38 Особенности изготовления и сравнительные характеристики структур биполярных микросхем
41Изготовление биполярных имс с диэлектрической изоляцией
Изоляция пленкой диэлектрика с использованием ПКК.
А-эпитаксия n+ слоя.
Б-выращивание SiO2 с помощью термического оксидирования, и фотолитография для вскрытия окон в SiO2.
В-локальное травление на глубину 15 мкм.
Г-удаление слоя SiO2 и осаждение из ПГФ пленки SiO2 толщиной 1-2 мкм.
Д-осаждение слоя ПКК из ПГФ толщиной до 200мкм.
Е-переворачивание подложки и сошлифовывание лишней части.
Далее с помощью диффузии формируют базу, с помощью ионного легирование-коллектор и эмиттер.
Плюсы: высокое сопротивления изоляции из ПКК.
Минусы: механическая обработка и небольшая степень интеграции.
42 Изготовление биполярных имс с комбинированной изоляцией (Изопланар)
Комбинированная изоляция- p-n переходом и диэлектриком.
Изопланар-1
А- осаждение нитрида кремния из ПГФ.
Б-фотолитография для вскрытия в нитриде кремния окон и локальное травление. Слой нитрида защищает от окисления расположенные под ним области.
В-термическое оксидирование-выращивание диоксида кремния для изоляции.
Г-удаления маски нитрида кремния фотолитографией и формирование базы-диффузией,
эмиттера и коллектора-ионным легированием.
Изопланар-2
Отличается от Изопланара-1 тем что коллектор отделен слоем диоксида кремния.
Изопланар -2 легче изготавливается т.к. менее жесткие требования к совмещению при экспонировании.
Плюсы: повышает интеграцию ИМ, снижает паразитные емкости, качество изоляции.
43 Изготовление биполярных имс с комбинированной изоляцией (Полипланар)
А-Создание базы с помощь. Диффузии.
Б-формирование слоя SiO2 и анизотропное травление.
В-нанесение Si3N4 слоя из ПГФ.
Г-заращивание V канавок ПКК.(можно оставить воздушную прослойку)
Д-формирование элементов, база-диффузия, эмиттер и коллектор-легирование.
Плюсы: полипланарная структура позволяет улучшить быстродействие, степень интеграции, радиационную стойкость, процент выхода годных ИМ.
57 Запоминающий элемент с плавающим затвором и накопительным конденсатором
Конструкция и технология элемента памяти с плавающим затвором и накопительным конденсатором.
Накопительный конденсатор. Емкость конденсатора определяется по формуле : С=EоEdS/d, где Eо – диэлектрическая постоянная вакуума, равная 8.85Х10 в -17 Ф/см, Ed – диэлектрическая проницаемость конденсаторного диэлектрика. S - площадь обкладки конденсатора. d – толщина конденсаторного диэлектрика. Увеличение емкости конденсатора может быть достигнуто 3-мя способами: 1)уменьшением толщины конденсаторного диэлектрика. 2)использование диэлектрика с более высокой диэлектрической проницаемостью. 3) увеличение площади обкладки конденсатора без увеличения топологической мощности конденсатора. Переход к использованию диэлектриков с высокой диэлектрической проницаемостью возможен при выполнении условия, что произведение Eпр х Eд, где Eпр – напряженность пробоя конденсаторного диэлектрика Eд – диэлектрическая проницаемость конденсаторного диэлектрика. Основным направлением увеличения степени интеграции ДОЗУ является уменьшение размеров элементов в вертикальном и горизонтальном направлении. В случае пропорционального уменьшения накопительного конденсатора элемента памяти К , его емкость снижается также в K раз. Хранимый заряд на обкладках конденсатора равен Q=C х U, С – емкость конденсатора, U – напряжение питания, , приложенное к обкладкам конденсатора при постоянном напряжении питания также снижается в K раз. При уменьшении горизонтальных размеров накопительного конденсатора (топологических размеров) в K раз хранимый заряд убывает пропорционально квадрату фактора масштабирования Uпр = Eпрd. Максимальное рабочее напряжение на конденсаторе Q=EEoEпрS . Напряженность полепробоя определяется не только качеством конденсаторного диэлектрика и его диэлектрическими свойствами, но и структурно-морфологическими характеристиками обхвата накопительного конденсатора. Для обеспечения надежности хранения данных емкость должна составлять 25-30 Фф. Кроме того элементы памяти и накопительные конденсаторы должны удовлетворять следующим требованиям: 1. Технологичность (минимальная сложность структуры и процессов ее создания). 