа (канавок, углублений и др.), относится к классу анизотропного травления,
но является более эффективным, чем жидкостное травление.
2.6. Литография
Литографией называют процесс получения требуемой конфигурации в диэлектрических и металлических пленках, нанесенных на поверхность полупроводниковых или
6
диэлектрических подложек. Литография основана на использовании особых соединений –
резистов, обладающих свойством изменять свои свойства под действием различных излучений: ультрафиолетового (фотолитография), рентгеновского (рентгенолучевая литография), потока электронов (электронная литография).
Наиболее широкое применение в производстве интегральных схем получила фотолитография. Чувствительные к свету соединения (фоторезисты) наносятся на поверхность подложки и подвергаются воздействию света через специальные стеклянные маски
с прозрачными и непрозрачными участками (фотошаблоны). Это обеспечивает воздействие излучения на фоторезист на определенных участках. При последующем воздействии
соответствующих химикатов происходит удаление с подложки отдельных участков пленки фоторезиста, освещенных или неосвещенных в зависимости от типа использованного
фоторезиста (проявление). Таким образом, из пленки фоторезиста создается защитная
маска с рисунком, повторяющим рисунок фотошаблона.
В зависимости от типа фоторезиста его растворимость после облучения может либо возрастать
(позитивные фоторезисты), либо падать (негативные
фоторезисты). Пленка позитивного фоторезиста под
действием излучения становится неустойчивой и
растворяется при проявлении (рис.4, а), а пленка
негативного фоторезиста, наоборот, под действием
излучения становится нерастворимой, а растворяются при проявлении неосвещенные участки (рис.4, б).
На этом рисунке ФШ – фотошаблон, ФР – фоторезист, ЗП – защитная пленка фоторезиста на полупроводниковой подложке (двуокись кремния, боросиликатное стекло, фосфоросиликатное стекло, алюминий Рис.4. Фотолитография с примеи др.). Слои фоторезиста имеют толщину от 2,5 до 20 нением фоторезиста: а) позитивмкм.
ного, б) негативного
В настоящее время практическое применение нашли контактноe и проекционное экспонирование. При контактном экспонировании
размер изображения после проявления совпадает с размером окон на фотошаблоне с точностью до дифракционного рассеяния на краях. При серийном производстве контактная
фотолитография обеспечивает в слое фоторезиста минимальный размер 0,8 мкм. Проекционное экспонирование позволяет уменьшить этот размер до 0,4 мкм. При этом способе
размеры рисунка на фотошаблоне могут превышать заданные, так как проецирование на
фоторезист осуществляется с помощью оптической системы в масштабе 10:1, 4:1 и др.
Фотошаблоны представляют собой прозрачные пластинки с рисунком, состоящим
из сочетания непрозрачных и прозрачных для света определенной длины волны участков,
создающих топологию одного из слоев структуры прибора или элемента интегральной
схемы, многократно повторенной в пределах поля пластинки для одновременного изготовления большого числа ИС. Обычно используют металлостеклянные фотошаблоны, в
которых рисунок создается тонкой металлической пленкой, нанесенной на стеклянную
подложку. Для изготовления фотошаблонов применяют в основном два метода. Первый
состоит в механическом вырезании первичного оригинала - увеличенного в 200... 500 раз
рисунка, фотографическом уменьшении рисунка и его мультипликации. Второй – метод
генерации изображений или метод фотонабора – основан на разделении топологической
структуры фотошаблона на элементарные прямоугольники различной величины и последовательной фотопечати этих прямоугольных элементов на фотопластинку, на которой
образуется промежуточный фотошаблон с 10-кратным увеличением рисунка по сравнению с его окончательным размером. Работа на фотонаборных установках осуществляется
с помощью ЭВМ. Технические характеристики микрофотонаборных установок следую-
7
щие: размер пластин 70×70 мм, дискретность перемещения 2,5 мкм, точность позиционирования ±1,5 мкм, производительность 900 экспозиций в час.
Мы уже отмечали, что при контактной фотолитографии в серийном производстве
минимальный размер элемента 0,8 мкм, а при проекционной – 0,4 мкм. Поскольку минимальный размер элемента интегральной схемы определяет плотность упаковки, надежность, стоимость и такие важные параметры, как быстродействие и потребляемая мощность, то получение субмикронных размеров элементов является одной из основных задач
БИС, СБИС и УБИС. Для борьбы с дифракционным рассеянием, препятствующим
уменьшению размера элементов, перспективным является использование коротковолнового УФ-излучения, рентгеновского излучения, а также электронных пучков.
