Технология и конструкции микросхем, микропроцессоров и микросборок:

  Изложены сведения о конструкторско-технологических вариантах исполнения элементов и компонентов микросхем, микропроцессоров и микросборок. Дано детальное описание технологических маршрутов их производства. Уделено особое внимание вопросам анализа и синтеза технологических маршрутов, обеспечению качества изделий микроэлектроники и эффективности их производства. Представлены и проанализированы с точки зрения их использования в микроэлектронной аппаратуре современные конструкции изделий микроэлектроники. Для студентов вузов, обучающихся по специальностям "Проектирование и технология радиоэлектронных средств". Рецензенты: Баканов Г. Ф. — к. т. н., доцент СПбГЭТУ "ЛЭТИ"; Макаров Л. М. — к. т. н., доцент Санкт-Петербургского государственного университета телекоммуникаций им. М. А. Бонч-Бруевича, зам. декана факультета технологий средств связи и биомедицинской электроники.   Предисловие Микроэлектроника как современное направление проектирования и производства электронной аппаратуры различного назначения является катализатором научно-технического прогресса. Автоматизация производств, создание гибких перестраиваемых роботизированных систем, развитие автономных систем немыслимы без применения интегральных микросхем, микропроцессоров и микросборок. Технология изготовления изделий микроэлектроники обеспечивает в первую очередь высокий уровень производительности труда, комплексную микроминиатюризацию электронной аппаратуры связи, автоматики, вычислительной техники и вбирает в себя передовой опыт и достижения многих отраслей науки и техники: от физики взаимодействия атомных и ядерных частиц с веществом до микрометаллургии и прецизионной химической технологии. Данное учебное пособие предназначен для студентов вузов специальностей «Конструирование и технология электронных вычислительных средств» и «Конструирование и технология радиоэлектронных средств», а также для студентов смежных специальностей электронной и вычислительной техники, приборостроения и автоматики при изучении ими курсов по основам микроэлектроники. Учебное пособие состоит из двух частей. В первой рассмотрены изделия микроэлектроники как объект производства в их историческом развитии и как совокупность миниатюрных связанных между собой электрорадиоэлементов. Даны понятия о конструктивной, схемотехнической и функциональной интеграции этих элементов, прослежена связь функциональных характеристик элементов интегральных микросхем с конструктивно-технологическими вариантами их исполнения. Во второй части подробно рассмотрены технологические маршруты производства микросхем различного исполнения, вопросы их анализа и синтеза как необходимой совокупности и последовательности технологических операций. Уделено внимание обеспечению эффективности производства, повышению качества микросхем, проанализированы современные конструкции изделий микроэлектроники с точки зрения их использования в аппаратуре. Изложено содержание технологических операций и принципы работы современного технологического оборудования. Учебное пособие написано на основе многолетнего опыта чтения автором аналогичного курса на кафедре микроэлектроники Московского института электронной техники. Особая роль отводится микроэлектронике в развитии вычислительных средств, поскольку умелое, широкое использование электронно-вычислительной техники — один из важнейших факторов происходящей научно-технической революции. Важным шагом в этом направлении было создание микропроцессора. Микропроцессор состоит из операционного и управляющего устройств и предназначен для автоматического выполнения последовательности операций по записанной в оперативной или постоянной памяти программе, которая может изменяться. Программное управление обеспечивает широкую логическую гибкость, т. е. возможность использования микропроцессора для выполнения различных функций, поскольку с изменением программы работы изменяется функционирование процессора. Микропроцессор может выполняться в виде одной большой интегральной схемы (БИС) или нескольких функционально