Виды и типы интегральных ИМС

Основная характеристика технологического процесса изготовления п/п ИМС

 

В настоящее время в зависимости от сложности и структуры ИМС технологические процессы её изготовления могут включать до 1000 технологических операций. Все технологические операции, используемые для производства ИМС можно разделить на 3 группы.

 

 

Целью заготовительных групп операций является изготовление п/п пластин и корпусов ИМС. Данная группа операций обычно носит общий характер и не зависит от структуры и технологии формирования конкретной ИМС. Первую группу операций обычно осуществляют на самостоятельных предприятиях, продукцию которых получают производители ИМС.

 

Вторая группа операций имеет своей целью формирование кристаллов ИМС в соответствии с заданной структурой и топологией. Данное производство называется кристальным и осуществляется в специальных модулях.

 

Ионное легирование

 

Рассмотренные ранее процессы термической диффузии имеют ряд недостатков и существующих ограничений:

1. Наличие высоких температур в процессе термической диффузии приводит к перераспределению примеси в уже сформированных п/п слоях и р/п переходах, что значит затрудняет изготовление приборов с мелкими р/п переходами.
2. Наличие значительной боковой диффузииприводит к заметному увеличению площади п/п приборов и накладывает ограничения на высокие степени интеграции МС.
3. Температурная зависимостькоэффициента диффузии и растворимости существенным образом сужает набор используемых диффузантов.

 

Для устранения недостатков был разработан метод ионного легирования, который заключается в следующем. Поток ионов, легируемого элемента, ускоряется до энергии от 10³ до 10⁶ В, затем осуществляется сепарирование ионного пучка и бомбардировка ионным пучком поверхности п/п пластины. В результате происходит внедрение (имплантация) ионов легирующего элемента в приповерхностную область п/п. Очевидно, что плотность и профиль распределения легирующей примеси зависит от типа легирующего элемента, энергии ионов и количества ионов, прошедших через поперечное сечение.

Для прояснения принципа ионного легирования рассмотрим упрощенную схему ионного ускорения, применяемого в технологии производства ИМС.

1. источник ионов
2. вытягивающие электроды
3. электростатическая линза
4. каскадный ускоритель
5. пластина для корректировки пучка ионов
6. диафрагма (на входе и на выходе)
7. электромагнитный сепаратор
8. пластины для развертки ионного пуска
9. держатели пластин (в виде барабана)
10. п/п пластина

 

Источник ионов (1) за счет использования материала мишени обеспечивает перевод легирующего элемента в газо или парообразное состояние последующей ионизацией.

Заряженный пучок ионов вытягивается электрическим полем (не менее 10КэВ), создаваемый электродом (2). Полученный пучок ионов фокусируется электростатической линзой (3). Затем с помощью каскадного ускорителя (4) конечный пучок ускоряется до энергии, необходимых для осуществления легирования. С помощью корректирующих пластин (5) обеспечивается прохождение ионного пучка через диафрагму (6) и попадания его в электромагнитный сепаратор (7). В электромагнитном сепараторе происходит разделение ионов в соответствии с их массой. В результате на выходе сепаратора получается только ионный пучок, легируемого элемента. С помощью пластин (8) можно обеспечить сканирование ионным пучком поверхности п/п пластины (10), которая размещается на специальном держателе (9). Вся система ионного легирования находится в вакууме (10⁷-10⁸ Па) начиная с (2) и кончая держателем п/п пластины. В качестве держателя (9) п/п пластин, обычно используется специальный барабан, обеспечивающий вращение пластин. В результате за счет механического перемещения пластин и электрического сканирования ионным пучком поверхности всех пластин облучается равномерно. В некоторых установленных для производительности облучения проводят в расфокусированным ионным пучком.

 

При ионном легировании необходимо определить 2 основных факта:

1. Длину пробега ионов, которую определяют до легирования.
2. Возникновение радиационных дефектов.

 

Падающий ионный пучок можно разделить на 2 составляющие 1 – составляющая часть рассеивается в приповерхностной области п/п за счет взаимодействия, как с ядрами, находящиеся в узлах кристаллической решетки, так и с электрическими оболочками атомов. Для этой составляющей структуру п/п можно считать аморфной. 2-я составляющая пучка после преломления на поверхности кристалла, начинает двигаться в направлении параллельном узлам кристаллической решетки.

 

Движение ионов в междоузлием пространстве без столкновения с узлами кристаллической решетки, называют каналированием. При каналировании торможение ионов осуществляется только за счет взаимодействия с электрическими оболочками атомов и длина свободного пробега значительно превосходит длину пробега ионов в пространственной области. При ионном легировании каналированиесчитается нежелательным эффектом и его стремящиеся минимизировать путем подбора угла падения ионов на поверхность пластины. В случае отсутствия каналирования, можно считать что ионы рассеиваются в аморфном теле. Для этого случая распределение ионов по глубине кристалла носит случайный характер и определяется распределение Гаусса.

