Integrinių grandynų gamybos technologijos vystymas. Tipai, sandara, korpusai, išvadų tipai, gamybos ir patikimumo problemos.

Tranzistoriaus atsiradimas 1947 m., spausdintinės plokštės išradimas ir pirmieji integriniai grandynai, pasirodę 1959 m., pradėjo naują tendenciją, kuriai būdingas miniatiūrizavimas ir didėjantis kompleksiškumo laipsnis – ši tendencija vyrauja iki pat šių dienų. Tačiau, kartu su elektronikos prietaisų mažėjimu, vis didesnė problema buvo komponentuose išsiskyrusios šilumos nuvedimas. Tuo pat metu, integrinių grandynų pasirodymas stipriai stumtelėjo į priekį medžiagų tyrimus. Buvo aptinkamos vis platesnės naujųjų medžiagų savybės ir sukuriami ttų savybių panaudojimo būdai. Tobulėjo jungtys, labai paspartėjo ir naujų gamybos technologijų kūrimas. Kai kuriais atvejais šios technologijos būdavo preciziškesnės nei tikėtasi jas kuriant. Svarbus pažangos veiksnys buvo tai, kad pavyko susitarti dėl medžiagų, komponentų, gamybos metodų ir elektronikos prietaisų patikros būdų. Imta standartizuoti visas elektronikos pramonės šakas. Miniatiūrizavimas, mažos galios prietaisų sukūrimas, didėjantis jų patikimumas ir mažėjanti gamybos kaina pradėjo laviną primenantį procesą, kurio pabaigos vis dar nesimato. Kadangi sėkmingai pavykdavo įveikti šio proceso kelyje iškylančius techninius ir technologinius bbarjerus, o komponentus pavykdavo gaminti vis pigiau ir pigiau, tai tapo pagrindu mūsų dabar matomam sparčiam buitinės elektronikos vystymuisi. Klausos aparatai, radijo imtuvai, kalkuliatoriai ir rankiniai laikrodžiai buvo šios elektronikos pradininkai. Patys pirmieji puslaidininkių epochos bandymai sukonstruoti masiškai gaminamus produktus bbuvo susiję su tranzistoriniais radijo imtuvais. Viename pirmųjų tokių prietaisų (jeigu ne pačiame pirmajame) Regency TR1, pasirodžiusiame 1954 m., buvo gausu germanio tranzistorių. Šiek tiek anksčiau tais pačiais metais Texas Instruments (TI) pradėjo serijinę plėvelinių silicio tranzistorių, skirtų būtent radijo imtuvams, gamybą. 1954 ar 1955 m. į rinką įžengė japonų kompanija Sony, irgi pradėjusi pardavinėti tranzistorinius radijo imtuvus, TR-52. Tiksli pranašystė Pirmuosius 50 puslaidininkių epochos metų būtų galima palyginti su kosmine raketa. Pirmąją raketos pakopą atitinka tranzistoriaus atsiradimas, antrąją – integriniai grandynai, o trečiąją – puslaidininkine atmintimi ir mikroprocesoriais grįsta elektronika. Nors integrinio grandyno gimimo data paprastai yra laikomi 1959 metai, mintis viename bloke sutelkti daugelį funkcijų atliekančius komponentus kilo gerokai anksčiau. Įžvalgusis prognozuotojas buvo britas Geoffrey William Arnold Dummer, ddidelėje 1952 m. Vašingtone vykusioje elektronikos konferencijoje paskelbęs tai, kas dabar kartais yra pavadinama „Dummerio pranašyste“. Žurnale „Electronics“ spausdinami jo žodžiai: „Atsiradus tranzistoriams ir puslaidininkiams, tampa įmanoma viename kietame bloke be jungiamųjų laidų sukurti ištisą elektronikos įrenginį. Tokį bloką sudarytų izoliuojančios, laidžios, lyginančios ir stiprinančios medžiagos sluoksniai, jų elektrinės funkcijos būtų derinamos išpjaunat įvairių sluoksnių dalis.“ Jungimo technologija 1947 – 1960 metų laikotarpis ženklus ne tik tranzistorių ir integravimo idėjų atsiradimu, bet ir keliomis rečiau prisimenamomis taip pat labai svarbiomis nnaujovėmis. Buvo sukurta storųjų sluoksnių technologija, kuri Antrojo pasaulinio karo metais naudota gaminant aviacijos bombų detonatorius. 1959 m. Bello laboratorijose atsirado plonasluoksnė technologija, kuri tuomet buvo naudojama keramikos arba stiklo padėklų paviršiuje formuojant tantalo detales, sudarančias laidininko takelius, varžas arba kondensatorius. Kitas svarbus to laikotarpio rezultatas buvo tobulesnių sujungimo laidais metodų sukūrimas. Vėliau buvo mažinami pasyvieji komponentai. Galiausiai pavyko automatizuoti komponentų montavimą spausdintinėse plokštėse. Jau 1954 m. United Shoe Manufacturing iš JAV pagamino automatus, sugebančius per valandą sumontuoti 100 plokščių laidų pynėmis ir rezistoriais (šaltinis nenurodo nei montavimo greičio, nei to, kokio dydžio buvo tos plokštės). Laidų pynės, spausdintinės plokštės laidininkai, storasluoksniai ir plonasluoksniai grandynai yra būdingi ankstyviesiems šiuolaikinio elektronikos komponentų sujungimo metodams. Vėliau sukurti naujos formos komponentai, nauji sujungimų tipai ir nauji gamybos metodai. Atmintinės ir procesoriai Pirmųjų 50-ties puslaidininkių epochos metų trečiąją pakopą atitinka technologija, kuri remiasi puslaidininkinėmis atmintinėmis ir mikroprocesoriais. Šiai technologijai pradžią davė IBM, sukūrusi pirmąją puslaidininkinę atmintį. Ją sudarė keturi lustai, įtvirtinti kvadratiniame 13 mm dydžio keramikos padėkle. Kiekvieno lusto atminties talpa buvo 16 bitų. 1971 m. šį prietaisą pakeitė MOS lustas, turėjęs 128 bitų talpą. Po to horizonte pasirodė Intel, pradžioje pradėjęs gaminti atmintines, o vėliau, 1971 m. pateikęs rinkai ištisą grandynų šeimą, į kkurią įėjo mikroprocesorius 4004, tik nuskaitomoji atmintinė 4001, įrašomoji ir nuskaitomoji atmintinė 4002 ir įvesties – išvesties grandynas 4003. Procesoriaus grandyne buvo 2300 tranzistorių, jis sugebėdavo atlikti 60 000 operacijų per sekundę. Kai kalbama apie mikrokompiuterių epochą, pirmiausia prisimenami procesoriai, bet reikia atminti, kad vienodai svarbūs yra visi šie grandynai. Būtent jie pradėjo spartų vystymąsi, kurio liudininkais šiandien esame. „Elektroniniai integriniai grandynai“ – tai: (a) monolitiniai integriniai grandynai, kurių grandinės elementai (diodai, tranzistoriai, varžai, talpiniai elementai, vidiniai sujungimai ir kt.) formuojami puslaidininkinės medžiagos (pavyzdžiui, legiruotojo silicio) viduje (dažniausiai) ar paviršiuje ir yra neatskiriamai tarpusavyje susiję; (b) hibridiniai integriniai grandynai, kurių pasyvieji elementai (varžai, talpiniai elementai, vidiniai sujungimai ir kt.), suformuoti naudojant plonasluoksnę arba storasluoksnę technologiją, ir aktyvieji elementai (diodai, tranzistoriai, monolitiniai integriniai grandynai ir kt.), suformuoti naudojant puslaidininkių technologiją, sujungti į neišardomą visumą su vienu izoliacinės medžiagos (stiklo, keramikos ar kt.) pagrindu. Šių grandynų sudėtyje taip pat gali būti diskrečiųjų (nespausdintinių) sudedamųjų dalių; Sukūrus planariąją diskretinių tranzistorių gamybos technologiją, atsirado galimybės realizuoti grupinius tranzistorių gamybos metodus – apdorojant vieną puslaidininkinę plokštelę, gaminti didelį tranzistorių skaičių. Be to, pribrendo prielaidos minčiai apie puslaidininkinį integrinį grandyną. Elektroninės grandinės realizavimo viename puslaidininkinio kristalo luste idėją 1959 metais nepriklausomai vienas nuo kito pasiūlė JAV mmokslininkai