2. Высокая плотность упаковки. 3. минимальная вероятность случайных сбоев. 4. миним. диэлектрическая проницаемость конденсаторного диэлектрика . 5. Минимальность тока утечки. 6. Минимальные шумы и максимальное быстродействие. 7. Оптимальные структурно-технологические характеристики материала обкладок конденсатора. Для обеспечения увеличения обкладок конденсатора более перспективны трех мерные элементы памяти. Использования 3ех мерных элементов памяти обуславливает необходимость разработки комплекса методов качественных камфорного осаждения технических проводящих слоев. Важными требованиями являются : 1. Высокая диэлектрическая проницаемость. 2. Высокая максимальная напряженность электрического поля со слабыми точками утечки при максимальном поле. 3. Низкая дефектность. 4. Хорошая совместимость с кремниевой технологией. Запоминающий конденсатор элемента памяти должен удовлетворять 2ум взаимоисключающим требованиям. С одной стороны площадь его должна быть как можно меньше для обеспечения малой площади кристалла ДОЗУ, а с другой емкость конденсатора должна быть как можно больше для обеспечения надежного считывания информации в течении цикла регистрации информации.
59 Металлизация структур
Требования к омическим контактам, токоведущим дорожкам и контактным площадкам. Технология и особенности металлизации структур.
Металлизация – это процесс создания омических контактов(изнутри наружу) и токоведущих дорожек. Системы металлизации подразделяются на: однослойную, многослойную, многоуровневую и объемную.
Однослойная металлизация применяется в устройствах с малой и средней степенью интеграции, не рассчитанных на высокую надежность. Этот вид металлизации имеет ряд требований: должен быть выпрямляющий(т.е. он должен пропускать ток одинаковой величины независимо от полярности), миним. сопротив., механически прочным, вжигаем ниже темп. эвтектики Al-Si; механически закрепили при отжиге. Al больше, чем другие металлы отвечает требованиям: имеет высокую электропроводность, хорошую адгезию к Si и SiO2, пластичен. Благодаря Al он пластичен и отыгрывает разность ТКЛР. Наносить пленку можно термо-вакуум. напылением, магнетрон. распылением, осаждением из ПГФ. Получение хороших(качественных) пленок ТВН затруднено, потому что пленки загрязняются от испарителей. Поэтому стали использовать магентронное распыление, благодаря которому возможно получение более качественных пленок с большим размером зерна. Чем крупнее зерна – сопротивление меньше, больше электропроводность. У этого метода металлизации есть ряд недостатков: высокая растворимость кремния в Al в тверд. фазе; низкая температура эвтектики, низкая механическая прочность из-за мягкости Al; большой ТКЛР Al по сравнению с ТКЛР кремния и диоксидом кремния; низкая стойкость к щелочам и склонность к коррозии. Многослойная металл. Применяется для нанесения нескольких слоев. Контактный слой должен быть выполнен из металла, который не вступает в нежелательные взаимодействия, имеет малый коэффициент диффузии и малую растворимость. Для контактного слоя используют: вольфрам, молибден, хром, никель, Al, поликремний. Проводящий слой должен быть хорошей электропроводностью и обеспечивать надежное подсоединение контактных площадок к выводам. Многоуровневая применяется в больших и сверхбольших ИС. Она может быть одно и многослойной; должна отвечать тем же требованиям, что и одноуровневые слои. Процесс проходит с начала с формирования первого слоя, получение изолирующего слоя, с последующим вскрытием межуровневых окон, формирование второго уровня. В качестве изолирующей пленки используют SiO2, Al2O3, Si3N4. Слои Al2O3 более надежны, по сравнению с SiO2, из-за лучших диэлектрических свойств: не пропускают ионы Na, менее чувствительны к воздействим атмосферы.
