reforef.ru 1 2 3 4
Введение


Существуют несколько разновидностей технологического изготовления интегральных микросхем (ИМС).

Гибридная технологияхарактеризуется тем, что пассивные элементы изготавливаются методом пленочной технологии. Основой является изоляционная пластина, на которую наносят резистивные изоляционные и проводниковые пленки. В результате получается конструкция в которой в качестве активных элементов используются бескорпусные диоды и транзисторы.

Тонкие пленки наносят методом вакуумного напыления либо другим методом. Толстые пленки наносят методом шелкографии, когда на нужные места подожки наносят обжигаемый слой пасты.

Недостаток: пониженная по сравнению с другими видами ИС плотность упаковки.

Преимущество: простота разработки и наладки новых функциональных схем (применяют для изготовления схем частного применения).

Гибридные ИС обладают рядом специфических особенностей, главная из которых является наличие навесных компонентов. Это связано с невозможностью промышленного изготовления пленочных транзисторов и прочих активных элементов. В ГИС реализуют высокие номиналы резисторов и конденсаторов, возможна их точная подгонка, что необходимо в измерительной и преобразовательной технике. Трудоемкость разработки ГИС значительно меньше, чем полупроводниковых ИС, технологическое оборудование для производства тонкопленочных структур, И особенно толстопленочных ИС дешевле.

Пленочная технология – характеризуется созданием пленочной ИС, имеющей подложку из диэлектрика (стекло, керамика и др.). Пассивные элементы (резисторы, конденсаторы, катушки) и соединения между элементами, выполняются в виде различных пленок, нанесенных на подложку. Активные элементы не делаются пленочными, так не удалось добиться их хорошего качества. Таким образом, пленочные ИС содержат только пассивные элементы и представляют собой RC – цепи или какие либо другие схемы. Принято различать ИС тонкопленочные, у которых толщина пленок не более 2 мкм, и толстопленочные, у которых толщина пленок значительно больше. Подложки представляют собой диэлектрические пластины толщиной 0.5-1.0 мм, тщательно отшлифованные и отполированные.


Совмещенная технология – обладает преимуществом каждой из рассмотренных технологий и исключает свойственные им недостатки. Конструктивной основой является полупроводниковый кристалл в объеме которого формируются все активные элементы (транзисторы, диоды), пассивные элементы создаются методом вакуумного напыления пленок. Изолирующие области получают путем использования пленок SiO2 или с помощью p-n переходов.

Недостаток заключается в необходимости сочетания двух типов технологических процессов: диффузии примеси (активных элементов) и напыления для пассивных элементов, что приводит к возрастанию цены на изготовление ИС. Однако совмещенная технология позволяет получить высокую степень интеграции и представляет возможность выбора параметров пассивных элементов в широких пределах.

Полупроводниковая технологияхарактеризуется тем, что как активные, так и пассивные элементы схем выполняются внутри объема полупроводника, который и является основой интегральной схемы (ИС). Основным полупроводниковым материалом является кремний, который обладает рядом ценных свойств и за большей, чем у германия ширины запрещенной зоны позволяет получить активные элементы с меньшими обратными токами. Кремневые транзисторы обладают более высоким порогом отпирания, что повышает помехоустойчивость аналоговых и цифровых ИС.

Простота получения изолирующей поверхности достигается путем окисления исходной кремниевой пластинки и образование пленки двуокиси кремния. Эта пленка используется в качестве маски при проведении диффузии в отдельных областях кристалла, а также для создания изоляции между отдельными элементами схемы. Полупроводниковые ИС обеспечивают высокую степень интегрирования.

Стоимость элементов микросхемы, выполненной в интегральном исполнении по полупроводниковой технологии, в значительной степени определяется площадью, занимаемой ими на полупроводниковой пластине.

Номиналы элементов, имеющих дискретные прототипы, ограничены. Практически нецелесообразно использовать для массового производства ИС “чистые” резисторы с номиналом выше 50 кОм. Конденсаторы с емкостью, превышающей несколько сотен пикофарад, приходится применять в виде отдельных навесных элементов. Желаемые номиналы резисторов не могут иметь малые допуски, хотя отношение сопротивлений одинаковых по форме резисторов на одной пластине можно выдержать довольно точно (1…2%), причем их температурная зависимость будет одинакова. Все элементы полупроводниковой структуры связаны между собой паразитными емкостями и проводимостями, что обусловлено плотной упаковкой и несовершенством методов изоляции элементов.


