63214 (Структура твердотельных интегральных микросхем), страница 2

Причинами образования «проколов» могут явиться неоднородности в светочувствительном слое (частицы пыли, пузырьки и т. п.), а также дефекты в рисунке фотошаблона («проколы» на непрозрачных участках рисунка или светонепроницаемые точечные дефекты на прозрачных участках). Элемент (а следовательно, и вся схема) выходит из строя при попадании дефекта в некоторую критическую зону. Например, в процессе эмиттерной диффузии примесей через проколы в окисной маске могут образоваться высоколегированные микрообласти n+-типа. Такие области, если они приходятся на граничную зону коллекторных и базовых областей, приводят к возникновению токов утечки через переход и пробою перехода (дефекты 2, см. рис. 2). Проколы в окисной маске, образующиеся при вытравливании в окисном слое окон под металлические контакты, приводят на этапе металлизации пластины к образованию паразитных контактов (дефекты 1, см. рис. 2) и к коротким замыканиям областей эмиттер — база, база — коллектор, резистор—изолирующая область и т. д.

Таким образом, для конкретной ИМС на каждом этапе обработки можно говорить о некоторой критической площади, обусловливающей вероятность выхода из строя интегральной микросхемы. Если обозначить S_кр критическую площадь кристалла ИМС, просуммированную по всем циклам фотолитографической обработки, d — среднее число проколов на единицу площади, а распределение числа проколов, приходящихся на кристалл ИМС, принять пуассоновским, то вероятность получения годного кристалла ИМС после всех операций обработки:

(1)

Из соотношения (1) прежде всего следует, что повышение степени интеграции уменьшает вероятность выхода годных ИМС, если площади элементов и качество процесса фотолитографии остаются на неизменном уровне. Таким образом, повышение степени интеграции ИМС должно сопровождаться уменьшением площади элементов и совершенствованием процесса формирования защитных фотомасок. Высокое качество фотомаски предполагает прежде всего отсутствие в фотослое пылевидных частиц, газовых (воздушных) включений, остатков растворителя, а также высокое качество фотошаблонов (низкую плотность дефектов). В свою очередь, при изготовлении фотошаблонов также используются фотомаски, к которым предъявляются еще более жесткие требования.

Для повышения качества фотолитографических процессов в производственных помещениях создают обеспыленную атмосферу, а для производственного персонала устанавливают определенные правила производственной гигиены.

С другой стороны, из выражения (1) видно, что повышение степени интеграции при неизменном качестве технологического процесса возможно за счет уменьшения площади, занимаемой элементами ИМС, и, следовательно, площади критических зон. К этому же результату приводит и сокращение числа циклов фотолитографии. Этот второй путь реализуется разработкой новых типов структур либо с уменьшенной площадью, либо таких, для производства которых требуется меньшее число фотолитографических циклов обработки (либо то и другое одновременно).

На рис. 6 представлены структуры ИМС (на примере инвертора). Сокращение площади структуры S в случае КМДП достигнуто заменой коллекторного резистора дополняющим (нагрузочным) МДП-транзистором, а в случае И²Л — многоколлекторным биполярным транзистором, причем благодаря применению n-р-n- и р-n-р-транзисторов достигается совмещение отдельных областей переключательного транзистора и транзистора-инжектора. Во всех трех случаях сохраняется свойство универсальности структур: каждая из них пригодна для построения широкого класса функциональных электронных устройств.

Рис. 6. Реализация инвертора с помощью различных структур:

а — эпитаксиально-планарной с питанием через резистор;

б — КМДП-структуры; в — с инжекционным питанием (И²Л)

Для создания устройств более узкого функционального класса могут быть использованы специальные структуры, позволяющие достичь высокой степени интеграции ИМС. Примером могут служить структуры на приборах с зарядовой связью (ПЗС), на которых могут быть построены сдвиговые регистры, запоминающие устройства и некоторые логические элементы.

3. Причины ограничивающие минимальные размеры интегральных микросхем

Для выбранной структуры ИМС минимальные размеры элементов ИМС в целом зависят от возможностей фотолитографического процесса, которые характеризуются тремя основными параметрами: 1) минимальным размером элемента, надежно воспроизводимым на полупроводниковой пластине, которым оценивается разрешающая способность процесса; 2) предельными отклонениями размеров элементов рисунка одного топологического слоя от номинальных; 3) предельным смещением рисунка одного топологического слоя относительно предыдущего (например, базового слоя относительно коллекторного, эмиттерного относительно базового и т. д.). Все эти параметры имеют характер технологических ограничений и учитываются при определении размеров областей в плане, т. е. при топологическом расчете. Основной тенденцией развития литографических процессов является повышение разрешающей способности этапа экспонирования рисунка.

Важнейшей причиной, ограничивающей минимальные размеры элементов при экспонировании через фотошаблон, является дифракция света. Поэтому стремятся использовать излучения с более короткими, чем световые, длинами волн (электронные, рентгеновские). В связи с этим все большее развитие получают электроно- и рентгенолитография.

Для реализации высоких потенциальных возможностей, заложенных в электроно и рентгенолитографии, "необходимы и более совершенные методы. травления, с тем чтобы уменьшить разброс в размерах элементов на полупроводниковой пластине. Применение химических растворов для избирательного травления, например окиси кремния, становится неприемлемым из-за бокового подтравливания, размеры которого нестабильны по площади пластины. Здесь перспективным является распыление ионной бомбардировкой при наличии защитной маски (вакуум-плазменное травление).

Наконец, для уменьшения погрешности совмещения топологических слоев ИМС требуются методы и средства совмещения шаблонов с подложкой, обладающие повышенной точностью, а также специальные приемы структурно-топологического проектирования, позволяющие достичь эффекта самосовмещения. Технологически самосовмещение достигается за счет естественных физико-химических механизмов, для чего необходимо расширять круг технологических методов обработки (осаждение из газовой фазы, электролитическое окисление и наращивание, ионное легирование и т. п.).

Повышение качества маскирующих пленок, разработка структур малой площади, совершенствование процессов литографии — все это прямой, естественный путь повышения степени интеграции ИМС. Он отражает непрерывный эволюционный процесс совершенствования производства ИМС, постепенного накопления условий и возможностей для повышения степени интеграции.

4. Микросборка оптоэлектронные ИМС

Требования разработки сложных функциональных устройств в миниатюрном исполнении опережают возможности интегральной технологии и заставляют прибегать к компромиссным конструктивно технологическим решениям. Одно из таких решений — объединение ряда кристаллов ИМС средней степени интеграции с помощью пленочных межсоединений на общей диэлектрической подложке и в общем корпусе [создание так называемой микросборки (рис. 7)].

Рис. 7. Микросборка цифрового устройства:

а — общий вид (со снятой крышкой);

б — кристалл ИМС и участок межсоединений.

В общем случае микросборка представляет собой изделие типа большой гибридной интегральной микросхемы, включающее элементы, компоненты и (или) интегральные микросхемы (корпусные и безкорпусные). Микросборки позволяют в малых размерах реализовать устройства со сложными функциями. Их разрабатывают и изготовляют применительно к конкретной радиоэлектронной аппаратуре с целью улучшения показателей ее миниатюризации. Типовой элемент замены (ТЭЗ) современных ЭВМ обычно выполняют на основе многослойной печатной платы (МПП) и набора ИМС в индивидуальных корпусах. Освобождая кристаллы ИМС от корпусов и заменяя печатный монтаж пленочными микросоединениями, получают микросборку, выполняющую функции ТЭЗ, но обладающую малыми размерами и массой. Этот пример иллюстрирует общую тенденцию в развитии конструкций ЭВА, сопровождающую процесс повышения степени интеграции ИМС (передачу ей функций ТЭЗ, передачу ТЭЗ функций панели или блока и т. д., в том числе замену печатными платами трудоемкого .проводного монтажа) и состоящую в проникновении ИМС на все более высокие уровни функциональной иерархии ЭВА. Это объективно приводит к повышению технологичности конструкций ЭВА.

Использование микросборок дает возможность преодолеть и еще одно противоречие, порождаемое требованием повышения степени интеграции, а именно: сужение области применения функционально сложных ИМС, увеличение их номенклатуры и связанные с этим трудности стандартизации. Поскольку микросборка представляет собой набор кристаллов ИМС средней степени интеграции, производство которых обособлено от производства собственно микросборок, появляется возможность изготовлять микросборки по единой типовой технологии независимо от состава кристаллов ИМС и функционального назначения микросборки.