При рентгеновской литографии поток мягких рентгеновских лучей с длиной волны 0,4...1,4 нм направляется на шаблон, под которым располагается подложка, покрытая
резистом, чувствительным к рентгеновскому излучению. Время экспонирования составляет несколько минут. Для изготовления шаблона можно использовать кремний с толщиной
несколько микрометров, прозрачный для рентгеновского излучения. Для получения маски
используется пленка золота (0,3 мкм), наносимая на тонкий слой кремния. В качестве источников рентгеновского излучения могут быть использованы рентгеновские трубки с
ускоряющим напряжением около 8 кВ. Минимальный размер элемента, получаемый при
рентгеновской литографии, 0,1 мкм.
В электронной литографии используются электронные пучки. Длина волны при
энергии электронов 15 кэВ около 10-15 мкм, т.е. примерно на четыре порядка меньше, чем
у светового излучения, и на два порядка меньше, чем у рентгеновского излучения. Однако
вследствие рассеяния электронов и образования вторичных электронов с достаточно высокими энергиями размер области резиста, которая экспонируется электронами, превышает размеры сечения электронного пучка и позволяет по оценкам получить разрешающую
способность лишь 0,2 мкм. Общий недостаток всех систем электронной литографии состоит в необходимости помещения подложки в вакуум, что усложняет технологию процесса литографии. От этого недостатка свободна рентгено-лучевая литография; при этом
используется более простое и дешевое оборудование.
2.7. Нанесение тонких пленок
Тонкие пленки используются в полупроводниковых и гибридных интегральных
схемах для создания проводниковых соединений, резисторов, конденсаторов и изоляции
между элементами и проводниками. Применяется ряд методов нанесения пленок.
Термическое вакуумное напыление. В результате нагревания в вакууме происходят испарение вещества и осаждение его на подложке. Нагрев может быть прямым или
косвенным. Недостатками этого метода являются невысокая воспроизводимость параметров пленки из-за трудности обеспечения контроля температуры и кратковременности
процесса. Метод применяется в основном для напыления чистых металлов.
Распыление ионной бомбардировкой. В вакууме создают газовый разряд. Возникающие в разряде положительные ионы бомбардируют распыляемый материал, выбивая из него атомы или молекулы, которые затем осаждаются на подложке. Этот метод (в
отличие от термического напыления) позволяет получать пленки тугоплавких металлов,
наносить диэлектрические пленки, соединения, сплавы, точно выдерживая их состав, равномерность и толщину. Существует несколько разновидностей метода: катодное распыление, ионно-плазменное напыление, высокочастотное распыление.
Химическое осаждение из газовой фазы. Этот метод широко используется для
получения пленок поликристаллического кремния и диэлектриков (SiО 2, Si3N4). Осаждение происходит в результате химической реакции в газовой фазе при повышенной температуре. Для осаждения пленок поликристаллического кремния на пластины, покрытые
слоем SiО2, используется реакция разложения силана SiH4 → Si + 2H2 при t° = 600°С.
Пленка SiO2, используемая в качестве защитных покрытий пластин или изоляции между
8
слоями соединений, осаждается окислением силана SiH4 + O2 → SiО2 + 2H2 при t° =
200...300°С. Нитрид кремния получают в реакции силана с аммиаком SiH4 + N3 → Si3N4 +
H2 при t° = 800°С.
Достоинством химического осаждения из газовой фазы являются простота, хорошая технологическая совместимость с другими процессами создания полупроводниковых
ИС (эпитаксия, диффузия) и сравнительно невысокая температура. Скорость осаждения
пленки составляет в среднем несколько сотых долей микрометра в минуту.
Химическое осаждение из водных растворов. При прохождении электрического
тока на катоде осаждается металлическая пленка, толщина которой зависит от значения
тока и времени осаждения. Можно получать не только тонкие, но и толстые пленки (20
мкм и более).
2.8. Пленочные проводниковые соединения и контакты
Элементы в интегральных схемах соединяют тонкопленочными проводниками.
Предварительно в слое SiО2, покрывающем поверхность пластины, вытравливают контактные отверстия. Проводящую пленку наносят на всю поверхность, а затем ее травят
через маску, чтобы получить требуемый рисунок соединений. Материал пленки должен
обеспечивать омический контакт с кремнием, иметь низкое удельное сопротивление и выдерживать высокую плотность тока. Он должен быть механически прочным, не повреждаться при изменениях температуры из-за разных коэффициентов расширения пленки,
пластины и слоя SiО2, а также не подвергаться коррозии и не образовывать химических
соединений с кремнием. Наиболее полно этим требованиям отвечает алюминий, имеющий
удельное сопротивление 2,6·10-6 Ом·см, нанесенный термическим вакуумным напылением.
После создания рисунка соединений производится вжигание алюминиевых контактов при температуре 550°С в течение 5...10 мин. Алюминий является акцептором, поэтому контакт с областью р-типа всегда омический. Для получения омического контакта с
областью n-типа концентрация доноров в ней должна быть выше, чем алюминия. Если
концентрация доноров ниже, то произойдет перекомпенсация поверхностного слоя акцепторами (Аl), т.е. изменение электропроводности с n-типа на р-тип, приводящее к образованию р-n-перехода. Для формирования омического контакта к n-области с низкой концентрацией доноров необходимо предварительно создать сильно легированную контактную n+-область с концентрацией доноров порядка 1020 см-3. В этом случае перекомпенсация акцепторами невозможна.
В БИС и СБИС недостаточно одного слоя проводниковых соединений, так как не
удается осуществить разводку проводников без пересечений. Поэтому создают два или
три слоя проводников, разделенных слоями диэлектрика, получаемых методом осаждения
из газовой фазы. В слое SiO2 делают отверстия для контактов между проводниками соседних слоев.
Для присоединения внешних выводов к ИС изготовляют контактные площадки
(металлизированные участки на кристалле). Как правило, их располагают по периферии
полупроводникового кристалла. Они представляют собой расширенные области пленочных проводников и формируются одновременно с разводкой.
2.9. Разделение пластин на кристаллы и сборочные операции
Разделение пластин на кристаллы осуществляется в две стадии. Сначала на поверхности пластин между изготовленными ИС в двух взаимно перпендикулярных направлениях наносят неглубокие риски (скрайбирование), а затем по этим рискам разламывают
пластину на прямоугольные или квадратные части (“кристаллы”). Скрайбирование производится алмазными резцами. Обычно ширина риски 10...20 мкм, глубина 5...10 мкм, скорость движения резца 50...75 мм/с. Применяется также лазерное скрайбирование, при ко-
9
тором разделительные риски создаются испарением узкой полосы полупроводникового
материала с поверхности пластины во время ее перемещения относительно сфокусированного лазерного луча. Достоинства этого метода: создание глубокой разделительной
канавки, высокая производительность (100...200 мм/с), отсутствие на полупроводниковой
пластине микротрещин и сколов. Используются импульсные лазеры с частотой следования импульсов 5...50 кГц и длительностью импульсов примерно 0,5 мкс.
Разламывание пластин на кристаллы после скрайбирования осуществляется механически, созданием изгибающего момента. Наиболее простым способом является разламывание пластин валиком (рис.5); при этом пластину кладут
рисками вниз на мягкую гибкую опору из резины. Разламывание сначала производится на полоски, а затем на отдельные кристаллы. Применяется также разламывание на сферической опоре. В этом случае пластины сразу разламываются Рис.5. Разламывание плана отдельные кристаллы. Достоинства этого способа: просто- стин на кристаллы валиком
та, высокая производительность (процесс занимает не более
1... 1,5 мин) и одностадийность, а также достаточно высокое
качество из-за отсутствия смещения кристаллов относительно друг друга.
