TECHNOLOGIE POLOVODIČŮ TECHNOLOGIE VÝROBY INTEGOVANÝCH OBVODŮ MIKROELEKTRONIKA.

Prezentace na téma: "TECHNOLOGIE POLOVODIČŮ TECHNOLOGIE VÝROBY INTEGOVANÝCH OBVODŮ MIKROELEKTRONIKA."— Transkript prezentace:

1 TECHNOLOGIE POLOVODIČŮ TECHNOLOGIE VÝROBY INTEGOVANÝCH OBVODŮ MIKROELEKTRONIKA

2 MIKROELEKTRONIKA – OBOR ELEKTRONIKY, KTERÝ VZNIKL JAKO POŽADAVEK NA : - ZMENŠOVÁNÍ OBJEMU A HMOTNOSTI ELEKTRONICKÝCH OBVODŮ - SNIŽOVÁNÍ SPOTŘEBY ELEKTRICKÉ ENERGIE OBVODŮ A ZAŘÍZENÍ - SKUTEČNOST, ŽE DALŠÍ MINIATURIZACE DISKRÉTNÍCH SOUČÁSTEK A OBVODŮ Z NICH DOSÁHLA SVÉHO VRCHOLU A NELZE V NÍ DÁL POKRAČOVAT DALŠÍ MINIATURIZACE JE MOŽNÁ POUZE PROSTŘEDNICTVÍM INTEGROVANÝCH OBVODŮ – SOUČÁSTEK, PŘEDSTAVUJÍCÍCH SOUBOR FUNKČNÍCH PRVKŮ, KTERÉ TVOŘÍ ELEKTRONICKÝ OBVOD SE STEJNOU FUNKCÍ, JAKO OBVOD Z DISKRÉTNÍCH SOUČÁSTEK VE SROVNÁNÍ S KLASICKÝM OBVODEM TVOŘÍ JEDNU SOUČÁSTKU, JE NESROVNATELNĚ MENŠÍ, LEHČÍ A MÁ MENŠÍ SPOTŘEBU ENERGIE

3 INTRGROVANÉ OBVODY (IO) ROZDĚLENÍ IO SE DĚLÍ PODLE NĚKOLIKA KRITERIÍ: PODLE USPOŘÁDÁNÍ = MONOLITICKÉ (obvody na krystalu Si) = VRSTVOVÉ (obvody tvořené různými vrstvami) = HYBRIDNÍ (obvody kombinované z přechozích) - MONOLITICKÉ PODLE TECHNOLOGIE = BIPOLÁRNÍ (tvořené BPT) = UNIPOLÁRNÍ (MOS,CMOS) - VRSTVOVÉ PODLE TECHNOLOGIE = TENKOVRSTVÉ (napařované … ) = TLUSTOVRSTVÉ (nanášení past) PODLE HUSTOTY INTEGRACE = MSI (malý stupeň integrace ~ 10E1) = SSI (střední stupeň ~ 10E2) = LSI (velký stupeň ~ 10E3) = ELSI (extrémně velký stupeň ~ 10E4) ………. = V SOUČASNOSTI ~ 10E6 A VÍCE

4 MONOLITICKÉ IO ZÁKLADNÍ ROZDÍLY PROTI DISKRÉTNÍ TECHNOLOGII A) ELEKTRICKY VZÁJEMNĚ IZOLOVANÉ FUNKČNÍ OBLASTI B) AKTIVNÍ A PASIVNÍ PRVKY VYTVOŘENÉ V TĚCHTO OBLASTECH C) VZÁJEMNÉ PROPOJENÍ JEDNOTLIVÝCH FUNKČNÍCH OBLASTÍ D) VYTVOŘENÍ DOSTATEČNÉHO POČTU VÝVODŮ PRO PROPOJENÍ IO S VNĚJŠÍMI OBVODY ( napájení, zdroj signálu, zátěž …. ) VÝCHOZÍ MATERIÁL – KŘEMÍKOVÁ DESTIČKA, PO VYLEŠTĚNÍ TLOUŠŤKA 200 µm, PRŮMĚR V SOUČASNÉ DOBĚ 30 cm I VÍC SOUČASNĚ SE VYRÁBÍ NĚKOLIK SET AŽ TISÍC SYSTÉMŮ A NĚKOLIK KONTROLNÍCH STRUKTUR NA JEDNÉ DESCE ZÁKLADNÍ TECHNOLOGIE – PLANÁRNÍ EPITAXNÍ S DIFÚZÍ NEBO IONTOVOU IMPLANTACÍ

