III. По функциональному назначению. Все микросхемы делятся на аналоговые и цифровые.
Аналоговые микросхемы служат для преобразования и обработки сигналов, которые изменяются по закону непрерывной функции. Цифровые интегральные микросхемы предназначены для преобразования и обработки сигналов, которые изменяются по закону дискретной функции.
3. Технология полупроводниковых интегральных микросхем
Полупроводниковую интегральную микросхему изготавливают в приповерхностном слое полупроводникового монокристалла, создавая в нем зоны, которые выполняют роль элементов (резисторов, проводников, транзисторов, диодов, конденсаторов и т. п.).
Производство продукции микроэлектроники имеет свои производственные и технологические процессы.
Производственный процесс охватывает такие функции предприятия: планирование, научно-технические и конструкторские разработки, проектирование, материально-техническое и контрольно-испытательное обеспечение, технологию изготовления изделий, упаковки, хранения и внутреннее транспортирование изделий.
Технологический процесс является составной частью производственного, но состоит только из технологических операций, которые заключаются в изготовлении, контроле и испытании изделий.
Технологические процессы изготовления полупроводниковых ИМС разделяют на заготовительные, обрабатывающие и сборочные.
К заготовительным процессам принадлежат выращивания монокристаллов, изготовление из них пластин (разрезание монокристаллов на пластины, шлифовка, полировка, контроль и упаковки пластин), изготовление фотошаблонов /трафаретов/ (нем. «Schabione» - образец), корпусов для микросхем и т.д.
Обрабатывающие процессы связанны с формированием ИМС в приповерхностном слое монокристаллической полупроводниковой пластины.
Сборочные процессы включают операции, связанные с монтированием кристаллов, на которых сформирована ИМС, в корпусах, приваркой выводов, проверкой параметров, герметизацией корпусов.
Для производства современных СБИМС необходимо выполнить до 400 операций. Каждую пластину обрабатывают в течение 3-4 недель. Дефекты, допущенные в процессе выполнения отдельных операций, нельзя исправить. Именно поэтому в процессе изготовления полупроводниковых ИМС необходимо точно выдерживать параметры каждой технологической операции.
Для примера рассмотрим технологию изготовления полупроводниковых ИМС в приповерхностном слое кремниевой пластины.
Получение и очистка кремния
Полупроводниковые ИМС изготавливают в приповерхностном слое тонкой пластины вырезанной из монокристалла кремния. Выбор кремния обусловлен его свойствами. Кремний по сравнению с другими полупроводниками, например германием, имеет более широкую запрещенную зону, выдерживает нагрев до высокой температуры (до 125 С), имеет более стабильный оксид (Si02).
Для производства ИМС используют монокристаллы кремния в виде круглых пластин диаметром 120 мм и толщиной 200-400 мкм. В будущем будут использовать пластины диаметром 150-200 мм.
Получение кремния. В природе свободного кремния нет. Сырьем для получения кремния является кварцевый песок, который содержит кремний в виде диоксида (Si02). Предварительно очищенный песок восстанавливают с помощью углерода:
Полученный кремний содержит до 2% примесей (других химических элементов), которые изменяют его свойства, а соответственно негативно влияют на качество работы микросхем.
2. Очистка кремния. Очищают кремний от примесей соляной кислотой, водородом и другими веществами. Однако очищенный химическим способом кремний не удовлетворяет требованиям, предъявляемым к материалам, используемым в микроэлектронике. Конечным очисткой кремния является бестигельная зонная переплавку, которое еще называют зонным очисткой.
Зонную очистку кремния проводят в установках горизонтального и вертикального типа. Схему установки вертикального типа изображен на рис. 117, а.
Рис. 117. Схемы установок: а - для зонной очистки кремния; б - для выращивания монокристалла кремния по способу Чохральского
Кремний в виде стержня 2 диаметром до 30 мм вставляют в кварцевую трубку, в которой непрерывно циркулирует инертный газ, и закрепляют в зажимах 1. Кремний перемещается в электромагнитном поле, созданном высокочастотным током, который протекает в индукторе 4. Часть стержня (зона 3) расплавляется. После многократных переходов стержня кремния через зону действия индуктора примеси собираются на концах стержня, которые после окончания переплавку отрезают, а из очищенного кремния выращивают монокристаллы.
Выращивание монокристаллов кремния
Для выращивания монокристаллов кремния используют способ Чохральского (рис. 117,б).
Кремний плавят (Тпл - 1420 0С) в тигле 6, который вставлен в кварцевую трубку 1, а все вместе - в индуктор 4. В расплав 5 вводят затравку 2 (монокристалл кремния определенной кристаллографической ориентации), которую оборачивают вокруг своей оси и поднимают вверх. В результате этих движений вырастает монокристалл кремния 3 длиной 500-2000 мм.
