Разработка интегральных микросхем

Ширина базы составляет :

(22)

где =(0,5 - 2,5) мкм

Wb= 5E-7 мкм

Коэффициент переноса вычисляется по формуле:

(23)

где - диффузионная длина базы, =(2 - 50) мкм; - концентрация донорной примеси у эмиттерного перехода,

=(0,1-1) * 10¹⁸ см; - концентрация донорной примеси в коллекторе, см^-3, =(0,05 - 1)*10¹⁷ ;

Коэффициенты , и высчитываются по формулам :

(24)

мкм;

(25)

мкм;

(26)

Максимальные напряжения переходов (коллектор - база, эмиттер - база, эмиттер - коллектор) рассчитываются по формулам:

(27)

В

(28)

В

(29)

В

- концентрация носителей заряда в собственном полупроводнике.

Инверсный коэффициент передачи транзистора (Bi) можно определить по следующей формуле:

(13)

Емкость перехода коллектор-база и эмиттер - база определим как:

(30)

(31)

Ф;

Обратный ток эмиттера определяется по формуле:

(32)

Обратный ток коллектора определяется по формуле:

(33)

А;

3.3 Расчет параметров резисторов

Резисторы формируют в любом из диффузионных слоев транзисторной структуры (эмиттерная и базовая области), в эпитаксиальном слое (коллекторная область) и с помощью ионного легирования. Вид резистора выбирают, исходя из заданного номинального значения и точности изготовления.

Основным конструктивным параметром диффузионного резистора является величина с_s, которая зависит от режима диффузии. Параметры диффузионного резистора улучшают подбором конфигурации и геометрических размеров.

Рассчитаем промежуточные и конечные параметры для резисторов, соответствующих данному курсовому проекту: 4.7кОм, 2.2 кОм, 2.2 кОм, 470 кОм.

Исходными данными для расчетов резисторов являются: R - сопротивление резистора; ДR - допуск; - поверхностное сопротивление легированного слоя; P₀ - максимально допустимая удельная мощность рассеяния; P - среднее значение мощности.

Коэффициент формы резистора:

; (1)

где R - сопротивление резистора, - поверхностное сопротивление легированного слоя;

Полная относительная погрешность сопротивления:

(2)

где - относительная погрешность воспроизведения; относительная погрешность коэффициента формы резистора; температурный коэффициент сопротивления; - температурная погрешность сопротивления, - рабочий диапазон температур, допуск (разброс параметров).

Минимальная ширина резистора, при которой обеспечивается заданная погрешность геометрических размеров:

(3)

где - абсолютная погрешность ширины резистивной полоски; - абсолютная погрешность длины резистивной полоски; - коэффициент формы резистора.

Минимальная ширина резистора, определяемая из максимально допустимой области рассеяния:

(4)

где P0 - максимально допустимая мощность рассеивания, P - среднее значение мощности.

За расчетную ширину резистора принимают значение, которое не меньше наибольшего значения одной из трех величин: т.е.:

; (5)

Промежуточные значения ширины резистора:

-, (6)

где ?_трав - погрешность, вносимая за счёт растравливания окон в маскирующем окисле перед диффузией, ?y - погрешность, вносимая за счёт ухода диффузионного слоя под маскирующий окисел в боковую сторону.

Реальная ширина резистора на кристалле:

-; (7)

Расчётная длина резисторов:

- (8)

где k₁ и k₂ - поправочные коэффициенты, учитывающие сопротивление контактных площадок и областей резистора, зависящий от конфигурации контактных областей резистора, N_изг - количество изгибов резистора на угол ;

Значение коэффициентов и обычно равно 2.

Промежуточное значение длины резистора:

(9)

Реальная длина резистора на кристалле:

(10)

[8. стр. 29-38]

Таблица 3.3.1 Результаты расчета интегральных ионно - легированных n- типа резисторов.

Параметр	Обозначение резисторов
	R1	R2	R3	R4
, Ом/	1000	1000	1000	1000
, мкм	5	5	5	5
,кОм	4.7	2.2	470	2.2
	210-3	210-3	210-3	210-3
	2.85	1.6	235.5	1.6
	4.7	2.2	470	2.2
	21.744	31.782	2.174	31.782
	0.01	0.01	0.01	0.01
, мкм	21.744	31.782	2.174	31.782
, мкм	20.504	30.542	46.26	30.542
, мкм	21	31	45	31
, мкм	22.24	32.24	46.24	32.24
, мкм	37.808	25.792	2.159104	25.792
,мкм	39.049	27.032	4333	27.032
Lтоп,мкм	40	28	4335	28
L, мкм	38.76	26.76	4334	26.76
	0.1	0.1	0.1	0.1
	0.1	0.1	0.1	0.1
,оС	185	185	185	185
/R	0.513	0.561	0.47	0.561

Из таблицы расчетов видно, что резистор R3 номиналом 470 кОм реализовать в интегральном исполнении невозможно, следовательно данный резистор вынесен за пределы кристалла. В микросхеме, как уже было сказано выше, под данный резистор предусмотрено два дополнительных вывода.

3.4 Расчёт параметров конденсаторов

Основная часть полупроводниковых микросхем не содержит конденсаторов из-за их большой площади. Поэтому, если требуется емкость более 50 ...100 пФ, применяют внешние дискретные конденсаторы, для подключения которых в микро-схемах предусматривают специальные выводы.

В интегральных полупроводниковых конденсаторах роль диэлектрика могут выполнять обеднённые слои обратносмещённых p-n переходов или плёнка окисла кремния, нитрида кремния, роль обкладок - легированные полупроводниковые области или напыленные металлические плёнки. Характеристики конденсаторов полупроводниковых микросхем невысоки, а для получения больших ёмкостей необходимо использовать значительную площадь схемы. Поэтому при проектировании электрической схемы полупроводниковой микросхемы стремятся конденсаторы исключить. Учитывая большие величины емкостей проектируемых конденсаторов (1000, 330 пФ) выбираем в качестве конденсаторов МДП-конденсаторы.

