Выбор и обоснование конструктивных и технологических матриалов

 

Для изготовления полупроводниковых интегральных схем используют в большинстве случаев пластины монокристаллического кремния p- или n- типа проводимости, снабженными эпитаксиальными и так называемыми     “скрытыми” слоями. В качестве легирующих примесей, с помощью которых изменяют проводимость исходного материала пластины, применяют соединения бора, сурьмы, фосфора, алюминия, галлия, индия, мышьяка, золота. Для создания межсоединений и контактных площадок используют алюминий и золото. 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.

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, конденсатору, диоду или транзистору. [1, стр. 24-25].

Необходимо отметить, что материал используемый для изготовления интегральной микросхемы должен определятся параметрами зависящими от свойств материала, а именно: оптических, термических, термоэлектрических, зонной структуры, ширины запрещённой зоны, положения в ней примесных уровней и т. д. Немаловажное значение играют электрические свойства полупроводникового 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.

Важным фактором, который должен учитываться при определении возможности применения какого-либо материала или технологического процесса производства ИМС, является его совместимость с другими применяемыми материалами [1, стр.24, 25, 27].

 

Приведем параметры некоторых проводящих материалов и параметры некоторых полупроводниковых материалов.

Таблица 2.1 - Физические и электрические параметры проводящих материалов[6]

Величина	Перечень материалов
	Алюминий	Золото	Медь	Никель	Олово	Свинец	Серебро
Плотность, 103кг/м3	2, 7	19.3	8.9	8, 9	7, 3	11, 4	10.5
Удельная теплоемкость, кДж/(кг*К)	0, 92	0, 13	0, 38	0, 5	0, 25	0, 13	0, 25
Температура плавления, єС	660	1064	1083	1455	232	327	960
Удельная теплота плавления, кДж/кг	380	66, 6	175	-	58	25	87
Предел прочности ГПа	0, 25	-	0, 24	-	0.027	0, 016	0, 14
Удельное сопротивления, 10-8 Ом*м	2, 8	-	1, 7	7, 3	12, 0	21, 0	1, 6
Температурный коэффициент сопротивления, *10-3 єС-1	4, 2	-	4, 3	6, 5	4, 9	3, 7	4, 1
Модуль Юнга *1010 Па	7	-	12	-	-	1, 7	-

 

Таблица. 2.2 - Основные свойства некоторых полупроводниковых материалов[5, стр. стр. 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
Ширина запрещенной зоны, эВ (Т = 300 К)	1, 12	0, 67	1, 41	0, 18	3, 1

 

Таблица 2.3 - Ширина запрещенной зоны (в эВ) элементарных полупроводников (при T=300K) [5, стр. 134]

Элемент	Э
Бор	1.1
Углерод (алмаз)	5.6
Кремний	1.12
Германий	0.0665
Олово	0.08
Фосфор	1.5
Мышьяк	1.2
Сурьма	0.12
Сера	2.5
Селен	1.8
Тейлур	0.36
Йод	1.25

 

 При изготовлении ИМС применение получили кремний, германий, арсенид и фосфид галлия, антимонид индия, карбид кремния. Наиболее распространёнными в этой области является кремний, однако применение в изготовлении ИМС находят многие из перечисленных выше соединения.

Арсенид галлия GaAs, обладающий более высокой подвижностью электронов и большей шириной запрещенной зоны. Его применяют в ИС высокого быстродействия, в частности в микросхемах СВЧ, но главным образом для изготовления дискретных приборов СВЧ. Широкому применению этого материала в микроэлектронной технологии препятствует сложность его получения и обработки. Арсенид галлия GaAs, фосфид галлия GaP, карбид кремния SiC служат для изготовления светодиодных структур в оптоэлектронных ИС. Антимонид индия InSb, имеющий очень высокую подвижность электронов, является перспективным материалом для создания ИС очень высокого быстродействия. Однако из-за малой ширины запрещенной зоны этого полупроводника работа таких микросхем возможна только при глубоком охлаждении [7].

