Полупроводниковые ИМС

В первых дискретных полупроводниковых приборах (точечных и сплавных) электронно-дырочный переход формировался после разделения полупроводниковой пластины на кристаллы. Поэтому каждый кристалл требовал индивидуальной обработки.

Предпосылкой для создания монолитных микросхем стало получение электронно-дырочных переходов диффузией примеси в твердой фазе (1953 г.). Это позволило перейти к групповой технологии - созданию переходов одновременно для всех приборов в одной пластине до ее разделения. Это снизило трудоемкость обработки и стоимость приборов.

Сначала транзисторы с диффузионными переходами создавались по мезатехнологии: методом термической диффузии примесей создавался базовый, а затем и эмиттерный слои по всей площади пластины; базовые и эмиттерные области отдельных приборов маскировались, кремний вокруг этих областей протравливался до коллекторного слоя, который до разделения пластины на кристаллы оставался общим для всех приборов. Поэтому мезаструктура имела сложный рельеф, т.к. базовые и эмиттерные области возвышались уступами над коллекторным слоем. Маскирование можно было проводить только через трафарет, применяя пчелиный воск, битум или другие стойкие к травителям вещества.

Для переноса изображения и создания масок в 1957 г. был предложен метод фотолитографии, а в 1958 г. был разработан метод окисного маскирования кремния.

Соединение этих двух методов позволило перейти к планарной технологии (1959 г.): в 1958 г. был изобретен планарный транзистор, а уже в следующем году – освоен промышленный выпуск интегральных схем. С помощью фотолитографии создавались миниатюрные и точные по размерам окна в термостойком слое двуокиси кремния, в которые избирательно проводилась диффузия примеси. В результате любая диффузионная область ограничивалась p-n переходом с донной и боковых сторон и имела выход лишь на рабочую плоскость пластины.

Планарная технология обеспечивает выход всех областей элементов схемы на общую плоскость пластины и возможность их соединения с помощью пленочных проводников (межсоединений, которые формируются тоже методом фотолитографии). Таким образом планарная технология в сочетании с групповой обработкой большого количества идентичных схем на общей пластине (групповая пластина) решила проблему создания ИМС.

Полупроводниковая ИМС – это функциональный электронный узел, элементы и соединения которого конструктивно неразделимы и изготовляются одновременно в едином технологическом процессе в объеме и на поверхности полупроводникового кристалла.

Создание полупроводниковой ИМС сводится к формированию в приповерхностном слое полупроводниковой пластины элементов (транзисторов, диодов, резисторов) и их последующему объединению в функциональную схему пленочными проводниками по поверхности пластины (межсоединениями).

Для характеристики типа применяемых в ИМС транзисторов, а также технологических методов их изготовления используют понятие структуры ИМС.

Структура ИМС определяет последовательность слоев в составе микросхемы по нормали к поверхности кристалла, которые различаются материалом, толщиной и электрофизическими свойствами. Существуют структуры на биполярных транзисторах (диффузионно-планарная, эпитаксиально-пла-нарная и др.), на МДП-приборах и пр. Заданная структура позволяет установить состав и последовательность технологических методов обработки пластины, а также определить технологические режимы каждого метода.

На рис. 1.1 изображен фрагмент ИМС с диффузионно-планарной структурой, включающий биполярный транзистор и резистор.

Рис. 1.1. Фрагмент ИМС с диффузионно-планарной

структурой: Т – транзистор. R – резистор

Для одновременного формирования транзистора и резистора необходимо, чтобы р-область резистора и изолирующая его n-область имели глубину и электрофизические свойства, одинаковые с областями соответственно базы и коллектора транзистора. Такое соответствие должно выполняться и для всех других элементов, входящих в ИМС. Оно является главным признаком и необходимым условием применения интегральной технологии и позволяет минимизировать число технологических операций изготовления ИМС.

Интегральная технология – это совокупность методов обработки, позволяющая при наличии структурного подобия (технологической совместимости) различных элементов ИМС формировать их в едином технологическом процессе.

ИМС одной и той же серии, но различного функционального назначения, имеют единую структуру и единую базовую технологию, для которой характерны определенная последовательность обработки, определенный комплект оборудования, а также определенная настройка оборудования, т.е. жесткие технологические режимы. Это повышает эффективность и экономичность производства ИМС.

Базовая технология не зависит от размеров элементов в плоскости пластины, их взаимного расположения и рисунка межсоединений.

Эти свойства ИМС определяются топологическим проектированием и обеспечиваются фотолитографией – процессом избирательного травления поверхностных слоев с применением защитной фотомаски.

Топология микросхемы - это чертеж, определяющий форму, размеры и взаимное расположение элементов и соединений ИМС в плоскости, параллельной плоскости кристалла. Поскольку схема включает различные слои (коллекторный, базовый и др.), различают общую и послойную топологию.

По чертежу каждого слоя можно изготовить фотошаблон для создания оксидной маски, используемой для локальной диффузии примеси. Функциональные свойства ИМС определяет ее топология, а именно, рисунок межсоединений.

Можно создать кристалл с универсальным набором элементов (с избытком) и сплошным слоем металлизации. Такие кристаллы в составе общей пластины могут быть доработаны до конкретных функциональных схем в зависимости от рисунка межсоединений.

Такая универсальная заготовка – пластина называется базовым кристаллом. Она обеспечивает экономичность производства ИМС узкого назначения, выпускаемых в небольших количествах.