У МДП-конденсаторов нижней обкладкой служит эмиттерный n⁺-слой, верхней - плёнка Al. Наиболее технологичным диэлектрическим материалом для конденсаторов является SiO₂, наносимый термическим методом химического осаждения из газовой камеры. Толщина диэлектрика составляет 0.05…0.12мкм.

В качестве обкладок конденсаторов с указанным диэлектриком будем использовать алюминий. Такие обкладки обеспечивают высокую добротность конденсаторов.

Исходные данные:

С1 = 10 пФ ± 20%;

U_раб = 12 В.

Определим минимальную толщину диэлектрика:

d_min = K_з U_раб / E_пр (1)

где К_з - коэффициент запаса (К_з =3);

U_раб - рабочее напряжение конденсатора;

E_пр- электрическая прочность диэлектрика (E_пр=10⁷ В/см);

Таким образом получим: мкм;

Ёмкость МДП-конденсатора определяется выражением:

С = 0.0885е S / d (2)

где е- относительная диэлектрическая проницаемость равная (Ф/м) (для SiO₂ =4 ) ;

d- толщина диэлектрика;

S - площадь верхней обкладки конденсатора;

Площадь обкладок конденсатора определяется по формуле:

(3)

мм²;

где С0 - удельная емкость конденсатора. Для формирования диффузионных конденсаторов может быть использован любой из p-n переходов транзисторной структуры. В данном случае мы будем использовать диффузионный конденсатор на переходе база - коллектор. Исходными данными для данного перехода является С₀=400 пф/мм.

S= 0,025мм².

Размеры верхних обкладок конденсаторов (для квадратного конденсатора А=):

А=0,158мм=158 мкм.

[8, стр. 40-41]

4. Выбор и обоснование технологии изготовления микросхемы

Процесс изготовления современных полупроводникоых ИС весьма сложен. Он проводится только в специальных помещениях с микроклимитом на прецезионном оборудовании. В настоящее время для создания полупроводниковых ИС на биполярных транзисторах используется несколько разновидностей технологических процессов, отличающихся главным образом способами создания изоляции между отдельными элементами [1, стр.26]. Основные технологические операции изготовления полупроводниковых микросхем можно разделить на шесть этапов.

1. Подготовка слитков к резке на пластины. Первоначально выращивают слиток кремния, затем этот слиток готовят к резке на пластины - отрезают затравочную и хвостовую часть, а также удаляют части слитка с электрофизическими параметрами, не соответствующими установленным нормам или с недопустимыми требованиями. Калибровка выполняется шлифовкой по образующей поверхности слитка (круглое шлифование) шлифовальным кругом. После калибровки торцы слитка подшлифовывают так, чтобы они были строго перпендикулярны геометрической оси слитка, а для удаления механически нарушенного слоя и загрязнений слиток травят. Контроль кристаллографической ориентации торца слитка и базового среза выполняется рентгеновским или оптическим методами. Базовый и дополнительные срезы получают сошлифовыванием слитка по образующей алмазным кругом на плоско-шлифовальном станке. Для получения срезов слиток соответствующим образом закрепляют в специальном зажиме. После базового среза слиток разворачивают в зажиме, закрепляют и сошлифовывают вспомогательный срез. После шлифования срезов слиток травят.[9]

2.Резка слитков на пластины. Резка слитка является важной операцией в маршруте изготовления пластин, она обуславливает ориентацию поверхности, толщину, плоскостность и параллельность сторон, а также прогиб.

Основным методом резки кремниевых слитков на пластины является резка диском с внутренней режущей алмазосодержащей кромкой. Отрезаемые пластины в зависимости от устройства станков переносятся вакуумным съемником или остаются на оправке . Пластины после резки подвергаются очистке от клеющих, смазочных материалов, частиц пыли.

Преимущества резки диском с внутренней режущей кромкой: высокая скорость резания (до 40 мм/мин); хорошее качество обработки поверхности (8-ой класс шероховатости); малый разброс по толщине пластин (±20 мкм); небольшие отходы материала.

Недостатки резки диском с внутренней режущей кромкой: сложность установки алмазного диска , его натяжения и центровки, зависимость качества и точности обработки от точности и качества инструмента.

Этот метод в сравнении с другими методами обеспечивает лучшее качество пластин и большую производительность процесса.[9]

3.Шлифование пластин кремния. Под шлифованием понимают процесс обработки поверхностей заготовок на твердых дисках - шлифовальниках из чугуна, стали, латуни , стекла и других материалов с помощью инструментов - шлифовальников и абразивной суспензии (обработка свободным абразивом) или с помощью алмазных шлифовальных кругов (обработка связанным абразивом).

Процесс двустороннего шлифования свободным образивом выполняется на специальных станках. Перед шлифованием пластины сортируют по толщине. Контролируют неплоскостность рабочей поверхности шлифовальников, в случае необходимости выполняют правку - подшлифовку с кольцевыми притирами. Затем шлифовальники очищают от пыли и других загрязнений, промывают водой смазывают глицерином. На поверхность нижнего шлифовальника устанавливают зубчатые кольца сепараторы, которые должны иметь специальные допуски по толщине, а толщина должна быть несколько меньше требуемой после шлифования толщины пластин. Обрабатываемые поверхности укладывают в отверстия сепараторов.

При вращении верхний шлифовальник свободно устанавливается на поверхности пластин. Движение шлифовальника через цевочные колеса передается сепараторам. Пластины, увлекаемые сепараторами совершают сложные перемещения между шлифовальниками, чем достигается равномерность их обработки и износа шлифовальников.

