Коледов Л.А. - Технология ИС, страница 4

1! и 1.12). Это уже вполне современный технологический процесс создания полупроводниковых микросхем по планарно-эпитаксиальной технологии со скрытым слоем, о котором подробнее будет сказано в гл. 7. Технология производства полевых транзисторов также прошла ряд этапов от сплавного транзистора с р-п переходом до планарного полевого транзистора со структурой металл — диэлектрик — полупроводник (МДП).

В 1958 г. был создан первый полевой транзистор с р-п переходом. Этот транзистор, названный технетроном, представлял собой германиевый сплавной прибор с управляющим переходом и равномерно легированным каналом, работающий на частотах мегагерцевого диапазона. На цилиндрическом германиевом стержне (рис. 1.13, а) вытравлялась канавка и в оставшийся тонкий перешеек вплавлялся электродный сплав, создающий кольцевой р-и переход (затвор). В этом полевом транзисторе для управления эффективным поперечным сечением полупроводникового стержня и, следовательно, его проводимостью, использовалась обедненная область р-и перехода, смещенного в обратном направлении.

На рис. 1.13, б показана конструкция изготовленного методом двойной диффузии планарного полевого транзистора с р-и переходом, работающего на том же принципе, что и технетрон. Каналом служит расположенный между двумя р-п переходами тонкий слой, тип проводимости которого противоположен типу проводимости исходного полупроводникового материала. В этой конструкции основным управляющим является верхний р-и переход, но могут использоваться и оба перехода, т.

е. подложка может играть роль второго затвора. !6 В 1962 г. на основе уже существующего планарного процесса был разработан конструктивно-технологический вариант полевого транзистора с металлическим затвором, изолированным от кремния тонким слоем окисла (рис. !.14). Затвор управляет током от одной диффузионной области (исток) к другой (сток). В МДП-транзисторах со встроенным каналом (рис.

1.14, а) его создают дополнительной диффузией, в транзисторах с индуцированным каналом канал возникает только при приложении к затвору потенциала, оттесняющего основные носители (дырки на рис. !.14, б). С начала производства МДП-транзисторов было ясно, что они схемотехнически и технологически очень подходят для изготовления интегральных микросхем. Первые микросхемы на МДП-транзисторах с использованием планарной технологии были выпущены в 1963 г., процесс их изготовления был значительно проще и содержал примерно вдвое меньше технологических операций, чем процесс изготовления биполярных транзисторов.

Они потребляли меньшую мощность, допускали более высокий уровень интеграции (не тратилась площадь кристалла на изоляцию элементов друг от друга), обходились значительно дешевле. Однако МДП-микросхемы имели и недостатки: были очень чувствительны к статическим зарядам, так как небольшое перенапряжение пробивало тонкий подзатворный окисел н выводило транзистор из строя; выход годных микросхем был мал из-за дефектов в тонком окисле; они обладали значительно меньшим быстродействием и их рабочие напряжения были выше, чем рабочие напряжения серий логических биполярных микросхем, выпускав)пихся в то время. Два последних недостатка существенно снизили спрос на МДП-микросхемы и затормозили нх массовый выпуск примерно до 1970 г. В настоящее время в производстве полупроводниковых приборов, интегральных микросхем на биполярных транзисторах и микросхем на МДП-транзисторах господствующее положение занимает планарная технология.

Существует более сотни различных ее модификаций. Движущей силой разработок новых вариантов планарной технологии явилась необходимость повышения: плотности размещения полупроводниковых приборов на кристалле; быстродействия микросхем; точности обработки материалов, качества и надежности микросхем и снижения их себестоимости Совокупность технологических операций любого варианта планарной технологии направлена на: формирование полупроводниковой структуры, содержащей необ- Рис 1.1В. Изменение минимального проектного раз.

мера элемеитоз (минимального расстояния между даумя линиями на топологии микросхемы) за счет созершенстаозания технологии ходимые р-и переходы; изоляцию элементов друг от друга (для интегральных микросхем на биполярных транзисторах); формирование межэлементных и внешних электрических связей; осуществление защиты полупроводникового прибора и интегральной микросхемы от внешних воздействий.

Первые микросхемы начала 60-х годов 1000 1070 1000 1000 Вйрй содержали всего 6...8 транзисторов, диоВлепл, еа0м дов и резисторов, которых хватало для выполнения микросхемой простой логической функции. Для реализации сложных функциональных блоков ЭВМ (процессор) требуется несколько сотен таких микросхем. Первые микросхемы выполнялись на кремниевых кристаллах площадью в несколько квадратных миллиметров, и минимальные геометрические размеры элементов топологии не превышали 20 мкм (рис.

1.15). Микросхемы связывались с внешними устройствами с помощью 8...10 выводов. Их быстродействие — время от момента поступления сигнала на вход до момента формирования выходного сигнала — обычно находилось в пределах 20...40 нс. За прошедшие годы полупроводниковая технология шагнула далеко вперед. Площадь кристалла увеличилась более чем в 10 раз. К середине 1970 г. минимальный проектный геометрический размер элементов микросхем уменьшился до 10 мкм, в конце 70-х годов обычным для производства микросхем стал размер 4 мкм, сейчас получены экспериментальные образцы микросхем с минимальным размером 1,5 мкм и даже 1 мкм.

Этому способствовали высокая чистота, малая дефектность используемых материалов, высокий уровень технологии, что позволило перейти к выпуску микросхем с большой площадью, на которой располагается значительно большее число элементов. Первые полупроводниковые микросхемы памяти, выпущенные в 1971 г., насчитывали 128 запоминающих элементов, каждый из которых хранил 1 бит информации.

Сегодня выпускаются сверхбольшие интегральные схемы (СБИС) памяти с информационной емкостью 256 тыс. бит, содержащие в том же кристалле и схемы управления этой памятью. Сегодняшняя полупроводниковая технология позволяет создавать на одном кристалле 10з...10' соединенных между собой элементов — это высшая из достигнутых степеней интеграции элементов в одном монолитном кусочке материала. 18 В настоящее время мы в состоянии сделать вывод; как бы не были велики нынешние достижения технологии, они представляют собой всего лишь основу для дальнейшего роста быстродействия, степени интеграции микросхем (как минимум еще на порядок) и перехода на субмикронные минимальные геометрические размеры элементов (соизмеримые с размерами некоторых бактерий и молекул ДНК).

Вместе с тем уже оценены и физические пределы существующей микроэлектронной техники и технологии. 1.3. ИЗДЕЛИЯ МИКРОЭЛЕКТРОНИКИ: КЛАССИФИКАЦИЯ, ТЕРМИНЫ, ОПРЕДЕЛЕНИЯ Выц1е уже использовались основные термины интегральной электроники: микросхемы, большие (БИС) и сверхбольшие интегральные схемы, микропроцессоры (МП) и др.

Перед дальнейшим изложением материала конкретизируем и поясним специальную терминологию, используемую в микроэлектронике. Интегральная микросхема (микросхема) — это конструктивно законченное микроэлектронное изделие, выполняющее определенную функцию преобразования информации, содержащее совокупность электрически связанных между собой электрорадиоэлементов (транзисторов, диодов, резисторов, конденсаторов и др.), изготовленных в едином технологическом цикле.

Термин «интегральная микросхемаз отражает суммирование, объединение значительного числа электрорадиоэлементов (ЭРЭ) и соединяющих их проводников в единую конструкцию (конструктивная интеграция), выполнение функций преобразования более сложных по сравнению с функциями отдельных ЭРЭ (схемотехническая интеграция), создание одновременно всех ЭРЭ и межэлементных соединений в едином технологическом цикле (технологическая интеграция), Микросхемы изготовляют групповым методом по материалосберегающей технологии, тиражируя одновременно в одной партии от нескольких десятков до нескольких десятков тысяч микросхем.

По конструктивно-технологическому исполнению микросхемы делят на три группы: полупроводниковые, пленочные и гибридные (рис. 1.16). В полупроводниковой интегральной микросхеме все элементы и межэлементные соединения выполнены в объеме и на поверхности полупроводниковой подложки. На рис. !.16, а, б показаны два варианта изготовления фрагмента полупроводниковой ИС, содержащего транзистор, два резистора и конденсатор.

В первом варианте транзистор, оба резистора и одна из обкладок конденсатора сформированы в полупроводниковой подложке. Во втором варианте все пассивные элементы выполнены по тонкопленочной, а транзистор по полупроводниковой технологии. Элемент интегральной микросхемы — это ее неотделимая составная часть, выполняющая функцию какого-либо электрорадиоэле- 19 5 7 н) 7 5 б ) 8 Рнс. 1,1о. Варианты иоиструктинио-технологического исполнении интегральных микросхем: н — вовупрововнн«сввп; б — совнеменнап; е — тнбрпдна», е — скеыа впектрнвеска» прннннпнвнвнап, ь..е — выводы «онтнптные ппощвдкн; б — по«нонка; б — ревнсторы; р — трапвнсторы; б — «паде«се.