Файл: Курносов, А. И. Технология производства полупроводниковых приборов учеб. пособие.pdf

мультивибраторы, многовходные схемы НЕ—ИЛИ, сдвоенные трех­ входные схемы НЕ—ИЛИ, схемы, «исключающие ИЛИ», строен­ ные двухвходные схемы НЕ—ИЛИ, схемы усилителей синхрониза­ ции и др.

Резисторно-транзисторные схемы (рис. 13.1,0) довольно прос­ ты и обычно состоят из нескольких однотипных элементов. Отли-

Рис. 13.1. Разновидности интегральных схем

чаются эти схемы малой потребляемой мощностью и средним бы­ стродействием. Основное назначение их — работа в ключевом ре­ жиме. Подобные схемы используют в виде различных ключевых схем (сдвоенных двухвходных, четырехвходных), регистров, сум- < маторов, буферных усилителей и др.

Диодно-транзисторные схемы (рис. 13.1, г) достаточно сложны и состоят из большого количества различных элементов (несколь­

370

ко десятков на одном кристалле), что позволяет создавать много­ функциональные схемы. Схемы этой группы можно использовать в различных сочетаниях, например триггер в качестве счетчика или элемента регистра сдвига. Диодно-транзисторные схемы обла­ дают средним быстродействием и средней мощностью рассеяния. Модифицированные диодно-транзисторные схемы могут работать в системах с тактовой частотой 1—2 Мгц. На основе этих схем изготавливают однофазные триггеры, сдвоенные однофазные триг­ геры, пятивходные схемы НЕ—И или НЕ—ИЛИ, пятивходные схемы И или ИЛИ, сдвоенные и строенные трехвходные схемы НЕ—И или НЕ—ИЛИ, буферные усилители моностабильных муль­

тивибраторов и др.

Транзисторно-транзисторные схемы (рис. 13.1, д ) — самые быст­ родействующие. Элементами схем являются в основном обычные транзисторы, многоэмиттерные транзисторы и диффузионные рези­ сторы. Использование многоэмиттерных и обычных транзисторов значительно улучшает и стабилизирует температурные характери­ стики схем. Схемы обеспечивают большую нагрузочную способ­ ность при сохранении высокого уровня быстродействия. Схемы этой группы применяют при изготовлении счетверенных двухвход­ ных, строенных трехвходных, сдвоенных четырехвходных расши­ рителей, однофазных триггеров и др.

Схемы с объединенными эмиттерами (рис. 13.1, е) используют для переключателей большой мощности в бортовой аппаратуре.

Диодные матрицы (рис. 13.1, ж) представляют собой набор быстродействующих диодов, соединенных по определенному прин­ ципу. Количество диодов в матрице в зависимости от типа схемы может быть различным (от 4 до 64). Схемы этой группы исполь­ зуют в качестве быстродействующих логических элементов.

§ 13.2. Изготовление полупроводниковых интегральных схем

Основным полупроводниковым материалом при изготовлении интегральных схем является кремний. Это обусловлено следующи­ ми причинами. Во-первых, при использовании кремния возможен значительно шире интервал рабочих температур (до 150°С), так как ширина запрещенной зоны у кремния больше, чем, например, У германия. Во-вторых, на поверхности кремния можно получить стойкую окисную пленку, которая служит защитным покрытием при проведении ряда технологических операций, а также предо­ храняет готовую схему от внешних воздействий.

Наибольшее распространение в технологии изготовления инте­ гральных схем получил планарный метод, позволяющий одновре­ менно в течение одного технологического процесса получать боль­ шинство элементов интегральной схемы.

При изготовлении различных типов полупроводниковых инте­ гральных схем используют технологические операции диффузии и эпитаксии, что позволяет создавать активные и пассивные элементы интегральной схемы. Важнейшими технологическими

371

процессами являются изоляция отдельных элементов и функцио­ нальных групп и соединение их между собой.

Удельное сопротивление и толщину эпитаксиального слоя вы­ бирают такими, чтобы обеспечить высокое пробивное напряжение и малую емкость перехода коллектор—база.

ZZ222ZZZZZZZZZZZI

а>

JZZZZZZLJZZZZZk___4ZZL.

П

6)

V7777-A

61

Рис. 13.2. Технологический процесс изготовления интегральных схем

Эпитаксиальный слой (рис. 13.2, а) является основной обла­ стью для формирования транзисторов, диодов, диффузионных ре­ зисторов и конденсаторов. Эпитаксиальные пленки можно полу­ чать различными способами (см. гл. VI).