Кремний кристаллизуется в структуре алмаза. В химическом отношении при комнатной температуре он является весьма инертным веществом – не растворяется в воде и не реагирует со многими кислотами в любых количествах, устойчив на воздухе даже при температуре 900єС, при повышении температуры – окисляется с образованием двуокиси кремния. Вообще, при нагревании кремний легко реагирует с галогенами, хорошо растворим во многих расплавах металлов. Атомы элементов валентностью 3, 5 являются донорами и акцепторами, создавая мелкие уровни в запрещенной зоне. Элементы 1, 2, 6, 7 вносят глубокие уровни в запрещенную зону и вносят изменения во время жизни неосновных носителей заряда. Акцепторный уровень расположен в верхней половине запрещенной зоны [5, стр.145-156].

В разрабатываемой МС в качестве подложки будет применяться 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. стр. 135-144, 144-156].

Для разработки интегральной микросхемы генератора напряжения будем использовать следующие элементы и их соединениями: в качестве полупроводниковой пластины будем использовать кремний. В качестве акцепторной примеси будем использовать бор; фосфор и сурьма – как донорную примесь. В качестве изолирующего диэлектрика будет применяться двуокись кремния SiO₂, которая в свою очередь характеризуется следующим:

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

защищает кремний от диффузии;

является изоляционным материалом с достаточной величиной диэлектрической постоянной;

легко стравливается или удаляется с локальных участков;

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 его плохая адгезия к плёнке двуокиси кремния. Поэтому в качестве материала для разводки и контактных площадок будем применять алюминий, который обладает хорошей адгезией к кремнию и его оксиду, хорошей электропроводностью, легко наносится на поверхность ИМС в виде тонкой плёнки, дешевле. В качестве внешних выводов будем применять 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 таблице 2.4

 

Таблица 2.4 - Основные требования к пластинам кремния[9, стр. 319]

Характеристика пластин	Диаметр, мм	Допустимые значения
Точность кристаллографической ориентации рабочей поверхности   Отклонение диаметра     Отклонение толщины от номинала в партии   Отклонение толщины от номинала по пластине   Длина базового среза     Длина дополнительных срезов     Непараллельность сторон (клиновидность)	76; 100     76 100   76; 100     76; 100   76 100   76 100   76; 100	±0, 5°     ±0, 5 мм ±(0, 5…0, 8) мм   ±(10…20) мкм     ±(5…10) мкм   20…25 мм 30…35 мм   9…11 мм 16…20 мм   ±0, 5 %
Неплоскостность     Прогиб в исходном состоянии     Прогиб после термоиспытаний     Шероховатость рабочей стороны   Шероховатость нерабочей стороны   Механически нарушенный слой   Адсорбированные примеси                       Атомы, ионы                           Молекулы	76 100   76 100   76 100   76; 100   76; 100   76; 100   76; 100	4…9 мм 5…9 мм   15…30 мм 20…40 мм   50 мкм 60 мкм   Rx ≤ 0.05 мкм   Ra ≤ 0.5 мкм Шлифовано-травленная   Полное отсутствие     Меньше 1012…1014 атом/см2; ион/см2   Менее одного монослоя

 

Отметим также, что проведение различных операций, таких как резка, шлифование свободным абразивом, механическое полирование и др. сопровождается нарушением слоя кремния у поверхности подложки и вглубь ее, что приведет  к неправильным результатам дальнейших процессов. Поэтому существуют некоторые стандарты нарушения поверхности пластин кремния, которые недопустимо превышать. Ниже представлена таблица, которая содержит оптимальные нарушения поверхности подложки кремния[9].