Преимущества полупроводниковых ИМС перед гибридными таковы:


  1. Более высокая надёжность вследствие меньшего числа контактных соединений, ограниченного количества используемых материалов, а также из-за того, что полупроводниковую ИМС можно изготовить только из монокристаллической, сверхчистой, полупроводниковой структуры;

  2. Большая механическая прочность в результате меньших (примерно на порядок) размеров элементов;

  3. Меньшая себестоимость изготовления полупроводниковых ИМС вследствие более эффективного использования преимуществ групповой технологии

В полупроводниковых ИС в качестве активных элементов могут использоваться биполярные и униполярные (полевые) интегральные структуры. Полупроводниковые ИС с биполярными транзисторами отличаются более высоким импульсным быстродействием (или рабочей частотой). Полупроводниковые цифровые ИС с униполярными транзисторами со структурой МОП отличаются наиболее высокой плотностью упаковки элементов и наименьшей стоимостью изготовления. Биполярные транзисторы увеличивают стабильность схемы в широком диапазоне температур, позволяют реализовать наибольшее быстродействие и создать схемы с лучшей нагрузочной способностью. Биполярные структуры более устойчивы к электрическим нагрузкам.

Технология униполярных транзисторов позволят добиваться лучших шумовых характеристик [1, стр. 23].

Выбор и обоснование конструктивных и технологических матриалов

Для изготовления полупроводниковых интегральных схем используют в большинстве случаев пластины монокристаллического кремния p- или n- типа проводимости, снабженными эпитаксиальными и так называемыми “скрытыми” слоями. В качестве легирующих примесей, с помощью которых изменяют проводимость исходного материала пластины, применяют соединения бора, сурьмы, фосфора, алюминия, галлия, индия, мышьяка, золота. Для создания межсоединений и контактных площадок используют алюминий и золото. Применяемые материалы должны обладать очень высокой чистотой: содержание примесей в большинстве материалов, используемых при изготовлении полупроводниковых микросхем, не должно превышать 10-5...10-9 частей основного материала.


Изменяя определенным образом концентрацию примесей в различных частях монокристаллической полупроводниковой пластины, можно получить многослойную структуру, воспроизводящую заданную электрическую функцию и до известной степени эквивалентную обычному дискретному резистору, конденсатору, диоду или транзистору. [1, стр. 24-25].

Необходимо отметить, что материал используемый для изготовления интегральной микросхемы должен определятся параметрами зависящими от свойств материала, а именно: оптических, термических, термоэлектрических, зонной структуры, ширины запрещённой зоны, положения в ней примесных уровней и т. д. Немаловажное значение играют электрические свойства полупроводникового материала: тип электропроводности, концентрация носителей заряда и их подвижность, удельное сопротивление, время жизни неосновных носителей заряда и их диффузионная длина.

К основным требованиям, которым должны удовлетворять все материалы, используемые в производстве интегральных МС, относятся:


  1. стойкость к химическому воздействию окружающей среды;

  2. монокристаллическая структура;

  3. однородность распределения;

  4. устойчивость к химическим реагентам;

  5. механическая прочность, термостойкость;

  6. устойчивость к старению и долговечность.

Важным фактором, который должен учитываться при определении возможности применения какого-либо материала или технологического процесса производства ИМС, является его совместимость с другими применяемыми материалами [1, стр.24,25, 27].

Приведем параметры некоторых проводящих материалов и параметры некоторых полупроводниковых материалов.

При изготовлении ИМС применение получили кремний, германий, арсенид и фосфид галлия, антимонид индия, карбид кремния. Наиболее распространёнными в этой области является кремний, однако применение в изготовлении ИМС находят многие из перечисленных выше соединения.

Арсенид галлия GaAs, обладающий более высокой подвижностью электронов и большей шириной запрещенной зоны. Его применяют в ИС высокого быстродействия , в частности в микросхемах СВЧ, но главным образом для изготовления дискретных приборов СВЧ. Широкому применению этого материала в микроэлектронной технологии препятствует сложность его получения и обработки. Арсенид галлия GaAs , фосфид галлия GaP, карбид кремния SiC служат для изготовления светодиодных структур в оптоэлектронных ИС. Антимонид индия InSb , имеющий очень высокую подвижность электронов, является перспективным материалом для создания ИС очень высокого быстродействия. Однако из-за малой ширины запрещенной зоны этого полупроводника работа таких микросхем возможна только при глубоком охлаждении [7].


Кремний кристаллизуется в структуре алмаза. В химическом отношении при комнатной температуре он является весьма инертным веществом – не растворяется в воде и не реагирует со многими кислотами в любых количествах, устойчив на воздухе даже при температуре 900ºС, при повышении температуры – окисляется с образованием двуокиси кремния. Вообще, при нагревании кремний легко реагирует с галогенами, хорошо растворим во многих расплавах металлов. Атомы элементов валентностью 3,5 являются донорами и акцепторами, создавая мелкие уровни в запрещенной зоне. Элементы 1,2,6,7 вносят глубокие уровни в запрещенную зону и вносят изменения во время жизни неосновных носителей заряда. Акцепторный уровень расположен в верхней половине запрещенной зоны [5, стр.145-156].

