ТВЕРДОТЕЛЬНАЯ ЭЛЕКТРОНИКА

ТВЕРДОТЕЛЬНАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОТЕХНИКИ http://avtovinilspb.ru/ тонировка стекол автомобиля тонировка заднего стекла.
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

Нанесение тонких пленок

Тонкие пленки используются в полупроводниковых и гибридных интегральных схемах для создания проводниковых соединений, резисторов, конденсаторов и изоляции между элементами и проводниками. Применяется ряд методов нанесения пленок.

Термическое вакуумное напыление. В результате нагревания в вакууме происходят испарение вещества и осаждение его на подложке. Нагрев может быть прямым или косвенным. Недостатками этого метода являются невысокая воспроизводимость параметров пленки из-за трудности обеспечения контроля температуры и кратковременности процесса. Метод применяется в основном для напыления чистых металлов.

Распыление ионной бомбардировкой. В вакууме создают газовый разряд. Возникающие в разряде положительные ионы бомбардируют распыляемый материал, выбивая из него атомы или молекулы, которые затем осаждаются на подложке. Этот метод (в отличие от термического напыления) позволяет получать пленки тугоплавких металлов, наносить диэлектрические пленки, соединения, сплавы, точно выдерживая их состав, равномерность и толщину. Существует несколько разновидностей метода: катодное распыление, ионно-плазменное напыление, высокочастотное распыление.

Химическое осаждение из газовой фазы. Этот метод широко используется для получения пленок поликристаллического кремния и диэлектриков (SiО2, Si3N4). Осаждение происходит в результате химической реакции в газовой фазе при повышенной температуре. Для осаждения пленок поликристаллического кремния на пластины, покрытые слоем SiО2, используется реакция разложения силана SiH4 → Si + 2H2 при t° = 600°С. Пленка SiO2, используемая в качестве защитных покрытий пластин или изоляции между слоями соединений, осаждается окислением силана SiH4 + O2 → SiО2 + 2H2 при t° = 200...300°С. Нитрид кремния получают в реакции силана с аммиаком SiH4 + N3 → Si3N4 + H2 при t° = 800°С.

Достоинством химического осаждения из газовой фазы являются простота, хорошая технологическая совместимость с другими процессами создания полупроводниковых ИС (эпитаксия, диффузия) и сравнительно невысокая температура. Скорость осаждения пленки составляет в среднем несколько сотых долей микрометра в минуту.

Химическое осаждение из водных растворов. При прохождении электрического тока на катоде осаждается металлическая пленка, толщина которой зависит от значения тока и времени осаждения. Можно получать не только тонкие, но и толстые пленки (20 мкм и более).

Пленочные проводниковые соединения и контакты

Элементы в интегральных схемах соединяют тонкопленочными проводниками. Предварительно в слое SiО2, покрывающем поверхность пластины, вытравливают контактные отверстия. Проводящую пленку наносят на всю поверхность, а затем ее травят через маску, чтобы получить требуемый рисунок соединений. Материал пленки должен обеспечивать омический контакт с кремнием, иметь низкое удельное сопротивление и выдерживать высокую плотность тока. Он должен быть механически прочным, не повреждаться при изменениях температуры из-за разных коэффициентов расширения пленки, пластины и слоя SiО2, а также не подвергаться коррозии и не образовывать химических соединений с кремнием. Наиболее полно этим требованиям отвечает алюминий, имеющий удельное сопротивление 2,6·10-6 Ом·см, нанесенный термическим вакуумным напылением.

После создания рисунка соединений производится вжигание алюминиевых контактов при температуре 550°С в течение 5...10 мин. Алюминий является акцептором, поэтому контакт с областью р-типа всегда омический. Для получения омического контакта с областью n-типа концентрация доноров в ней должна быть выше, чем алюминия. Если концентрация доноров ниже, то произойдет перекомпенсация поверхностного слоя акцепторами (Аl), т.е. изменение электропроводности с n-типа на р-тип, приводящее к образованию р-n-перехода. Для формирования омического контакта к n-области с низкой концентрацией доноров необходимо предварительно создать сильно легированную контактную n+-область с концентрацией доноров порядка 1020 см-3. В этом случае перекомпенсация акцепторами невозможна.

