9763

Основы микроэлектроники. Технологии изготовления ИС

Реферат

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

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

Русский

2013-03-16

55.49 KB

51 чел.

Основы микроэлектроники

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

Технологии изготовления ИС.

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

Изоляция диэлектриком.

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

Основные понятия микроэлектроники: микроэлектроника; интегральная микросхема (ИС)

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

Интегральная схема, интегральная микросхема, микроминиатюрное электронное устройство, все или часть элементов которого нераздельно связаны конструктивно и соединены между собой электрически. Различают 2 основных типа ИС.: полупроводниковые (ПП) и плёночные.

элементы и компоненты интегральных схем

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

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

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

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

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

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

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

толстоплёночная интегральная схема;

тонкоплёночная интегральная схема.

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

СОВМЕЩЁННАЯ ИНТЕГРАЛЬНАЯ СХЕМА

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

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

навесные компоненты

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Аналоговые схемы

Операционные усилители.

Компараторы.

Генераторы сигналов.

Фильтры (в том числе на пьезоэффекте).

Аналоговые умножители.

Аналоговые аттенюаторы и регулируемые усилители

Стабилизаторы источников питания: стабилизаторы напряжения и тока.

Микросхемы управления импульсных блоков питания,

Преобразователи сигналов.

Схемы синхронизации.

Различные датчики (температуры и др.)

[править]Цифровые схемы

Логические элементы

Триггеры

Счётчики

Регистры

Буферные преобразователи

Шифраторы

Дешифраторы

Цифровой компаратор

Мультиплексоры

Демультиплексоры

Сумматоры

Полусумматоры

Ключи

АЛУ

Микроконтроллеры

(Микро)процессоры (в том числе ЦП для компьютеров)

Однокристальные микрокомпьютеры

Микросхемы и модули памяти

ПЛИС (программируемые логические интегральные схемы)

Цифровые интегральные микросхемы имеют ряд преимуществ по сравнению с аналоговыми:

Уменьшенное энергопотребление связано с применением в цифровой электронике импульсных электрических сигналов. При получении и преобразовании таких сигналов активные элементы электронных устройств (транзисторов) работают в «ключевом» режиме, то есть транзистор либо «открыт» — что соответствует сигналу высокого уровня (1), либо «закрыт» — (0), в первом случае на транзисторе нет падения напряжения, во втором — через него не идёт ток. В обоих случаях энергопотребление близко к 0, в отличие от аналоговых устройств, в которых большую часть времени транзисторы находятся в промежуточном (резистивном) состоянии.

Высокая помехоустойчивость цифровых устройств связана с большим отличием сигналов высокого (например, 2,5-5 В) и низкого (0-0,5 В) уровня. Ошибка возможна при таких помехах, когда высокий уровень воспринимается как низкий и наоборот, что маловероятно. Кроме того, в цифровых устройствах возможно применение специальных кодов, позволяющих исправлять ошибки.

Большое отличие сигналов высокого и низкого уровня и достаточно широкий интервал их допустимых изменений делает цифровую технику нечувствительной к неизбежному в интегральной технологии разбросу параметров элементов, избавляет от необходимости подбора и настройки цифровых устройств.

[править]Аналогово-цифровые схемы

цифро-аналоговые (ЦАП) и аналогово-цифровые преобразователи (АЦП).

Цифровые вычислительные синтезаторы (ЦВС).

Трансиверы (например, преобразователь интерфейса Ethernet).

Модуляторы и демодуляторы.

Радиомодемы

Декодеры телетекста, УКВ-радио-текста

Трансиверы Fast Ethernet и оптических линий

Dial-Up модемы

Приёмники цифрового ТВ

Сенсор оптической мыши

Преобразователи напряжения питания и другие устройства на переключаемых конденсаторах

Цифровые аттенюаторы.

Схемы фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) с последовательным интерфейсом.

Коммутаторы.

Генераторы и восстановители частоты тактовой синхронизации

Базовые матричные кристаллы (БМК): содержит как аналоговые, так и цифровые первичные элементы.

Технологии изготовления ИС.

 Структуры, электрические параметры микросхем и их элементов определяются технологией изготовления.
  Создание микросхем начинается с создания монокристаллических  полупроводниковых слитков  цилиндрической формы. Их получают в специальных реакторах путем выращивания кристалла из расплава кремния. Далее слитки многократно пропускают через индукционные печи с местным нагревом для удаления примесей и дефектов кристаллической решетки. Примесей должно быть менее одного атома на миллион атомов кремния.

     Слитки выращивают также на космических станциях.

Технологические приемы выращивания микросхем

 Эпитаксия -  процесс наращивания на пленку монокристаллического  слоя, повторяющего структуру подложки или ее кристаллографическую ориентацию.
Эпитаксиальная пленка создается на всей поверхности подложки. Одновременно в нее вводятся примеси , распределяющиеся равномерно по объему  пленки.
   На границе раздела пленки с подложкой  формируют p-n, n+-n p+-p переходы.
  Эпитаксия проходит в газофазной среде в реакторе при высокой температуре. В реактор последовательно подаются необходимые химические элементы.

Диффузия примесей – технологическая операция легирования – введение примесей в пластину или эпитаксиальную пленку.
    При высокой температуре (около 1000 оС) примесные атомы поступают через поверхность  и распространяются  вглубь вследствие теплового движения.
   Основной механизм проникновения  примесного атома  в кристаллическую решетку состоит в  последовательном  перемещении  по вакантным местам  решетки.

Как правило, легирование ведется  чрез  маску двуокиси кремния или нитрида кремния Si3N4.

    
Концентрация  вводимых примесей максимальна у поверхности и спадает по направлению в глубь пластины.

    Ионное легирование – технологическая операция  введения примесей  в поверхностный  слой пластины или эпитаксиальной пленки путем  бомбардировки ионами примесей.
    Получение ионов, их ускорение и фокусировку производят в специальных вакуумных установках.
   Пары легирующих элементов поступают в ионизационную камеру, где возбуждается  высокочастотный или дуговой электрический разряд.

   Образовавшиеся ионы ускоряются  в электрическом поле (до 300 кВ), фокусируются  в пучок с плотностью
тока до 100 А/м2 и площадью сечения 1-2 мм2.
Система сканирования обеспечивает перемещение пучка по заданной траектории. 

Травление представляет собой удаление  поверхностного слоя чаще всего химическим путем.
   Его применяют для получения максимально ровной бездефектной  поверхности пластин, удаления двуокиси и других слоев с поверхности.
   Локальное травление  используется для получения рисунка поверхности и масок.
   В основе жидкостного травления лежит  химическая реакция  жидкого травителя и твердого тела, в результате которой образуется  растворимое соединение.
   Локальное травление  осуществляется  через  маску.

Литография – процесс формирования отверстий в масках, создаваемых на поверхности пластин, предназначенных для локального легирования, травления, окисления, напыления и других операций.
  Она основывается на использовании светочувствительных  полимерных материалов – фоторезистов, которые могут быть негативными и позитивными. Негативные фоторезисты  под действием  света  полимеризуются и становятся  нерастворимыми в специальных веществах – проявителях.
   После локальной засветки  растворяются и удаляются  незасвеченные участки.

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

Изоляция элементов диэлектриком имеет несколько вариантов.

Метод изоляции окислом позволяет получить хорошую изоляцию как по постоянному, так и по.

Кроме того, данный метод диэлектрической изоляции позволяет изготовить на одном кристалле высокочастотные и низкочастотные диоды методом селективной диффузии золота, облегчает получение в одном кристалле р-п-р- и /г-уО-п-транзисторов.

Изоляция диэлектриком

Метод диэлектрической изоляции целесообразно использовать при разработках микромодцньис логических полупроводниковых интегральных 'Микросхем; Основным недостатком его является более высокая, еттшастъ по сравнению с планарно-элитаксиальным.

Многоэмиттерный транзистор

   Многоэмиттерные транзисторы n-p-n-типа отличаются от обычных тем, что в их базовой области р-типа создают несколько эмиттерных областей n+-типа.
    Основная область применения МЭТ – цифровые микросхемы транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ)

Транзистор с барьером Шотки

     Многоколлекторные транзисторы. Структура многоколлекторного

транзистора (МКТ) (рисунок 6.4 а) такая же, как и структура МЭТ, но

используется она иначе. Здесь роль эмиттера выполняет эпитаксиальный n-слой,

а коллекторами являются высоколегированные n -слои малых размеров. Поэтому

МКТ можно рассматривать как МЭТ в инверсном режиме

Интегральный диод.

Любой из р-n - переходов планарно-эпитаксиальной структуры может быть использован для формирования диодов, но только переходы база - эмиттер и база - коллектор действительно удобны для схемных применений. Имеется пять возможных вариантов диодного включения интегрального транзистора: а - переход база - эмиттер с коллектором, закороченным на базу; б - переход коллектор - база с эмиттером, закороченным на базу; в - параллельное включение обоих переходов; г - переход база - эмиттер с разомкнутой цепью коллектора; д - переход база - коллектор с разомкнутой цепью эмиттера.

Полупроводниковый резистор — полупроводниковый прибор с двумя выводами, в котором используется зависимость электрического сопротивления полупроводника от напряжения. В полупроводниковых резисторах применяют полупроводник, равномерно легированный примесями. В зависимости от типа примесей удаётся получить различные зависимости сопротивления от напряжения.

Конденсатор

 Структура МДП-конденсатора может быть следующей.

Одной из обкладок является  n+-слой, другой – слой металла (алюминий), а диэлектриком – слой диоксида кремния