Принципы изготовления полупроводниковых ИМС

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ИНТЕГРАЛЬНЫЕ МИКРОСХЕМЫ

В отличие от гибридных интегральных микросхем, состоящих из двух различных типов элементов (пленочных и навесных), полу­проводниковые интегральные микросхемы состоят из единого кри­сталла полупроводника, отдельные (локальные) области которого выполняют функции активных и пассивных элементов, между ко­торыми существуют необходимые электрические соединения и изо­лирующие прослойки.

Полупроводниковые ИМС имеют наиболее высокую степень интеграции элементов (свыше 10⁴ элементов/см³) и позволяют полу­чить максимальную надежность, так как количество соединений в них сведено к минимуму.

Принципы изготовления полупроводниковых ИМС

Основной принцип получения полупроводниковых ИМС заключается в том, что они создаются в едином технологическом цикле, т. е. все активные и пассивные элементы этих схем формируются одновременно на одной и той же несущей конструкции — подложке. Сам термин «интегральная схема», как известно, отражает факт объединения (интеграции) отдельных деталей-компонентов в конструктивно единый прибор, а также факт усложнения выполняемых этим прибором функций по сравнению с функциями отдельных компонентов.

В основу создания полупроводниковой ИМС положены групповой метод и планарная технология. Сущность группового метода, освоенного еще в дискретной полупроводниковой технике, состоит в том, что на пластине полупроводника одновременно изготавливается множество однотипных полупроводниковых приборов. Затем пластина разрезается на сотни отдельных кристаллов, содержащих по одному прибору данного типа. Полученные приборы помещаются в корпусы с внешними выводами и в таком виде поступают к разработчику аппаратуры. В дискретной полупроводниковой технике разработчик, составляя тот или иной функциональный узел (усилитель, генератор и т. п.), вынужден соединять полученные приборы один с другим и с иными элементами с помощью пайки, что, естественно, снижает надежность всего устройства. В интегральной технике на исходной полупроводниковой пластине одновременно изготавливаются не отдельные приборы, а целые функционально законченные узлы, состоящие из транзисторов, диодов, резисторов, конденсаторов и т. д. Эти элементы соединяются один с другим не проводниками и пайкой, а короткими тонкими металлическими полосками, напыляемыми на поверхность пластины. Для этого коммутационные электроды всех элементов выводятся на поверхность пластины и размещаются в одной плоскости в одном плане. Такую возможность обеспечивает специальная пленарная технология изготовления полупроводниковых ИМС.

Полупроводниковые интегральные схемы в основном изготавливаются из кремния. Выбор этот обусловлен тем, что по сравнению с германием он имеет большую запрещенную зону, меньшие обратные токи и более высокую рабочую температуру (до +125EС). Кроме того, путем окисления поверхности кремния легко получить пленку двуокиси кремния, обладающую хорошими защитными свойствами.

Основными процессами создания компонентов полупроводниковых интегральных схем являются технологические процессы создания р-n переходов, с помощью которых формируются как активные, так и пассивные компоненты интегральных схем — транзисторы, диоды, резисторы, конденсаторы и т. д. Такими процессами явля­ются диффузия примесей в кремний и эпитаксиальное наращивание монокристаллических слоев кремния на кремниевую подложку, имеющую противоположный тип проводимости. В соответствии с этим по технологии изготовления современные интегральные схемы можно разделить на изготавливаемые с применением только процессов диффузии, и схемы, при создании которых используются как процессы диффузии, так и процессы эпитаксиального наращивания.

Технология изготовления интегральных схем первого типа по­лучила название планарной, а второго типа — эпитаксиально-планарной.

Особый тип полупроводниковых интегральных микросхем со­ставляют микросхемы, выполненные по так называемой совмещен­ной технологии. В этом случае активные элементы изготовляют по планарной или эпитаксиально-планарной технологии в объеме полупроводникового кристалла, а пассивные элементы — методами тонкопленочной технологии на его поверхности.

В твердом теле полупроводника пассивные и активные элементы необходимо изолировать друг от друга во избежание коротких за­мыканий. По способу изоляции компонентов полупроводниковые интегральные схемы можно разделить на две группы.

В схемах первой группы, изготавливаемых по планарной техно­логии, изоляция осуществляется образованием между элементами (группой элементов) дополнительных р-п переходов. При их фор­мировании создаются изолирующие перегородки шириной 20— 30 мкм, которые разделяют пластинку кремния на отдельные микроучастки — «островки». Этот процесс иллюстрируется рис. 9.1. В качестве исходной структуры берется однородно легированная сравнительно высокоомная пластина кремния р-типа, на которую методом фотолитографии наносится защитный слой SiO_a (рис. 9.1,б). Через незащищенные участки производится диффузия из паровой фазы примеси p-типа. В результате диффузии образуются изолированные n-слои (рис. 9.1, б), причем р-п переход заканчивается на плоской поверхности под защитной пленкой, что позволяет резко снизить токи утечки пс поверхности. К полученным р-п переходам подключают напряжение таким образом, чтобы переход был заперт. Вследствие этого получаются электрически изолированные друг от друга «островки», в которых затем формируют необходимые схем­ные элементы.

Этот метод имеет три недостатка: относительно небольшое со­противление изоляции, заметную емкость между изолируемыми элементами и увеличение площади схемы. Однако он обеспечивает высокий процент выхода годных схем и относительно низкую их стоимость.

В схемах второй группы, изготавливаемых по методу планарно-эпитаксиальной технологии, «островки» изолируются пленками двуокиси кремния Si0₂. На рис. 9.2 в упрощенном виде показана технология получения «островков». Пластина монокристалличе­ского кремния n-типа окисляется и на ней образуется пленка Si0₂ (рис. 9.2, а). Затем в соответствии со схемой в пленке Si0₂ вытрав­ливаются канавки / (рис. 9.2, б). Поверхность повторно окисляется (рис. 9.2, в), образуя фигурный слой Si0₂. На этот слой наращи­вается с помощью эпитаксии¹ слой поликристаллического кремния собственной проводимости 3 (рис. 9.2, г). После сошлифовки моно­кристаллического кремния образуются «островки» 4 (рис. 9.2, д), в которых методом диффузии или эпитаксиальным наращиванием формируют необходимые элементы схем.

Этот способ изоляции «островков» существенно уменьшает ем­кости между островками, токи утечки и увеличивает пробивное напряжение. Однако технология изготовления сложнее и стоимость изготовления схем соответственно более высокая.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: