Тема: Материалы и основы технологии элементной базы микроэлектроники Автор: преподаватель кафедры, к. т. н. , Зубов Олег Евгеньевич
Микросхемы Микросхемой называется микроэлектронное изделие, имеющее эквивалентную плотность монтажа не менее 5 элементов в 1 см 3 объема, занимаемого микросхемой, и рассматриваемое как единое конструктивное целое. Интегральной микросхемой (ИМС) называется микросхема, все или часть элементов которой изготавливаются в едином технологическом процессе, нераздельно связаны и электрически соединены между собой так, что с точки зрения технических требований, испытаний, сбыта и эксплуатации представляют собой изделие, рассматриваемое как единое целое. ИМС по конструкции, применяемым в них материалам и технологии изготовления подразделяются на полупроводниковые, пленочные и гибридные.
Интегральные микросхемы Полупроводниковой ИМС называется интегральная схема, все элементы которой выполнены в объеме или на поверхности полупроводникового материала, являющегося основанием этой схемы. Пленочная ИМС состоит из элементов, выполненных на поверхности диэлектрического материала (подложки) в виде рисунка из пленок с различными электрическими свойствами. Пленочные элементы схемы толщиной до 1 мкм – тонкопленочная ИМС. Пленочные элементы схемы превышающие 1 мкм – толстопленочная ИМС Гибридной ИМС называется интегральная микросхема, выполненная по пленочной технологии, но часть элементов которой имеет самостоятельное конструктивное оформление. Микросборкой называется микросхема, все элементы которой до сборки имеют самостоятельное конструктивное оформление, изготовлены и испытаны по отдельности, и лишь на стадии общей сборки становятся неразделимыми.
Характеристики микросхем Эффективная плотность монтажа (плотность упаковки) определяется отношением количества элементов N, входящих в схему, к объему, занимаемому корпусом и монтажным пространством, необходимым для размещения микросхемы в аппаратуре, т. е. Э. П. М. = N/(Vкор + vмп) Степень интеграции определяется количеством элементов, входящих в схему, и оценивается величиной десятичного логарифма числа элементов, т. е. С. И. = lg. N поэтому степень интеграции может быть I, III, IV, V, VI.
Зонная теория твердых тел Удельное электросопротивление ρ материалов при температуре 20°С Проводники от 10 -6 до 10 -3 Ом∙см Полупроводники от 10 -4 до 1010 Ом∙см Диэлектрики от 109 до 1019 Ом∙см Энергетическое отличие полупроводников от металлических проводников и диэлектриков с точки зрения зонной теории твердого тела. 1 — заполненная электронами зона (валентная зона); 2 — зона свободных энергетических уровней (зона проводимости); 3 — запрещенная зона (ΔЕ).
Электронная (n) и дырочная (p) проводимость (полупроводники p – n типа) Размещение полупроводников в Периодической, системе элементов Д. И. Менделеева Группы элементов II Периоды 2 3 4 5 III IV V VI VII Be B C Si Ge Sn P As Sb S Se Te Cl Br J Ga In Донорная примесь Ge Ge Sb Акцепторная примесь Свободный электрон Ge Ge Ge Ga Ge Ge Дырка Ge Ge Ge Плоская модель кристаллической решетки полупроводника n – типа (германий легирован сурьмой) Плоская модель кристаллической решетки полупроводника p – типа (германий легирован галлием)
Влияние примесей на энергетическую диаграмму полупроводников Электропроводность электронная n – типа Электропроводность дырочная p – типа полупроводник с донорной примесью полупроводник с акцепторной примесью Электронная проводимость (n-типа) – направленное движение свободных электронов перешедших под действием внешнего энергетического воздействия из валентной зоны в зону проводимости. (n – negativus — отрицательный). Дырочнная проводимость (p-типа) – движение эквивалентного положительного заряда в валентной зоне (движение электронов в валентной зоне заполняющих образовавшиеся дырки за счет «эстафетной» передачи не занятых электронных уровней. (p – positivus — положительный).
Важнейшие характеристики полупроводниковых материалов - Тип проводимости ( «р» или «n» ); - Ширина запрещенной зоны (ΔЕ); - Подвижность носителей (электронов и дырок) (μn , μp) – отношение средней скорости направленного движения носителя заряда (Vcp) к напряженности электрического поля (Е), - Характер рассеяния электронов где μI - подвижность, зависящая от рассеяния на ионах примеси; μT - подвижность, зависящая от рассеяния на тепловых колебаниях решетки; - Время жизни основных носителей – измеренное временем уменьшение числа введенных в материал основных носителей в е раз вследствие их соединения с носителями противоположного знака (рекомбинации); -Удельное электрическое сопротивление
Влияние состава и структуры на свойства полупроводников Зависимость удельного сопротивления германия и кремния от концентрации примеси при 20°С %ат - атомный процент, выражающий количество атомов примеси, приходящихся на 100 атомов собственно полупроводника.
Требования к технологии полупроводников 1. Очистка высокой степени – содержание примесей в собственном полупроводнике не более, чем 10 -10 % ат. 2. Прецизионное легирование определенным элементами, с целью придания материалу заданного типа и величины проводимости. 3. Из легированного материала выращивают монокристалл с высоким совершенством и строго определенной ориентацией кристаллической решетки. 4. Вырезка пластин из монокристалла по кристаллографическим плоскостям. 5. Методами местного легирования пластин сформированы р – n переходы и области с заданными свойствами, для создания основы изготовления определенного прибора.
Методы очистки полупроводниковых материалов от примесей Химические методы Технологическая схема производства германия Концентрат двуокиси германия HCl Разложение в соляной кислоте Ректификация Ge + 4 НС 1 → Ge. Cl 4 + 2 Н 2↑, Ge. Cl 4 + 2 Н 20 → 4 НС 1 + Ge. O 2, Ge. Oe + 2 Н 2 → 2 Н 20 + Ge. Cl H 2 O Гидролиз Ge. O 2 H 2 Восстановление Ge мет. Удельное сопротивление германия после химической очистки 10 -2 Ом∙м, что соответствует содержанию примесей не более 0, 0001%.
Методы очистки полупроводниковых материалов от примесей Физические методы очистки Процесс равновесной кристаллизации полупроводника коэффициент распределения Диаграмма состояния полупроводник — примесь
Методы очистки полупроводниковых материалов от примесей Физические методы очистки Метод зонной плавки (очистки) Схема процесса зонной очистки и распределение примеси по длине полученного слитка: А — плавящаяся часть слитка; В — жидкая зона слитка; С — затвердевшая часть слитка; n-число проходов жидкой зоны в направлении, указанном стрелком
Методы очистки полупроводниковых материалов от примесей Физические методы очистки Метод зонной плавки (очистки) Устройство для зонной очистки в горизонтальном тигле Удельное сопротивление германия до 0, 6 Ом∙м, что соответствует собственной его проводимости
Методы очистки полупроводниковых материалов от примесей Физические методы очистки Бестигельная зонная очистка Схема бестигельнон зонной очистки: 1 — держатели слитка; 2 — слиток полупроводника; 3 — расплавленная зона; 4 — высокочастотный индуктор Удельное сопротивление кремния 160 Ом∙м
Выращивание монокристаллов и общее легирование полупроводников Метод вытягивания из расплава Схема установки для получения монокристаллов вытягиванием из расплава: 1 — кварцевая камера; 2 – графитовый нагреватель с тиглем; 3 — индукционная катушка; 4 — подвижный шток с затравкой; 5 — выращиваемый монокристалл
Получение р-n переходов в кристаллах полупроводниковых материалов Процессы легирования для изготовления р-n переходов в полупроводниках: 1. 2. 3. вплавление примесей; диффузионное насыщение примесью; эпитаксиальное наращивание монокристалла.
Вплавление примесей – процесс растворения полупроводника в расплавленном легирующем материале и кристаллизация полупроводникового материала из жидкого расплава. При кристаллизации атомы легирующего элемента захватываются растущим кристаллом (входят в состав твердого раствора замещения) и тем самым изменяют тип его проводимости. Диаграмма состояния германий — алюминии Вплавление алюминия: а) начальное состояние; б) состояние при высокой температуре; в) конечное состояние
Способы формирования p-n переходов в интегральных схемах Структура биполярного транзистора Типы подключения транзисторной структуры для организации пассивных элементов ИС Логический элемент из двух полевых транзисторов, изолированных р-n переходом
Методы местного легирования Легирование диффузией Диффузионный метод формирования p-n переходов является основой планарной технологии, при которой все структуры многих схем получаются воздействием на всю поверхность подложки. Сущность легирования диффузией состоит в насыщении открытого участка поверхности полупроводника примесью, поступающей к его поверхности из газовой, жидкой или твердой фазы. Характер распределения примесей по глубине при диффузионном легировании при температуре диффузии Т 1 и Т 2
Методы местного легирования Ограничения и недостатки диффузионного легирования Высокая температура процесса приводит к перераспределению примеси в ранее сформированных областях и смещению р-n переходов, что затрудняет воспроизводимость очень малых по размерам и точных полупроводниковых элементов Диффузия проходит нетолько по глубине, но имеет место боковая диффузия, которая увеличивает площадь отдельных областей и элементов в целом. Зависимость коэффициента диффузии и растворимости примеси в кремнии от температуры
Методы местного легирования Ионная имплантация – заключается в том, что разогнанные до высоких энергий с помощью линейного ускорителя ионы легирующих примесей бомбардируют заданную область полупроводниковой подложки и проникают в нее на расчетную глубину, с последующей термообработкой (отжиг) для того, чтобы внедренные ионы примеси заняли в кристаллической решетке места, в которых они сообщают полупроводнику нужные свойства. Ионное легирование: а) - схема процесса: 1 - поток ускоренных ионов примеси; 2 - маска; 3 легированная область; б) положение атомов примеси в кристаллической решетке полупроводника до отжига; в) - положение атомов примеси в кристаллической решетке полупроводника после отжига
Эпитаксиальное выращивание – это процесс ориентированного роста слоя одного кристаллического вещества на другом (ориентирующей подложке) Распределение примесей в эпитаксиальной структуре с р-n переходом
Схема установки для процесса эпитаксии пластин кремния Si. O 2 + 2 H 2 = Si + 2 H 20 (1200°С) Si + HC 1 = Si. Cl 4 + 2 H 2 (1200°С) Si. Cl 4 + 2 Н 2 = Si + 4 HC 1 2 BBr 3 + 3 Н 2 = 2 B + 6 НВr Si. Cl 4 + 2 СO 2 + 2 Н 2 = Si. O 2 + 2 СО +4 НС 1 (1250°С) Эпитаксиальное наращивание: 1 - осаждаемый слой, 2 - подложка
Скачать презентацию Тема Материалы и основы технологии элементной базы микроэлектроники
Технологии микроэлектроники.pptx