Разработка пакета учебно-прикладных программ по дисциплине "Проектирование интегральных микросхем"

1.1.2 Основания выбора конструктивных материалов ППИС

Материал, используемый для изготовления полупроводниковой интегральной микросхемы, должен определяться параметрами, зависящими от свойств материала, а именно: от оптических, термических, термоэлектрических свойств, зонной структуры, ширины запрещённой зоны, положения в ней примесных уровней и т. д.

Немаловажное значение играют электрические свойства материала: тип электропроводности, концентрация носителей заряда и их подвижность, удельное сопротивление, время жизни неосновных носителей заряда и их диффузионная длина.

К основным требованиям, которым должны удовлетворять все материалы, используемые в производстве интегральных МС, относятся:

1. стойкость к химическому воздействию окружающей среды;

2. монокристаллическая структура;

3. однородность распределения;

4. устойчивость к химическим реагентам;

5. механическая прочность, термостойкость;

6. устойчивость к старению и долговечность.

При изготовлении ИМС применение получили кремний, германий, арсенид и фосфид галлия, антимонид индия, карбид кремния (табл. 2). Применение в изготовлении ИМС находят многие из перечисленных ниже соединений, однако наиболее распространённым в этой области является кремний, германий в современном производстве ИМС не используется.

Важным фактором, который должен учитываться при определении возможности применения какого-либо материала или технологического процесса производства ИМС, является его совместимость с другими применяемыми материалами.

Таблица 2. Основные свойства полупроводниковых материалов [5, с.135].

Параметр и единица измерения	Полупроводниковые материалы
	Кремний	Германий	Арсенид галлия	Антимонид индия	Карбид кремния
Атомная молекулярная масса	28,1	72,6	144,6	118,3	40,1
Плотность, г/см^-3	2,.33	5,32	5,4	5,78	5,32
Концентрация атомов •10 ²², см^-3	5	4,4	1,3	1,4	4,7
Постоянная решетки, нм	0,543	0,566	0,563	0,648	0,436
Температура плавления,°С	1420	937	1238	520	2700
Коэффициент теплопроводности, Вт/(см•К)	1,2	0,586	0,67	0,17	0,084
Удельная теплоемкость, Дж/(г•К)	0,76	0,31	0,37	1,41	0,62..0,75
Подвижность электронов, см²/(В•с)	1300	3800	8500	77000	100..150
Подвижность дырок, см²/(В•с)	470	1820	435	700	20…30
Относительная диэлектрическая проводимость	12	16	11	16	7
Коэффициент диффузии электронов, см²/c	33,6	98	220	2200	2,6…3,9
Коэффициент диффузии дырок, см²/с	12,2	47	11,2	18	0,5…0,77

Для изготовления полупроводниковых интегральных схем используют в большинстве случаев пластины монокристаллического кремния p- или n- типа проводимости, снабженными эпитаксиальными и так называемыми “скрытыми” слоями (рис. 1).

Размещено на http://allbest.ru/

Рис.1. Структура элементов полупроводниковой ИС.

Кремний в химическом отношении при комнатной температуре является весьма инертным веществом - не растворяется в воде и не реагирует со многими кислотами в любых количествах, устойчив на воздухе даже при температуре 900?С, при повышении температуры - окисляется с образованием двуокиси кремния. Вообще, при нагревании кремний легко реагирует с галогенами, хорошо растворим во многих расплавах металлов.

Далее в качестве подложки будет рассматриваться кремний, у которого следующие преимущества перед германием:

1. Большая ширина запрещённой зоны, что даёт возможность создавать резисторы с большими номинальными значениями;

2. Более высокие рабочая температура и удельные нагрузки;

3. Транзисторы работают при значительно больших напряжениях;

4. Меньшие токи утечки в p-n переходах;

5. Более устойчивая к загрязнениям поверхность;

6. Плёнка двуокиси кремния, созданная на его поверхности, имеет коэффициенты диффузии примесей значительно меньше, чем сам кремний. [5, с.144-156].

