Разработка конструкции и технологии изготовления полупроводниковой микросхемы низкочастотного усилителя телефонного

     В связи с тем, что в процессе  производства возможны отклонения  параметров элементов, а в процессе  проектирования достаточно трудно  учесть все паразитные эффекты  и взаимодействия в конструкции  микросхемы, полученные в результате  моделирования характеристики микросхемы  должны иметь некоторый запас.  При разработке топологии необходимо  всегда стремиться к минимизации  размеров кристалла. От размеров  кристалла зависит его стоимость.[4]

 

 

 

 

 

Таблица 4.1 Конструктивно-технологические ограничения 

Минимально - допустимые размеры	мкм
Ширина линии скрайбирования слоя	60
Размер контактных площадок для термокомпрессионной приварки проводников	100x100
Расстояние между контактными  площадками	70
Размер контактных площадок тестовых элементов рабочей схемы	50x50
Ширина проводника
при длине ≤ 50 мкм	4
при длине ≥ 50 мкм	6
Расстояние между проводникам
при длине ≤ 50 мкм	3
при длине ≥ 50 мкм	4
Ширина области разделительной диффузии	4
Расстояние от базы до области разделительной диффузии	10
Расстояние между краем области подлегирования коллекторного контакта и краем разделительной области	10
Расстояние между краем разделительной области и краем скрытого n+- слоя	10
Расстояние между краем контактного  окна в окисле к коллектору и краем базы	7
Расстояние между краем контактного  окна в окисле к базе и краем  базы	3
Расстояние между эмиттерной и базовой областями	3
Расстояние между краем контактного  окна в окисле к эмиттеру и краем  эмиттера	3
Расстояние между контактным окном  к базе и эмиттером	4
Расстояние между базовыми областями, сформированными в одном коллекторе	9
Расстояние между эмиттерными областями, сформированными в одной базе	6
Расстояние между контактным окном  к коллектору и областью разделительной диффузии	10
Размеры контактного окна к базе	4x6
Размеры контактного окна к эмиттеру	4x4 или 3x5
Ширина области подлегирования n+- слоя в коллекторе	8
Ширина контактного окна к коллектору	4
Ширина резистора	5
Размеры окна вскрытия в окисле	2.5x2.5
Расстояние от края контактного окна к р+-разделительным областям для подачи смещения до края области разделения	6

 

 

Продолжение таблицы 4.1

Расстояние от края контактного окна к изолированным областям n-типа для подачи смещения до края области разделения	6
Ширина диффузионной перемычки	3
Размер окна в пассивирующем окисле	100x100
Расстояние от края окна в пассивации до края контактной площадки	6
Расстояние между соседними резисторами	7
Расстояние между диффузионными  и ионно-легированными резисторами	4
Расстояние между контактной площадкой  и проводящей дорожкой	20
Ширина скрытого n+-слоя	4
Перекрытие металлизацией контактных окон в окисле к элементам ИМС	2
Расстояние между контактными  площадками тестовых элементов	40

В соответствии с вышеизложенными  правилами и положениями, а также, руководствуясь конструктивно-технологическими ограничениями, приведенными в таблице 4.1, разработан чертеж топологии ССА 076218.001 ВО (Приложение Б), а также комплект чертежей фотошаблонов:

• скрытый n⁺ слой;
• слой разделительной диффузии;
• базовый слой;
• эмиттерный слой;
• слой для формирования контактных окон;
• слой металлизации;
• слой пассивации.

Оценкой качества разработки топологии  может послужить плотность упаковки, которая характеризуется коэффициентом  заполнения ИС.

Коэффициент заполнения – есть величина, равная отношению ориентировочной  площади кристалла  к общей его площади .

, ;

0,4855,

 

5. Разработка технологии изготовления  микросхемы

 

В качестве технологии изготовления данной ИМС выбрана планарно-эпитаксиальная технология с изоляцией обратно  смещенными p-n переходами. Эта технология широко используется в настоящее время для производства микросхем малой и средней степени интеграции. Причиной выбора данной технологии является ее простота и возможность формирования элементов в отдельных областях.

Сущность основных процессов в технологии изготовления интегральной ИМС заключается в следующем:

На  первоначальном этапе происходит формирование слитков кремния  и резка этих слитков алмазными дисками с внутренней режущей кромкой на пластины – базовые кристаллы, на которых будут сформированы в, последствии, элементы микросхем. Операция резки слитков определяет ориентацию поверхности, толщину пластины будущей микросхемы, плоскостность и параллельность сторон, прогиб. Затем поверхность кристалла тщательно шлифуют для устранения поверхностных повреждений, полученных в результате резки. Производят полирование. Полирование выполняют в несколько этапов, постепенно уменьшая размер зерна и твердость абразива, а на последнем этапе полностью исключают абразивное воздействие на обрабатываемый материал, что позволяет полностью удалить механически нарушенный слой с поверхности пластины. После полирования выполняется очистка, с целью удаления поверхностного слоя. Очистка кристалла заключается в том, что над поверхностью пластины пропускают HCl при высокой температуре и обмывают кристалл деионизованной водой, растворами моющих порошков, проточной водой, а затем сушат пластину до полного высыхания. Чистота поверхности пластины очень важна при изготовлении микросхемы, ведь даже небольшое загрязнение (пыль, посторонние вещества) может существенно изменить параметры кристалла и повлиять на работу будущего изделия. Поэтому очистку поверхности пластины всегда производят после механической обработки, перед термическими процессами, перед нанесением различного рода слоев, пленок и покрытий.

 Затем проводят окисление  поверхности кремния для формирования  окисла SiO₂, который будет служить маской при локальном введении примеси n-типа на последующей операции диффузии. Проникновение примеси через окисел практически исключено, так как диффузия таких примесей как бор, сурьма, фосфор  в окисле проходит в десятки раз медленнее чем в кремнии. В пленке окисла методом фотолитографии (фотошаблон ССА 076218.001 ВО лист 2) вскрывают окна в заранее заданных, определенных на стадии проектирования микросхемы, местах, через которые методом высокотемпературной диффузии вводят примесь n-

типа проводимости (сурьма) до предела  ее растворимости в кремний. Таким  образом, получается высоколегированный слой n⁺-типа , который называют скрытым.

После снятия (стравливания) окисла проводится операция эпитаксиального  наращивания  монокристаллического кремния  n-типа электропроводности, повторяющего структуру подложки. Этот слой в дальнейшем будет выполнять роль коллекторной области.

После повторного окисления  проводят вторую операцию фотолитографии (фотошаблон ССА 076218.001 ВО лист 3) по окислу для вскрытия окон под разделительную диффузию. Эта диффузия примеси p-типа проводимости(бор) проводится в 2 стадии: вначале через поверхность эпитаксиального слоя кремния в тех местах, где вскрыта окна в окисле, вводится определенное количество атомов бора, образующих высоколегированный p⁺- слой, который на второй стадии диффузии при высоких температурах  в окислительной среде разгоняется до толщины, превышающей толщину эпитаксиального слоя.

После формирования еще  одного слоя окисла и третьей фотолитографии (фотошаблон ССА 076218.001 лист 4)  вскрываются окна в окисле для проведения базовой диффузии над теми карманами, где будут формироваться транзисторы и резисторы на основе базового диффузионного слоя. Базовую диффузию примеси p-типа (бор) вновь проводят в две стадии, но на меньшую глубину, что может регулироваться температурой и временем процесса диффузии.

При проведении второй стадии базовой диффузии бора в окислительной  атмосфере  над карманами под  транзистор и резистор вновь формируется  пленка окисла.

В процессе четвертой фотолитографии (фотошаблон ССА 076218.001 ВО лист 5) вскрываются окна над областями эмиттера транзистора, коллекторного контакта, нижней обкладки конденсатора. Через эти окна проводят диффузию фосфора для получения высоколегированных n⁺-областей  эмиттера и нижней обкладки конденсатора. Одновременно с эмиттерной областью формируется и n⁺-область невыпрямляющего контакта к коллектору.

Далее проводится пятая  операция фотолитографии (фотошаблон ССА 076218.001 ВО лист 6)  по окислу вскрытия окон под контакты  ко всем областям транзисторов , к резисторам, и к нижним обкладкам конденсаторов, после чего на всю поверхность кремниевой пластины наносится алюминиевая пленка  толщиной около 1 мкм. В окнах, вскрытых в защитном окисле, алюминий образует электрический контакт с кремнием  после кратковременного отжига при температуре  500…550⁰С.

Далее проводится шестая операция фотолитографии (фотошаблон ССА 076218.001 ВО лист 7) по алюминию для формирования пленочной коммутации, верхней обкладки конденсатора и внешних контактных площадок.

Затем вся поверхность  кристалла покрывается слоем  защитного 

диэлектрика  наносимого из газовой  фазы методом плазмохимического  осаждения. Эта операция должна проводиться  ниже температуры плавления эвтектического сплава  Al-Si. После этого проводится седьмая фотолитография (фотошаблон ССА 076218.001 ВО лист 8) по пленке защитного диэлектрика для вскрытия окон под контактные площадки и ключ (этап пассивации). Одновременно в двух взаимно перпендикулярных направлениях параллельно сторонам кристаллов микросхем на пластине вскрываются дорожки для проведения операции скрайбирования  и разделения пластины на отдельные кристаллы.[6,c. 205-209]

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

6. Сборка микросхемы

 

Сборка  – завершающий процесс соединения деталей и сборочных единиц (узлов), в результате, которого получается готовое изделие.

Процесс сборки включает в себя три основные технологические операции: присоединение  кристалла к основанию корпуса; присоединение токоведущих выводов  к контактным площадкам и внешним  выводам полупроводникового кристалла; герметизация кристалла от внешней  среды.

Помещение полупроводникового кристалла  в  корпус применяется для его защиты от климатических, механических и радиационных воздействий, что обеспечивает работоспособность  микросхем в течение длительного  времени.

В разрабатываемой конструкции применяется  прямоугольный  пластмассовый корпус, имеющий четыре вывода.

Присоединение кристалла (позиция 1) к основанию  корпуса  осуществляется методом  клейки. В качестве клея используем ВК-9 (ОСТ 180215-84).

Данный  клей представляет собой двухкомпонентную эпоксидную композицию холодного отверждения. Состоящую из эпоксидных и полиамидных смол, модифицированных кремнийорганическими соединениями и минеральными наполнителями (асбест, нитрид бора, двуокись титана и др.). Предназначается для клеевых, клеесварных и клеерезьбовых соединений из стали, алюминиевых, магниевых и титановых сплавов, неметаллических материалов в конструкциях, работающих от минус 60С до плюс 125С длительно, при плюс 200С - 500ч и при плюс 250С - 5ч.[5]

Для присоединения токоведущих выводов  к контактным площадкам данной кремниевой ИМС и внешним выводам  корпуса  прибора используется метод термокомпрессионной  сварки. При этом методе соединении двух материалов, находящихся в твердом  состоянии, осуществляется при воздействии  тепла и давления. В результате таких воздействий на металлизированной  контактной площадке кристалла и  выводе корпуса, происходит пластическая деформация, создающая условия для  взаимной диффузии между соединяемыми элементами и образования прочного сварочного соединения. Для изготовления токоведущих выводов применяется  золотая проволока диаметром 50 мкм.

Сборочный чертеж микросхемы (ССА 076218.001 СБ) и спецификация к нему приведены в приложении В.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Заключение

В данном курсовом проекте реализована  конструкция и технология изготовления интегральной полупроводниковой микросхемы телефонного низкочастотного усилителя.