23. Основы технологических процессов электроники и микроэлектроники

23.1. Технология изготовления интегральных микросхем

Интегральной схемой (ИС) называется электронное устройство, которое имеет высокую плотность компоновки элементов электрической схемы и где все или часть элементов сформированы или соединены между собой на одном полупроводниковом кристалле или диэлектрической подложке и обладают миниатюрными размерами (несколько мкм).

Вопросы производства и технологии ИС рассматриваются в разделе микроэлектроники, изучающем технологические, физические, и конструктивные особенности электро- и радиоэлементов с размерами не более 1 мкм хотя бы по одной координате.

Наиболее важной проблемой при создании микросхем является разработка элементов и совместимых друг с другом материалов со стабильными и воспроизводимыми характеристиками тонких слоев, а также последовательности технологических операций формирования многослойной структуры, при которой последующие операции не оказывают вредного влияния на характеристики ранее сформированных слоев.

В зависимости от способа создания пленочных композиций микросхемы делятся на 2 класса: гибридные интегральные схемы (ГИС) и полупроводниковые интегральные схемы (ПИС).

ГИС – миниатюрное электронное устройство, элементы которого нераздельно связаны конструктивно, технологически и электрически на поверхности диэлектрической подложки. В технологии ГИС пассивные элементы (резисторы, проводники, контактные площадки, конденсаторы, диэлектрические и изоляционные слои) изготавливаются в одном технологическом цикле в виде металлических и диэлектрических пленок на поверхности подложки.

Активные компоненты (диоды, транзисторы) монтируются на поверхности подложки и соединяются с другими элементами. ГИС могут быть изготовлены по тонкопленочной и толстопленочной технологии.

Тонкопленочная технология – это последовательное нанесение на общее основание тонких (менее 1-2мкм) пленочных проводников, контактов. Резисторов, изоляторов с формированием микрогеометрии элементов и их соединений при осаждении с помощью специальных трафаретов, а также с помощью локального травления.

Толстопленочная технология – это последовательное нанесение через сетчатые трафареты и вжигание в керамические подложки паст проводящего и диэлектрического назначения.

Проводящие пасты состоят из металлических порошков (серебро, золото, платина) и стекла (связующее) и обеспечивают изготовление проводящих дорожек.

Пасты для изоляционных слоев состоят из стекла и органических жидкостей.

Проводящая паста наносится и вжигается при температуре 750-95^оС. Резистивная и диэлектрическая пасты вжигаются при более низких температурах.

23.2. Полупроводниковые интегральные схемы

Полупроводниковые интегральные схемы получаются путем целенаправленного изменения свойств материала полупроводниковой подложки, легированной примесью. В качестве подложки может быть использован полупроводниковый кристалл. Добавление примесей, например, из германия и кремния, осуществляется в строго определенных местах подложки и в строго определенных количествах. Это позволит широко варьировать характеристики полупроводникового кристалла от изолятора до проводника. Изменение свойств происходит в слое, равном нескольким мкм и называемом p-n переходом. Этот слой характеризуется дырочной и электронной проводимостью. Рассмотрим эти процессы.

При низких температурах в кристаллах полупроводника все электроны связаны с атомами (свободных электронов нет) и кристалл представляет собой изолятор.

При повышении температуры отдельные электроны отрываются от атомов и могут создать в кристалле электрический ток при приложении напряжения. При удалении электрона из атома в оболочке образуется дырка. Свободные электроны и дырки беспорядочно перемещаются по кристаллу. При включении полупроводника в цепь, электроны перемещаются и при встрече дырки рекомбинируют, занимая вакансию. Такая проводимость называется собственной.

Если в кристалл ввести небольшое количество алюминия, то проводимость легированного кристалла будет дырочного типа, т.е. р-типа.

При введении мышьяка получаем полупроводник с электронной проводимостью n-типа. Если в кристалле имеются 2 зоны р-типа и n-типа, то граница называется р-n переходом и выполняет функцию диода. Создавая различные комбинации р-n переходов, можно получать элементы диоды, транзисторы, резисторы и т.д.

Полупроводниковые ИС получают по эпитаксиально-планарной технологии:

1. окисляется поверхность полупроводника кристалла;

2. травлением вскрывают окна на поверхности;

3. легируют полупроводник в зоне окон из газовой фазы;

4. закрывают окна окислением;

5. вскрывают окна и легируют поверхность в других местах;

6. напыляют мостики из проводников.

На поверхности кристалла 100100 мм можно сформировать несколько тысяч ИС.

Толсто- и тонкопленочные технологии применяются для мелкосерийного производства, т.к. требуют низких затрат на подготовку производства.

Технология полупроводниковых ИС применяется в массовом и крупносерийном производстве.