plik

Realizacja elementów

elektronicznych w różnych

rodzajach układów scalonych

Mateusz Lisik

Układy scalone bipolarne

Układy scalone bipolarne są wykonywane w podłożu

krzemowym technologą epiplanarną.

Każdy element znajduje się na odizolowanej wyspie i

jest połączony z innymi elementami za pomocą

ścieżek metalizacji, naniesionych na górnej

powierzchni płytki.

Standardowy proces wytwarzania

tranzystora

Podłożem układu jest

płytka krzemu typu „p”.

Górna powierzchnia płytki

jest starannie

wypolerowana. Płytka

pokrywana jest warstwą

SiO2. Po procesie

fotolitografii następuje

wytrawienie okien, przez

które następuje dyfuzja

domieszki donorowej, w

celu wytworzenia warstwy

zagrzebanej.

W następnej fazie na

powierzchni płytki

wytwarza sie warstwę

epitaksjalna typu n. Po

drugiej fotolitografii są

otwierane okna, przez

które przeprowadza się

dyfuzje boru w celu

przecięcie warstwy

epitaksjalnej obszarami

typu p, czyli w celu

utworzenia

odizolowanych wysp typu

Po kolejnej

fotolitografii są

otwierane okna,

przez które

przeprowadza się

dyfuzje boru w celu

utworzenia obszaru

typu p spełniającego

funkcje bazy w

tranzystorze oraz

dyfuzje fosforu do

obszaru emitera i

kolektora

W następnym procesie

fotolitografii otwierane są

okna w tych miejscach, w

których będą wykonane

kontakty półprzewodnika

z metalicznymi ścieżkami.

Są to tzw. okna

kontaktowe emitera, bazy

i kolektora. Następnie na

całą powierzchnie płytki

naparowuje się warstwę

metalu. Przeprowadza sie

proces fotolitografii i

wytrawia aluminium tak

aby pozostały tylko

ścieżki połączeń i pola

kontaktowe

Układy scalone bipolarne: diody

Diody monolityczne wykonuje się poprzez

wykorzystanie złączy p-n istniejących w strukturze

tranzystora. Najczęściej spotykane to diody

utworzone ze złącza

a) kolektor – baza b) emiter - baza

Układy scalone bipolarne:

rezystory

Funkcje rezystorów spełniają warstwy

dyfuzyjne, wykonywane równocześnie z

poszczególnymi obszarami tranzystora.

Najczęściej wykorzystuje sie obszar bazy.

Układy scalone: kondensatory

Kondensator wykonuje sie zwykle w postaci:

- złącza p-n

- struktury MOS

Jeżeli stosuje sie złącze p-n, to uzyskuję sie

kondensator nieliniowy, który może pracować

tylko przy polaryzacji tego złącza w kierunku

zaporowym. Można wykorzystać złącze

kolektor-baza lub baza-emiter.

Kondensator złączowy p-n

Kondensator MOS

Jest to kondensator płaski, którego dolną

okładkę stanowi silnie domieszkowana

warstwa n+, dielektrykiem jest warstwa SiO

górna okładką – warstwa aluminium.

Technologia CMOS

Stosując cykl technologiczny jak w układach

bipolarnych ( z wyspami izolacyjnymi) można

wykonać na wspólnym podłożu

półprzewodnikowym tranzystory MOS z

kanałem typu p i typu n (CMOS –

complementary MOS).

Technologia CMOS: sposób wytwarzania

Do płytki krzemowej typu n

przez okno w maskującej

warstwie tlenkowej zostają

wdyfundowane atomy

domieszki akceptorowej,

tworząc obszar typu p (tzw.

kieszeń), który bedzie

podłożem tranzystora z

kanałem typu n. Po

następnym utlenieniu są

otwierane okna dla dyfuzji

obszarów typu p+, które będą

źródłem i drenem tranzystora

z kanałem typu p

Technologia CMOS: sposób wytwarzania

Po kolejnym utlenieniu

są otwierane okna dla

dyfuzji obszarów n+,

które będą źródłem i

drenem tranzystora z

kanałem typu n. Po

otwarciu okien nad

obszarami n+, p+

wykonuje sie w sposób

konwencjonalny

kontakty metaliczne

Układy cienkowarstwowe

Układy cienko warstwowe są wytwarzane

metodami nanoszenia w próżni cienkich

warstw przewodzących, rezystancyjnych,

dielektrycznych oraz półprzewodnikowych. W

ten sposób otrzymuje się wysokiej jakości

rezystory, kondensatory oraz tranzystory TFT.

Często jednak tranzystory oraz diody

montowane są indywidualnie w strukturze

układu cienkowarstwowego.

Warstwy przewodzące

Spełniają następujące funkcje:

●

połączenia między elementami

●

pola kontaktowe do przyłączenia

podzespołów dyskretnych i zew.

wyprowadzeń

●

okładki kondensatorów

●

uzwojenia cewek indukcyjnych

Rezystory

Rezystory cienkowarstwowe są wytwarzane

przez nanoszenie cienkich warstw

metalicznych lub mieszanin metali i

dielektryka.

Istnieje możliwość korekcji rezystancji po

naniesieniu poprzez precyzyjne nacięcia

laserowe warstwy.

