|
| |
 |
Электронные компоненты Мануалы фотолитографии и диффузии и позволяет получить транзистор э4 счет диффузии базовой примеси в подложку, выполняющую роЛь коллектора, и эмиттерной примеси в сформированную при первой диффузии базовую область (рис. 1.8). Плоская конструкция прибора позволяла создавать электрические соединения ко всем трем областям транзистора через окна в окисле путем напыления металлической пленки и формирования пленочных проводников вместо нетехнологичной операции присоединения проволочек к полупроводниковому материалу. Пленка двуокиси кремния, используемая в качестве маски в процессах диффузии, пассивировала поверхность полупроводникового материала и защищала выходящие на поверхность р-п переходы как в процессе их формирования, так и при эксплуатации прибора. Первой существенной модификацией планарной технологии было создание планарно-эпитаксиального процесса (1960 г.). Дело в том, что планарный процесс имел существенный недостаток - не позволял изготовлять мощные транзисторы из-за высокого сопротивления области коллектора. Полупроводниковый материал коллектора (см. рис. 1.8) из всех трех слоев транзистора - наименее легированный. Планарно-эпитаксиальный процесс включал операцию эпитаксиального наращивания тонкого слоя кремния, повторяющего структуру монокристаллической подложки. Уровень легирования и тип проводимости этого слоя могут отличаться от уровня легирования подложки. Процесс позволял создавать в эпитаксиальном слое транзисторы, характеристики которых не зависят от материала подложки. На прочной, сравнительно толстой подложке теперь можно было получить транзисторы с тонкой базой (т. е. с высокой рабочей частотой) и низким омическим сопротивлением коллектора (большой мощностью). Из рис. 1.9 видно, что высоколегированная «"-подложка шунтирует менее легированный и сравнительно высо-коомный коллекторный и-слой. Планарно-эпитаксиальные транзисторы изготавливались по групповой технологии, т. е. на одной кремниевой пластине одновременно формировалось несколько десятков и даже сотен транзисторов  Рнс. 1.8. Конструкция дискретного планарного транзистора; /- полупроводниковая высоколегирован-иая л+-подложка; 2- диффузионный слой р-тнпа; 3- диффузионный слой л-тн-па; 4- пленка окисла; 5- металлическое основание- вывод коллектора Рис. 1.9. Планарно-эпитаксиальный транзистор: а - все выводы транзистора расположены на рабочей поверхности; 6 - вывод коллектора расположен на нижней поверхности пластины; /-кремниевая высоколегированная п + -подлож-ка; 2- эпитаксиальиый п-слой кремния; 3- пленка окисла кремния; 4- вывод коллектора  3 Б Н  /7 + Рис. l.lb. Способ получения изолированных Рис. 1.11. Изоляция двух тран- островков кремния п-типа путем проведения зисторов интегральной мнкрос- разделительной диффузии: хемы и эквивалентная схема кремниевая подложка р-типа; 2- изолированные друг ИЗОЛЯЦИИ от друга островки кремния п-типа; 3- область разделительной диффузии; 4- окисел кремния и в состав партии входило несколько десятков пластин. Пластины разделялись на дискретные транзисторы, которые помещались в корпуса. Многие работники промышленности уже тогда отмечали противоречивость, нелогичность разделения полупроводниковой пластины на кристаллы, сборки кристаллов в корпуса и соединения йыводов корпусов друг с другом в общую схему. Появление интегральных микросхем с точки зрения технологии производства стало насущной необходимостью. Для создания интегральной микросхемы было необходимо решить два главных вопроса: изоляции элементов в пределах одного полупроводникового кристалла и получения диодов, резисторов, конденсаторов с заданными параметрами на основе структуры транзистора. Конструктивно-технологический способ электрической изоляции двух областей одной и той же полупроводниковой пластины показан на рис. 1.10. Выращенный на пластине р-типа эпитаксиальиый слой п-типа разделяется на отдельные островки (карманы) диффузией примеси р-типа. Каждый островок может служить материалом для коллектора транзистора, анода диода или обкладки конденсатора. С помощью диффузии в любом из них могут быть созданы полупроводниковые элементы: транзистор, диод, резистор или конденсатор. Образованные между островками и подложкой р-п переходы обеспечивают при подаче на них обратного смещения изоляцию карманов друг от друга. Из рис. 1.11 видно, что пока на подложку р-типа подан более высокий отрицательный потенциал, чем на обеих коллекторных областях соседних транзисторов, последние будут изолированы обратносмещенными р-п переходами, сопротивление которых постоянному току велико. Ток утечки такой пары диодов обычно меньше 1 мкА. В отличие от дискретного планарно-эпитаксиального транзистора (см. рис. 1.9, б) транзистор интегральной микросхемы (рис. 1.12), созданной по планарно-эпитаксиальной технологии, обладает высо-   Рис. 1.12. Плаиарно-эпитак-сиальный