законченных БИС. При построении простейших контроллеров и других устройств с ограниченными функциями и разрядностью эффективны однокристальные микропроцессоры, выполненные в виде одной большой полупроводниковой микросхемы. В более сложных вычислительных системах они оказались малоэффективными из-за ограничений по функциональной полноте, низкой производительности и небольшой вычислительной мощности. Это привело к созданию многокристальных микропроцессоров, т. е. к расчленению процессора на несколько БИС, которые в сумме по функциональной сложности и разрядности удовлетворяют требованиям, предъявляемым к процессору мощной унифицированной ЭВМ. Такие БИС получили название микропроцессорных секций, а их совокупность — микропроцессорного комплекта. Логическая структура и возможности микропроцессоров (разрядность и объем функций, система команд, количество магистралей при соединении микропроцессоров между собой и с периферийным оборудованием) определяются достижениями технологии. Развитие микроэлектронной технологии играет ведущую роль в развитии микроэлектроники. Оглавление Предисловие .......... 3 Введение .......... 4 ЧАСТЬ I. ИЗДЕЛИЯ МИКРОЭЛЕКТРОНИКИ КАК ОБЪЕКТ ПРОИЗВОДСТВА Глава 1. Технология производства изделий микроэлектроники история развития общие положения и основные определения .......... 6 1.1. Содержание и основные понятия технологии производства изделий микро электроники .......... 6 1.2. Развитие технологии производства изделий электронной техники в историческом аспекте .......... 8 1.3. Изделия микроэлектроники: классификация, термины, определения .......... 19 Глава 2. Конструкции элементов полупроводниковых микросхем и микропроцессоров на биполярных транзисторах .......... 32 2.1. Принцип действия биполярного транзистора .......... 32 2.2. Конструктивно-технологические особенности и варианты интегральных биполярных транзисторов, выполненных по планарно-эпитаксиальной технологии .......... 36 2.3. Интегральные диоды .......... 46 2.4. Активные элементы для быстродействующих и сверхскоростных интегральных микросхем .......... 48 2.5. Интегральные резисторы .......... 52 2.6. Интегральные конденсаторы .......... 55 2.7. Функционально-интегрированные элементы БИС .......... 57 2.8. Конструктивно-технологические варианты изоляции элементов микросхем друг от друга .......... 59 2.9. Эволюция конструктивно-технологических вариантов исполнения биполярных транзисторов, диодов и резисторов в логических интегральных микросхемах .......... 62 2.10. Контакты к кремнию, проводники разводки, контактные площадки внешних выводов микросхемы .......... 69 2.11. Вспомогательные элементы микросхем .......... 84 Глава 3. Конструкции элементов полупроводниковых микросхем и микропроцессоров на мдп-транзисторах .......... 87 3.1. Принципы работы и классификация МДП-транзисторов .......... 87 3.2. Вспомогательные элементы МДП-микросхем .......... 92 3.3. Основные характеристики МДП-транзисторов и их связь с конструктивно-технологическими параметрами .......... 93 3.4. Конструктивно-технологические разновидности МДП-транзисторов .......... 99 3.5. Конструктивно-технологические варианты исполнения элементов КМДП-БИС .......... 107 3.6. МДП-элементы полупроводниковых постоянных запоминающих устройств .......... 114 3.7. Конструкции и материалы элементов коммутации в МДП-БИС .......... 129 Глава 4. Конструкции элементов биполярно-полевых полупроводниковых микросхем .......... 133 4.1. Классификация однокристальных биполярно-полевых микросхем .......... 133 4.2. Полевые транзисторы с управляющим р-п переходом .......... 133 4.3. Конструктивно-технологические варианты исполнения биполярного и по левого транзисторов в одном кристалле .......... 140 4.4. Функционально-интегрированные биполярно-полевые структуры. Инжекционно-полевая логика .......... 144 4.5. Конструктивно-технологические варианты биполярно-полевых структур, содержащих МДП-транзисторы .......... 148 Глава 5. Конструкции элементов и компонентов пленочных гибридных микросхем и микросборок .......... 150 5.1. Необходимость и целесообразность использования гибридного конструктивно-технологического варианта изготовления интегральных микросхем .......... 150 5.2. Подложки .......... 152 5.3. Конструкции пленочных элементов .......... 153 5.4. Конструкции элементов коммутации .......... 169 5.5. Рекордные результаты, достигнутые при создании многоуровневой раз водки .......... 179 5.6. Конструкции пленочных структур с распределенными параметрами .......... 185 5.7. Конструкции компонентов гибридных микросхем и микросборок .......... 191 ЧАСТЬ II. ТЕХНОЛОГИЯ ПРОИЗВОДСТВА И КОНСТРУКЦИИ МИКРОСХЕМ, МИКРОПРОЦЕССОРОВ И МИКРОСБОРОК Глава 6. Исходные материалы и полуфабрикаты для производства полупроводниковых интегральных микросхем .......... 200 6.1. Монокристаллический кремний .......... 200 6.2. Эпитаксиальные структуры .......... 202 6.3. Эпитаксиальные структуры со скрытыми слоями .......... 203 6.4. Структуры для полупроводниковых микросхем с полной диэлектрической изоляцией элементов .......... 203 Глава 7. Технология производства полупроводниковых микросхем на биполярных транзисторах .......... 205 7.1. Изготовление полупроводниковых микросхем на биполярных транзисторах с изоляцией элементов р-n переходами .......... 205 7.2. Технология производства полупроводниковых микросхем на биполярных транзисторах с полной диэлектрической изоляцией элементов .......... 212 7.3. Технология производства полупроводниковых микросхем на биполярных транзисторах с комбинированной изоляцией элементов .......... 217 Глава 8. Технологические маршруты производства интегральных полупроводниковых микросхем и микропроцессоров на мдп-транзисторах .......... 232 8.1. Технологические маршруты производства микросхем на МДП-транзисторах с использованием алюминиевых затворов .......... 232 8.2. Технологические маршруты производства микросхем на МДП-транзисторах с использованием поликремниевых затворов .......... 237 8.3. Технологические маршруты производства микросхем на МДП-транзисторах с использованием поликремниевых затворов и многоуровневой разводки .......... 243 8.4. Технологические маршруты производства биполярно-полевых полупроводниковых интегральных микросхем .......... 252 Глава 9. Технологические маршруты производства гибридных микросхем и микросборок .......... 255 9.1. Технологические маршруты производства тонкопленочных гибридных микросхем .......... 255 9.2. Технологические маршруты производства тонкопленочных гибридных БИС и микросборок .......... 260 9.3. Технологические маршруты производства толстопленочных гибридных микросхем .......... 264 9.4. Технологические маршруты производства гибридных БИС и микросборок на стальных эмалированных подложках .......... 267 Глава 10. Анализ и синтез технологических процессов производства интегральных микросхем .......... 274 10.1. Анализ технологических процессов производства микросхем .......... 274 10.2. Синтез технологических маршрутов производства микросхем .......... 282 10.3. Гибкое автоматизированное производство в технологии интегральных микросхем .......... 283 10.4. Обеспечение эффективности производства и повышения качества изделий микроэлектроники .......... 288 10.5. Требования к чистоте воздушной среды и климатическим параметрам .......... 292 10.6. Основные положения электронно-вакуумной гигиены .......... 296 Глава 11. Методы выполнения технологических операций и используемое оборудование .......... 297 11.1. Операции разделения пластин на кристаллы и подложек на платы .......... 297 11.2. Операции удаления материалов с поверхности пластин и подложек .......... 301 11.3. Операции нанесения тонких и толстых пленок .......... 313 11.4. Операции формирования конфигураций элементов интегральных микро схем .......... 332 11.5. Операции литографии .......... 342 11.6. Операции формирования р-n переходов в полупроводниках .......... 353 11.7. Операции соединения материалов .......... 370 Глава 12. Конструкции микросхем и микропроцессоров .......... 380 12.1. Конструкции корпусов микросхем и микропроцессоров .......... 380 12.2. Конструкция бескорпусных микросхем .......... 389 Заключение .......... 391 Список литературы .......... 393