Технология полупроводниковых приборов 10 Основные свойства полупроводников к полупроводниковым icon

Технология полупроводниковых приборов 10 Основные свойства полупроводников к полупроводниковым




НазваТехнология полупроводниковых приборов 10 Основные свойства полупроводников к полупроводниковым
Сторінка1/5
Дата конвертації04.05.2013
Розмір1.01 Mb.
ТипДокументи
  1   2   3   4   5
1. /Технология_приборостроения/Введение.doc
2. /Технология_приборостроения/Глава 1-Основные понятия/Основ понятия.doc
3. /Технология_приборостроения/Глава 10-Полупровод приборы/Глава 10 Полупроводниковые приборы.doc
4. /Технология_приборостроения/Глава 11-Оптич изделия/Оптич. изделия.doc
5. /Технология_приборостроения/Глава 12-Шкалы измерит приборов/Шкала измерительного прибора.doc
6. /Технология_приборостроения/Глава 13-Основн виды испытаний/испытания.doc
7. /Технология_приборостроения/Глава 2-Технология металлов/ГЛАВА 2.doc
8. /Технология_приборостроения/Глава 2-Технология металлов/ГЛАВА 2сокращенная.doc
9. /Технология_приборостроения/Глава 3-Механ обраб металлов/ГЛАВА 3.doc
10. /Технология_приборостроения/Глава 4-Разъемные и неразъемные соед/ГЛАВА 4.doc
11. /Технология_приборостроения/Глава 5-Технология покрытий/ГЛАВА 5.doc
12. /Технология_приборостроения/Глава 6-Технология пластмасс/Глава 6.doc
13. /Технология_приборостроения/Глава 7-Электромонтаж/Электромонтаж.doc
14. /Технология_приборостроения/Глава 8-Технология обработки полупроводн мат/ГЛАВА 8.doc
15. /Технология_приборостроения/Глава 9-Мех обработка полупров/ГЛАВА 9.doc
Введение Прибор – общее название широкого класса устройств, предназначенных для измерений, производственного контроля, защиты оборудования, управления машинами и установками, регулирования технологических процессов, вычислений, учета, счета и др.
Основные понятия об изделии, производственном и технологическом процессах
Технология полупроводниковых приборов 10 Основные свойства полупроводников к полупроводниковым
Технология изготовления оптических изделий Стекловидные вещества
Технология изготовления шкал измерительных приборов 12 Введение. Терминология. Классификация шкал
Основные виды испытаний электромеханических и электронных приборов
Технология производства металлов Общие сведения о металлах Металлы
Технология производства металлов Технология производства черных металлов 1 Устройство доменной печи
Механическая обработка металлов Сверление. Расточные работы 1 Обработка отверстий
Разъемные и неразъемные соединения
Технология покрытий Общие сведения
Технология изготовления деталей из пластмасс Общие сведения
Электрический монтаж
Технология производства полупроводниковых материалов Полупроводниковые материалы Элементарные или простые полупроводники
Механическая обработка полупроводниковых материалов Кристаллографическая ориентация полупроводниковых слитков

ГЛАВА 10


Технология полупроводниковых приборов


10.1. Основные свойства полупроводников


К полупроводниковым относят материалы, которые при комнатной температуре имеют удельное электрическое сопротивление от 10-5 до 1010 Ом×м (в полупроводниковой технике принято измерять сопротивление 1 см3 материала). Количество полупроводников превышает количество металлов и диэлектриков. Наиболее часто используются кремний, арсенид галлия, селен, германий, теллур, различные оксиды, сульфиды, нитриды и карбиды [1, 2].

Разделение веществ на металлы, полупроводники и диэлектрики выполняют исходя из зонной структуры тела при температуре абсолютного нуля.

У металлов валентная зона (верхняя зона в энергетическом спектре твердого тела, заполненная электронами) и зона проводимости (зона, электроны которой обладают энергиями, позволяющими им освобождаться от связи с атомами и передвигаться внутри твердого тела, например под воздействием электрического поля) взаимно перекрываются, поэтому при 0 К металл обладает электропроводностью.

У полупроводников и диэлектриков зона проводимости при 0 К пуста и электропроводность отсутствует. Различие между полупроводниками и диэлектриками в ширине запрещенной зоны (зоны, в пределах которой нет энергетических уровней, на которых могли бы находиться электроны).

В полупроводниках при некотором значении температуры, отличном от нуля, часть электронов будет иметь энергию, достаточную для перехода в зону проводимости. Эти электроны становятся свободными, а полупроводник – электропроводным.

Уход электрона из валентной зоны приводит к образованию в ней незаполненного энергетического уровня. Вакантное энергетическое состояние носит название дырки. Валентные электроны соседних атомов в присутствии электрического поля могут переходить на эти свободные уровни, создавая дырки в другом месте. Такое перемещение электронов можно рассматривать как движение положительно заряженных фиктивных зарядов – дырок.

Электропроводность, обусловленную движением свободных электронов, называют электронной, а электропроводность, обусловленную движением дырок, - дырочной.

У абсолютно чистого и однородного полупроводника при температуре, отличной от 0 К, свободные электроны и дырки образуются попарно, т.е. число электронов равно числу дырок. Электропроводность такого полупроводника, обусловленная парными носителями теплового происхождения, называется собственной.

Процесс образования пары электрон – дырка называют генерацией пары. При этом генерация пары может быть следствием не только воздействия тепловой энергии (тепловая генерация), но и кинетической энергии движущихся частиц (ударная генерация), энергии электрического поля, энергии светового облучения (световая генерация) и т.д.