R. Noisas (Noyce) ir Dž. Kilbis (Kilby), ir jau 1961 metais kelios JAV firmos gamino nedidelio integracijos laipsnio puslaidininkinius mikrograndynus. Pirmieji puslaidininkiniai integriniai grandynai Lietuvoje buvo pagaminti 1968 metais. Aptarsime puslaidininkinių integrinių grandynų sudarymo principus ir pagrindinius elementus. Integrinis grandynas yra konstrukcinės, technologinės ir mokslinės bei techninės integracijos rezultatas. Integracija – tai dalių, elementų jungimas į visumą. Konstrukcinė integracija pasireiškia tuo, kad visi elektrinės grandinės elementai integriniame grandyne sudaro nedalomą visumą. Technologinės integracijos esmę sudaro tai, kad integrinių grandynų gamyboje taikomi grupiniai gamybos metodai. Pagaliau mokslinė bei techninė integracija pasireiškia tuo, kad kuriant ir gaminant integrinius grandynus taikomos fizikos, chemijos, metalurgijos, medžiagų mokslo, metrologijos bei kitos mokslo ir technologijų žinios, pažangiausios idėjos ir pasiekimai. Šiuolaikiniai integriniai grandynai skirstomi į puslaidininkinius ir hibridinius. Puslaidininkinių integrinių grandynų elementai ir juos jungiantieji laidūs takeliai sudaromi puslaidininkio monokristalo lusto tūryje (paviršiniame sluoksnyje) ir ant jo pasyvuoto paviršiaus. Puslaidininkiniuose integriniuose grandynuose naudojami dvipoliai ir MOP tranzistoriai. Integriniai grandynai – konstrukcinės, technologinės ir mokslinės bei techninės integracijos rezultatas. Puslaidininkinių integrinių grandynų elementai ir juos jungiantieji laidūs takeliai sudaromi puslaidininkio monokristalo tūryje ir ant jo pasyvuoto paviršiaus. Atsižvelgiant į svarbiausių elementų – tranzistorių – tipą, puslaidininkiniai integriniai grandynai skirstomi į dvipolius ir MOP integrinius grandynus. Siekiant

išvengti nepageidaujamų ryšių, puslaidininkinių integrinių grandynų elementai izoliuojami vienas nuo kito. Izoliuojama pn sandūromis, dielektriko sluoksniu arba taikomi kombinuotojo izoliavimo būdai. Izoliuotos pn sandūromis sritys puslaidininkio monokristale sudaromos skiriamąja priemaišų difuzija. Siekiant, kad visos izoliuojančios pn sandūros būtų uždaros, prie p pagrindo prijungiama didžiausia neigiama mikrograndyno maitinimo įtampa. Dielektrinei izoliacijai panaudojamas silicio dioksido sluoksnis. Taikant dielektrinę izoliaciją, pavyksta gauti didelę izoliacijos varžą. Siekiant sumažinti integrinio grandyno elementų ir juos jungiančių laidžių takelių parazitines talpas su puslaidininkine plokštele, taikoma silicio ant ssafyro technologija. Kombinuotajai silicio sričių izoliacijai panaudojamos pn sandūros ir dielektriniai intarpai. Taikant kombinuotosios izoliacijos technologijas, sudaromos silicio salelės, kurios iš apačios nuo pagrindo izoliuotos pn sandūromis, iš kraštų – dielektriko sluoksniu. Dvipolių integrinių grandynų gamybos schemą lemia procesai, reikalingi tranzistoriams sudaryti. Kaip npn tranzistorių kolektorių sritys panaudojamos izoliuotosios n sritys. Taikant oksidavimo, fotolitografijos ir lokalios akceptorinių priemaišų difuzijos procesus, kolektorių srityse sudaromos p bazių sritys. Dar kartą atlikus oksidavimą, fotolitografiją ir pro sudarytas silicio dioksido kaukės angas įvedus donorinių ppriemaišų, sudaromos emiterių ir kitos n+ sritys. Po to formuojami jungiamieji laidininkai ir kontaktai. Tam silicio plokštelės paviršius padengiamas ištisiniu SiO2 sluoksniu, fotolitografijos būdu atidaromos angos laidžių takelių kontaktams, plokštelės paviršius padengiamas ištisiniu aliuminio sluoksniu. Fotolitografijos būdu nuėsdinus dalį aliuminio ssluoksnio, ant silicio dioksido sluoksnio lieka laidūs takeliai – puslaidininkinio grandyno elementų jungiamieji laidininkai. Kad būtų geresni jungiamųjų laidininkų kontaktai su puslaidininkyje suformuotais elementais, atliekamas kontaktų įdeginimas. Pabaigoje, siekiant apsaugoti būsimuosius integrinių grandynų lustus nuo aplinkos poveikių, plokštelės paviršius pasyvuojamas – ant jo termochemiškai nusodinamas ištisinis SiO2 sluoksnis, kuriame fotolitografija atidaromos angos į kristalų kontaktines aikšteles. Dvipoliuose integriniuose grandynuose dažniausiai naudojami npn tranzistoriai todėl, kad jų parametrai geresni už pnp tranzistorių parametrus. Siekiant gauti mažesnę npn tranzistoriaus kolektoriaus tūrinę varžą, tranzistoriaus struktūroje naudojamas paslėptasis n+ sluoksnis. Paslėptojo sluoksnio panaudojimu pagrįsta ir kolektoriaus izoliuojančios difuzijos technologija. Ši technologija paprastesnė už standartinę tranzistorių sudarymo technologiją. Kadangi reikia mažiau fotolitografijos procesų, gaminant gaunama mažiau broko. Be to, geriau išnaudojamas kristalo plotas. Dvipoliuose integriniuose ggrandynuose naudojami sandūriniai ir MOP kondensatoriai. Sandūriniams kondensatoriams panaudojama emiterio arba kolektoriaus sandūros barjerinė talpa. Sandūrinių kondensatorių lyginamoji ir maksimali talpos priklauso nuo naudojamos pn sandūros ir įtampos. MOP kondensatoriuje vieno elektrodo vaidmenį atlieka n+ sritis, kito – aliuminio sluoksnis. Kaip dielektrikas naudojamas plonas silicio dioksido sluoksnis. Plačiame įtampų ruože MOP kondensatoriaus talpa nepriklauso nuo įtampos. Didesnė lyginamoji talpa ir aukštesnė elektrinė kokybė gaunamos, kai vietoje silicio dioksido naudojamas silicio nitridas. Puslaidininkiniuose hibridiniuose integriniuose grandynuose naudojami plėveliniai MDM (metalo-dielektriko-metalo) kondensatoriai, ssudaromi ant izoliacinio silicio dioksido sluoksnio. Dvipoliuose integriniuose grandynuose naudojami difuziniai rezistoriai. Difuziniame rezistoriuje panaudojama puslaidininkinio kanalo, sudaryto kito laidumo tipo puslaidininkyje, varža. Dažniausiai difuziniams rezistoriams naudojami p sluoksniai, sudaromi izoliuotoje n srityje bazės difuzijos metu. Mažos varžos rezistoriams naudojami n+ difuziniai sluoksniai, sudaromi atliekant emiterio difuziją. Didelės varžos rezistoriams galima panaudoti bazės sluoksnį, esantį po emiterio sluoksniu. Difuzinių rezistorių varžos nuokrypiai siekia ±(15–20) %. Puslaidininkiniuose hibridiniuose mikrograndynuose naudojami nichromo arba tantalo rezistoriai, sudaryti ant izoliacinio silicio dioksido sluoksnio. Jie tikslesni, tačiau jiems sudaryti reikalingi papildomi technologiniai procesai. Apie tris ketvirtadalius šiuolaikinių mikrograndynų sudaro MOP integriniai grandynai. Tai lemia kai kurie svarbūs MOP integrinių grandynų privalumai: paprastesnė gamyba, aukštesnis integracijos laipsnis, didelė įėjimo varža, maža vartojamoji galia. MOP integraliniuose grandynuose dažniausiai panaudojami MOP tranzistoriai su indukuotuoju kanalu, kuriuose dielektrikas po užtūra – plonas silicio dioksido sluoksnis. Pirmiausia buvo įsisavinta pMOP integrinių grandynų