Сборка кристалла в корпусе начинается с крепления его к дну корпуса путем приклеивания или припаивания легкоплавким припоем. Затем контактные площадки на кристалле соединяются со штырьками – внешними выводами корпуса. Соединение осуществляется с помощью тонких (20...30 мкм) алюминиевых или золотых проволочек. Наиболее
распространенным является соединение проволочек с контактной площадкой термокомпрессией – прижатием деталей друг к другу при большом давлении и повышенной температуре (200...300°С), способствующей взаимной диффузии атомов. По окончании монтажа
кристалла производится корпусирование, т.е. окончательное внешнее оформление. Корпусирование обеспечивает также защиту кристалла от влияния внешней среды, поэтому
его проводят либо в вакууме, либо в среде инертного газа (азот, аргон). Имеются и бескорпусные варианты. Начальным этапом герметизации как бескорпусных, так и корпусных изделий является пассивация поверхности кристалла с помощью пленок, например
SiO2, Si3N4. При бескорпусном варианте затем наносят более толстые слои герметиков:
эмалей, лаков, компаундов. Как правило, бескорпусные ИС имеют прямоугольную или
квадратную форму, что более удобно для оптимального их размещения на подложке или
на плате. Число выводов у простых ИС составляет 8...14, а y больших до 64 и более. Корпуса могут быть металлическими и пластмассовыми с выводами, лежащими в плоскости
корпуса или перпендикулярно ей.
3. Способы электрической изоляции элементов полупроводниковых ИС
3.1. Общие сведения
В полупроводниковых ИС используются как биполярные, так и МДП-структуры.
Различие в структурах, а также способах электрической изоляции элементов приводит к
различию функциональных возможностей и электрических характеристик.
Технологии изготовления биполярных и МДП-транзисторов близки, хотя есть и
некоторые особенности: необходимость специальных процессов для изоляции элементов
в биполярных схемах и процессов получения тонких пленок подзатворного диэлектрика в
МДП-схемах.
Технологический процесс производства полупроводниковых ИС многооперационный и длительный. Общее число технологических операций превышает 500, а длительность технологического цикла - до 50 дней. Характеристика основных технологических
10
процессов уже была дана. Здесь мы остановимся лишь на способах создания электрической изоляции.
При создании полупроводниковых ИС малой и средней степени интеграции широко используются способы изоляции обратновключенным р-n-переходом и диэлектрическими пленками двуокиси кремния. Для БИС разработана технология изоляции с одновременным использованием р-n-перехода и диэлектрических пленок.
3.2. Изоляция p-n-переходом
На рис.5 показана структура интегрального nр-n-транзистора изолированного p-n-переходом. В
этом транзисторе подложкой является кремний р-типа;
на ней созданы эпитаксиальный n-слой и так называемый скрытый n+-cлoй.. Изолирующий р-n-переход создается путем диффузии акцепторной примеси на глубину, обеспечивающую соединение образующихся при
этой диффузии р-областей с р-подложкой. В этом слу- Рис.5. Структура интегрального
чае эпитаксиальный n-слой разделяется на отдельные n-р-n-транзистора изолированноn-области (изолирующие “карманы”), в которых и со- го p-n-переходом
здаются потом транзисторы. Эти области будут электрически изолированы только в том случае, если образовавшиеся р-n-переходы имеют обратное включение. Это достигается, если потенциал
подложки n-р-n-транзистора будет наименьшим из потенциалов точек структуры. В этом
случае обратный ток через р-n-переход незначителен и практически исключается связь
между n-областями (карманами) соседних транзисторов.
3.3. Изоляция коллекторной диффузией
При этом способе (рис.7) исходным является создание на подложке p-Si равномерного эпитаксиального р-слоя, а в определенных местах под ним – скрытого n+ слоя.
Затем производят диффузию доноров через маску и
создают боковые n+-области, касающиеся скрытого n+
слоя. В отличие от рис.6 образуется карман р-типа для
создания р-базы и n-эмиттера. Совокупность скрытого
n+ слоя и боковых n+ областей будет выполнять в
транзисторе функцию коллекторной области с выводом К на поверхности. Переход между n+-областями и
подложкой и обеспечивает изоляцию от другого элеРис.7. Изоляция коллектормента ИС, если подложка имеет наименьший потенной диффузией
циал.
11
3.4. Изоляция диэлектрическими пленками
На рис.8. показана последовательность операций изоляции элементов тонкими диэлектрическими пленками. На исходной пластине n-кремния выращивается эпитаксиальный n+-cлой (рис.8, а). На поверхности пластины анизотропным травлением на
глубину 20...30 мкм создаются канавки треугольной
(V-образной) формы (рис.8, б). Рельефная поверхность термически окисляется, так что получается изолирующая пленка SiO2 толщиной около 1 мкм. Затем
на поверхность SiO2 наносится слой высокоомного
поликристаллического кремния толщиной 200... 250
мкм (рис.8, в). Исходный монокристалл n-кремния
сошлифовывается снизу до тех пор, пока не вскроются вершины вытравленных канавок (рис.8, г), в результате чего образуются изолированные друг от друга слоем SiO2 монокристаллические области (карманы). Потом в этих карманах будут создаваться элементы интегральной схемы.