Образовавшиеся в результате разрыва валентной связи электрон и дырка совершают хаотическое движение в объеме полупроводника до тех пор, пока электрон не будет «захвачен» дыркой, а энергетический уровень дырки не будет «занят» электроном из зоны проводимости. При этом разорванные валентные связи восстанавливаются, а носители заряда – электрон и дырка – исчезают. Этот процесс восстановления разорванных валентных связей называют рекомбинацией.

Электрические свойства полупроводников зависят от содержания в них атомов примесей, а также от различных дефектов кристаллической решетки: пустых узлов решетки, атомов или ионов, находящихся между узлами решетки, и т.д. Примеси бывают акцепторные и донорные.

Акцепторные примеси. Атомы акцепторных примесей способны принимать извне один или несколько электронов, превращаясь в отрицательный ион. При этом в полупроводнике концентрация дырок превысит концентрацию свободных электронов собственной проводимости (). Следовательно, в полупроводнике будет преобладать дырочная электропроводность. Такой полупроводник называют полупроводником р-типа.

Донорные примеси. Атомы донорных примесей имеют валентные электроны, слабо связанные со своим ядром. Эти электроны, не участвуя в межатомных связях, могут легко перейти в зону проводимости материала, в который была введена примесь. При этом в решетке остается положительно заряженный ион, а электрон добавится к свободным электронам собственной электропроводности. Донорный уровень находится в верхней части запрещенной зоны. Переход электрона с донорного уровня в зону проводимости происходит тогда, когда он получает небольшую дополнительную энергию. В этом случае концентрация свободных электронов в полупроводнике превышает концентрацию дырок и полупроводник обладает электронной электропроводностью. Такие полупроводники называют полупроводниками п-типа.

Носители зарядов, концентрация которых преобладает в полупроводнике, называют основными, а носители зарядов, концентрация которых в полупроводнике меньше, чем концентрация основных, – неосновными [1].

Электрический переход в полупроводнике – это граничный слой между двумя областями, физические характеристики которых существенно различаются.

Переходы между двумя областями полупроводника с различным типом электропроводности называют электронно-дырочними или р-п переходами.

Переходы между двумя областями с одним типом электропроводности (п– или р– типом), отличающиеся концентрациейпримесей и соответственно значением удельной проводимости, называют электронно-электронными (п+ – п-переход) или дырочно-дырочными (р+ – р-переход), причем знак «+» в обозначении одного из слоев показывает, что концентрация носителей заряда одного типа в этом слое значительно выше, чем во втором, и поэтому слой имеет меньшее удельное электрическое сопротивление.

Особенности р-п–переходов. В идеальном р-п–переходе обратный ток уже при сравнительно небольшом обратном напряжении не зависит от значения последнего. Однако при исследовании реальных р-п–переходов наблюдается достаточно сильное увеличение обратного тока при увеличении приложенного напряжения, причем в кремниевых структурах обратный ток на 2 - 3 порядка выше теплового. Такое отличие экспериментальных данных от теоретических объясняется термогенерацией носителей заряда непосредственно в области р-п–перехода и существованием канальных токов и токов утечки.

Канальные токи обусловлены наличием поверхностных энергетических состояний, искривляющих энергетические зоны вблизи поверхности и приводящих к появлению инверсных слоев. Эти слои называют каналами, а токи, протекающие через переход между инверсным слоем и соседней областью, - канальными токами.

Емкости р-п–перехода. Наряду с электропроводностью р-п–переход имеет и определенную емкость. Емкостные свойства обусловлены наличием по обе стороны от границы электрических зарядов, которые созданы ионами примесей, а также подвижными носителями заряда, находящимися вблизи границы р-п–перехода.

Емкость р-п–перехода подразделяют на две составляющие: барьерную, отражающую перераспределение зарядов в р-п–переходе, и диффузионную, отражающую перераспределение зарядов вблизи р-п–перехода. При прямом смещении перехода в основном проявляется диффузионная емкость, при обратном (режим экстракции) заряды вблизи р-п–перехода (в базе) меняются мало и основную роль играет барьерная емкость.

Пробой р-п–перехода. Под пробоем р-п–перехода понимают значительное уменьшение обратного сопротивления, сопровождающееся возрастанием обратного тока при увеличении приложенного напряжения. Различают три вида пробоя: туннельный, лавинный и тепловой.

В основе туннельного пробоя лежит туннельный эффект, т.е. «просачивание»электронов сквозь потенциальный барьер, высота которого больше, чем энергия носителей заряда.

Лавинный пробой вызывается ударной ионизацией, которая происходит тогда, когда напряженность электрического поля, вызванная обратным напряжением, достаточна велика.

Тепловой пробой возникает в результате разогрева р-п–перехода, когда количество теплоты, выделяемой током в р-п–переходе, больше количества теплоты, отводимой от него.

Следует заметить, что один вид пробоя может наступать как следствие другого вида пробоя [1].

Свойства р-п–переходов используются в различных полупроводниковых приборах. Одними из простейших полупроводниковых приборов являются транзисторы. В зависимости от принципа действия и конструктивных признаков транзисторы подразделяются на два больших класса: биполярные и полевые.


Биполярные транзисторы


Биполярными транзисторами называют полупроводниковые приборы с двумя или несколькими взаимодействующими электрическими р-п–переходами и тремя или более выводами, усилительные свойства которых обусловлены явлениями инжекции и экстракции неосновных носителей заряда.

