Микроэлектроника и функциональная электроника

СОДЕРЖАНИЕ

Введение....................................................................................................... 3

1. Описание схемы для разработки........................................................ 3

2. Определение электрических параметров схемы................................. 4

3. Технологические этапы изготовления ИМС...................................... 5

4. Последовательность расчета параметров биполярного транзистора 9

5. Последовательность расчета параметров интегральных резисторов 12

6. Последовательность расчета параметров МДП – конденсатора...... 18

7. Особенности топологии разрабатываемой ИМС............................. 20

Выводы................................................................................................. 20

Литература............................................................................................ 20

Введение.

Интегральная электроника на сегодняшний день является одной из наиболее бурно развивающихся отраслей современной промышленности. Одной из составных частей данной науки является схемотехническая микроэлектроника. На каждом новом этапе развития технологии производства интегральных микросхем (ИМС) создаются принципиально новые методы изготовления структур ИМС, отражающие последние достижения науки.

В настоящее время наибольшее внимание в микроэлектронике уделяется созданию СБИС – сверхбольших интегральных схем – интегральных структур с очень большой степенью интеграции элементов, что позволяет не только значительно уменьшить площадь подложки ИМС, а следовательно, габаритные размеры и потребляемую мощность, но также и значительно расширить перечень функций, которые данная СБИС способна выполнять. В частности, использование СБИС в вычислительной технике позволило создание высокопроизводительных микропроцессоров электронно-вычислительных машин, а также встраиваемых однокристальных микроконтроллеров, объединяющих на одном кристалле несколько взаимосвязанных узлов вычислительного комплекса.

Переход к использованию СБИС сопряжен со значительным увеличением числа элементов ИМС на одной подложке, а также с существенным уменьшением геометрических размеров элементов ИМС. В настоящее время технология позволяет изготовление отдельных элементов ИМС с геометрическими размерами порядка 0,15-0,18 мкм.

Быстрое развитие мироэлектроники как одной из самых обширных областей промышленности обусловлено следующими факторами:

1) Надежность - комплексное свойство, которое в зависимости от на­значения изделия и условий его эксплуатации может включать безотказность, долговечность, ремонтопригодность и сохраняемость в отдельности или определенное сочетание этих свойств как изделий в целом так и его частей. Надежность работы ИМС обусловлена монолитностью их структуры, а также защищенностью интегральных структур от внешних воздействий с помощью герметичных корпусов, в которых, как правило, выпускаются серийные ИМС.

2) Снижение габаритов и массы. Значительное уменьшение массы и размеров конкретных радиоэлектронных приборов без потери качества работы также является одним из решающих факторов при выборе ИМС при разработке различных приборов и узлов радиоэлектронной аппаратуры.

1. Описание схемы для разработки.

Данная схема представляет собой цифровую схему логики 4ИЛИ-НЕ на биполярных транзисторах. Питание схемы стандартное, 5В. Схема состоит из четырех идентичных каскадов, состоящих из биполярного транзистора, резистора и конденсатора. Логика данного логического элемента – насыщенного типа, т.е. транзисторы в каскадах при работе схемы работают либо в режиме отсечки (на входе – "0", на выходе – "1", транзистор закрыт) либо в режиме насыщения (на входе – "1", на выходе – "0", транзистор открыт).

Назначение пассивных элементов в цепи базы транзисторов следующее:

1) Резистор – предназначен для выравнивания входных характеристик всех каскадов логического элемента. Включение резистора в цепь базы необходимо ввиду большой погрешности параметров, в частности, сопротивления базы при изготовлении интегральной структуры транзистора, что является неприемлемым, так как не обеспечивает требуемой стабильности и воспроизводимости параметров схемы.

2) Конденсатор – применяется для увеличения быстродействия каскада. Это достигается благодаря свойству конденсатора проводить сигналы высших гармоник. При подаче на вход схемы уровня логической единицы в момент перехода из ноля в единицу входной сигнал содержит много гармоник высших порядков, которые безпрепятственно проходят через конденсатор, открывая транзистор. При установлении на входе стабильного напряжения гармоники высших порядков пропадают и транзистор стабильно работает в режиме насыщения.

Ввиду наличия в схеме транзисторов, резисторов и конденсаторов, данный тип логики получил название резисторно-емкостной транзисторной логики (РЕТЛ).

Ввиду того, что все четыре каскада рассматриваемой схемы являются абсолютно идентичными, работа остальных каскадов не рассматривается.

2. Определение электрических параметров элементов схемы.

Значения токов и напряжений на элементах схемы определяется с помощью программы Electronics Workbench (версия 5.12, разработчик – Interactive Image Technologies LTD).

Для последующего расчета топологических параметров разрабатываемой интегральной схемы необходимо определить следующие параметры:

максимальный ток через резисторы IR . Данный параметр необходим для расчета мощности, выделяющейся на резисторах, необходимой для последующих расчетов;

для транзисторов – максимальный ток на коллекторном переходе, максимальный ток эмиттера,максимальное напряжение на переходе коллектор-база UКБ.

