Технология изготовления интегральных микросхем реферат
Обновлено: 02.07.2024
Существенные изменения в полупроводниковой технике связаны, во-первых, с переходом к интегральным микросхемам (ИМС)и, во-вторых, с переходом к большим интегральным микросхемам(БИС).
Интегральной называют микросхему с определенным функциональным назначением, изготовленную не сборкой и распайкой отдельных пассивных и активных элементов, а целиком, в едином технологическом процессе.Интегральная схема может быть изготовлена так, что в объеме одного кристалла полупроводника формиру-ются все ее активные и пассивные элементы. Такая микросхема называется полупроводниковой. Существует технология, при которой в едином корпусе на подложке помещаются отдельные.(дискретные) полупроводниковые кристаллы, на которых выполнены активные элементы. Их выводы подключаются к схеме, содержащей пассивные элементы, выполненные по пленочной технологии.Микросхемы, изготовленные таким способом, называются гибридными Гибридные микросхемы могут содержать в себе несколько полупроводниковых микросхем, объединенных в общем корпусе в единый функциональный узел. Показатель сложности микросхемы характеризуется числом содержащихся в ней элементов и компонентов. Большие интегральные схемы также изготавливают в объеме одного кристалла. Они характеризуются большой сложностью и служат в качестве отдельных блоков электронной аппаратуры.
Полупроводниковые интегральные микросхемы.Полупроводниковые интегральные микросхемы изготавливают на одном кристалле введением легирующих примесей в определенные микро области. Современные технологии позволяют создавать в поверхностном объеме кристалла весь набор активных и пассивных элементов, а также межэлементные соединения в соответствии с топологией схемы. В основу классификации ИМС могут быть положены различные признаки. Одним из таких признаков служит технология изготовления. В зависимости от технологии различают гибридные и полупроводниковые ИМС. В свою очередь, гибридные ИМС делят на толстопленочные и тонкопленочные, а в группе полупроводниковых ИМС выделяют подгруппу совмещенных интегральных ИМС. m Признаком классификации интегральных микросхем является также уровень интеграции. По этому признаку выделяют ИМС с малой степенью интеграции (от 1 до 10 логических элементов); со средней степенью интеграции (от 10 до 100 логических элемен' тов); с высокой степенью интеграции, или большие интегральные схемы БИС с количеством логических элементов, превышающим 100. Один логический элемент содержит до восьми схемных компонентов.Еще одним классификационным признаком служит назначениеИМС, по которому их делят на логические и линейные. Малые габариты и массы, большая надежность, высокая стабильность и воспроизводимость параметров, низкий уровень собственных шумов, малое потребление энергии позволяют применять ИМС во многих областях техники.
Гибридные, тонкопленочные полупроводниковые интегральные микросхемы:
Интегральные микросхемы:
Микроэлектроника – это одно из направлений электроники, которое призвано создать миниатюрную высоконадежные аппаратуру с малой потребляемой мощностью, низкой стоимостью и прочим.
Интегральной микросхемой, или сокращённо ИМС, называют монолитное изделие, предназначенное для исполнения функций заданного каскада или целой системы, компоненты которого соединены между собой определенным образом, и которые нельзя отделить один от другого демонтажными операциями. Различают аналоговые микросхемы, которые непрерывно отслеживают и воздействуют на сигнал, и цифровые микросхемы, которые дискретно преобразуют и обрабатывают информацию. Микросхемы классифицируют по степени интеграции, которая равна логарифму от числа деталей n, размещенных в одной ИМС: k = ln n. По методу получения различают три вида ИМС: пленочные, полупроводниковые и гибридные.
В пленочных ИМС детали и соединения осуществляют путём получения пленок малой толщины с различными свойствами, выполненных на подложке из не проводящего электрический ток материала. Пленочные микросхемы разделяют на две группы: на тонкопленочные с толщиной пленки менее 1 мкм и толстопленочные с большей толщиной, часто составляющей порядка 20 мкм. Различие тонкопленочных и толстопленочных ИМС заключено не только в количественной толщине пленок, но прежде всего в технологии их нанесения.
В полупроводниковых ИМС детали и соединения образованы специальными технологическими методами в кристалле полупроводника. Совмещенной называют такую полупроводниковую ИМС, в которой одна часть деталей выполнена методом тонкопленочной, а другая часть – методом полупроводниковой технологии.
В гибридных ИМС, сокращённо называемых ГИС, резисторы и некоторые другие пассивные компоненты получают на диэлектрической подложке методом тонкопленочной технологии, а дискретные бескорпусные активные компоненты располагают рядом на подложке и соединяют проволокой с контактными площадками.