Диэлектрическая изоляция позволяет на несколько порядков снизить токи утечки и на порядок
удельную емкость по сравнению с p-n-переходом.
Существенным недостатком диэлектрической изоляции является необходимость точной шлифовки. Диэлектрические канавки могут быть и прямоугольной
формы.
Рис.8. Последовательность
операций изоляции элементов тонкими диэлектрическими пленками
3.5. Совместная изоляция p-n-переходом и диэлектрическими пленками
При этом варианте (рис.9) изоляция р-nпереходом осуществляется внизу структуры и слоем
SiO2 на поверхностях прямоугольных или V-образных
канавок.
Рис.9. Совместная изоляция
р-n-переходом и диэлектрическими пленками
3.6. Интегральные схемы на непроводящих подложках
Паразитные емкости между отдельными элементами и емкости между элементами и подложкой снижают быстродействие
ИС. Эти емкости можно существенно
уменьшить заменой полупроводниковой
подложки на непроводящую, например сапфировую (структура “кремний на сапфире”,
КНС). На сапфире (рис.10) выращивается Рис.10. Структура “кремний на сапфире”
12
эпитаксиальный слой n-кремния толщиной 1...З мкм. “Островки” создаются локальным
травлением кремния до сапфировой подложки. В островках создаются транзисторные
структуры. После этого воздушные зазоры между островками заполняются изолирующим
поликристаллическим кремнием, на поверхности которого создаются соединения элементов схемы.
4. Активные элементы интегральных микросхем
4.1. Биполярный транзистор
Структура биполярного транзистора в интегральных микросхемах отличается от
структуры дискретного транзистора изоляцией от подложки. Другая особенность связана
с тем, что вывод от коллекторной области интегрального транзистора осуществляется на
верхней поверхности кристалла. Поэтому для уменьшения объемного сопротивления области коллектора перед эпитаксиальным наращиванием производится подлегирование
подложки в тех местах, где будут сформированы транзисторные структуры, т.е. создается
скрытый n+-слой, как показано на рис.11. Однако даже при наличии скрытого n+-слоя сопротивление коллекторной области интегрального транзистора оказывается больше аналогичного сопротивления дискретного транзистора, т.к. скрытый n+-слой отделен от коллекторного перехода высокоомным слоем коллекторной области. Это приводит к некоторому ухудшению частотных свойств интегрального транзистора в связи с увеличением
постоянной времени перезаряда барьерной емкости коллектора. При этом необходимо
учесть, что выходная емкость интегрального транзистора включает в себя барьерную емкость изолирующего перехода между областью коллектора интегрального транзистора и
остальной частью кристалла.
Рис.11. Биполярный транзистор
n-p-n- типа со скрытым n+-слоем:
а) структура, б) топология электродов
Рис.12. Горизонтальный биполярный транзистор p-n-p-типа со
скрытым n+-слоем: а) структура,
б) топология электродов
13
Повышенное сопротивление коллекторной области приводит к увеличению напряжения насыщения интегрального транзистора Uкэнас по сравнению с дискретным транзистором.
Размеры интегрального транзистора существенно меньше размеров аналогичного
дискретного транзистора.
Основу биполярных интегральных микросхем составляют транзисторы n-p-n-типа,
которые имеют лучшие характеристики и проще в изготовлении по сравнению с транзисторами p-n-p-типа. Дело в том, что для формирования сильнолегированных эмиттерных
областей транзисторов n-p-n-типа обычно используют диффузию фосфора, который имеет
большую растворимость в кремнии и относительно малый коэффициент диффузии. Таким
образом, для формирования p-n-p-транзистора необходимо провести еще одну дополнительную диффузию акцептора с предельной растворимостью, превышающей предельную
растворимость фосфора, а такие акцепторы практически отсутствуют.
Поэтому основным вариантом интегрального транзистора p-n-p-типа является горизонтальный транзистор, представленный на рис.12. Для его формирования не надо вводить дополнительных технологических операций, т.к. p-области его эмиттера и коллектора получаются одновременно при создании p-области транзистора n-p-n-типа. Однако горизонтальный транзистор оказывается бездрейфовым из-за однородного легирования его
базовой области. Толщина активной части базы горизонтального транзистора получается
относительно большой. Все это приводит к посредственным частотным характеристикам
горизонтального транзистора и его граничная частота обычно не превышает нескольких
десятков мегагерц.
