WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


Pages:     || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 8 |
М. П. Романова ПРОЕКТИРОВАНИЕ И ТЕХНОЛОГИЯ МИКРОСХЕМ Ульяновск 2005 ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ Госуд арственно е обр азо вательно е учр ежд ение высшего про фессион ального обр азо вания Ульяно вский государственный технический уни верси тет М.П. Романова ПРОЕКТИРОВАНИЕ И ТЕХНОЛОГИЯ МИКРОСХЕМ Учебное пособие Ульяновск 2005 УДК 621.38.049.77(075) ББК 32.844.1я73 Р13 Утверждено редакционно-издательским советом УлГТУ в качестве учебного пособия Рецензенты: директор Ульяновского филиала ИРЭ РАН канд. техн. наук, профессор В. А. Сергеев;

канд. техн. наук,профессор кафедры А и РЭО УлВАУ ГА А. В. Ефимов УДК 621.38.049.77 (075) ББК 32.844.1я73 Романова, М. П.

Р13 Проектирование и технология микросхем: учебное пособие/М. П. Рома- нова. - Ульяновск: УлГТУ, 2005. - 83 с.

ISBN 5-89146-698-8 Пособие разработано в соответствии с программой дисциплины «Проектирование и технология микросхем». В нем изложены вопросы принципов проектирования и тех- нологии изготовления полупроводниковых интегральных микросхем. Предназначено для самостоятельной работы студентов, обучающихся по направлению 21.02.01.65.

Пособие подготовлено на кафедре «Проектирование и технология электронных средств».

Печатается в авторской редакции.

© М. П. Романова, 2005 ISBN 5-89146-698-8 © Оформление. УлГТУ, 2005 3 Оглавление Введение............................................................................................... 5 1. П Р О Е КТ И Р О В А Н И Е ПО ЛУПР ОВ ОД НИ КОВ Ы Х И Н Т Е Г Р А Л Ь Н ЫХ МИ КР О СХЕ М Н А Б И П О Л Я Р Н О М ТР АН ЗИ С ТО Р Е.................................................................................... 6 1.1. Особенности и преимущества планарной технологии...................... 6 1.2. Кремниевые структуры полупроводниковых интегральных микросхем..................................................................................... 7 1.3. Интегральный биполярный транзистор........................................... 1.4. Интегральные полупроводниковые резисторы.................................. 1.4.1. Классификация полупроводниковых резисторов и их характеристики.............................................................................. 1.4.2. Расчет диффузионных резисторов....................................................1.4.3. Расчет ширины и длины резисторов................................................. 1.5. Интегральные полупроводниковые конденсаторы............................. 1.5.1. Конденсаторы на основе р-n перехода............................................... 1.5.2. Конденсаторы на основе МДП структуры........................................ 1.6. Интегральные полупроводниковые диоды......................................... 1.7. Расчет топологических размеров диффузионных перемычек..............2. КО Н СТ Р У КТ О Р С КО - Т Е ХН О ЛО Г И Ч Е С КИ Е О СО Б Е Н Н О СТ И Э Л Е М ЕН ТО В ИН Т Е ГР АЛЬ НЫ Х СХЕ М Н А МДП Т Р АНЗ И СТ ОР АХ......................................................................... 2.1. Конструкции и основные параметры МДП транзисторов..................2.2. Резисторы на основе МДП структур............................................... 3. ПРО Е КТ ИР О В АН ИЕ ТО П О Л О Г И И ПО ЛУПР ОВ О ДНИ КО В Ы Х ИН Т Е ГР АЛЬ Н Ы Х МИ КР О СХЕ М......................................................

3.1. Правила проектирования изолированных областей........................... 3.2. Правила размещения элементов интегральных микросхем на площади кристалла...........................................................................3.3. Разработка эскиза топологии............................................................4. Г Е Р МЕ Т И З А Ц И Я ПО ЛУПР ОВ ОД НИ КОВ Ы Х И М С.......................4.1. Требования к защите интегральных микросхем................................... 4.2. Конструктивные исполнения бескорпусных БИС................................ 4.3. Расчет теплового режима ИМС......................................................... ЗАКЛЮЧЕНИЕ................................................................................... Приложение 1. Банк данных топологии интегральных биполярных транзисторов................................................................ Приложение 2. Основные сведения об элементах структур полупроводниковых интегральных схем........................ Приложение 3. Основные операции технологического маршрута и изготовления структуры ИС на биполярных транзисторах................................................................. Приложение 4. Виды и причины наиболее типичных дефектов на операциях технологического маршрута изготовления полупроводниковых микросхем.................................... Приложение 5. Конструктивно-технологические ограничения при конструировании ИМС на биполярных транзисторах, выполненных по планарно-эпитаксиальной технологии с использованием изоляции р - n переходом...................Приложение 6. Типичные характеристики интегральных полупроводниковых резисторов.................................... Б ИБ ЛИОГРАФИЧЕСК ИЙ СПИСОК................................................. ВВЕДЕНИЕ Быстрыми темпами развивается элементная база радиотехники и радиоэлек- троники. Традиционная радиоаппаратура представляла собой почти исключи- тельно комбинации линейных и нелинейных электрических цепей. Сейчас ин- тенсивно исследуются и внедряются в практику функциональные устройства и системы, производящие обработку сигналов за счет специфических явлений в твердых телах - полупроводниках, диэлектриках и магнитных материалах.



Важнейшую роль в современной жизни играют изделия микроэлектронной технологии. Быстродействующие интегральные микросхемы (ИМС) обуслови- ли широкий переход к новым цифровым способам обработки и преобразования радиосигналов, создание новых видов связи, например, мобильной связи. По- вышение эффективности производства радиоэлектронной аппаратуры, улуч- шение её качества и надежности может быть достигнуто лишь на основе широ- кого применения ИМС.

Производство ИМС приводит к существенному уменьшению массы, объема (габаритов), стоимос ти РЭА, снижению потребляе мой мо щности и повы- шению надежности. Выигрыш по надежности резко увеличивается с увеличе- нием сложности схемы. Групповая технология ИМС дает также выигрыш по стоимости, который значительно увеличивается с возрастанием степени инте- грации (количество элементов в одном кристалле). ИМС часто используют при создании устройств, мало чувствительных влиянию технологического разброса параметров элементов и к изменению температуры.

Знание основ микроэлектроники необходимо радиоинженеру для рациональ- ного выбора и применения элементной базы при создании новой радиоэлек- тронной аппаратуры (РЭА). Разработка ИМС представляет собой сложный процесс. Вопросы расчета и выбора конкретного технологического процесса создания ИМС решают с учетом особенностей разрабатываемой схемы, воз- можностей и ограничений, присущим различным способам изготовления.

Предлагаемое учебное пособие является обобщением теоретического и спра- вочного материала, который необходим для расчета и выбора технологии изго- товления полупроводниковых ИМС. В нем представлены вопросы расчета ин- тегральных элементов полупроводниковых ИМС на биполярных транзисторах и МДП структурах.

Большое внимание уделяется конструктивно-технологическим ограничениям при разработке топологии ИМС на биполярных транзисторах. Справочная часть пособия содержит пример технологического процесса изготовления по- лупроводниковых ИМС, а также банк данных биполярных транзисторов.

Пособие предназначено для подготовки студентов специальности 2102.«Проектирование и технология радиоэлектронных средств» различных форм обучения.

1. ПРОЕКТИРОВАНИЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ИНТЕГРАЛЬ НЫХ МИК РОСХЕМ НА Б ИПОЛЯ РНОМ Т РАНЗ ИСТОРЕ 1.1. Особенности и преимущества планарной технологии Особенностью планарной технологии является ее универсальность. Тех- нологический процесс состоит из трех повторяющихся операций (химиче- ская обработка, термическая обработка и фотолитография). Самые разнообраз- ные полупроводниковые приборы и интегральные схемы (ИС) можно созда- вать изменением только комплекта фотошаблонов и режимов термических процессов.

Планарные р-n переходы защищаются от окружающей среды диэлектрической пленкой двуокиси кремния непосредственно в процессе их создания, и защит- ная пленка двуокиси кремния сохраняется на всех этапах дальнейшего формиро- вания структуры элементов ИС. Эта особенность планарных р-n переходов обес- печивает высокую стабильность их параметров и надежность работы ИС.

Планарная технология характеризуется большим разнообразием геометри- ческих конфигураций, высокой точностью взаимного расположения и линейных размеров р-n переходов. Минимальные линейные размеры областей в планар- ных структурах ИС составляют в настоящее время 1-3 мкм. Высокая стабили- зация режимов при проведении термических процессов позволяет получить диффузионные слои толщиной до 0,1—0,2 мкм с разбросом ±10%. Это обеспе- чивает высокие электрические пара метры планарных приборов и микросхем, повышение плотности упаковки элемен тов в ИС, создание больших инте- гральных схем (БИС ) и сверхбольших инт егральных схе м (СБ ИС). В на- стояще е время уже разработаны ИС, содержа щие дес ят ки тыс яч эле ментов на одном кристалле кремния; с плотностью упаковки до 1000 элементов/мм2, а в бл иж ай ше м буду ще м чи сло эле мен то в на крис т алле во зрастет до 150000. При этом достигнуто исключительно высокое быстродействие ИС, ха- рактеризуемое временем задержки 0,1 - 0,2 нс на один логический элемент.

Особенностью планарной технологии является также использование в ней группового метода изготовления ИС. На одной пластине кремния одновре- менно изготавливается много ИС. Их число зависит от диаметра пластины и размера площади, занимаемой ИС. После изготовления элементов структур, по- лучения металлической разводки между элементами и металлических кон- тактных площадок для присоединения внешних выводов корпуса ИС пла- стина кремния разрезается на отдельные кристаллы, содержащие уже только одну ИС. Дальнейшая обработка каждого кристалла (сборка в корпус, при- соединение выводов) ведется индивидуально, что увеличивает стоимость процессов сборки ИС по сравнению с другими технологическими процессами.

В результате, как показывают оценочные данные, затраты на сборочные опера- ции составляют от 40 до 65% всех затрат на изготовление ИС в зависи мости от степени интеграции. В настоящее время для снижения стоимости сборки также используются групповые методы и в процессах сборки.

Групповой метод изготовления ИС - это своего рода интеграция техноло- гических процессов, т. е. объединение н едином времени технологических процессов изготовления сотен и тысяч ИС. Появилась тенденция расширять инте- грацию технологических процессов, объединяя их в непрерывный процесс, проходящий в единой реакционной камере или в замкнутой многокамер- ной системе. Уникальные структу рные параметры и электрические харак- теристики ИС достигнуты в производственных условиях, характеризующихся исключительно высокой технологической гигиеной, пользованием сложного технологического оборудования, особо чистых химических реактивов.





Высокие требования предъявляются к чистоте производственных поме- щений. В 1 л воздуха должно содержаться не более трех пылинок размером 0,мкм и более. В обычных условиях число пылинок обычно колеблется от 5000 до 1 000 000 в одном литре воздуха. При возрастании степени интеграции ИС требования к чистоте еще более повышаются. Для обеспечения этих усло- вий создаются специальные системы фильтрации воздуха на основе мощ- ных кондиционеров. Наиболее ответственные технологические участки располагаются в так называемых чистых комнатах, организуемых по принци- пу « комната в комнате», что улу чшает герметизацию помещений. Из осо- бых, нестирающихся, материалов должны изготавливаться стены, полы и потолки. Важное значение имеет спецодежда работающего персонала, которая должна быть изготовлена из материалов, не выделяющих пыле- вых частиц.

Требования к производственным условиям при использовании планарной технологии существенно выше тех, которые предъявляются при любом дру- гом технологическом процессе. Учитывая эту особенность планарной техноло- гии, можно отметить, что для повышения выхода годных приборов боль- шое значение приобретает автоматизация технологических процессов, по- зволяющая минимально уменьшить численность персонала, снизить влияние субъективных качеств операторов, проводящих технологические процессы.

1.2. Кремниевые структуры полупроводниковых интегральных микросхем В производстве ИМС обычно используются полупроводниковые материалы в виде монокристаллических слитков, имеющих форму, близкую к цилиндрической. Размеры слитков зависят от метода их выращивания и типа полупроводникового материала В настоящее время наибольшее развитие получили ИС на основе монокристаллов кремния. Выбор кремния обусловлен высоким качеством пленки двуокиси кремния, получаемой относительно простым технологическим способом.

Монокристаллический кремний. Промышленностьювыпускается для производст- ва интегральных микросхем и полупроводниковых приборов кремний, получае- мый методами Чохральского, бестигельной зонной и гарнисажной плавок. Первый метод обеспечивает получение слитков с кристаллографической ориентацией (111) и (100), а два других - с кристаллографической ориентацией (111).

Усло вно е обо з нач ение матер и ала включ ает в себ я у каз ание на гр уп пу ма- рок или мар ку кр емни я (пер вые ци фра и бу ква), подгр уппу маро к (по следу ющ ая ци фр а), по сле ч его следу ет набор бу кв и цифр, р аскр ывающих метод по лу чени я кр емни я, ти п э лектропро водн ости, легиру ю щий элемен т, номин ал уд ельного со- прот и влени я, ди аметр слитка.

Примеры условн ог о обоз н ач ени я:

1.1А5 КДБ 7,5 /0,1 —Кремний, полученный методом Чохральского (индекс К) дырочного типа электропроводности (индекс Д), легированный бором (индекс Б), с удель- ным сопротивлением 7,5 Омсм, диффу зионный длиной носителей заряда 0,1 мм, диаметр слитка 60 мм.

2. 1А4 КЭФ 5/0,Кремний, полученный методом Чохральского, электронного типа электро- проводности (индекс Э), легированный фосфором (индекс Ф), с удельным сопротивлением 5 Омсм и диффу зионный длиной носителей заряда 0,мм.

3. 2Б 2 БКЭФ 25/0,2 -Кремний, полу ченный методом бестигельной зонной плавки (индекс БК).

4. 2Г1 ГКЭФ Кр емний, по лу ч енный мето д о м г ар ниса жно й пла в ки ( инд екс Г К).

Если кр емн ий электро нн о го типа электро пр о во дн о сти легиру ется су р ьмой или мы шь яко м, о н о б о зн ач ается со о тв етст вен н о КЭ С или КЭ М.

В целях у мен ьш ен и я зар яд а, накапливающ его ся на гр ан иц е р аз д ела ме жд у по вер хн о стью кр емни я и ди электр ич ески м по кр ытием из д вуо ки си кр емния, и у луч шения таки м о бр азо м п ар аметро в элемен то в ми кр о сх ем из го то вляются кр ем- ни евые стр у кту р ы с ко мб иниро ванным ди электр и ко м.

Кре мн и ев ые стру кту ры с ко мби н и р ован н ым ди э лек т ри к о м.

Стру ктур ы под об но го типа пр ед ставляю т собо й кр емни евые п ластин ы- под ло жки то лщ и но й 2 00 - 3 00 мкм и ди аметр о м 40 мм. Под ло жки с п од го то вленно й по вер хн о стью, о твеч ающей тр ебо ван и ям тех но ло гии из го то вления ми кро сх ем, по кр ываю тся пленками ди электр и ко в: д вуо ки сью кр емни я ( SiО2) то лщ и но й о т 0,05 до 0,3 5 мк м, нитрид о м кр емния ( Si3N4) то лщино й о т 0,0 5 д о 0,35 мкм, д ву о ки сью кр емния ( вер х н яя пленка) то лщиной о т 0,5 до 1 мкм.

При ме р ус ловн ог о об оз н ач ен и я ККД 0,8 SiO0,05_Si3N0,05 SiO250 КЭФ 0,Кремниевая структура с комбинированным диэлектриком, подложка толщиной 250 мкм из кремния марки КЭФ 0,01, нижняя пленка дву - окиси кремния и средняя пленка нитрида кремния толщиной 0,05 мкм, верхняя пленка дву окиси кремния толщиной 0,8 мкм.

Кремниевые эпитаксиальные структуры.

Для производства полупроводниковых ИМС широко используются эпитакси- альные кремниевые структуры. Кристаллическая структу ра эпитаксиального слоя представляет собой высокосовершенный монокристалл. Если слой и под- ложка изготовлены из одного и того же материала, такая структура называется эпитаксиальной. Если материал слоя отличается от материала подложки, струк- тура называется гетероэпитаксиальной.

Пример условного обозначения однослойной эпитаксиальной структуры.

Pages:     || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 8 |










© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.