Пленочные микросхемы:
Подложки пленочных микросхем, которые изготавливают из сапфира, ситаллов, керамики и прочего, всегда обладают прямоугольной конфигурацией и толщиной порядка от 0,2 мм до 1 мм. Подложки не должны вступать в химические реакции с материалами плёнок, обязаны обладать низкой степенью шероховатости поверхности, должны обладать высоким электрическим сопротивлением. Нанесение пленок на подложку осуществляют через трафарет, называемый маской. Выполнение пленочных конденсаторов и особенно катушек индуктивности по очень весомым причинам не рекомендуют, однако в отдельных случаях без них всё же не обойтись.
Толстоплёночные контактные площадки выполняют, например, возжжением паст, содержащих алюминий, медь, тантал или в редких случаях золото. Чтобы улучшить адгезию металлических покрытий к подложке, на ней сначала формируют промежуточный слой никеля, который обладает лучшей адгезией, чем другие металлы, а уже на этот слой наносят требуемый материал.
Плёночные резисторы, которые выполняют нанесением на подложку паст, содержащих никель, керметы, тантал, хром и т.д. со связующим веществом, имеют прямоугольную конфигурацию. С целью повышения сопротивления резистора его выполняют в виде соединенных друг с другом многочисленных элементарных одинаковых участков Г-образной или П-образной конфигурации, которые повторяют до тех пор, пока не будет получено необходимое сопротивление, что показано на рис.
Обычно сопротивление такого плёночного резистора может составлять от 0,05 кОм до 50 кОм, а получить много большее или много меньшее сопротивление затруднительно.
Пленочные конденсаторы имеют многослойную структуру и в общем случае образованы двумя электропроводящими пленками, между которыми выполняют слой диэлектрической пленки. Обкладки пленочных конденсаторов изготовляют из электропроводящих пленок, содержащих алюминий, тантал, серебро, медь и подобные материалы. Диэлектрическую плёнку обычно получают из различных оксидов: окиси тантала, трёх сернистой сурьмы, двуокиси кремния, моноокиси германия и пр. Ёмкость пленочных конденсаторов обычно составляет от 10 пФ до 20 нФ.
Пленочные катушки индуктивности имеют спиралевидную форму, что изображено на рис., и образованы нанесением токопроводящих пленок на поверхность подложки.
Индуктивность таких пленочных катушек не превышает 10 мкГн.
Изготовление активных компонентов наслоением плёнок вызывает большие трудности.
Классификация, маркировка микросхем:
Классификация:
Реферат
на тему:
Технология производства интегральных микросхем.
Выполнил студент гр. 14-ЭиН-1
ПивторакА.В.
Преподаватель:
Казаков О.Г.
2014
Оглавление:
1) Введение.
2) Процессы первичной обработки материалов.
3) Процессы литографии.
4) Процесс локального изменения свойств полупроводников.
5) Процессы обработки поверхности.
6) Сборка интегральных схем.
7) Заключение.
8) Список литературы.
Введение
Производство кремниевых интегральных схембазируется на технологических процессах формирования в кристалле кремния большого количества транзисторных структур, соединенных в схемы с заданными функциями.
В настоящее время значительный интерес представляют процессы производства монолитных полупроводниковых схем, как на кремнии, так и на арсениде галлия. Производство интегральных схем состоит из более чем сотен отдельных или повторяющихся процессов иопераций, которые защищены патентами.
Этапы технологических процессов производства интегральных схем условно можно разделить на четыре группы:
а) процессы первичной обработки материалов, результатов которых являются отполированные кремниевые пластины;
б) процессы формирования топологии ИС, в результате которых формируются физические и геометрические параметры активных и пассивных элементов заданной схемызаданного функционального значения;
в) процессы локального изменения физических свойств подложки, в результате которых формируются технологические и топологические параметры элементов заданной схемы заданного функционального назначения;
г) сборка микроэлектронных устройств и процессы межоперационного контроля.
Кратко рассмотрим основные технологические операции и процессы, связанные с наиболее широкоприменяемой кремниевой технологией.
1.Процессы первичной обработки материалов
Основным материалом для изготовления ИС служит кремний – полупроводниковый материал серого цвета, один из наиболее распространенных в природе химических элементов.
Производство кремния начинается с его оксида. Источником оксида кремния является кварц или песок. Кремний восстанавливают с помощью реакции с углеродомпри нагревании до 1500-2000 °C в специальных печах с дуговидными электродами.
В результате получается металлургический кремний (MG-Si). Чистота восстановленного таким образом кремния составляет 98%. Он широко используется в металлургической промышленности.
Кремний или другие полупроводниковые материалы, из которых изготавливают солнечные элементы, может быть монокристаллическими,мультикристаллическими, поликристаллическими или аморфным. Разница между всеми этими материалами заключается в том, в какой степени кристаллическая структура полупроводника правильно упорядочена. Поэтому полупроводниковый материал можно классифицировать в соответствии с размером кристаллов, из которых он состоит.
