Шпаргалки по "Микроэлектронике"

Применение ЭВМ в  микроэлектронике:

- проводится численный  анализ полупроводниковых материалов  и приборов. Созданы программы,  позволяющие определить плотность  носителей заряда в различных  областях устройства, пространственное распределение полей и потенциалов в различных областях объема ИМС при любых значениях напряжений смещения.

- моделирование технологического  процесса. Разработаны программы,  имитирующие процесс изготовления  и возникновения всевозможных случаев. Вычислительные программы позволяют вычислить технологические параметры, такие как температура, длительность отдельных стадий, концентрация и ускоряющие потенциалы и т.д. Все эти параметры влияют на свойства полупроводников.

- моделирование ИМС, анализ цепей, образованных из пассивных элементов, а также источников тока и напряжения; анализ основан на решении системы уравнений, связывающих между собой напряжения и токи в различных узлах ИМС.

Перечисленные операции позволяют выбрать оптимальную  структуру ИМС, всесторонне промоделировать её работу, а также найти технологические параметры, необходимые для процесса изготовления. Программным способом создаются рисунки фотошаблонов для каждого этапа технологического процесса. На последнем этапе изготовления ИМС проверяется правильность её функционирования. Схема контроля каждого типа ИМС должна быть разной и поэтому возникает необходимость использования ЭВМ.

 

 

 

 

 

 

10. Виды изоляции

а) Изоляция путем создания p-n – переходов, смещенных в обратном направлении. Конструктивно в ИМС коллектор погружен в подложку, которая имеет противоположный тип электропроводности. В ИМС создаются транзисторы n-p-n – типа на подложке p-типа, при этом между подложкой каждым коллектором возникает p-n – переход, включенный в обратном направлении и таким образом изолирующий транзистор.

 

 

б) Диэлектрическая изоляция, для  ее создания использую изопланарный процесс, который позволяет получить большую плотность размещения элементов, хотя и является более дорогим. Применяют  и процесс коррозии при химическом травлении (окисные слои обладают изоляционными свойствами). С помощью этого метода удается добиться высокой степени интеграции.

в) Полная изоляция. Используется при  необходимости получения малых  паразитных емкостей и (или) высокую  радиационную стойкость, при этом каждый элемент ИМС изолируется в ходе технологического цикла на общей подложке.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

11. Процессы получения микросхем по планарной технологии

Изготовление ИМС по планарной  технологии состоит в последовательном выполнении технологических операций, к числу которых относятся подготовительные операции, фотолитография, диффузия – заменяемая в последнее время ионной имплантацией, эпитаксия, оксидирование, металлизация. Планарный метод заключается в единстве технологического процесса. Он характеризуется тем, что все внешние границы элементов микросхемы выходят на одну плоскость пластины и находятся под слоем защитного диэлектрического покрытия.

Подготовительные операции: 1) выращивают монокристаллический слиток из кремния, затем его режут на пластины в нужном направлении с помощью алмазной дисковой пилы. 2) Механическая доводка (шлифовка) пластины до нужной толщины. В качестве абразива используют соответствующие порошки из корунда, карбида кремния или алмаза. 3) После тщательной физической очистки (ультразвуком) проводят полировку поверхности пластины путем травления в смеси уксусной и плавиковой или азотной кислот.

Технологическая схема планарной  технологии:

1. маскирование поверхности кристалла-оксидирования

2. фотолитография

3. локальная диффузия

4. металлизация

Упрощенная схема

 

При выполнении одного технологического ряда образуется планарный дискретный диод и т.д.

В приведенной схеме  - эпитаксиальная пленка на поверхности кристалла с p-типом проводимости. Планарная технология предполагает внесение изменений в технологические операции: замена способов оксидирования, фотолитогр. и т.д., что повышает точность и интеграцию элементов микросхемы. Технология также требует высшего качества чистоты материалов, производственных помещений, точности оборудования, т.к. брак на одной операции выводит из строя всю партию.

Главное достоинство  планарной технологии, являющиеся причиной её широкого распространения – возможность  использования метода для группового изготовления ИМС, что уменьшает разброс параметров и дает создавать приборы со стабильными характеристиками, не изменяющимися во времени.