Для двустороннего шлифования применяют водные и глицериновые суспензии микропорошков карбида кремния зеленого или электрокорунда белого с зернистостью от М14 до М5.

Этот метод более производителен, обеспечивает высокую точность обработки поверхности, не требует наклейки пластины.

4.Снятие фаски. Фаски с боковых поверхностей пластин можно снимать абразивной обработкой либо химическим травлением собранных в специальной кассете заготовок. Наиболее часто фаски снимают методом шлифовки профильным алмазным кругом на специальном станке.

5.Полирование пластин. Полировка обеспечивает минимизацию микронеровностей поверхности пластин и наименьшую толщину нарушенного слоя.Её производят на мягких доводочных полировальниках (круги обтянутые замшей, фетром, батистом, велюром) с помощью использования алмазной пасты, суспензии.

Полирование выполняют в несколько этапов, постепенно уменьшая размер зерна и твердость абразива, а на последнем этапе полностью исключают абразивное воздействие на обрабатываемый материал. Последний этап безабразивного воздействия позволяет полностью удалить механически нарушенный слой с поверхности пластины.

Существует несколько методов полирования:

· Механическое (предварительное и промежуточное) полирование. Его выполняют алмазными суспензиями и пастами с размером зерна от 3 до 1 мкм. Механическое полирование по своей сущности не отличается от шлифования, отличие состоит лишь в применяемых абразивных материалах, их зернистости, материале полировальника и режиме обработки. При использовании для полирования алмазных суспензий и паст на поверхности пластин образуется тонкая сеть рисок (“алмазный фон”), возникающих под действием острых режущих граней алмазных зерен. С целью удаления “алмазного фона” и уменьшения шороховатости поверхности иногда выполняют механическое полирование более мягкими абразивными материалами.

· Тонкое механическое полирование выполняется мягкими полировальными составами на основе оксидов алюминия, кремния, хрома, циркония и других размером зерна менее 1 мкм с помощью полировальников из ворсовых материалов, в которых могут утопиться субмикронные зерна порошка. Это уменьшает рабочую поверхность зерен и улучшает качество обработки поверхности пластин.

· Химико-механическое полирование. Оно отличается тем, что кроме обычного абразивного воздействия поверхность подвергается химическому воздействию. Полирующие составы - суспензии, золи, гели из субмикронных порошков оксидов кремния (аэросил), циркония, алюминия - приготавливаются на основе щелочи.

Выберем механическое полирование, которое будет выполняться алмазной суспензией из порошка АСМ3, односторонняя, частота вращения полировальника не более 30…40 об/мин. При переходе на порошок АСМ1 частоту вращения полировальника снижаем, нагрузку на пластину увеличиваем. После полировки пластину надо тщательно промыть в мыльных растворах.[9]

6.Физическая очистка. Для последующих операций очень важна чистота поверхности. Поэтому перед началом, а также неоднократно в течение технологического цикла производят очистку, удаляя посторонние вещества с помощью промывки, растворения и т.п. Процессы очистки пластин и подложек предназначены для удаления загрязнений до уровня, соответствующего технологически чистой поверхности. Наиболее важна очистка поверхности после механической обработки, перед термическими процессами, перед нанесением различного рода покрытий, плёнок, слоёв. При очистке в первую очередь необходимо удалить молекулярные органические и химически связанные с поверхностью загрязнения, а затем - остаточные ионные и атомарные. При физической жидкостной очистке происходит десорбция адсорбированных поверхностью загрязнений без изменения их состава, т.е. без химических реакций, путем простого растворения. Поскольку возможно обратное загрязнение поверхности из очищаемой жидкости, необходимо следовать принципу ее непрерывного обновления (освежения).

Обезжиривание (отмывка) в органических растворителях (толуоле, четыреххлористом углероде, дихлорэтане, спиртах: этиловом, метиловом, изопропиловом и др.) применяется для удаления с поверхности пластин (подложек) жиров животного и растительного происхождения, минеральных масел, смазок, воска, парафина и других органических и механических соединений.

Обезжиривание погружением выполняют в специальных герметичных установках с двумя-четырьмя сваренными в единый блок ваннами с повышающимся уровнем жидкости. Контролируемыми параметрами процесса обезжиривания для данного количества пластин и данной порции конкретного растворителя и время обработки.

Обезжиривание в парах растворителя применяют для удаления малорастворимых с высокой температурой плавления загрязнений. Для обработки в парах применяют изопропиловый спирт, фреоны, хлорированные углеводороды. Недостатки данного метода: необходимость предварительной очистки растворителей; необходимость создания герметичных рабочих камер установок; большие расходы растворителя.

Ультразвуковое обезжиривание выполняют в специальных ваннах, дно и стенки которых совершают колебания с ультразвуковой частотой. Данный метод обеспечивает гораздо большую производительность, и улучшают качество не только обезжиривания, но и других операций жидкостной обработки.[9]

7.Отмывка водой применяется для очистки полярных растворителей после обезжиривания, от остатков травителей, флюсов, кислот, щелочей, солей и других соединений. Также как и в органических растворителях, отмывка в воде сопровождается растворением загрязнений или механическим смыванием пылинок ворсинок и других частиц. Отмывку выполняют в подогретой до 50 … 60 °С деионизованной воде.[7]

8.Химическая очистка. Этот вид обработки предусматривает разрушение загрязнений или поверхностного слоя очищаемого обьекта в результате химических реакций.