У горизонтального транзистора оказываются одинаковыми напряжения пробоя
эмиттерного и коллекторного переходов и близки коэффициенты передачи тока эмиттера
при нормальном и инверсном включении транзистора, так как области эмиттера и коллектора одинаковы по своим свойствам.
Горизонтальная структура позволяет легко получить могоколлекторный транзистор. Для этого достаточно кольцевую область коллектора разделить на несколько частей
и сделать отдельные выводы от каждой части коллектора. Коэффициент передачи тока
для каждого коллектора будет меньше, чем для единого коллектора, но все коллекторы
будут работать синхронно, а нагрузки во всех коллекторных цепях будут электрически
разделены.
4.2. Полевой транзистор с изолированным затвором
МДП транзисторы можно формировать без специальных островков в монокристалле интегральной микросхемы, что уменьшает число технологических операций, удешевляет интегральные микросхемы и увеличивает плотность упаковки. Другим преимуществом МДП-транзисторов является их экономичность, т.к. при нулевом напряжении на
затворе ток стока практически отсутствует. Мощность потребляется только во время подачи напряжения на затвор. Уменьшение потребляемой мощности интегральными микросхемами на МДП-транзисторах особенно важно для создания логических интегральных
схем с большим количеством транзисторов. Кроме того, цифровые интегральные микросхемы могут быть построены целиком на гальванически развязанных соединенных между
собой МДП-транзисторах без использования других элементов.
4.3. Диоды
Для создания диода достаточно сформировать только один p-n-переход. Однако
диодам в интегральных микросхемах придают транзисторную структуру и в зависимости
от конкретного назначения используют тот или иной p-n-переход путем применения одного из пяти возможных вариантов включения рис.13:
1) Используется эмиттерный переход, а коллекторный короткозамкнут. В этом случае достигается наибольшее быстродействие, т.к. накопление заряда может происходить
14
Рис.13. Диоды на основе p-n-переходов транзисторной структуры: а) возможные варианты создания, б) эквивалентные схемы
только в базовой области, а она очень тонкая. При этом время перключения диода составляет порядка 1 нс.
2) Используется эмиттерный переход, а коллекторная цепь разомкнута.
3) Используется коллекторный переход, а эмиттерной области может и не быть.
Если эмиттерная область все же сформирована, то цепь эмиттера остается разомкнутой.
Коллекторная область является относительно высокоомной, поэтому такой диод имеет
достаточно высокое, порядка 50В, напряжение пробоя. Площадь коллекторного перехода
значительно больше площади эмиттерного перехода, следовательно, такая структура может работать при больших прямых токах.
4) Эмиттерную и коллекторную области соединяют между собой. Эмиттерный и
коллекторный переход соединены между собой, при этом увеличивается допустимый
прямой ток, но также увеличивается и суммарная барьерная емкость.
5) Используют коллекторный переход, а эмиттерный переход короткозамкнут.
5. Пассивные элементы интегральных микросхем
5.1. Диффузионные резисторы
Чтобы не усложнять технологию изготовления интегральной микросхемы, для создания резисторов можно использовать одну из областей транзисторной структуры: эмиттер, базу или коллектор рис.14.
Эмиттерная область содержит наибольшую концентрацию примесей и обладает
наименьшим удельным сопротивлением слоя. Поэтому эмиттерная область пригодна для
формирования диффузионных резисторов только с малым сопротивлением порядка
10 Ом. Из-за большой концентрации примесей температурные коэффициенты сопротивления таких резисторов будут малы.
Коллекторная область транзисторной структуры содержит наименьшую концентрацию примесей. Поэтому коллекторная область пригодна для формирования диффузи-
15
Рис.14. Варианты использования различных областей транзисторной структуры для формирования диффузионных резисторов: а) эмиттера, б), базы,
в)коллектора. Конфигурации резисторов: г) линейная, д) плоскостная
онных резисторов с большем сопротивлением, но из-за малой концентрации примесей
температурные коэффициенты сопротивления таких резисторов велики.