В разрабатываемой МС в качестве подложки будет применяться кремний, у которого следующие преимущества перед германием:


  1. Большая ширина запрещённой зоны, что даёт возможность создавать резисторы с большими номинальными значениями;

  2. Более высокие рабочая температура и удельные нагрузки;

  3. Транзисторы работают при значительно больших напряжениях;

  4. Меньшие токи утечки в p-n- переходах;

  5. Более устойчивая к загрязнениям поверхность;

  6. Плёнка двуокиси кремния, созданная на его поверхности, имеет коэффициенты диффузии примесей значительно меньше, чем сам кремний [5. стр. 135-144,144-156].

Для разработки интегральной микросхемы генератора напряжения будем использовать следующие элементы и их соединениями: в качестве полупроводниковой пластины будем использовать кремний. В качестве акцепторной примеси будем использовать бор; фосфор и сурьма – как донорную примесь. В качестве изолирующего диэлектрика будет применяться двуокись кремния SiO2, которая в свою очередь характеризуется следующим:
  1. образует равномерное, сплошное, прочное покрытие на поверхности монокристаллического кремния; допускает строгий контроль толщины и имеет коэффициент термического расширения, примерно равный такому же коэффициенту кремния;


  2. защищает кремний от диффузии;

  3. является изоляционным материалом с достаточной величиной диэлектрической постоянной;

  4. легко стравливается или удаляется с локальных участков;

  5. обеспечивает защиту поверхности кремния.

В полупроводниковых МС межэлементные связи осуществляются с помощью плёночных проводников. Материалы проводников должны обеспечивать низкоомный контакт к кремниевым электродам, обладать хорошим сцеплением с диэлектриком и кремнием, быть металлургически совместимым с материалами, которые применяются для присоединения внешних выводов к контактным площадкам. Основными материалами при получении соединений для полупроводниковых ИМС является золото и алюминий. В некоторых случаях находят применения никель, хром, серебро. Основным недостатком золота является его плохая адгезия к плёнке двуокиси кремния. Поэтому в качестве материала для разводки и контактных площадок будем применять алюминий, который обладает хорошей адгезией к кремнию и его оксиду, хорошей электропроводностью, легко наносится на поверхность ИМС в виде тонкой плёнки, дешевле. В качестве внешних выводов будем применять золотую проволоку, поскольку алюминий характеризуется пониженной механической прочностью.

Необходимо отметить, что одним из критериев выбора материала для подложки являются определенные требования, предъявляемые к подложкам в течение всего процесса изготовления микросхемы. Электрофизические характеристики монокристаллических полупроводниковых пластин и их кристаллографическая ориентация должны обеспечивать получение микросхем с заданными свойствами. Исходя из этого, на этапе проектирования выбирают необходимую ориентацию и марку полупроводникового материала, а в процессе изготовления пластин выполняют контроль кристаллографической ориентации и основных электрофизических параметров. В случае необходимости пластины классифицируют по значениям электрофизических параметров. Основные требования к пластинам кремния представлены в таблице 2.4


Отметим также, что проведение различных операций, таких как резка, шлифование свободным абразивом, механическое полирование и др. сопровождается нарушением слоя кремния у поверхности подложки и вглубь ее, что приведет к неправильным результатам дальнейших процессов. Поэтому существуют некоторые стандарты нарушения поверхности пластин кремния, которые недопустимо превышать. Ниже представлена таблица, которая содержит оптимальные нарушения поверхности подложки кремния[9].

После выбора материала подложки приступают к выбору материала примесей. Здесь важнейшим критерием является необходимый тип проводимости полупроводникового материала, после легирования. Ниже представлена таблица 2.6, в которой описаны все материалы, используемые в качестве примесей. Важными параметрами примесей является предельная растворимость полупроводника и температура, при которой производят процесс легирования (см. таблицу 2.10).

Таблица 2.6 - Электрическое поведение наиболее распространенных примесей в важнейших полупроводниках[9, стр. 318]

Полупроводник

Нейтральные примеси

Доноры

Акцепторы

Примеси, создающие глубокие уровни

Кремний

Германий

Арсенид галлия

Фосфид галлия

H, N, C, Ge, Sn, Pb, Ar
H, N, C, Ge, Sn, Pb, Ar
H, N, B, Al, In, P, Sb
H, N, B, Al, In, As, Sb

P, As, Sb, Li

P, As, Sb, Li

Si, Sn, Te, S, Se

Si, Sn, Te, S, Se

B, Al, Ga, In

B, Al, Ga, In

Zn, Cd, Be, Li

Be, Mg, Zn, Cd, C

Cu, Au, Zn, Mn, Fe, S, Ni
Cu, Ag, Au, Zn, Cd, Mn, Ni, Fe, S, Se, Te

Cr, Fe, V, Ni, Mg, Au, Ge, Mn, Ag

Cu, O, Ge, Co, Fe, Cr,Mn


Для разработки интегральной микросхемы дифференциального каскада воспользуемся следующими элементами и их соединениями: в качестве полупроводниковой пластины будем использовать кремний; в качестве акцепторной примеси будем использовать бор и алюминий; фосфор – как донорную примесь. В качестве межэлементных соединений будем использовать алюминий. В качестве изолирующего диэлектрика будет применяться двуокись кремния SiO2.