В настоящее время широко используют биполярные транзисторы с двумя р-п–переходами, к которым чаще всего и относят этот термин. Они состоят из чередующихся областей (слоев) полупроводника, имеющих электропроводности различных типов. В зависимости от типа электропроводности наружных слоев различают транзисторы р-п-р и п-р-п–типов.

Транзисторы, в которых р-п–переходы создаются у поверхностей соприкосновения полупроводниковых слоев, называют плоскостными.

Физические процессы в транзисторах. Упрощенная структура плоскостного р-п-р–транзистора показана на рис. 10.1, а, условные обозначения р-п-р- и п-р-п–транзисторов — на рис. 10.1, б.




Рис. 10.1 Упрощенная структура плоскостного транзистора (а) и его условные обозначения с указанием направления токов при работе в нормальном активном режиме (б)


При подключении напряжений к отдельным слоям биполярного транзистора оказывается, что к одному переходу приложено прямое напряжение, к другому—обратное. При этом переход, к которому при нормальном включении приложено прямое напряжение, называют эмиттерным, а соответствующий наружный слой – эмиттером (Э); средний слой называют базой (Б). Второй переход, смещенный приложенным напряжением в обратном направлении, называют коллекторным, а соответствующий наружный слой – коллектором (К).

Однотипность слоев коллектора и эмиттера позволяет при включении менять их местами. Такое включение называется инверсным. При инверсном включении параметры реального транзистора существенно отличаются от параметров при нормальном включении.

Типовые структуры биполярных транзисторов, изготовленных различными методами, приведены на рис. 10.2.




Рис. 10.2 Структуры транзисторов:

а - сплавного; б - эпитаксиально-диффузионного; в - планарного;

г- мезатранзистора:

1 - база; 2 - эмиттер; 3 - коллектор (эпитаксиальная пленка); 4 - подложка


В зависимости от технологии изготовления транзистора концентрация примесей в базе может быть распределена равномерно или неравномерно. При равномерном распределении внутреннее электрическое поле отсутствует и неосновные носители заряда, попавшие в базу, движутся в ней вследствие процесса диффузии. Такие транзисторы называют диффузионными или бездрейфовыми.

При неравномерном распределении концентрации примесей в базе имеется внутреннее электрическое поле (при сохранении в целом электронейтральности базы) и неосновные носители заряда движутся в ней в результате дрейфа и диффузии, причем дрейф играет доминирующую роль. Такие транзисторы называют дрейфовыми.

При изготовлении транзисторов эмиттер и коллектор выполняют низкоомными, а базу – относительно высокоомной (десятки - сотни Ом). При этом удельное сопротивление области эмиттера несколько меньше, чем области коллектора.

Все положения, рассмотренные для единичного р-п–перехода, справедливы для каждого из р-п–переходов транзистора. В равновесном состоянии наблюдается динамическое равновесие между потоками дырок и электронов, протекающими через каждый р-п–переход, и результирующие токи равны нулю.


Полевые транзисторы


Полупроводниковые приборы, работа которых основана на модуляции сопротивления полупроводникового материала поперечным электрическим полем, называют полевыми транзисторами. У них в создании электрического тока участвуют носители заряда только одного типа (электроны или дырки).

Полевые транзисторы бывают двух видов: с управляющим р-п–переходом и со структурой металл—диэлектрик—полупроводник (МДП-транзисторы).

Транзистор с управляющим р-п–переходом (рис. 10.3) представляет собой пластину (участок) из полупроводникового материала, имеющего электропроводность определенного типа, от концов которой сделаны два вывода – электроды стока и истока. Вдоль пластины выполнен электрический переход (р-п–переход или барьер Шотки), от которого сделан третий вывод – затвор. Внешние напряжения прикладывают так, что между электродами стока и истока протекает электрический ток, а напряжение, приложенное к затвору, смещает электрический переход в обратном направлении. Сопротивление области, расположенной под электрическим переходом, которая носит название канала, зависит от напряжения на затворе. Это обусловлено тем, что размеры перехода увеличиваются с повышением приложенного к нему обратного напряжения, а увеличение области, обедненной носителями заряда, приводит к повышению электрического сопротивления канала.



Рис. 10.3 Упрощенная структура полевого транзистора с управляющим р-п–переходом (а); условные обозначения транзистора, имеющего канал п–типа (б) и р–типа (в); типовые структуры (г, д); структура транзистора с повышенным быстродействием (е)


Таким образом, работа полевого транзистора с управляющим
р-п–переходом основана на изменении сопротивления канала за счет изменения размеров области, обедненной основными носителями заряда, которое происходит под действием приложенного к затвору обратного напряжения.

Электрод, от которого начинают движение основные носители заряда в канале, называют истоком, а электрод, к которому движутся основные носители заряда, называют стоком. Упрощенная структура полевого транзистора с управляющим р-п–переходом приведена на рис. 10.3, а. Условные обозначения даны на рис. 10.3, б, в, а структуры выпускаемых промышленностью полевых транзисторов — на рис. 10.3, г – е.

Полупроводниковые микросхемы


Одним из наиболее важных технологических приемов микроэлектроники является интегральная технология, дающая возможность на одной пластине создавать группы схемно соединенных между собой элементов. Используя интегральную технологию, можно изготовлять схемы на высокопроизводительных автоматизированных установках, одновременно выпуская значительное количество идентичных по параметрам функциональных узлов.