 

12. Фотолитография

Цель этого процесса – перенос рисунков с фотошаблонов на поверхность пластины с тем, чтобы  в дальнейшем создать на ней необходимые слои. Последовательность операций: нанесение на поверхность фоторезиста, первичная сушка, совмещение фотошаблонов, экспозиция в ультрафиолетовом свете, проявление, вторичная сушка, химическое травление и удаление остатков фоторезиста. В последнее время при изготовлении ИМС, отдельные элементы которых имеют субмикронные размер, вместо UV-изучения применяют рентгеновское излучение, а также электронные и ионные пучки. Оптическое экспонирование проводят либо контактным, либо проекционным способом, причем возможно одновременно как экспонирование всего поля, так и экспонирование путем развертки и фотоповторения отдельных фрагментов. В результате фотоэкспонирования отдельные участки фоторезиста полимеризуются. Удаление не полимеризованого фоторезиста вместе с находящимся под ним оксидным слоем. В результате образуются окна, через которые осуществляется диффузия примесей.

 

 

13. Диффузия. Диффузия примесей из неограниченного источника

Диффузия является процессом, который позволяет направленно изменять параметры p- и n- областей полупроводниковых пластин, предварительно подготовленных в процессе фотолитографии. Этим способом создают p-n – переходы по биполярной технологии, а также стоки и истоки при МОП-технологии. Для диффузии в кремний в качестве акцептора служит бор, а в качестве донора – фосфор или мышьяк. Процесс заключается в нагреве пластины до температуры, не превышающей температуру плавления. Необходимые примеси поступают на поверхность пластины из газовой фазы. Кроме того, существуют и другие способы: когда примеси поступают из жидкой фазы или вводятся путем ионной имплантации.

 

 

Процесс диффузии примесей осуществляется через ‘’окна’’ в  оксидном слое , т.к. примеси диффундируют вглубь оксида очень плохо по сравнению с кристаллом кремния, что позволяет реализовать селективную (избирательную) диффузию, когда примеси внедряются лишь в пределах заданных областей. Процесс диффузии обычно проводится в 2 этапа. На 1-м осуществляют предварительное нанесение примеси. На 2-м добиваются проникновение примеси вглубь кремния. Количественное определение глубины диффузионного слоя и распределение концентрации примесей в нём осуществляется с помощью 1-го и 2-го законов Фика.

Первый закон связывает  поток примесей с градиентом их концентрации:

Функция увеличивается с ростом температуры.

Второй закон Фика: скорость изменения числа примесных  атомов в единице объёма равна  разнице между потоками примесей, входящих и выходящих из объёма:

Диффузия примесей может  осуществляться из неограниченного  источника примеси, расположенного на поверхности. При этом удается  создавать равномерно легированные профили, резкие переходы с высокой  концентрацией в прилегающих областях.

Решение уравнения 2-го закона Фика в этом случае имеет вид:

Где - начальная концентрация примесей на поверхности, L – диффузионная длина, erfc – дополнительная функция ошибок.

Случай сильного легирования – диффузия из неограниченного источника

1 – диффузия не  может существенно изменить количество  примесей на поверхности кристалла,  это означает, что поверхностная  концентрация примеси не изменяется, не зависит от времени протекания диффузии.

2 – в начале процесса  диффузии ненулевая концентрация  примеси существует лишь в  бесконечно тонком приповерхностном  слое кремния. Это означает, что N(x)=0 в момент времени t=0 при всех значениях х>0.

 

При диффузии примеси, противоположной по типу уже имеющейся в кристалле, образуется p-n переход там, где их концентрации равны.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

14. Диффузия. Диффузия примесей из ограниченного источника

Если диффузия примесей осуществляется из слоя, который предварительно создан на поверхности, то имеет месот диффузия из ограниченного источника (до начала диффузии атомы примеси расположены (растворены) в очень узком приповерхностном слое).

При таком типе диффузии решение 2-го закона Фика имеет вид:

 где Q – количество атомов примеси, нанесенных на поверхность перед началом диффузии:

В этом случае поверхностная  концентрация примесей со временем уменьшается, а площадь под кривой профиля  диффузии остаётся постоянной.

При диффузии, происходящей по нормальному закону, поверхностная концентрация меньше, а глубина диффузии больше, чем при диффузии, происходящей по закону дополнительного интеграла вероятностей.

 

 

15. Эпитаксиальный процесс

Термин «эпитаксия» был введен для обозначения процесса ориентированного наращивания кристаллов на кристаллах.. Эпитаксиальный слой — это монокристаллический материал,  осажденный на кристаллическую  подложку,  сохраняющий

морфологию (структуру) этой подложки. В процессе эпитаксиального нарастания образующаяся фаза закономерно продолжает кристаллическую решетку имеющейся фазы с помощью образования переходного эпитаксиального слоя. Переходный слой способствует когерентному срастанию двух решеток по плоскостям и направлениям со сходной плотностью упаковки атомов, через него передается основная информация о кристаллической структуре подложки в нарастающий слой.

Известны  три  группы   процессов  эпитаксии:   авто-,  гетеро-   к хемоэпитаксия.

Автоэпитаксия  (от греч. авто —  само) — это  процесс ориентированного нарастания кристаллического вещества, однотипного по « структуре с подложкой,  отличающегося от нее только содержанием легирующих примесей.

Гетероэпитаксия (от греч. «гетеро» —  другой) — это процесс ориентированного нарастания вещества, отличающегося  по составу от вещества подложки, происходящий при их кристаллохими-ческом взаимодействии.

Хемоэпитаксия — это  процесс ориентированного нарастания вещества, в результате которого образование новой фазы происходит при химическом взаимодействии вещества подложки с веществом, поступающим из внешней среды. Полученный хемо-эпитаксиальный слой отличается по составу как от вещества подложки, так и от вещества, поступающего на ее поверхность.

Существует три основных технологических метода эпитаксии, отличающихся природой физико-химических явлений образования растущего слоя:

1) молекулярно-лучевая эпитаксия из молекулярных пучков в вакууме;

Эпитаксия из молекулярных пучков в вакууме является процессом прямого переноса вещества. Вещество-источник (монокристаллический кремний или германий) с помощью сфокусированного электронного пучка в высоком вакууме интенсивно испаряется, образуя поток молекулярных частиц, достигающих подложки без промежуточных взаимодействий. Осевшие на поверхность подложки частицы полупроводника под влиянием сил молекулярного взаимодействия образуют правильную структуру, определяемую кристаллической ориентацией полупроводника. Рост эпитаксиального слоя происходит вдоль поверхности, и растущий слой повторяет структуру подложки.

2) газофазная  эпитаксия с помощью химического взаимодействия вещества в газовой или парогазовой смеси, называемая газовой или химической эпитаксией;

При кристаллизации из газовой фазы с помощью химического взаимодействия атомы полупроводника переносятся в составе химического соединения, которое диссоциирует на подложке, освобождая атомы полупроводника (если в процессе участвуют элементарные полупроводники —германий и кремний) или его молекулы. Химические методы наиболее широко применяются при получении эпитаксиальных слоев в производственных условиях. Эти методы относятся к непрямым процессам переноса, сущность которых заключается в том, что в результате определенных химических реакций образуется полупроводниковый материал.

3) жидкофазная  эпитаксия в жидкой фазе путем рекристаллизации из расплава или раствора-расплава.

Метод жидкофазной  эпитаксии заключается в наращивании монокристаллического слоя полупроводника из расплава или раствора-расплава, насыщенного полупровод-никовым материалом. Полупроводник эпитаксиально кристаллизуется на поверхности подложки, погружаемой в расплав, при его охлаждении.

16. Ионная имплантация

Этот процесс часто  используют как промежуточный процесс предшествующий высоко температурной диффузии. В некоторых случаях он заменяет глубокую диффузию. Сущность этого метода заключается во внедрении вглубь пластины примесей в виде ионов с высокой энергией.

Процесс имеет ряд  достоинств:

1) имплантацию проводят при комнатной температуре, что позволяет избежать градиентного нагрева, который может изменить концентрацию примесей в диффузионных слоях, созданных на предыдущих этапах.

2) для маскирования  поверхности пластины можно использовать  тонкие слои оксида кремния, нитрита кремния, Si₃N₄ или слой фоторезиста.

К наиболее существенному  недостатку относится то, что при  бомбардировке ионами в кристалле  образуется большое число дефектов. Профиль распределения примесей при ионной имплантации описывается  гауссовой функцией:

N_max – максимальное значение концентрации примесей, х_max – координата точки максимума вдоль направления падающего пучка.

∆Х – среднеквадратическое отклонение.

N_max=3*10¹⁴*I / A*∆X²

I –ток пучка, А -площадь поперечного сечения пучка.

 

17. Металлизация ИМС

В ходе этого процесса осаждаются тонкие соединения – пленки металлов.

Существует 2 способа  металлизации: физический и химический, в обоих случаях используется парообразующая фаза. При первом методе металл испаряется за счет действия какого-нибудь источника: вакуумное испарение; бомбардировка электронами; катодное распыление.