1. Основные понятия и задачи микроэлектроники.
Микроэлектроника - раздел электроники, посвященный интегральным микросхемам и аппаратуре на их основе.
Интегральная микросхема - микроэлектронное изделие, выполняющее определённую функцию и имеющее высокую плотность упаковки электрически соединённых элементов, которое рассматривается как единое целое.
Элемент - (наименьшая)часть микросхемы, реализующая определённую функцию, которая не может быть выделена как самостоятельное изделие, (транзистор, резистор, диод и др). Микро - миллионная часть. Размеры элементов в микросхеме - порядка микрометров (тысячных долей миллиметров).
Плотность упаковки - отношение числа элементов к объёму микросхемы.
Степень интеграции - целое число, степень, В которую нужно возвести 10, чтобы получить (округлённо) число элементов в микросхеме. Например, при количестве элементов от 100 до 1000 степень интеграции 3. При количестве элементов более 1000 (степень интеграции 4) микросхему называют «большой» - БИС, более 10000 (степень интеграции 5) - «сверхбольшой» - СБИС.
Уменьшение размеров элементов и объединение (интегрирование) их в микросхему уменьшает энергопотребление, увеличивает быстродействие, уменьшает габариты и массу аппаратуры. Увеличение количества элементов повышает качество выполняемых устройством функций, универсальность изделий (одна и та же микросхема может выполнять различные функции), позволяет конструировать аппаратуру, которую практически невозможно создать при использовании другой технологии, когда каждый элемент (диод, транзистор, конденсатор и т.д.) имеет свой корпус, выводы и т.д.
Всё это можно отнести к задачам микроэлектроники.
2. Интегральные микросхемы. Классификация и маркировка.
Интегральные микросхемы различают:
По технологическим признакам на - полупроводниковые (все элементы и соединения выполнены в объёме или на поверхности одного полупроводникового кристалла), гибридные (содержит несколько кристаллов или отдельные элементы (компоненты), плёночные (элементы и соединения выполняются путём нанесения плёнок из соответствующих материалов на поверхность диэлектрика (керамики).
По функциональным признакам на - аналоговые (для обработки или преобразования сигналов, изменяющихся по закону непрерывной функции) и цифровые (для обработки и преобразования дискретных сигналов, импульсов)
Микросхемы маркируются цифрами и буквами.
Первый элемент (первая цифра) - конструктивно-технологическая группа.1,5,6,7 -
полупроводниковые. 2,4,8 - гибридные, 3 - плёночные.
Второй элемент (две или три цифры) - порядковый номер серии от 00 до 99 или от 000 до
999.
Третий элемент - вид (назначение) микросхемы, состоит из двух букв. Например ЛА -
содержит логические элементы И-НЕ, или - УД - операционный усилитель.
Четвёртые элемент (одна или несколько цифр) - порядковый номер разработки
микросхемы данной серии.
Дополнительные элементы - буквы в начале обозначения - особенности конструктивного исполнения и применения, например Р - пластмассовый корпус, Е - металлический, С -стеклокерамический и т.д., К - микросхема широкого применения. Например: КЕ140УД1, КР155ЛАЗ.
3. Технология изготовления.