62 Монтаж кристаллов, методы и материалы
Методы монтажа кристаллов ИС. Применяемые корпуса. Материалы, применяемые при монтаже кристаллов. Требования к качеству и прочности крепления кристалла.
Метод прямого контакта. Основные требования к операциям монтажа: 1) обеспечение высокой механической прочности соединений, 2)хорошего теплоотвода от структуры и в ряде случаев 3)хорошей электропроводности, 4) темпер. и сжимающие усилия при выполнении монтажа не должны быть слишком высокими, чтобы не нарушить ранее полученные соединения, не ухудшить параметры структур, не разрушить их металл. целостность. Однако они должны быть достаточны для прочного подсоединения. Нижний предел температур ограничен необходимостью после монтажа еще дважды ( при подсоединении электродных выводов и герметизации) подвергать структуры тепловоздействию, которое должно последовательно от операции к операции уменьшаться. Необходимо также при выборе способа монтажа учитывать условия эксплуатации ИМ. Для монтажа кристаллов и плат применяют клеи на основе эпоксидной смолы ЭД-5, клей ВК-2 (раствор кремнийорганической смолы в органическом растворителе с мелкодисперсным асбестом) , клеи К-400, К-350-61 и др. Эти клеи обеспечивают хорошую прочность при температурах до 300 градусов C , что позволяет выполнять последующее подсоединение выводов без разрушения клеевого шва. При пайке эвтектическими припоями чаще всего используют сплав золота с германием ЗлГр12, потому что при охлаждении может произойти расслоение сплава Au-Si вследствие неравномерного распределения компонентов, что ухудшает прочность и теплопроводность паяного шва. Пайка эвтектическими сплавами Au-Si ( 94 или 6%), или Au-Ge ( 88 и 12%), имеющими температуру плавления 370 и 356 градусов C не ограничена последующими нагревами при сборке ИМ. аз.pго емкость снижается также в ия накопительного конденсатора элемента памяти овия, что произведение
63 Монтаж кристаллов на эвтектику, на клей, на припой
Контактно-реактивная пайка. Пайка кристаллов эвтектическими припоями. Технологические особенности и режим. Недостатки метода. Монтаж кристаллов на клей, на припой. Требования к соединяемым материалам. Целесообразность использования клея или припоя в различных корпусах.
Пайка эвтектическими сплавами может быть проведена двумя вариантами.
Контактно-реактивная пайка должна проводится при предварительном нанесении на монтажную площадку слоя золота и на нерабочую сторону кремниевой пластины. Кристалл подается на монтажную площадку. При нагреве в среде инертного газа, приложении вертикального усилия от инструмента и УЗ-колебаний, между ними образуется эвтектический сплав. Сплав заполняет зазор между деталям, хорошо смачивает их поверхности. При охлаждении кристаллизующийся сплав образует паяное соединение. Контактная реактивная пайка широко используется для автоматизированного монтажа кристаллов на металл. Ленте или рамках. Пайка эвтектическими припоями предусматривает наличие припойной прокладки из эвтектического сплава. Сложность приготовления сплава ограничивает применение способа, хотя качество соединения хорошее. При охлаждении может произойти расслоение сплава Au-Si вследствие неравномерного распределения компонентов, что ухудшает прочность и теплопроводность паяного шва. Преимущество перед контактно-реактивной пайкой :меньшие остаточные напряжение в паяном шве. Соединение клеями довольно широко применяются, т.к. отличаются простотой процесса, низкими температурами отверждения и достаточными механической прочностью и надежностью. Склеиванием можно соединять разнообразные материалы, отличающиеся толщиной. Клеевые соединения упрощают конструкцию, уменьшают массу, экономят расход дорогостоящих металлов. Недостатки клеевых соединений: теплопроводность, невозможность замены дефектных структур, перегрев при соединении электродных выводов, возможно выделение газов в герметичный корпус.
Для улучшения теплопроводности в состав клея вводят металлические наполнители (например серебро). Клеи наносят на соединение поверхности в виде капли вручную или автоматически, в виде таблеток, трафаретной печатью.
