Герасимов В.Г. (ред). - Электрические измерения и основы электроники (1998) (529641), страница 19
Текст из файла (страница 19)
Производство интегральных микросхем — сложный процесс, сосгояшнй из ряда многократно повторяющихся, дота яьно разработанных технологических операций, некоторые из которых рассмотрены ниже Вкисленив пластины кремния производят при температуре порядка 1000' С в среде влажного кислорода до образования на ее поверхности пленки диокснда кремния ЯОз толщиной от 0,1 до 2 мкм Эта пленка является хорошим диэлектриком, защищает пластину от воздействия внешней среды и является непроницаемой для атомов примесей.
Фотолитография используется для избирательной защиты отдельных участков пластины при последующей обработке. На поверхность пластины наносят фоточувствительный слой, который засвечивают через фото- шаблон с прозрачными и непрозрачными уьастками в соответствии с рисунком требуемой конфигурации После проявления н специальной обработки фотослоя отдельные его участки в зависимости от засветки растворяются, а другие задубливаются.
Таким образом обеспечивается локальный доступ к поверхности пластины. Разрешающая способность фотолитографии около 2 мкм. Электроннолучевая литография Гэлектролитография), использующая для засветки электронный луч, позволяет создавать рисунки с минимальным размером элементов до 0,1 мкм. Травление — растворение плавиковой кислотой пленки ЙОз на незащищенных участках полупроводниковой пластины, в результате в з;щит-- ной окисной пленке образуются «окна», открывающие доступ к поверхности самого кристалла.
.7иффузия применяется для формирования р- и и-областей на заданных участках полупроводника Для этого при температуре порядка 1200 "С пластину помещают в атмосферу газа с атомами примесси, котоРые диффундируют в полупроводник через окна в пленке 510~ И ~меняя тип и концентрацию примесей получают заданную многослоиную Р-и-структуру в толще полупроводника. Количество введенных прнмесеи сильно зависит от точности поддержания заданной температуры и плохо контролируется.
Более сложная технологически двухэтапная диффузия позволяет более точно дозировать количество введенных примесей и. ~роме того, в конце процесса обрабатываемый участок оказывается покРытым защитной окисной пленкой %0~. ГХонное легарование состоит в облучении полупроводниковон пласти"ы Ускоренными до определенной скорости ионами примесей. Этот процесс достаточно хорошо контролируется Эпитаксия — процесс ориентированного наращивания путем осажде"ня при высокой температуре слоя полупроводника на поверхности полу- 2 7 Рис 2 30 Конструкция конденсатора в гибридной микросхеме 1 — диэлектрик, 2 — обкладки, 3 — подложка а) б) Рис 2 29 Конфигурация резисторов в гибридной микросхеме с малым (а) и большим (б) сопротивлениями проводниковой пластины При этом осаждаемый полупроводник является как бы продолжением пластины, повторяя ее структуру (монокристалли.
ческую или поликристаллическую) Введение в осаждаемую фазу приме. сей позволяет получить эпитаксиальный слой с заданной электропровод. ностью при равномерном распределении примесей в объеме слоя Напъыение применяется для создания контактных площадок и проводников, производится в вакууме путем осаждения паров соответствующих материалов на поверхность через маску с прорезями заданной конфигурации Гибридные интегральные микросхемы. В качестве подложки для микросхемы используется пластина размерами от 10 х 10 мм до 60 х 60 мм и толщиной 0,3 — 1,5 мм из керамики, стекла или другого изоляционного материала Методом напыления через маски нли нанесением специальных паст формируют пленочные резисторы, конденсаторы, дроссели, проводники и контактные площадки Активные элементы — бескорпусные диоды, транзисторы, полупроводниковые микросхемы, а также пассивные элементы, которые не могут быть выполнены в виде пленок, являются навеснь|ми и подсоединяются к контактным площадкам пайкой илн микросваркой Г1леночные резиспгопы получают методом напыления на подложку хрома, нихрома или других материалов Сопротивление резистора зависит от типа, материала, толщины напыляемого слоя, геометрических размеров и конфигурации проводящей дорожки На рис 2 29 показана конфигурация резистора с малым (а) и большим (б) сопротивлениями Этот метод дает возможность получать резисторы сопротивлением от долеи ома до десятков килоом Применение металлоднэлектрических смесей дает возможность доводить сопротивление резисторов до десятков мегаом Площади пленочных резисторов составляют 0,1 — 0,2 мм 2 ! 2 Ф .7 Рис 2 31 Крепление навесных компонентов в гибридной микросхеме !в навесной компонент, 2 — шариковые выводы, 3 — подложка, 4 — контакты Гибридной микросхемы Рис 2 З2 Обт.~ий вил монтажа гиб- ридной микросхемы 1 3 Рис 2 33 Г бр д ° т микр хема а корпусе 99 оценочные конденсаторы представляют собой структуру, состоящую из двух металлических пленок, разделенных пленкой диэлектрика, тол,циной порядка 0,05 мкм (рис 2 30) Площадь конденсатора в зависимоси от значения емкости составляет от 0,1 мм до 1 см Емкость пленоч- г 2 ных конденсаторов может достигать десятков тысяч пикофарад Индуктивные катушки изготавливают в виде пленочных спиралей с малым шагом, но из-за их малой индуктивности (до 10 мГн) используются крайне редко Проводники выполняются в виде пленочных дорожек толщинои 0 5 — 1мкм и шириной 0,1 — 0,2 мм из металлов с высокой удельной электрической проводимостью (алюминия, меди, золота) Навесные элементы приклеиваются к подложке, а их гибкие электрические выводы припаиваются или привариваются к контактным площадкам Широкое распространение получили активные компоненты с шариковыми выводами, которыми они устанавливаются на контактные площадки и соединяются с ними ультразвуковой сваркой (рис 2 31) Внешнии вид гибридной микросхемы без корпуса показан на рис 2 32 Готовая микросхема помещается в защитный металлический или пластмассовыи корпус с выводами для подсоединения к внешним электрическим цепям Общий вид одного из типов гибридных микросхем в металлостеклянном корпусе показан на рис 2 33 Полупроводниковые интегральные микросхемы.
В качестве исходного полупроводника используется, как правило, монокристаллический кремний с электропроводностью и- или р- типа. В соответствии с разработанным рисунком расположения элементов микросхемы в определенных областях кристалла методом эпитаксии или диффузии осуществляется введение атомов примесей. Изменяя тип примесей и их концентрацию создают в этих областях структуры из одного и более послойно расположенных р-и -переходов.
В дальнейшем эти области используются в качестве транзисторов, диодов, резисторов, конденсаторов. Изоляция между элементами осуществляется либо с помощью пленки Я02, либо смещенными в обратном направлении р-и-переходами. Необходимые электричсскис соединения выполняются напылением в вакууме тонкого слоя алюминия Бииолярные транзисторы в полупроводниковой микросхеме представляют собой трехслойную структуру и-р-и- или р-и-р-типа.
Из униполярных (полевых) транзисторов предпочтение отдается МДП-транзисторам с изолирующей пленкой %02 между затвором и каналом. В качестве диодов часто используются биполярные транзисторы в диодном включении. при котором базовый вывод транзистора соединяется с коллектором или эмиттером. Резисторами в полупроводниковых ИМС служат участки полупроводника, легированного примесями методом диффузии. Значения сопротивлений таких резисторов зависят от размеров и формы участка, от режима диффузии и не превышают нескольких десятков килоом.
В качестве высокоочных резисторов сопротивлением до нескольких сотен килоом могут быть использованы входные сопротивления эмиттерных повторителей ~биполярные транзисторы в специальном включении). В качестве конденспторое используются обратно-смещенные р-и-переходы. Из-за малой площади р-и-перехода емкость таких конденсаторов обычно нс выше нескольких сотен пикофарад. Индуктивные элементы в полупроводниковых ИМС практически не используются из-за большой грудности их изготовления Все одноименные элементы транзисторов выполняются одновременно в едином технологическом цикле.
Резисторы и конденсаторы формируются одновременно с формированием отдельных областей транзисторов. При изготовлении полупроводниковых микросхем многократно в определенной последовательности выполняются описанные выше технологические операции — окисление, травление, эпитаксия и т.д. Избирательная защита отдельных участков пластины обеспечивается с помощью фотолитографии и использованием соответствующих масок. На рис 2.34 показана последовательность получения изолированных областей и-кремния. Вначале на пластину исходного и-кремния методом фотолит итографии наносят защитную маску и проводят избирательное травлен ение исходного кристалла (рис 2 34,а). Затем после смывания маски осущ уществляют окисление поверхности кристалла кремния, на котором о ра бразуется изоляционный слой (рис.
2. 34,6). На поверхность, защищенную слоем %02, напыляют или выращивают в про роцессе эпитаксии слой поликристаллического кремния (рис 2 34.в) наконец, после повторного травления исходного кристалла кремния образуютс тся изолированные области кремния и-типа (рис.234.г ). В этих изолиров ованных областях — "карманах" — с помощью диффузии примесей (акцепторных и затем донорных) создаются участки с электропроводностью р- и л-типов (рис.2,35), которые образуют требуемые элементы микросхемы Соединение микросхемы с внешними выводами осуществляют золотыми или алюминиевыми проводниками диаметром около 1() мкм Такис проводники присоединяют к золотым или алюминиевым пленкам методом термокомпрессии и приваривают к внешним выводам микросхемы Общий вид микросхем без корпуса показан на рис 2.36.
Полупроводниковые интегральные микросхемы в сборе помешают в металлический или пластмассовый корпус Изготовление сразу большого количества микросхем в едином технологическом цикле позволяет существенно усложнять их схему и увеличивать количество активных и пассивных элементов практически без повышения трудоемкости изгсговления Транзистор Диод Резисгор Проаоан""н ар и р и и ЬЧ а) «а грасееиие б) Рис 2 35 Структура полупроводнико- вой микросхемы кискеиие Пкей Йои Неееируюи(ий декисюи исхсдкесе .сс сесй Бзкви к юиии( киркзеи з г) Поеикрисюаккический Рис 2 36 Общий вид кристалла в полупроводниковой микросхеме Рис 2 34 Этапы изготовлегпгя изолированных областей (икарманов») в кремниевой пластине Технологически достаточно сложно получить на одном кристалле транзисторы разных типов, поэтому, применяя соответствующие технологии, полупроводниковые микросхемы изготавливают либо на биполярных, либо на полевых транзисторах.
Конструкция полупроводниковых ИМС на основе МД11-транзисторов существенно проще, чем на основе биполярных. Изготовленные на одной подложке, МДП-транзисторы полностью изолированы друг от друга и не требуют специальной изоляции, что значительно повышает плотность расположения элементов на кристалле. В настоящее время наибольшее распространение получила ~панарноэлитакгппльппя технология изготовления микросхем с межэлементной изоляцией на основе обратно-смещенных р-л-переходов.