После выбора материала подложки приступают к выбору материала примесей. Здесь важнейшим критерием является необходимый тип проводимости полупроводникового материала, после легирования. В качестве легирующих примесей, с помощью которых изменяют проводимость исходного материала пластины, применяют соединения бора, сурьмы, фосфора, алюминия, галлия, индия, мышьяка, золота. Применяемые материалы должны обладать очень высокой чистотой: содержание примесей в большинстве материалов, используемых при изготовлении полупроводниковых микросхем, не должно превышать 10^-5...10^-9 частей основного материала.

В таблице 3 описаны материалы, используемые в качестве примесей. Важными параметрами примесей является предельная растворимость полупроводника и температура, при которой производят процесс легирования.

Таблица 3. Наиболее распространенные примеси в полупроводниках [3, с. 318].

Полупроводник	Нейтральные примеси	Доноры	Акцепторы	Примеси, создающие глубокие уровни
Кремний	H, N, C, Ge, Sn, Pb, Ar	P, As, Sb, Li	B, Al, Ga, In	Cu, Au, Zn, Mn, Fe, S, Ni
Германий	H, N, C, Ge, Sn, Pb, Ar	P, As, Sb, Li	B, Al, Ga, In	Cu, Ag, Au, Zn, Cd, Mn, Ni, Fe, S, Se, Te
Арсенид галлия	H, N, B, Al, In, P, Sb	Si, Sn, Te, S, Se	Zn, Cd, Be, Li	Cr, Fe, V, Ni, Mg, Au, Ge, Mn, Ag
Фосфид галлия	H, N, B, Al, In, As, Sb	Si, Sn, Te, S, Se	Be, Mg, Zn, Cd, C	Cu, O, Ge, Co, Fe, Cr, Mn

Изменяя определенным образом концентрацию примесей в различных частях монокристаллической полупроводниковой пластины, можно получить многослойную структуру, воспроизводящую заданную электрическую функцию и до известной степени эквивалентную обычному дискретному резистору, диоду или транзистору.

Далее при рассмотрении характеристик диффузионных резисторов в качестве акцепторной примеси рассматриваются бор и фосфор и сурьма - как донорная примесь. В качестве изолирующего диэлектрика применяется двуокись кремния SiO₂, которая в свою очередь характеризуется следующим:

1. образует равномерное, сплошное, прочное покрытие на поверхности монокристаллического кремния; допускает строгий контроль толщины и имеет коэффициент термического расширения, примерно равный такому же коэффициенту кремния;

2. защищает кремний от диффузии;

3. является изоляционным материалом с достаточной величиной диэлектрической постоянной;

4. легко стравливается или удаляется с локальных участков;

5. обеспечивает защиту поверхности кремния.

В полупроводниковых МС межэлементные связи осуществляются с помощью плёночных проводников. Материалы проводников должны обеспечивать низкоомный контакт к кремниевым электродам, обладать хорошим сцеплением с диэлектриком и кремнием, быть металлургически совместимым с материалами, которые применяются для присоединения внешних выводов к контактным площадкам. Основными материалами при получении соединений для полупроводниковых ИМС является золото и алюминий. В некоторых случаях находят применения никель, хром, серебро.

Основным недостатком золота является не только его высокая стоимость, но и его плохая адгезия к плёнке двуокиси кремния. Поэтому в качестве материала для разводки и контактных площадок чаще применяется алюминий, который обладает хорошей адгезией к кремнию и его оксиду, хорошей электропроводностью, легко наносится на поверхность ИМС в виде тонкой плёнки, меньшей стоимостью. В качестве внешних выводов применяют золотую проволоку, поскольку алюминий характеризуется пониженной механической прочностью.

Необходимо отметить, что одним из критериев выбора материала для подложки являются определенные требования, предъявляемые к подложкам в течение всего процесса изготовления микросхемы. Электрофизические характеристики монокристаллических полупроводниковых пластин и их кристаллографическая ориентация должны обеспечивать получение микросхем с заданными свойствами. Исходя из этого, на этапе проектирования выбирают необходимую ориентацию и марку полупроводникового материала, а в процессе изготовления пластин выполняют контроль кристаллографической ориентации и основных электрофизических параметров. В случае необходимости пластины классифицируют по значениям электрофизических параметров. Основные требования к пластинам кремния представлены в Приложении.

биполярный транзистор диффузионный резистор

Содержание