В зависимости от назначения и требований микроэлектронной промышленности монокристаллы кремния выращивают двух марок: электронный (Е) и дырочный (Д).
Обозначение марки кремния состоит из нескольких букв: первая (К) означает кремний, вторая - тип проводимости (Е - электронная, Д - дырочная), третья - начальная буква названия легирующего элемента (А - Аl; Б - В; С – Sb (сурьма); Ф - P; З - Аu) и дроби, в числителе которого записано удельное сопротивление, а в знаменателе - диффузионную длину неравновесных носителей заряда. Например, кремний марки КЭФ 4/01 означает: К - кремний; Е - электронного типа проводимости, Ф - легированная фосфором; его удельное сопротивление 4 Ом∙см; диффузионная длина неравновесных носителей заряда равна 0,1 мм. Второй пример. КДБ 10 означает: К - кремний; Д - дырочного типа проводимости; Б - легированный бором; его удельное сопротивление 10 Ом-см; диффузионная длина неравновесных носителей заряда нерегламентированная.
Полученные монокристаллы режут на пластины, одну из поверхностей которых шлифуют и полируют до 14-го класса шероховатости, промывают, сушат и готовые (черные, блестящие пластины) отправляют для изготовления ИМС.
Образование элементов микросхемы
І. Понятие о полупроводниках. Полупроводниками называют вещества, которые занимают промежуточное положение между веществами, которые хорошо проводят электрический ток и веществами, которые практически не проводят электрического тока.
К веществам, которые хорошо проводят электрический ток принадлежат металлы. Практически не проводят электрического тока - диэлектрики или изоляторы. В кристалле полупроводника атомы связаны между собой с помощью электронов, которые находятся на внешней электронной оболочке. Так, на внешней электронной оболочке атомов кремния, который является полупроводниковым материалом, содержится по четыре электроны.
Тепловые колебания атомов может вызвать отрыв отдельных электронов от своего атома и свободное перемещение их в кристалле. Уход электрона от атома нарушает электрическую нейтральность атома, у него возникает положительный заряд, равный заряду электрона, что «оторвался» от атома. При уходе электрона в электронной оболочке остается свободное место (вакансия), которое называют дырой. Поскольку вакансия может быть занята электроном из соседнего связи и она также может перемещаться внутри кристалла, то считается положительным носителем тока.
Итак, электрический ток в полупроводниках обусловлен не только отрицательными зарядами - электронами, но и одинаковыми с ними положительными зарядами-дырами. Такую проводимость называют собственной.
Свойства полупроводников в значительной мере зависят от содержания в них примесей. Изменяя количество примесей в полупроводнике от десятимиллионных долей процента до 0,1-1%, можно изменить его проводимость в миллионы раз.
Если на место атома основного полупроводника ввести атом примеси, на внешней электронной оболочке которого содержится на один электрон больше, чем в атоме полупроводника, то этот электрон будет как бы лишним, ненужным для образования межатомных связей в кристалле и слабо связанным со своим атомом. Чтобы оторвать его от атома и превратить в свободный электрон, необходимо потратить значительно меньше энергии, чем для отрыва электрона от атома основного полупроводника. Здесь имеет место примесная проводимость.
Примеси, которые легко отдают свой «лишний» электрон, называют донорными (от лат. «dono» - даю, дарю).
В полупроводнике, атомы примесей которого легко отдают свои электроны, все связи заполнены и дырки не образуются. Носителями тока в таком кристалле являются электроны. Примером такого полупроводника является кремний, легированный мышьяком.
Полупроводниковые кристаллы, в которых преобладает электронная проводимость, называют полупроводниками n-типа (n - «negativus»).
Ввод в полупроводник примесей, на внешней электронной оболочке которых содержится меньшее количество электронов, чем в атоме основного полупроводника, повлечет появление незаполненного связи, то есть дыры. Эту связь могут занять электроны из соседнего атома и дыры свободно будут перемещаться в кристалле.
Примеси, вызывающие образование мест, которые принимают электроны, называют акцепторными (от лат. «acceptor» - получатель, приемник).
Если в кристалл кремния ввести незначительное количество легирующего элемента, например алюминия, то в кристалле будет преобладать дырочная проводимость.
Полупроводниковые кристаллы, в которых преобладает дырочная проводимость, называют полупроводниками р-типа (p - «positivus»).
В полупроводниковом монокристалле легированием можно создать две зоны: р и n-типа. Грань между этими зонами называют р-n переходом.
Создавая различные комбинации р-n переходов, получают элементы интегральной микросхемы: диоды, транзисторы, резисторы и т.д., которые размещены в приповерхностных слоях одного полупроводникового монокристалла.
Набор определенного количества элементов составляет соответствующую схему (рис. 118, а).