В БИС и СБИС недостаточно одного слоя проводниковых соединений, так как не удается осуществить разводку проводников без пересечений. Поэтому создают два или три слоя проводников, разделенных слоями диэлектрика, получаемых методом осаждения из газовой фазы. В слое SiO2 делают отверстия для контактов между проводниками соседних слоев.

Для присоединения внешних выводов к ИС изготовляют контактные площадки (металлизированные участки на кристалле). Как правило, их располагают по периферии полупроводникового кристалла. Они представляют собой расширенные области пленочных проводников и формируются одновременно с разводкой.

Разделение пластин на кристаллы и сборочные операции

Разделение пластин на кристаллы осуществляется в две стадии. Сначала на поверхности пластин между изготовленными ИС в двух взаимно перпендикулярных направлениях наносят неглубокие риски (скрайбирование), а затем по этим рискам разламывают пластину на прямоугольные или квадратные части (“кристаллы”). Скрайбирование производится алмазными резцами. Обычно ширина риски 10...20 мкм, глубина 5...10 мкм, скорость движения резца 50...75 мм/с. Применяется также лазерное скрайбирование, при котором разделительные риски создаются испарением узкой полосы полупроводникового материала с поверхности пластины во время ее перемещения относительно сфокусированного лазерного луча. Достоинства этого метода: создание глубокой разделительной канавки, высокая производительность (100...200 мм/с), отсутствие на полупроводниковой пластине микротрещин и сколов. Используются импульсные лазеры с частотой следования импульсов 5...50 кГц и длительностью импульсов примерно 0,5 мкс.

Разламывание пластин на кристаллы после скрайбирования осуществляется механически, созданием изгибающего момента. Наиболее простым способом является разламывание пластин валиком (рис.5); при этом пластину кладут рисками вниз на мягкую гибкую опору из резины. Разламывание сначала производится на полоски, а затем на отдельные кристаллы. Применяется также разламывание на сферической опоре. В этом случае пластины сразу разламываются на отдельные кристаллы. Достоинства этого способа: простота, высокая производительность (процесс занимает не более 1... 1,5 мин) и одностадийность, а также достаточно высокое качество из-за отсутствия смещения кристаллов относительно друг друга.

Сборка кристалла в корпусе начинается с крепления его к дну корпуса путем приклеивания или припаивания легкоплавким припоем. Затем контактные площадки на кристалле соединяются со штырьками – внешними выводами корпуса. Соединение осуществляется с помощью тонких (20...30 мкм) алюминиевых или золотых проволочек. Наиболее распространенным является соединение проволочек с контактной площадкой термокомпрессией – прижатием деталей друг к другу при большом давлении и повышенной температуре (200...300°С), способствующей взаимной диффузии атомов. По окончании монтажа кристалла производится корпусирование, т.е. окончательное внешнее оформление. Корпусирование обеспечивает также защиту кристалла от влияния внешней среды, поэтому его проводят либо в вакууме, либо в среде инертного газа (азот, аргон). Имеются и бескорпусные варианты. Начальным этапом герметизации как бескорпусных, так и корпусных изделий является пассивация поверхности кристалла с помощью пленок, например SiO2, Si3N4. При бескорпусном варианте затем наносят более толстые слои герметиков: эмалей, лаков, компаундов. Как правило, бескорпусные ИС имеют прямоугольную или квадратную форму, что более удобно для оптимального их размещения на подложке или на плате. Число выводов у простых ИС составляет 8...14, а y больших до 64 и более. Корпуса могут быть металлическими и пластмассовыми с выводами, лежащими в плоскости корпуса или перпендикулярно ей.