ti-p-n транзистор Рис. 1.13. Конструкции полевых тр(нзисто-ров с управляющим переходом: а - технетрон; б - планарный днффузионнй полевой транзистор; полупроводник; 2- канал; 3- полупроводинковый затвор; 4- защитный слой окисла; 5- вывод второго затвора КИМ последовательным сопротивлением коллектора. Проведение дополнительной диффузии для локального введения примеси в подложку перед операцией эпитаксии позволяет в донной части коллекторной области транзистора сформировать высоколегированный « + -слой, называемый скрытым (рис. 1. И и 1.12). Это уже вполне современный технологический процесс создания полупроводниковых микросхем по планарно-эпитаксиальной технологии со скрытым слоем, о котором подробнее будет сказано в гл. 7. Технология производства полевых транзисторов также прошла ряд этапов от сплавного транзистора с р-п переходом до планарного полевого транзистора со структурой металл - диэлектрик - полупроводник (МДП). В 1958 г. был создан первый полевой транзистор е р-п переходом. Этот транзистор, названный технетроном, представлял собой германиевый сплавной прибор с управляющим переходом и равномерно легированным каналом, работающий на частотах мегагерцевого диапазона. На цилиндрическом германиевом стержне (рис. 1.13, а) вытравлялась канавка и в оставшийся тонкий перешеек вплавлялся электродный сплав, создающий кольцевой р-п переход (затвор). В этом полевом транзисторе для управления эффективным поперечным сечением полупроводникового стержня и, следовательно, его проводимостью, использовалась обедненная область р-п перехода, смещенного в обратном направлении. На рис. 1.13, б показана конструкция изготовленного методом двойной диффузии планарного полевого транзистора с р-п переходом, работающего на том же принципе, что и технетрон. Каналом служит расположенный между двумя р-п переходами тонкий слой, тип проводимости которого противоположен типу проводимости исходного полупроводникового материала. В этой конструкции основным управляющим является верхний р-п переход, но могут использоваться и оба перехода, т. е. подложка может играть роль второго затвора. iiic. 1.14. Конструкции дискрет-нКМДП-транзисторов: д со встроенным каналом л-типа; б - с индуцированным каналом; /-полупроводник (кремний); 2-легированная область истока; 3- встроенный канад; -диэлектрик (окисел кремния); 5-легированная область стока; (5-вывод ш-орого затвора В 1962 г. на основе уже существующего планарного процесса был разработан конструктивно-технологический вариант полевого транзистора с металлическим затвором, изолированным от кремния тонким слоем окисла (рис. 1.14). Затвор управляет током от одной диффузионной области (исток) к другой (сток). В МДП-транзисто-рах со встроенным каналом (рис. 1.14, а) его создают дополнительной диффузией, в транзисторах с индуцированным каналом канал возникает только при приложении к затвору потенциала, оттесняющего основные носители (дырки на рис. 1.14, б). С начала производства МДП-транзисторов было ясно, что они схемотехнически и технологически очень подходят для изготовления интегральных микросхем. Первые микросхемы на МДП-транзисторах с использованием планарной технологии были выпущены в 1963 г., процесс их изготовления был значительно проще и содержал примерно вдвое меньше технологических операций, чем процесс изготовления биполярных транзисторов. Они потребляли меньшую мощность, допускали более высокий уровень интеграции (не тратилась площадь кристалла на изоляцию элементов друг от друга), обходились значительно дешевле. Однако МДП-микросхемы имели и недостатки: были очень чувствительны к статическим зарядам, так как небольшое перенапряжение пробивало тонкий подзатворный окисел и выводило транзистор из строя; выход годных микросхем был мал из-за дефектов в тонком окисле; они обладали значительно меньшим быстродействием и их рабочие напряжения были выше, чем рабочие напряжения серий логических биполярных микросхем, выпускавшихся в то время. Два последних недостатка существенно снизили спрос на МДП-микросхемы и затормозили их массовый выпуск примерно до 1970 г. В настоящее время в производстве полупроводниковых приборов, интегральных микросхем на биполярных транзисторах и микросхем на МДП-транзисторах господствующее положение занимает планарная технология. Существует более сотни различных ее модификаций. Движущей силой разработок новых вариантов планарной технологии явилась необходимость повышения: плотности размещения полупроводниковых приборов на кристалле; быстродействия микросхем; точности обработки материалов, качества и надежности микросхем и снижения их себестоимости. Совокупность технологических операций любого варианта планарной технологии направлена на: формирование полупроводниковой структуры, содержащей необ- % 50 Рис. 1.15. Изменение минимального проектного разт мера элементов (минимального расстояния