372

На поверхности эпитаксиального слоя путем термического окис­ ления выращивают пленку двуокиси кремния (S1O2) толщиной 0,05—1,5 мкм (рис. 13.2, а), которая служит защитным пассиви­ рующим слоем для р-я-переходов.

Для выделения локальных областей применяют метод фото­

литографии.

Через образованные с помощью фотолитографии «окна» (рис. 13.2,6) в пленке SiC>2 проводят локальную диффузию приме­ сей (в данном случае бора) в кремний с целью формирования изо­ ляционных областей. Так как бор диффундирует в кремний быст­ рее, чем в Si02, то проникновение его в эпитаксиальную пленку будет проходить только на участках поверхности, не защищенных пленкой двуокиси кремния. Для процесса диффузии бора выбирают такой температурный и временной режим, который обеспечивает проникновение его на глубину, превышающую толщину эпитак­ сиального слоя. Таким образом получают изолированные участки кремния я-типа (рис. 13.2,в), окруженные кремнием p-типа и за­ щищенные окисной пленкой. Изоляция обусловливается наличием р-я-перехода, возникающего вокруг каждой области я-типа. Меж­ ду каждыми двумя областями я-типа эти переходы образуют дио­ ды, включенные последовательно анодами навстречу друг другу. Поэтому, независимо от того, какой полярности появится напря­ жение между двумя участками я-типа, между ними всегда будет существовать обратно смещенный р-я-переход.

Впроцессе диффузии бора на всей поверхности пластины вы­ растает новый слой двуокиси кремния, а существовавший ранее слой двуокиси кремния на поверхности областей я-типа становится толще.

Для формирования баз транзисторов, резисторов и конденса­ торов методом фотолитографии получают другой рисунок в окис­ ной пленке (рис. 13.2,г). Примесь p-типа, например бор, вторично диффундирует через окна в окисном слое, но на меньшую глу­ бину.

Впроцессе вторичной диффузии всю поверхность пластины вновь покрывают слоем двуокиси кремния (рис. 13.2,6). Этот слой еще раз подвергают выборочному травлению для получения в ба­ зовых областях «окон» и проведения в них диффузии фосфора (рис. 13.2, е). Диффузия фосфора дает возможность получать эмиттерные области транзисторов, катодные области диодов и кон­ денсаторов, а также омические контакты к области я-типа.

Для обеспечения соединений между отдельными компонентами интегральной схемы в слое двуокиси кремния в тех местах, в ко­ торых предполагается делать контакты, к каждому компоненту схемы вскрывают «окна». После этого на поверхность пластины методом конденсации в вакууме или гальваническим осаждением наносят тонкое равномерное металлическое покрытие (рис. 13.2, ж) по заранее вытравленному с помощью фотолитографии рисунку. Таким образом, на поверхности пластины образуются токоведущие дорожки и соединительные металлические контакты между

373

транзисторами, резисторами, диодами, конденсаторами . и другими элементами интегральной схемы.

Пластины с интегральными схемами разрезают на отдельные кристаллы, содержащие по одной готовой интегральной схеме. Эти

ляции элементов интегральных схем. Механическую прочность схе­ мы обеспечивает поликристаллическая подложка, осажденная поверх участков, в которых сформированы приборы. На слои ис­ ходного кремния n-типа (рис. 13.3) термически наращивают слой окисла, на котором после травления получают рисунок (маску). Путем травления создают локальные области в кремнии, стенки

374

которых затем снова подвергают окислению. На кристалл поверх слоя окисла наращивают поликристаллический кремний. Затем пластину переворачивают и лишний материал «-типа удаляют травлением или шлифовкой, получая изолированные участки «-ти­ па. После наращивания окисла проводят диффузию акцепторных примесей и наносят металлические электроды, формируя МОПтранзисторы, биполярные транзисторы, резисторы. Данный метод довольно сложен, причем трудно получить пластинку с плоской поверхностью. Существует несколько вариантов этого метода.

В одном из вариантов предусматривается использование тон­ кого слоя карбида кремния (рис. 13.4). Сначала формируют слои окиси кремния и карбида кремния. Затем наращивают поликри­ сталлический кремний. Карбид кремния облегчает удаление лиш­ него кремния «-типа. Грубую шлифовку прекращают, когда дости­ гают прослойки карбида кремния. Ее удаляют непродолжительной тонкой шлифовкой. Этот метод имеет те же недостатки, что и ме­ тод изолирования поликристаллическим кремнием, и требует

375