Необходимо отметить, что при проектировании интегральной микросхемы производят совокупность определенных процессов, таких как фотолитография, легирование, очистка и др. При проведении этих процессов пользуются вполне определенным набором веществ. При проведении процесса фотолитографии используются фоторезисты, основные виды которых представлены в таблице 2.9. Травление осуществляется химическими веществами, которые описаны в таблице 2.8. При выборе материала для проведения шлифования, особое внимание акцентируют на размер зерен, от которого зависит качество шлифования и возможные повреждения поверхности полупроводникового материала в результате ее проведения. Основные типы порошков приведены в таблице 2.7
Одним из важных моментов в разработке микросхемы является ее корпус. При выборе корпуса руководствуются конструктивно - технологическими характеристиками. Огромное влияние оказывает диапазон рабочих температур, механическая прочность, климатические условия, в котором, как предполагается, будет работать микросхема и т.д. Классификация корпусов ИС помещена в таблице 2.11. Конструктивно – технологические характеристики некоторых корпусов ИС помещены в таблице 2.12 .

При выборе корпуса внимание было акцентировано на универсальность и простоту монтажа схемы.

Кроме того, пластмассовые прямоугольные корпуса обладают рядом преимуществ перед остальными типами корпусов, регламентируемых ГОСТом 17-467-79. А именно: небольшая высота корпуса, позволяющая уменьшить объем радиоэлектронного узла: возможность создания корпуса с большим числом выводов; позволяют применять различные методы их присоединения к печатной плате.


Низкая стоимость пластмассового корпуса определяется: дешевизной применяемого материала и технологии изготовления корпуса, в которой операции формирования монолитного корпуса и герметизации ИМС совмещены; возможностью автоматизации сборки с использованием плоских выводов в виде рамок; возможностью осуществления групповой технологии герметизации, например литьевого прессования с помощью многоместных прессформ или метода заливки эпоксидным компаундом в многоместные литьевые формы. При использовании пластмассового корпуса монтаж кристалла производится на технологическую контактную рамку, представляющую собой пластину с выштампованными внешними выводами, которые в процессе монтажа остаются прикрепленные к контуру рамки. Более длинный вывод заканчивается площадкой, находящейся в центре системы выводов, на нее припаивается кристалл. После монтажа термокомпрессионной сваркой проволочных перемычек между контактными площадками кристалла и выводами корпуса осуществляется предварительная защита собранного узла ( особенно проволочных перемычек) каплей компаунда холодного отвердевания. Когда отвердевание компаунда завершено, узел направляют на заливку под давлением во временной форме компаундом горячего отвердевания. После герметизации технологическая рамка отделяется в штампе, а выводы формуются соответственно типоразмеру изготавливаемого пластмассового корпуса.

Выводы в технологических рамках целесообразно выполнять в отрезках ленты длиной до 250 мм на несколько микросхем. Это облегчает автоматизацию процесса монтажа, а также обеспечивает загрузку многоместных форм для заливки компаундом. Для крепления кремниевых кристаллов на основание корпуса наиболее широкое распространение получил метод пайки эвтектическим сплавом золота (98% Au) с кремнием (2% Si) c температурой плавления 370оС. Такой сплав образуется в месте соприкосновения кремния с золотым покрытием основания корпуса благодаря взаимной диффузии золота и кремния. Более дешевым методом является клейка кремниевых кристаллов на основание корпуса(например клеем ВК-9 ) [8].


Для присоединения выводов к контактным площадкам кремниевых ИМС и внешним выводам корпуса прибора используется метод УЗ-сварки. Метод состоит в присоединении выводов в виде тонких металлических проволочек (диаметр 10…30мкм) к контактным площадкам при одновременном воздействии инструмента, совершающего высокочастотные колебания. Для изготовления проволоки применяются пластические металлы, обычно алюминий и золото. В качестве материала проволоки выбираем более дешевый алюминий. Достоинства такой сварки – соединение без применения флюса и припоев металлов в твёрдом состоянии при сравнительно низких температурах и малой их деформации 10…30% как на воздухе, так и в атмосфере защитного газа.



следующая страница >>