Высокий процент выхода годных БИС может быть достигнут за счет элементной избыточности. При проектировании топологии функциональную схему БИС расчленяют на ряд составных функциональных частей (ячеек), каждую из которых дублируют в пределах кристалла БИС несколько раз, образуя группы. После формирования структур создают первый уровень межсоединений и периферийных контактов в пределах каждой ячейки. В результате контроля на функционирование определяют дефектные ячейки.

Второй уровень межсоединений (а при необходимости и третий) объединяет группы ячеек в общую систему, причем дефектные и неиспользуемые годные ячейки отключают от общей схемы путем' разрыва проводников с помощью лазера или фотолитографии.

Микросборки и метод элементной избыточности — это компромиссное решение задачи повышения степени интеграции, так как оба метода основаны на использовании экономически целесообразной степени интеграции ячеек — составных частей БИС. В.первом случае дефектные ячейки-кристаллы отбраковываются на ранних стадиях процесса и не пропускаются на сборку, во втором — сохраняются в составе кристалла, увеличивая его площадь. Однако во втором случае обеспечиваются более высокие быстродействие и надежность.

Конструкторско-технологические возможности для повышения степени интеграции ИМС далеко не исчерпаны. Однако уменьшение размеров элементов требует и снижения потребляемой ими мощности, что влечет за собой снижение быстродействия, помехоустойчивости, надежности. Уменьшение объемов, занимаемых элементами, приводит к тому, что флуктуации электрофизических свойств полупроводникового материала в микрообъемах снижают воспроизводимость параметров элементов даже в пределах одного кристалла.

Выход из положения — отказ от традиционных методов построения функциональных схем как совокупности простейших элементов (транзисторов, диодов, резисторов) и разработка элементов с более широкими функциональными возможностями. Такие возможности открывает функциональная микроэлектроника. В функциональной микроэлектронике носителем информации является многомерный сигнал, параметрами которого управляют динамические неоднородности среды, возникающие под действием управляющего сигнала. Например, в оптоэлектронных ИМС носителем информации является оптический сигнал, который может быть промодулирован по интенсивности (амплитуде), фазе, поляризации иди длине волны (частоте). Поскольку в качестве управляющих (в частности выходных) сигналов удобнее использовать электрические сигналы, функциональная ИМС может включать в себя несколько звеньев «фотон-электронного» и «электрон-фотонного» преобразования.

Рис. 8. Фрагмент структуры оптоэлектронной ИМС

На рис. 8 приведен фрагмент монолитной оптоэлектронной ИМС где происходит преобразование типа «электрон-фотон-электрон». Для модуляции оптического сигнала в ней могут быть использованы электрооптический (изменение показателя преломления), магнитооптический (поворот плоскости поляризации) и другие эффекты.

Развитие различных направлений функциональной микроэлектроники базируется на исследованиях новых материалов (прежде всего полупроводниковых) и новых методах их обработки. Подобно тому, как основой микроэлектроники в начале ее развития был опыт производства полупроводниковых приборов, в функциональной микроэлектронике используется весь арсенал технологических методов и средств современной микроэлектроники.

Выводы

Процесс создания полупроводниковой микросхемы сводится к формированию в приповерхностном слое полупроводниковой пластины элементов (транзисторов, диодов, резисторов) и к последующему их объединению в функциональную схему пленочными проводниками по поверхности пластины (межсоединения).

Структура ИМС используеться для характеристики типа применяемых в ИМС транзисторов, а также технологических методов их изготовления.

Степень интеграции - показатель степени сложности ИМС, характеризуемой числом элементов, полученных с помощью интегральной технологии на общем кристалле.

Литература

1. Достанко А. П. Технология интегральных схем. – Мн.: Вышэйшая школа, 1982. – 207 с.

2. Парфенов О. Д. Технология микросхем. – М.: Высшая школа, 1986. – 320 с.

3. Аваев Н. А., Наумов Ю. Ф., Фролкин В. Т. Основы микроэлектроники. – М.: Радиосвязь, 1991.

4. Гурский Л. И., Зеленин В. А., Жебин А. П., Вахрин Г. Л. Структура, топология и свойства тонкопленочных резисторов. - Мн.: Наука и техника, 1987. – 369 с.