5 PŘÍPRAVA ZÁKLADNÍ DESKY EPITAXE A VYTVOŘENÍ IZOLAČNÍCH OSTRŮVKŮ N P NA ZÁKLADNÍ VYLEŠTĚNÉ DESTIČCE P (SUBSTRÁT) SE NECHÁ EPITAXÍ NARŮST TENKÁ VRSTVA POLOVODIČE N TLOUŠŤKA VRSTVY JE PODLE DRUHU IO 2-25 µm POVRCH SE OXIDACÍ POKRYJE OCHRANNOU VRSTVOU, PŘES MASKU SE VYTVOŘÍ IZOLAČNÍ KAPSY – OBLASTI P, KTERÉ PRONIKAJÍ AŽ DO SUBSTRÁTU POTOM SE OPĚT POVRCH PŘIKRYJE OXIDEM Si IZOLAČNÍ OSTRŮVKY V EPITAXNÍ VRSTVĚ IZOLAČNÍ KAPSY SUBSTRÁT P P N P KAŽDÝ IZOLAČNÍ OSTRŮVEK JE URČEN PRO VYTVOŘENÍ JEDNÉ SOUČÁSTKY BUDOUCÍHO IO V EPITAXNÍ VRSTVĚ SE VYTVOŘÍ POSTUPNĚ STRUKTURY TRANZISTORŮ, DIOD NEBO KONDENZÁTORŮ SiO2 ~ 1-10µm ŘEZ IZOLAČNÍM OSTRŮVKEM JEDEN BIPOLÁRNÍ TRANZISTOR 50X50 µm ČIP PODLE SLOŽITOSTI 0,5X0,5 AŽ 5X5 mm

6 BIPOLÁRNÍ TRANZISTOR V MIO ZÁKLADNÍ BIPOLÁRNÍ TRANZISTOR TRANZISTOR S UTOPENOU VRSTVOU B E C P P N N PLANÁRNÍ TECHNOLOGIÍ (OXIDACÍ, MASKOVÁNÍM, DIFÚZÍ NEBO IONTOVOU IMPLANTACÍ) SE DO EPITAXNÍ VRSTVY VYTVOŘÍ OBLAST P BUDOUCÍ BÁZE A OPAKOVÁNÍM TÉHOŽ POSTUPU DO OBLASTI P BOHATĚ DOTOVANÁ OBLAST N BUDOUCÍHO EMITORU V POSLEDNÍ ETAPĚ SE NAPAŘÍ HLINÍKOVÉ KONTAKTY PRO VÝVODY E,B a C A OPRAVÍ OCHRANNÝ POVRCH SiO2 EPITAXNÍ VRSTVA MÁ ZNAČNÝ ODPOR – TRANZISTOR NEMÁ DOBRÉ SPÍNACÍ A VF VLASTNOSTI B E C P P N N N + PRO ZLEPŠENÍ VF A SPÍNACÍCH VLASTNOSTÍ SE POUŽÍVÁ TECHNOLOGIE UTOPENÉ VRSTVY PŘED EPITAXÍ SE DO SUBSTRÁTU VYTVOŘÍ DIFÚZÍ VRSTVA SILNĚ DOTOVANÉHO POLOVODIČE N+ V MÍSTECH, KDE BUDOU VTVÁŘENY TRANZISTORY (UTOPENÁ VRSTVA) NÁSLEDUJE EPITAXE A PO NÍ VYTVOŘENÍ POTŘEBNÝCH STRUKTUR PRO TRANZISTORY