3. Способы электрической изоляции элементов полупроводниковых ИС

3.1. Общие сведения

В полупроводниковых ИС используются как биполярные, так и МДП-структуры. Различие в структурах, а также способах электрической изоляции элементов приводит к различию функциональных возможностей и электрических характеристик.

Технологии изготовления биполярных и МДП-транзисторов близки, хотя есть и некоторые особенности: необходимость специальных процессов для изоляции элементов в биполярных схемах и процессов получения тонких пленок подзатворного диэлектрика в МДП-схемах.

Технологический процесс производства полупроводниковых ИС многооперационный и длительный. Общее число технологических операций превышает 500, а длительность технологического цикла - до 50 дней. Характеристика основных технологических процессов уже была дана. Здесь мы остановимся лишь на способах создания электрической изоляции.

При создании полупроводниковых ИС малой и средней степени интеграции широко используются способы изоляции обратновключенным р-n-переходом и диэлектрическими пленками двуокиси кремния. Для БИС разработана технология изоляции с одновременным использованием р-n-перехода и диэлектрических пленок.

Изоляция p-n-переходом

На рис.5 показана структура интегрального n-р-n-транзистора изолированного p-n-переходом. В этом транзисторе подложкой является кремний р-типа; на ней созданы эпитаксиальный n-слой и так называемый скрытый n+-cлoй.. Изолирующий р-n-переход создается путем диффузии акцепторной примеси на глубину, обеспечивающую соединение образующихся при этой диффузии р-областей с р-подложкой. В этом случае эпитаксиальный n-слой разделяется на отдельные n-области (изолирующие “карманы”), в которых и создаются потом транзисторы. Эти области будут электрически изолированы только в том случае, если образовавшиеся р-n-переходы имеют обратное включение. Это достигается, если потенциал подложки n-р-n-транзистора будет наименьшим из потенциалов точек структуры. В этом случае обратный ток через р-n-переход незначителен и практически исключается связь между n-областями (карманами) соседних транзисторов.

 

 

 

 

Изоляция коллекторной диффузией

При этом способе (рис.7) исходным является создание на подложке p-Si равномерного эпитаксиального р-слоя, а в определенных местах под ним – скрытого n+ слоя. Затем производят диффузию доноров через маску и создают боковые n+-области, касающиеся скрытого n+ слоя. В отличие от рис.6 образуется карман р-типа для создания р-базы и n-эмиттера. Совокупность скрытого n+ слоя и боковых n+ областей будет выполнять в транзисторе функцию коллекторной области с выводом К на поверхности. Переход между n+-областями и подложкой и обеспечивает изоляцию от другого элемента ИС, если подложка имеет наименьший потенциал.


3.4. Изоляция диэлектрическими пленками

На рис.8. показана последовательность операций изоляции элементов тонкими диэлектрическими пленками. На исходной пластине n-кремния выращивается эпитаксиальный n+-cлой (рис.8, а). На поверхности пластины анизотроп­ным травлением на глубину 20...30 мкм создаются канавки треугольной (V-образной) формы (рис.8, б). Рельефная поверхность термически окисляется, так что получается изолирующая пленка SiO2 толщиной около 1 мкм. Затем на поверхность SiO2 наносится слой высокоомного поликристаллического кремния толщиной 200... 250 мкм (рис.8, в). Исходный монокристалл n-кремния сошлифовывается снизу до тех пор, пока не вскроются вершины вытравленных канавок (рис.8, г), в результате чего образуются изолированные друг от друга слоем SiO2 монокристаллические области (карманы). Потом в этих карманах будут создаваться элементы интегральной схемы.

Диэлектрическая изоляция позволяет на несколько порядков снизить токи утечки и на порядок удельную емкость по сравнению с p-n-переходом. Существенным недостатком диэлектрической изоляции является необходимость точной шлифовки. Диэлектрические канавки могут быть и прямоугольной формы.

3.5. Совместная изоляция p-n-переходом и диэлектрическими пленками

При этом варианте (рис.9) изоляция р-n-переходом осуществляется внизу структуры и слоем SiO2 на поверхностях прямоугольных или V-образных канавок.

