Структуратвердотельных интегральных микросхем
Содержание
Введение
1. Основные видыструктур ИМС
1.1 Гибридные исовмещенные интегральные микросхемы
2. Степень интеграции
2.1 Факторы,ограничивающие степень интеграции
3. Причиныограничивающие минимальные размеры интегральных микросхем
4. Микросборкаоптоэлектронные ИМС
Литература
Введение
Твердотельнаяинтегральная микросхема – это законченный функциональный электронный узел,элементы которого конструктивно не разделены и изготавливаются в единомтехнологическом процессе, в объеме и на поверхности полупроводниковогокристалла.
Процесссоздания полупроводниковой микросхемы сводится к формированию вприповерхностном слое полупроводниковой пластины элементов (транзисторов,диодов, резисторов) и к последующему их объединению в функциональную схему пленочнымипроводниками по поверхности пластины (межсоединения).
Дляхарактеристики типа применяемых в ИМС транзисторов, а также технологическихметодов их изготовления пользуются понятием структура ИМС. В общем случаеструктура ИМС определяет последовательность слоев в составе микросхемы понормали к поверхности кристалла, различающихся материалов, толщиной иэлектрофизическими свойствами. Так, в практике производства ИМС используютструктуры на биполярных транзисторах (в частности, диффузионно-планарные, эпитаксиально-планарныеи др.) на МДП-приборах, структуры И²Л и т. д. Заданная структура ИМСпозволяет установить состав и последовательность технологических методовобработки пластины и определить технологические режимы для каждого метода.
1. Основные видыструктур ИМС
Нарис. 1 представлен фрагмент ИМС с диффузионно-планарной структурой, включающийбиполярный транзистор и резистор. Для одновременного формирования транзистора ирезистора необходимо, чтобы р-область резистора и изолирующая его n-область имели глубину иэлектрофизические свойства, одинаковые с областями соответственно базы иколлектора транзистора. Аналогичное соответствие должно обеспечиваться для всехэлементов, входящих в состав ИМС. Оно является главным признаком и непременнымусловием применения интегральной технологии и позволяет минимизировать числотехнологических операций, составляющих цикл обработки.
Такимобразом, интегральная технология представляет собой совокупность методовобработки, позволяющую при наличии структурного подобия (технологическойсовместимости) различных элементов ИМС формировать их одновременно в единомтехнологическом процессе.
Важноотметить, что выпускаемые в составе той или иной серии ИМС различногофункционального назначения имеют единую структуру и, следовательно, единую базовуютехнологию. Для базовой технологии характерны не только определеннаятехнологическая последовательность обработки и определенный комплектоборудования, но и постоянная, отработанная настройка оборудования, т. е.жесткие технологические режимы. Последнее является существенным дляэкономичности и эффективности процесса производства ИМС.
Очевидно,что базовая технология не зависит от размеров элементов в плане, их взаимногорасположения и рисунка межсоединений. Все эти свойства конкретной ИМС определяютсяв процессе топологического проектирования, а обеспечиваются фотолитографией —процессом избирательного травления поверхностных слоев с применением защитнойфотомаски.
/>
Рис.1. Фрагмент ИМС с диффузионно-планарной структурой:
T —транзистор; R — резистор
Топологиямикросхемы — чертеж, определяющий форму, размеры и взаимное расположениеэлементов и соединений ИМС в плоскости, параллельной плоскости кристалла.Поскольку элементы и соединения формируются путем последовательного отдельныхслоев (коллекторный слой, базовый слой и т. д.), различают общую и послойнуютопологию (рис. 2 в соответствии с рис. 1). По чертежу базового слоя, например,может быть разработан чертеж фотошаблона, с помощью которого создают окиснуюмаску для избирательной диффузии примеси р-типа.
Призаданном наборе элементов топология ИМС (точнее, рисунок межсоединений)определяет ее функциональные свойства. Можно представить себе кристалл,содержащий некоторый универсальный набор элементов (очевидно, с некоторойизбыточностью) и сплошной слой металлизации. Такие кристаллы в составе общейпластины могут быть «доработаны» по желанию заказчика до конкретныхфункциональных ИМС в зависимости от рисунка межсоединений, выполненного спомощью соответствующего фотошаблона. Описанная универсальнаяпластина-заготовка, получившая название базового кристалла, позволяетобеспечить экономичность производства ИМС более узкого, специальногоприменения, выпускаемых в небольших количествах.
