Технологии производства изделий микроэлектроники реферат

Обновлено: 07.07.2024

Для учеников 1-11 классов и дошкольников
Бесплатные сертификаты учителям и участникам

Общие сведения о микроэлектронике

Электроника прошла несколько этапов развития, за время которых сменилось несколько поколений элементной базы: дискретная электроника электровакуумных приборов, дискретная электроника полупроводниковых приборов, интегральная электроника микросхем (микроэлектроника), интегральная электроника функциональных микроэлектронных устройств (функциональная микроэлектроника).

Элементная база электроники развивается непрерывно возрастающими темпами. Каждое из приведенных поколений, появившись в определенный момент времени, продолжает совершенствоваться в наиболее оправданных направлениях. Развитие изделий электроники от поколения к поколению идет в направлении их функционального усложнения, повышения надежности и срока службы, уменьшения габаритных размеров, массы, стоимости и потребляемой энергии, упрощения технологии и улучшения параметров электронной аппаратуры.

Современный этап развития электроники характеризуется широким применением интегральных микросхем (ИМС). Это связано со значительным усложнением требований и задач, решаемых электронной аппаратурой, что привело к росту числа элементов в ней. Число элементов постоянно увеличивается. Разрабатываемые сейчас сложные системы содержат десятки миллионов элементов. В этих условиях исключительно важное значение приобретают проблемы повышения надежности аппаратуры и ее элементов, микроминиатюризация электронных компонентов и комплексной миниатюризации аппаратуры. Все эти проблемы успешно решает микроэлектроника.

Становление микроэлектроники как самостоятельной науки стало возможным благодаря использованию богатого опыта и базы промышленности, выпускающей дискретные полупроводниковые приборы. Однако по мере развития полупроводниковой электроники выяснились серьезные ограничения применения электронных явлений и систем на их основе. Поэтому микроэлектроника продолжает продвигаться быстрыми темпами как в направлении совершенствования полупроводниковой интегральной технологии, так и в направлении использования новых физических явлений.

Разработка любых ИМС представляет собой довольно сложный процесс, требующий решения разнообразных научно-технических проблем. Вопросы выбора конкретного технологического воплощения ИМС решаются с учетом особенностей разрабатываемой схемы, возможностей и ограничений, присущих различным способам изготовления, а также технико-экономического обоснования целесообразности массового производства.

Эти вопросы находят решение путем использования двух основных классов микросхем -- полупроводниковых и гибридных. Оба эти класса могут иметь различные варианты структур, каждый из которых с точки зрения проектирования и изготовления обладает определенными преимуществами и недостатками. По своим конструктивным и электрическим характеристикам полупроводниковые и гибридные интегральные схемы дополняют друг друга и могут одновременно применяться в одних и тех же радиоэлектронных комплексах.

При массовом выпуске различных ИМС малой мощности, особенно предназначенных для ЭВМ, используются, в основном, полупроводниковые ИМС. Гибридные микросхемы заняли доминирующее положение в схемах с большими электрическими мощностями, а также в устройствах СВЧ, в которых можно применять как толстопленочную технологию, не требующую жестких допусков и высокой точности нанесения и обработки пленок, так и тонкопленочную технологию для обеспечения нанесения пленочных элементов очень малых размеров.

Изделия микроэлектроники: интегральные микросхемы различной степеней интеграции, микросборки, микропроцессоры, мини- и микро-ЭВМ – позволили осуществить проектирование и промышленное производство функционально сложной радио- и вычислительной аппаратуры, отличающейся от аппаратуры предыдущих поколений лучшими параметрами, более высокими надежностью и сроком службы, меньшими потребляемой энергией и стоимостью. Аппаратура на базе изделий микроэлектроники находит широкое применение во всех сферах деятельности человека. Созданию систем автоматического проектирования, промышленных роботов, автоматизированных и автоматических производственных линий, средств связи и многому другому способствует микроэлектроника. /1/

Цель работы: проектирование топологии гибридной интегральной микросхемы К2ТС241 ( RST -триггер)

1.1 Характеристика схемы

Гибридные интегральные микросхемы (ГИМ) представляют собой микросхемы, которые содержат кроме элементов, неразрывно связанных с подложкой, компоненты, которые могут быть выделены как самостоятельное изделие.

