Интегральная микроэлектроника

Современный этап развития электроники характеризуется преимущественным применением интегральных микросхем (ИМС), содержащих на кристалле (в одном корпусе) десятки миллионов схемных элементов. Микроминиатюризация, конструктивная интеграция элементов, функциональная завершенность микросхем, построенных на основе групповой полупроводниковой планарной технологии, обусловили их достоинства:

• функциональную сложность и высокую степень интеграции;

• идентичность параметров элементов, произведенных в одном цикле;

• надежность изделий за счет технологического объединения элементов и соединений;

• рентабельность производства с высоким уровнем автоматизации.

В основе технологии производства ИМС лежит интегрально – групповой метод, ориентированный на одновременное формирование большого числа элементов на общей полупроводниковой или диэлектрической пластине (подложке). Материалом для изготовления микросхем преимущественно служит кремний («кремниевая технология») вследствие его доступности, относительной простоты легирования (добавления примесей) и образования окислов. Технологический процесс изготовления ИМС содержит ряд этапов от получения сверхчистого кремния до формирования в приповерхностной области зон с различными электрофизическими параметрами, образующих активные и пассивные компоненты, а также соединяющие их проводники.

Технический кремний, содержащий 1- 2% примесей, получают из природного кремнезема (оксида кремния SiO₂) методом дуговой плавки в электропечах. Для подложки требуется сверхчистый кремний с количеством примесей не выше 10^–6 %. Технический кремний вначале очищается от примесей физико-химическими методами и затем с помощью зонной плавки при температуре выше 1500^ºС получается поликристаллический кремний. Монокристаллический кремниевый цилиндрический слиток полупроводника формируется путем ориентированной кристаллизации из расплава. Полученный цилиндр разрезается на пластины, которые подвергаются поверхностной механической (полировка) и химической (травление) доводке. Дальнейшее улучшение свойств поверхностного слоя получают ориентированным наращиванием (эпитаксия) рабочего слоя, обладающего одинаковыми свойствами во всех направлениях. Для защиты рабочего слоя от воздействия внешней среды его покрывают слоем окиси кремния путем выдержки при высокой температуре в кислородной среде. В результате получают заготовку, т.е. пластину (подложку) диаметром до 150 мм и толщиной 0,3…0,5 мм с рабочим слоем высотой 1…10 мкм.

Технологический цикл изготовления ИМС содержит последовательность технологических операций, которые делят на две группы:

1. обработка пластин (формирование в рабочем слое полупроводниковой пластины элементов и внутрисхемных соединений с контактными площадками);

2. сборка и контроль (разделение пластин на чипы, проверка, помещение в корпус и выходной контроль).

Последовательное выделение областей пластины для локальной обработки производится с использованием предварительно подготовленных шаблонов. Рисунок с шаблона переносится на подложку с помощью фотолитографии, включающей следующие основные операции:

• нанесение на поверхность пластины слоя фоторезиста;

• совмещение фотошаблона с подложкой (погрешность порядка 0,01 мкм);

• экспонирование (облучение ультрафиолетовым светом);

• проявление и задублирование;

• травление оксида кремния;

• удаление оставшегося фоторезиста.

Области подложки, освобожденные от оксида кремния, подвергают легированию через образованные окна в защитном слое. Легирование может быть осуществлено способами диффузии примесей или ионной имплантации. После легирования области полупроводника вновь покрывают окисью кремния.

Для получения заданной полупроводниковой структуры (совокупности областей с требуемыми свойствами) операции фотолитографии, легирования и изоляции проводятся многократно.

После формирования всех элементов методами фотолитографии создают внутрисхемные соединения с помощью тонких проводящих пленок, материал которых должен обеспечивать омический (невыпрямляющий) контакт с легированными областями полупроводника, иметь хорошую адгезию к кремнию и его окиси, а также обладать еще целым набором физико-химических свойств. Наиболее полно указанным требованиям удовлетворяет алюминий, вместе с тем развитие технологии позволило в поздних разработках применить медь и в ряде случаев использовать проводящие пленки легированного монокристаллического кремния.

Сборочный этап технологического цикла обеспечивает создание БИС различного конструктивного исполнения и содержит операции:

• разделение пластины со сформированными элементами и межсоединениями на отдельные кристаллы (чипы);

• установка кристаллов в корпуса;

• соединение выводов корпуса и контактными площадками;

• герметизация.

Неотъемлемой и весьма важной частью технологического процесса является входной, пооперационный и выходной контроль изделий, а также испытания готовых микросхем.

Элементную базу достаточно сложных функциональных микроэлектронных устройств составляют типовые блоки, на основе которых строят аналоговые и цифровые преобразователи. Конструктивные узлы электронных устройств предназначены для механического крепления и электрического соединения входящих в них монтажных плат. Элементы, установленные на платах, соединяют с помощью печатного монтажа или плоских гибких многопроводных кабелей (шлейфов). Для весьма сложных устройств (например, микрокомпьютеров) используют основную (материнскую) плату, на которой с помощью разъемов (слотов) устанавливают дополнительное оборудование.

Конструкция устройства, сложность и топология печатного монтажа во многом зависит от состава компонент, в качестве которых в настоящее время преимущественно применяют БИС и СБИС. Технология производства ИМС в виде БИС определяет как характеристики самих микросхем, так и устройств на их основе. Создание электронных устройств на базе БИС требует обеспечения их электрической, технологической и конструктивной совместимости (единства уровней электрических напряжений и токов сигналов, типов корпусов и других параметров).

Проектирование ИМС включает генерацию структуры изделия, разработку электрической схемы, размещение элементов и разметку трасс для проведения соединительных проводников. По созданной топологии схемы на кристалле готовится набор шаблонов, с помощью которого формируются области полупроводника с заданными свойствами (типом проводимости и уровнем легирования).

На этапе разработки (проектирования, конструирования, технологической подготовки производства) закладываются основные свойства устройств (обеспечение технологичности изготовления, экономичности и удобства эксплуатации и т.д.). Качество проектирования электронных устройств зависит от эффективности применения систем автоматизированного проектирования (САПР) на базе средств вычислительной техники. Применение САПР требует формализации проектных процедур с использованием иерархической последовательности моделей электронных устройств и их элементов.

Групповая планарная технология изготовления ИМС приводит к зависимости характеристик ИМС от схемотехнических, технологических и конструктивных факторов, взаимовлияние которых должно увязываться на всех этапах разработки. В первую очередь следует учитывать трудности реализации резисторов и конденсаторов, занимающих большие площади на кристалле. По этой причине в ИМС предпочтительны схемы, состоящие преимущественно из активных элементов (транзисторов). Пассивные компоненты (диоды, резисторы, конденсаторы) реализуют с использованием структур и отдельных областей транзисторов.

Принципы функционирования интегральных транзисторов основаны на тех же явлениях в полупроводниковой структуре, что и отдельно выполненные приборы и для их описания справедливы рассмотренные соотношения и характеристики. Вместе с тем в моделях необходимо учитывать влияние соседних приборов, близко расположенных на единой полупроводниковой подложке.

Для изоляции областей соседних биполярных транзисторов можно использовать обратно смещенный (закрытый) p-n переход. В типовой структуре вертикальных транзисторов n⁺- p -n типа наряду с основным образуется паразитный транзистор p - n - p, включающий области база – коллектор – подложка основной структуры (рис.1.15,а). Это учитывается в его модели, включающей наряду с основным («вертикальным») транзистором также паразитный транзистор и изолирующую диодную цепь (рис.1.15,б)

Выполненная с высокой степенью легирования эмиттерная область (обозначена n⁺), обладает поверхностным сопротивлением 2…3 Ом/□ (сопротивление квадрата из плоского проводника фиксированной толщины). Поверхностное сопротивление базового p-слоя составляет примерно 100…200 Ом/□. Коллекторная область имеет значением удельного сопротивления 0,5…1,0 Ом·см и образует выпрямляющий контакт с алюминием. Для получения омического контакта внутри нее формируют область n⁺.

Рис.1.15. Структура БТ с изоляцией p- n переходом (а) и его эквивалентная схема (б)

Основным недостатком приведенной структуры является сравнительно большие токи обратно смещенного изолирующего перехода. Применяется также биполярная структура с диэлектрической изоляцией. Транзисторы формируют в изолированных карманах, окруженных тонким слоем диэлектрика (окиси кремния). Это обеспечивает высокое качество изоляции, т. к. обратный ток p - n перехода на несколько порядков превышает ток через диэлектрик, но существенно усложняет технологический процесс и уменьшает плотность элементов на кристалле. Распространенным способом разделения биполярных транзисторов в ИМС служит совмещение рассмотренных способов, называемое изопланарной технологией. При этом изоляция коллекторной области от подложки в горизонтальной плоскости осуществляется закрытым p - n переходом и с боковых сторон в вертикальной плоскости формируются островки диэлектрика.

Биполярные ИМС преимущественно проектируют на основе транзисторов типа n⁺- p - n, имеющих хорошие усилительные параметры. При необходимости применения транзисторов типа p - n - p их можно получить на базе имеющейся структуры с использованием подложки в качестве коллектора. Такой транзистор имеет невысокие усилительные и частотные параметры. Если требуется одновременно иметь транзисторы с близкими параметрами, т.е. комплементарную пару, то транзистор типа p - n - p формируют в изолированном кармане и структура получается достаточно сложной. В Для реализации логических и других элементов в интегральной технологии разработаны уникальные структуры многоэмиттерных и многоколлекторных транзисторов, элементов с инжекционным питанием, которые не имеют аналогов в виде отдельных приборов.

П о л е в ы е транзисторы типа металл – диэлектрик – полупроводник (МДП) широко применяются в БИС благодаря их преимуществам:

• малое число операций в технологическом цикле, повышающее выход годных изделий,

• отсутствие изолирующих областей, увеличивающее плотность упаковки.

Типичная структура МДП - транзистора с индуцированным каналом n - типа содержит сформированные в кремниевой подложке p - типа n⁺ области истока и стока (рис.1.16).

Рис.1.16. Структура МДП транзистора

Их изоляция осуществляется подачей напряжения на вывод подложки, обеспечивающего обратное смещение n⁺- р переходов. Омические контакты (алюминий – полупроводник) через окна в слое окисла кремния образуют внешние выводы истока и стока.

Методы формирования МДП-транзисторов (с встроенными или индуцируемыми каналами) на полупроводниковых или диэлектрических подложках позволяют изготовить широкий набор приборов с различными характеристиками. Затвор часто выполняют из легированного поликремния, что улучшает технологичность МОП структуры в целом. Использование структур с вертикальным расположением канала приводит к ууменьшению занимаемой транзистором площади.

Для создания в МДП технологии пары взаимодополняющих транзисторов с близкими параметрами (КМОП структуры) в слаболегированной р - подложке образуют два кармана с различным типом проводимости. Затем в кармане с проводимостью типа n формируют транзистор с р каналом, а в кармане с р проводимостью – транзистор с n каналом.

Различие технологических процессов изготовления биполярных и полевых привело к разработке схемотехнических решений с раздельным применением биполярных и МДП-транзисторов. Вместе с тем, совместное применение полевых и биполярных транзисторов позволяет улучшить характеристики элементов за счет использования уникальных свойств приборов: весьма высокого входного сопротивления МДП транзисторов и достаточно малого выходного сопротивления биполярного прибора. Развитие технологии привело к созданию комбинированных методов, позволяющих сочетать изготовление биполярных и полевых приборов в одном цикле. При этом канал n - типа вместе с карманом р - типа и подложкой n - типа образуют дополнительный биполярный транзистор.

Д и о д ы в ИМС получают на основе транзисторов путем использования одного из p - n переходов. Наиболее распространенный пассивный компонент – резистор при биполярной технологии реализуют на основе базовой области транзистора. Слаболегированный базовый слой, обладающий поверхностным сопротивлением ρ_s = 200…300 Ом/□, позволяет получить не слишком большие сопротивления до единиц килоом. В МДП технологии в качестве резисторов с небольшими значениями сопротивлений используют канал (при постоянном напряжении затвора). Большие значения сопротивлений получают формированием специальных областей из поликремния.

В качестве конденсаторов небольшой емкости используют МДП-структуру с встроенным каналом. Типичное значение удельной емкости на единицу площади между выводами затвора и канала составляет примерно С₀ = 300 пФ/ мм². В биполярной технологии обычно используют емкость обратно смещенного p - n перехода, имеющую нелинейную характеристику и обладающую невысоким пробивным напряжением.

Наивысшая степень интеграции и полнота функциональных возможностей получены в устройствах цифровой электроники. Для оценки уровня технологии вводят понятие минимального технологического размера, как наименьшего достижимого размера толщины проводников, расстояния между ними, ширины легированной области в полупроводниковом слое, например, минимальной ширины эмиттера БТ. Миниатюризация аналоговых устройств (усилителей, генераторов, преобразователей формы и спектра сигналов) проходила гораздо медленнее вследствие объективных факторов, к которым относится наличие множества пассивных компонентов и конструктивно несовместимых с ИМС элементов, (катушки индуктивности).