ТВЕРДОТЕЛЬНАЯ ЭЛЕКТРОНИКА

Электроника
ТВЕРДОТЕЛЬНАЯ ЭЛЕКТРОНИКА
Генератор сигналов специальной формы
Изучение статических характеристик
полевых транзисторов
Основные параметры полевого транзистора
Изучение оптоэлектронных приборов
оптопара (оптрон)
Вольтамперная характеристика
Классификация изделий микроэлектроники.
Эпитаксия
Нанесение тонких пленок.
Полевой транзистор с изолированным затвором
ФОТОЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ
Фоторезисторы

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОТЕХНИКИ

ИССЛЕДОВАНИЕ ТРЕХФАЗНЫХ ЦЕПЕЙ
Переходные процессы в линейных цепях первого порядка
Переходные процессы в RLC цепях.
Спектральное представление периодических процессов
Исследование характеристик линейных четырехполюсников
Аппаратно-программный комплекс PClab – 2000
Методика выполнения лабораторного практикума
в лаборатории электротехники
Исследование неразветвленной и разветвленной
электрических цепей постоянного тока
Исследование нелинейных цепей постоянного тока
Переходные процессы в электрических цепях

ИНТЕГРАЛЬНЫЕ МИКРОСХЕМЫ

Классификация изделий микроэлектроники. Термины и определения

Микроэлектроника – современное направление электроники, включающее исследование, конструирование и производство интегральных схем (ИС) и радиоэлектронной аппаратуры на их основе. Основной задачей микроэлектроники является создание микроминиатюрной аппаратуры с высокой надежностью и воспроизводимостью, низкой стоимостью, низким энергопотреблением и высокой функциональной сложностью.

Интегральная схема (микросхема) – микроэлектронное изделие, выполняющее определенную функцию преобразования, обработки сигнала, накапливания информации и имеющее высокую плотность электрически соединенных элементов (или элементов и компонентов), которые с точки зрения требований к испытаниям, приемке, поставке и эксплуатации рассматриваются как единое целое.

Элемент – часть интегральной схемы, реализующий функцию какого-либо электрорадиоэлемента, которая не может быть выделена как самостоятельное изделие. Под радиоэлементом понимают транзистор, диод, резистор, конденсатор и т.п. Элементы могут выполнять и более сложные функции, например логические (логические элементы) или запоминание информации (элементы памяти).

Компонент – часть интегральной схемы, реализующая функцию какого-либо электрорадиоэлемента, которая может быть выделена как самостоятельное изделие. Компоненты устанавливаются на подложке микросхемы при выполнении сборочно-монтажных операций. К простым компонентам относятся бескорпусные диоды и транзисторы, специальные типы конденсаторов, малогабаритные катушки индуктивности и др. Сложные компоненты содержат несколько элементов, например диодные или транзисторные сборки.

Критерием сложности ИС, т.е. числа N содержащихся в ней элементов и простых компонентов, является степень интеграции, определяемая коэффициентом k=lgN, значение которого округляется до ближайшего большего целого числа. Так, ИС первой степени интеграции (k = 1) содержит до 10 элементов и простых компонентов, второй степени интеграции (k = 2) – от 10 до 100, третьей степени интеграции (k = 3) – от 1000 до 10000 и т.д. Интегральную схему, содержащую 500 и более элементов, изготовленных по биполярной технологии, или 1000 и более, изготовленных по МДП-технологии, называют большой интегральной схемой (БИС). Если число N превышает 10000, то ИС называют сверхбольшой (СБИС). На смену СБИС приходят так называемые ультрабольшие интегральные схемы (УБИС), содержащие на одном кристалле от нескольких сотен тысяч до нескольких миллионов элементов.

Важным показателем качества технологии и конструкции ИС является плотность упаковки элементов на кристалле – число элементов, приходящихся на единицу его площади. Кроме уменьшения размеров элементов для повышения плотности элементов на кристалле используется совмещение нескольких (обычно двух) функций некоторыми областями полупроводникового кристалла, а также трехмерные структуры, разделенные диэлектрическими прослойками.

Уровень технологии характеризуется минимальным технологическим размером , т.е. наименьшими достижимыми размерами легированной области в полупроводниковом слое или пленочном слое на поверхности, например минимальной шириной эмиттера, шириной проводников, расстояниями между ними. Для полупроводниковых ИС уменьшение по мере совершенствования технологии приводит к улучшению их электрических параметров, например повышению быстродействия из-за снижения паразитных емкостей р-n-переходов, увеличению крутизны полевых транзисторов.

По функциональному назначению ИС подразделяются на аналоговые и цифровые. В аналоговых ИС сигнал изменяется как непрерывная функция. Самая распространенная аналоговая ИС – так называемый операционный усилитель, а также ИС диапазона высоких и сверхвысоких частот. Цифровые ИС предназначены для преобразования и обработки сигналов, представленных в дискретном виде.

Конструктивно-технологическая классификация ИС отражает способ изготовления и получаемую при этом структуру. По этому критерию различают полупроводниковые и гибридные ИС. В полупроводниковых ИС все элементы и межэлементные соединения изготовлены в объеме и на поверхности полупроводника. В гибридных ИС на диэлектрической подложке изготовляются пленочные пассивные элементы (резисторы, конденсаторы) и устанавливаются навесные активные и пассивные компоненты. Промежуточным типом ИС являются совмещенные интегральные схемы, в которых транзисторы изготовляются в активном слое кремния, а пленочные резисторы и диоды – как и проводники на изолирующем слое двуокиси кремния.

По типу применяемых активных элементов (транзисторов) интегральные схемы делятся на ИС на биполярных транзисторах (биполярных структурах) и ИС на МДП-транзисторах (МДП-структурах).

Типовые технологические процессы и операции создания полупроводниковых ИС

Подготовительные операции

Создание полупроводниковых ИС начинается с получения монокристаллических слитков кремния или германия. Мы будем далее говорить о кремнии, являющемся основой интегральных схем. Известно несколько методов получения монокристаллических слитков. Кратко остановимся на методе Чохральского и методе зонной плавки.

Метод Чохральского. В расплавленное нагревателем 1 вещество 3, которое находится в тигле 2 и имеет температуру, близкую к температуре кристаллизации, опускают монокристаллическую затравку 4 того же состава, что и расплав (рис.1,а). Далее приводится в действие механизм подъема и вращения затравки; при этом затравка смачивается расплавом и увлекает его вверх, вследствие чего расплав на затравке нарастает в виде кристаллической фазы. Метод обеспечивает получение полупроводникового материала в форме совершенных монокристаллов с определенной кристаллической ориентацией и минимальным числом дефектов. Нагреватель может быть резистивным, высокочастотным, электронно-лучевым.

Метод зонной плавки (метод перекристаллизации). На рис. 1,б показана схема безтигельной вертикальной зонной плавки. Обозначения такие же, как на рис.1,а.

Перед началом кристаллизации расплавляется не вся твердая фаза кристалла 4, а только узкая зона 3, которую перемещают вдоль кристалла смещением нагревателя. Большинство примесей обладают хорошей растворимостью в жидкой фазе по сравнению с твердой, поэтому по мере продвижения зона плавления все больше насыщается примесями, которые концентрируются на конце слитка. Обычно процесс зонной плавки повторяют несколько раз, по окончании очистки загрязненный конец слитка отрезают.

Достоинством метода является совмещение процесса глубокой очистки полупроводника с выращиванием его монокристалла. Обычно изготовляют монокристаллы с равномерным распределением легирующей примеси (донорной или акцепторной). Легирование кремния или германия элементами осуществляется введением в расплав соответствующей примеси. Таким образом, слитки могут иметь электронную электропроводность (n-тип) или дырочную (р-тип). Максимальная длина может достигать 100…150 см, а диаметр слитка до 150 мм и более.

Слитки кремния разрезают на множество тонких пластин (толщиной 0,4...0,5 мм) с помощью вращающихся стальных дисков с внутренней и внешней режущими кромками, армированными искусственными или природными алмазами. Применяется также резка с помощью тонкой проволоки (0,08...0,1 мм), совершающей возвратно-поступательное движение. Резку проводят вольфрамовой проволокой, покрытой тонким слоем алмазной крошки.

После резки слитков, для получения параллельности сторон пластин, точного соответствия заданным размерам и уменьшения глубины нарушенного слоя проводят шлифование пластин. Для шлифования применяются абразивные материалы, алмазные порошки, полировочные пасты.

Важным в полупроводниковой технологии является также очистка поверхности от загрязнений органическими веществами, особенно жирами. Для этого используют органические растворители (толуол, ацетон, этиловый спирт и др.) при повышенной температуре. Травление, очистка и многие другие процессы сопровождаются отмывкой пластины в деионизованной воде.