К ГИМ относятся: микросхемы с высокой точностью элементов и возможностью их подстройки, микросхемы значительной мощности, микросхемы частного применения, микросхемы СВЧ - диапазона.

Цифровые функциональные узлы, содержащие элементы памяти (триггеры), получили название последовательных узлов. К ним относят триггеры, счетчики, делители, распределители импульсов. Эти функциональные узлы входят в состав многих серий ИС.

Цифровую микросхему как функциональный узел характеризуют системой сигналов, которые целесообразно разделить на информационные ( X 1. Xm — входные, Y 1. Yn — выходные) и управляющие ( V 1. Vk ). Каждая схема в соответствии со своим функциональным предназначением выполняет определенные операции над входными сигналами (переменными), так что выходные сигналы (переменные) представляют собой результат этих операций Yj = F ( X 1. Xm ). Операторами F могут быть как простейшие логические преобразования, так и сложные многофункциональные преобразования, имеющие, например, место в БИС памяти, микропроцессоре и др.

Сигналы управления определяют вид операции, режим работы схемы, обеспечивают синхронизацию, установку начального состояния, коммутируют входы и выходы, и т.д.

Данная схема представляет собой импульсное устройство — RST - триггер.

От функциональных возможностей триггеров и режимов управления их работой зависят характеристики регистров, счетчиков и других узлов.

Простейшая схема триггера содержит два входа, на которые поступают управляющие сигналы, и два выхода с разным уровнем напряжений на них: низким и высоким.

При изменении комбинации сигналов на входах триггер скачком переходит из одного состояния в другое, когда изменяются уровни его входных напряжений. Если один из уровней входного напряжения триггера принять за логическую единицу, а другой — за логический ноль, то, подавая определенную комбинацию электрических сигналов на входы триггера, его можно использовать для хранения и обработки двоичной информации, деления и счета числа импульсов и т.д.

В настоящее время широкое распространение в импульсной и цифровой технике получили интегральные триггерные устройства, реализованные на основе логических схем И-НЕ и ИЛИ-НЕ.

Асинхронный Т-триггер имеет один информационный вход и переключается фронтом, либо срезом поступающих на его вход импульсов. Его называют счетным, так как число его переключений соответствует числу поступающих на его вход импульсов.

Схема может находиться в двух устойчивых состояниях, каждое из которых определяется комбинацией сигналов на входах триггера. Работа триггера RST -типа отражена в таблице 1. Структурная схема RST -триггера представлена на рисунке 1.

Название работы: Основы микроэлектроники. Технологии изготовления ИС

Предметная область: Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Описание: Основы микроэлектроники Основные понятия микроэлектроники: микроэлектроника интегральная микросхема (ИС) элементы и компоненты интегральных схем монолитные (полупроводниковые, твёрдые), плёночные, гибридные и совмещенные ИС навесные компоненты .

Дата добавления: 2013-03-16

Размер файла: 55.49 KB

Работу скачали: 58 чел.

Основные понятия микроэлектроники: микроэлектроника; интегральная микросхема (ИС); элементы и компоненты интегральных схем; монолитные (полупроводниковые, твёрдые), плёночные, гибридные и совмещённые ИС; навесные компоненты; биполярные ИС и ИС МДП-структуры; степень интеграции; плотность упаковки; аналоговые и цифровые ИС.

Технологии изготовления ИС.

Изоляция элементов в монолитных микросхемах. Изоляция обратносмещённым p-n-переходом.

Элементы интегральных схем. Многоэмиттерный транзистор. Многоколлекторный транзистор. Транзистор с барьером Шоттки. Интегральные диоды. Интегральные стабилитроны. Интегральные конденсаторы и резисторы.

Основные понятия микроэлектроники: микроэлектроника; интегральная микросхема (ИС)

Микроэлектр о ника, область электроники, занимающаяся созданием электронных функциональных узлов, блоков и устройств в микроминиатюрном интегральном исполнении.

Интегр а льная сх е ма, интегральная микросхема, микроминиатюрное электронное устройство, все или часть элементов которого нераздельно связаны конструктивно и соединены между собой электрически. Различают 2 основных типа ИС.: полупроводниковые (ПП) и плёночные.