Пайка металлическими припоями обеспечивает высокие тепло- и электропроводность соединений, механическую прочность, хорошее согласование по ТКЛР. Мягкие припои допускают при необходимости демонтаж кристаллов. В то же время относительно низкие температуры плавления, в основном не более 280…300 С, ограничивают применение мягких припоев из-за необходимости нагрева на последующих сборочных операциях.
58 Поверхность полупроводника Поверхностные состояния.
Это состояние разрешенное для электронов, которое имеются на поверхности полупроводника но отсутствуют в обьеме. Такие состояние возникают в разных ситуациях. Например рассмотрим обсолютно чистую поверхность полупроводника. На поверхности из-за энергетического поля будут имется дополнительные состояния т.е. электроны в поверхностном состоянии будут связаны с одной стороны которая направлена к обьему кристалла. Такие Поверхностные состояния называются состоянием Шокли т.к. именно он впервые изучил это состояние. Это состояние в полупроводнике равна N02/3 см-2 где N0 концентрация атомов. Для других методов поверхностных состояний являются атомы примесей, которые расположены на поверхности полупроводника. Приведем пример. Вазмем кислород который получим на поверхности кремния. Кислород является причиной появления поверхностных состояний, но при условии если эти состояния будут лежать в диапазоне энергий кооторые будут зависить от общих связей атомов кремния. Главным эффектом этого источника будет разрешенное электроное состояние у которой плотность не будет равна нулю. Поверхностные состояния могут различатся не только по энергетическому значению но и по их типу. На пример по заряду который несется при равновесии. Дапустим нейтральное состояние которое занято электронами и положительно заряжено и не заято оно будет класифицироватся донорное состояние. Если заряжено будет отрицательно и будет занято то оно будет класифицироватся акцепторные.
60 Подготовка полупроводниковых структур к сборке
Для разрезки пластин применяют абразивную и лазерную обработку
Пластина крепится на вакуумный столик. Абразивная резка производится дисками с режущей внешней кромкой. Диск крепко закрепляется для более лучшей резки пластин. Кромка диска режет пластину не до конца а примерно 2/3 части толщины пластины, что обеспечивают минимальное разламывание пластин. Диски вращаются примерно с 45000об/мин. Диск перемещается пперечно после каждого продольного разреза пластины. За счет шагового двигателя обеспечивается точная глубина резки пластины. После получения линий разреза столик поворачивается на 90 градусов и диск дальше разрезает пластину до получения сеточного рисунка на пластине. Такой метод очень производительный т.к. может разрезать пластины любой толщины и большого диаметра. Недостаток метода выявляется при резке пластины механическое воздействие может создать микросколы или микротрещины которые приведут в негодность пластину. Достоинства очень быстрый и простой метод резки пластин.
Алмазное скрайбирование применяется для диэлектрических подложек. На данный момент этот метод не применяется на производстве т.к. очень маленькая глубина залегания риски за счет чего не обеспечивается качественное разламывание пластин.
Лазерное разделение пластин производится с помощью лазерного излучения. Этот с способ относится к бесконтактным при котором отсутствует механическое воздействие на пластины т.е. нету механического напряжения на пластины. Метод производится образованием рисок которые происходят за счет испарения материала сфокусированным лазерным лучом при большой мощности. Такой метод позволяет в 4-5 раз увеличить производительность процесса по отношению с алмазным скрайбированием. За счет того что глубина залегания рисок на 50-100 мкм повышается выход годных пластин после разламывания. Так же отсутствует механическое воздействие от которого появляются микросколы и микротрещины. Ширина рисок 25мкм. Качество получаемых кристаллов получается отличным до толщины пластины 450мкм если выше возможны появления сколов или трещин при разламывании пластины. Недостатки метода явл. Высокая стоимость и сложность оборудования, нужна защита пластин от воздействий продуктов испарения, сложность разделения толстых пластин. Достоинства: процесс проходит без механических воздействий. Очень высокое качество разреза пластин.
61 Методы ориентированного разделения пластин
После резки пластин их разламывают по выемкам сделаные при резке пластины. Есть 3 способа разламывания.