Хорошие результаты обеспечивает очитка кремния в растворе” Каро”. Именно этот метод будет использован в данном курсовом проекте - очистку смесью Каро с последующей более “мягкой”

очисткой в перекисно-аммиачном растворе. Классический состав смеси Каро для химической очистки поверхности кремния и оксида кремния, объёмное соотношение компонент находится в пределах

H₂SO₄ : H₂O₂ = 3:1 [9]

Химическая очистка в этой смеси проводится при Т = 90 -150^оС. Смесь Каро позволяет очистить поверхность полупроводниковой пластины от органических загрязнений и, частично, от ионных и атомарных примесей. Кислота Каро устойчива в кислых средах и является очень сильным окислителем. Эта смесь способна очистить поверхность кремниевой пластины и от неметаллических загрязнений.

9.Эпитаксия. Эпитаксия - процесс наращивания монокристаллических слоев на монокристаллических подложках. Монокристаллические подложки в процессе эпитаксиального наращивания выполняют ориентирующую роль заставки, на которой происходит кристаллизация. Основная особенность - слои и локальные области противоположного типа проводимости или с отличной от полупроводниковой пластины концентрацией примеси представляют собой новые образования над исходной поверхностью. В процессе роста эпитаксиальные слои легируют, т.е. в них вводят донорные или акцепторные примеси. Особенностью также является то, что появляется возможность получения высокоомных слоев полупроводника на низкоомных пластинах.[9]

При жидкофазовой эпитаксии атомы растущего слоя оседают на подложку из расплава или раствора, из которого необходимо вырастить соответствыущий слой. Второй вид эпитаксии - из парогазовой фазы - который и будет использоваться в данной технологии, основан на взаимодействии газа с пластиной. Здесь важными параметрами процесса является температуры газового потока и пластины. Можно использовать тетрахлорид кремния SiCl₄ либо силан SiH₄.

Хлоридный метод основан на использовании химического взаимодействия паров тетрахлорида кремния с чистым водородом при Т =1200^оС:

SiCl₄(газ) + 2H₂(газ) = Si(тв) + 4HCl(газ)

Скорость роста эпитаксиального слоя может быть ограничена либо процессами массопереноса, т.е. количеством подводимых к поверхности подложек молекул реагентов или отводимых диффузией от подложки продуктов химических реакций, либо скоростями химических реакций. Основной недостаток - высокие температуры процесса, приводящие к диффузии примесей из пластин в растущий слой, а также автолегированию. Кроме того, обратимость реакции восстановления тетрахлорида требует высокой точности поддержания режима осаждения слоя.

Силановый метод основан на использовании необратимой реакции

термического разложения силана :

SiH₄------------->Siv+2H₂^

Установка для выращивания слоев эпитаксиальных слоев силановым методом близка по устройству к установке, используемой в хлоридном методе, и для предосторожности при работе с моносиланом она снабжается системой для откачки воздуха и следов влаги. Совершенные монокристаллические слои получаются при температурах разложения моносилана 1000 … 1050 °С, что на 200 … 150°С ниже чем при восстановлении тетрахлорида кремния. Это уменьшает нежелательную диффузию и автолегирование, что позволяет изготовить эпитаксиальные структуры с более резкими границами переходов. Скорость роста слоев выше чем при восстановлении тетрахлорида кремния.

Недостаток этого метода - самовоспламеняемость и взрывоопасность моносилана, требующие специальных мер предосторожности. Токсичность силана.

В данном курсовом проекте будем использовать SiCl₄. т.к. с этим газом удаётся выращивать монокристаллические слои кремния, сохраняющие кристаллическую ориентацию кремниевой подложки без поверхностных нарушений.

Процесс эпитаксиального наращивания будет происходить в эпитаксиальном реакторе.

10.Оксидирование. Оксидирование можно проводить несколькими способами, такими как анодное оксидирование, катодное напыление оксидного слоя, либо термическое оксидирование кремния. Термическое оксидирование, как и другие высокотемпературные процессы предъявляют жесткие требования к кремниевым исходным слиткам (нежелательно содержание в них кислорода и углерода), к качеству процессов изготовления и очистки пластин. Оксидирование кремния сопровождается: диффузией кислорода под слой диоксида кремния; обогащением поверхностного слоя толщиной 1…2 мкм кислородом выше предела растворимости за счет напряженного состояния решетки кремния; взаимодействием кислорода с дефектами исходной пластины и генерацией дополнительных дислокаций и дефектов упаковки. На дефектах быстро скапливаются примеси диффундирующих металлов натрия, меди, железа и др. Поскольку именно в этом тонком слое формируются элементы ИМС, все это приводит к деградации их электрических параметров. Концентрацию кислорода в при поверхностном слое кремния снижают при отжиге пластин кремния в атмосфере азота при 1000 … 1100 °С. Поиск путей совершенствования процесса термического оксидирования привел к появлению модификаций метода термического оксидирования кремния.

Нанесение плёнок SiO на пластины кремния термическим окислением кремния при атмосферном давлении в горизонтальных цилиндрических кварцевых реакторах - наиболее распространённый метод. Температура окисления лежит в интервале 800…1200^оС и поддерживается с точностью ± 1^оС для обеспечения однородности толщины плёнок. Будем производить комбинированное окисление как в сухом кислороде, т.к. в этом случае плёнки SiO₂ получаются высокого качества, несмотря на то, что скорость окисления в этих условиях мала, так и во влажном кислороде (происходит всё с точностью до наоборот).

Основные реакции:

1. сухое оксидирование в атмосфере чистого кислорода:

Si(тв) > SiO₂(тв)

2. влажное оксидирование в смеси кислорода с водяным паром:

Si(тв) + 2H₂O > SiO₂(тв) + H₂

Скорость оксидирования определяется самым медленным этапом диффузионного проникновения окислителя сквозь растущую пленку к границе раздела SiO₂>Si. Коэффициенты диффузии сильно зависят от температуры. При низких температурах коэффициенты диффузии, а следовательно, скорость роста пленки малы. Повысить скорость роста можно либо увеличением давления в реакционной камере установки, либо повышением температуры процесса.

11.Фотолитография. Суть процесса фотолитографии состоит в следующем. Чувствительные к свету фоторезисты наносятся на поверхность подложки и подвергаются воздействию излучения(экспонированию). Использование специальной стеклянной маски с прозрачными и непрозрачными полями (фотошаблона) приводит к локальному воздействию на фоторезист и, следовательно, к локальному изменению его свойств. При последующем воздействии определенных химикатов происходит удаление с подложки отдельных участков пленки фоторезиста, освещенных и неосвещенных в зависимости от типа фоторезиста (проявления). Таким образом, из пленки фоторезиста создается защитная маска с рисунком, повторяющим рисунок фотошаблона.

В зависимости от механизма фотохимических процессов, протекающим под действием излучения, растворимость экспонированных участков может либо возрастать, либо падать. Соответственно, при этом фоторезисты является либо позитивными, либо негативными. Пленка позитивного фоторезиста под действием излучения становится неустойчивой и растворяется при проявлении, пленка негативного фоторезиста, наоборот, под действием излучения становится нерастворимой, в то время как неосвещенные участки при проявлении растворяются.

Свойства фоторезистов определяются рядом параметров:

· Чувствительность к излучению

В свою очередь, существуют некоторые критерии чувствительности: высокие защитные свойства локальных участков.

· Разрешающая способность фоторезиста.

· Кислостойкость (стойкость фоторезистов к воздействию агресивных травителей)

Технологический процесс фото литографии проводится в следующей последовательности:

1. Очистка поверхности подложки;

2. Нанесение фоторезиста (ФП-330) и распределение его по всей поверхности с помощью центрифугирования;

3. Сушка фоторезиста (15 мин при Т = 20^оС).

4. Совмещение фотошаблона с подложкой:

5. Экспонирование - засветка через фотошаблон УФ-лучами, t = 1ч2с;

6. Проявление: химическая обработка в специальных проявителях;

7. Задубливание производят для окончательной полимеризации оставшегося фоторезиста: термообработка при Т = 120^оС, t = 20мин;

8. Травление оксида кремния водным раствором плавиковой кислоты, лучше применяют буферные добавки солей плавиковой кислоты;

9. Удаление фоторезиста производится в щелочных средах.

10. Промывка пластины кремния в деионизованной воде с использованием УЗ и сушат при Т = 120^оС.

Для изготовления фотошаблонов используется, в основном, два метода. Первый метод основан на сочетании оптических и прецизионных механических процессов. Суть метода состоит в механическом вырезании первичного оригинала (увеличенного в 200…500 раз рисунка), в последующем фотографическом уменьшении размеров рисунка и его мультиплицировании. Во втором методе - фотоноборе - весь топологический рисунок разделяется на прямоугольники различной площади и с различным отношением сторон в зависимости от формы составляющих его элементов. Эти прямоугольники последовательной фотопечатью наносятся на фотопластинку, где, в конечном счете, образуется промежуточный фотошаблон с десятикратным увеличением рисунка по сравнению с заданным.

В данном курсовом проекте будем использовать позитивный фоторезист, т.е. свет разрушает полимерные цепочки: растворяются засвеченные участки. Позитивные фоторезисты обеспечивают более резкие границы растворённых (проявленных) участков, чем негативные, т.е. обладают повышенной разрешающей способностью, но имеют меньшую чувствительность и требуют большего времени экспонирования. Фотошаблон будет представлять собой стеклянную пластину, на одной из сторон которой нанесена тонкая непрозрачная плёнка Cr. Несколько капель раствора фоторезиста необходимо нанести

на окисленную поверхность кремниевой пластины, а потом с помощью центрифуги его распределить тонким (около 1мкм) слоем, высушить.

Существует контактная фотолитография, при которой фотошаблон плотно прилегает к поверхности подложки с нанесённым фоторезистом, и бесконтактная.

Бесконтактная фотолитография на микрозазоре основана на использовании эффекта двойного или множественного источника излучения. УФ-лучи подаются на фотошаблон под одинаковым углом, за счёт чего дифракционные явления сводятся к минимуму, и повышается точность передачи рисунка. Недостатком является очень сложное оборудование. Проекционная фотолитография основана на упрощённом процессе совмещения, т.к. с помощью специальных объективов изображение фотошаблона проектируется на пластину.

Удаление фоторезиста обычно производят в щелочных составах (NaOH). [10]

12.Легирование. Легирование - введение примесей в пластину или эпитаксиальную плёнку. При высокой температуре (около 1000^оС) примесные атомы поступают через поверхность и распространяются вглубь вследствие теплового движения. Легирование полупроводников бывает трёх видов:

1. Диффузионное легирование - основано на использовании известного явления диффузии, т.е. направленного перемещения частиц вещества в сторону убывания их концентрации. Движущей силой является градиент концентрации атомов или молекул вещества. При диффузии выпрямляющие или концентрационные контакты получают в исходной пластине, изменяя ее свойства легированием на необходимую глубину. Диффузионные слои имеют толщины от сотых долей микрометров. Отличительной особенностью является неравномерное распределение концентрации примеси по глубине : концентрация максимальна возле поверхности и убывает вглубь слоя. Концентрация и распределение примеси во многом определяются свойствами примеси, легируемого материала и источника примеси.

2. Ионное легирование - осуществляется ионизированными атомами примеси, имеющими энергию, достаточную для внедрения в полупроводник. Также необходим отжиг для устранения радиационных нарушений структуры полупроводника и для электрической активации донорных и акцепторных примесей. Основной особенностью является возможность воспроизводимого получения заданной концентрации примеси на данной глубине практически на любой площади пластины. Это обусловлено тем, что можно с большой точностью задавать ток ионного луча. Распределениями примесей можно легко управлять в широких пределах, изменяя дозу облучения, энергию и угол падения ионов. Ионы примеси получают в специальных источниках, ускоряют и фокусируют в электрическом поле. Пучок ионов бомбардирует подложку. Ионы примеси размещаются в кристаллической решётке. Характеристики ионнолегированных слоев получаются более воспроизводимыми, чем при диффузии.

3. Радиационно-стимулиронанная диффузия - основана на внедрении примеси в результате бомбардировки кристалла лёгкими ионами с энергией, достаточной для смещения атомов подложки. Облучение проводится в процессе термообработки (t = 600-700^оС) или непосредственно перед ней.[7]

Для данного курсового проекта будет использована высокотермическая диффузия, т.к. недостатком ионной имплантации является нарушение структуры поверхностного слоя и увеличение дефектов, а также сложность технологического оборудования. Диффузия будет проводиться традиционным методом открытой трубы из газообразных источников (BBr₃,PH₃) и твёрдых источников (оксид сурьмы).

13.Металлизация. Все системы металлизации, применяемые в настоящее время, можно разделить на следующие типы: однослойная, многослойная, многоуровневая, объемная (объемные выводы).

· Однослойная аллюминевая металлизация применяется преимущественно в ИМС малой степени интеграции, маломощных, работающих на частотах до 1 ГГц, не рассчитанные на высокие требования к надежности.

· Многослойная металлизация в ряде случаев полнее отвечает предъявляемым требованиям, но менее технологична, т.к. содержит не один слой металла. Обычно состоит из нескольких слоев: контактный слой - первый по порядку нанесения на кремниевую пленку (вольфрам, молибден, хром, никель, алюминий, титан, палладий, силициды тугоплавких металлов); разделительный слой - применяется в случаях, когда сложно подобрать согласующиеся материалы контактного и проводящего слов; проводящий слой - последний по порядку нанесения слой металлизации, должен иметь хорошую электропроводность и обеспечивать качественное надежное подсоединение контактных площадок к выводам корпуса (медь, алюминий, золото)

· Многоуровневая металлизация применяется в больших и сверхбольших ИМС. Увеличение числа элементов увеличивает и площадь межэлементных соединений, поэтому их размещают в несколько уровней.

В данном курсовом проекте будем проводить однослойная аллюминевую металлизацию.

14.Скрайбирование. Осуществлять скрайбирование необходимо алмазным резцом. Это приводит к образованию в пластине сравнительно глубоких (до 50…100мкм) и узких (до 25…40мкм) канавок. Достоинством этого скрайбирования является простота и низкая стоимость.

Разламывание пластин на кристаллы после скрайбирования необходимо осуществлять механически, приложив к ней изгибающий момент. Эту операцию выполняется на сферической опоре.

Достоинством этого способа являются простота, высокая производительность (ломка занимает не более 1…1.5мин) и одностадийность, а также достаточно высокое качество, так как кристаллы не смещаются относительно друг друга.

Укрупненные схемы технологических процессов изготовления полупроводниковых (монолитных) приведена ниже.

Рис. 1. Укрупненная схема технологического процесса изготовления полупроводниковых (монолитных) ИС.

Опишем технологический процесс производства интегральной микросхемы генератора напряжения.

На первоначальном этапе происходит формирование слитков кремния и резка этих слитков алмазными дисками с внутренней режущей кромкой на пластины - базовые кристаллы, на которых будут сформированы в последствии элементы микросхем. Поверхность кристалла тщательно шлифуют для устранения поверхностных повреждений, полученных в результате резки. Производят полировку, причем разными материалами - алмазной суспензии, порошкообразными материалами. Затем производят очистку с целью удаления поверхностного слоя, в которых находятся поверхностные механические напряжения. Для этого над поверхностью пластины пропускают HCl при высокой температуре и обмывают кристалл деионизованной водой, растворами моющих порошков, проточной воде и, затем, сушат пластину до полного высыхания.

На следующем этапе производят окисление поверхности кристалла с целью образования двуокиси кремния с определенной толщиной.

Это делается для того, чтобы при проведении легирования, легированным оказался не весь кристалл, а только определенный участок.

Соответственным образом поверх слоя двуокиси кремния наносят слой фоторезиста, контактным (или другим способом) производят процесс фотолитографии. При этом используется фотошаблон (см. приложение). Открытые участки проявляют, задубливают и ликвидируют, и таким образом получают участок двуокиси кремния для последующего травления.

Образовавшиеся окна травят, в результате область подложки становится открытой для последующего легирования и образования скрытого n+ слоя. Слой фоторезиста ликвидируют. Поверхность оксида кремния тщательным образом очищают, омывают в проточной деионизованной воде и сушат центрифугированием. Таким образом, подложка становится полностью готовой для проведения операции легирования.

Для получения высоколегированного слоя n+ типа, производится высокотермическая диффузия сурьмой до предела ее растворимости. Таким образом, формируется скрытый n+ слой. Производится разгонка сурьмы в n+ кармане.

Слой двуокиси кремния стравливают в плавиковой кислоте, образуется открытая поверхность подложки с тремя участками высоколегированного слоя. Поверхность подложки тщательно очищают химическими методами и омывают в проточной деионизованной воде. После проведения этих операций, подложка становится готовой к проведению эпитаксиального наращивания кремния n-типа проводимости. Таким образом получают т.н. коллекторный слой, который присутствует в структурах активных элементов, и в этом же слое формируются резисторы среднего номинала (5кОм, 10 кОм), также этот слой присутствует в структуре МДП-конденсатора.

Далее производят разделительную диффузию с целью отделения одних элементов от других. Для этого повторяют ранее описанные процессы: нанесение слоя двуокиси кремния, нанесение фоторезиста, совмещение с фотошаблоном (см. приложение), экспонирование, проявление, удаление засвеченных участков фоторезиста, травления слоя двуокиси кремния в окне фоторезиста. После этого производят разделительную диффузию путем легирования бора в эпитаксиальный слой на поверхности подложки.

Для каждого элемента таким образом образовался свой эпитаксиальный слой. Далее производят диффузию фосфора в эпитаксиальный слой с целью создания базовой области. Для этого повторяют ранее описанные процессы: нанесение слоя двуокиси кремния, нанесение фоторезиста, совмещение с фотошаблоном, экспонирование, проявление, удаление засвеченных участков фоторезиста, травления слоя двуокиси кремния в окне фоторезиста. Затем производится легирование фосфором (см. приложение). Базовая область используется как база у активных элементов и в качестве резистивного слоя у резисторов.

Далее создаются области, которые у активных элементов используются как эмиттерная область, у резисторов она может отсутствовать. Перед этим производится совокупность ранее описанных процессов: нанесение слоя двуокиси кремния, нанесение фоторезиста, совмещение с фотошаблоном, экспонирование, проявление, удаление засвеченных участков фоторезиста, травления слоя двуокиси кремния в окне фоторезиста. Затем производится легирование сурьмы (см. приложение) и ликвидация фоторезиста и слоя двуокиси кремния с последующей тщательной очисткой поверхности.

После этого кристалл готов к нанесению на его поверхность внешней изоляции и нанесения алюминиевых выводов на базовую, коллекторную имиттерную области кристалла. Для этого производят тщательную очистку поверхности кристалла и осаждают нитрид кремния. Затем производят нанесение фоторезиста, совмещение с фотошаблоном, экспонирование, проявление, удаление засвеченных участков фоторезиста, травления слоя нитрида кремния в окне фоторезиста и удаление фоторезиста со вcей поверхности нитрида кремния.

Затем на всю поверхность кристалла наносят сплав алюминия и кремния методом катодного распыления. Далее производят операцию фотолитографии и травление алюминия. Таким образом производится электрическое соединение элементов схемы в соответствии со схемой электрической принципиальной.

Вся поверхность кристалла подлежит тщательной очистке и сушке центрифугированием. Затем на поверхность кристалла наносится слой двуокиси кремния методом окисления моносилана. Производится изготовление окон в изоляционном слое для соединения токоведущих дорожек микросхемы с внешними выводами.

4. Разработка топологии кристалла

Основой для разработки топологии полупроводниковой ИМС является электрическая схема, требования к электрическим параметрам и к параметрам активных и пассивных элементов, конструктивно - технологические требования и ограничения.

Разработка чертежа топологии включает в себя такие этапы: выбор конструкции и расчет активных и пассивных элементов ИМС(см.пункт 3); размещение элементов на поверхности и в объеме подложки и создание рисунка (коммутации) между элементами; разработку предварительного варианта топологии; оценку качества топологии и ее оптимизацию; разработку окончательного варианта топологии (Приложение В). Целью создания топологии является минимизация площади кристалла ИМС, минимизация суммарной длины разводки и числа пересечений в ней. Работы по созданию топологии ИМС сводятся к нахождению такого оптимального варианта взаимного расположения элементов и качества ИМС: Низкий уровень бракованных изделий, низкая стоимость, материалоемкость, высокая надежность, соответствие получаемых электрических параметров заданным. [11, стр. 47-48]

При проведении технологических операций приоритетом пользуются в первую очередь активные элементы, все расчеты пассивных элементов основаны на размерах областей активных элементов. Необходимо отметить, что все активные элементы (транзисторы, диоды) разработаны по одной и той же технологии, следовательно, их топологический вид совершенно идентичен, различны только размеры областей, образующих транзисторы и диод. Типичная конструкция маломощного биполярнрго транзистора показана на рис.



При размещении элементов данной биполярной полупроводниковой ИМС на кристалле необходимо учитывать следующие требования и ограничения:

1. Каждый элемент ИМС должен размещаться в отдельной изолированной области; в изолированных областях располагаются также внешние контактные площадки и пересечения токоведущих дорожек.

2. Каждая изолированная область должна занимать как можно меньшую площадь.

3. Резисторы, изготовленные на основе базовой диффузии, могут быть расположены в одной изолированной области n-типа, которая должна быть подсоединена к наибольшему положительному потенциалу схемы.

4. Если в группе резисторов необходимо соблюсти стабильное отношение номиналов, их следует располагать рядом друг с другом.

5. Если в качестве диодов используются переходы эмиттер-база транзисторов, то все они могут быть помещены в общую изолированную область, при этом аноды диодов (базы транзисторов) с помощью внешней металлизации должны быть закорочены на изолированную (коллекторную) область.

6. Подложку p-типа следует соединить с источником отрицательной полярности.

7. Если в результате разработки топологии остались свободные участки площади, они могут быть использованы для увеличения наиболее критичных размеров элементов.

Исходя из вышеприведённых положений, разрабатывается топология кристалла, т.е. наиболее оптимальное размещение на кристалле элементов схемы и соединений между ними. Чертёж кристалла приведён в приложении Б. Элементы и соединения расположены с учётом конструктивно-технологических ограничений на минимально-допустимые размеры.

Пассивные элементы изготавливаются в едином технологическом цикле, что и активные элементы. Основными их недостатками является наличие паразитного транзисторного эффекта вследствие полевого эффекта и сильная температурная зависимость. Необходимо отметить, что большинство резисторов разрабатывались по одному и тому же внешнему виду - резисторы, резисторы R1,R2,R4 были реализованы в эпитаксиальном слое.

Необходимо также отметить, что в схеме генераторв напряжения имеется конденсатор. Форма обкладок конденсатора была выбрана квадратной, поэтому основной топологической характеристикой является длина стороны обкладки. Размер стороны одной обкладки конденсатора равен 158 мкм. Диэлектрик, который при этом использовался - двуокись кремния; материалом для обкладок служит алюминий.

6. Сборка ИМС

Под сборкой обычно подразумевают завершающий процесс соединения деталей и сборочных единиц (узлов), в результате, которого получается готовое изделие. Монтаж кристаллов на металлическое основание корпусов осуществляется пайкой с образованием золотой эвтектики. В стеклянных или пластмассовых корпусах, в которых отсутствуют металлические пластины в основаниях корпусов кристаллы приклепляют к несущей рамке легкоплавким стеклом в атмосфере энертного газа при температуре не более 250 ?С. Затем производится монтаж выходных контактных площадок на внутренние выводы корпуса.

Для защиты элементов ИС от воздействия внешней окружающей среды ее кристалл должен быть герметизирован. Наиболее просто герметизация может быть создана путем покрытия ристала тонким слоем защитного лака или компаунда (конформное покрытие). Для защиты ИС применяются заливочные и покровные органические материалы, обладающие высокими электороизоляционными и влагозащитными свойствами, устойчивостью к воздействию низких и высоких температур, не влияющих на параметры схем, эластичные и ремонтоспособные.

Могут быть рекомендованы самовулканизирующиеся эластичные компаунды типа КЛ на основе низкомолекулярных кремний - органических каучуков СКТН и СКТН - 1, работающие в диапазоне температур - 60…+300?С и в условиях повышенной влажности, а также компаунды - герметики типа ПЭК на основе эпоксидной смолы, модифицированной карбосилатным каучуком и полиэфиром. Эти компаунды отличаются прочностью, эластичностью, морозостойкостью и воздействию повышенной влажности. В качестве материалов для защиты от влаги используются лаки СБ-1с, УР-231, УР-930 и Э-4100, эпоксидно - крезольный лак ЭП - 096, кремний органические лаки К - 47 и К - 57. Для защиты поверхности кристаллов применяют компаунды типа МБК, виксинт, К - 18. Все перечисленные материалы обладают хорошими электроизоляционными свойствами.

Для надежной защиты от воздействия внешней среды при эксплуатации кристаллы или платы упаковываются в герметичные корпуса.

Корпус служит для защиты элементов ИС от влияния внешней среды, обеспечивает нормальную работу ИС в течении всего срока службы, надежное механическое и электрическое соединение платы или кристалла с другими элементами электронного блока. Корпус должен обеспечивать необходимую электрическую связь между элементами схемы и выводами. Должна гарантироваться электрическая изоляция между его выводами. Конструкция корпуса должна обеспечивать отвод тепла от кристалла. Корпус должен иметь удобную для печатного монтажа конструкцию по габаритам и расположению выводов.

Наибольшее распространение имеют четыре вида конструктивно - технологического исполнения корпусов. Металлостеклянный корпус имеет металлическую крышку и стеклянное (или металлическое) основание с изоляцией или пайкой. Металлокерамический корпус имеет металлическую крышку и керамическое основание, крышка соединяется с основанием заливкой влагостойким компаундом. Керамический корпус имеет керамическую крышку и основание, крышка соединяется с основанием пайкой. Пластмассовый корпус (наиболее дешевый) имеет пластмассовое тело, полученное путем опрессовки кристалла и рамки выводов [1, стр. 37-38].

В разрабатываемой конструкции будет применяться пластмассовый корпус с 5 выводами. Указания по монтажу кристалла и корпуса приведены на сборочном чертеже[11, стр. 159-160]. Для присоединения выводов к контактным площадкам кремниевых ИМС и внешним выводам корпуса прибора используется метод УЗ-сварки. Метод состоит в присоединении выводов в виде тонких металлических проволочек (диаметр 10…30мкм) к контактным площадкам при одновременном воздействии инструмента, совершающего высокочастотные колебания. Для изготовления проволоки применяются пластические металлы, обычно алюминий и золото. В качестве материала проволоки выбираем более дешевый алюминий. Достоинства такой сварки - соединение без применения флюса и припоев металлов в твёрдом состоянии при сравнительно низких температурах и малой их деформации 10…30% как на воздухе, так и в атмосфере защитного газа.

Так в микросхеме генератора напряжений используется пяти выводная микросхема в которой задействовано все пять выводов, два из которых используются как выводы для питания микросхемы (+ Е_п; общяя шина питания), один - в качестве сигнального выхода (вывод 4), а также предусмотрены две контактные площадки для подключения выносного резистора R3 (выводы 2 и 3).

Элемент R3 невозможно реализовать в интегральном исполнении в связи со значительными габаритными размерами резистора. Данный вывод следует из соответствующих расчетов интегрального резистора.

Заключение

В результате выполнения курсового проекта было разработана конструкция и технология изготовления полупроводниковой микросхемы выполненной в интегральном исполнении. Был произведен расчет элементов схемы, предусматриваемой заданием курсового проекта, их анализ. Разработана топология кристалла приведенная в приложении. Кроме того, был сделан обоснованный выбор технологии изготовления микросхемы, на основании которого разработан технологический процесс. Комплект чертежей ИМС и сборочный чертёж микросхемы в корпусе также приведены в приложении.

Список использованных литературных источников

1. С.В. Якубовский, Н.А. Барканов, Л.И. Ниссельсон и др., “ Аналоговые и цифровые интегральные микросхемы. Справочное пособие”;Под ред. С.В. Якубовского. - 2 - е изд., перераб. и доп. - М.: Радио и связь, 1985. - 432 с., ил.(Проектирование РЭА на интегральных микросхемах).

2. У. Титце, К. Шенк “ Полупроводниковая схемотехника”. Пер. с нем. - М.: Мир, 1983. - с., ил

3. Б.И. Горошков “Радио - электронные устройства: Справочник. - М.: Радио и связь, 1984. - 400с., ил. - (Массовая радиобиблиотека; Вып. 1076).