/>
Рис.2. Фрагменты общей (а) и послойной (базового слоя) (б) топологии ИМС:
1— дефекты, возникшие на этапе металлизации;
2— дефекты, возникшие на этапе диффузии примеси
1.1Гибридные и совмещенные интегральные микросхемы
Применениеполупроводниковых интегральных микросхем, однако, ограничено рядом причин. Однаиз них заключается в том, что производство полупроводниковых ИМС оказываетсяцелесообразным лишь в крупносерийном и массовом производстве, когда становятсяэкономически оправданными значительные затраты на подготовку производства(главным образом на проектирование и изготовление комплекта фотошаблонов).Другая причина лежит в ряде ограничений на параметры элементов и ИМС в целом:невысокая точность диффузионных резисторов (±10%) и отсутствие возможности ихподгонки, невозможность получать конденсаторы достаточно больших емкостей,температурные ограничения, ограничения по мощности и др.
Нарядус полупроводниковыми ИМС поэтому разрабатывают и выпускают комбинированныегибридные интегральные микросхемы. Технологической основой таких ИМС являютсяпроцессы нанесения резисторов, конденсаторов, проводников и контактов в видепленок соответствующих материалов на диэлектрическую пассивную подложку.Поскольку активные элементы — транзисторы, диоды — не могут быть изготовлены попленочной технологии, их изготовляют по известной полупроводниковой технологии,а затем монтируют на общей подложке (рис. 3).
/>
Рис.3. Фрагмент гибридной ИМС:
R —резистор, С — конденсатор, ПП — кристалл полупроводникового прибора
Гибриднаяпленочная интегральная микросхема — ИМС, которая наряду с пленочными элементами, полученными спомощью интегральной технологии, содержит компоненты, имеющие самостоятельноеконструктивное оформление. В зависимости от метода нанесения пленочныхэлементов на подложку различают тонкопленочные (напыление в вакууме) и толстопленочные(трафаретная печать) гибридные ИМС.
ГибридныеИМС имеют худшие технические показатели (размеры, массу, быстродействие,надежность), чем полупроводниковые ИМС. В то же время они позволяют реализоватьширокий класс функциональных электронных схем, являясь при этом экономическицелесообразными в условиях серийного и даже мелкосерийного производства.Последнее объясняется менее жесткими требованиями к фотошаблонам и трафаретам,с помощью которых формируют пленочные элементы, а также применением менеедорогостоящего оборудования. В составе пленочных ИМС возможно получитьрезисторы с точностью ±5%, конденсаторы ±10%, а с применением подгонки — додесятых долей процента. Гибридно-пленочная технология позволяет реализоватьпрактически любые функциональные схемы.
Стремлениерасширить область применения полупроводниковых ИМС привело к созданию другоготипа комбинированных микросхем (рис. 4). При их изготовлении полупроводниковуютехнологию совмещают с тонкопленочной технологией для создания некоторых пассивныхэлементов, к которым предъявляются повышенные требования по точности итемпературной стабильности.
/>
Рис.4. Фрагмент совмещенной ИМС:
Т— транзистор, R — пленочный резистор.
Совмещеннаяинтегральная микросхема — это комбинированная интегральная полупроводниковая микросхема, в которойнекоторые элементы (обычно пассивные) наносят на поверхность пластины(кристалла) методами пленочной технологии.
2.Степень интеграции
Известно,что полупроводниковые интегральные микросхемы по сравнению с аналогичными печатными схемами снавесными элементами имеют лучшие технико-экономические показатели: размеры имассу, надежность, быстродействие, стоимость. Известно также, что этипоказатели улучшаются с повышением функциональной сложности ИМС, т. е. сувеличением числа элементов, полученных с помощью интегральной технологии, свозрастанием степени интеграции.
Степеньинтеграции — это показательстепени сложности ИМС, характеризуемой числом элементов, полученных с помощьюинтегральной технологии на общем кристалле. Для характеристики степениинтеграции используют показатель К=lgN, где N — число элементов ИМС. В зависимости от значения К условноразличают ИМС малой степени интеграции, средней степени интеграции, большиеинтегральные схемы (БИС) и сверхбольшие (СБИС).
Повышениестепени интеграции ИМС является, таким образом, важнейшей задачеймикроэлектроники, в значительной мере определяющей основные тенденциисхемотехнических и конструкторско-технологических разработок.
2.1Факторы, ограничивающие степень интеграции
Средифакторов, ограничивающих степень интеграции, важное место занимаеттехнологический фактор. В полупроводниковой интегральной микросхеме нельзязаменить или даже исправить дефектный элемент. При наличии хотя бы одногодефектного элемента ИМС целиком бракуется. Плотность дефектов в свою очередь-определяется качеством технологического процесса и прежде всего процессафотолитографии.
/>
/>
/>
Рис.5. Формирование окисной маски:
а— окисление поверхностипластины;
б— нанесение фотослоя (1— «прокол» в фотослое);
в— экспонирование черезфотошаблон (2 — непрозрачный дефект на фотошаблоне);
г— проявление иобразование фотомаски (3 — «проколы» в фотомаске);
д— травление окисла иснятие фотомаски (4 — «проколы» в окисной маске)
Качествозащиты пластины окисной пленкой, с помощью которой избирательно вводят примесидля получения р- и n-областей (рис.5), зависит от ее однородности, сплошности. При наличии в слое окисной маскимикроотверстий («проколов») примесь проникает через них, образуя в полупроводникенезапланированные легированные микро-области, которые (в зависимости от ихрасположения) могут вывести соответствующий элемент из строя.
Причинамиобразования «проколов» могут явиться неоднородности в светочувствительном слое(частицы пыли, пузырьки и т. п.), а также дефекты в рисунке фотошаблона(«проколы» на непрозрачных участках рисунка или светонепроницаемые точечныедефекты на прозрачных участках). Элемент (а следовательно, и вся схема) выходитиз строя при попадании дефекта в некоторую критическую зону. Например, впроцессе эмиттерной диффузии примесей через проколы в окисной маске могутобразоваться высоколегированные микрообласти n+-типа. Такие области, если они приходятся на граничную зонуколлекторных и базовых областей, приводят к возникновению токов утечки черезпереход и пробою перехода (дефекты 2, см. рис. 2). Проколы в окисной маске, образующиеся при вытравливании в окисном слое окон под металлические контакты,приводят на этапе металлизации пластины к образованию паразитных контактов(дефекты 1, см. рис. 2) и к коротким замыканиям областей эмиттер — база, база —коллектор, резистор—изолирующая область и т. д.
Такимобразом, для конкретной ИМС на каждом этапе обработки можно говорить онекоторой критической площади, обусловливающей вероятность выхода из строяинтегральной микросхемы. Если обозначить Sкр критическую площадь кристалла ИМС, просуммированную по всемциклам фотолитографической обработки, d — среднее числопроколов на единицу площади, а распределение числа проколов, приходящихся накристалл ИМС, принять пуассоновским, то вероятность получения годного кристаллаИМС после всех операций обработки:
/> (1)
Изсоотношения (1) прежде всего следует, что повышение степени интеграцииуменьшает вероятность выхода годных ИМС, если площади элементов и качествопроцесса фотолитографии остаются на неизменном уровне. Таким образом, повышениестепени интеграции ИМС должно сопровождаться уменьшением площади элементов исовершенствованием процесса формирования защитных фотомасок. Высокое качествофотомаски предполагает прежде всего отсутствие в фотослое пылевидных частиц,газовых (воздушных) включений, остатков растворителя, а также высокое качествофотошаблонов (низкую плотность дефектов). В свою очередь, при изготовлениифотошаблонов также используются фотомаски, к которым предъявляются еще болеежесткие требования.
Дляповышения качества фотолитографических процессов в производственных помещенияхсоздают обеспыленную атмосферу, а для производственного персонала устанавливаютопределенные правила производственной гигиены.
Сдругой стороны, из выражения (1) видно, что повышение степени интеграции принеизменном качестве технологического процесса возможно за счет уменьшенияплощади, занимаемой элементами ИМС, и, следовательно, площади критических зон.К этому же результату приводит и сокращение числа циклов фотолитографии. Этотвторой путь реализуется разработкой новых типов структур либо с уменьшеннойплощадью, либо таких, для производства которых требуется меньшее числофотолитографических циклов обработки (либо то и другое одновременно).
Нарис. 6 представлены структуры ИМС (на примере инвертора). Сокращение площадиструктуры S в случае КМДП достигнуто заменойколлекторного резистора дополняющим (нагрузочным) МДП-транзистором, а в случаеИ²Л — многоколлекторным биполярным транзистором, причем благодаряприменению n-р-n- и р-n-р-транзисторов достигаетсясовмещение отдельных областей переключательного транзистора итранзистора-инжектора. Во всех трех случаях сохраняется свойствоуниверсальности структур: каждая из них пригодна для построения широкого классафункциональных электронных устройств.
/>
Рис.6. Реализация инвертора с помощью различных структур:
а— эпитаксиально-планарной с питанием через резистор;
б— КМДП-структуры; в — с инжекционным питанием (И²Л)
Длясоздания устройств более узкого функционального класса могут быть использованыспециальные структуры, позволяющие достичь высокой степени интеграции ИМС.Примером могут служить структуры на приборах с зарядовой связью (ПЗС), накоторых могут быть построены сдвиговые регистры, запоминающие устройства инекоторые логические элементы.
