12. Правила конструирования тонкопленочных гис, порядок разработки топологии тонкопленочных гис. Последовательность технологических операций при изготовлении гис.

ПРАВИЛА КОНСТРУИРОВАНИЯ ТОНКОПЛЕНОЧНЫХ ГИС

1. плата ГИС должна иметь ключ - нижняя левая контактная площадка в виде Δ или □

2. однотипные навесные компоненты с одинаковым диаметром и материалом гибких выводов ориентированы одинаково

3. регулярное расположение компонентов

4. компоненты можно устанавливать на защищенные пленочные элементы

5. проволочные выводы компонентов должны быть приклеены

ПОРЯДОК РАЗРАБОТКИ ТОПОЛОГИИ ТОНКОПЛЕНОЧНЫХ ГИС

1. определение ориентации и местоположения элементов и компонентов для минимизации перечений проводников и их длины, обеспечения теплоотвода и исключения паразитного взаимовлияния

2. выбор материалов и конфигураций пленочных элементов

3. определение площади подложки, выбор типоразмера и согласование с размерами корпуса

ПРИМЕР ТОПОЛОГИИ

ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТЬ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ОПЕРАЦИЙ ПРИ ИЗГОТОВЛЕНИИ ГИС

13. Особенности толстопленочной технологии. Микросборки. Навесные компоненты гис.

ОСОБЕННОСТИ ТОЛСТОПЛЕНОЧНОЙ ТЕХНОЛОГИИ

1. основной материал подложки – керамика

2. поверхность подложки более шероховатая чем для тонких пленок, так как шероховатость улучшает адгезию толстых пленок (10-70 мкм)

3. максимальный размер платы – 60х48 мм при толщине 0.6 или 1.0 мм

4. требуется лазерная подгонка номиналов из-за низкой точности формирования элементов

МЕТОД НАНЕСЕНИЯ ТОЛСТЫХ ПЛЕНОК

ШЕЛКОГРАФИЯ ИЛИ ТРАФАРЕТНАЯ ПЕЧАТЬ:

1. продавливание пастообразного материала с требуемыми свойствами через сетчатый трафарет с открытыми и закрытыми участками

2. пасты из материалов с различными электрофизическими свойствами: проводящими, резистивными (мелкодисперсионные порошки металлов с размером частиц порядка единиц микрон) и диэлектрическими (порошок керамики).

БЕСКОНТАКТЫЙ СПОСОБ ТРАФАРЕТНОЙ ПЕЧАТИ

ПОРЯДОК ВЖИГАНИЯ ПАСТ ПРИ ФОРМИРОВАНИИ МНОГОСЛОЙНЫХ СТРУКТУР

• правило: каждая последующая операция вжигания должна проводиться при более низкой температуре, чем предыдущая.

• температура вжигания паст проводящих слоев составляет 750-800 ^оС, диэлектриков конденсаторов и изоляционных слоев 700 - 750 ^оС, для верхних обкладок конденсаторов 700 - 720 ^оС, диэлектриков защитного слоя 620 - 650 ^оС, резисторов 600 - 650 ^оС.

Разработка топологии толстопленочных ГИС

1. пленочные элементы могут располагаться с обеих сторон платы

2. резисторы должны иметь значение коэффициента формы 0,2< к_ф < 6

3. соединения между элементами, расположенными на различных сторонах платы выполняются через отверстия или внешние контактные площадки

4. суммарная площадь элементов в одном уровне не должна превышать 70% площади платы

5. навесные компоненты рекомендуется устанавливать с одной стороны платы. нельзя устанавливать навесные компоненты на стороне платы, заливаемой компаундом

МИКРОСБОРКИ

Разновидностью ГИС являются микросборки, которые можно отнести к классу больших ГИС. Как правило, они включают в себя элементы, компоненты и кристаллы бескорпусных ИС, которые устанавливаются на общую диэлектрическую плату, помещаемую в общий корпус

УПРОЩЕННЫЙ ЧЕРТЕЖ КОНСТРУКЦИИ МИКРОСБОРКИ

КОНЦЕПЦИЯ МИКРОСБОРКИ

1. переход от системы на плате (SOB – System on board)к системе в корпусе (SIP- System in package)

2. альтернатива дорогим заказным полупроводниковым ис при мелкосерийном производстве

НАВЕСНЫЕ КОМПОНЕНТЫ ГИС И МИКРОСБОРОК

14. Полупроводниковая технология, используемые материалы, требования к ним, базовые технологические операции. Обрабатывающие технологические процессы (базовые технологические операции формирования структуры ИС).

ОСНОВЫ ТЕХНОЛОГИИ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ИНТЕГРАЛЬНЫХ СХЕМ

ПЛАНАРНАЯ ТЕХНОЛОГИЯ

Схемные элементы и частично межсоединения формируются в приповерхностном слое полупроводниковой подложки. Достоинства:

1. ограниченный набор технологических операций

2. сохранение защитных диэлектрических пленок на всех этапах технологического цикла

3. высокая точность взаимного расположения и линейных размеров p-n переходов

4. групповые методы изготовления

МОНОКРИСТАЛЛИЧЕСКИЙ КРЕМНИЙ – ОСНОВНОЙ МАТЕРИАЛ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА ИС

ИС, изготовленные из монокристаллического кремния обладают следующими преимуществами по сравнению с ИС из германия:

1. меньшие обратные токи переходов, что уменьшает паразитные связи между элементами ИС

2. рабочие температуры ис до +120°С

3. работа в микромощном режиме (токи менее 1 мкА)

4. более высокое пороговое напряжение (0.7 В) – более высокая статическая помехоустойчивость

5. меньшие значения барьерных емкостей переходов при той же их площади позволяют увеличить быстродействие ИС.

КРИСТАЛЛОГРАФИЧЕСКИЕ ПЛОСКОСТИ

Атомы в узлах кристаллической решетки – анизотропия (различная скорость диффузии, травления)

ГРУППОВОЕ ФОРМИРОВАНИЕ КРИСТАЛЛОВ ИС В СОСТАВЕ ПЛАСТИНЫ

ТРЕБОВАНИЯ К ПОЛУПРОВОДНИКОВЫМ ПЛАСТИНАМ

1. совершенная кристаллическая решетка по всему объему, включая приповерхностный слой

2. шероховатость поверхности не ниже 14 класса, для обеспечения качественной фотолитографии

3. прогиб пластины после разрезания слитка не более 10мкм для устранения искажений фотомаски при фотолитографии

4. разориентация поверхности относительно заданной кристаллографической плоскости не должна превышать 1% для обеспечения требуемой скорости протекания процессов

БАЗОВЫЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОПЕРАЦИИ ПРОИЗВОДСТВА ИС ПО ПЛАНАРНОЙ ТЕХНОЛОГИИ

ЗАГОТОВИТЕЛЬНЫЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ

1. получение слитков монокристаллического кремния заданного типа проводимости с требуемым значением удельного сопротивления

2. разрезание слитков на пластины

3. обработка поверхностей пластин для обеспечения требуемого качества приповерхностного слоя

4. изготовление отдельных деталей корпусов.

МЕХАНИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА КРЕМНИЯ

1. от цилиндрического диска отделяются круглые пластины – имеют приповерхностный слой до 80 мкм с нарушениями кристаллической решетки

2. для его снятия – шлифование с уменьшением дефектного слоя до 1-2 мкм

3. доводка – химическое травление

ОБРАБАТЫВАЮЩИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ

БАЗОВЫЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОПЕРАЦИИ ФОРМИРОВАНИЯ СТРУКТУРЫ ИС:

1. окисление

2. диффузия примесей и ионное легирование

3. эпитаксия

4. нанесение токопроводящих пленок

5. фотолитография

6. травление.

Сборочно-контрольные процессы

1. разделение пластин на отдельные кристаллы ис

2. монтаж кристаллов в корпусах

3. соединения выводов

4. герметизация

5. контроль

6. испытания ИС.

ОСНОВНЫЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОПЕРАЦИИ. ТЕРМИЧЕСКАЯ ДИФФУЗИЯ ПРИМЕСЕЙ

1. диффузия - обусловленное тепловым движением перемещение частиц в направлении убывания их концентрации

2. цель - внедрение в кристаллическую решетку полупроводника атомов легирующего элемента для образования области с противоположным по отношению к исходному материалу типом проводимости

3. после выполнения диффузии эта область ограничивается p-n переходом.

ТРЕБОВАНИЯ К ЛЕГИРУЮЩИМ ВЕЩЕСТВАМ

1. высокая скоростью диффузии

2. высокая растворимость в полупроводнике при температуре диффузии

легирующие вещества:

• элементы-акцепторы B - бор, In – индий, Ga - галлий (диффузионные области p-типа

с дырочной проводимостью);

• элементы-доноры P- фосфор, As – мышьяк, Sb - сурьма (диффузионные области n-типа с электронной проводимостью).

СПОСОБЫ ЛЕГИРОВАНИЯ

1. из твердой, жидкой или газовой фазы

2. легирующие вещества в составе химических соединений

3. наиболее технологична диффузия из газовой фазы

ТЕРМИЧЕСКАЯ ДИФФУЗИЯ ИЗ ГАЗОВОЙ ФАЗЫ

1. процесс протекает в кварцевых печах при температуре до 1250 ^ОС

2. время проведения при формировании p-n перехода на глубине 2-3мкм - 2 час.

3. для переноса частиц диффузанта (В₂О₃ или Р₂О₅) к поверхности кремниевой пластины через печь пропускают газ носитель Ar - аргон. Атомы примеси (В или Р) сперва выделяются на поверхности , а затем диффундируют внутрь кристалла, создавая требуемое распределение примеси по глубине

НЕДОСТАТКИ ТЕРМИЧЕСКОЙ ДИФФУЗИИ

1. высокая температура процесса приводит к перераспределению примеси в ранее сформированных слоях, что ограничивает возможности по уменьшению размеров транзисторов

2. боковая диффузия увеличивает размеры диффузионных областей и соответственно элементов структуры ис

3. альтернатива – ионное легирование

ИОННАЯ ТЕХНОЛОГИЯ ЛЕГИРОВАНИЯ ПРИМЕСЕЙ

1. легирующая примесь предварительно ионизируется

2. пучок ионов создается путем формирования высокого напряжения в несколько сот киловольт

3. плотность тока ионного пучка может доходить до 100 мкА/см²

ИЗБИРАТЕЛЬНОЕ ИОННОЕ ЛЕГИРОВАНИЕ

1. сканирование сфокусированного пучка по заданной траектории на поверхности пластины или путем экспонирования маскированной поверхности пластины

2. высокоэнергетические ионы примеси создают вакансии за счет смещения атомов кремния, которые замещаются атомами примеси. в отличие от диффузии максимум концентрации примеси достигается не на поверхности, а на глубине порядка 0.5-0.7 мкм.

ОСОБЕННОСТИ ИОННОГО ЛЕГИРОВАНИЯ

1. высокая точность и воспроизводимость за счет контроля параметров ионного пучка и времени облучения

2. обеспечение высокой точности глубины залегания p-n переходов

3. возможность создавать любые профили легирования

4. малое время протекания процесса (несколько минут)

НЕДОСТАТКИ ИОННОГО ЛЕГИРОВАНИЯ

1. необходимость отжига до 800 ^оС пластин для восстановления структуры кристалла и активации примесей

2. сложность технологии, требующей создания высокого вакуума и высокого напряжения

3. сложность обработки пластин большого размера из-за расфокусировки пучка ионов.

ЭПИТАКСИАЛЬНЫЙ ПРОЦЕСС

1. цель – получение областей с равномерным распределением легирующих примесей

2. эпитаксия – процесс осаждения атомарного кремния на монокристаллическую кремниевую пластину с получением пленки, являющейся продолжением структуры пластины

3. при создании эпитаксиальных слоев одновременно с атомами кремния в росте кристалла участвуют и атомы легирующего элемента.

ПАРАМЕТРЫ ПРОЦЕССА ЭПИТАКСИИ

1. скорость эпитаксиального выращивания пленок составляет 0.1-1.0 мкм/час и зависит от температуры, ориентации поверхности кристалла и скорости подачи носителя осаждаемого вещества

2. температура 1200 ^ос

созданиЕ диэлектрических покрытий в структурах ИС

1. основной способ - термическое окисление поверхности кремния, при котором создается пленка двуокиси кремния SiO₂ с наилучшими маскирующими свойствами и высокими электрическими параметрами

2. данная технологическая операция хорошо совмещается с операциями диффузии и эпитаксии.

СОЗДАНИЕ МЕЖСОЕДИНЕНИЙ ЭЛЕМЕНТОВ ИС

1. операция металлизации - создание сплошных токопроводящих пленок

2. фотолитография по металлической пленке для формирования топологии межсоединений и периферийных контактных площадок

МЕТОДЫ ФОРМИРОВАНИЯ ТОКОПРОВОДЯЩИХ ПЛЕНОК

Термическое вакуумное напыление -основано на создании направленного потока паров напыляемого материала и последующей их конденсации на поверхности подложки. Процесс проводят в условиях глубокого вакуума при высокой температуре. Глубокий вакуум необходим для исключения возможных столкновений частиц напыляемого вещества с молекулами окружающего подложку газа.

КАТОДНОЕ РАСПЫЛЕНИЕ

Основано на эффекте разрушения катода при его бомбардировке ионами разреженного газа. Процесс проводят в вакуумной камере, заполненной инертным газом. В этом методе катод является источником вещества, напыляемого на подложку, которая соединена с анодом. Под действием высокого напряжения газ ионизируется, а его ионы выбивают из катода атомы распыляемого вещества, которые перемещаются к аноду и оседают на кремниевой подложке.

ТРЕБОВАНИЯ К МАТЕРИАЛАМ ТОКОПРОВОДЯЩИХ ПЛЕНОК

1. работа при высокой плотности тока

2. обеспечение омических контактов с p и n областями кремния

3. технологичность при термической обработке и создании соединений с выводами корпуса ИС

4. коррозионная стойкость

5. химическая инертность

6. высокая адгезия к SiO₂

7. устойчивость к воздействию циклических температурных нагрузок.

ОСНОВНЫЕ МАТЕРИАЛЫ ТОКОПРОВОДЯЩИХ ПЛЕНОК

1. АЛЮМИНИЙ

2. МЕДЬ

3. ЗОЛОТО, ПАЛЛАДИЙ

ФОТОЛИТОГРАФИЯ

назначение фотолитографии состоит в формировании требуемой конфигурации элементов ИС и их межсоединений

может выполняться:

• по диэлектрической пленке SiO₂ для вскрытия диффузионных и контактных окон

• по металлу при создании межсоединений и периферийных площадок.

ОБЩАЯ СХЕМА ФОТОЛИТОГРАФИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА

ПОРЯДОК ПЕРЕНОСА ТРЕБУЕМОГО РИСУНКА НА ПОВЕРХНОСТЬ ПЛАСТИНЫ

1. экспонирование предварительно нанесенного слоя фоторезиста через фотошаблон и образование скрытого изображения требуемого рисунка

2. проявление и задубливание рисунка с формированием защитной фотомаски

3. травление незащищенных участков поверхностного слоя.

ФОТОРЕЗИСТЫ

1. фоторезисты могут быть двух типов – негативными и позитивными. Негативные фоторезисты под действием света полимеризуются и становятся устойчивыми к травителям. В позитивных фоторезистах под действием света происходит разрушение полимерных цепочек

2. фоторезисты наносятся на поверхность пленок из SiO₂ или металла

ФОТОШАБЛОНЫ

Фотошаблон представляет собой прозрачную пластину, на одной из сторон которой в масштабе 1:1 нанесен позитивный или негативный рисунок.

ФОТОРЕЗИСТИВНАЯ МАСКА

1. после экспонирования слоя нанесенного фоторезиста через фотошаблон участки неполимеризованного фоторезиста смываются

2. образуется фоторезистивная маска с окнами, через которые выполняют технологические операции по формированию структуры ИС – травление, диффузию или напыление.

СОВМЕЩЕНИЕ В ФОТОЛИТОГРАФИЧЕСКИХ ПРОЦЕССАХ

1. структура ис –многослойная

2. каждый слой формируется при помощи фотолитографии

3. использованием нескольких различных фотошаблонов

4. рисунок каждого последующего фотошаблона должен быть совмещен с рисунками предыдущих фотошаблонов при помощи специально введенных в фотошаблон фигур совмещения.

ОПЕРАЦИЯ ТРАВЛЕНИЯ

Травление предназначено для обработки поверхностного слоя подложки для:

1. очистки поверхности подложки от загрязнений

2. удаления части диэлектрической пленки из SiO₂ при вскрытии окон для диффузии

3. удаления части слоя металлизации для формирования системы межсоединений

4. создания канавок и углублений.

ОСОБЕННОСТИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ОПЕРАЦИИ ТРАВЛЕНИЯ

Травление может быть изотропным или анизотропным. Изотропное травление идет с одинаковой скоростью как вглубь материала стравливаемого слоя, так и под маску. При изотропном травлении происходит подтравливание слоя окисла под фотомаску - возникновение технологической погрешности формирования элемента структуры ИС. Поэтому используют анизотропное травление. В структуре кристаллической решетки кремния кристаллографической ориентации [111] соответствует максимальное количество атомов, поэтому травление в этом направлении идет с минимальной скоростью и способствует формированию требуемого профиля канавки.

ИЗОТРОПНОЕ И АНИЗОТРОПНОЕ ТРАВЛЕНИЕ

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ КОНТРОЛЬ КРИСТАЛЛОВ ПОСЛЕ ГРУППОВОГО ФОРМИРОВАНИЯ НА ПЛАСТИНЕ

1. электрический контроль параметров ИС выполняют при помощи контактных щупов, сгруппированных в зондовую головку

2. автоматизированный режим пошагового обхода по траектории в виде «змейки».

3. функциональный и параметрический контроль

4. забракованные кристаллы автоматически маркируются

РАЗДЕЛЕНИЕ ПЛАСТИНЫ НА КРИСТАЛЛЫ

1. скрайбирование - с лицевой стороны пластины по границам кристаллов наносят риски алмазным резцом шириной 20-40 мкм и глубиной 10-15 мкм. Пластины больших размеров и толщины скрайбируют лазером.

2. по полученным рискам осуществляют разламывание пластины на отдельные кристаллы. После разделения пластины кристаллы с механическими дефектами отбраковываются.

МОНТАЖ КРИСТАЛЛА В КОРПУС, ГЕРМЕТИЗАЦИЯ И КОНТРОЛЬ

1. кристалл устанавливается на кристаллодержатель или монтажную площадку корпуса и крепится к нему при помощи приклеивания или пайки

2. периферийные контакты кристалла подсоединяют к внешним выводам корпуса, после чего его подвергают герметизации

3. проводятся выборочные испытания ИС на их устойчивость к электрическим и механическим нагрузкам с учетом климатических воздействий.

ПРИМЕР ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ИЗГОТОВЛЕНИЯ ИС