Кремний как материал микроэлектроники, на сегодняшний день, является основным и в обозримом будущем небудет вытеснен по следующим причинам:
а) уникальное сочетание ширины запрещенной зоны и других электронных свойств;
б) стабильность и диэлектрические свойства окисла;
в) технологичность в различных физико-химических процессах;
г) большие природные запасы.
Первым этапом в изготовлении кремниевой пластины является очистка сырого кремния от примесей.
Обычно используется метод зонной плавки.Суть метода заключается в том, что расплавленная область медленно движется вдоль всего кремниевого слитка. Примеси при этом не кристаллизируются, а стараются остаться в расплавленной области. Таким образом, после ее прохождения кристалл очищается от примесей.
В процессе плавки либо образец, либо нагреватель перемещаются со скоростью 0,1 - 10 Зонная очистка.
Сущность этой технологии состоит в выращивании на поверхности кремния р-типа эпитаксиального слоя, создания в нем карманов n-типа и формировании в них вертикальных n–р–n-транзисторных структур. Технологический процесс состоит из следующих основных операций (рис. 1.14):
а) на подложке Si р-типа создается слой SiО2, в котором вытравливаются окна для осуществления диффузии доноров, формируется скрытый слой;
б) удаляется слой SiO2 и наращивается эпитаксиальный n-слой;
г) создается новый окисный слой С окном для введения акцепторов, формируется базовая область;
д) опять создается новый слой SiO2 с окнами для диффузии доноров, формируется эмиттер и n + -области для осуществления выводов от коллектора.
На последующих этапах технологического процесса формируются окна для осуществления выводов от эмиттера, базы и коллектора, напыляется сплошная пленка алюминия и методом фотолитографии формируется рисунок внешних проводниковых соединений на поверхности SiO2.
Изопланарная технология
Этот вариант технологии обеспечивает повышение плотности размещения элементов микросхемы. Технологический процесс состоит из следующих операций (рис. 1.15):
а) в подложке р-типа формируют скрытый слой n + -типа, наращивают эпитаксиальный n-слои, на поверхности которого создают слой нитрида кремния, а в нем окна;
б) через окна в пленке нитрида кремния осуществляют травление кремния почти до скрытого n + -слоя и ионную имплантацию противоканальных р-областей, а затем проводят длительное низкотемпературное окисление канавок (глубина травления выбирается такой, чтобы после окисления поверхность подложки была бы ровной);
в) удаляется слой нитрида кремния и вместо него на поверхности создается слой диоксида кремния, через окна в котором формируется n–р–n-структура транзистора.
В ИС, изготовленных по изопланарной технологии, достигается самая высокая плотность размещения элементов.
Технология изготовления МДП-структур
Технология изготовления МДП ИС значительно проще технологии изготовления биполярных интегральных схем. Так, число основных технологических операций примерно на 30 % меньше, чем при изготовлении и биполярных ИС.
Наибольший практический интерес представляет изопланарная технология изготовления МДП-структур, особенностью которой является изоляция МДП-структур толстым слоем оксида кремния. Применение этой технологии позволяет совместно формировать на одной подложке как биполярные, так и МДП-структуры. Процесс поэтапного формирования МДП-структуры представлен на рис. 1.16:
а) на поверхности кремниевой подложки р-типа формируют маску из нитрида кремния, через отверстия в которой внедряют ионы бора, в результате чего формируются противоканальные р + -области;
б) окислением через маску создают разделительные слои диоксида кремния, после чего удаляют слой нитрида кремния, затем ионным легированием бора создают слой с повышенной концентрацией акцепторов, который необходим для снижения порогового напряжения;
в) формируют тонкий подзатворный слой диоксида кремния и наносят на него слой поликремния (затвор);
г) ионным легированием мышьяка формируют n + -области истока и стока;
д) химическим паровым осаждением наносят слой диоксида кремния, формируют в нем окна, напыляют пленку алюминия и методом фотолитографии создают рисунок металлических проводников.
5.2.1 Преимущества цифровых интегральных микросхем………….
5.3 Аналогово-цифровые схемы………………………………….
6.1 Корпуса микросхем……………………………………
6.2 Специфические названия микросхем………………………….
7 Правовая защита……………………..
Микросхема, Интегральная схема, жарг. чип — электронное изделие, представляющее собой совокупность электронных компонентов на одном кристалле или неразборном корпусе.
Интегра́льная микросхе́ма— тонкая пластинка — первоначально термин относился к пластинке кристалла микросхемы) — микроэлектронное устройство — электронная схема произвольной сложности, изготовленная на полупроводниковом кристалле (или плёнке) и помещённая в неразборный корпус, или без такового, в случае вхождения в состав микросборки.
ИМС – устройство с высокой плотностью упаковки электрически связанных элементов (транзисторов, резисторов, конденсаторов и пр. )
На сегодняшний день большая часть микросхем изготавливается в корпусах для поверхностного монтажа.
По конструктивно-технологическому исполнению микросхемы делятся на полупроводниковые и гибридно-пленочные. Полупроводниковые микросхемы имеют в своей основе монокристалл полупроводникового материала (обычно кремния), в поверхностном слое которого методами литографии и избирательного легирования создаются транзисторы, диоды, резисторы и (иногда) конденсаторы, а соединения между ними формируются по поверхности кристалла с помощью тонкоплёночной технологии. Полупроводниковые микросхемы могут быть однокристальными (монолитными) и многокристальными (микросборками). Однокристальная микросхема может иметь индивидуальный герметизированный корпус с внешними выводами для монтажа на коммутационной (печатной) плате, или быть бескорпусной и входить в состав микросборки.
Многокристальная микросхема (микросборка) представляет собой совокупность бескорпусных микросхем, смонтированных на общей коммутационной плате. В качестве компонентов в микросборке могут присутствовать бескорпусные согласующие резисторы и развязывающие конденсаторы. Вследствие высокой насыщенности связей коммутационная плата выполняется многоуровневой и, таким образом, является миниатюрным аналогом многослойной печатной платы. При изготовлении коммутационной платы может быть использована как тонкоплёночная, так и толстоплёночная технологии.
Гибридно-плёночные микросхемы включают в себя плёночные пассивные элементы (резисторы и конденсаторы), коммутационные проводники, нанесённые непосредственно на подложку из изоляционного материала, и бескорпусные полупроводниковые кристаллы (транзисторы, диоды, диодные матрицы, несложные микросхемы), монтируемые на той же подложке. Пассивные элементы и проводники могут быть выполнены по тонкоплёночной или толстоплёночной технологии.
В качестве активных элементов в полупроводниковых микросхемах используются униполярные (полевые) транзисторы со структурой “металл – диэлектрик (оксид) – полупроводник” (МДП- или МОП-транзисторы) и биполярные транзисторы. В соответствии с этим все полупроводниковые микросхемы делятся на три основные вида: биполярные, униполярные (МДП или МОП) и биполярно-полевые.
Число элементов в интегральной микросхеме характеризует ее степень интеграции. По этому параметру все микросхемы условно делят на малые (МИС – до 10 2 элементов на кристалл), средние (СИС – до 10 3 ), большие (БИС – до 10 4 ), сверхбольшие (СБИС – до 10 6 ), ультрабольшие (УБИС – до 10 9 ) и гигабольшие (ГБИС – более 10 9 элементов на кристалл).Наиболее высокой степенью интеграции обладают цифровые интегральные схемы с регулярной структурой: схемы динамической и статической памяти, постоянные и перепрограммируемые ЗУ. Это связано с тем, что в таких схемах доля участков поверхности ИС, приходящаяся на межсоединения, существенно меньше, чем в схемах с нерегулярной структурой.
Изобретение микросхем началось с изучения свойств тонких оксидных плёнок, проявляющихся в эффекте плохой электропроводимости при небольших электрических напряжениях. Проблема заключалась в том, что в месте соприкосновения двух металлов не происходило электрического контакта или он имел полярные свойства. Глубокие изучения этого феномена привели к изобретению диодов, а позже транзисторов и интегральных микросхем.
Первая советская полупроводниковая микросхема была создана в 1961 году в Таганрогском радиотехническом институте, в лаборатории Л. Н. Колесова. 50 лет первой интегральной микросхеме.
Первая в СССР полупроводниковая интегральная микросхема была разработана (создана) на основе планарной технологии, разработанной в начале 1960 года в НИИ-35 (затем переименован в НИИ "Пульсар") коллективом, который в дальнейшем был переведён в НИИМЭ (Микрон). Создание первой отечественной кремниевой интегральной схемы было сконцентрировано на разработке и производстве с военной приёмкой серии интегральных кремниевых схем ТС-100 (37 элементов — эквивалент схемотехнической сложности триггера, аналога американских ИС серии SN-51 фирмы Texas Instruments). Образцы-прототипы и производственные образцы кремниевых интегральных схем для воспроизводства были получены из США. Работы проводились НИИ-35 (директор Трутко) и Фрязинским заводом (директор Колмогоров) по оборонному заказу для использования в автономном высотомере системы наведения баллистической ракеты. Разработка включала шесть типовых интегральных кремниевых планарных схем серии ТС-100 и с организацией опытного производства заняла в НИИ-35 три года (с 1962 по 1965 год). Ещё два года ушло на освоение заводского производства с военной приёмкой во Фрязино (1967 год).
Читайте также: