+7 (499) 322-30-47  Москва

+7 (812) 385-59-71  Санкт-Петербург

8 (800) 222-34-18  Остальные регионы

Бесплатная консультация с юристом!

Оборудование для производства микросхем. Технология их создания 2019 год

Технология изготовления полупроводниковых микросхем

В зависимости от разновидности полупроводниковой технологии (локализация и литография, вакуумное напыление и гальваническое осаждение, эпитаксия, диффузия, легирование и травление) получают области с различной проводимостью, которые эквивалентны емкости, либо активным сопротивлениям, либо различным полупроводниковым приборам. Изменяя концентрацию примесей, можно получить в кристалле многослойную структуру, воспроизводящую заданную электрическую схему.

В настоящее время применяют групповые способы изготовления полупроводниковых интегральных микросхем, позволяющие за один технологический цикл получить несколько сотен заготовок микросхем. Наибольшее распространение получил групповой планарный способ, заключающийся в том, что элементы микросхем (конденсаторы, резисторы, диоды и транзисторы) располагаются в одной плоскости или на одной стороне подложки.

Рассмотрим основные технологические процессы, применяемые при изготовлении полупроводниковых микросхем (термическое оксидирование, литография, эпитаксия, диффузия и ионное легирование) .

Рис. 22. Перенос изображений с помощью негативного (а) и позитивного (б) фоторезистов:
1 —основа фотошаблона, 2 — непрозрачные участки рисунка фотошаблона, 3 — фоторезистивный слой, 4 — подложка

Термическое оксидирование мало чем отличается от типовых технологических процессов, известных при производстве полупроводниковых приборов. В технологии кремниевых полупроводниковых микросхем оксидные слои служат для изоляции отдельных участков полупроводникового кристалла (элементов, микросхемы) при последующих технологических процессах.

Литография является самым универсальным способом получения изображения элементов микросхемы на кристалле полупроводника и делится на три вида: оптическая, рентгеновская и электронная.

В производстве полупроводниковых интегральных микросхем самый универсальный технологический процесс — это оптическая литография или фотолитография. Сущность процесса фотолитографии основана на использовании фотохимических явлений, происходящих в светочувствительных покрытиях (фоторезистах) при экспонировании их через маску. На рис. 22, а показан процесс негативного, а на рис. 22, б — позитивного переноса изображений с помощью фоторезистов, а на рис. 23 приведена схема технологического процесса фотолитографии.

Весь процесс фотолитографии с помощью фоторезистивной маски состоит из трех основных этапов: формирования на поверхности подложки фото-резистивного слоя 1, фоторезистивной контактной маски II и передачи изображения с фотошаблона на фоторе-зистивный слой III.

Фотолитография может производиться бесконтактным и контактным способами. Бесконтактная фотолитография по сравнению с контактной дает более высокую степень интеграции более высокие требования к фотообо-рудованию.

Процесс получения рисунка микросхемы фотолитографическим способом сопровождается рядом контрольных операций, предусмотренных соответствующими картами технологического контроля.

Рентгеновская литография позволяет получить более высокую разрешающую способность (большую степень интеграции), так как длина волны рентгеновских лучей короче, чем световых. иднако рентгенолитография требует более сложного технологического оборудования.

Электронная литография (электронно-лучевое экспонирование) выполняется в специальных вакуумных установках и позволяют получить высокое качество рисунка микросхемы. Этот вид литографии легко автоматизируется и имеет ряд преимуществ при получении больших интегральных микросхем с большим (более 105) числом элементов.

В настоящее время полупроводниковые элементы и компоненты микросхем получают тремя методами: эпитаксии, термической диффузии и ионного легирования.

Эпитаксия—процесс выращивания слоев с упорядоченной кристаллической структурой путем реализации ориентирующего действия кристалла подложки. Ориентированно выраженные слои нового вещества, закономерно продолжающие кристаллическую решетку подложки, называют эпитаксиальными слоями. Эпитаксиальные слои на кристалле выращивают в вакууме. Процессы эпитаксиального выращивания полупроводниковых слоев аналогичны получению тонких пленок. Эпитаксию можно разделить на следующие этапы: доставка атомов или молекул вещества слоя на поверхность кристалла подложки и миграция их по поверхности; начало группирования частиц вещества около поверхностных центров кристаллизации и образование зародышей слоя; рост отдельных зародышей до их слияния и образования сплошного слоя.

Эпитаксиальные процессы могут быть очень разнообразными. В зависимости от используемого материала (полупроводниковой пластины и легирующих элементов) с помощью процесса эпитаксии можно получить однородные (мало отличающиеся) по химическому составу электронно-дырочные переходы, а также однослойные и многослойные структуры наращивания слоев различных типов проводимости. Этим методом можно получить сложные сочетания: полупроводник — полупроводник; полупроводник —

диэлектрик; полупроводник — металл.

В настоящее время наиболее широко применяют избирательный локальный эпитаксиальный рост с использованием Si02 — контактных масок с эпитаксиально-планарной технологией.

Для получения заданных параметров эпитаксиальных слоев осуществляют контроль и регулировку толщины, удельного сопротивления, распределения концентрации примеси по толщине слоя и плотности дефектов. Эти параметры слоев определяют пробивные напряжения и обратные токи р-гс-переходов, сопротивления насыщения транзисторов, внутреннее сопротивление и вольт-фа-радные характеристики структур.

Термическая диффузия — это явление направленного перемещения частиц вещества в сторону убывания их концентрации, которое определяется градиентом концентрации.

