Приведите примеры классификации полупроводниковых ИМС по конструктивно-технологическому исполнению

В конструктивном отношении полупроводниковая ИМС представляет собой полупроводниковый кристалл прямоугольной или квадратной формы, в объеме и на поверхности которого сосредоточены изолированные друг от друга элементы, соединенные согласно электрической схеме.

Обычно каждому элементу схемы соответствует локальная область полупроводникового материала, свойства и характеристики которой обеспечивают выполнение функций дискретных элементов (транзисторов, резисторов, конденсаторов и др.). Каждая локальная область, выполняющая функции конкретного элемента, требует изоляции от других элементов. Соединения между элементами согласно электрической схеме обычно выполняются с помощью напыленных на поверхность полупроводникового кристалла металлических проводников или высоко легированных полупроводниковых перемычек. Такой кристалл заключается в герметизированный корпус и имеет систему выводов для практического применения микросхемы. Таким образом, полупроводниковая ИМС представляет собой законченную конструкцию. Тип конструкции полупроводниковых ИМС определяется: полупроводниковым материалом; технологическими методами создания локальных областей и формирования в них элементов; методами изоляции элементов в кристалле; типом и структурой используемых транзисторов.

Большинство полупроводниковых ИМС изготовляют на основе монокристаллического кремния, хотя в отдельных случаях используют германий. Это объясняется тем, что кремний по сравнению с германием обладает рядом физических и технологических преимуществ, важных для создания элементов ИМС. Физические преимущества кремния по сравнению с германием проявляются в следующем:

· кремний имеет большую ширину запрещенной зоны и меньшие обратные токи переходов, что уменьшает паразитные связи между элементами ИМС, позволяет создавать микросхемы, работоспособные при повышенных температурах (до +120°С), и микромощные схемы, работающие при малых уровнях рабочих токов (менее 1 мкА);

· кремниевые транзисторы имеют более высокое пороговое напряжение, а следовательно, логические схемы на этих транзисторах характеризуются большой статической помехоустойчивостью;

· кремний характеризуется меньшей диэлектрической проницаемостью, что обусловливает меньшие значения барьерных емкостей переходов при той же их площади и позволяет увеличить быстродействие ИМС.

Наиболее важное технологическое преимущество кремния по сравнению с другими полупроводниковыми материалами связано со свойствами слоев двуокиси кремния, которые обладают хорошей адгезией к кремнию и сравнительно легко могут быть получены на поверхности кремниевой пластины путем ее окисления при высокой температуре (1200 — 1300°С).

Слои двуокиси кремния играют значительную роль в технологии ИМС на основе кремния и используются:

· в качестве маски при проведении процессов локальной диффузии примесей;

· для защиты поверхности кристалла от влияния окружающей среды;

· в качестве основания для металлической коммутации;

· для диэлектрической изоляции элементов;

· для изоляции затвора от канала в МДП-транзисторах с изолированным затвором;

· в качестве диэлектрика пленочных конденсаторов.

Большими потенциальными возможностями с точки зрения физических особенностей работы микросхем обладают арсенид галлия и другие полупроводниковые соединения. В промышленных условиях кремний наиболее широко используется для изготовления полупроводниковых ИМС. Поэтому основным типом полупроводниковых ИМС являются кремниевые.

Основными технологическими процессами изготовления полупроводниковых ИМС называют те, с помощью которых создаются локальные области в полупроводниковом материале и формируются переходы структуры и элементы схемы. К ним относятся локальная диффузия легирующих примесей в кремний, ионное легирование и эпитаксиальное наращивание монокристаллических слоев кремния на кремниевую пластину, имеющую противоположный тип электропроводности. В связи с этим все полупроводниковые ИМС по технологическим признакам подразделяют на две группы: ИМС, изготовляемые с применением только процессов диффузии, и ИМС, при изготовлении которых сочетаются процессы эпитаксиального наращивания, диффузии и ионного внедрения примесей. Технологию изготовления микросхем первой группы называют планарно-диффузионной, а второй группы — планарно-эпитаксиальной.

Разновидностями этих технологий являются так называемые совмещенная и изопланарная технологии. При совмещенной технологии активные элементы ИМС изготовляют методами планарно-диффузионной или планарно-эпитаксиальной технологии в объеме полупроводникового материала, а пассивные — методами тонкопленочной технологии на поверхности кристалла.

Метод изоляции элементов также существенно влияет на конструкцию микросхемы. В полупроводниковых ИМС для изоляции элементов наиболее широко применяют следующие методы:

· изоляцию обратно смещенными р-n-переходами;

· полную диэлектрическую изоляцию;

· комбинированную изоляцию (сочетание изоляции р-n-переходами и диэлектриком).

Основу конструкции полупроводниковых ИМС составляет транзисторная структура, которая является базовой для реализации всех входящих в схему активных и пассивных элементов.

В качестве базового элемента в полупроводниковых ИМС используют биполярные транзисторы, преимущественно с n-р-n⁺-типом электропроводности, изготовляемые по планарно-диффузионной или планарно-эпитаксиальной технологии, и униполярные транзисторы с МДП-структурой одного или двух типов электропроводности канала, изготовляемые по планарной технологии.

Особенностью структуры полупроводниковых ИМС является то, что все элементы изготовляются в едином технологическом процессе. Поэтому эпитаксиальные и диффузионные слои, образующие области различных элементов, имеют одинаковые параметры. Так, например, для создания резисторов используют обычно те слои, которые образуют эмиттер или базу биполярного транзистора, а для создания диодов и конденсаторов — те же переходы, что и в структуре транзистора. Поскольку транзисторная структура является наиболее сложной и определяющей в конструкции микросхемы, все предназначенные для реализации других элементов слои и переходы называются в соответствии с областями транзистора, независимо от того, в каком элементе они используются. Технологические методы и тип конструкции полупроводниковых ИМС обычно классифицируют по способам получения локальных областей и переходов транзисторной структуры и методам изоляции.

В зависимости от технологических методов и конструкции полупроводниковые ИМС подразделяют на (Это самое главное):

· планарно-диффузионные с изоляцией элементов р-n-переходами;

· планарно-диффузионные с резистивной изоляцией элементов;

· планарно-эпитаксиальные с изоляцией элементов р-n-переходами;

· планарно-эпитаксиальные с диэлектрической изоляцией элементов;

· совмещенные;

· изопланарные с комбинированной изоляцией;

· металл — диэлектрик — полупроводниковые на транзисторах с одним типом электропроводности (МДП-ИМС);

· металл — диэлектрик — полупроводниковые на транзисторах с взаимодополняющими типами электропроводности (КМДП-ИМС).

В планарно-диффузионных ИМС элементы представляют собой области с различным типом электропроводности, созданные локальной диффузией легирующих примесей внутри монокристаллической пластины кремния. Эти элементы изолированы друг от друга либо обратно смещенным p-n-переходом, либо с помощью высокоомной пластины. Структура полупроводниковой ИМС с изолирующими р-n-переходами показана на рис. 3.1, а. Изолированные области получаются путем диффузии примеси в пластину с целью создания р-n-перехода. Эти области (обычно n-типа) являются либо коллекторами транзисторов, либо изолированными областями для других, элементов. Структура такой ИМС создается методом тройной диффузии, т. е. путем последовательных трех процессов локальной диффузии, проводимых с одной стороны в однородно легированную высокоомную пластину кремния р-типа. Планарно-диффузионные ИМС с резистивной изоляцией отличаются тем, что в них элементы изолируются друг от друга с помощью высокоомного сопротивления материала самой пластины, включенного последовательно с элементами (рис. 3.1, б). Такая изоляция возможна при работе микросхемы на высоких частотах. Структура данного типа ИМС создается также методом тройной диффузии, однако используется пластина n-типа.

Планарно-эпитаксиальные ИМС аналогичны планарно-диффузионным. Однако их структуру создают методами эпитаксиального наращивания тонкого монокристаллического слоя кремния n-типа на относительно высокоомную пластину кремния р-типа и последовательной двойной локальной диффузии легирующих примесей в эпитаксиальный слой. Формирование локальных областей в полупроводниковом кристалле под элементы схемы определяется методом изоляции. Так, изоляция элементов p-n-переходами в планарно-эпитаксиальных ИМС достигается путем проведения односторонней селективной (разделительной) диффузии акцепторной примеси на всю толщину эпитаксиального слоя. При этом образуются локальные области эпитаксиального слоя с электропроводностью n-типа, окруженные со всех сторон изолирующими областями p-типа. Для формирования транзисторной структуры в этих областях используют только два последовательных процесса диффузии. Структура планарно-эпитаксиалъной ИМС с изолирующими р-n-переходами показана на рис. 3.2, а.

