- •Введение
- •Развитие электроники
- •Особые свойства электронных приборов
- •Глава 1. Физические основы проводимости полупроводников
- •1.1. Общие сведения о полупроводниковых материалах
- •1.1.1. Энергетические зонные диаграммы кристаллов
- •1.1.2. Прохождение тока через металлы
- •1.2. Собственная проводимость полупроводников
- •1.3. Примесная проводимость полупроводников
- •1.3.1. Электронная проводимость. Полупроводник n-типа
- •1.3.2. Дырочная проводимость. Полупроводник p-типа
- •1.4. Однородный и неоднородный полупроводник
- •1.5. Неравновесная концентрация носителей
- •1.6. Прохождение тока через полупроводники
- •1.7. Уточнение понятий “собственные” и “примесные” полупроводники
- •Глава 2. Количественные соотношения в физике полупроводников
- •2.1. Распределение Ферми. Плотность квантовых состояний
- •2.2. Функция распределения Ферми – Дирака
- •2.3. Плотность квантовых состояний
- •2.4. Концентрация носителей в зонах
- •2.5. Собственный полупроводник
- •2.6. Примесный полупроводник. Смещение уровня Ферми
- •Глава 3. Электронно-дырочный переход
- •3.1. Образование и свойства р-п перехода
- •3.1.1. Виды p-n переходов
- •3.1.2. Потенциальный барьер
- •3.1.3. Токи р-n перехода в равновесии
- •3.1.4. Электронно-дырочный переход при внешнем смещении
- •3.2. Вольт-амперная характеристика р-п перехода
- •3.2.2 Влияние температуры на характеристику и свойства р-п перехода
- •3.2.3. Емкость р-п перехода
- •Глава 4. Полупроводниковые диоды
- •4.1 Диоды
- •4.1.1. Реальная вольт-амперная характеристика (вах) диода
- •4.1.2. Параметры диода
- •4.2. Разновидности диодов. Точечные и плоскостные диоды
- •4.2.1. Выпрямительные и силовые диоды
- •4.2.2. Тепловой расчет полупроводниковых приборов
- •4.2.3. Кремниевые стабилитроны (опорные диоды)
- •4.2.4. Импульсные диоды
- •4.2.5. Туннельные и обращенные диоды. Туннельный эффект. Туннельные диоды (тд)
- •4.2.6. Варикапы
- •4.4. Обозначение (маркировка) несиловых диодов
- •Глава 5. Биполярный бездрейовый транзистор
- •5.1. Устройство и принцип действия
- •5.2. Основные соотношения для токов. Коэффициент передачи тока
- •5.2.1. Возможность усиления тока транзистором
- •5.3. Три схемы включения транзистора
- •5.4. Статические характеристики транзистора
- •5.5. Предельные режимы (параметры) по постоянному току транзистора
- •5.6. Малосигнальные параметры и эквивалентные схемы транзистора
- •5.6.1. Зависимость внутренних параметров транзистора от режима и от температуры
- •5.6.2. Четырехполюсниковые h-параметры транзистора и эквивалентная схема с h-параметрами
- •5.6.2.1. Определение h-параметров по статическим характеристикам
- •5.6.2.2. Связь между внутренними параметрами и h-параметрами
- •5.7. Частотные свойства транзисторов. Дрейфовый транзистор
- •5.7.1. Частотно-зависимые параметры
- •5.7.2. Дрейфовый транзистор
- •Глава 6. Полевые (униполярные) транзисторы
- •6.1. Унитрон
- •6.3. Параметры и эквивалентная схема полевого транзистора
- •6.4. Обозначение (маркировка) и типы выпускаемых транзисторов
- •Глава 7. Тиристоры
- •7.1. Устройство и принцип действия тиристоров
- •7.2. Закрытое и открытое состояние тиристора
- •7.2.1. Закрытое состояние тиристора (ключ отключен)
- •7.2.2. Открытое состояние (ключ включен)
- •7.3. Включение и выключение тиристора
- •7.4. Параметры тиристора
- •7.5. Типы и обозначения силовых тиристоров
- •Глава 8. Интегральные микросхемы.
- •8.1 Общие сведения о микросхемах.
- •8.1.1 Классификация микросхем.
- •8.1.2. Обозначения имс
- •8.2. Сведения по технологии получения имс
- •8.2.1. Исходные материалы
- •8.2.2. Групповой метод. Планарная технология
- •8.3. Планарно – эпитаксиальный цикл.
- •8.3.1. Эпитаксия.
- •8.3.2. Окисление поверхности кремния.
- •8.3.3. Первая (разделительная) диффузия.
- •8.3.4. Вторая (базовая) и третья (эмиттерная) диффузии.
- •8.3.5. Металлизация (межсоединения).
- •8.3.6. Фотолитография.
- •8.4. Особенности и перспективы развития интегральных схем.
- •8.4.1. Особенности имс.
- •8.4.2. Перспективы развития.
- •Библиографический список
- •Глава 8. Интегральные микросхемы ……………………………………… 61 Библиографический список ……………………………………………….. 78
8.3.4. Вторая (базовая) и третья (эмиттерная) диффузии.
После 1-ой диффузии поверхность пластины (подложки) вновь окисляется (покрывается окислом кремния). Методами фотолитографии в пленке окисла получают новую систему окон (новую маску), как показано на рис. 8.2в. Окна маски расположены по центру карманов. При этой диффузии получают базовые области p-типа. Для этого проводят диффузию акцепторной примеси через новую маску. Порядок проведения второй диффузии такой же, как и 1-ой. После 2-ой диффузии в карманах получены две области: область n-типа, которая будет коллектором (или резистором) и область p-типа, которая будет базой (или резистором). После окончания второй диффузии поверхность пластины снова окисляется (покрывается окислом). Методами фотолитографии получают новую маску в слое окисла, через которую будет проведена 3-я (эмиттерная) диффузия донорной примеси. В результате после 3-й диффузии получают эмиттеры транзисторов, как показано на рис. 8.2г. В кармане, где предусмотрен резистор, 3-я диффузия может не проводится (если резистор будет размещен в базовой области). До сих пор операции получения ИМС и дискретных транзисторов одинаковы.
8.3.5. Металлизация (межсоединения).
После третьей диффузии проводят металлизацию – напыление в вакууме тонкого слоя (до 1 мкм) металла для получения контактных площадок (1,2,5 на рис. 8.2г) и внутренних соединений ИМС в функциональную схему, называемых межсоединениями (3,4 на рис. 8.2г). Межсоединения получают в виде полосок шириной 1015 мкм в обычных ИМС, в БИС до 5 мкм и менее. Основным материалом для металлизации является алюминий.
Перед металлизацией в слое окисла получают систему окон (маску) в тех местах, где должен быть контакт со слоем кремния. На рис. 8.2г это – коллектор транзистора (коллекторная область n-типа), эмиттер транзистора (эмиттерная область n-типа), анод диода (базовая область диода), катод диода (эмиттерная область диода) и контакты резистора (коллекторная область резистора). При создании металлической разводки (контактных площадок и межсоединений) сначала на всю поверхность напыляют пленку алюминия толщиной до 1 мкм. В упомянутых выше окнах маски получается надежный контакт металлической пленки с областями кремния. Основная часть пленки алюминия лежит на поверхности окисла и прочно с ним сцеплена. Методами фотолитографии удаляют ненужную часть пленки алюминия. Оставляют только контактные площадки и межсоединения. Для этого (для удаления лишнего) всю пленку алюминия покрывают фоторезистом. Засвечивают фоторезист через фотошаблон, специально полученный для данной ИМС. Проявляют, и получаю фоторезистную маску, которая защитит будущие межсоединения и контактные площадки от травителя. С незащищенных участков вытравливается ненужный алюминий. Фоторезист удаляется. После этого остаются запланированные межсоединения и контактные площадки (металлическая разводка).
8.3.6. Фотолитография.
Как уже указывалось, фотолитография используется для получения окисной маски (системы окон в слое окисла). Процесс фотолитографии включает в себя несколько основных операций. На кремниевую пластину – подложку, покрытую сплошным слоем окисла, наносится тонкая пленка (до 1 мкм) фоторезиста – разновидности фотоэмульсии, чувствительной к ультрафиолетовому свету. Фоторезисты бывают негативные (аналогично обычным фотонегативам) и позитивные. Примем, для определенности, в дальнейшем изложении положительный фоторезист. На слой фоторезиста накладывают фотошаблон, содержащий прозрачные окна точно такой конфигурации, которую нужно получить в слое окисла. Вне окон фотошаблон непрозрачен. Получение (изготовление) фотошаблона является очень сложной и трудоемкой задачей. Через фотошаблон засвечивают фоторезист кварцевой лампой. Затем фотошаблон удаляют. Фоторезист проявляют и закрепляют, в результате чего засвеченные участки фоторезиста (позитивного) удаляются. В фоторезисте остаются точно такие же окна, как в фотошаблоне (рисунок с фотошаблона переносится на фоторезист). Теперь через фоторезистивную маску (через окна в фоторезисте) производят травление пленки окисла вплоть до поверхности кремния плавиковой кислотой, которая не действует на кремний и фоторезист. Затем удаляют фоторезист (серной кислотой). Конечным итогом процесса фотолитографии является окисная маска на кремниевой пластине. Конфигурация окон в окисной маске в точности соответствует фотошаблону (рисунок фотошаблона перенесен на окисную пленку). Через окна в окисле можно проводить локальные диффузии (1-я, 2-я и 3-я), травление, металлизацию и др. Для каждой операции требуется своя маска, а значит, и свой фотошаблон. В цикле изготовления процесс фотолитографии используется многократно, поэтому на каждый цикл изготовления ИМС получают комплект фотошаблонов разной конфигурации. В пределах комплекта фотошаблоны согласованны, т.е. обеспечивают взаимную ориентацию и совместимость с заданной точностью. Совместимость последующих фотошаблонов с уже полученным рисунком на кристалле является довольно сложной проблемой.
Разрешающая способность фотолитографии. По мере увеличения степени интеграции и уменьшения размеров элементов ИС необходимо уменьшать размеры окон фотошаблона. Однако минимальные размера изображения на кристалле фотолитографии ограничиваются волновыми свойствами света. Так из-за дифракции света минимальный размер изображения на кристалле засветке ультрафиолетовым светом (с длинной волны 0,50,2 мкм) не может быть менее 10,4 мкм [1]. Однако при создании БИС и СБИС требуются уже элементы меньших размеров. Таким образом, возможности фотолитографии по разрешающей способности оказываются исчерпанными. Степь интеграции N при этом может достигать 10 и более.
Для повышения разрешающей способности необходимо использовать для засветки фоторезиста источники с меньшей длинной волны (более коротковолновые), например, мягкое рентгеновское излучение с длинной волны 1 – 2 нм.
За последние годы разработаны методы электронной литографии, позволяющие в несколько раз уменьшать размеры элементов ИС.
Суть электронной литографии заключается в том, что сфокусированный пучок электронов сканируют (перемещают по строкам и столбцам) по поверхности фоторезиста без фотошаблона. При сканировании величина тока электронного пучка управляется с заданной программой. В тех местах, которые должны быть засвечены, ток пучка максимален, а там где «затемнены» - минимален. Прогнозируется, что электронная литография может обеспечить степень интеграции N до (2030)106 [1].