Активные и пассивные элементы ИМС (транзисторы, диоды, резисторы, конденсаторы, индуктивности и т.д.) формируются на поверхности и в приповерхностном слое полупроводника (в случае полупроводниковых ИМС) и на поверхности диэлектрика (в случае гибридных и плёночных ИМС). Размеры элементов весьма малы (менее микрометра), что требует специфических методов их изготовления, прежде всею формирования плёнок и слоев, обладающих нужными свойствами:
Эпитаксия - процесс наращивания на пластину (подложку) монокристаллического слоя (эпитаксиальной плёнки). Многослойная структура создаётся последовательными эпитаксия ми. Различают газовую и молекулярно-лучевую эпитаксию. При газовой эпитаксии наращиваемое вещество (обычно кремний) содержится в газообразном соединении (например тетрахлорид кремния SiCU), используются так же газообразные соединения доноров (РНз, РС13)и акцепторов (ВВг3, В2Нб ). При высокой температуре за счёт химических реакций на поверхности подложки атомы полупроводника и примеси переходят в твёрдое состояние и занимают место в кристаллической решётке, создавая слой полупроводника с нужным типом проводимости. Молекулярно-лучевая эпитаксия происходит в сверхвысоком вакууме. Материалы плёнки испаряются под действием высокой температуры и в виде молекулярных (атомарных) пучков (лучей) переносятся на подложку и конденсируются на ней, создавая эпитаксиальную плёнку нужного химического состава и структуры.
Диффузия примесей. Применяется для создания n-р переходов (основной структурной составляющей всех активных элементов) и для получения слоев с заданными электрическими свойствами. При высокой температуре (около 1000С) примесные атомы поступают через поверхность и распространяются внутрь кристалла вследствие теплового движения. Часто бывает необходимо легировать не' всю поверхность подложки, а её отдельные участки. В этом случае легирование ведётся через маску диоксида или нитрида кремния. Использовать чистые легирующие вещества неудобно. Применяют их соединения в твёрдом (окислы), жидком (соли) или газообразном (гидраты) состоянии (диффузанты).
Ионное легирование. Применяется для тех же целей, однако введение примесей в поверхностный слой осуществляется ионным лучом через маску или остросфокусированным лучом по заданной программе. Ионный луч формируется масс-сепаратором, что обеспечивает присутствие в луче ионов только одного нужного вещества.
Термическое окисление - процесс создания на поверхности кремниевых пластин плёнки диоксида кремния SiO2 для создания масок при легировании и изолирующих слоев между элементами микросхемы. Окисление производят в атмосфере кислорода при температуре 1000-1300С. При необходимости нанесения плёнки диоксида кремния на отдельные участки подложки окисление производят через маску нитрида кремния (Si3 N4).
Фотолитография - процесс формирования отверстий в масках и самих масок для локального легирования, травления, окисления и т.д. основан на применении светочувствительных полимерных материалов - фоторезистов. На поверхность, покрытую тонким слоем фоторезиста, проецируется изображение фотошаблона. После экспонирования засвеченные (или незасвеченные) участки растворяются и удаляются проявителем. На поверхности остаётся нужный рисунок. Разрешающая способность метода ограничена длиной волны применяемого при экспонировании излучения. Применение ультрафиолетового излучения позволяет увеличить разрешающую способность до 0,5 мкм. Дальнейшее увеличение разрешающей способности (субмикронной) требует применения излучения с меньшей длиной волны -рентгеновского (нанометр), синхротронного (0,01 мкм), потока электронов и т.д.
Травление - удаление поверхностного слоя химическим путём. Применяется для получения бездефектной поверхности пластин, удаления слоев, получения необходимого рельефа, формирования рисунка тонкоплёночных слоев и масок. Различают жидкостное и сухое анизотропное травление. При жидкостном травлении происходит химическая реакция жидкого травителя и материала подложки (плёнки), в результате чего образуется растворимое соединение. Сухое анизотропное травление происходит в вакууме в плазме газового разряда. Ионы разряда распыляют материал подложки (ионное травление) или химически с ним взаимодействуют, образуя летучие соединения (плазмохимическое травление).
Напыление - нанесение тонких плёнок металлов (и др. мат.) на подложку путём осаждения в вакууме испарённого вещества. Методы различаются в основном способом испарения осаждаемого вещества: термическое вакуумное испарение, распыление ионной бомбардировкой, катодное распыление, ионно-плазменное напыление, высокочастотное распыление и т.д.
В качестве примера приведём изображение и схему простейшего элемента полупроводниковой микросхемы, полученной перечисленными выше методами.