3.Причины ограничивающие минимальные размеры интегральных микросхем
Длявыбранной структуры ИМС минимальные размеры элементов ИМС в целом зависят отвозможностей фотолитографического процесса, которые характеризуются тремяосновными параметрами: 1) минимальным размером элемента, надежновоспроизводимым на полупроводниковой пластине, которым оценивается разрешающаяспособность процесса; 2) предельными отклонениями размеров элементов рисункаодного топологического слоя от номинальных; 3) предельным смещением рисункаодного топологического слоя относительно предыдущего (например, базового слояотносительно коллекторного, эмиттерного относительно базового и т. д.). Все этипараметры имеют характер технологических ограничений и учитываются приопределении размеров областей в плане, т. е. при топологическом расчете.Основной тенденцией развития литографических процессов является повышениеразрешающей способности этапа экспонирования рисунка.
Важнейшейпричиной, ограничивающей минимальные размеры элементов при экспонировании черезфотошаблон, является дифракция света. Поэтому стремятся использовать излученияс более короткими, чем световые, длинами волн (электронные, рентгеновские). Всвязи с этим все большее развитие получают электроно- и рентгенолитография.
Дляреализации высоких потенциальных возможностей, заложенных в электроно ирентгенолитографии, «необходимы и более совершенные методы. травления, стем чтобы уменьшить разброс в размерах элементов на полупроводниковой пластине.Применение химических растворов для избирательного травления, например окисикремния, становится неприемлемым из-за бокового подтравливания, размерыкоторого нестабильны по площади пластины. Здесь перспективным являетсяраспыление ионной бомбардировкой при наличии защитной маски (вакуум-плазменноетравление).
Наконец,для уменьшения погрешности совмещения топологических слоев ИМС требуются методыи средства совмещения шаблонов с подложкой, обладающие повышенной точностью, атакже специальные приемы структурно-топологического проектирования, позволяющиедостичь эффекта самосовмещения. Технологически самосовмещение достигается засчет естественных физико-химических механизмов, для чего необходимо расширятькруг технологических методов обработки (осаждение из газовой фазы,электролитическое окисление и наращивание, ионное легирование и т. п.).
Повышениекачества маскирующих пленок, разработка структур малой площади, совершенствованиепроцессов литографии — все это прямой, естественный путь повышения степениинтеграции ИМС. Он отражает непрерывный эволюционный процесс совершенствованияпроизводства ИМС, постепенного накопления условий и возможностей для повышениястепени интеграции.
4.Микросборка оптоэлектронные ИМС
Требованияразработки сложных функциональных устройств в миниатюрном исполнении опережаютвозможности интегральной технологии и заставляют прибегать к компромисснымконструктивно технологическим решениям. Одно из таких решений — объединениеряда кристаллов ИМС средней степени интеграции с помощью пленочныхмежсоединений на общей диэлектрической подложке и в общем корпусе [создание такназываемой микросборки (рис. 7)].
/>
Рис.7. Микросборка цифрового устройства:
а— общий вид (со снятой крышкой);
б— кристалл ИМС и участок межсоединений.
Вобщем случае микросборка представляет собой изделие типа большой гибриднойинтегральной микросхемы, включающее элементы, компоненты и (или) интегральные микросхемы(корпусные и безкорпусные). Микросборки позволяют в малых размерах реализоватьустройства со сложными функциями. Их разрабатывают и изготовляют применительнок конкретной радиоэлектронной аппаратуре с целью улучшения показателей ееминиатюризации. Типовой элемент замены (ТЭЗ) современных ЭВМ обычно выполняютна основе многослойной печатной платы (МПП) и набора ИМС в индивидуальныхкорпусах. Освобождая кристаллы ИМС от корпусов и заменяя печатный монтажпленочными микросоединениями, получают микросборку, выполняющую функции ТЭЗ, нообладающую малыми размерами и массой. Этот пример иллюстрирует общую тенденциюв развитии конструкций ЭВА, сопровождающую процесс повышения степени интеграцииИМС (передачу ей функций ТЭЗ, передачу ТЭЗ функций панели или блока и т. д., втом числе замену печатными платами трудоемкого.проводного монтажа) и состоящуюв проникновении ИМС на все более высокие уровни функциональной иерархии ЭВА.Это объективно приводит к повышению технологичности конструкций ЭВА.
Использованиемикросборок дает возможность преодолеть и еще одно противоречие, порождаемоетребованием повышения степени интеграции, а именно: сужение области примененияфункционально сложных ИМС, увеличение их номенклатуры и связанные с этимтрудности стандартизации. Поскольку микросборка представляет собой наборкристаллов ИМС средней степени интеграции, производство которых обособлено отпроизводства собственно микросборок, появляется возможность изготовлять микросборкипо единой типовой технологии независимо от состава кристаллов ИМС ифункционального назначения микросборки.
Высокийпроцент выхода годных БИС может быть достигнут за счет элементной избыточности.При проектировании топологии функциональную схему БИС расчленяют на рядсоставных функциональных частей (ячеек), каждую из которых дублируют в пределахкристалла БИС несколько раз, образуя группы. После формирования структурсоздают первый уровень межсоединений и периферийных контактов в пределах каждойячейки. В результате контроля на функционирование определяют дефектные ячейки.
Второйуровень межсоединений (а при необходимости и третий) объединяет группы ячеек вобщую систему, причем дефектные и неиспользуемые годные ячейки отключают отобщей схемы путем' разрыва проводников с помощью лазера или фотолитографии.
Микросборкии метод элементной избыточности — это компромиссное решение задачи повышениястепени интеграции, так как оба метода основаны на использовании экономическицелесообразной степени интеграции ячеек — составных частей БИС. В.первом случаедефектные ячейки-кристаллы отбраковываются на ранних стадиях процесса и непропускаются на сборку, во втором — сохраняются в составе кристалла, увеличиваяего площадь. Однако во втором случае обеспечиваются более высокиебыстродействие и надежность.
Конструкторско-технологическиевозможности для повышения степени интеграции ИМС далеко не исчерпаны. Однакоуменьшение размеров элементов требует и снижения потребляемой ими мощности, чтовлечет за собой снижение быстродействия, помехоустойчивости, надежности.Уменьшение объемов, занимаемых элементами, приводит к тому, что флуктуацииэлектрофизических свойств полупроводникового материала в микрообъемах снижаютвоспроизводимость параметров элементов даже в пределах одного кристалла.
Выходиз положения — отказ от традиционных методов построения функциональных схем каксовокупности простейших элементов (транзисторов, диодов, резисторов) иразработка элементов с более широкими функциональными возможностями. Такиевозможности открывает функциональная микроэлектроника. В функциональноймикроэлектронике носителем информации является многомерный сигнал, параметрамикоторого управляют динамические неоднородности среды, возникающие под действиемуправляющего сигнала. Например, в оптоэлектронных ИМС носителем информацииявляется оптический сигнал, который может быть промодулирован по интенсивности(амплитуде), фазе, поляризации иди длине волны (частоте). Поскольку в качествеуправляющих (в частности выходных) сигналов удобнее использовать электрическиесигналы, функциональная ИМС может включать в себя несколько звеньев«фотон-электронного» и «электрон-фотонного» преобразования.
/>
Рис.8. Фрагмент структуры оптоэлектронной ИМС
Нарис. 8 приведен фрагмент монолитной оптоэлектронной ИМС где происходитпреобразование типа «электрон-фотон-электрон». Для модуляции оптическогосигнала в ней могут быть использованы электрооптический (изменение показателяпреломления), магнитооптический (поворот плоскости поляризации) и другиеэффекты.
Развитиеразличных направлений функциональной микроэлектроники базируется наисследованиях новых материалов (прежде всего полупроводниковых) и новых методахих обработки. Подобно тому, как основой микроэлектроники в начале ее развитиябыл опыт производства полупроводниковых приборов, в функциональноймикроэлектронике используется весь арсенал технологических методов и средствсовременной микроэлектроники.
Выводы
Процесссоздания полупроводниковой микросхемы сводится к формированию вприповерхностном слое полупроводниковой пластины элементов (транзисторов,диодов, резисторов) и к последующему их объединению в функциональную схемупленочными проводниками по поверхности пластины (межсоединения).
СтруктураИМС используеться для характеристики типа применяемых в ИМС транзисторов, атакже технологических методов их изготовления.
Степеньинтеграции — показатель степени сложности ИМС, характеризуемой числомэлементов, полученных с помощью интегральной технологии на общем кристалле.
Литература
1. Достанко А. П. Технологияинтегральных схем. – Мн.: Вышэйшая школа, 1982. – 207 с.
2. Парфенов О. Д. Технологиямикросхем. – М.: Высшая школа, 1986. – 320 с.
3. Аваев Н. А., Наумов Ю. Ф., ФролкинВ. Т. Основы микроэлектроники. – М.: Радиосвязь, 1991.
4. Гурский Л. И., Зеленин В. А.,Жебин А. П., Вахрин Г. Л. Структура, топология и свойства тонкопленочныхрезисторов. — Мн.: Наука и техника, 1987. – 369 с.