7 DIODY V MONOLITICKÝCH IO Z EKONOMICKÉHO DŮVODU SE DIODY REALIZUJÍ PROSTŘEDNICTVÍM VHODNÉ STRUKTURY TRANZISTORŮ, ABY BYLY VYTVÁŘENY PŘI HROMADNÉ VÝROBĚ STEJNÝMI OPERACEMI JAKO TRANZISTORY LZE VYTVOŘIT CELKEM PĚT DRUHŮ DIOD, KTERÉ SE OD SEBE LIŠÍ NEJEN ZAPOJENÍM STRUKTUR, ALE I VLASTNOSTMI NĚKTERÉ DIODY LZE REALIZOVAT JAKO TRANZISTOR BEZ POSLEDNÍ DIFÚZE EMITOROVÉ OBLASTI DIODA B – E PŘECHOD B-C NAKRÁTKO DIODA B – E PŘECHOD B-C NAPRÁZDNO DIODA B – E PŘECHOD C-E NAKRÁTKO DIODA B – C PŘECHOD B-E NAPRÁZDNO DIODA B – C PŘECHOD B-E NAKRÁTKO

8 REZISTORY V MONOLITICKÝCH IO REZISTORY V MONOLITICKÉ STRUKTUŘE JSOU TVOŘENY POLOVODIČOVÝM MATERIÁLEM MONOKRYSTALU MEZI DVĚMA KONTAKTNÍMI PŘÍVODY REZISTORY DO R ~ 10E5 Ω: - DIFÚZNÍ = odporová dráha vytvořena difúzí do přesně vymezené plochy a hloubky (vyrábí se současně s difúzí bází nebo emitorů - EPITAXNÍ = odporovou dráhu tvoří vymezená oblast epitaxní vrstvy REZISTORY NAD R ~ 10E5 Ω: - ZÁVĚRNĚ POLARIZOVANÝ PŘECHOD PN - KANÁL UNIPOLÁRNÍHO MOS TRANZISTORU (v odporové oblasti VAch) d Š=a L=a L=počet CHARAKTERISTICKÝ PARAMETR REZISTORU JE TZV. ODPOR NA ČTVEREC R = ρ/d JE-LI L – délka, Š – šířka, d - tloušťka vrstvy d*Š – průřez odporové dráhy PRO L = Š = a PAK PLATÍ: ODPOR R = ρ*L/d*Š = R * n KDE n JE POČET ČTVERCŮ PŘ. R=4kΩ – R = 200 Ω – Š = 5 µm, L = 100 µm KONTAKT ODP. DRÁHA d

9 KONDENZÁTORY A CÍVKY V MONOLITICKÝCH IO KONDENZÁTORY V MONOLITICKÉ STRUKTUŘE NEPŘESAHUJÍ HODNOTU 500 pF UDÁVAJÍ SE JAKO MĚRNÉ S HODNOTOU 10E2-10E3 pF/mm² VĚTŠÍ HODNOTY SE PŘIPOJUJÍ JAKO VNĚJŠÍ SOUČÁSTKY PROVEDENÍ: - DIFÚZNÍ – přechod PN tranzistoru v závěrném směru (B-E nebo B-C) - SE STRUKTUROU MIS – kapacita mezi emitorem a řídící elektrodou CÍVKY V MONOLITICKÉ STRUKTUŘE NELZE JAKO FUNKČNÍ STRUKTURU VYTVOŘIT INDUKČNÍ REAKTANCE SE NAHRAZUJE JINÝMI OBVODY I ZA CENU VELKÉHO POČTU SOUČÁSTEK NELZE-LI JI NAHRADIT, POUŽIJE SE JAKO VNĚJŠÍ DISKRÉTNÍ SOUČÁSTKA

10 MONOLITICKÉ OBVODY MIS REALIZUJÍ SE SYSTÉMY MOS NEBO MNOS - (MOS Metal Oxide Semiconductor, MNOS – Metal Nitride Oxide Semiconductor) PROVEDENÍ: - STRUKTURA S KANÁLEM N = difúzí nebo iontovou implantací jen kolektor a emitor do substrátu (indukovaný kanál) = stejnou technologií kolektor, emitor i vodivý kanál (vodivý kanál) - STRUKTURA S KANÁLEM P = stejná technologie jako v případě kanálu N, ale na podložce N nebo v epitaxní vrstvě N G E C P N+ G EC P N P+ P PŘÍKLAD INDUKOVANÝ KANÁL N PŘÍKLAD VODIVÝ KANÁL P