элементы и компоненты интегральных схем

Основным активным элементом микросхем являются биполярные транзисторы типа n - p - n . Кроме того используются диоды на основе
p - n -переходов и переходов
металл-полупроводник (диоды Шотки), полупроводниковые резисторы,
пленочные резисторы, изготовляемые в поликристаллическом слое кремния.

Основным элементом МДП-микросхем являются МДП-транзисторы с каналом n -типа. Площадь этих транзисторов на кристалле значительно меньше, чем биполярных, поэтому для микросхем на n -канальных
МДП-транзисторах достигается самая высокая степень интеграции.
Но они уступают биполярным структурам по быстродействию из-за наличия относительно большой распределенной емкости.

Гибридная интегральная микросхема содержит пленочные пассивные элементы и навесные активные компоненты.
На диэлектрическую подложку наносятся пленочные резисторы и пленочные конденсаторы. На подложку устанавливаются также бескорпусные биполярные структуры с проволочными выводами.
Выводы соединяются с металлическими слоями других компонент с помощью пайки или компрессионной сварки.

монолитные (полупроводниковые, твёрдые), плёночные, гибридные и совмещённые ИС

Монолитные ИС -чаще всего используются в СВЧ-диапазоне в приложениях, где необходимы небольшие размеры и высокая надежность. Примерами систем на базе МИС могут служить приемники и передатчики систем связи, фазированные антенные решетки (ФАР), датчики, работающие на сверхвысоких частотах и т. п. В последнее время МИС широко используются в сотовой и спутниковой телефонии, устройствах глобального позиционирования GPS. Характерным признаком монолитных ИС является их низкая степень интеграции в сравнении с цифровыми микросхемами. Монолитная ИС обычно представляет собой функционально законченное устройство, не требующее использования каких-либо внешних задающих и подстроечных элементов.

Плёночная интегральная микросхема все элементы и межэлементные соединения выполнены в виде плёнок:

толстоплёночная интегральная схема;

тонкоплёночная интегральная схема.

Плёночные элементы распространены в гибридных интегральных схемах. В этих схемах на подложку сначала наносятся в виде тонких или толстых плёнок пассивные элементы (резисторы, конденсаторы, проводники тока), а затем с помощью микроманипуляторов монтируют активные элементы бескорпусные ПП микроэлементы (транзисторы и диоды).

СОВМЕЩЁННАЯ ИНТЕГРАЛЬНАЯ СХЕМА

интегральная схема, в которой все активные элементы (напр., диоды, транзисторы) выполнены в объёме и на поверхности ПП подложки по пленарной технологии, а пассивные элементы (напр., резисторы, конденсаторы) и межэлементные соединения нанесены в виде плёнок на поверхность сформированной монолитной структуры. По сравнению с полупроводниковыми интегральными схемами С. и. с. ( лучше не сокращай) имеют больший диапазон номин. значений и более высокую стабильность пассивных элементов; однако достоинства С. и. с. достигаются за счёт увеличения числа технологич. операций и нарушения единства технология, цикла. По степени интеграции С. и. с. приближаются к ПП ИС.

В качестве навесных компонентов в ГИС применяют миниатюрные дискретные резисторы, конденсаторы, индуктивные катушки, дроссели, трансформаторы.

Навесные компоненты в ИС применяются в крайних случаях и в основном только потому что нет возможности выполнить их на схеме в микроварианте либо не удается получить требуемые характеристики. Наиболее часто в навесном исполнении выполняются катушки индуктивности .

биполярные ИС и ИС МДП-структуры; степень интеграции; плотность упаковки; аналоговые и цифровые ИС.

В ИМС применяются в основном транзисторы
n - p - n -типа. Их особенность в интегральном исполнении состоит в наличии дополнительных областей, изолирующей их от общей полупроводниковой подложки.
Все выводы от областей транзистора располагаются в одной плоскости на поверхности подложки. Такая структура называется планарной.

В комплементарных МДП-микросхемах применяют МДП транзисторы с индуцированными каналами n - и р- типа. Для этих микросхем характерна очень малая потребляемая мощность от источника питания.

малая интегральная схема (МИС) до 100 элементов в кристалле,

средняя интегральная схема (СИС) до 1000 элементов в кристалле,

большая интегральная схема (БИС) до 10000 элементов в кристалле,

сверхбольшая интегральная схема (СБИС) до 1 миллиона элементов в кристалле,

ультрабольшая интегральная схема (УБИС) до 1 миллиарда элементов в кристалле,

гигабольшая интегральная схема (ГБИС) более 1 миллиарда элементов в кристалле.