Планарно-эпитаксиальные ИМС с диэлектрической изоляцией отличаются тем, что в них элементы изолируются друг от друга с помощью диэлектрического материала, как показано на рис. 3.2, б. В данном случае в качестве диэлектрического материала наиболее часто применяют слои двуокиси кремния, нитрида кремния, карбида кремния, иногда стекло, керамику и другие диэлектрики. Подложкой при этом служит поликристаллический кремний, сапфир или керамика.

Использование воздуха в качестве диэлектрика позволяет создавать микросхемы новой конструкции — ИМС с балочными выводами (рис. 3.3), в которых транзисторные структуры создают по планарно-эпитаксиальной технологии, а путем последовательного электроосаждения силицида платины, титана, платины и золота создают выводы и межэлементные соединения повышенной прочности. Металлические слои подвергают травлению в целях создания изолированных балочных выводов, которые обеспечивают электрическую и механическую связи между элементами схемы. Изолирование элементов в схеме осуществляют травлением пластины на всю ее толщину. При этом конструкция микросхемы представляет собой изолированные островки с элементами, электрически и механически объединенными балочными выводами. Метод воздушной изоляции применяют также при создании ИМС на основе кремния на сапфире.

Совмещенные ИМС представляют собой конструкцию, в которой все активные элементы и по возможности часть пассивных создают по планарно-эпитаксиальной технологии с изоляцией p-n-переходами или диэлектриком, а все или часть пассивных элементов — по пленочной технологии путем нанесения резистивных, проводящих и диэлектрических пленок на поверхность микросхемы, покрытую слоем двуокси кремния (рис. 3.4). В такой конструкции используются преимущества полупроводниковой и пленочной технологий.

Первостепенной задачей при конструировании полупроводниковых ИМС является увеличение плотности размещения элементов на кристалле при одновременном уменьшении их геометрических размеров и улучшении электрических характеристик. При этом важным является уменьшение площади изолирующих областей, занимающей в планарно-эпитаксиальных ИМС с изоляцией p-n-переходами и диэлектриком до 40% всей площади кристалла. Эффективным для решения данной задачи является применение комбинированной изоляции. Структура полупроводниковой ИМС с комбинированной изоляцией, изготовленной по изопланарной технологии, показана на рис. 3.5. При этом боковые поверхности транзисторных структур изолируют диэлектриком (толстым слоем двуокиси кремния), а нижние поверхности — p-n-переходами. Формирование элементов осуществляют по обычной планарно-эпитаксиальной технологии с использованием тонких эпитаксиальных слоев n-типа. Комбинированная изоляция позволяет существенно уменьшить площадь транзистора, увеличить быстродействие и значительно снизить паразитные емкости.

23. Поясните этапы формирования структуры ИМС по планарно-эпитаксиальной технологии

Планарно-эпитаксиальные ИМС аналогичны планарно-диффузионным. Однако их структуру создают методами эпитаксиального наращивания тонкого монокристаллического слоя кремния n-типа на относительно высокоомную пластину кремния р-типа и последовательной двойной локальной диффузии легирующих примесей в эпитаксиальный слой. Формирование локальных областей в полупроводниковом кристалле под элементы схемы определяется методом изоляции. Так, изоляция элементов p-n-переходами в планарно-эпитаксиальных ИМС достигается путем проведения односторонней селективной (разделительной) диффузии акцепторной примеси на всю толщину эпитаксиального слоя. При этом образуются локальные области эпитаксиального слоя с электропроводностью n-типа, окруженные со всех сторон изолирующими областями p-типа. Для формирования транзисторной структуры в этих областях используют только два последовательных процесса диффузии. Структура планарно-эпитаксиалъной ИМС с изолирующими р-n-переходами показана на рис. 3.2, а.

Планарно-эпитаксиальные ИМС с диэлектрической изоляцией отличаются тем, что в них элементы изолируются друг от друга с помощью диэлектрического материала, как показано на рис. 3.2, б. В данном случае в качестве диэлектрического материала наиболее часто применяют слои двуокиси кремния, нитрида кремния, карбида кремния, иногда стекло, керамику и другие диэлектрики. Подложкой при этом служит поликристаллический кремний, сапфир или керамика.

Поиск по сайту: