Поняття про мікроелектроніку (стр. 2 из 3)

-при виготовленні ІМС шляхом фотолітографії дифракційні явища не дозволяють одержувати зображення меншого від довжини застосованого світла. Щоправда, цю межу можна віддалити переходячи від ультрафіолетових променів до рентгенівських;

-товщина збідненого шару у p-n переходах, які лежать в основі роботи як біполярних, так і МОН-транзисторів, стає сумірною з розміром самого транзистора, або навіть більшою від нього. Транзистор перестає бути планарною (площинною) системою і за таких умов його нормальне функціонування порушується.

-при слабкому легуванні деяких областей транзистора (бази у біполярних транзисторах, каналу у МОН-транзисторах) відстань між окремими атомами домішку стає там сумірною з товщиною збідненого шару та розмірами транзистора. Матеріал у цих областях вже не можна вважати електрофізично однорідним. Починають давати взнаки флюктуації концентрації домішку, що призводить до непередбаченості у параметрах та функціонуванні транзисторів.

Отже, розміри елементів НВІС порядку 0.1 - 0.2 мкм, які можуть бути досягнуті у найближчі роки, стануть межею на шляху подальшої мікромініатюризації ІМС і для подальшого прогресу у цій галузі доведеться відшукувати якісь принципово нові шляхи відмінні від традиційних.

3.Плівкова технологія

Іншим напрямком розвитку технології мікроелектроніки є плівкова технологія. Тут елементи, що складають радіоелектронну схему, створюються на поверхні діелектричної платівки шляхом нанесенням на неї провідних, напівпровідникових та діелектричних плівок. Плівкова технологія поділяється на товстоплівкову та тонкоплівкову.

За товстоплівковою технологією на поверхню керамічної платівки через відповідні трафарети наноситься паста, яка потім впалюється у кераміку, утворюючи плівки товщиною 15...70 мкм. В залежності від складу пасти таким способом виготовляють або металеві з'єднувальні смужки–провідники, або резистори. Ємності виготовляють, послідовно наносячи шари металу, діелектрика і знову металу. Індуктивності можна зробити у вигляді провідної смужки, якій надана форма плоскої спіралі.

Звичайно, при тих малих розмірах, які потрібні в мікросхемах, такі індуктивності та ємності можуть мати лише вельми малої величини.

За тонкоплівковою технологією потрібний матеріал на поверхню керамічної або скляної пластинки наносять через трафарет (маску) напилюванням у високому вакуумі в формі плівок товщиною менше 1 мкм. З’єднувальні провідники виготовляють з алюмінію, міді, золота; резистивні шари створюються плівками хрому, ніхрому, танталу. Конденсатори виготовляють почерговим напиленням металевих та діелектричних плівок. За цією технологією окремі елементи можуть мати розміри в одиниці мікрометра, що значно менше розмірів елементів, одержуваних за товстоплівковою технологією.

Основний недолік плівкової технології полягає у тому, що в такий спосіб поки що не вдається створювати активні елементи більш-менш задовільної якості. Тому активні елементи для плівкових мікросхем звичайно виготовляють у вигляді навісних безкорпусних транзисторів, діодів чи напівпровідникових мікросхем. Такі мікросхеми з навісними активними елементами називають гібридними інтегральними мікросхемами (ГІС).

Оскільки тонкоплівкова технологія досить зручна для виготовлення пасивних елементів мікросхем, а планарна (напівпровідникова) дозволяє успішно створювати активні елементи, їх іноді об'єднують. Інтегральні мікросхеми, виготовлені в такий спосіб, .називають суміщеними[5].

Вище вже йшлося про те, що планарна технологія вимагає дорогого спеціального обладнання і висококваліфікованого персоналу. Тому процес проектування та технологічної підготовки до виготовлення напівпровідникових ІМС за планарною технологією стає рентабельним лише при умові випуску дуже великих серій виробів (не менше кількох мільйонів).

На відміну від цього, плівкова та гібридна технології більш прості та мобільні, виробництво гібридних ІМС доступне більш широкому колу підприємств. Плівкова технологія лишається рентабельною і при виготовленні невеликих та середніх серій; нею користуються звичайно там, де потрібно швидко та оперативно змінювати асортимент виготовлюваних ІМС

4. Деякі особливості технології виготовлення інтегральних мікросхем

У описаній вище (п.7.1) планарній технології колектор біполярного транзистора утворюється з тієї частини напівпровідникової підкладки, якої не торкнувся технологічний процес. Однак, в інтегральній мікросхемі подібна ситуація неприпустима, оскільки колектори всіх транзисторів мікросхеми виявилися б сполученими між собою через спільну підкладку. Тому в ІМС необхідно передбачити ізоляцію колектора кожного транзистора від підкладки, на якій він (транзистор) вирощений. Найпростіший шлях до цього є застосування потрійної дифузії при виготовленні npn-транзистора на p-провідній кремнієвій підкладці. Першим вирощується n-шар, який служитиме колектором (рис.4). Потім послідовно вирощують p-провідну базову область та n+ -провідну область емітера. При експлуатації до підкладки треба прикласти від'ємний відносно до колектора потенціал, щоб на межі підкладки і колектора утворився непровідний запірний шар, який забезпечує їх електричну ізоляцію.

Однак, транзистори, виготовлені методом потрійної дифузії, мають певні недоліки. В структурі, зображеній на рис.4, колекторний n-шар, який формується на етапі першої дифузії, виявляється неоднорідним: концентрація домішок зростає від донної області до поверхні. Тому на границі з базовим шаром концентрація домішку буде дуже великою і пробивна напруга колекторного переходу буде порівняно низькою. До того ж, процес потрійної дифузії складний і довготривалий. Тому зараз застосовують звичайно дещо інший шлях виготовлення транзистора. Спочатку на поверхню p-провідної підкладки з газової фази нарощується так званий епітаксіальний монокристалічний шар n-провідного кремнію товщиною 10-15 мкм, кристалічна структура якого є продовженням кристалічної структури підкладки (рис.5а). Тим самим створюється р–n перехід, котрий надалі ізолюватиме транзистор від підкладки. Далі описаним вище методом дифузії, по периметру майбутнього транзистора у епітаксіальному шарі створюється р -область, яка повинна "прорости" через цей шар і зімкнутися з р-провідною підкладкою (рис.5б). В результаті утворюється "острівець" з n-провідністю, оточений з усіх боків p-провідним кремнієм. В цьому острівку, який називають кишенею, відомим вже способом вирощують біполярний й npn-транзистор (рис.5в). Далі потрібно потурбуватися лише про те, щоб потенціал підкладки завжди був негативнішим відносно потенціалу колектора будь-якого з транзисторів інтегральної мікросхеми. Таким же шляхом – виміщенням у кишені – ізолюються і пасивні елементи ІМС.

У інтегральних схемах на МОН-транзисторах проблем з ізоляцією не виникає, оскільки кожний МОН-транзистор – його виток, стік і канал, яким притаманний інший закон провідності ніж підкладці, – вже "відгороджений" від неї запертим p-n-переходом. Це одна з істотних переваг інтегральних мікросхем на МОН-транзисторах.

Немає проблем з ізоляцією елементів і в плівкових ІМС, оскільки там всі елементи вирощуються на підкладках з ізоляційного матеріалу – скла або кераміки.

Та ж ідея - створювати елементи ІМС на діелектричних підкладках – виявилась дуже плідною і в планарній технології, коли навчились вирощувати епітаксіальні шари кремнію на кристалічних діелектричних матеріалах, наприклад, на сапфірі. Кристалічна структура сапфіра, котрий сам є добрим діелектриком, дуже подібна до структури кремнію і вирощування на ній епітаксіального шару виявляється цілком можливим (рис.6а).

Потім в утвореному шарі кремнію витравлять канавки, які досягають

самої поверхні сапфіра (рис.6б). Утворюються ізольовані острівці – кишені, в яких вирощують npn-транзистори (рис.6в).

Зараз робляться спроби вирощувати епітаксіальні плівки кремнію на алмазі, кристалічна структура якого також близька до структури кремнію. Окрім високих діелектричних властивостей, алмазу притаманна унікальна теплопровідність – вп'ятеро більша за теплопровідність міді. Це дуже важлива характеристика, оскільки відведення тепла є однією з причин, що обмежують мінімальні розміри елементів ІМС. Застосування алмазних підкладок сприятиме розв'язанню проблеми подальшого зменшення розмірів як окремих елементів ІМС, так і самих інтегральних схем у цілому.

Іншою істотною особливістю технології виготовлення мікросхем є те, що всі елементи ІМС створюються в єдиному технологічному процесі. Скажімо, всі резистори плівкової ІМС виготовляються одночасно, і, отже, мають однакову товщину та однаковий питомий опір матеріалу. Відрізнятися вони можуть лише довжиною і шириною шару за рахунок чого вони й мають різний опір. Або ж в ІМС, виготовлений за планарною технологією, робочий шар резистора вирощується водночас з базовим шаром транзистора і тому має ті ж самі електрофізичні параметри. Інакше кажучи, при виготовленні пасивних елементів ІМС вільність вибору значно менше ніж при конструюванні таких схем з дискретних деталей. В ІМС параметри пасивних елементів можна варіювати головним чином лише їх конфігурацією, тобто їх довжиною та шириною, а не товщиною шарів і електрофізичними властивостями матеріалу. В результаті номінали елементів ІМС виявляються в значній степені пов'язаними між собою та обмеженими за своїми значеннями. Так, наприклад, розглядаючи принципіальну схему будь-якої ІМС, можна переконатися в тому, що опір резисторів в ній лежить звичайно в межах 10³-10⁵ Ом. В схемах ІМС відсутні мегаомні опори. Немає також конденсаторів ємністю вище кількох тисяч пікофарад. Відсутні котушки індуктивності і, зрозуміло, трансформатори.