, где

- проекция вектора среднего пробега ионов на направление первоначального распределения ионного пучка.

- средняя длина пробега

- среднее квадратичное отклонение

- повышенная концентрация ионов легируемого элементов

 

Рассчитанный с помощью данной формулы и рассчитанный экспериментально профиль распадения легируемой примеси от энергетических ионов.

Как видно из рисунка с ↑ энергии ионов max концентрация смещается в глубь кристалла, причем для любой энергии ионов max концентрация примеси начинается не на поверхности, на в объёме п/п. Обычно глубина имплантации ионов ограничивается глубиной в 1 микрон. Однако при большой энергии ионов (около 1 МэВ) max концентрация легирующей примеси может сместиться в глубь кристалла, в результате чего в п/п возникает скрытый слой.

Основным приемом ионного легирования является возможность прецизионнымм управлением концентрацией и профилем распределения легируемой примеси, а так же min уход легирующей примеси за край маски. (практическое отсутствие боковой диффузии). В результате метод ион легирования является основным в технологии производства СБИС для получения мелких pn переходов п/п приборов с малыми проектными нормами. Ионное легирование часто используется при необходимости введения малых доз примесных элементов, например, при управлении пороговым напряжения МДП тр. путем введения в канал примеси с небольшой концентрацией. После введения примеси ионным легированием для активации примеси и устранения радиационного эффекта проводят термический отжиг пластин. Для минимизации используют фотонный отжиг, при котором нагрев пластины обусловлен ее освещением.

Электрохимический метод.

В данном методе в рамку на Si подложке заливается электролит. Между рамкой и п/п пластиной прикладывается U. В местах дефектов наблюдается протекание электрического тока, приводящих к возникновению в электролите пузырьков газа. Визуально контролируя данные пузырьки можно определить плотность дефектов изоляции, так же распределение дефектов по площади пластины.

Метод жидких кристаллов.

1. кремниевая подложка
2. диэлектрическая пленка
3. жидкий п/п
4. прозрачная проводящая пленка,
5. нанесенная на стекло 5

 

В местах дефектов наблюдается протекание электрического тока приводящее к изменению цвета жидкокристаллической жидкости. Следовательно, контролируя визуально или снимая с помощью фотоэлектрического преобразования распределение цвета по S пластины получаем информацию о плотности дефектов и их распределение по площади пластины.

Разрешения данного метода обычно соизмеримо с толщиной жидкого кристалла (до 1 мкм).

Электронная литография

 

При проведении электроннолучевой литографии в качестве электронорезиста используются материалы, которые под действием электронного облучения меняют свою растворимость. Основное достоинство электроннолучевой литографии – возможность экспонирования без использования шаблонов. Упрощённая схема установки для проведения электроннолучевой литографии имеет следующий вид:

1 – основание,

2 – катод,

3 – фокусирующий электрод,

4 – анод,

2,3,4 – электронная пушка

5 – короткофокусная магнитная линза,

6 – диафрагма,

7 – длиннофокусная линза,

8 – электростатическая отклоняющая система,

9 – столик,

10 – полупроводниковая пластина.

Электронная пушка, сформированная элементами (2), (3) и (4), обеспечивает получение электронного луча диаметром в несколько десятков мкм. С помощью короткофокусной линзы (5) и диафрагмы (6) производится фокусировка электронного луча (пятно с диаметром до 0.7 мкм). Длиннофокусная линза (7) предназначена для увеличения расстояния до полупроводниковой пластины. Такое увеличение расстояния необходимо для обеспечения сканирования электронным лучом большой площади поверхности. Для сканирования электронного луча применяют электростатическую отклоняющую систему (8). Для увеличения площади сканирования помимо электростатического отклонения луча в установке предусмотрено прецизионное механическое перемещение столика (9).

Основное достоинство электроннолучевой литографии - возможность экспозиции с использованием программного управления. Сканирование электронным лучом может обеспечиваться в растровом и векторном режиме.

При растровом режиме сканирования луч построчно проходит по всей поверхности пластины, однако его интенсивность в местах засветки значительно выше. При векторном сканировании электронный луч с большой интенсивностью сканирует только участки, подлежащие засветке. При переходе между участками происходит выключение электронного луча. электронная литография в настоящее время широко используется в технологии производства ИМС с малыми проектными нормами элементов, а также при изготовлении фотошаблонов.

Виды и типы интегральных ИМС

 

ИМС называется законченное электронное функциональное устройство, сформированное в объёме, на поверхности п/п кристалла и имеющего соответствующие входы и выходы.

 

Структура ИМС представляет собой рисунок приповерхностных диффузионных слоёв и плёнок на поверхности, в плоскости перпендикулярной рабочей поверхности кристалла.

 

Рассмотрим примеры структуры планарно-диффузионной ИМС.

 

 

При использовании планарно-диффузионной ИМС, реализующей структуру, показанной на рисунке 3, первоначально в монокристаллической пластине кремния формируется К-области n-типа путём диффузии примеси. Помимо транзистора данную область используют для электрической изоляции диффузионного резистора (справа).

 

Второй диффузионный процесс применяется для формирования базовой области p-типа n-p-n транзистора. Одновременно с базовой областью формируется рабочая область диффузионного резистора.

 

В 3-м процессе создают Э область n-p-n транзистора и проводят дополнительное легирование К области в месте контакта металлизации. Дополнительное легирование К области осуществляют с целью получения надёжного омического контакта.

 

После формирования диффузионных областей на поверхности п/п пластины путём окисления или осаждения создаётся изолированная плёнка двуокиси кремния – SiO₂. Данная плёнка предназначена для изоляции металлизированной разводки от поверхности пластины в местах, где необходимо обеспечить контакт металлизированной разводки с диффузионными областями в плёнке SiO₂ вскрываются контактные окна. На всю поверхность пластины напыляется алюминиевая плёнка. Проводя фотолитографию на данной плёнке, осуществляют требуемую коммутацию элементов интегральных схем.

 

Все интегральные МС одной серии имеют одну и ту же структуру и формируются по одной и той же технологии. МС одной и той же серии отличаются видом, типом и числом использованных элементов.

 

Топологией ИМС называется поверхностный чертёж, определяющий форму и размер элементов ИС. Различают послойную и совмещённую топологию ИМС.

 

Рассмотрим пример топологии ИМС, получаемой планарно-диффузионной технологией.

 

Для изготовления ИМС одной серии и одинаковой технологии даёт возможность значительно уменьшить стоимость ИМС, а так же уменьшить временные и экономические затраты на освоение производства данной серии.

 

В настоящее время широкое распространение получили базово-матричные кристаллы, представляющие собой заготовку ИМС, содержащую наборы активных и пассивных элементов, уже сформированных на кристалле и покрытые слоем металлизации. Для доработки такой заготовки под определённое функционирование необходимо провести одну фотолитографию, которая обеспечит коммутацию элементов из заданного набора в соответствии с требуемой электрической схемой принципиальной.

 

П/п ИМС имеют ряд существенных недостатков:

1. Разработка п/п ИМС становится целесообразной при относительно больших программах выпуска (крупносерийное, массовое).
2. П/п интегральные схемы обладают существенными ограничениями электрофизических параметров элементов (номиналы сопротивлений %)

 

Гибридные ИМС представляют собой законченный электрофункциональный узел, пассивные элементы в котором все или частично получены с помощью плёночной технологии, а в качестве активных элементов используются навесные кристаллы ИМС.

 

В зависимости от технологии получения плёночных элементов различают тонкоплёночные ГИМС (до 1 мкм) и толстоплёночные ГИМС (от 10мкм до 30 мкм).

Рассмотрим пример структуры ГИМС.

 

 

В качестве основания у ГИМС обычно используется диэлектрическая подложка 1 (ситал). Для формирования резистивных элементов на диэлектрическое основание наносится плёночный резистивный элемент 2, его концентрация определяется электрическими параметрами, предъявляемыми к данному элементу. Электрическая коммутация плёночных элементов осуществляется с помощью проводящей плёнки 3. Для формирования конденсаторов используют диэлектрическую подложку 4. Активные навесные компоненты ГИМС развариваются или припаиваются к контактным площадкам, организованным с использованием проводящей плёнки. Для увеличения степени интеграции ГИМС могут формироваться на обеих сторонах диэлектрической подложки.

 

ГИМС обладают следующими основными преимуществами по сравнению с остальными ИМС:

 

1. технология ГИМС проще технологии получения п/п кристаллов, поэтому их часто разрабатывают и используют в серийном и мелкосерийном производстве.
2. возможность использования навесных компонентов, выполненных по различными п/п технологиям, даёт возможность создавать ИМС с очень широкими функциональными возможностями.
3. технологический процесс формирования плёночных элементов даёт возможность получать резисторы и конденсаторы с подгоняемыми номиналами, в результате значения ёмкости и сопротивления возможно получать с точностью .

 

Основным недостатком ГИМС является более низкая надёжность за счёт сварных и паянных соединений по сравнению с п/п БИС, а так же значит меньшей степенью интеграции.

 

Основной характеристикой ИМС является её степень интеграции, которая определяется количеством элементов, расположенных на поверхности ИС.

 

, где - количество элементов в ИС

 

По степени интеграции ИМС подразделяется:

 

- МС малой степени интеграции

- МС средней степени интеграции

- Большие ИС (БИС)

- Сверх большие БИС (СБИС)