Таблица 2.5 - Глубина нарушенного слоя пластин кремния после механических обработок

Технологические операции	Условия обработки	Глубина нарушенного слоя, мкм
Резка алмазным кругом с внутренней режущей кромкой     Шлифование     Шлифование и полирование   Химико – механическое полирование	Зернистость режущей кромки АСМ 60/53; n=4000 об/мин-1; подача 1 мм/мин   Свободный абразив – суспензии порошка: ЭБМ-10 ЭБМ-5   Связанный абразив – круг АСМ 28 Алмазная паста: АСМ-3 АСМ-1 АСМ-0, 5   Суспезия аэросила, SiO2 зерно 0, 04…0, 3 мкм Суспензия ZrO2 0, 1…0, 2мкм Суспензия α -Аl2O3 0.05…1мкм Суспензия цеолита	20…30     11…15   7…9   14…16     6…9 5…6 1…2   1…1, 5     -   -   1…2

 

После выбора материала подложки приступают к выбору материала примесей. Здесь важнейшим критерием является необходимый тип проводимости полупроводникового материала, после легирования. Ниже представлена таблица 2.6, в которой описаны все материалы, используемые в качестве примесей. Важными параметрами примесей является предельная растворимость полупроводника и температура, при которой производят процесс легирования (см. таблицу 2.10).

Таблица 2.6 - Электрическое поведение наиболее распространенных примесей в важнейших полупроводниках[9, стр. 318]

 

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

 

Для разработки интегральной микросхемы дифференциального каскада воспользуемся следующими элементами и их соединениями: в качестве полупроводниковой пластины будем использовать кремний; в качестве акцепторной примеси будем использовать бор и алюминий; фосфор – как донорную примесь. В качестве межэлементных соединений будем использовать алюминий. В качестве изолирующего диэлектрика будет применяться двуокись кремния SiO_2.

 Необходимо отметить, что при проектировании интегральной микросхемы производят совокупность определенных процессов, таких как фотолитография, легирование, очистка и др. При проведении этих процессов пользуются вполне определенным набором веществ. При проведении процесса фотолитографии используются фоторезисты, основные виды которых представлены в таблице 2.9. Травление осуществляется химическими веществами, которые описаны в таблице 2.8. При выборе материала для проведения шлифования, особое внимание акцентируют на размер зерен, от которого зависит качество шлифования и возможные повреждения поверхности полупроводникового материала в результате ее проведения. Основные типы порошков приведены в таблице 2.7

 

Таблица 2.7 - Характеристика абразивных и алмазных порошков

[9, стр.321]

Группа	Номер зернистости		Размер зерен основной фракции, мкм
	По ГОСТ 3647-71	По ГОСТ 9206-70
Абразивные шлифпорошки     Абразивные микропорошки   Абразивные тонкие микропорошки   Алмазные микропорошки	12 10 8 6 5 4 3   М63 М50 М40 М28 М20 М14   М10 М7 М5   - - - - -	- - - - - - -   - - - - - -   - - -   60/40 40/28 28/20 20/14 14/10	160…125 125…100 100…80 80…63 63…50 50…40 40…28   63…50 50…40 40…28 28…20 20…14 14…10   10…7 7…5 5…3   60…40 40…28 28…20 20…14 14…10
	1 - - - - -	10/7 7/5 5/3 3/2 2/1 1/0	10…7 7…5 5…3 3…2 2…1 1 и менее

 

Таблица 2.8 - Основные кислотные травители для кремния

[9, стр. 78]

Тип травителя	Обьемный состав	Применение	Время травления
СР-8     СР-4А   Травитель Уайта   Травитель Деша	HNO3: HF=2: 1     HNO3: HF: : CH2COOH=5: 3: 5     HNO3: HF=3: 1   HNO3: HF: : CH2COOH=3: 1: 8	Химическое полирование   Химическое полирование и выявление границ p-n-переходов   Химическое полирование плоскостей(111)   Медленное химическое полирование любых плоскостей	1…2 мин     2…3 мин   15 с   1…16 ч

 

Таблица 2.9 - Характеристики некоторых фоторезистов[9, стр. 104]

 

Марка фоторезиста	Разрешающая способность при толщине слоя 1 мкм	Кислотостойкость по плотности дефектов, мм-2, не более	Стойкость к проявителю, с	Кинематическая вязкость в состоянии поставки  при 20°С
ФП-307 ФП-309 ФП-330 ФП-333 ФП-334 ФП-383 ФП-РН-7 ФП-617 ФП-617П ФП-626 ФН-106 ФН-108	500 400 400 500 400 400 400 500 500 500 200 400	0, 35 0, 5 0, 75 0, 2 0, 2 0, 2 0, 2 0, 05 0, 005 0, 005 0, 4 0, 25	90 - 60 180 600 180 40 30 40 30 - -	6 6 5, 9 6 4, 5 6…2, 5 2…2, 5 21…26 8…15 20, 5…25, 5 7 3, 5

 

Таблица 2.10 - Предельная растворимость примесей в кремнии[9, стр. 189]

Примесь	Предельная растворимость, см-2	Температура, °С
Алюминий Бор Фосфор Галлий Индий Сурьма Мышьяк Золото	1019…1020 5*1020 1, 3*1021 4*1019 1019 6*1019 2*1021 1017	1150 1200 1150 1250 1300 1300 1150 1300

Одним из важных моментов в разработке микросхемы является ее корпус. При выборе корпуса руководствуются конструктивно - технологическими характеристиками. Огромное влияние оказывает диапазон рабочих температур, механическая прочность, климатические условия, в котором, как предполагается, будет работать микросхема и т.д. Классификация корпусов ИС помещена в таблице 2.11. Конструктивно – технологические характеристики некоторых корпусов ИС помещены в таблице 2.12.

При выборе корпуса внимание было акцентировано на универсальность и простоту монтажа схемы.

 

Кроме того, пластмассовые прямоугольные корпуса обладают рядом преимуществ перед остальными типами корпусов, регламентируемых ГОСТом 17-467-79. А именно: небольшая высота корпуса, позволяющая уменьшить объем радиоэлектронного узла: возможность создания корпуса с большим числом выводов; позволяют применять различные методы их присоединения к печатной плате.

Таблица 2.11 - Классификация корпусов ИС по ГОСТ 17-467-79

[7, стр 301]

Тип	Подтип	Форма корпуса	Расположение выводов
1	11	Прямоугольная	Выводы расположены в пределах проекции тела корпуса	перпендикулярно, в один ряд
	12			Перпендикулярно в два ряда
	13			Перпендикулярно в три и более ряда
	14			Перпендикулярно по контуру прямоугольника
2	21	Прямоугольная	За пределами проекции тела корпуса	Перпендикулярно в два ряда
	22			Перпендикулярно в четыре ряда в шахматном порядке
3	31	Круглая	В пределах проекции тела корпуса	Перпендикулярно по одной окружности
	32	Овальная	В пределах проекции тела корпуса
	33	Круглая	За пределами проекции тела корпуса
4	41	Прямоугольная	За пределами проекции тела корпуса	Параллельно по двум противоположным сторонам
	42			Параллельно по четырем сторонам
5	51	Прямоугольная	В пределах проекции тела корпуса	Металлизированные контактные площадки по периметру корпуса

Таблица 2.12 - Конструктивно – технологические характеристики некоторых корпусов ИС[7, стр. 301]

 

Условное обозначение корпуса	Вариант исполнения	Масса, г	Размеры корпуса, мм	Размеры монтажной площадки, мм
1202.14(151.14-1) 1203.15(151.15-1) 1203.15(151.15-3) 1210.29(157.29-1) 2103.8(201.8-1) 2102.14(201.14-2) 2102.14(201.14-8) 2103.16(201.16-8) 2204.48(244.48-1) 3101.8(301.8-2) 3107.12(301.12-1) 3204.10(311.10-1) 4104.14(401.14-2) 4110.16(402.16-1) 4122.40-2 4138.42-2	МС МС МС МС МК П К К К МС МС МС МС МК МК МК	1, 6 2, 0 1, 6 14 1, 8 1, 2 1, 55 1, 6 4, 15 1, 3 3, 20 1, 0 1, 0 3, 0 4, 8	19, 5*14, 5*4, 9 19, 5*14, 5*5 19, 5*14, 5*4 39*29*5 19*7, 8*3, 2 19*7, 2*3, 2 19, 5*7, 2*5, 5 19*7, 2*3, 2 31*16, 5*4 9, 5; H=4.6 9, 5; H=4.6 39*25*7 10*6.6*2 12*9.5*2.5 25.75*12.75*3 36*24*3.5	16*8 17*8.3 5.6*6.2 34*20 5*3 5*3 5*3 5*3 8*8 3*3 3*3 5*5 4.9*2 5.5*3.5 6.2*5.2 10.7*8.3

 

Примечание: К – керамический, МК – металлокерамический, МС - металлостеклянный, П – пластмассовый.

Низкая стоимость пластмассового корпуса определяется: дешевизной применяемого материала и технологии изготовления корпуса, в которой операции формирования монолитного корпуса и герметизации ИМС совмещены; возможностью автоматизации сборки с использованием плоских выводов в виде рамок; возможностью осуществления групповой технологии герметизации, например литьевого прессования с помощью многоместных прессформ или метода заливки эпоксидным компаундом в многоместные литьевые формы. При использовании пластмассового корпуса монтаж кристалла производится на технологическую контактную рамку, представляющую собой пластину с выштампованными внешними выводами, которые в процессе монтажа остаются прикрепленные к контуру рамки. Более длинный вывод заканчивается площадкой, находящейся в центре системы выводов, на нее припаивается кристалл. После монтажа термокомпрессионной сваркой проволочных перемычек между контактными площадками кристалла и выводами корпуса осуществляется предварительная защита собранного узла ( особенно проволочных перемычек) каплей компаунда холодного отвердевания. Когда отвердевание компаунда завершено, узел направляют на заливку под давлением во временной форме компаундом горячего отвердевания. После герметизации технологическая рамка отделяется в штампе, а выводы формуются соответственно типоразмеру изготавливаемого пластмассового корпуса.

Выводы в технологических рамках целесообразно выполнять в отрезках ленты длиной до 250 мм на несколько микросхем. Это облегчает автоматизацию процесса монтажа, а также обеспечивает загрузку многоместных форм для заливки компаундом. Для крепления кремниевых кристаллов на основание корпуса наиболее широкое распространение получил метод пайки эвтектическим сплавом золота (98% Au) с кремнием (2% Si) c температурой плавления 370^оС. Такой сплав образуется в месте соприкосновения кремния с золотым покрытием основания корпуса благодаря взаимной диффузии золота и кремния. Более дешевым методом является клейка кремниевых кристаллов на основание корпуса(например клеем ВК-9 ) [8].

Для присоединения выводов к контактным площадкам кремниевых ИМС и внешним выводам корпуса прибора используется метод УЗ-сварки. Метод состоит в присоединении выводов в виде тонких металлических проволочек (диаметр 10…30мкм) к контактным площадкам при одновременном воздействии инструмента, совершающего высокочастотные колебания. Для изготовления проволоки применяются пластические металлы, обычно алюминий и золото. В качестве материала проволоки выбираем более дешевый алюминий. Достоинства такой сварки – соединение без применения флюса и припоев металлов в твёрдом состоянии при сравнительно низких температурах и малой их деформации 10…30% как на воздухе, так и в атмосфере защитного газа.

Конструктивные расчеты

⇐ Предыдущая12345Следующая ⇒

Поделиться: