Принципы планарной технологии.

Это

• принцип совместимости элементов,

• принцип локальных технологических обработок,

• принцип послойного формирования элементов.

Принцип совместимости элементов вытекает из конструктивного единства интегральных микросхем. Необходимо обеспечить конструктивно-технологическую совместимость разных элементов, которые создаются внутри одного полупроводникового слоя.

Каждый слоя характеризуется строго определенными электрофизическими параметрами, но они оптимальны для одних элементов и малопригодны для других.

Кроме того, для изготовления биполярных транзисторов нужны одни технологические операции и их режимы, а для изготовления МДП-транзисторов нужны другие.

Это затрудняет одновременное формирование биполярных и МДП-транзисторов на одном кристалле.

Биполярные и МДП-транзисторы имеют разную базовую технологию. Поэтому полупроводниковые ИМС и подразделяют по конструктивно – технологическим признаком на два основных вида:

микросхемы на биполярных транзисторах (биполярные микросхемы)

и микросхемы на МДП-транзисторах (МДП микросхемы).

Базовая технология не зависит от топологии конкретной ИС данной серии.

Для реализации принципа совместимости при разработке ИС на биполярных транзисторах за основу берут самый сложный элемент – транзистор.

Параметры полупроводниковых слоёв и последовательность технологических операций обеспечивают нужные наилучшие параметры биполярных транзисторов n-p-n типа. Структуры других элементов (диодов, транзисторов p-n-p типа, резисторов, конденсаторов) формируют одновременно с n-p-n транзистором и на основе только тех областей, из которых он состоит. Например, резисторы получают одновременно с изготовлением базовых областей транзисторов, конденсаторами могут быть обратносмещенные p-n переходы.

Основными элементами МДП микросхем являются МДП-транзисторы с каналом n-типа. В комплементарных МДП микросхемах применяют МДП-транзисторы с индуцированными каналами n- и p-типа. В отдельных случаях в полупроводниковых ИС используют биполярные транзисторы в сочетании с МДП-транзисторами или полевыми транзисторами с p-n переходом. Для изготовления таких микросхем необходима более сложная технология.

В арсенид-галиевых полупроводниковых микросхемах активными элементами служат полевые транзисторы с управляющим переходом металл-полупроводник (МЕП-транзисторы), а также используют диоды Шотки и полупроводниковые резисторы.

Принцип локальности технологических обработок состоит в том, что при одновременном формировании элементов ИС и межэлементных соединений технологической обработке подвергаются лишь отдельные локальные участки поверхности. Форма, размеры и взаимное расположение этих участков на поверхности пластин соответствует топологическому чертежу для данной обработки (для данного топологического слоя) (рис. 10.3).

Принцип локальности осуществляется защитой (экранированием) участков, которые не подлежат обработке, или локализацией самих средств обработки. В первом случае – это масочная технология, во втором – безмасочная.

При изготовлении полупроводниковых ИС роль маски, покрывающей поверхность кремниевой пластины, как правило, выполняет плёнка диоксида кремния с отверстиями (рис. 10.4).

Рисунок 4– Оксидная маска с окнами для локального легирования

Отверстия в масках, в частности, в оксидной пленке, называют окнами. Окна в масках формируют с помощью литографии.

Локальная обработка без использования масок выполняется остросфокусированными электронными, ионными или лазерными лучами, которые включаются, выключаются, изменяют свою мощность и перемещаются по заданной программе под управлением ЭВМ.

Принцип послойного формирования элементов микросхем состоит в том, что локальные области, из которых состоят элементы ИМС, формируют поэтапно, технологическими слоями. Процесс изготовления технологического слоя включает в себя несколько обработок, которые выполняют в таком порядке: получение маскирующей пленки, литография, легирование полупроводниковой пластины. Каждая группа обработок формирует определенный технологический слой (локальную область элемента). Количество повторений этой группы обработок определяется структурой кристалла ИС и равняется числу топологических чертежей на эту ИМС.

Основным полупроводниковым материалом для производства микросхем является кремний. Важное конструктивно-технологическое преимущество кремния связано со свойствами плёнок диоксида кремния, которые получают на его поверхности при окислении.

Эти слои используются как маски при локальном легировании кремния примесями, для изоляции элементов, в качестве подзатворного диэлектрика МДП-транзистора, для защиты поверхности кристаллу от влияния окружающей среды и др. Довольно большая ширина запрещенной зоны кремния (E_g=1,12 эВ) обусловливает небольшие обратные тока p-n переходов. Это позволяет создавать микросхемы, которые работают при повышенных температурах (до 120С) и при малых токах транзисторов (меньше 1 мкА), то есть с низкой потребляемой мощностью. Кремниевые p-n переходы имеют большее пробивное напряжение, чем германиевые. Плотность кремния в два раза меньше плотности германия.

В последние годы начато применения арсенида галлия GaAs. Арсенид галлия имеет большую ширину запрещенной зоны (E_g=1,32 эВ) и большую подвижность электронов (_n=8500 ), чем в кремнии. При одинаковой мощности рассеяния быстродействие логических элементов на арсениде галлия в несколько раз выше, чем на кремнии. Преимуществом микросхем на арсениде галлия является возможность работы при более высоких температурах (350...400^оC). Недостатками GaAs является усложнение технологии изготовление структур на его основе в сравнении с кремнием. При высоких температурах он разлагается, на нем тяжело вырастить стабильный собственный окисел, невозможно легирование донорными примесями методом диффузии. На его основе создают ИС с повышенным быстродействием и высокими рабочими частотами (диапазон СВЧ).

В цифровых СБИС высокого быстродействия используют силицид германию. Эта композиция отличается более высокой подвижностью носителей зарядов, которое характерно для германия и имеет небольшие обратные токи р-n переходов, что свойственно для кремния.