Функциональные узлы, выполненные по интегральной технологии, называют интегральными микросхемами (ИС) или просто микросхемами.

Основные преимущества интегральных микросхем по сравнению с аналогичными схемами на дискретных компонентах — малые габариты, малая масса и повышенная механическая прочность. При их производстве требуются меньшие затраты за счет применения высокопроизводительного автоматизированного оборудования, возможно существенное сокращение ручного труда и получение лучших характеристик схем благодаря идентичности параметров компонентов. Повышается надежность за счет уменьшения количества сварных соединений, автоматизации технологических операций и снижения вероятности выхода из строя отдельных элементов, изготовленных в едином технологическом цикле. При эксплуатации таких приборов без существенных затрат может быть введено резервирование, что повышает надежность их работ.

Принципиальные схемы ИС значительно сложнее своих аналогов, выполненных на дискретных компонентах.

Терминология в микроэлектронике упорядочена ГОСТами и стандартами СЭВ (СТ СЭВ 1623—79, ГОСТ 17021—75). В соответствии с этим применяются следующие термины.

Интегральная микросхема – микроэлектронное изделие, выполняющее определенные функции преобразования, имеющая высокую плотность упаковки электрически соединенных между собой элементов и компонентов и представляющая единое целое с точки зрения требований к испытаниям, приемке и эксплуатации.

Элемент – часть ИС, в которой реализуется функция какого-либо радиоэлемента (транзистора, диода, резистора, конденсатора и т.д.) и которую нельзя отделить от кристалла и рассматривать как самостоятельное изделие с точки зрения измерения параметров, упаковки и эксплуатации.

Компонент – часть ИС, с помощью которой можно реализовать функцию какого-либо радиоэлемента. Однако с точки зрения измерения параметров, эксплуатации и упаковки это самостоятельное изделие, которое может быть отделено от изготовленной ИС и заменено на другое, например бескорпусный транзистор, навесной конденсатор в гибридной ИС и т.д.

При разработке технической документации в ИС используются термины «корпус», «подложка», «плата», «полупроводниковая пластина», «кристалл», «контактная площадка» и др.

Корпус – часть конструкции ИС, которая защищает кристалл от внешних воздействий. Типы и размеры корпусов, а также число вводов и их расположение стандартизованы. На корпусе имеется «ключ» или корпус выполняется несимметричной формы, что эквивалентно ключу, который необходим для правильного нахождения выводов микросхемы.

Подложка ИС – заготовка, предназначенная для изготовления на ней элементов гибридных и пленочных ИС, межэлементных и межкомпонентных соединений, контактных площадок.

Плата ИС – часть подложки (или вся подложка), на поверхности которой выполнены пленочные элементы, контактные площадки и линии соединений элементов и компонентов.

Полупроводниковая пластина – заготовка, используемая для создания ИС (иногда пластина с выполненными на ней элементами).

Кристалл ИС – часть пластины, полученная после ее резки, когда на одной пластине выполнено несколько функциональных устройств.

Контактные площадки – металлизированные участки на кристалле, предназначенные для присоединения к выводам корпуса ИС.

Бескорпусная микросхема – ИС, содержащая кристалл и выводы (применяется для создания микросборок).

Степень сложности ИС характеризуется степенью интеграции:

K = lg N,

где N—число элементов и компонентов, входящих в ИС.

Коэффициент К обычно округляют до ближайшего целого большего значения. В соответствии с этой формулой ИС первой степени интеграции содержат до 10 элементов и компонентов, второй от 11 до 100, третьей от 101 до 1000, четвертой – от 1001 до 10000; пятой – 10001 до 100000, шестойот 100001 до 106 и т.д.

Распространены следующие качественные оценки степени сложности ИС:

  • малая (МИС),

  • средняя (СИС),

  • большая (БИС),

  • сверхбольшая (СБИС).

Ориентировочное соответствие качественных наименований и количественных показателей приведено в табл. 10.1.

Особо быстродействующие ИС называют сверхскоростными интегральными микросхемами (ССИС). Под ССИС обычно понимают ИС, скорость установления которых для цифровых сигналов менее 2,5 не, или ИС, имеющие границу рабочего диапазона не менее 300 МГц.

Интегральные микросхемы по конструктивно-технологическим признакам подразделяют на монолитные, пленочные, гибридные, совмещенные ИС.

В полупроводниковых монолитных ИС все элементы схемы (диоды, транзисторы, резисторы и т.д.) выполнены на основе одного кристалла полупроводникового материала, так называемой активной подложки (обычно монокристалл кремния).

Таблица 10.1

Ориентировочное соответствие качественных наименований и количественных показателей

Наименование: ИС

Вид ИС

Технология изготовления ИС

Количество элементов и компонентов

МИС

Цифровая

Биполярная

1 – 100

Униполярная




Аналоговая

Биполярная

1 – 30

СИС

Цифровая

Униполярная

101 – 1000

Биполярная

101 – 500

Аналоговая

Биполярная




Униполярная

31 – 100

БИС

Цифровая

»

1001 – 10000

Биполярная

501 – 2000

Аналоговая

»

101 – 300

Униполярная

101 – 300

СБИС

Цифровая

»

Более 10000

Биполярная

» 2000

Аналоговая

»

» 300

Униполярная

» 300


В пленочных ИС все элементы представляют собой пленки, нанесенные на диэлектрическое основание (пассивную подложку). Различают тонкопленочные и толстопленочные ИС.

В гибридных ИС пассивные элементы выполнены в виде пленок, нанесенных на диэлектрическую подложку, а активные элементы (диоды, транзисторы и т.д.) являются навесными. Обычно это малогабаритные дискретные элементы или бескорпусные монолитные полупроводниковые ИС, соединенные с соответствующими выводами на подложке с помощью жестких проводников.

Совмещенные ИС изготовляют на основе технологии полупроводниковых и пленочных микросхем, т.е. транзисторы и диоды выполняют так же, как и в полупроводниковых ИС, а пассивные элементы и межсоединения наносят в виде пленок на ту же подложку. Подложка для обеспечения электрической изоляции перед этим окисляется.

ИС обычно является законченным электронным узлом определенного функционального назначения, соответствующие активные и пассивные элементы и компоненты которого выполнены групповым методом с использованием определенных технологических приемов.

Рассмотрим некоторые особенности пассивных и активных элементов, обусловленные технологией изготовления.

Пассивные компоненты ИС. К пассивным компонентам ИС относятся резисторы, конденсаторы, индуктивности и внутрисхемные соединения.

Резисторы в тонкопленочных ИС представляют собой или полоску, или пленку определенной конфигурации, нанесенную между двумя контактами на непроводящем основании (подложке). На рис. 10.4, а, б показаны две основные конфигурации пленочных резисторов.




Рис. 10.4 Конструкция пленочных резисторов (а, б);

структура диффузионного резистора (в);

эквивалентная схема диффузионного резистора (г):

1 – пленка резистора; 2 – эпитаксиальная пленка; 3 – подложка


Изменение сопротивления резистора осуществляется как за счет изменения геометрических размеров пленки (ширины, длины и толщины), так и за счет изменения ее материала. Металлопленочные резисторы изготовляют путем осаждения из паров нихрома, тантала, нитрида тантала или смеси металлов с диэлектриком, которые называются керметами. Их применение обеспечивает высокое удельное сопротивление. Керметы получают из хрома и монооксида кремния путем одновременного осаждения их из паров на подложку.

Свойства элементов тонкопленочных ИС во многом зависят от качества подложки, выполненной из стекла, керамики или пластмассы. К микронеровностям поверхности подложки предъявляют жесткие требования. Их размер колеблется от 0,5 до 1,5 мкм.

В монолитных ИС роль резистора выполняет объемное сопротивление участка монокристалла полупроводника, в объеме которого изготовляют монолитную ИС. Кристалл в этом случае является подложкой.

Для получения требуемого номинала резистора размеры соответствующего участка и также проводимость его должны иметь строго определенные значения. Чаще всего резисторы получают путем локальной диффузии примесей через маску, ограничивающую зону резистора. При этом процессе на подложке одновременно создаются базовые или эмиттерные области соответствующих транзисторов. Резисторы, полученные с помощью диффузионной технологии, называют диффузионными. Как правило, они формируются во время процесса базовой диффузии, т.е. одновременно с образованием базовых слоев всех транзисторов. Следует отметить, что при изготовлении ИС на каждой стадии обычно производят двухэтапную диффузию одного типа примесей (донорной или акцепторной).

В процессе такой диффузии на поверхности полупроводника образуется слой оксида, который при следующей диффузии (процесс получения эмиттеров у транзисторов ИС) защищает образовавшийся ранее диффузионный резистор от проникновения в него примесей, создающих другой тип электропроводности. Затем с помощью фотошаблона с использованием метода фотолитографии травлением производят удаление оксида с участков, где предусмотрен контакт. В образовавшиеся окна в вакууме напыляют алюминий, образующий контакты резистора (В). Структура подобного диффузионного резистора представлена на рис. 10.4, в.

Эквивалентная схема диффузионного резистора (рис. 10.4, г) достаточно сложная. В нее входят транзистор, коллекторный переход которого образован эпитаксиальной пленкой и подложкой, а эмиттерный переход образован слоем резистора и эпитаксиальной пленки. Сопротивление контактов и подводящих электродов показано на эквивалентной схеме в виде резистора R1 = 10 Ом. На подложку, являющуюся коллектором транзистора, обычно подается самый низкий потенциал. Эмиттерный переход в нормально работающей схеме закрыт. Если же по какой-либо причине в цепи базы появится ток, например из-за утечки, то в соответствии с принципом действия транзистора в цепи
резистор - подложка начнет протекать ток, в h21э раз больший тока базы. Поэтому при проектировании схемы необходимо, чтобы слой п находился под самым высоким положительным потенциалом.

Сопротивления диффузионных резисторов не превышают 30 кОм. Погрешность их выполнения 10—20%. Значения барьерных емкостей С1 и С2 невелики, и их влияние сказывается лишь на достаточно высоких частотах.

Конденсаторы. В ИС используются конденсаторы двух типов: тонкопленочные и конденсаторы, основанные на использовании барьерной емкости р-п–перехода.

Тонкопленочные конденсаторы (рис. 10.5, а), представляют собой трехслойную структуру металл – диэлектрик – металл.

В качестве диэлектрика обычно используют оксид тантала Та2О5, сульфид цинка ZnS, оксид алюминия А12О3 и монооксид кремния SiO или германия GeO и др.

Тонкопленочные конденсаторы неполярны, имеют удовлетворительную добротность. Для увеличения емкости их в отдельных случаях выполняют многослойными. Однако при изготовлении приходится сталкиваться с трудностями получения бездефектных диэлектрических пленок малой толщины (порядка 0,05 мкм). Поэтому достаточно сложно выполнить по этой технологии конденсаторы с большой емкостью.