Электрические параметры конденсаторов, необходимые для расчета их топологических параметров, приведены в задании к данной работе и не подлежат определению.

Значения параметров, указанных выше, приведены в табл. 2.1.

Табл. 2.1. Электрические параметры элементов интегральной схемы.

Примечание. Данные значения токов и напряжений были измеряны при подаче на логические входы схемы минимально допустимого напряжения логической единицы (1,9 В), и/или максимально допустимого напряжения логического нуля (0,7 В).

3.  Технологические этапы изготовления ИМС.

При производстве различных ИМС в текущий момент используется планарная технология, обеспечивающая воспроизводимые параметры инте­гральных элементов и групповые методы их производства Локальные тех­нологические обработки участков монокристалла кремния обеспечиваются благодаря применению свободных и контактных масок. В планарной техно­логии многократно повторяются однотипные операции для создания различных по структуре ИМС. Основными технологическими операциями при изготовлении ИМС являются: подготовка полупроводниковой подложки; окисление; фотолитография; диффузия; эпитаксия; ионное легирование, ме­таллизация

Элементы биполярных интегральных структур создаются в едином технологическом цикле на общей полупроводниковой подложке. Каждый элемент схемы формируется в отдельной изолированной области, а соединения между элементами выполняются путем металлизации на поверхности пассивированной схемы. Изоляция между элементами схемы осуществляется двумя способами: обратносмещенными р - n переходами и диэлектриком Изоляция обратно смещенным переходом реализуется следующими технологическими методами: разделительной, коллекторной изолирующей диф­фузией; базовой изолирующей диффузией; методом трех фотошаблонов, изоляцией n- полостью.

Для изоляции элементов ИМС диэлектриком используют слой SiO2, и Si3Н4, ситалл, стекло, керамику, воздушный зазор.

3.1. Последовательность операций планарно - эпитаксиальной технологии производства ИМС.

1 - механическая обработка поверхности рабочей стороны кремниевой пластины р -типа до 14-го класса чистоты и травление в парах НСl для удаления нарушенного слоя. Под­ложки кремния шлифуют до заданной толщины, затем полируют (обычно до 14 класса точности) , подвер­гают травлению и промывают. Эпитаксиальные структуры не требуют до­полнительной механической обработки, а лишь подвергаются травлению и промывке перед процессами создания схем.

2 - окисление для создания защитной маски при диффузии примеси n типа. На поверхности кремния выращивается плотная пленка двуокиси кремния, которая имеет близкий к кремнию коэффициент теплового расширения, что позволяет использовать ее как надежное защитное покрытие, а также изолятор отдельных компонентов ИМС, маску при проведении локальной диффузии и как активную часть прибора в МДП- структурах.

Термическое окисление поверхностей кремния является наиболее тех­нологичным методом получения пленок SiO2. В этом случае качестве окис­ляющей среды используются сухой или увлажненный кислород либо пары воды. При окислении температура рабочей зоны поддерживается на уровне        1100-1300°С. Окисление проводится методом открытой трубы в потоке окислителя. В сухом кислороде выращивается наиболее совершенный по структуре окисный слой, но процесс окисления при этом проходит медленно (Т=1200 °С), толщина d слоя SiO2 составляет 0,1 мкм). На практике окис­ление проводят в три стадии: в сухом кислороде, влажном кислороде и сно­ва в сухом. Для стабилизации свойств защитных окисных слоев в процессе окисления в среду влажного кислорода или паров воды добавляют борную кислоту, двуокись титана и др.

3 - фотолитография для вскрытия окон в окисле и проведения локальной диффузии в местах формирования скрытых слоев. Создание на поверхности подложки защитной маски малых размеров, используемой в дальнейшем для проведения локальных процессов травления, диффузии, эпитаксии и др. Образуется с помощью фоточувствительного слоя (фоторезиста), который под действием света изменяет свою структуру По способности изменять свойства при облучении фоторезисты делятся на негативные и позитивные.

Освещение негативного фоторезиста вызывает дополнительную полимеризацию его молекул, вследствие чего после проявления пластины по­лупроводника на ней остаются нерастворимые участки рисунка, которые представляют собой негативное изображение фотошаблона, а неосвещенные участки фоторезиста смываются в растворителе при проявлении.

В позитивном фоторезисте под действием света происходит разру­шение молекул. При проявлении такой фоторезист удаляется с освещенных участков, а на поверхности пластины остается позитивное изображение фотошаблона,

Фоторезист должен быть чувствительным к облучению, иметь высо­кие разрешающую способность и кислотостойкость.

Для создания определенного рисунка с помощью фоторезиста используется фотошаблон, представляющий собой пластину из оптического стекла, на поверхности которой содержится рисунок соот­ветствующий по размерам будущей микросхеме. Фотошаблон может содержать до 2000 изображений одной микросхемы.

Последовательность фотолитографического процесса состоит в следующем .

На окисленную поверхность кремния с толщиной окисла 3000 - 6000 А наносят слой фоторезиста с помощью центрифуги. Фоторезист сушат сначала при комнатной температуре, затем при температуре 100 -150 0С.

Подложку совмещают с фотошаблоном и облучают ультрафиолетовым излучением. Засвеченный фоторезист проявляют, а затем промывают в деио­низированной воде. Оставшийся фоторезист задубливают при комнатной температуре и температуре 200 °С в течение одного часа, после чего окис­ленная поверхность кремния открывается в местах, соответствующих ри­сунку фотошаблона. Открытые участки окисла травят в специальных бу­ферных травителях (например, 10 мл НF и 100 мл NH4F в воде). На участки окисла, покрытые фоторезистом, травитель не действует. После травления фоторезист растворяют органическим растворителем и горячей серной кислотой. Поверхность пластины тщательно промывают. На поверх­ности кремния остается слой SiO2, соответствующий рисунку схемы

4 - диффузия для создания скрытого n-слоя.

Локальная диффузия является одной из основных технологических операций при создании полупроводниковых ИМС.

Диффузия в полупроводниковых кристаллах представляет собой на­правленное перемещение примесных атомов в сторону убывания их концен­трации. В качестве легирующих примесей в кремнии используются в основном бор и фосфор, причем бор создает примеси акцепторного типа, а фосфор донорного. Для бора и фосфора энергия активации соответственно равна 3,7 и 4,4 эВ. Различают два режима диффузии: диффузия из неограниченного источника и диффузия из ограниченного источника. В производстве ИМС реализуются оба случая диффузии. Диффузия из неограниченного источника представляет собой первый этап диффузии, в результате которого в полупроводник вводится определенное количество примеси. Этот процесс называют загонкой примеси.

Для создания заданного распределения примесей в глубине и на поверхности полупроводника проводится второй этап диффузии из ограниченного источника. Этот процесс называется разгонкой примеси.

Локальную диффузию проводят в открытые участки кремния по ме­тоду открытой трубы в потоке газа - носителя. Температурный интервал диффузии для кремния составляет 950 - 1300 °С. Кремниевые пластины размещают в высокотемпературной зоне диффузионной печи. Газ - носи­тель в кварцевой трубе при своем движении вытесняет воздух. Источники примеси, размещенные в низкотемпературной зоне, при испарении попа­дают в газ - носитель и в его составе проходят над поверхностью кремния.

Источники примеси, применяемые в производстве ИМС, могут быть твердыми: жидкими и газообразными. В качестве жидких источников ис­пользуются хлорокись фосфора РОСlз и ВВrз. После установления темпера­турного режима в рабочую зону печи поступает кислород, что способствует образованию на поверхности кремния фосфоро - и боросиликатного стекла. В дальнейшем диффузия проходит из слоя жидкого стекла Одновременно слой стекла защищает поверхность кремния от испарения и попадания по­сторонних частиц. Таким образом, в локальных участках кремния происхо­дит диффузия легирующей примеси и создаются области полупроводника с определенным типом проводимости.

После первой фотолитографии проводится локальная диффузия донорной примеси с малым коэффициентом диффузии (Аs, Sb) и формируется скрытый высоколегированный слой n+ глубиной около 2 мкм.

Примесь с малым коэффициентом диффузии необходимо использо­вать, чтобы свести к минимуму изменение границ скрытого слоя при после­дующих высокотемпературных технологических операциях. После этого с поверхности полностью удаляется слой окисла и пластина очищается. На очищенной поверхности кремния выращивается эпитаксиальный слой n-типа толщиной 10-15 мкм с удельным сопротивлением 0,1 - 10 Ом*см.

5 - снятие окисла и подготовка поверхности перед процессом эпитакси-ального наращивания;

6 - формирование эпитаксиальной структуры;

Эпитаксия представляет собой процесс роста монокристалла на ориентирующей подложке. Эпитаксиальный слой продолжает кристаллическую решетку под­ложки. Толщина его может быть от монослоя до нескольких десятков мик­рон. Эпитаксиальный слой кремния можно вырастить на самом кремнии. Этот процесс называется авто - или гомоэпитаксией. В отличие от авто-эпитаксии процесс выращивания монокристаллических слоев на подложках, отличающихся по химическому составу, называется гетероэпитаксией.

Эпитаксиальный процесс позволяет получать слои полупроводника однородные по концентрации примесей и с различным типом проводимости (как электронным, так и дырочным). Концентрация примесей в слое может быть выше и ниже, чем в подложке, что обеспечивает возможность получе­ния высокоомных слоев на низкоомной подложке.

В производстве эпитаксиальные слои получают за счет реакции на по­верхности подложки паров кремниевых соединений с использованием реак­ции восстановления SiCl4, SiВг4.

В реакционной камере на поверхности подложки в температурном диапазоне 1150 - 1270 °С протекает реакция

1	2	3	4	5