Элементы полупроводниковых ИС: структура и свойства биполярных и униполярных (полевых) транзисторов.
В ИС используются биполярные n-р-n и р-n-р транзисторы и униполярные МОП и МДП транзисторы. Биполярные транзисторы изготавливаются в обычном планарном и планарно-эпитаксиальном исполнениях. Вторые имеют более высокие частотные и другие характеристики, но ТП сложнее.
Униполярные транзисторы бывают индуцированным и встроенным каналом проводимости. В общем случае такой транзистор явл. конденсатором. Верхняя обкладка –металлический затвор, нижняя –п/п (n-типа), а диэлектрический – слой SiO2 (МОП), SiN4(МДП).
Если к затвору приложить определенный потенциал в приповерхностный слой PSi подложки между областями стока С и истока И, имеющими проводимость n-типа, подтягиваются из объема п/п электроны. При некотором Ипорог может произойти инверсия проводимости, т.е. между И и С возникнет канал проводимости n-типа и между ними будет протекать электрический ток. Такие транзисторы имеют очень большой коэффициент усиления. Важным свойством МДП и МОП транзисторов является высокое входное сопротивление, у них простая структура и технология, размеры приблизительно в 10 раз меньше, чем у биполярных транзисторов. Т.к. в любых ИС самым сложным по конструкции и технологии элементом явл. транзистор, диодные, конденсаторные и резисторные структуры стараются формировать на основе его областей, хотя в некоторых случаях целесообразно их изготовить по собственной технологии.
6. Эл-ты п/п ИС: диодные, резисторные и конденс-е стр-ры.
Диод образуется между диффуз-ми слоями различной проводимости (рис.5). Технология Д идентична формированию транз-ра. На практике в качестве Д используют транз-ные структуры, включенные по диодным схемам.
Резисторы в ИС могут быть диффуз-ми на основе любой из структурных областей транз-ра с контактами к ним и тонкоплен-ми. 1-е имеют малые размеры и R=25Ом – 25кОм.Точность номинала диффузионных рез-ров ±(10-20)% и достаточно высокие рассеиваемая мощность и темп-ный коэф-ент сопротивления αρ.
Конденсаторы м.б. диффузионными, МОП и тонкопленочными. 1-е образуются обратно смещенным p-n-переходом. Их C явл-ся функцией f(Sпер,Nприм). С практически линейно изменяется с U; ΔС ≈ 20%; Смакс до 1000 пФ; Uпр = 7-10 В.
МОП-конд-ры форм-ся как затвор МОП-транз-ра, т.е. n+ПП-SiO2-Al пленка. У них хорошая линейность, Uпр ≤ 50 В, низкий αС, Суд = 104 пФ/см2. Осн-ой недостаток – большая паразитная С относит-но подложки. Тонкопл-ные конд-ры образ-ся осаждением пленки диэл-ка (SiO2 или Ta2O5) между пленками алюминия (пластины). Uпр сотни В (из-за хорошей изоляции от подложки), Суд = 900 пФ/см2 ( SiO2) или 3500 пФ/см2 (Ta2O5), ΔС - ±(5-10)%. Недостаток – дополнительные операции ТП.
Тонкопленочная токопроводящая система (ТТС) – металлическая пленка определенной конфигурации, которая играет роль контактов к активным областям ИС, внутрисхемных соединений и контактных площадок. Наиболее сложными являются ТТС ПП ИС: отдельные ее участки образуют невыпрямляющие контакты металл–ПП, токоведущие дорожки или контактные площадки, лежащие на изолирующем основании. Материал ТТС должен отвечать ряду специфических требований по электрофизическим, механическим, химическим свойствам: - обеспечивать невыпрямляющий контакт к кремнию n- и p-типа одновременно, иметь мин-ные величины собственного и переходного сопр-ния, быть стойким к электродиф-зии в нижележащие слои и др.; - обладать высокой адгезией к ПП, диэл-м и резист-м слоям, устойчивостью к мех-им нагрузкам, ударам и вибрации; - иметь равномерный хим-кий состав по толщине, стойкость к коррозии, контролируемую скорость травления, не образовывать вредных интерметаллических соединений, не растворяться в контактируемых мат-лах и др. В качестве мат-ла ТТС кремниевых ИС широко исп-ся алюминий. Он удовлетворяет многим из перечисленных требований, хотя и обладает рядом сущ-ных недостатков (низкая прочность и твердость, большой αl, наличие пленки Al2O3, сложность пайки и сварки и др.).
7. Планар техн-гия. Осн гр операций ТП изгот-я изделий МЭ
Планарн.техн-гии – сов-сть способов изгот-ния изделий ИЭ путем форм-ния их структур с 1ой рабочей стороны общей заготовки. Основана на создании в приповерхн-м слое п/п подложки, областей с разл.типом проводимости или разн.концентрацией примесей, в совокуп-ти образ-щих стр-ру прибора. Создается локал. введением в подложку примесей ч/з спец.маску (обычно SiO2), формируемую на подложке с пом.микролитографии. Послед-но проводя проц. форм-ния маски, литорграфии и диффузии можно получить в подложке области любой конфиг-ции с разл.электро-физ.св-вами. Т.к.все они имеют выход на одну сторону подложки можно ч/з окна в изоляции осущ-ть их коммутацию по электр.схеме при пом. тонкоплен. пров-ков, конфиг-ция кот.также осущ-ся литографией. Пленка SiO2 также исп-ся для защиты и изоляции стр-р в ходе ТП и экспл-ции приборов.
Сущ. тысячи разновид-тей ТП изгот-ния изделий по планарн.техн-гии, каждую из кот. может содержать тысячи операций, очередность и условия вып-ния кот.строго регламентировано. По критериям воздействия на исходн.мат-л, целям и рез-там ихм.разделить на гр-пы:
1.удаление мат-ла:*мех.обработка;*хим.травление; *плазмен. травл; *ионно-лучев.травл-ние.
2.нанесение мат-ла:*получ-ие пленок; *эпитаксиальное наращивание слоев.
3.форм-ние конфигураций эл-тов и окон в пленках: *разл.м-ды литографии; *микрофрезерование.
4.форм-ние областей с разл.электро-физ.св-вами: *диф-ное или ион-е легирование; *радиационно-стимулир.диффузия.
5.термообр-ка для предания мат-лам требуемых cв-в:*отжиг пленок;*сжигание контактов;*активиз-щий отжиг после имплантации.
6.соед-ние мат-лов:*сварка;*пайка;* сборка;*гермитизация.
7.контроль и подгонка.
8.вспомагат-е: *упаковка; *транспорт-е.
Для планарн.техн-гии хар-но многократное повтор-е ряда операций, каждый блок которых форм-ет опред.часть стр-ры, изменяя число блоков можно изго-ть любой прибор от простейшего диода до СБИС. Важн.эл-том планарн.техн-гии явл.чистота произ-ва. В-ва,исп-мые при изгот-нии изделий не должны содержать примесей, а рабочая атмосфера –вредных в-в и пыли. Для повышения точности, стабильности и воспроизводимости ТП в произв.помещениях создают спец.микроклимат (пост.темп-ра, влажность, скорость движения воздуха, его запыленность). Все эти и др.мероприятия относятся к понятию ”вакуумная гигиена”. Наиб. ответственные стадии ТП производят в “чистых модулях”.