Рис. 10.5 Структура тонкопленочного конденсатора (а);

структура конденсатора, у которого роль обкладки выполняет кремниевая подложка (б), и его эквивалентная схема (в):

1 – диэлектрик; 2 – обкладки конденсатора; 3 – подложка; 4 – эпитаксиальный слой; А, В— выводы


В ряде случаев одной из обкладок конденсатора является кремниевая подложка (в случае монолитных ИС), на которой методом окисления получен слой диэлектрика SiO2. На диэлектриках, в свою очередь, напылена вторая обкладка. Структура и эквивалентная схема такого конденсатора показаны на рис. 10.5, б, в. Как видно из эквивалентной схемы, кроме емкости С имеется ряд дополнительных элементов: сопротивление R1 характеризующее неидеальность диэлектрика и наличие объемного сопротивления у слоя р; емкость С1 между слоем р и эпитаксиальным слоем; диод VD, который при неправильно выбранном потенциале между соответствующими электродами может открыться.

Конденсаторы полупроводниковых ИС могут выполняться в виде запертого р-п–перехода. Технология их изготовления аналогична технологии изготовления резисторов. Их также создают одновременно с формированием соответствующих областей транзисторов. Поэтому удельная емкость и все свойства конденсаторов определяются требованиями, которые необходимо выполнить для получения у транзисторов оптимальных характеристик. Структура конденсатора монолитных ИС и его эквивалентная схема показаны на рис. 10.5, а, б.

Эквивалентная схема кроме полезной емкости С, образованной р-п–переходом VD1, содержит паразитные элементы: р-п–переход VD2, образовавшийся между эпитаксиальным слоем и подложкой, создающей емкость С1; сопротивление R≈10  60 Ом, обусловленное наличием объемного сопротивления у слоя р. Такой конденсатор является полярным, его емкость изменяется в зависимости от значения приложенного напряжения. Кроме того, наличие паразитной емкости создает паразитную связь конденсатора с подложкой. Другие элементы ИС также имеют емкостную связь с подложкой.

Рассмотренные способы не позволяют изготовлять емкости, удельное значение которых более 1600 пФ/мм2, поэтому ИС проектируют так, чтобы в них по возможности отсутствовали конденсаторы.

Индуктивности. При создании ИС наибольшую трудность представляет изготовление катушек индуктивности. В настоящее время для этого используют только тонкопленочную технологию, согласно которой индуктивные катушки получают осаждением на подложку материала, имеющего малое удельное сопротивление. Их обычно выполняют в виде спирали с малым шагом
(рис. 10.6, в). Тонкопленочные индуктивные катушки имеют размеры, значительно большие размеров других компонентов ИС. Номинальные значения их индуктивности не превышают 10 мкГн.




Рис. 10.6 Структура конденсатора монолитных ИС (а); его эквивалентная схема (б); пленочная индуктивная катушка (в); структура полевого транзистора, выполненного по технологии КНС (г):

1 – эпитаксиальный слой; 2 – подложка; 3 – тонкая пленка; А, В – выводы


Для изготовления трансформаторных элементов нет разработанной технологии, поэтому в ИС, где необходимо использовать катушки с большими индуктивностями или трансформаторы, эти элементы делают навесными. Некоторые возможности по созданию эквивалентов индуктивных катушек имеются при использовании пьезокерамических кристаллов.

Трудности, возникающие при изготовлении индуктивных катушек, заставляют при разработке ИС почти полностью отказаться от их использования.

Внутрисхемные соединения. Отдельные элементы внутри интегрального узла обычно соединяют с помощью напыленного в вакууме тонкого слоя алюминия. Получающиеся при этом соединения имеют относительно большие значения сопротивления (до нескольких Ом). Кроме того, они имеют распределенную емкость относительно подложки ИС, что необходимо учитывать при их проектировании.

Транзисторы ИС. Полевые и биполярные транзисторы, применяемые в интегральных микросхемах, изготовляют по технологии монолитных ИС. Иногда используют отдельные дискретные миниатюрные бескорпусные транзисторы, поскольку тонкопленочная технология пока не всегда позволяет получать биполярные транзисторы удовлетворительного качества.

Технологию, по которой изготовляют тонкопленочные полевые транзисторы, условно называют «кремний на сапфире» (КНС). При этом в качестве подложки используют синтетический сапфир, на котором с помощью эпитаксиального наращивания выращивают пленку кремния толщиной 1 мкм и более, на которой выполняют транзистор (рис. 10.6, г). Ввиду хороших диэлектрических свойств сапфира емкости между областями стока, истока и -подложкой практически отсутствуют, что приводит к существенному увеличению быстродействия компонентов. Полевые транзисторы, выполненные с применением технологии КНС, работают до частоты 250 МГц и выше. Так как сапфировая подложка не меняет своих параметров при радиационном облучении средней мощности, компоненты, изготовленные по этой технологии, имеют высокую радиационную стойкость.

Биполярные транзисторы монолитных ИС по сравнению с дискретными транзисторами имеют более высокое сопротивление коллектора из-за необходимости выводить контакт наверх и добавления сопротивления (кристалла) между коллекторным контактом и переходом. Для уменьшения этого сопротивления под коллекторным переходом иногда создают сильно легированный скрытый слой с большой удельной проводимостью.

Технология изготовления монолитных ИС сводится к следующему. В пластинку кремния (подложку), имеющую электропроводность р-типа, проводят локальную диффузию мышьяка для формирования скрытого слоя п+. Затем на нее наращивают эпитаксиальный слой п. Полученную поверхность окисляют. В результате получается диэлектрический слой оксида SiO2, который называют маскирующим. Маскирующие свойства его основаны на том, что скорость диффузии примесей, используемых для получения областей транзистора, в нем значительно меньше, чем в кремнии. Поэтому в процессе диффузии последняя происходит только на участках, свободных от SiO2.

Используя фотошаблон базового слоя и процесс фотолитографии, в маскирующем слое травлением вскрывают окно под базу транзистора. Далее проводится двухэтапная диффузия атомов бора. В результате в эпитаксиальном слое появляется зона с электропроводностью р-типа. Вследствие особенностей процесса двухэтапной диффузии примесей бора вся поверхность вновь покрыта оксидом. Затем с помощью фотошаблона и фотолитографии вскрывают окна под эмиттер транзистора и под контакт к коллектору. В эти окна проводят двухэтапную диффузию примесей фосфора. В результате образуются область эмиттера и низкоомная область для подключения коллекторного контакта. После диффузии вся поверхность пластины покрыта оксидом. В этом оксиде тем же методом вскрываются окна под выводы контактов эмиттера, коллектора и базы. Затем в вакууме напыляют слой алюминия и, используя фотолитографию, получают рисунок соединений с другими элементами ИС.

Перечисленные процессы являются групповыми и проводятся одновременно для пластины, на которой располагаются десятки – сотни микросхем, имеющих значительное количество транзисторов.

Полевые транзисторы с управляющим р-п–переходом и МОП-транзисторы изготовляют по технологии монолитных ИС или по КНС-технологии. Особенности технологии изготовления полевого транзистора определяются в основном видом и концентрацией вводимых примесей.

Различают р-МОП–, п–МОП– и k–МОП–технологии. Компоненты, выполненные по р-МОП-технологии (с каналом типа р), имеют малое быстродействие, большое пороговое напряжение, дешевы, просты в изготовлении, имеют большой выход годных изделий.

Технология п–МОП более сложна, позволяет изготовлять транзисторы с меньшим пороговым напряжением, каналом типа п, большими быстродействием и плотностью элементов.

В технологии комплементарных приборов k–МОП используются комбинации процессов, используемых в п-МОП- и р-МОП-технологиях. Поэтому производство более дорогостоящее, а плотность элементов на кристалле малая. Однако при небольших напряжениях быстродействие приборов, выполненных по этой технологии выше, чем у приборов, выполненных по п–МОП-технологии. Кроме того, такие ИС потребляют очень малую мощность и могут работать при значительных изменениях напряжения питания.

МОП-транзисторы ИС выполняются или с технологически встроенным, или с индуцированным каналом. При изготовлении МОП-транзисторов количество ответственных операций, влияющих на процесс выхода годных микросхем, значительно меньше, чем при изготовлении биполярных транзисторов. Роль диэлектрика между затвором и каналом выполняет диоксид кремния SiO2, что хорошо согласуется с основными технологическими процессами. В отличие от своего дискретного аналога полевые транзисторы с управляющим р-п-переходом значительно реже применяют в ИС, чем МОП-транзисторы.

Диоды, используемые в ИС, выполняют либо по технологии монолитных интегральных микросхем, либо применяют дискретные навесные. Для упрощения технологического процесса в монолитных ИС в качестве диодов используют транзисторы, выводы которых на стадии формирования контактов соединяют между собой.

Изоляция компонентов в монолитных интегральных узлах. Так как монолитные ИС изготовляют на полупроводниковой подложке, то необходима изоляция отдельных элементов и компонентов. Наиболее распространены два метода изоляции: с помощью дополнительных р-п–переходов, смещенных в обратном направлении; с помощью диэлектрика, которым служит слой SiO2.

При методе изоляции с помощью дополнительных р-п–переходов на каждый элемент требуется дополнительный р-п–переход. В этом случае разделение элементов осуществляют операцией выращивания и окисления эпитаксиального слоя.. На подложке с эпитаксиальным слоем, покрытой оксидом, с помощью фотолитографии вскрывают окна под изолирующий контур и проводят двойную диффузию примесей бора на глубину, обеспечивающую смыкание диффузионных р-областей с подложкой р-типа (рис. 10.7, а). В итоге таких операций (которые называют разделительной диффузией) образуются островки эпитаксиального слоя с электропроводностью п–типа. На этих островках и формируют в дальнейшем отдельные элементы и компоненты.




Рис. 10.7 Структура подложки, на которой компоненты изолированы

с помощью р-п–перехода (а) и с помощью диэлектрика (б):

1 – эпитаксиальная пленка; 2 – подложка


Переходы р-п, полученные таким образом, заперты за счет обратного напряжения, приложенного к ним, и компоненты практически изолированы друг от друга. Недостаток подобной изоляции – значительная паразитная емкость у запертого р-п–перехода; пробивное напряжение порядка 20—60 В. Токи утечки, вызванные обратным током запертого р-п–перехода, зависят от температуры подложки и отдельных компонентов ИС.

Лучшие результаты могут быть получены при изоляции компонентов с помощью пленки SiO2. При этом пробивное напряжение увеличивается, а токи утечки и емкость уменьшаются. Технология выполнения подобной изоляции сводится к следующему. На подложке с помощью фотолитографии и травления выполняют углубления. Затем поверхность окисляют, получая слой диэлектрика SiO2, и наращивают на нем эпитаксиальную пленку электропроводности п–типа. После этого пластину шлифуют до слоя SiO2. При этом эпитаксиальные островки останутся только в лунках, образовавшихся при травлении. Получают изолированные карманы с электропроводностью п–типа (рис. 10.7, б), в которых формируют соответствующие компоненты.

При изготовлении большинства типов интегральных монолитных ИС используют планарно-эпитаксиальную технологию, которая сводится к такой последовательности операций:

1) на подложке кремния с электропроводностью р-типа выращивают эпитаксиальную пленку с электропроводностью п–типа, которая является коллекторной областью транзисторов, частью резисторов, диодов и конденсаторов;

2) затем поверхность окисляют до получения пленки толщиной
0,3 – 0,7 мкм;

3) на окисленную поверхность с помощью фотолитографии наносят требуемый рисунок и производят селективное травление окисла для вскрытия окон.

4) после этого проводят разделительную диффузию примесей бора;

5) наносят рисунок баз транзисторов, резисторов, конденсаторов, элементов диодов и производят селективное травление окисла;

6) проводят диффузию примесей бора, при которой образуются области без транзисторов, резисторов, конденсаторов и т.д.;

7) наносят рисунки эмиттеров транзисторов, элементов диодов, конденсаторов и производят селективное травление оксида;

8) проводят диффузию примесей;

9) наносят рисунки выводов и производят селективное травление;

10) производят вакуумное напыление пленки алюминия;

11) производят селективное травление алюминия по требуемому рисунку соединений;

12) выполняют разрезку пластины на отдельные интегральные схемы, размеры которых зависят от их сложности (порядка 0,5×0,5 – 2,5×2,5 мм).

Технология изготовления ИС непрерывно совершенствуется. Так, при изготовлении аналоговых ИС широко применяется ионная имплантация, обеспечивающая хорошее дозирование и введение примесей на заданную глубину. Развивается технология ИС, выполняемых на основе арсенида галлия, у которого подвижность носителей заряда в пять раз больше, чем у кремния, что будет способствовать созданию ИС большого быстродействия. Проводятся работы по использованию в качестве подложек нитридов и карбидов, которые позволяют повысить рабочую температуру ИС.

  1   2   3   4   5



Схожі:

Технология полупроводниковых приборов 10 Основные свойства полупроводников к полупроводниковым iconДокументи
1. /КОГНИТИВНАЯ ПЕДАГОГИЧЕСКАЯ ТЕХНОЛОГИЯ ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И СТРУКТУРА.doc
2.
Технология полупроводниковых приборов 10 Основные свойства полупроводников к полупроводниковым iconЭкзаменационные вопросы по предмету «строительное материаловедение»
Основные физические свойства материалов (плотность, пористость, водопоглащение, водостойкость, водопроницаемость, гигроскопичность,...
Технология полупроводниковых приборов 10 Основные свойства полупроводников к полупроводниковым iconУрок №29. Почвы и земельные ресурсы
Основные знания: основные генетические типы почв Украины, закономерности их распространения; основные мероприятия по рациональному...
Технология полупроводниковых приборов 10 Основные свойства полупроводников к полупроводниковым iconПоиск в глубину на графе
Представлена реализация поиска в глубину на несвязном (ориентированном) графе. Описана техника раскраски вершин и расстановки меток....
Технология полупроводниковых приборов 10 Основные свойства полупроводников к полупроводниковым iconСвойства сплава denertia. Стоматологический сплав denertia получают сплавлением в вакуумных индукционных печах химически чистых металлов. Сплав сертифицирован международным центром сертификатов Lloyd's
Свойства сплава позволяют применять любые керамические и полимерные массы из используемых в стоматологической практике
Технология полупроводниковых приборов 10 Основные свойства полупроводников к полупроводниковым iconТехнологии личностноориентированного образования
Технология педагогических мастерских: причины создания, сущность технологии, этапы работы педагогической мастерской. Технология модульного...
Технология полупроводниковых приборов 10 Основные свойства полупроводников к полупроводниковым iconТехнологии личностно-ориентированного образования
Технология педагогических мастерских: причины создания, сущность технологии, этапы работы педагогической мастерской. Технология модульного...
Технология полупроводниковых приборов 10 Основные свойства полупроводников к полупроводниковым iconТема уроков
Цели и задачи уроков: Повторить переместительное и сочетательное свойство сложения натуральных чисел, распространить эти свойства...
Технология полупроводниковых приборов 10 Основные свойства полупроводников к полупроводниковым icon2 Вентильный генератор с полупроводниковым выпрямителем мостового типа
Формула 12 описы­вает внешнюю характе­ристику пв с нулевым выводом. Падение напря­жения тем сильнее, чем больше. Увеличе­ние приводит...
Технология полупроводниковых приборов 10 Основные свойства полупроводников к полупроводниковым iconКосарецкий С. Г. Как преодолеть основные недостатки публичных докладов общеобразовательных учреждений?
Весь комплекс проблем и ошибок, возникающих при подготовке и публикации школьных отчетов, можно условно разделить на три основные...
Додайте кнопку на своєму сайті:
Документи


База даних захищена авторським правом ©te.zavantag.com 2000-2017
При копіюванні матеріалу обов'язкове зазначення активного посилання відкритою для індексації.
звернутися до адміністрації
Документи