Первый это ручное разламывание цилиндрическим валиком. Пластнину помещают на резине. Разламывать пластины нужно там чтоб движение валика совподало с направлением выемок в пластине. Разламывают пластину в 2 захода, сначала пластину делят на полоски потом поворачивают на 90 градусов и уже делят на кристалы. Движение валика должно быть точным иначе если валик будет двигатся не вдоль выемов в пластине то механические напряжения будут не равномерными что может привести к разлому пластины не по выемкам или образование сколов. Недостатки: малая производительность, возможные сколы трещины при разделение. Достоинства: очень простой и дешевый метод.
Второй способ когда пластину помещают на мембрану. Разламывают пластину сразу по всем выемкам в пластине за счет хорошо растягивающей мембраны. Такой способ применяется только на пластины малого диаметра т.к. при больших диаметрах кристаллы начинают крошатся.
Третий способ. Пластину крепят на липкую пленку кооторая крепится на кольцо с внутреним диаметром который немного больше диаметра пластины. Пластину разделяют двумя валиками с верху резиновым и снизу метелический. Валики с одной стороны зажимают пластину и прокатываются от края до края потом разжимаются и пластину поворачивают на 90 градусов и процесс повторяется для полного разделения пластины. Достоинства: высокая производительность и качество процесса. Недостатки: возможны остатки сколов на липкой ленте которые могут поцарапать пластину и привести кристал в негодность.
64 Методы присоединения выводов. Термокомпрессионная и ультразвуковая сварки
Термокомприсионная сварка это процесс воздействи на кристал температуры и давления. Температура состовляет примерно 300-400 градусов. Давление подается с помощью капилляра и должно обеспечиватся деформацию соединяемой проволоки. Деформация увеличивает зону контактирования соединений. Температура и давление между собой взаимосвязаны для получения прочного соединения. Длительность процесса состовляет доли секунды, зависещий от качества поверхности и свойств проволоки ее температуры и давления. Если процесс длится дольше возможно снижение прочности сварного шва. Термокомпрессия осуществляется двумя способами. Внахлест и встык. Внахлест применяется когда нужны не высокие требования к точности сварного шва. В данном способе проволоку отрезают клином путем разрезание проволки.Встык осуществляется капиляром. На кончике капиляра за счет нагрева проволоки получают шарик которые и производит соединение. Проволоку отрезают путем подьема зажимного устройства когда сама проволока зажата в капиляре. Недостатки термокомпресионого метода: высокое требование к качеству соединения, низкая производительность.
Ультразвуковая сварка производится при давлении и УЗ-колебания прибора. На соединяемые поверхности воздействует сдвигающие усилия за счет которых происходит срезание микронеровностей. За счет трения происходит нагрев который не превышает температуру плавления примерно на 50% за счет чего получается очень прочное соединение. Соединения проволоки с поверхностью происходит без деформации за счет чего можно уменьшить площадь контактной площадки. Уз-сварку совмещают с импульсным нагревом инструмента для повышения производительности и качества процесса. Инструмент прижимается к соединяемым детаталям и в этот же момент подается ток и уз-колебания. В данном методе крепление деталей должно быть максимально крепкое для того чтобы убрать передачу колебаний на свариваемую поверхность.
51 Применение ионного легирования при изготовлении МОП – приборов
Изготвление МОП ИМС производится ионным легирование для ограничения влияния инверсного n-слоя. Вместе с получение n+ области происходит легирование поликремния. Легируют мышьяком т.к. он обеспечивает неглубокую диффузию, что обеспечивает защиту от проникновения примеси через затвор-оксид. После диффузии на пластину осаждается диоксид кремния для того чтобы увеличить толщину слоя. После этого происходит фотолитография для получения окон для истоков стоков и затворов. Дальше происходит напыление пленки алюминия и для получения метализации производим еще одну фотолитографию. МОП-ИМС имеют высокую степень интеграции и быстродействие. При замене алюминиевых затворов на поликремнеевые уменьшается пороговое напряжение что позволяет выполнять высокотемпературные обработки пластин. Надостатком поликремниевых затвором является высокое электросопротивление.