2. Классификации полупроводниковых интегральных схем.

В зависимости от степени интеграции применяются следующие названия интегральных схем:

• малая интегральная схема (МИС) — до 100 элементов в кристалле,

• средняя интегральная схема (СИС) — до 1000 элементов в кристалле,

• большая интегральная схема (БИС) — до 10000 элементов в кристалле,

• сверхбольшая интегральная схема (СБИС) — более 10 тысяч элементов в кристалле.

Ранее использовались также теперь устаревшие названия: ультра большая интегральная схема (УБИС) — до 1 миллиарда элементов в кристалле и гига большая интегральная схема (ГБИС) — более 1 миллиарда элементов в кристалле, но в настоящее время название УБИС и ГБИС практически не используется (например, последние версии процессоров Itanium, 9300 Tukwila, содержат два миллиарда транзисторов), и все схемы с числом элементов, превышающим 10 000, относят к классу СБИС.

В зависимости от технологии изготовления :

• Полупроводниковая микросхема — все элементы и межэлементные соединения выполнены на одном полупроводниковом кристалле (например, кремния, германия, арсенида галлия, оксид гафния).

• Плёночная интегральная микросхема — все элементы и межэлементные соединения выполнены в виде плёнок:

  • толстоплёночная интегральная схема;

  • тонкоплёночная интегральная схема.

• Гибридная микросхема (также микросборка) — кроме полупроводникового кристалла содержит несколько без корпусных диодов, транзисторов и(или) других электронных компонентов, помещённых в один корпус.

• Смешанная микросхема — кроме полупроводникового кристалла содержит тонкоплёночные (толстоплёночные) пассивные элементы, размещённые на поверхности кристалла.

В зависимости от вида обрабатываемого сигнала :

• Аналоговые.

• Цифровые.

• Аналого-цифровые.

Аналоговые микросхемы — входные и выходные сигналы изменяются по закону непрерывной функции в диапазоне от положительного до отрицательного напряжения питания.

Цифровые микросхемы — входные и выходные сигналы могут иметь два значения: логический ноль или логическая единица, каждому из которых соответствует определённый диапазон напряжения. Например, для микросхем типа ТТЛ при напряжении питания +5 В диапазон напряжения 0…0,4 В соответствует логическому нулю, а диапазон 2,4…5 В — логической единице; а для микросхем ЭСЛ-логики при напряжении питания −5,2 В диапазон −0,8…−1,03 В — логической единице, а −1,6…−1,75 В — логическому нулю.

Аналого-цифровые микросхемы совмещают в себе формы цифровой и аналоговой обработки сигналов.

3. Технология изготовления полупроводниковых интегральных схем.

Технологический процесс производства полупроводниковых приборов и интегральных микросхем (микропроцессоров, модулей памяти и др.) включает нижеследующие операции.

Механическую обработку полупроводниковых пластин — получают пластины полупроводника со строго заданной геометрией, нужной кристаллографической ориентацией (не хуже ±5 %) и классом чистоты поверхности. Эти пластины в дальнейшем служат заготовками в производстве приборов или подложками для нанесения эпитаксиального слоя.

Химическую обработку (предшествующую всем термическим операциям) — удаление механически нарушенного слоя полупроводника и очистка поверхности пластины. Основные методы химической обработки: жидкостное и газовое травление, плазмохимические методы. Для получения на пластине рельефа (профилирование поверхности) в виде чередующихся выступов и впадин определённой геометрии, для вытравливания окон в маскирующих покрытиях, для проявления скрытого изображения в слое экспонированного фоторезистора, для удаления его заполимеризированных остатков, для получения контактных площадок и разводки в слое металлизации применяют химическую (электрохимическую) обработку.

Эпитаксиальное наращивание слоя полупроводника — осаждение атомов полупроводника на подложку, в результате чего на ней образуется слой, кристаллическая структура которого подобна структуре подложки. При этом подложка часто выполняет лишь функции механического носителя.

Получение маскирующего покрытия — для защиты слоя полупроводника от проникновения примесей на последующих операциях легирования. Чаще всего проводится путём окисления эпитаксиального слоя кремния в среде кислорода при высокой температуре.

Фотолитография — производится для образования рельефа в диэлектрической плёнке.

Введение электрически активных примесей в пластину для образования отдельных p- и n-областей — нужно для создания электрических переходов, изолирующих участков. Производится методом диффузии из твёрдых, жидких или газообразных источников, основными диффузантами в кремний являются фосфор и бор.

Термическая диффузия — направленное перемещение частиц вещества в сторону убывания их концентрации: определяется градиентом концентрации. Часто применяется для получения введения легирующих примесей в полупроводниковые пластины (или выращенные на них эпитаксиальные слои) для получения противоположного, по сравнению с исходным материалом, типа проводимости, либо элементов с более низким электрическим сопротивлением.

Ионное легирование (применяемое при изготовлении полупроводниковых приборов с большой плотностью переходов, солнечных батарей и СВЧ-структур) определяется начальной кинетической энергией ионов в полупроводнике и выполняется в два этапа:

• в полупроводниковую пластину на вакуумной установке внедряют ионы

• производится отжиг при высокой температуре

В результате восстанавливается нарушенная структура полупроводника и ионы примеси занимают узлы кристаллической решётки.

Получение омических контактов и создание пассивных элементов на пластине — с помощью фотолитографической обработки в слое оксида, покрывающем области сформированных структур, над предварительно созданными сильно легированными областями n+- или p+-типа, которые обеспечивают низкое переходное сопротивление контакта, вскрывают окна. Затем, методом вакуумного напыления всю поверхность пластины покрывают слоем металла (металлизируют), излишек металла удаляют, оставив его только на местах контактных площадок и разводки. Полученные таким образом контакты, для улучшения адгезии материала контакта к поверхности и уменьшения переходного сопротивления, термически обрабатывают (операция вжигания). В случае напыления на материал оксида специальных сплавов получают пассивные тонкоплёночные элементы — резисторы, конденсаторы, индуктивности.

Добавление дополнительных слоев металла (в современных процессах — около 10 слоев), между слоями располагают диэлектрик (англ. inter-metal dielectric, IMD) со сквозными отверстиями.

Пассивация поверхности пластины. Перед контролем кристаллов необходимо очистить их внешнюю поверхность от различных загрязнений. Более удобной (в технологическом плане) является очистка пластин непосредственно после скрайбирования или резки диском, пока они ещё не разделены на кристаллы. Это целесообразно и потому, что крошки полупроводникового материала, образуемые при скрайбировании или надрезании пластин, потенциально являются причиной появления брака при размалывании их на кристаллы с образованием царапин при металлизации. Наиболее часто пластины очищают в деионизированной воде на установках гидромеханической (кистьевой) отмывки, а затем сушат на центрифуге, в термошкафу при температуре не более 60° C или инфракрасным нагревом. На очищенной пластине определяются дефекты вносимые операцией скрайбирования и разламывания пластин на кристаллы, а также ранее проводимых операциях — фотолитографии, окислении, напылении, измерении (сколы и микротрещины на рабочей поверхности, царапины и другие повреждения металлизации, остатки оксида на контактных площадках, различные остаточные загрязнения в виде фоторезистора, лака, маркировочной краски и т.п.).

Тестирование неразрезанной пластины. Обычно это испытания зондовыми головками на установках автоматической разбраковки пластин. В момент касания зондами разбраковываемых структур измеряются электрические параметры. В процессе маркируются бракованные кристаллы, которые затем отбрасываются. Линейные размеры кристаллов обычно не контролируют, так как их высокая точность обеспечивается механической и электрохимической обработкой поверхности (толщина) и последующим скрайбированием (длина и ширина).

Разделение пластин на кристаллы — механически разделяет (разрезанием) пластину на отдельные кристаллы.

Сборка кристалла и последующие операции монтажа кристалла в корпус и герметизация — присоединение к кристаллу выводов и последующая упаковка в корпус, с последующей его герметизацией.

Электрические измерения и испытания — проводятся с целью отбраковки изделий, имеющих несоответствующие технической документации параметры. Иногда специально выпускаются микросхемы с «открытым» верхним пределом параметров, допускающих впоследствии работу в нештатных для остальных микросхем режимах повышенной нагрузки (см., например, Разгон компьютеров).

Выходной контроль (англ.), завершающий технологический цикл изготовления устройства весьма важная и сложная задача (так, для проверки всех комбинаций схемы, состоящей из 20 элементов с 75 (совокупно) входами, при использовании устройства работающего по принципу функционального контроля со скоростью 104 проверок в секунду, потребуется 1019 лет!)

Маркировка, нанесение защитного покрытия, упаковка — завершающие операции перед отгрузкой готового изделия конечному потребителю.

Технологии производства полупроводниковой продукции с субмикронными размерами элементов основана на чрезвычайно широком круге сложных физико-химических процессов: получение тонких плёнок термическим и ионно-плазменным распылением в вакууме, механическая обработка пластин производится по 14-му классу чистоты с отклонением от плоскостности не более 1 мкм, широко применяется ультразвук и лазерное излучение, используются отжиг в кислороде и водороде, рабочие температуры при плавлении металлов достигают более 1500 °C, при этом диффузионные печи поддерживают температуру с точностью 0,5 °C, широко применяются опасные химические элементы и соединения (например, белый фосфор).

Всё это обусловливает особые требования к производственной гигиене, так называемую «электронную гигиену», ведь в рабочей зоне обработки полупроводниковых пластин или на операциях сборки кристалла не должно быть более пяти пылинок размером 0,5 мкм в 1 л воздуха. Поэтому в чистых комнатах на фабриках по производству подобных изделий все работники обязаны носить специальные комбинезоны. В рекламных материалах Intel спецодежда работников получила название bunny suit («костюм кролика»).