Дьюб Динеш С. Электроника - схемы и анализ (2008) (1095413), страница 36
Текст из файла (страница 36)
Эти элементы соединяются между собой проводами или проводящими дорожками печатной платы. У интегральной схемы все элементы схемы и соединительные проводники созданы на маленьком кристалле полупроводника. Кристалл может содержать огромное количество транзисторов, диодов, а так же резисторов и конденсаторов, соединенных между собой в требуемом порядке. Катушки индуктивности обычно не создаются как часть интегральной ~~( 214 Глава 8.
Производство интегральных схем схемы, потому что их изготовление требует другого набора технологических операций — так что индуктивностей в интегральных схемах по возможности избегают. Каждая ИС имеет внешние контакты, называемые выводами, к которым подключаются напряжение питания, земля, подаются входные сигналы и снимаются выходные. Классификация ИС ИС можно подразделять на линейные и цифровые. Линейные интегральные схемы работают в линейных (активных) областях характеристик. Линейные ИС, также называемые аналоговыми, работают в аудиосистемах, усилителях высокой частоты, усилителях мощности, в качестве операционных усилителей (ОУ), модуляторов, стабилизаторов напряжения и т. п. В отличие от линейных ИС, цифровые интегральные схемы содержат узлы, которые имеют два состояния и переключаются из одного состояния в другое (состояния 0 и 1).
Цифровые ИС применяются во всех типах логических схем, памяти, цифровых измерениях, цифровых коммуникационных системах. Для обеспечения совместимости линейных и цифровых ИС, существуют интегральные схемы сопряжения, содержащие как линейные, так и цифровые цепи. Примеры интегральных схем сопряжения (интерфейсных схем) — аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи (АЦП и ЦАП). Интегральные схемы, полностью изготовленные на одном кристалле, называют монолитными. Если одна или несколько монолитных ИС соединяются с резисторами и конденсаторами, изготовленными по тонкопленочной или толстопленочной технологии, и размещаются в одном корпусе, они называются гибридными интегральными схемами.
По степени интеграции ИС подразделяются на МИС, СИС, БИС, СВИС и т. д. в зависимости от числа элементов в одном кристалле. Приблизительные границы этой классификации следующие: 8.2. Полупроводниковые материалы Первый транзистор был изготовлен Бардиным, Браттейном и Шокли в 1947 году из германия.
При изготовлении интегральных схем германий, однако не применяется по следующим двум причинам: вло °, р,,тф 1. Трудно получить окись германия на поверхности кристалла. В этой главе будет показано, что образование слоя окиси на полупроводнике — один из главных этапов в большинстве технологий производства ИС; 2.
Из-за малой ширины запрещенной зоны (Жя —— 0,67 эВ) германий имеет низкую устойчивость к температуре и работает только до 70 'С. Кремний более подходящий материал для производства ИС. Подавляющее большинство интегральных схем изготовлено из него. Крем- ний имеет следующие достоинства; на поверхности Я легко образуется окись кремния; поскольку ширина запрещенной зоны кремния 1,12 зВ, кремниевые приборы менее чувствительны к температуре и работают до более высоких температур, чем германиевые; кремний входит в состав обыкновенного строительного песка, т, е. в изобилии встречается в природе, поэтому это недорогой материал. Еще один материал, применяемый при производстве интегральных схем, — полупроводниковое соединение арсенид галлия (СаАя). У СаАе ширина запрещенной эоны 1,42 эВ, а подвижность электронов в десятки раз больше, чем у кремния.
Высокая подвижность электронов позволяет приборам из СаАе работать на гигзгерцовых частотах. Далее, СаАя в отличии от кремния — полупроводник, имеющий запрещенную зону с прямыми переходами, это важное свойство для некоторых приборов, например для солнечных элементов.
Однако из-за таких технологических трудностей, как трудность образования окиси и большая плотность дефектов, применение СаАя ограничено высокочастотными высокопроизводительными приборами. В этой главе будут рассматриваться только кремниевые интегральные схемы, хотя большинство технологических этапов кремниевых ИС представляют общий интерес и также применимы при производстве ИС из других материалов.
8.3. Очистка материала Для производства интегральных схем требуется кремний высочайшей чистоты, т. е. кремний должен быть свободен от нежелательных электрически активных примесей во всем объеме, чтобы его свойства определялись только легирующими примесями. Для этого концентрация нежелательных примесей должна быть не менее чем на два порядка меньше, чем ~~~216 Глава 8. Производство интеерал»ных схем минимальная концентрация легирующих примесей. Типичный уровень легирования для разных приборов лежит от 10»в до 10зо атомов на см», а так как атомов кремния в 1 см около 10~~, это дает минимальную концентрацию легирующей примеси — один атом на 10 (10 миллионов) атомов кремния. В итоге, кремний»приборной чистоты» должен содержать не более одного атома загрязнения на 10в (1 миллиард) своих атомов.
Чистоту полупроводника часто обозначают числом девяток, например»чистота 6 девяток» означает, что чистота материала 99,9999 % Кремний получают из диоксида кремния (который содержится в обычном песке). Металлургический чистый кремний (чистота 90 %) получают очисткой от углерода в дуговой печи при температуре около 2000 'С, затем он превращается в треххлористый кремний (ЙНС1з) и очищается дальше. Чистый треххлористый кремний отделяется от других соединений хлора фракционной перегонкой. Из очищенного треххлористого кремния при помощи водорода выделяется поликристаллический кремний полупроводниковой чистоты, состоящий из мелких случайно ориентированных кристаллов.
Существующие технологии позволяют вырастить почти правильный бездефектный монокристалл в форме цилиндра диаметром 20 — 30 см и высотой до метра. Это достигается при помощи технологий, описанных далее. Выращивание кристалла Монокристалл кремния выращивается из поликристаллического кремния (также называемого поликремнием) по одному из двух методов: — метод Чохральского; — метод плавающей зоны. Метод Чохрольскозо Поликремний расплавляется в кварцевом тигле в атмосфере инертного газа (обычно аргона). Температура расплава поддерживается чуть выше 1412' (температура плавления кремния). Высококачественный кристалл-затравка с требуемой кристаллической ориентацией вводится в расплав.
Кристалл-затравка вращается, как показано на рис. 8.1. Для лучшего смешивания и поддержания температурной однородности, тигель медленно вращается в обратную сторону. Часть кристалла-затравки плавится в расплаве кремния для снятия деформированной части поверхности. После этого кристалл-затравка медленно вытягивается из расплава. По мере вытягивания кристалла, он затвердевает и образуется большой кристалл.
В течение всего процесса выращивания кристалла тщательно поддерживаются необходимые условия, которые постоянно контролируются. гл о ° °, .р,, гп) Поэтому кристалл в результате имеет ту же ориентацию, что и кристалл- затравка. Управляя скоростью вытягивания и температурой, можно получить требуемый диаметр кристалла. Современные технологии позволяют выращивать кристаллы диаметром от 20 до 30 см. Таким образом формируется цилиндрическая кремниевая монокристаллическая >болванка>. затравки Кристалл-затравка о о о о о Катушка нагревателя Кварцевый тигель Рис. 8.1.
Схема установки для выращивания кристаллов гю методу Чохральского Метод Чохральского можно использовать для выращивания как собственных, так и легированных полупроводников. В расплав кремния можно добавить строго контролируемое количество (доли миллиграмма на килограмм кремния) легирующего элемента. Для лучшего контроля процесса предпочтительнее добавлять вместо легирующего элемента малое количество сильнолегированного кремния. Однако в вытянутом кристалле концентрация легирующей примеси обычно меньше, чем в расплаве. Это происходит из-за выбрасывания легирующих элементов из кристалла обратно в расплав, поэтому в расплаве, по мере роста кристалла, увеличивается концентрация примеси.
Следовательно, верхний конец кристалла (где кристалл-заправка) имеет меньшую концентрацию примесей, чем нижний. При этом методе, неболыпой градиент концентрации примеси имеется и вдоль радиуса кристалла. Растворение тигля в расплавленном кремнии вызывает загрязнение кристалла кислородом, поэтому метод Чохрзльского не применяется для получения высокоомного (20 — 100 Ом см) кремния. Метод плаваю>пей зоны В методе плавающей зоны стержень из поликристаллического кремния закрепляется вертикально и вращается (для однородности процесса). Небольшая часть стержня (высотой 2-3 см) около кристалла-затравки расплавляется высокочастотным индукционным нагревом. Это иницииру- ~~~218 Глава 8.
Производство интегральных схем ет кристаллизацию. Плавающая зона затем медленно поднимается вслед за поднимающейся высокочастотной катушкой снизу вверх (рис. 8.2) При движении плавающая зона поднимает с собой загрязнения. Это происходит потому, что загрязнений больше в жидкой фазе, чем в твердой фазе. Таким способом производится хорошо очищенный, высококачественный монокристалл кремния.
Рис. 8.2. Схема установки дла процесса плавающей зоны Вр ение ~ — — Держатель Стержень оликремнив Индукцион катушка Расплавленн зона онокриствлл Кристалл-за ржатель затравки Вращение Подготовка пластин Сначала болванка монокристелла кремния растачивается до точного диаметра.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