между двумя линиями на топологии микросхемы) за счр совершенствования технологии / 1970 то то 2000 Время, годы ходимые р-п переходы; изоляцию элементов друг от друга (для интегральных микросхем на биполярных транзисторах); формирование межэлементных и внешних электрических связей; осуществление защиты полупроводникового прибора и интегральной микросхемы от внешних воздействий. Первые микросхемы начала 60-х годов содержали всего 6...8 транзисторов, диодов и резисторов, которых хватало для выполнения микросхемой простой логической функции. Для реализации сложных функциональных блоков ЭВМ (процессор) требуется несколько сотен таких микросхем. Первые микросхемы выполнялись на кремниевых кристаллах площадью в несколько квадратных миллиметров, и минимальные геометрические размеры элементов топологии не превышали 20 мкм (рис. 1.15). Микросхемы связывались с внешними устройствами с помощью 8...10 выводов. Их быстродействие - время от момента поступления сигнала на вход до момента формирования выходного сигнала - обычно находилось в пределах 20...40 не. За прошедшие годы полупроводниковая технология шагнула далеко вперед. Площадь кристалла увеличилась более чем в 10 раз. К середине 1970 г. минимальный проектный геометрический размер элементов микросхем уменьшился до 10 мкм, в конце 70-х годов обычным для производства микросхем стал размер 4 мкм, сейчас получены экспериментальные образцы микросхем с минимальным размером 1,5 мкм и даже 1 мкм. Этому способствовали высокая чистота, малая дефектность используемых материалов, высокий уровень технологии, что позволило перейти к выпуску микросхем с большой площадью, на которой располагается значительно большее число элементов. Первые полупроводниковые микросхемы памяти, выпущенные в 1971 г., насчитывали 128 запоминающих элементов, каждый из которых хранил 1 бит информации. Сегодня выпускаются сверхбольшие интегральные схемы (СБИС) памяти с информационной емкостью 256 тыс. бит, содержащие в том же кристалле и схемы управления этой памятью. Сегодняшняя полупроводниковая технология позволяет создавать на одном кристалле 10... 10 соединенных между собой элементов - это высшая из достигнутых степеней интеграции элементов в одном монолитном кусочке материала. В настоящее время мы в состоянии сделать вывод: как бы не были велики нынешние достижения технологии, они представляют собой всего лишь основу для дальнейшего роста быстродействия, степени интеграции микросхем (как минимум еще на порядок) и перехода на субмикронные минимальные геометрические размеры элементов (соизмеримые с размерами некоторых бактерий и молекул ДНК). Вместе с тем уже оценены и физические пределы существующей микроэлектронной техники и технологии. 1.3. ИЗДЕЛИЯ МИКРОЭЛЕКТРОНИКИ: КЛАССИФИКАЦИЯ, ТЕРМИНЫ, ОПРЕДЕЛЕНИЯ Выше уже использовались основные термины интегральной электроники: микросхемы, большие (БИС) и сверхбольшие интегральные схемы, микропроцессоры (МП) и др. Перед дальнейшим изложением материала конкретизируем и поясним специальную терминологию, используемую в микроэлектронике. Интегральная микросхема (микросхема) -это конструктивно законченное микроэлектронное изделие, выполняющее определенную функцию преобразования информации, содержащее совокупность электрически связанных между собой электрорадиоэлементов (транзисторов, диодов, резисторов, конденсаторов и др.), изготовленных в едином технологическом цикле. Термин «интегральная микросхема» отражает суммирование, объединение значительного числа электрорадиоэлементов (ЭРЭ) и соединяющих их проводников в единую конструкцию (конструктивная интеграция), выполнение функций преобразования более сложных по сравнению с функциями отдельных ЭРЭ (схемотехническая интеграция), создание одновременно всех ЭРЭ и межэлементных соединений в едином технологическом цикле (технологическая интеграция). Микросхемы изготовляют групповым методом по материалосберегающей технологии, тиражируя одновременно в одной партии от нескольких десятков до нескольких десятков тысяч микросхем. По конструктивно-технологическому исполнению микросхемы делят на три группы: полупроводниковые, пленочные и гибридные (рис. 1.16). В полупроводниковой интегральной микросхеме все элементы и межэлементные соединения выполнены в объеме и на поверхности полупроводниковой подложки. На рис. 1.16, а, б показаны два варианта изготовления фрагмента полупроводниковой ИС, содержащего транзистор, два резистора и конденсатор. В первом варианте транзистор, оба резистора и одна из обкладок конденсатора сформированы в полупроводниковой подложке. Во втором варианте все пассивные элементы выполнены по тонкопленочной, а транзистор по полупроводниковой технологии. Элемент интегральной микросхемы - это ее неотделимая составная часть, выполняющая функцию какого-либо электрорадиоэле- 0 1 [ 2 ] 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 |