Технология изготовления интегральных микросхем

                           

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                          СОДЕРЖАНИЕ.

 

1.Тенденции совершенствования ИМС.________________________3

2. ЦАП с переключателями и матрицей постоянного импеданса.__6

3.Литература.________________________________________________9

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                1. Тенденции совершенствования ИМС.

     Технология изготовления интегральных микросхем представляет собой совокупность механических, физических, химических способов обработки различных материалов (полупроводников, диэлектриков, металлов), в результате которой создается ИС.

    Повышение производительности труда обусловлено в первую очередь совершенствованием технологии, внедрением прогрессивных технологических методов, стандартизацией технологического оборудования и оснастки, механизацией ручного труда на основе автоматизации технологических процессов. Значимость технологии в производстве полупроводниковых приборов и ИС особенно велика. Именно постоянное совершенствование технологии полупроводниковых приборов привело на определенном этапе ее развития к созданию ИС, а в дальнейшем — к широкому их производству.

    Физические исследования полупроводников были начаты в XIX в.,однако возникновение полупроводниковой технологии обязано появлению транзистора (от англ. transresistance — переходное сопротивление). Германиевый транзистор с точечными переходами был; изобретен 23 декабря 1947 г. В 1950 г. методом выращивания слитка германия из расплава был изготовлен первый плоскостной транзистор с ?-?-?-структурой. Тогда же начал развиваться метод сплавления и в 1953 г. были изготовлены германиевые сплавные транзисторы с относительно тонкой (около 5 мкм) базой, получаемой локальным струйным электролитическим травлением пластин германия. Преобладание германия на первом этапе развития полупроводникового приборостроения было обусловлено тем, что его монокристаллы получить проще, чем монокристаллы кремния, поскольку при этом не требовались высокотемпературное оборудование и глубокая очистка. В 1954 г. появились первые кремниевые транзисторы с выращенным ?-?-переходом. В последующие годы интенсивно разрабатывался метод диффузии, и в 1958 г. были изготовлены диффузионные транзисторы с мезаструктурой, названной так потому, что поперечное сечение мезаструктуры напоминает плоскогорье (от исп. mesa — плато). Метод диффузии выгодно отличался от методов сплавления и выращивания слитка тем, что позволял на порядок увеличить точность задания нужной толщины базовой области и перейти к групповому способу производства транзисторов.

      Следующим шагом стало появление планарного (от англ. planar — плоский) процесса в 1959 г. Выращивание изолирующего слоя диоксида кремния на поверхности кремниевой пластины и получение в нем топологического рисунка заданной конфигурации с применением процесса фотолитографии позволили добиться прецизионного контроля за размерами элементов структуры приборов. Планарная технология на многие годы обусловила прогресс в производстве полупроводниковых приборов (ПП) и интегральных микросхем (ИМС). Наряду с нею одним из важнейших в технологии стал процесс эпитаксиального наращивания слоев полупроводника требуемых толщины и электрофизических свойств на монокристаллическую подложку, разработанный в 1960 г. Эпитаксиальная технология позволила создавать транзисторы с тонкой базой и низким сопротивлением коллектора, рассчитанные на высокие частоты и большие рассеиваемые мощности.

     Проблема сборки электронного оборудования, содержащего десятки и сотни тысяч компонентов — диодов, транзисторов, резисторов и др., — привела к созданию новой технологии, которая позволила избавиться от соединения множества дискретных компонентов.

     В 1959 г. была изготовлена первая полупроводниковая микросхема триггера на кристалле германия по мезадиффузионной технологии. В 1960 г. появились интегральные микросхемы на кремнии, изготовленные по пленарной технологии.

        Еще в 30-е годы был известен принцип работы полевого транзистора. Получение качественных монокристаллов позволило в 1958 г. изготовить полевой транзистор с управляющим р-п-переходом. В 1962 г. благодаря улучшению технологии обработки кремния были изготовлены полевые транзисторы с изолированным затвором, а в 1963 г. первые ИМС на таких транзисторах. Недостаточная отработанность технологии МОП-транзисторов (металл — оксид — полупроводник) сдерживала их широкое применение вплоть до 70-х годов. В середине 60-х годов в промышленности появился метод ионной имплантации, позволивший существенно повысить точность управления концентрацией и глубиной легирования.