Типичная современная интегральная микросхема может содержать сотни транзисторов, резисторов, диодов и конденсаторов. Благодаря такой высокой плотности становится возможным строить целые схемы, используя всего пару-тройку корпусов. ИС являются "кирпичиками", из которых строятся более сложные схемы. Вы просто связываете отдельные микросхемы и в результате получаете практически любое готовое электронное устройство.

Классификация изделий микроэлектроники приведена в [2, с.27-32].

Основным видом изделий микроэлектроники являются ИМС, которые могут быть квалифицированы по технологии изготовления, степени интеграции, функциональному назначению и по применяемости в аппаратуре. Подробно см. [2, с. 23-38].

Базовые технологические процессы изготовления полупроводниковых ИМС (эпитаксия, термическое окисление, диффузия, ионное легирование, фотолитография, металлизация) достаточно полно и компактно описаны в [2, с. 55-78]. Усвойте назначение каждого из базовых процессов, а также умейте без излишней детализации объяснить их сущность.

Основу биполярных полупроводниковых ИМС составляют n-p-n транзисторы. Отличия параметров и характеристик интегрального n-p-n транзистора от дискретного определяются расположением всех трех выводов на одной поверхности, а также влиянием подложки. Обратите внимание на способы улучшения параметров интегрального n-p-n транзистора, в частности, введение скрытого n-слоя.

Диоды полупроводниковых ИМС реализуются на основе n-p-n транзисторов, причем их параметры зависят от схемы включения транзистора в качестве диода.

Весьма важно для понимания принципов построения современных полупроводниковых цифровых ИМС разобраться с устройством и особенностями активных структур, не имеющих дискретных аналогов: многоэмиттерных и многоколлекторных транзисторов, транзисторов с барьером Шотки.

Обратите внимание на проблему реализации p-n-p транзисторов на одной подложке с основными n-p-n транзисторами, поймите отличия горизонтального и вертикального p-n-p транзисторов. Такие элементы наряду с супербета-транзисторами широко используются в полупроводниковых ИМС. Все перечисленные элементы ИМС подробно описаны в [2, с. 89-103].

Параметры и характеристики пассивных элементов полупроводниковых ИМС (диффузионных и ионно-легированных резисторов, диффузионных и МДП конденсаторов) существенно отличаются от соответствующих параметров и характеристик дискретных резисторов и конденсаторов.

Необходимо знать порядок температурных коэффициентов сопротивлений и емкостей пассивных элементов полупроводниковых ИМС, их основные отличия от дискретных пассивных компонентов и уметь изобразить простейшие модели (эквивалентные схемы), учитывающие паразитные эффекты. Особое внимание уделите МДП конденсаторам, широко используемым в самых новейших разработках дискретно-аналоговых МДП БИС. Следует также понимать, что, несмотря на большой разброс номиналов полупроводниковых резисторов и конденсаторов, отношения номиналов в пределах кристалла выдерживаются с достаточно высокой точностью (0,5. 3%). Пассивные компоненты полупроводниковых ИМС подробно описаны в [2, с.116-127]. При изучении элементов полупроводниковых ИМС усвойте способы изоляции между ними и их особенности.

Способ изоляции элементов в полупроводниковых ИМС, выполненных на основе биполярных структур, во многом определяет как предельно достижимые параметры и характеристики ИМС, так и последовательность технологических операций при их изготовлении. Следует понимать, что в полупроводниковых ИМС на МДП структурах изоляция между элементами не требуется.

Известные способы изоляции между элементами разделяются на два главных типа: изоляция обратно смещенным p-n переходом и изоляция диэлектриком.

Гибридные интегральные микросхемы (микросборки) представляют собой комбинацию пленочных пассивных элементов и дискретных активных компонентов, расположенных на общей диэлектрической подложке. В настоящее время в качестве дискретных активных элементов, кроме бескорпусных транзисторов и диодов, широко используют полупроводниковые ИМС различной степени интеграции, в частности, операционные усилители, триггеры, регистры и т.д. Таким образом, гибридные ИМС представляют собой не только функциональные узлы (усилители, звенья фильтров и т.д.), но и целые блоки устройства РЭА. Аналогом гибридной ИМС в МЭА третьего поколения является печатная плата, заполненная компонентами в виде корпусированных ИМС.