Термическую диффузию широко используют для введения легирующих примесей в полупроводниковые пластины или в выращенные на них эпитаксиальные слои с целью получения элементов микросхемы противоположного по сравнению с исходным материалом типа проводимости, либо элементов с более низким электрическим сопротивлением. В первом случае получают, например, эмиттеры, во втором— коллекторы.

Диффузию, как правило, проводят в специальных кварцевых ампулах при 1000—1350° С. Способ проведения диффузии и диф-фузант (примесь) выбирают в зависимости от свойств полупроводника и требований, предъявляемых к параметрам диффузионных структур. Процесс диффузии предъявляет высокие требования к оборудованию и частоте легирующих примесей и обеспечивает получение слоев с высокой точностью воспроизведения параметров и толщин. Свойства диффузионных слоев тщательно контролируют, обращая внимание на глубину залегания р-гс-перехода, поверхностное сопротивление или поверхностную концентрацию примеси, распределение концентрации примеси по глубине диффузионного слоя и плотность дефектов диффузионного слоя.

Дефекты диффузионных слоев (эрозию) проверяют с помощью микроскопа с большим увеличением (до 200х) или электрорадиографии.

Ионное легирование также получило широкое применение при изготовлении полупроводниковых приборов с большой плоскостью переходов, солнечных батарей и др.

Процесс ионного легирования определяется начальной кинетической энергией ионов в полупроводнике и выполняется в два этапа. Сначала в полупроводниковую пластину на вакуумной установке с дуговым разрядом внедряют ионы, а затем проводят отжиг при высокой температуре, в результате чего восстанавливается нарушенная структура полупроводника и ионы примеси занимают узлы кристаллической решетки. Метод получения полупроводниковых элементов наиболее перспективен при изготовлении различных СВЧ-структур.

Основные технологические этапы получения полупроводниковых микросхем показаны на рис. 24. Самым распространенным методом получения элементов в микросхеме (разделения участков микросхемы) является изоляция оксидной пленкой, получаемой в результате термообработки поверхности кристалла (подложки).

Чтобы получить изолирующие р-гс-переходы на подложке кремниевой пластины 1, ее обрабатывают в течение нескольких часов в окислительной среде при 1000—1200° С. Под действием окислителя эпитаксиальный полупроводниковый поверхностный слой кремния 2 окисляется. Толщина оксидной пленки 3 — несколько десятых долей микрона. Эта пленка препятствует проникновению в глубь кристалла атомов другого вещества. Но если снять пленку с поверхности кристалла в определенных местах, то с помощью диффузии или других рассмотренных выше методов можно ввести в эпитаксиальный слой кремния примеси, создав тем самым участки различной проводимости. После того как на подложке получена оксидная пленка, на подложку наносят светочувствительный слой — фоторезист 4. Далее этот слой используют для получения в нем рисунка фотошаблона 5 в соответствии с топологией микросхемы.

Перенос изображения с фотошаблона на окисленную поверхность кремниевой пластины, покрытую слоем фоторезиста, чаще всего производят фотографией, а экспонирование — ультрафиолетовым светом или рентгеном. Затем подложку с экспонированным рисунком проявляют. Те участки, которые освещались, растворяются в кислоте, обнажая поверхность оксида кремния 6. Те же участки, которые не экспонировались, кристаллизуются и становятся нерастворимыми участками 7. Полученную подложку с нанесенной на ней рельефной схемой расположения изолирующих переходов промывают и сушат. После травления незащищенных участков оксида кремния защитный слой фоторезиста удаляют химическим способом. Таким образом, на подложке получают «окна». Такой способ получения рисунка схемы называют позитивным.

Рис. 24. Основные технологические этапы получения полупроводниковых микросхем

Через обнаженные участки 6 подложки методом диффузии вводят примеси атомов бора или фосфора, которые создают изолирующий барьер 8. На полученных изолированных друг от друга участках подложки методом вторичной диффузии, травления, наращивания или другим методом получают активные и пассивные элементы схемы и токопроводящие пленки 9.

Технология получения полупроводниковых интегральных схем состоит из 15—20, а иногда и более операций. После того как
получены все компоненты схем и пленка оксида вытравлена с тех мест, где будут находиться выводы компонентов, полупроводниковую схему покрывают методом напыления или гальванического осаждения пленкой алюминия. С помощью фотолитографии с последующим травлением получают внутрисхемные соединения.

Поскольку в едином технологическом цикле на подложке изготовляют большое количество однотипных интегральных схем, пластины разрезают на отдельные кристаллы, каждый из которых содержит готовую микросхему. Кристаллы приклеивают к держателю корпуса, а электрические контакты микросхемы методом пайки, сварки и термокомпрессии соединяют с выводами проволочными перемычками. Готовые микросхемы при необходимости герметизируют одним из описанных ниже способов.

Промышленность выпускает большую номенклатуру полупроводниковых интегральных микросхем. Например, кремниевые микросхемы с диодно-транзисторными связями предназначены для работы в логических узлах ЭВМ и узлах автоматики; германиевые полупроводниковые микросхемы с непосредственными связями являются универсальными логическими переключающими элементами НЕ — ИЛИ.

Дальнейшим развитием технологии производства интегральных микросхем явилось создание схем с большой интеграцией микроэлементов.

В совмещенной интегральной микросхеме элементы выполнены в объеме и на поверхности полупроводниковой подложки комбинированием технологии изготовления полупроводниковых и пленочных микросхем. В монокристалле кремния — подложке методами диффузии, травления и другими получают все активные элементы (диоды, транзисторы и др.), а затем на эту подложку, покрытую плотной пленкой оксида кремния, напыляют пассивные элементы (резисторы, конденсаторы) и токопроводящие проводники. Совмещенную технологию применяют для изготовления микро-мощных и быстродействующих интегральных микросхем.

Для получения контактных площадок и выводов микросхемы на подложку осаждают слой алюминия. Подложка со схемой крепится на внутреннем основании корпуса, контактные площадки на монокристалле соединяются проводниками с выводами корпуса микросхемы.

Это интересно:  Рейтинг городов России для проживания, по экологии и численности населения 2019 год

Совмещенные интегральные микросхемы конструктивно могут быть выполнены в виде моноблока довольно малых размеров. Например, двухкаскадный высокочастотный усилитель, состоящий из двух транзисторов и шести пассивных элементов, размещается на монокристалле кремния размером 2,54X1,27 мм.

Быстрый рост интеграции полупроводниковых микросхем при разработке РЭА привел к созданию микросхем высокой степени сложности: БИС, СБИС и БГИС (микросборок).

Большая интегральная схема представляет собой сложную полупроводниковую микросхему с высокой степенью интеграций. В последние годы созданы полупроводниковые БИС, имеющие
на кристалле кремния размером 1,45×1,6 мм до 1000 и более элементов (транзисторов, диодов, резисторов и др.) и выполняющие функции 300 и более отдельных интегральных микросхем. Разработан микропроцессор (микро-ЭВМ), имеющий степень интеграции свыше 107 элементов на кристалле.

Используя несколько навесных структур БИС на диэлектрической подложке с пассивной пленочной частью микросхем, можно получить микросборки (БГИС), которые просты в проектировании и изготовлении.

Повышение интеграции микросхем достигается автоматизацией и введением в технологический процесс математического моделирования с машинным проектированием топологии и применением новых методов формирования элементов микросхем (ионное легирование и др.).

Основной цикл проектирования БИС состоит из двух этапов: архитектурно — схемотехнического и конструкторско — технологического.

Архитектурно-схемотехнический этап включает разработку архитектуры и структуры микросхемы, функциональных и принципиальных электрических схем, математическое моделирование и другие работы.

Конструкторско-технологический этап включает разработку топологии и конструкции микросхемы, технологии ее изготовления, а также их испытания.

Большие и сверхбольшие интегральные микросхемы на современном уровне представляют последний этап развития классических интегральных микросхем, в которых можно выделить области, эквивалентные пассивным и активным элементам. Дальнейшее развитие элементной базы электроники возможно при использовании различных эффектов и физических явлений в молекулах твердого тела (молекулярная электроника).

Без чего сложно представить существование современного человека? Конечно, без современной техники. Некоторые вещи так вошли в нашу жизнь, так приелись. Интернет, телевизор, микроволновки, холодильники, стиральные машины – без этого сложно представить современный мир и, конечно, себя в нем.

Что делает практически всю сегодняшнюю технику по-настоящему полезной и нужной?

Какое изобретение предоставило прогрессу широчайшие возможности?

Одно из самых незаменимых открытий человека — технология производства микросхем.

Благодаря ей современная техника имеет такие небольшие размеры. Она компактна и удобна.

Все мы знаем, что в доме может уместиться огромное количество вещей, состоящих из микросхем. Многие из них помещаются в кармане брюк и имеют незначительный вес.

Чтобы добиться результата и получить микросхему, ученые трудились долгие годы. Начальные схемы имели огромнейшие по нынешним меркам размеры, они были больше и тяжелее холодильника, при ом что современный холодильник не состоит сплошь из сложных и запутанных схем. Ничего подобного! В нем есть одна маленькая, но превосходящая по своей полезности старые и громоздкие. Открытие произвело фурор, дав толчок дальнейшему развитию науки и техники, прорыв был сделан. Оборудование для производства микросхем выпущено.

Производство микросхем является непростой задачей, но благо у человека имеются те технологии, которые максимально упрощают задачу производства. Несмотря на сложность, ежедневно выпускается огромное количество микросхем по всему миру. Они постоянно совершенствуются, приобретают новые особенности и повышенные характеристики. Как же появляются эти маленькие, но умные системы? В этом помогает оборудование для производства микросхем, о котором, собственно, говорится далее.

При создании микросхем используются системы электрохимического осаждения, камеры отмывки, лабораторные окислительные камеры, системы электроосаждения меди, фотолитографическое и другое технологическое оборудование.

Фотолитографическое оборудование является самым дорогим и точным в машиностроении. Оно отвечает за создание изображений на кремниевой подложке для выработки намеченной топологии микросхемы. На тонкий слой материала наносится фоторезист, впоследствии подвергающийся облучению фотошаблоном и оптической системой. В процессе работы оборудования идет уменьшение размеров элементов рисунка.

В системах позиционирования ведущую роль играет линейный электродвигатель и лазерный интерферометр, имеющие часто обратную связь. Но, например, в технологии, разработанной московской лабораторией «Амфора», такая связь отсутствует. Это отечественное оборудование имеет более точное перемещение и плавное повторение с обеих сторон, что исключает возможность люфта.

Специальные фильтры защищают маску от нагревания, исходящего от области глубокого ультрафиолета, перенося температуру за 1000 градусов на протяжении долгих месяцев работы.

Низкоэнергетичные ионы осваивают в нанесении на многослойные покрытия. Ранее эта работа выполнялась исключительно методом магнетронного распыления.

Начинается весь процесс создания с подбора полупроводниковых кристаллов. Самым актуальным является кремний. Тонкую полупроводниковую пластину начищают до возникновения зеркального отображения в ней. В дальнейшем обязательным этапом создания будет фотолитография с применением ультрафиолета при нанесении рисунка. В этом помогает станок для производства микросхем.

Что такое микросхема? Это такой многослойный пирожок из тонких кремниевых пластин. На каждую из них нанесен определенный рисунок. Этот самый рисунок и создается на этапе фотолитографии. Пластины осторожно помещают в специальное оборудование с температурой свыше 700 градусов. После обжига их промывают водой.

Процесс создания многослойной пластины занимает до двух недель. Фотолитографию проводят многочисленное количество раз вплоть до достижения необходимого результата.

Отечественные ученые в этой отрасли также имеют собственные технологии производства цифровых микросхем. По всей стране функционируют заводы соответствующего профиля. На выходе технические характеристики мало чем уступают конкурентам из других стран. Отдают предпочтение российским микросхемам в нескольких государствах. Все благодаря зафиксированной цене, которая меньше, чем у западных производителей.

Микросхемы создаются в помещениях, оборудованных системами, контролирующими чистоту воздуха. На всем этапе создания специальные фильтры собирают информацию и обрабатывают воздух, тем самым делая его чище, чем в операционных. Работники на производстве носят специальные защитные комбинезоны, которые часто оборудованы системой внутренней подачи кислорода.

Производство микросхем является прибыльным бизнесом. Хорошие специалисты в этой области всегда востребованы. Практически вся электроника функционирует за счет микросхем. Ими оснащаются современные автомобили. Космические аппараты не смогли бы функционировать без наличия в них микросхем. Процесс получения регулярно совершенствуется, качество улучшается, возможности расширяются, срок пригодности растет. Микросхемы будут актуальны на протяжении долгих десятков, а то и сотен лет. Главная их задача — приносить пользу на Земле и вне ее.

Под интегральной схемой (ИС) понимается электрон­ное устройство, имеющее высокую плотность компонов­ки элементов электрической схемы, в котором все или часть элементов сформированы и электрически соеди­нены между собой на одном полупроводниковом кри­сталле или диэлектрической подложке.

ИС представляет собой многокомпонентное тело из слоевых композиций на поверхности или в приповерх­ностном слое твердого тела (полупроводника). Ее харак­теристики определяются свойствами тонких слоев раз­личных материалов, которые в свою очередь во многом зависят от условий их формирования, последовательно­сти и вида технологических операций.

Вопросы разработки и производства ИС рассматри­ваются в новой отрасли науки и техники -микро­электронике, изучающей технологические, физиче­ские конструктивные особенности электро- и радиоэле­ментов с размерами не более 1 мкм хотя бы по одной координате.

Наиболее важной проблемой при создании микросхем является разработка элементов и совместимых друг с дру­гом материалов со стабильными и воспроизводимыми характеристиками тонких слоев, а также последователь­ности технологических операций формирования много­слойной структуры, при которой последующие операции не оказывают вредного влияния на характеристики ранее сформированных слоев.

В зависимости от способа создания пленочных компо­зиций микросхемы делятся на два класса — гибридные интегральные схемы (ГИС) и полупроводниковые инте­гральные схемы (ИС).

Гибридная интегральная схема — микро­миниатюрное электронное устройство, элементы которо­го нераздельно связаны конструктивно, технологически и электрически на поверхности диэлектрической (стеклян­ной, керамической) подложки. В технологии ГИС пас­сивные элементы (резисторы, проводники, контактные площадки, конденсаторы, диэлектрические и изоля­ционные слои) изготовляют в одном технологическом цикле в виде металлических и диэлектрических пленок на поверхности подложки. Активные компоненты (диоды, транзисторы), а при необходимости также микроминиа­тюрные дискретные пассивные компоненты (конденса­торы, катушки индуктивности и т. п.) монтируются на поверхности подложки и соединяются с другими элемен­тами.

В зависимости от технологического процесса фор­мирования пассивных элементов гибридные схемы

юдразделяются на тонкопленочные и толстопленоч­ные.

Гонкопленочная технология — последовательное нане­сение на общее основание тонких (менее 1-2 мкм) пле­ночных проводников, контактов, резисторов, изоляторов армированием микрогеометрии элементов и их соединений (топологический рисунок) или в процессе осаждения с помощью трафаретов (масок), а также с помощью вного локального травления сплошных слоев материалов.

Последовательность технологических операций при изготовлении тонкопленочных ГИС по двум вариантам приведена на рис. 19.1.

Толстопленочная технология — последовательное на­несение через сетчатые трафареты и вжигание в керами­ческие подложки паст резистивного, проводящего и диэ­лектрического назначения.

Проводящие и резистивные пасты представляют со­бой смесь мелкодисперсного металлического порошка, стекла, выполняющего роль постоянного связующего, и органических жидкостей, обеспечивающих вязкость смеси. Металл обеспечивает образование проводящих (серебро, золото, платина, палладий и их сплавы) или ре-зистивных (благородные металлы и их композиции с ок­сидами) дорожек.

Пасты для изоляционных слоев представляют собой смесь стекла и органических жидкостей.

После формирования топологии последовательность других технологических операций аналогична процессам изготовления тонкопленочных схем.