     В начале 70-х годов интенсивно использовался метод ионно-плазменного распыления, были разработаны процессы электронной литографии, появилась технология «сухой» обработки структур, т. е. без применения жидких травителей и растворителей. Начался период бурного развития микросхем как на базе биполярных приборов, так и МОП-транзисторов. В это же время для контроля топологических чертежей и фотошаблонов стали применять вычислительные машины, что обеспечило высокое качество разработок и привело к созданию систем машинного проектирования микросхем. В конце 70-х годов появились автоматизированные технологические процессы и установки, управляемые микро-ЭВМ.

    Технология полупроводникового производства базируется в настоящее время на таких сложных прецизионных процессах обработки, как фото- и электронолитография, оксидирование, ионно-плазменное распыление, ионная имплантация, диффузия, термокомпрессия и др. К материалам, используемым в производстве приборов и микросхем, предъявляют высокие требования по чистоте и совершенству структуры. Для осуществления большинства технологических операций используют уникальное по характеристикам оборудование: оптико-механическое, термическое, ионно-лучевое. Процессы осуществляются в -специальных обеспыленных, помещениях с заданными влажностью и температурой.

     За короткий исторический срок современная микроэлектроника стала одним из важнейших направлений научно-технического прогресса. Создание больших и сверхбольших интегральных микросхем, микропроцессоров и микропроцессорных систем позволило организовать массовое производство электронных вычислительных машин высокого быстродействия, различных видов электронной аппаратуры, аппаратуры управления технологическими процессами, систем связи, систем и устройств автоматического управления и регулирования.

    Можно выделить два типа движущих сил технологического развития микроэлектроники: толкающие и тянущие. Толкающие силы - это усовершенствованные технологические процессы, обеспечивающие целевые улучшения ИМС. Тянущие силы - это экономические показатели, которые определяют себестоимость ИМС в период внедрения технологических инноваций. Эти два типа движущих сил зависят друг от друга. Но доминируют всегда экономические показатели, т.е. процесс миниатюризации ИМС в большей степени ограничен законами экономики, а не законами физики. Если технологические возможности производства по числу изготавливаемых функциональных единиц на кристалле опережают запросы рынка, процесс миниатюризации замедляется. В микропроцессорах не используется столько МОП-транзисторов, сколько их позволяют создать технологические возможности современного производства.

Согласно программе развития международной полупроводниковой технологии (The International Technology Roadmap for Semiconductors, ITRS), классическая КМОП-технология сегодня достигает насыщения. В ближайшее время будут последовательно осваиваться новые ее формы: КМОП на КНИ (кремний на изоляторе) с ультратонким полностью обедненным слоем  и многозатворные КМОП-структуры на КНИ. Одновременно большие средства вкладываются в развитие принципиально новой нанотехнологии, основанной на принципе изготовления ИМС "снизу вверх" (bottom-up), т.е. последовательного формирования наноэлементов микросхем от поверхности подложки. Таким образом, микроэлектронное производство в своем развитии для страховки от неудач и обеспечения заданного роста обобщенного показателя совершенства (ОПС) ИМС использует оба подхода.

     Таким образом, на протяжении последних 30 лет производство ИМС развивалось на базе классической КМОП-технологии. Это позволило получать максимальную прибыль в результате увеличения объема продаж более дешевых и более совершенных изделий. Чтобы сохранить лидерство на рынке в условиях жесткой конкуренции необходимо продолжать процессы масштабирования ИМС, несмотря на рост сложности и стоимости технологии их производства. Однако классическая КМОП- технология приближается к своему пределу, и начинается освоение новой нанотехнологии. Изменения производственного технологического оборудования и инфрастуктуры предприятий требуют огромных капиталовложений. Поэтому переход на принципиально новую нанотехнологию производства электронных устройств произойдет только после достижения пределов совершенствования КМОП ИМС.

 

 

 

 

 

 

 

2.ЦАП с переключателями и матрицей постоянного импеданса.

 

Цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) предназначен для  преобразования числа, определенного, как правило, в виде двоичного  кода, в напряжение или ток, пропорциональные значению цифрового кода.

Большинство схем параллельных ЦАП основано на суммировании токов, сила каждого из которых пропорциональна весу цифрового  двоичного разряда, причем должны суммироваться  только токи разрядов, значения которых  равны 1. Пусть, например, требуется  преобразовать двоичный четырехразрядный код в аналоговый сигнал тока. У  четвертого, старшего значащего разряда (СЗР) вес будет равен 2³=8, у третьего разряда - 2²=4, у второго - 2¹=2 и у младшего (МЗР) - 2⁰=1. Если вес МЗР I_МЗР=1 мА, то I_СЗР=8 мА, а максимальный выходной ток преобразователя I_{вых.макс}=15 мА и соответствует коду 1111₂. Понятно, что коду 1001₂, например, будет соответствовать I_вых=9 мА и т.д. Следовательно, требуется построить схему, обеспечивающую генерацию и коммутацию по заданным законам точных весовых токов. Простейшая схема, реализующая указанный принцип, приведена на рис. 3.

Сопротивления резисторов выбирают так, чтобы при  замкнутых ключах через них протекал ток, соответствующий весу разряда. Ключ должен быть замкнут тогда, когда  соответствующий ему бит входного слова равен единице. Выходной ток  определяется соотношением

 

 

    При  высокой разрядности ЦАП токозадающие  резисторы должны быть согласованы  с высокой точностью. Наиболее  жесткие требования по точности  предъявляются к резисторам старших  разрядов, поскольку разброс токов  в них не должен превышать  тока младшего разряда. Поэтому  разброс сопротивления в k-м  разряде должен быть меньше, чем 

 

DR / R=2^-k.

 

Из  этого условия следует, что разброс  сопротивления резистора, например, в четвертом разряде не должен превышать 3%, а в 10-м разряде - 0,05% и т.д.

Рассмотренная схема при всей ее простоте обладает целым букетом недостатков. Во-первых, при различных входных кодах  ток, потребляемый от источника опорного напряжения (ИОН), будет различным, а  это повлияет на величину выходного  напряжения ИОН. Во-вторых, значения сопротивлений весовых резисторов могут различаться в тысячи раз, а это делает весьма затруднительной реализацию этих резисторов в полупроводниковых ИМС. Кроме того, сопротивление резисторов старших разрядов в многоразрядных ЦАП может быть соизмеримым с сопротивлением замкнутого ключа, а это приведет к погрешности преобразования. В-третьих, в этой схеме к разомкнутым ключам прикладывается значительное напряжение, что усложняет их построение.

Эти недостатки устранены в схеме  ЦАП AD7520 (отечественный аналог 572ПА1), разработанном фирмой Analog Devices в 1973 году, которая в настоящее время  является по существу промышленным стандартом (по ней выполнены многие серийные модели ЦАП). Указанная схема представлена на рис. 4. В качестве ключей здесь  используются МОП-транзисторы.

 

Рис. 4. Схема ЦАП с переключателями  и матрицей постоянного импеданса

 

В этой схеме задание весовых коэффициентов  ступеней преобразователя осуществляют посредством последовательного  деления опорного напряжения с помощью  резистивной матрицы постоянного  импеданса. Основной элемент такой  матрицы представляет собой делитель напряжения (рис. 5), который должен удовлетворять  следующему условию: если он нагружен на сопротивление R_н, то его входное сопротивление R_вх также должно принимать значение R_н. Коэффициент ослабления цепи a=U₂/U₁ при этой нагрузке должен иметь заданное значение. При выполнении этих условий получаем следующие выражения для сопротивлений:

 

 

 

При двоичном кодировании a =0,5. Если положить R_н=2R, то R_s=R и R_p=2R в соответствии с рис.4.

Поскольку в любом положении переключателей S_k они соединяют нижние выводы резисторов с общей шиной схемы, источник опорного напряжения нагружен на постоянное входное сопротивление R_вх=R. Это гарантирует неизменность опорного напряжения при любом входном коде ЦАП.

Согласно  рис. 4, выходные токи схемы определяются соотношениями

 

а входной  ток