Kondensatory

Kondensatory cienkowarstwowe otrzymuje się

przez naniesienie na podłoże izolacyjne

kolejno warstw: metalicznej, dielektrycznej i

metalicznej. Jako dielektryk stosuje się często

SiO

Tranzystor TFT

(Thin Film Transistor )

Na podłoże szklane

naparowuje sie w próżni cienka

warstwę metalu (Al, Au). Po

trawieniu lokalnym z

zastosowaniem fotolitografii

powstają elektrody źródła i

drenu. Próżniowo nanosi sie

cienka warstwę

polikrystalicznego

półprzewodnika, następnie

warstwę dielektryka, na końcu

naparowuje sie metalowa

elektrodę bramki (Al).

Układy grubowarstwowe

Układy grubowarstwowe są wytwarzane przez

nanoszenie metoda sitodruku warstw

przewodzących, rezystancjach i dielektrycznych

na bierne podłoże izolacyjne. Otrzymuje sie w

ten sposób rezystory i kondensatory.

Tranzystory i diody sa montowane indywidualnie

w sttrukturze układu grubowarstwowego.

Metody wytwarzania warstw

domieszkowanych w (lub na)

podłożu półprzewodnikowym

●

Epitaksjalna

●

Dyfuzyjna

●

Implantacyjna

●

Stopowa

Metoda dyfuzyjna

Dyfuzje atomów domieszki do wnętrza płytki

półprzewodnika przeprowadza sie w

podwyższonej temperaturze, przy czym

materiał domieszki znajduje się w stanie

ciekłym lub gazowym. Jeżeli do powierzchni

płytki podłożowej dostarczy się pewną ilość

atomów pierwiastka, służącego jako

domieszka, to wskutek chaotycznego ruchu

cieplnego tych atomów, będą one dyfundować

w głąb podłoża, tj. przesuwać się z obszarów o

większej koncentracji do obszarów o mniejszej

koncentracji.

Metoda dyfuzyjna

umożliwia

wprowadzenie atomów

domieszki do

wybranych obszarów

półprzewodnika

wykorzystując utlenioną

powierzchnie krzemu

przez którą dyfuzja

praktycznie nie

zachodzi

Metoda implantacyjna

Metoda implantacji jonów polega na

przyspieszaniu jonów domieszki do

stosunkowo wielkich energii rzędu 10 – 100

keV a następnie bombardowaniu nimi

kryształu półprzewodnika. Dzięki czemu

domieszki te są wprowadzane (wbijane) do

wnętrza półprzewodnika.

Metoda implantacyjna, implantator

1. źródło jonów
2. układ

przyspieszający jony

3. analizator masy
4. układ odchylania
5. komora z

podgrzewanym

podłożem

Metoda epitaksjalna

Metoda ta polega na wytworzeniu cienkiej

warstwy półprzewodnika monokrystalicznego

na podłożu monokrystalicznym z

zachowaniem ciągłości budowy krystalicznej z

podłożem. Narastająca warstwa będąca

przedłużeniem podłoża nosi nazwę warstwy

epitaksjalnej.

Wyróżniamy:

●

heteroepitaksje: warstwa epitaksjalna jest

innego materiału niż podłoże

●

homoepitaksja: warstwa epitaksjalna jest

tego samego materiału co podłoże

Metoda epitaksjalna

Warstwa epitaksjalna ma identyczną orientacje

sieci krystalicznej co podłoże, może jednak

różnic się od podłoża właściwościami

elektrofizycznymi tj. inny rodzaj

przewodnictwa, inną koncentracje domieszek,

a więc inną rezystywność.

Technologia cienkowarstwowa

Podstawowym procesem technologicznym jest

nanoszenie warstw w próżni. Stosuje sie

głównie dwie metody:

●

naparowywanie cieplne

●

rozpylanie katodowe

Technologia cienkowarstwowa

Naparowywanie cieplne

prowadzi sie w napylarce,
której podstawową część
stanowi komora próżniowa.

Komorę próżniową stanowi
klosz metalowy (1) oraz

podstawka (2). Wewnątrz
komory znajduję się podłoże

(3) zamocowane uchwytem
(4), grzejnik podłoża (5),

wyparownik z grzejnikiem (6)
oraz przesłona (7).

Technologia cienkowarstwowa

Po odpompowaniu powietrza spod klosza jest

przeprowadzony proces naparowywania, który

w sensie fizycznym składa się z trzech faz:

●

Parowanie materiału umieszczonego w

wyparowniku

●

Rozprzestrzenianie sie par cząsteczek. W

próżni cząsteczki przemieszczają się

prostoliniowo, gdyż ich droga swobodna jest

większa niż odległość wyparownik – podłoże.

●

Kondensacja par na podłożu i powstanie

cienkiej warstwy

Technologia cienkowarstwowa

W przypadku materiałów trudno topliwych

stosuję się napylanie w plazmie jonowej

(rozpylanie katodowe lub rozpylanie reaktywne).

W tym przypadku odparowanie materiału nie

jest spowodowane energia cieplna, lecz

występuje wybijanie cząsteczek materiału

wskutek bombardowania jonami gazu

wypełniającego komorę próżniową.

Technologia grubowarstwowa

W technologi grubowarstwowej podstawowym

procesem technologicznym jest nanoszenie warstw

grubych na podłoże ceramiczne metodą sitodruku. W

tym celu używa się sita (stalowe lub nylonowe0 z

maską emulsyjną, naniesiona metoda fotolitografii.

Pasta o odpowiednim składzie jest przeciskana za

pomocą rakli przez oczka siatki osadzana na podłożu

tworząc warstwę o kształcie topologicznym,

odwzorowującym negatyw maski emulsyjnej.

Następnym procesem jest wypalanie warstw w

temperaturze 900-1000