3.6. Интегральные схемы на непроводящих подложках

Паразитные емкости между отдельными элементами и емкости между элементами и подложкой снижают быстродействие ИС. Эти емкости можно существенно уменьшить заменой полупроводниковой подложки на непроводящую, например сапфировую (структура “кремний на сапфире”, КНС). На сапфире (рис.10) выращивается эпитаксиальный слой n-кремния толщиной 1...З мкм. “Островки” создаются локальным травлением кремния до сапфировой подложки. В островках создаются транзисторные структуры. После этого воздушные зазоры между островками заполняются изолирующим поликристаллическим кремнием, на поверхности которого создаются соединения элементов схемы.

4. Активные элементы интегральных микросхем

4.1. Биполярный транзистор


Структура биполярного транзистора в интегральных микросхемах отличается от структуры дискретного транзистора изоляцией от подложки. Другая особенность связана с тем, что вывод от коллекторной области интегрального транзистора осуществляется на верхней поверхности кристалла. Поэтому для уменьшения объемного сопротивления области коллектора перед эпитаксиальным наращиванием производится подлегирование подложки в тех местах, где будут сформированы транзисторные структуры, т.е. создается скрытый n+-слой, как показано на рис.11. Однако даже при наличии скрытого n+-слоя сопротивление коллекторной области интегрального транзистора оказывается больше аналогичного сопротивления дискретного транзистора, т.к. скрытый n+-слой отделен от коллекторного перехода высокоомным слоем коллекторной области. Это приводит к некоторому ухудшению частотных свойств интегрального транзистора в связи с увеличением постоянной времени перезаряда барьерной емкости коллектора. При этом необходимо учесть, что выходная емкость интегрального транзистора включает в себя барьерную емкость изолирующего перехода между областью коллектора интегрального транзистора и остальной частью кристалла.

Повышенное сопротивление коллекторной области приводит к увеличению напряжения насыщения интегрального транзистора Uкэнас по сравнению с дискретным транзистором.

Размеры интегрального транзистора существенно меньше размеров аналогичного дискретного транзистора.

Основу биполярных интегральных микросхем составляют транзисторы n-p-n-типа, которые имеют лучшие характеристики и проще в изготовлении по сравнению с транзисторами p-n-p-типа. Дело в том, что для формирования сильнолегированных эмиттерных областей транзисторов n-p-n-типа обычно используют диффузию фосфора, который имеет большую растворимость в кремнии и относительно малый коэффициент диффузии. Таким образом, для формирования p-n-p-транзистора необходимо провести еще одну дополнительную диффузию акцептора с предельной растворимостью, превышающей предельную растворимость фосфора, а такие акцепторы практически отсутствуют.

Поэтому основным вариантом интегрального транзистора p-n-p-типа является горизонтальный транзистор, представленный на рис.12. Для его формирования не надо вводить дополнительных технологических операций, т.к. p-области его эмиттера и коллектора получаются одновременно при создании p-области транзистора n-p-n-типа. Однако горизонтальный транзистор оказывается бездрейфовым из-за однородного легирования его базовой области. Толщина активной части базы горизонтального транзистора получается относительно большой. Все это приводит к посредственным частотным характеристикам горизонтального транзистора и его граничная частота обычно не превышает нескольких десятков мегагерц.

У горизонтального транзистора оказываются одинаковыми напряжения пробоя эмиттерного и коллекторного переходов и близки коэффициенты передачи тока эмиттера при нормальном и инверсном включении транзистора, так как области эмиттера и коллектора одинаковы по своим свойствам.

Горизонтальная структура позволяет легко получить могоколлекторный транзистор. Для этого достаточно кольцевую область коллектора разделить на несколько частей и сделать отдельные выводы от каждой части коллектора. Коэффициент передачи тока для каждого коллектора будет меньше, чем для единого коллектора, но все коллекторы будут работать синхронно, а нагрузки во всех коллекторных цепях будут электрически разделены.