Для формирования диффузионных резисторов обычно используют базовую область
транзисторной структуры. Без существенного увеличения площади, занимаемой диффузионным резистором могут быть созданы резисторы сопротивлением до 50 кОм. Такие диффузионные резисторы имеют удовлетворительные температурные зависимости сопротивления.
Диффузионный резистор представляет собой полоску с определенным типом электропроводности, отделенную от подложки интегральной микросхемы p-n-переходом. Этот
переход должен быть смещен в обратном направлении для изоляции диффузионной полоски от подложки. Поэтому максимальное падение напряжения на резисторе не может
быть больше напряжения смещения.
При создании интегральных микросхем, в том числе с диффузионными резисторами, в структуре микросхем могут образовываться паразитные элементы, диоды, транзисторы, емкости, которые могут нарушить нормальную работу.
Несмотря на имеющиеся недостатки, диффузионные резисторы широко используют в интегральных микросхемах, т.к. их формирование не требует дополнительных технологических операций и не удорожает микросхему.
5.2. Пленочные резисторы
Основой пленочного резистора является резистивная пленка из металла (хром, тантал, палладий) металлического сплава (нихром) или металлокерамики. Резистивную пленку наносят на диэлектрическую подложку гибридной интегральной
микросхемы или на окисленный кристалл полупроводниковой интегральной микросхемы рис.15.
При создании пленочных резисторов на диэлектрической подложке не образуется паразитных
элементов, которые получаются в интегральных
микросхемах с диффузионными резисторами.
Рис.15. Возможная конфигурация пленочного резистора:
1 –металлические электроды,
2 – резистивная пленка,
3 - диэлектрическая подложка
16
5.3. Диффузионные конденсаторы
В качестве конденсаторов интегральных микросхем часто используют барьерную
емкость p-n-перехода, смещенного в обратном направлении. Такой пассивный элемент
интегральной микросхемы удобно формировать одновременно с формированием транзисторных структур или использовать непосредственно p-n-переходы транзисторных структур
рис.16. Барьерная емкость p-n-перехода может
быть использована для создания конденсатора
постоянной или переменой емкости, которой
можно управлять путем изменения постоянного
смещения на переходе.
Диффузионный конденсатор необходимо
изолировать от других элементов и от подложки
микросхемы. Часто эта изоляция осуществляется p-n-переходом. Поэтому при формировании
диффузионного конденсатора одновременно
Рис.16. Структура диффузиформируется и структура паразитного транзионного конденсатора с исстора, эмиттером которого является одна из облапользованием коллекторного
стей (обкладок) диффузионного конденсатора, базой
перехода транзисторной
– другая область (обкладка), а коллектором - подструктуры
ложка (рис.16).
5.4. МДП-конденсаторы
В качестве диэлектрика такого конденсатора используют слой диоксида кремния,
которым покрыт кристалл полупроводника
рис.17. Одной обкладкой конденсатора является слой металла (обычно алюминия), нанесенный на поверхность слоя диоксида, другой
обкладкой – сильнолегированная область полупроводника.
В островке, предназначенном для
МДП-конденсатора, есть только один p-nпереход между n- и p-областью, который необходим для изоляции МДП-конденсатора от
других элементов микросхемы.
Емкость МДП-конденсатора имеет
сложную зависимость от напряжения смещения и частоты переменного сигнала.
Рис.17. Структура МДПконденсатора
5.5. Пленочные конденсаторы
Пленочные конденсаторы формируют на диэлектрической подложке гибридных
интегральных микросхем. При этом необходимо провести по крайней мере три операции
вакуумного напыления: нижней проводящей обкладки конденсатора, диэлектрической
пленки и верхней проводящей обкладки рис.18. Такой пленочный конденсатор называют
однослойным. Для получения большей емкости или для уменьшения площади занимаемой
конденсатором на подложке, можно делать многослойные пленочные конденсаторы, секции которых располагаются этажами одна над другой. Однако создание ”многоэтажных”
конденсаторов затрудняет процесс их изготовления, повышает стоимость и уменьшает
надежность.
В качестве диэлектрика пленочных конденсаторов могут быть использованы различные материалы, но наиболее широко применяется монооксид кремния.
17
Рис.18. Структура пленочного
конденсатора: 1 – диэлектрическая подложка, 2 – нижняя обкладка, 3 – диэлектрическая
пленка, 4 – нижняя обкладка