Полупроводниковые (твердотельные) инте­гральные схемы получают путем целенаправ­ленного локального изменения свойств материала полу­проводниковой подложки, легированной примесью.

Добавлением примесей в строго определенных местах и количествах можно изменять проводящие характери­стики в материале подложки из полупроводников крем­ния и германия в очень широком диапазоне — практиче­ски от проводника до изолятора. Это свойство исполь­зуется для получения в кристаллах как активных, так и пассивных элементов. Изменение свойств происходит лишь в небольшом слое кристалла, равном нескольким микрометрам и называемом р—n-переходом, где смы­каются две зоны с различной проводимостью — дыроч­ной и электронной. Остановимся на этом подробно.

Это интересно:  Обмен ювелирных изделий на новые: что нужно знать 2019 год

Химические элементы кремний и германий имеют на внешней электронной оболочке четыре электрона, т. е. их валентность равна четырем. Известно, что атом имеет более устойчивое состояние, когда на его внешней обо­лочке находится восемь электронов. При низких темпера­турах в кристаллах полупроводника все электроны свя­заны с атомами (подвижных электронов нет), и кристалл представляет собой изолятор.

При повышении температуры полупроводника от­дельные электроны отрываются от атомов, становятся подвижными и могут создавать электрический ток в кри­сталле, когда к нему прикладывается напряжение. При удалении электрона из атома в оболочке атома образует­ся свободное место-дырка. Свободные электроны дырки беспорядочно перемещаются по кристаллу.

При включении такого кристалла в электрическую цепь наблюдается упорядоченное движение электронов от отрицательного полюса к положительному. При стрече свободного электрона с дыркой они рекомбинируют и их движение прекращается. Такая проводимость назыется собственной проводимостью полупроводника.

Если в кристалл кремния или германия ввести не­большое количество, например, алюминия, то проводи­мость легированного им кристалла будет, в основном, дырочной. Такой кристалл называется полупроводником р-типа.

При введении в кремний и германий, например, мы­шьяка, получим полупроводник с электронной проводи­мостью, называемый полупроводником р-типа.

В кристалле полупроводника можно создать с по­мощью локального легирования одновременно две зоны: p-типа и n-типа. Границу между ними называют р — п-переходом, который может выполнять функции диода.

Создавая разнообразные комбинации р— n-переходов получают элементы — диоды, транзисторы, резисторы и т. п. Сочетания любого числа элементов образуют же­лаемую схему, а так как все они являются составными частями одного кристалла полупроводникового материа­ла, то получается полностью монолитная твердотельная структура.

Базовой технологией создания полупроводниковых ИС является эпитаксиалъно-планарная технология, по ко­торой поверхность полупроводниковой монокристалли­ческой пластины вначале окисляют. Затем осуществляют локальное травление оксида слоя и через вскрытые в нем окна производят легирование полупроводника. Легирую­щие примеси диффундируют в подложку из газовой фазы при высокой температуре. Последующим окислением ок­на снова закрываются. Повторяя технологические опера­ции окисления, селективного травления и диффузии раз­личных примесей, можно реализовать различные схемные элементы: диоды, транзисторы, сопротивления и емкости. Однако емкостные элементы в связи с их большой площадью и высокой стоимостью технологиче­ских операций в ИС практически не применяют. На одной пластине монокристалла полупроводника диаме­тром около 100 мм формируется одновременно до не­скольких тысяч ИС.

Последующими операциями технологического про­цесса являются: получение вакуумным напылением или фотолитографией металлических проводников, которые соединяют элементы схемы, и контактных площадок, от­браковка пластин по параметрам отдельных ИС, разрез­ка пластины на отдельные ИС, монтаж ИС в корпусе, со­единение контактных площадок с выводами корпуса, герметизация.

Выбор конструкции и технологии изготовления инте­гральных схем обусловливается технико-экономическими соображениями. Толсто- и тонкопленочная технологии отличаются широкими возможностями реализации схем по точности элементов. Кроме того, они характеризуют­ся сравнительно низкой стоимостью подготовки про­изводства. На их базе можно изготовлять широкую но­менклатуру схем малых серий (специальных ГИС).

Преимущественное использование тонкопленочной технологии в производстве прецизионных схем объяс­няется возможностью достижения более высокой разре­шающей способности, точности и стабильности элемен­тов схем.

Толстопленочная технология отличается несколько меньшим циклом подготовки производства и менее сложным технологическим оборудованием. Она исполь­зуется для получения сравнительно несложных схем в устройствах числового программного управления, ЭВМ и др. Для получения ГИС толстопленочная техно­логия в ряде случаев обладает преимуществами по срав­нению с тонкопленочной.

Технологию полупроводниковых ИС применяют для изготовления изделий массового производства — ци­фровых схем ЭВМ, микропроцессоров, электронных ча­сов, счетных машин и т. п.

Ряд технологических операций трех основных видов технологии изготовления интегральных микросхем по своей физической природе аналогичен, несмотря на раз­личия используемых материалов и оборудования.

35% для ДОЗУ и 60% для МП. Чтобы оставаться конкурентоспособным на рынке микросхем, необходимо, помимо выполнения закона Мура, обеспечивать ежегодное снижение их удельной стоимости в пересчете на число выполняемых функций на 29% [1], что достигается за счет совершенствования систем проектирования, производства, корпусирования и тестирования ИМС. Кроме того, необходимо правильно оценивать жизненный цикл ИМС, который состоит из этапов [1, 5]:
· выхода на рынок, когда ведущие производители поставляют ключевым заказчикам для опробования небольшое число (103–105) образцов изделий, изготовленных с помощью аттестованных (квалифицированных) промышленных процессов и оборудования;
· освоения и расширения массового производства, когда на рынок поставляются большие партии изделий (например, ежемесячно 16–80 млн. ДОЗУ или 2–10 млн. МП);
· пика производства, когда на смену поколению изделий с наибольшим объемом производства приходит следующее, экономически более эффективное в пересчете на функцию (бит, транзистор) поколение.
Жизненный цикл ДОЗУ (введение–рост–пик) и экономически эффективных МП (ЭЭМП), как правило, составляет шесть лет, высокопроизводительных МП (ВПМП) – четыре года (рост–пик), поскольку в них используется уменьшенное ядро ЭЭМП и СОЗУ значительно большей информационной емкости, чем СОЗУ ЭЭМП.

АНАЛИЗ ВОЗМОЖНОСТЕЙ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ПАРАМЕТРОВ КМОП ИМС
Минимальные размеры
Согласно прогнозам специалистов ведущих фирм по производству литографического оборудования и ИМС, в ближайшее десятилетие, вплоть до достижения УТ-45 нм, основным процессом формирования резистивных масок останется фотолитография (ФЛ). Основной параметр, характеризующий совершенство и качество ФЛ, – воспроизводимое и стабильно получаемое разрешение, или минимальный размер элемента (Lмин) в регулярных плотно упакованных структурах. Естественно, разрешение для изолированных элементов (элементы топологического рисунка, расстояние между которыми в десять и более раз превышает их характерные размеры) может быть в 1,4–1,8 раз выше [7]. Другой важный параметр ФЛ – глубина фокуса Dф, т.е. область вблизи фокальной плоскости выходной проекционной линзы, в которой уменьшенное, обычно в четыре, пять или десять раз, изображение топологического рисунка ФШ еще имеет достаточную четкость для процесса переноса на фоторезистивный (ФР) слой пластины. Разрешение и глубина фокуса зависят от длины волны экспонирующего излучения и числовой апертуры [8]. Кроме того, необходимо учесть характеристические постоянные, отражающие специфику всего литографического процесса и зависящие от способа освещения, от конструкции элементов топологического рисунка фотошаблона и его самого, а также от толщины, состава и свойств ФР-слоя, антиотражающих покрытий и контрастоусиливающих материалов [8–10]. Анализ связи между глубиной фокуса и разрешением показывает, что чем выше разрешение, тем меньше глубина фокуса и тем более жесткие требования предъявляются к планарности рельефа на поверхности пластины.
Для достижения максимального разрешения в технологический маршрут изготовления ИМС необходимо вводить операции планаризации рельефа на поверхности пластины.
Сегодня при производстве ИМС для экспонирования ФР-слоев используются степперы или степперы-сканнеры [8] с монохроматическим излучением в УФ-области (l = 436 и 365 нм, g и i – линии спектра ртутной лампы, соответственно) и в области глубокого УФ (l = 248 и 193 нм, эксимерные лазеры на KrF и на ArF, соответственно). Лабораторные испытания проходит система с эксимерным лазером на F2 (l = 157 нм). Числовая апертура таких проекционных систем лежит в пределах от 0,4 (наименее совершенные системы) до 0,8 (наиболее совершенные системы), разрешение ФЛ-систем – (1,52–0,76)l [8]. Повысить разрешение можно путем [8–11]:
· вне осевого освещения ФШ, получаемого с помощью диафрагм, вырезающих из осевого цилиндрического пучка излучение вне осевых трубчатых (кольцевых в сечении) или квадрупольных (четыре полюса в сечении) пучков;
· коррекции эффектов оптической близости элементов топологического рисунка на ФШ с помощью дополнительных служебных элементов, повышающих точность передачи рисунка на ФР-маску;
· применения фазосдвигающих ФШ, позволяющих изменять фазу излучения так, чтобы повысить его разрешение на ФР-слое;
· нанесения поверх ФР-слоя пленок контрастоусиливающего материала;
· использования формируемой под ФР-слоем пленки антиотражающего покрытия (АОП), позволяющей уменьшить влияние отраженного от подложки излучения на точность передачи топологического рисунка.
Применение методов увеличения разрешения проекционной оптической ФЛ позволяет получать значения Lмин, характеризующие разрешение, равные 130–100 нм для l = 365 нм, 90–70 нм для l = 248 нм, 70–50 нм для l = 193 нм и 55–40 нм для l = =157 нм [10].
Оптическая проекционная фотолитография в ближайшее десятилетие позволит реализовать УТ до 45 нм.
Промышленные литографические системы (в основном сканнеры) с l = 193 нм сейчас выпускают только четыре фирмы: Canon, Nikon (Япония), ASM Lithography (Нидерланды) и Silicon Valley Group – SVG (США). Согласно прогнозам, в ближайшем будущем будет наблюдаться тенденция к уменьшению поля литографии. Это связано с замедлением внедрения проекционных систем с l = 193 и 157 нм, отказом от внедрения системы с l = 126 нм (лазер на Ar2) и необходимостью получать более высокое разрешение на системах с большей длиной волны. Характерные значения стоимости экспонирующего оборудования и затраты на операцию литографии по одному функциональному слою приведены в табл.2 [12–14 ].
К следующему поколению перспективных систем литографии для производства ИМС с топологическими нормами 32 нм и менее относятся [8,12,13]:
· проекционная литография на экстремальном УФ-излучении (ЭУФ литография) с l = 11,8–13,4 нм, генерируемом с помощью плазмы, создаваемой лазерным лучом в сверхзвуковой струе ксенона, и иногда называемом мягким рентгеновским излучением;
· контактная рентгеновская литография (КРЛ) без уменьшения топологического рисунка рентгеношаблона с l = 0,4–2,0 нм, разрешение которой определяется как Lмин = k(l·dшп)0,5, где k – характеристическая постоянная процесса в диапазоне от 1 до 2, dшп – расстояние (зазор) между рентгеношаблоном и пластиной;
· проекционная электронная литография (ПЭЛ) в наиболее продвинутых вариантах SCALPEL и PREVAIL, длина волны которой в нанометрах определяется как l » 1,23/(V)0,5, где V – ускоряющее напряжение в вольтах;
· проекционная ионная (в основном протонная) литография (ПИЛ), при которой длина волны экспонирующего излучения в нанометрах определяется как l » 28,7·10-3/(V)0,5.
Сегодня наиболее многообещающими считаются системы ЭУФ и ПЭЛ [10, 14–16]. Это объясняется отработанностью технологии нанесения и обработки с помощью используемой для изготовления ФШ сканирующей электронной литографии (СЭЛ) электронорезистов, пригодных для проведения ЭУФ, а также возможностью применения в ЭУФ-системах элементов отражающей оптики рентгеновских астрономических приборов. Шаблоны для КРЛ и ПИЛ при экспонировании подвергаются мощному радиационному воздействию, что приводит к их быстрому разрушению и связано с огромными трудностями поддержания их размерной стабильности. Используемая в наноэлектронике литография, основанная на применении изготовленных с помощью сканирующей электронно-лучевой технологии наноштампов, формирующих под действием давления и температуры изображение в полимерных пленках, имеет значительные ограничения по размеру подложек и производительности. Однако благодаря введению пошагового совмещения и УФ-экспонирования с обратной стороны прозрачного штампа этот вид литографии сможет рассматриваться как следующее поколение перспктивной технологии [17].
Для перевода разработок литографичесих технологий в стадию промышленного освоения с приемлемыми издержками, производительностью и надежностью, а также для развития сопутствующей инфраструктуры по производству шаблонов и резистивных материалов существует десятилетний запас.