11 VRSTVOVÉ IO PODSTATA SPOČÍVÁ VE VYTVOŘENÍ MINIATURNÍHO PLOŠNÉHO SPOJE S ELEKTRONICKÝM OBVODEM SOUČÁSTKY SE VYTVÁŘEJÍ TECHNOLOGIEMI PODLE TYPU OBVODU ZÁKLADNÍ ROZDĚLENÍ - TLUSTOVRSTVÉ IO = na keramické podložce (velký izolační odpor) - TENKOVRSTVÉ IO = podložka sklo, keramika, safír, křemen (vyleštěné) TLUSTOVRSTVÉ OBVODY VYTVÁŘENÍ OBVODŮ ODPOROVÝMI, IZOLAČNÍMI A VODIVÝMI PASTAMI NANÁŠEJÍ SE PŘES KRYCÍ MASKY V TAKOVÉM SLEDU, ABY BYLA VYTVOŘENA POŽADOVANÁ STRUKTURA NAKONEC SE SYSTÉM VYPÁLÍ PŘI TEPLOTĚ 800 – 900° C

12 TLUSTOVRSTVÉ REZISTORY PARAMETR JAKO U MIO – ODPOR NA ČTVEREC ODPOROVÉ PASTY S ODPOREM NA ČTVEREC 10Ω, 100 Ω, …… 1MΩ NA HOTOVÉM IO LZE ZMĚNOU ŠÍŘKY ODPOROVÉ DRÁHY ZPŘESNIT VÝSLEDNÝ ODPOR REZISTORU TLUSTOVRSTVÉ KONDENZÁTORY POSTUPNÉ NANÁŠENÍ VODIVÝCH A DIELEKTRICKÝCH PAST PODLE POŽADOVANÉ KAPACITY – až 5 vrstev, kapacita ~ pF – 10nF VĚTŠÍ KAPACITY SE VKLÁDAJÍ JAKO KAPACITNÍ ČIP – jedno nebo vícevrstvový keramický nebo tantalový elektrolytický kondenzátor TLUSTOVRSTVÉ CÍVKY JEN S MALOU INDUKČNOSTÍ (do 100nH) JAKO CÍVKA NA PLOŠNÉM SPOJI (spirála z vodivé pasty) TRANZISTOROVÉ STRUKTURY SE TAKTO NEVYRÁBĚJÍ

13 TENKOVRSTVÉ OBVODY NANÁŠENÉ VRSTVY MAJÍ TLOUŠŤKU ~ 0,1 µm TECHNOLOGIE JEJICH NANÁŠENÍ JE ZCELA ODLIŠNÁ OD TLUSTÝCH VRSTEV A JE ZNAČNĚ NÁROČNĚJŠÍ VRSTVY SE VYTVÁŘEJÍ: - VAKUOVÝM NAPAŘOVÁNÍM - KATODOVÝM NAPRAŠOVÁNÍM PRO DOSAŽENÍ POŽADOVANÝCH ROZLOŽENÍ VRSTEV SE POUŽÍVAJÍ KOVOVÉ KRYCÍ MASKY VYTVOŘENÉ VRSTVY SE NAKONEC OPRAVUJÍ SVAZKEM IONTŮ, ELEKTRONŮ NEBO FOTONŮ, LEPTÁNÍM NEBO OXIDACÍ KONDENZÁTORY A REZISTORY PODOBNĚ JAKO V TLUSTÝCH VRSTVÁCH, ALE JINÉ MATERIÁLY I GEOMETRICKÉ ROZMĚRY LZE VYTVÁŘET TRANZISTOROVÉ STRUKTURY (unipolární tranzistory)

14 HYBRIDNÍ IO PŘEDSTAVUJÍ KOMBINACI TLUSTOVRSTVÝCH NEBO TENKOVRSTVÝCH IO S VLOŽENÝMI ČIPY MIO NEBO STRUKTUR JEDNOTLIVÝCH TRANZISTORŮ NA ROZDÍL OD VRSTVOVÝCH OBVODŮ JSOU ZAPOUZDŘENY HERMETICKY V KOVOVÉM POUZDŘE (vrstvové obvykle v plastu)