Конспект лекций «Элементная база РЭС» (стр. 4 )

РИС6

Для задания такой структуры в высокоомной подложке p-типа, диффузией или ионным легированием формируется тонкий n слой. На краях n слоя размещаются входная и выходная области n+-типа, которыми создают омический контакт. В результате подобной конфигурации распределение зарядов имеет максимум, находящийся примерно на глубине p-n перехода. При этом как и в приборах с поверхностным каналом переноса, глубину потенциальной ямы можно регулировать, изменяя напряжение на соответствующих выводах. Заряды можно перемещать точно так же, как и в ПЗС с поверхностным переносом заряда, однако т. к. область зарядового пакета располагается на значительном расстоянии от пакета, резко увеличивается подвижность электронов. Эти факторы приводят к увеличению максимальной тактовой частоты и снижению коэффициента потерь.

Достоинства ПЗС с объёмным каналом:

- низкий уровень шумов, что достигается за счёт устранения взаимодействия зарядовых пакетов с поверхностным состоянием.

Недостатки:

- значительно меньшая величина зарядового пакета, что обусловлено относительно большим расстоянием между затвором и областью хранения зарядового пакета.

Технологические основы микроэлектроники

Основы технологии полупроводниковых микросхем

В большинстве полупроводниковых микросхем элементы располагаются в тонком приповерхностном слое полупроводника (0,5..10 мкм).

Основной материал для изготовления полупроводниковых микросхем – кремний. Очень важным преимуществом кремния является то, что на его поверхности может образовываться оксид кремния при реакции термического окисления. Окисление используется в качестве маски при локальном легировании для изоляции элементов, в качестве подзатворного диэлектрика для МОП транзисторов, а также для защиты кристалла от влияния окружающей среды. В последние десятилетия применяются микросхемы на основе арсенида галлия, отличающегося большей подвижностью электронов. Большая подвижность даёт возможность формировать микросхему для СВЧ диапазона или микросхему с повышенным быстродействием. Недостаток – более сложная технология и дорогой материал.

В некоторых микросхемах слой кремния, в котором формируются элементы, выращивают на диэлектрической подложке, например т. н. структуры – кремний на сапфире.

Уровень технологии характеризуется минимальным топологическим размером, т. е. минимальным достижимым размером.

При маленьких топологических размерах возрастает влияние процессов деградации структуры кристалла вследствие повышения плотности тока, напряжённости электрических полей, плотности выделяемой энергии, а также надёжности внутрисхемных соединений.

При разработке полупроводниковых микросхем имеется сложность обеспечения конструктивно-технологической совместимости различных элементов. Имеются параметры, оптимальные для одного вида элементов и трудноосуществимые для другого.

Гибридные интегральные микросхемы

На диэлектрическую подложку 1 нанесены тонкоплёночные резисторы 2 и плёночный конденсатор 3. С помощью клея 5 на подложку устанавливается безкорпусный БТ.

Многокристальная гибридная микросхема представляет собой совокупность нескольких полупроводниковых микросхем. Электрические связи между компонентами гибридных ИМ осуществляют с помощью плёночным проводников. В зависимости от способа нанесения проводников различают тонкоплёночные технологии (менее 1 микрона) и толстоплёночные технологии (более 1 микрона) в гибридных ИМ.

При тонкоплёночной технологии слои формируются вакуумными методами.

Вакуумные методы:

- термическое испарение

- распыление

При толстоплёночной технологии слои формируются методом трафаретной печати с последующим вжиганием.

Достоинства гибридных интегральных схем:

+ низкие первоначальные затраты при организации производства;

+ возможность использования компонентов с требуемыми характеристиками;

+ простота изготовления плат.

Недостатки:

- большая цена при массовом производстве;

- большие размеры;

- более сложная технология изготовления.

Общие сведения о технологии полупроводниковых микросхем.

Технология полупроводниковых микросхем содержит 3 больших этапа:

Подготовка полупроводниковых пластин Этап формирования структуры (обработки) микросхем Контрольно-сборочный этап

1 этап

Полупроводниковые пластины получают разрезанием монокристаллических слитков цилиндрической формы с последующей шлифовкой, полировкой и химическим травлением. Необходимо удаление верхнего дефектного слоя и получение зеркальной поверхности с шероховатостью порядка 10 нм. Использование диаметра пластин – 76мм, 100мм, 150мм, 200мм, 300мм. Допустимый прогиб ограничен 10 мкм.

Последняя операция - ультразвуковая очистка пластин.

2 этап

Этап обработки пластин:

Процесс формирования в определённых местах пластины областей с требуемым типом электропроводности и удельным сопротивлением путём ввода соответствующих примесей, а также выращиванием слоёв на поверхности

Включает в себя процессы:

легирования (диффузионное легирование – диффузия; ионное легирование – ионная имплантация); нанесения тонкоплёночных слоёв; травления; процессы литографии;

*  эпитаксия – наращивание на монокристаллической структуре монокристаллической плёнки, подобной нижнему слою подложки.

Этап характеризуется т. н. групповым методом обработки.

3 этап (контрольно-сборочный)

- Начинается с контроля функционирования микросхем на пластине. Контакты к отдельным кристаллам подводятся с помощью тонких игл (механических зондов). Зондовый контроль производится на автоматизированных установках часто с использованием электронного микроскопа.

- Пластины разрезают на кристаллы.

- Каждый кристалл устанавливается в корпус.

- Соединяют контактные площадки кристаллов с выводами корпусов.

- Герметизация корпуса.

- Выходной контроль.

Контрольно-сборочные операции производятся индивидуально для каждой микросхемы, поэтому они операции практически на 50 % определяют себестоимость полупроводниковой микросхемы.

Термическая диффузия.

Термическая диффузия – процесс легирования примесей (введения одного вещества вглубь другого) производится при высокой температуре (1000 град. С), примесные атомы поступают через поверхность и распространяются вглубь вследствие теплового движения.

Основной механизм проникновения примесного атома в кристаллическую решётку состоит в последовательном перемещении по пустым узлам решётки. Атом примеси выполняет функцию донора или акцептора только в том случае, если он занимает место в узле кристаллической решётки. Следовательно, для процесса термической диффузии необходимая высокая температура потому, что:

растёт подвижность примесных атомов; резко возрастает количество вакансий (пустых междоузлий).

Диффузионное легирование проводится через маску SiO2 или Si3N4 толщиной 0,5 мкм

РИС1

Диффузионное легирование – процесс изотропный (процесс идёт во всех направлениях). Концентрация примесей всегда максимальна у поверхности и спадает по направлению вглубь пластины.

Термическая диффузия характеризуется:

Коэффициентом диффузии D, определяющим плотность потока атомов, проходящих в единицу времени через единицу поверхности. Коэффициент диффузии увеличивается на порядок при повышении температуры на каждые 100 градусов.

Предельная растворимость – максимально достижимая концентрация одного вещества в другом.

В качестве источников примеси используют соединения бора и фосфора в твёрдом, жидком и газообразном состоянии.

Термическая диффузия производится в диффузионных печах, температурный диапазон – до 1300 град. С. Точность поддержания температуры – десятые доли градуса. Если над пластинами избыток диффузанта, то у поверхности устанавливается максимальная концентрация примеси, близкая к предельной растворимости.

РИС2 (Загонка примеси)

N – концентрация, x – глубина

Назначение загонки заключается в возведении определённой дозы легирования.

РИС3

Для окончательного формирования диффузионного слоя, введённую примесь подвергают перераспределению – разгонка примеси.

Для создания нескольких слоёв с разными типами электропроводности диффузия проводится многократно. При многократной диффузии концентрация каждой новой примеси должна превышать концентрацию предыдущей.

Ионное легирование.

Ионное легирование – это операция введения примеси в поверхностный слой путём бомбардировки ионами примеси.

Получение и ускорение ионов производят в специальных вакуумных установках. Пары легирующих элементов поступают в ионизационную камеру, где возбуждаются электрические разряды. Образовавшиеся ионы P+  и B+ ускоряются в электрическом поле. Напряжение на электроде достигает до 300 кЭв*. 1Эв соответствует скорости движения частицы с температурой 11600 град. К.

Легирование производится через маску SiO2 или Si3N4 толщиной 0,5 мкм.

Горизонтальные размеры легированной области точно соответствуют размеру маски.

Принципиально возможно легирование без применения маски за счёт сканирования остро сфокусированным пучком ионов.

Принципиально возможно создание скрытых слоёв.

РИС 4

С ростом энергии ионов увеличивается глубина проникновения примесей, но при этом растёт число дефектов кремниевой подложки. Как правило средняя глубина введения примеси не превышает 1мкм. После ионного легирования производят отжиг пластины при температуре 600..900 град. С, с целью снижения радиационного эффекта.

Достоинства ионного легирования в сравнении с диффузионным:

+ процесс занимает меньше времени => обеспечивает большую производительность;

+ происходит при меньшей температуре (меньшее изменение примесных областей, полученных при предыдущих операциях);

+ высокая степень чистоты процесса (высокий вакуум);

+ возможность создания скрытых легирующих слоёв.

Недостатки:

- большая стоимость оборудования;

- небольшая глубина слоя;

- большое дефектообразование, сопутствующее процессу легирования.

Травление.

Травление – удаление поверхностного слоя не механическим путём.