Это интересно:  Самая дорогая свадьба в России: описание, особенности и интересные факты 2019 год

Быстродействие
Суммарная задержка распространения сигнала в микроэлектронных системах складывается из значений задержки на затворах МОП-транзисторов, задержки на поводящих линиях (ПЛ) микросхемы и задержки на линиях связи между схемами на печатной плате. Задержка переключения логического затвора МОП-транзистора определяется постоянной времени транзистора Tтр, зависящей от сопротивления канала и общей емкости транзистора, образуемой емкостью затвора CЗ и паразитными емкостями pn-переходов сток-подложка и исток-подложка, CСП и CИП, соответственно (на их долю приходится

50% общего значения емкости) [18]. Таким образом, для снижения Tтр необходимо уменьшать сопротивление канала, емкости CСП и CИП (путем уменьшения концентрации легирующей примеси подложки) и емкость затвора (за счет уменьшения толщины затворного диэлектрика).
По мере уменьшения минимальных размеров элементов микросхемы увеличиваются емкостные связи между линиями металлизации и между линиями металлизации и пластиной и возрастает задержка распространения сигнала. Это приводит к увеличению разницы между значениями локальной частоты микросхемы (частоты, определяемой совершенством ее транзисторов) и частоты передачи сигналов в ней. Индуктивность проволочных или шариковых (столбиковых) выводов между кристаллом и кристаллодержателем корпуса, а также самих выводов корпуса вызывает дополнительное снижение скорости распространения сигнала. Рост сопротивления и емкости соединительных линий наряду с ростом рабочей частоты микросхемы при переходе от одного УТ к другому приводит к росту энергопотребления ИМС, особенно логических.
Задержка распространения сигнала в ПЛ определяется постоянной времени соединительной линии, зависящей от ее удельного сопротивления, толщины, длины, ширины, диэлектрической постоянной, а также от толщины межслойного диэлектрика и расстояния между ПЛ, расположенными в одной плоскости [19].
На печатной плате ИМС соединены друг с другом с помощью проводных линий связи (ЛС), характеризуемых индуктивностью, емкостью, сопротивлением и волновым сопротивлением. ЛС выполняет функции фильтра низких частот и линии задержки. Если как минимум три гармоники разложения импульсного сигнала цифровой схемы в ряд Фурье по частоте передаются без значительных искажений, можно считать, что форма сигнала передается удовлетворительно. Полоса пропускания фильтра, образованного ЛС, должна быть больше частоты третьей гармоники. Время задержки сигнала в ЛС определяется ее постоянной времени, зависящей от скорости распространения электромагнитной волны в ЛС, и диэлектрической постоянной материала печатной платы [20].
Для УТ-250 нм при выполнении многослойной металлизации с толщиной слоя tм = 0,8 мкм на основе алюминиевых сплавов с удельным сопротивлением r = 3,0 мкОм·см и двуокиси кремния с диэлектрической постоянной e = 3,9 задержка сигнала в ПЛ микропроцессора оказывается больше задержки сигнала в транзисторах. При УТ-130 нм и выполнении металлизации той же толщины, но на основе меди с r = 1,65 мкОм·см и межслойного диэлектрика с e @ 2,0* задержка сигнала в ПЛ превысит задержку сигнала в транзисторах [5, 21].
Быстродействие современных микропроцессоров определяют система металлизации на основе Al и SiO2 для УТ менее 250 нм и медная с диэлектриком с НДП для УТ менее130 нм.
Таким образом, улучшение характеристик логических ИМС следующих поколений может быть достигнуто путем совершенствования системы металлизации и соединений, используемых при корпусировании микросхем и их монтаже на печатную плату. Если при УТ-500 нм для формирования металлизации требовалось вдвое меньше операций, чем для изготовления транзисторов, то при УТ-250 нм число этих операций сравнялось, при УТ-130 нм для формирования металлизации требуется уже в 1,4 раза больше операций, чем для создания транзисторов, а при УТ-65 нм операций по формированию металлизации окажется вдвое больше, чем операций, необходимых для получения транзисторов [22].