Использование гибридных ИМС в РЭА четвертого поколения позволяет резко уменьшить массогабаритные параметры и повысить надежность.

При изучении гибридных ИМС обратите внимание на особенности толстопленочных и тонкопленочных ИМС, а также параметры и характеристики их пассивных элементов (резисторов, конденсаторов, индуктивностей). Этот материал достаточно подробно изложен в [2, с. 115-202]. Методы получения толстых и тонких пленок приведены в [2, с. 195-172].

Особое внимание уделите изучению вопросов расчета и проектирования гибридных ИMС, необходимых для успешного выполнения третьей задачи контрольной работы [2, с. 203-216].

Многие наверняка не раз задавались вопросом, почему процессоры, видеокарты и материнские платы которые мы покупаем в магазинах — разработаны и сделаны где угодно, только не в России? Почему так получается, неужели мы только нефть качать можем?

Ответы на эти и многие другие вопросы под катом.

Основные характеристики степперов/сканеров — длина волны света, на которой они работают (на ртутных лампах i-line — 365nm, затем на эксимерных лазерах — 248nm и 193nm), и численная апертура объектива. Чем короче длина волны, и чем больше апертура — тем меньшие детали могут быть нарисованы объективом в соответствии с дифракционным пределом:

Другие параметры степперов/сканеров — производительность (сколько пластин в час они могут обработать, до 220 пластин), и ошибка совмещения (на сколько нанометров в штуках промахивается позиционирование пластины относительно заданной позиции. На современных сканерах — до 3-5нм).

Степперы/сканеры печатают уменьшенное в 4–5 раз изображение вот такой маски (стеклянной пластинки с рисунком микросхемы, размер примерно 15x15см) в точно заданных местах.

Операцию печати рисунка (с разными масками) нужно повторить от ~10 (для самых простых и старых микросхем) до ~40 раз чтобы сформировать все нужные слои на микросхеме (начиная от самих транзисторов, и заканчивая 2–10 слоями металлических соединений). Между операциями фотолитографии пластины подвергаются различной обработке — их греют в печке до 1100 градусов, травят в растворах и плазме. На выходе остаётся пластину разрезать на отдельные кристаллы, протестировать и поместить в корпус.

Сейчас начинается медленный и мучительный переход на EUV-литографию, с длиной волны 13.5nm и зеркальной оптикой. EUV сканеры пока дороже и медленнее обычных 193нм, и только-только начинают превосходить их по достижимому разрешению.

Цифры — грубые оценки, точных нигде не скажут без NDA.

Лицензия софта на одно рабочее место разработчика микросхем — от 20'000 до 100'000$ в год и выше. Можно конечно и воровать, но за этим все вокруг следят.

Далее — изготовление масок. Они не должны иметь ни одного повреждения, и их изготовление обходится очень дорого: от ~7'000$ за комплект для микросхем на 1000нм, ~100'000$ для микросхем на 180нм и до ~5'000'000$ для микросхем на 32нм. А ведь микросхема с первого раза скорее всего не заработает — и после нахождения ошибки маски придётся переделывать. Частично с этой проблемой можно бороться размещая тестовые микросхемы от многих заказчиков на одном наборе масок — тогда все получат по чуть–чуть тестовых микросхем за 1/3–1/10 цены полного набора масок (это называют Shuttle или MPW — multi project wafer).

Каждая произведённая пластина стоит от 100–400$ для старых технологий на 1000нм, ~1000$ на 180нм и до ~5000$ для самых современных (помимо нанометров тут оказывает влияние и сложность технологии — простая логика дешевле, флеш память дороже, но не в разы). Тут также важно помнить и о размере пластин: самые современные производства сейчас работают с пластинами диаметром 300мм — они по площади примерно вдвое больше пластин на 200мм (которые сейчас используются в России на Микроне, Интеграле и в туманном будущем на Ангстрем-Т), а последние примерно вдвое больше ещё более старых 150мм. Пластины бОльшего размера позволяют получать микросхемы меньшей стоимости при большИх заказах т.к. количество телодвижений для изготовления 100 пластин примерно одинаковое, независимо от диаметра (это одна из причин планируемого перехода передовых производств на пластины диаметром 450мм в 2018 году по оптимистичным оценкам).

Допустим мы хотим разработать x86-совместимый процессор (или любую другую относительно сложную микросхему), по более-менее современной коммерчески доступной технологии 28/32нм (22нм хоть и существует, но коммерческие заказы пока не разместить — так что доступ к технологиям иногда как любовь: за деньги не продается). Вопрос со стоимостью патентов опустим, это вообще очень печальная тема. Предположим, для разработки нужно 200 мифических человеко-лет (это если мы делаем скромный процессор, не претендующий на первое место).

Лицензии на софт — 50k$*100 = 5 млн$ (грубая оценка, не всем нужны лицензии).
Зарплата разработчиков — допустим 3k$*1,5(налоги)*12*200 = 10.8 млн$
Тестовые запуски в MPW — 2*1.5 млн$
Изготовление масок для серийного производства 2*5млн$ = 10 млн$ (2 — потому что как ни старайся — с первого раза не выйдет)

Это было то, что называется Non-recurring engineering (NRE) — единоразовые затраты, которые не зависят от объема производства, и успеха всего мероприятия.

Если процессор у нас получился площадью 200мм2, пластины по технологии 32нм диаметром 300мм стоят 5000$, то с пластины у нас получится 70690/200 = 350 кристаллов (оценка сверху), из которых работать допустим будет 300. Т.е. себестоимость кристалла — 16.6$, 20$ после корпусировки. За сколько теперь такой процессор можно будет продавать? 50$? 100$? Отнимем налоги и наценку магазинов…

И вот теперь вопрос — сколько же нужно продать таких процессоров, чтобы окупить наши NRE, проценты по кредитам, налоги и проч? Миллион? 5 миллионов? А главный вопрос — есть ли какие-то гарантии, что эти 5 миллионов процессоров удастся продать, учитывая что конкурентам ничего не стоит произвести на 5 миллионов больше их уже готового продукта?

Вот такой вот адский бизнес получается — огромные капитальные расходы, огромные риски и умеренная прибыль в лучшем случае.

Китай — решил проблему по своему, они решили во все школы поставить компьютеры со своими процессорами и Linux — и проблема с объёмами производства решена ((1) (2)).

Таким образом, главный вопрос при создании микросхем — это не как и где произвести, а как разработать и кому потом продать миллионы штук получившейся продукции?

Это похоже поняли и в России — и проекты больших микроэлектронных заводов пока отложили, и строят маленькие производства — чтобы если и терять деньги, то терять их мало. А даже 3000 пластин в месяц, производимых на Микроне — это с головой покрывает объёмы потребления билетов Метрополитена и оборонки (кристалл билета метро имеет размеры 0.6x0.6мм, на одной 200мм пластине получается 87'000 билетов в метро — но о грустной истории с билетами метро я расскажу в одной из следующих статей).

Вопреки расхожему мнению, особых ограничений на продажу оборудования для микроэлектроники в Россию нет — на поправку Джексона — Вэника в США ежегодно накладывается президентский мораторий, и нужно только получать обычное разрешение на экспорт. Сами производители оборудования кровно заинтересованы заработать побольше денег, и сами пинают со своей стороны выдачу разрешений. Но естественно, без денег никто ничего не делает. Так что за ваши деньги — любой каприз.

Ну и наконец, американский F–22 Raptor до недавнего времени летал на процессоре Intel 960mx, разработанном в 1984–м году, производство в США тогда было по нормам 1000–1500nm — никто особо не жужжал о том, что американцы ставят в самолеты отсталую электронику (хотя ладно, немного жужжали). Главное ведь не нанометры, а соответствие конечного продукта техзаданию.

Не удивительно, что в России стараются иметь маленькое, но своё производство, чтобы сохраняя независимость, терять меньше денег. Ни о какой прибыли на рыночных условиях говорить не приходится.

Ну и не для всех микросхем нужно 22-32нм производство, подавляющее большинство микросхем выгоднее производить на более старом 180-500нм оборудовании из-за стоимости масок и объемов производства.

В следующих статьях — расскажу об особенностях космической и военной микроэлектроники, и о текущем состоянии микроэлектроники в России.

Читайте также: