Структура микросхем

Тема 7. Производство полупроводниковых ИМС

Маркировка ИМС.

К Х ХХХХ ХХ ХХХ

1 2 3 4 5

1 - К – Микросхема общего применения, если буква «К» отсутствует, то эта микросхема военного применения.

2 - Буква которая может отсутствовать.Обозначает тип корпуса микросхемы

Р- пластик

М- керамика

Б- безкорпусная

3 - Номер серии 3 или 4 цифры

По номеру серии можно определить тип логики.

ТТЛ - 133, 134, 155, 559.

ТТЛШ - 555, 531, 1531, 533, 1533.

КМОП - 176, 561, 1561, 564, 1564.

4 - Функция микросхемы.

ЛЛ, ЛИ, ЛН, ЛА, ЛЕ.

Л- логическая функция.

ЛЛ - ИЛИ ИР - регистр

ЛИ - И ИЕ - счётчик

ЛН - НЕ ИВ - шифратор

ЛА - И-НЕ ИД - дешифратор

ЛЕ - ИЛИ-НЕ

TB - JK триггер

TD - RS триггер

ТМ - D триггер

ТТ - Т триггер

ИМ - Сумматор

СП - компаратор

КП - мультиплексор

ПР - преобразователь кода

5 - Номер микросхемы в данной серии.

К155ЛА4 - ИМС общего применения. ТТЛ И-НЕ.

К элементам полупроводниковых ИМС относятся транзисторы, диоды, резисторы, конденсаторы и тонкопленочная токопроводящая система.

Основным и самым сложным элементом всех конструктивно-тех­нологических групп ИМС является транзистор.

Различают биполярные и металл-диэлектрик-полупроводниковые (МДП) транзисторы. В последнее время в ИМС применяют и тран­зисторы другого конструктивного исполнения с различными элект­рическими характеристиками: быстродействующие транзисторы с барьером Шотки, полевые транзисторы с р-n -переходом, многоэмиттерные, многоколлекторные транзисторы, транзисторы со ста­тической индукцией и др.

Большинство биполярных транзисторов изготавливают по планарной технологии со структурой n⁺—p— n -типа, хотя в некоторых случаях используют и транзисторы р - п-р -типа (условно п⁺ и р⁺ обозначают области соответствующего типа проводимости, но с повышенной концентрацией примеси). Транзисторы п - р-n -типа (эмиттер — база — коллектор) имеют улучшенные элект­рические характеристики по сравнению с транзистором р - п-р -типа.

Конкретные значения электрических параметров транзисторов зависят от параметров физической структуры и ее геометрических размеров (глубины залегания коллекторного и эмиттерного перехо­дов, конфигурации и размеров областей эмиттера, базы, коллектора и т. д.), а также электрофизических характеристик материала струк­турных областей (профиля распределения примесей, удельного со­противления, подвижности, времени жизни носителей заряда и т. д.). Определяющее влияние на основные характеристики транзи­сторов — усилительные и частотные — оказывают характер рас­пределения примеси в структурных областях и способ изоляции транзисторных структур.

Формирование структуры транзистора и его изоляция определя­ются технологическим процессом изготовления, а электрофизиче­ские параметры, в том числе профиль распределения примеси, — способом проведения технологических операций и их режимами.

Биполярные транзисторы классифицируют по способу изоляции и технологии изготовления. По способу изоляции различают струк­туры, изолированные обратносмещенным р-n-переходом, ди­электрическим слоем и их комбинацией. Независимо от способа изоляции биполярные транзисторы подразделяют на планарно-диффузионные и планарно-эпитаксиальные.

Наиболее экономичной является планарно-эпитаксиальная тех­нология с изоляцией элементов обратносмещенным p-n-переходом. Поэтому такие транзисторы широко используются при построении различных микросхем. Кроме того, транзисторы, изготовленные по планарно-эпитаксиальной технологии, обладают улучшенными ха­рактеристиками по сравнению с планарно-диффузионными.

На рис. 7.1 приведены структуры транзисторов, наиболее широко используемых в ИМС и изготовленных по планарно-диффузионной и планарно-эпитаксиальной технологии.

Рис. 7.1. Структуры планарно-диффузионного (а) и планарно-эпитаксиального (б, в) транзисторов: 1 — пластина кремния; 2 — оксид кремния; 3 — скрытый слой

Планарно-диффузионные транзисторы с изоляцией обратно­смещенным p-n -переходом (рис. 7.1, а) изготавливают путем последовательного проведения локальной диффузии легирующих примесей для формирования всех областей (тройная диффузия) в пластину р-типа. Изолирующий p-n -переход создается в процессе формирования коллекторной диффузионной области. Недостатком планарно-диффузионных транзисторов является неравномерное распределение концентрации примеси по толщине коллекторной обла­сти, т. е. неравномерное сопротивление тела коллектора, достига­ющее больших значений. Это снижает пробивное напряжение перехода коллектор — пластина, что ограничивает их применение. Однако применение вместо диффузии ионного легирования позво­ляет значительно улучшить характеристики таких транзисторов и расширить область их применения.

Планарно-эпитаксиальные транзисторы (рис. 7.1, б) получают методом двойной диффузии. При этом базовая и эмиттерная области формируются локальной диффузией примесей в эпитаксиальный га-слой, предварительно выращенный на пластине кремния р-типа и являющийся коллектором, а изоляция обратносмещенным p-n -переходом осуществляется локальной разделительной диффузией на всю глубину эпитаксиального слоя, по всему периметру транзистора перед формированием базовой и эмиттерной областей.

Для уменьшения сопротивления тела коллектора и степени вли­яния пластины в планарно-эпитаксиальных транзисторах создают скрытый n⁺-слой в коллекторе (рис. 7.1, в). Его получают допол­нительной локальной диффузией донорной примеси (мышьяк или сурьма), которая предшествует эпитаксиальному наращиванию.

Транзисторы типа МДП подразделяют на два основных вида: 1) с индуцированным каналом (рис. 7.3, а), в которых канал на­водится (индуцируется) под действием управляющего напряжения на затворе; 2) со встроенным каналом (рис. 7.3, б), в которых канал между истоком и стоком создается технологическим путем, обычно локальной диффузией.

Рис 7.3. Структуры МДП-транзисторов с индуцированным (а) и встроенным (б) каналами: 1 — сток; 2 — затвор; 3 — оксид кремния; 4 — исток; 5 — встроенный канал

Транзисторы с индуцированным каналом в простейшей форме представляют собой конденсатор, в котором верхней обкладкой является металлический затвор, нижней - полупроводник (кремний р-типа), а диэлектриком — слой SiO₂. Если к затвору приложить положительное напряжение, то положительный заряд на затворе индуцирует отрицательный заряд в полупроводнике. С увеличением напряжения на затворе возрастает индуцированный заряд в полу­проводнике, что обусловлено перераспределением носителей заряда в приповерхностной области полупроводника. При определенном напряжении на затворе приповерхностный слой изменяет тип про­водимости, в результате чего индуцируется канал с проводимостью л-типа, соединяющий области истока и стока. Так как сопротивление канала зависит от напряжения на затворе, ток между стоком и истоком можно модулировать напряжением на затворе.

Диоды в цифровых и аналоговых ИМС находят широкое при­менение для выполнения как основных логических операций (И, ИЛИ), так и вспомогательных функций (расширения по входу, смещения и фиксации уровней напряжения, ускорения процессов включения и выключения и т. д.).

Диоды в полупроводниковых ИМС изготавливают на основе тех же диффузионных (эпитаксиальных) слоев и p-n -переходов, что и в биполярных транзисторах. Поэтому на практике в качестве диодов ИМС принято обычно использовать транзисторные структуры n-p-n -типа в диодном включении. Это обусловлено тем, что диоды изготавливаются в пластине кремния вместе с другими эле­ментами в едином технологическом процессе, поэтому возможности их оптимизации ограничены.

На рис. 7.3, а — д показаны структуры и модели пяти различ­ных вариантов (схем) диодного включения планарно-эпитаксиальных транзисторов, изолирован­ных обратносмещенным p-n -переходом: а — используется переход эмиттер — база, переход коллектор — база замкнут; б — используется переход коллектор — база, эмиттер замкнут на базу; в — используются оба перехода, эмиттер накоротко соединен с кол­лектором; г — используется пере­ход эмиттер — база, коллектор разомкнут; д — используется пе­реход коллектор — база, эмиттер разомкнут.

Диффузионные резисторы мо­гут быть реализованы на основе любой из структурных областей транзистора. Выбор конкретной области обусловлен удельным сопротивлением полупроводника, требуемым для получения необходимого номинала резистора. Для их включения в ИМС на поверхности структурных областей создают металлизацией омические контакты.

Тонкопленочный резистор конструктивно представляет собой пленку резистивного материала, заключенную между тонкопленочными контактными площадками (рис. 7.4 6).

Взаимосвязь конструктивных и технологических параметров ре­зисторов устанавливается основным уравнением для их расчета:

где р — удельное сопротивление резистивного материала; l — длина резистора; S — площадь сечения пленки; b — ширина резистора; h — толщина пленки резистора.

Рис 7.4. Структуры диффузи­онных резисторов, сформиро­ванных на основе базового слоя (а), базового слоя, ограниченного эмиттером (б), и эмиттерного слоя (в)

Структуры диффузионных рези­сторов на основе областей типового планарно-эпитаксиального транзисто­ра показаны на рис. 7.4. Наибольшим удельным поверхностным сопротивле­нием обладают резисторы, выполнен­ные на основе базового слоя, ограни­ченного эмиттерным переходом (рис. 7.4, б, однако воспроизводимость та­ких сопротивлений низкая. По этой ппнипнр игпольяллот в основном базовые (рис.7.4, а) или эмиттерные (рис.7.4, в) слои. Эмиттерные слои применяют для получения резисторов с малым сопротивлением.

В полупроводниковых ИМС обычно используются конденсаторы двух типов: на основе p-n -переходов (диффузионные) и со структурой металл-оксид кремния (диэлектрик) — полупроводник (МДП-конденсаторы). Конденсаторы любого типа характеризуются совокупностью следующих основных параметров: номинальная ем­кость С, удельная емкость С_о на единицу площади, технологический разброс емкостей (допуск) ±ДС, рабочее напряжение U_p, добротность Q и температурный коэффициент емкости (ТКЕ).

Структуры конденсаторов должны обеспечивать максимальное значение С_о, что позволяет создавать большие номинальные емкости на малой площади. Следует отметить, что ряд ИМС, в частности цифровые, разрабатывается с минимальным числом конденсаторов. Это связано с тем, что площадь, занимаемая конденсаторами, зна­чительно превышает площадь, занимаемую другими элементами (транзисторами, диодами). Наиболее часто конденсаторы применя­ются в аналоговых (линейных) ИМС.

Рис. 7.5. Структуры диффу­зионных конденсаторов на ос­нове р—п- переходов: а — изолирующего; б — кол­лекторного; в – эмиттерного

Диффузионные конденсаторы выполняются на барьерной емко­сти обратносмещенного p-n -перехода. При этом в качестве диэлектрика толщиной d выступает область объемного заряда p-n -перехода, характеризующаяся шириной w. Это означает, что удельная емкость диффузионного конденсатора определяется шири­ной области объемного заряда:

где е = 12 — диэлектрическая прони­цаемость кремния. В полупроводнико­вых ИМС на биполярных транзисторах диффузионные конденсаторы реализу­ются на основе переходов транзистора. Создание их не требует дополнитель­ных технологических операций, по­скольку используются те же переходы, что и в транзисторной структуре. На рис. 7.8 показаны типовые структуры диффузионных конденсаторов на осно­ве p-n -переходов планарно-эпитаксиального транзистора. Необходимым условием практического применения таких конденсаторов является соблю­дение полярности подключения смеща­ющего напряжения.

В полупроводниковых ИМС исполь­зуются конденсаторы на основе p-n -переходов с номиналом емкости примерно до С - 300 пф, рабочим напряжением U_p = 7...50 В, добротностью Q - 1...10, допуском АС = ±(15...20)% и ТКЕ = 2 • 10"⁴ К¹.

В МДП-конденсаторах в качестве нижней обкладки используется п -слой, в качестве диэлектрика — слой SiO₂ толщиной 0,08-0,1 мкм, в качестве верхней обкладки — пленка алюминия (рис. 7.9). Такие конденсаторы характеризуются примерно следующими параметрами: С_о - 650 пФ/мм², U_p - 50 В, Q - 10...100 и АС - ±10%. Они униполярны, причем их номинальное значение не зависит от при­ложенного напряжения.

Неотъемлемой частью любой ИМС является тонкопленочная токопроводящая система (ТТС) - металлическая пленка, которая играет роль контактов к активным областям ИМС, внутрисхемных соединений и контактных площадок. На рис. 7.6 дано схематическое изображение участка полупроводниковой ИМС с ТТС.

Рис. 7.6

До настоящего времени в качестве основного материала ТТС ИМС широко используется алюминий. Основными стадиями созда­ния ТТС на основе алю­миния являются:' осажде­ние пленки, получение заданной конфигурации ТТС, термообработка. Термообработку проводят для образования контакта между пленкой алюминия и полупроводником, так как на кремнии всегда имеется тончайшая плен­ка диоксида кремния SiO₂ толщиной около 5,0 нм.