Потребляемая мощность современных МП достигает 130 Вт, в текущем десятилетии она возрастет до 250 Вт, тогда как напряжение питания уменьшится с 1,8 до 0,5 В. Это приведет к резкому росту потребляемого тока – до 400 А в 2011 году [21]. Адаптировать современные системы металлизации к таким мощностям и токам – задача сложная. Но если использовать широкие (до 6–10 мкм) ПЛ, можно резко уменьшить их сопротивление с тем, чтобы они выдерживали большие токи. Широкие ПЛ также способствуют уменьшению задержки сигнала, которая к 2005 году (УТ-90 нм) может оказаться больше периода тактового импульса [22]. Задержку можно снизить и путем подачи дополнительных тактовых импульсов, но это приведет к резкому увеличению потребляемой мощности. Сопротивление широких ПЛ можно подобрать так, чтобы время распространения сигнала в схеме не превышало периода тактового импульса. Однако необходимо найти способы уменьшения индуктивности широких ПЛ, так как большая индуктивность может разрушить импульсный сигнал, преобразуя его в аналоговый.
Быстродействие ИМС зависит и от методов их корпусирования, и от способов их объединения на печатной плате. Объединение на одном кристалле цифровых и аналоговых, в том числе и высокочастотных, блоков, позволяющее создавать так называемые системы-на-кристалле (SoC), еще недавно казалось идеальным способом получения быстродействующих приборов и систем. Однако, если учесть сложность и дороговизну проектирования и тестирования таких микросхем [23], а также трудности совмещения технологии формирования низковольтных логических блоков и высоковольтных блоков памяти [24], этот путь уже не кажется идеальным. Проектировщики не смогут выполнить в SoC блок памяти с УТ-90 нм, пока этот уровень технологии не будет освоен для логических устройств. Таким образом, SoC будет отставать по УТ от отдельных микросхем. Кроме того, для некоторых SoC приходится жертвовать оптимальными характеристиками отдельных блоков. Так, ВЧ-блоки обычно создаются на пластинах арсенида галлия, и их перенос на кремниевые подложки связан с некоторой потерей быстродействия.
Более перспективным сейчас считается объединение в столбчатый модуль различных негерметизированных микросхем, выполненных по предельным УТ на оптимальных подложках, т.е. так называемая система-в-корпусе (SiP – system-in-a-package) [24]. В таком модуле микросхемы объединяются путем непосредственного соединения микрошариковых выводов одной схемы с контактными площадками другой или с помощью платы-кристаллодержателя с двухсторонней разводкой [22]. Емкость этих соединений не превышает 10 фФ, так что скорость обработки сигнала и потребляемая мощность модуля не превосходят значений, характерных для отдельных микросхем. В SiP легко монтируются и пассивные компоненты с большими значениями емкости и индуктивности. Для УТ-350 нм SiP дешевле SoC, если площадь кристалла больше 80 мм2 [22].
Дальнейшего повышения быстродействия микроэлектронных систем и приборов можно достичь путем изготовления плат-кристаллодержателей, оснований печатных плат и изоляционных прокладок, а также самого корпуса из НДП-материалов. Освоение производства SiP и SoC потребует разработки новой тестовой методологии, упрощающей процесс их тестирования. Кроме того, для решения проблем помехозащищенности таких систем необходимо создать специальные средства проектирования трассировки сигналов [4].

ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Классические КМОП-транзисторные структуры при уменьшении размеров их элементов приобретают принципиальные физические, технологические и экономические ограничения. По мере приближения уровня КМОП-технологии к таким ограничениям наблюдается либо резкое сокращение темпов уменьшения топологических норм, либо ввод ряда новых технологических элементов, строго говоря, кардинально изменяющих конструкцию транзисторных структур и отодвигающих таким образом принципиальные физические, технологические и экономические ограничения [24]. КМОП-технология при сохранении настоящих темпов развития должна подойти к этому уровню в ближайшее десятилетие. Чтобы не допустить замедления темпов совершенствования микросхем, а следовательно, и снижения экономической эффективности их производства, ведущие специалисты компаний, университетов и научных центров интенсивно исследуют принципиальные ограничения транзисторных структур и возможности их технологической модернизации с целью обхода или продления сроков вступления этих ограничений в силу [25–28].

Статья написана по материалам сайтов: sinref.ru, businessman.ru, poznayka.org, www.electronics.ru.

»

Помогла статья? Оцените её
1 Star2 Stars3 Stars4 Stars5 Stars
Загрузка...
Добавить комментарий

Adblock detector