gamyba. Vėliau juos pakeitė nMOP grandynai, kurių tranzistorių kanalų pagrindiniai krūvininkai – elektronai, pasižymintieji didesniu nei skylės judrumu. MOP tranzistoriams integriniuose mikrograndynuose nereikia izoliuotų sričių – jie izoliuoti vienas nuo kito priešpriešiais sujungtomis pn sandūromis. Formuojant MOP tranzistorius, sudaromi ir kiti MOP grandynų elementai. Kaip rezistoriai dažniausiai panaudojami MOP tranzistoriai (tokių rezistorių plotas daug mažesnis nei difuzinių rezistorių uužimamas plotas). Ryšiai tarp MOP integrinių grandynų elementų dažniausiai būna galvaniniai, todėl ryšio ir skiriamųjų kondensatorių nereikia. Kaip atminties elementai panaudojamos talpos tarp MOP tranzistorių užtūrų ir puslaidininkinės plokštelės. Pirmųjų MOP integrinių grandynų maksimali veikimo sparta buvo mažesnė nei dvipolių. Be to, MOP tranzistorių slenkstinė įtampa, kuriai veikiant po užtūra susidaro inversinis sluoksnis – kanalas, buvo didelė. Siekiant MOP integrinių grandynų veikimo spartą padidinti, buvo trumpinami tranzistorių kanalai ir ieškoma būdų sumažinti parazitines talpas. Siekiant sumažinti talpą dėl užtūros dalinio persidengimo su kanalu, buvo sukurtos kanalo ir užtūros savaiminio sutapdinimo technologijos. Maža (0,5–1,5) V slenkstinė įtampa buvo gauta pradėjus naudoti polikristalinio silicio užtūras. Taikant legiruoto polikristalinio silicio užtūrų technologiją, pavyksta ne tik sumažinti slenkstinę įtampą, bet ir išvengti užtūros ir kanalo sutapdinimo netikslumų. Atskirą MOP integrinių grandynų grupę sudaro komplementarieji MOP integriniai grandynai, kuriuose naudojamos nuoseklios tranzistorių poros su abiejų laidumo tipų – p ir n – kanalais. KMOP integrinių grandynų gamyba sudėtingesnė, tačiau jie turi svarbų privalumą. Bet kurioje loginės grandinės pusiausvyros būsenoje vienas iš tranzistorių yra uždaras, ir pusiausvyros būsenoje praktiškai nevartojama srovė. Todėl KMOP integrinių grandynų vartojama galia yra labai maža. Kai kurie didelės integracijos mikrograndynai gaminami pagal kombinuotąsias Bi-MOP arba Bi-KMOP technologijas. Taip išnaudojami dvipolių ir MMOP elementų privalumai. padidinti, buvo trumpinami tranzistorių kanalai ir ieškoma būdų sumažinti parazitines talpas. Siekiant sumažinti talpą dėl užtūros dalinio persidengimo su kanalu, buvo sukurtos kanalo ir užtūros savaiminio sutapdinimo technologijos. Maža (0,5–1,5) V slenkstinė įtampa buvo gauta pradėjus naudoti polikristalinio silicio užtūras. Taikant legiruoto polikristalinio silicio užtūrų technologiją, pavyksta ne tik sumažinti slenkstinę įtampą, bet ir išvengti užtūros ir kanalo sutapdinimo netikslumų. Atskirą MOP integrinių grandynų grupę sudaro komplementarieji MOP integriniai grandynai, kuriuose naudojamos nuoseklios tranzistorių poros su abiejų laidumo tipų – p ir n – kanalais. KMOP integrinių grandynų gamyba sudėtingesnė, tačiau jie turi svarbų privalumą. Bet kurioje loginės grandinės pusiausvyros būsenoje vienas iš tranzistorių yra uždaras, ir pusiausvyros būsenoje praktiškai nevartojama srovė. Todėl KMOP integrinių grandynų vartojama galia yra labai maža. Kai kurie didelės integracijos mikrograndynai gaminami pagal kombinuotąsias Bi-MOP arba Bi-KMOP technologijas. Taip išnaudojami dvipolių ir MOP elementų privalumai.

Naudota literatūra:

http://www.rtn.lt/rtn/0204/lempos.html

http://www.el.vtu.lt/electronics/elpagr/pask.htm