Разработка интегральных микросхем (стр. 3 из 15)

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

Величина	Перечень материалов
Величина	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^-3єС^-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
Параметр и единица измерения	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].