Гибридные интегральные микросхемы

Южно-Российский государственный университет

экономики и сервиса

Кафедра                      РЭС

Дисциплина                Микроэлектроника

Контрольная работа

Выполнила:                  Гринюк Е.В.

Шифр: ИС-00-1276 группа: ЗМ-931

Проверил: __________________________

г. Шахты

2002 г.

План

Введение

1. Элементы и компоненты гибридных интегральных микросхем

         1.1. Подложки ГИС

         1.2. Элементы ГИС

         1.3. Компоненты ГИС

2. Технология производства гибридных интегральных микросхем

         2.1. Технологические маршруты производства тонкопленочных ГИС

         2.2. Технологические маршруты производства толстопленочных ГИС

         2.3. Нанесение тонких пленок в вакууме

         2.4. Нанесение толстых пленок

3. Применение ГИС микросхем в микроэлектронной аппаратуре

         3.1. Особенности применения ГИС в МЭА

Заключение

ВВЕДЕНИЕ

Реализация принципов, идей, методов полупроводниковой микроэлектроники привела к созданию БИС и СБИС, представляющие собой целые устройства и даже системы, размещенные в одном полупроводниковом кристалле. Однако не все устройства можно изготовить с помощью полупроводниковой технологии.

Параллельно с полупроводниковым развился и совершенствовался другой конструктивно-технологический вариант создания микроэлектронных устройств, основанный на технологии тонких (до 1 мкм) и сравнительно толстых (10 – 50 мкм) пленок. Чисто пассивные пленочные ИМС не получили широкого распространения из-за ограниченных возможностей по выполнению ими функций обработки сигналов, а реализация пленочных активных элементов оказалась невозможной из-за низкой воспроизводимости их характеристик. Сочетание полупроводниковых микросхем, активных полупроводниковых приборов с пассивными пленочными элементами и пленочной коммутацией позволила создать микроэлектронные устройства с широким набором функциональных возможностей. Интегральные микросхемы, в которых на ряду с пленочными элементами, сформированными по групповой тонко- или толстопленочной технологии, содержатся имеющие самостоятельное конструктивное исполнение полупроводниковые активные компоненты (ИМС, транзисторы, диоды), изготовлены по полупроводниковой технологии, называют гибридными интегральными микросхемами (ГИС).

ГИС по сравнению с полупроводниковыми имеют ряд преимуществ: обеспечивают широкий диапазон номиналов, меньшие пределы допусков и лучшие электрические характеристики пассивных элементов (более высокая добротность, температурная и временная стабильность, меньшее число и менее заметное влияние паразитных элементов); позволяют использовать любые дискретные компоненты, в том числе полупроводниковые БИС и СБИС. В качестве навесных компонентов в ГИС применяют миниатюрные дискретные резисторы, конденсаторы, индуктивные катушки, дроссели, трансформаторы.

Если для создания микроэлектронного изделия необходимы пассивные элементы и компоненты высокого качества, предпочтительнее выполнить его в виде ГИС.

Одна из основных характеристик микроэлектронного изделия – рассеиваемая мощность. При гибридном исполнении можно обеспечить изготовление изделий достаточно большой мощности, что важно при создании аналоговых устройств, управляющих мощными входными цепями.

1. ЭЛЕМЕНТЫ И КОМПОНЕНТЫ ГИБРИДНЫХ

ИНТЕГРАЛЬНЫХ МИКРОСХЕМ

1.1. Подложки ГИС

Подложки ГИС являются диэлектрическим и механическим основанием для пленочных и навесных элементов и служат теплоотводом. Материал подложки должен обладать следующими свойствами и характеристиками: 1) высоким сопротивлением изоляции и электрической прочностью; 2) большим коэффициентом теплопроводности для эффективной передачи теплоты от тепловыделяющих элементов (резисторов, диодов, транзисторов) к корпусу микросхемы; 3) достаточной механической прочностью; 4) устойчивостью к воздействию химических реактивов в процессе подготовки поверхности подложки перед нанесением пленок; 5) стойкостью к воздействию нагрева в процессе нанесения тонких пленок и термообработки толстых пленок; 6) способностью к механической обработке (резке и т.д.).

Структура материала подложки и состояние ее поверхности влияют на параметры пленочных элементов. Большая шероховатость поверхности подложки снижает надежность тонкопленочных резисторов и конденсаторов, т.к. микронеровности уменьшают толщину резисторных и диэлектрических пленок. При толщине пленок около 100 нм допускается высота микронеровностей примерно 25 нм. Толстые пленки имеют толщину 10 – 50 мкм, поэтому подложки для толстопленочных ИМС могут иметь микронеровности до 1 – 2 мкм.

1.2. Элементы ГИС

ГИС состоит из изолирующего основания (подложки), на поверхности которого размещены пленочные элементы (резисторы, конденсаторы, спирали индуктивности, проводники и контактные площадки), а также навесные бескорпусные миниатюрные активные (транзисторы, диоды, полупроводниковые ИМС и БИС) и пассивные (конденсаторы, катушки индуктивности и т.д.) компоненты. Для защиты ГИС помещают в корпус.

Пленочные резисторы. Пленочный резистор располагают на поверхности диэлектрической подложки, конструктивно он состоит из резистивной пленки определенной конфигурации и контактных площадок. Размеры контактной области должны выбираться такими, чтобы при наихудших сочетаниях геометрических размеров резистивного слоя и контактных площадок резистивная и проводящая пленки перекрывались, обеспечивая малое переходное сопротивление контакта в низкоомных резисторах. В качестве резистивных материалов тонкопленочных резисторов используют чистые металлы и сплавы с высоким электрическим сопротивлением, а также специальные материалы – керметы, которые состоят из частиц металла и диэлектрика (например, Cr и SiO). Широко распространены пленки хрома и тантала. На основе керметов, в состав которых входят хром и монооксид кремния, получают высоомные резисторы. Для изготовления толстопленочных резисторов применяют пасты, состоящие из порошка стекла, наполнителя и органической связки. Наиболее широко используют свинцовые и цинковые боросиликатные стекла. В качестве наполнителя резистивных паст применяют серебро, палладий и их сплавы.

Подгоняемые резисторы. Применяют плавную и ступенчатую подгонку сопротивления резисторов. Плавная подгонка обеспечивает точность до сотых долей процента, ступенчатая – до единиц процентов.

Плавную подгонку сопротивления тонкопленочных резисторов осуществляют, изменяя или удельное поверхностное сопротивление, или форму резистивной пленки. Удельное поверхностное сопротивление изменяют путем термического, химического или механического воздействия на материал пленки. Форму резистивной пленки корректируют путем удаления части резистивного материала.

Ступенчатая подгонка сопротивления осуществляется удалением металлических перемычек в подгоночных секциях.

Наиболее распространен способ плавной подгонки, связанный с изменением геометрии резистора лазерным лучом. В процессе подгонки часть пленки удаляется и сопротивление увеличивается. При лазерной подгонке сначала производят грубую подгонку выжиганием пленки поперек, затем точную – вдоль резистора; выжигание резистивной пленки под углом позволяет совместить грубую и точную подгонку.

Пленочные конденсаторы. Такие конденсаторы относятся к числу наиболее распространенных элементов ГИС. Конструктивно эти конденсаторы представляют собой трехслойную структуру металл – диэлектрик – металл (МДМ) и состоят из нижней и верхней обкладок, разделенных слоем диэлектрического материала.

К конструкции конденсаторов предъявляются следующие конструктивно-технологические требования: минимальные габариты; воспроизводимость характеристик в процессе производства; совместимость технических процессов изготовления конденсаторов с технологическими процессами изготовления других элементов ГИС.

Характеристики конденсаторов определяются свойствами применяемых материалов. К диэлектрику конденсаторов предъявляются следующие требования: высокие – диэлектрическая проницаемость, электрическая прочность и сопротивление изоляции; малые – температурный коэффициент диэлектрической проницаемости и диэлектрические потери, хорошая адгезия, совместимость с технологическими процессами изготовления других элементов микросхем.

Диэлектрик конденсатора формируется методами термического напыления, ионно-плазменного и реактивного распыления.

Для изготовления диэлектрических тонких пленок применяют монооксиды кремния SiO и германия GeO, оксиды алюминия Al2O3, тантала Ta2O5, титана TiO2 и редкоземельных металлов. Высокие удельные емкости имеют титанаты бария и кальция. При изготовлении диэлектрических слоев толстопленочных конденсаторов используют пасты, которые содержат титанат бария или диоксид титана, имеющие высокую диэлектрическую проницаемость.

Материал обкладок конденсатора должен удовлетворять следующим требованиям: иметь низкое электрическое сопротивление обкладок, хорошую адгезию, обладать низкой миграционной подвижностью атомов, высокой коррозионной стойкостью.

Подгоняемые конденсаторы. Иногда возникает необходимость конструирования пленочных конденсаторов с повышенной точностью воспроизведения емкости, превосходящей технологические возможности способа их изготовления, а также конденсаторы, емкость которых может изменяться в определенных пределах. Подгонка может осуществляться как в сторону уменьшения, так и в сторону увеличения емкости. Конструкция подгоняемого конденсатора имеет подгоночные секции. Подгоночные секции можно произвольно размещать по сторонам верхней обкладки. При подгонке возможно увеличение емкости конденсатора с помощью проволочных перемычек. Добавочная емкость определяется площадью обкладки дополнительно подключаемой секции.

Пленочные индуктивные элементы. Такие элементы широко распространены в аналоговых ИМС. Индуктивные элементы входят в состав колебательных контуров автогенераторов, полосовых фильтров, цепей коррекции частотных характеристик и т.д. Толщина пленочной спирали зависит от рабочей частоты и определяется глубиной проникновения электромагнитной волны в материал пленочного проводника. Для изготовления пленочных спиралей применяют материалы с высокой электропроводностью.

Элементы коммутации. Такие элементы (проводники и контактные площадки) служат для электрического соединения компонентов и элементов ГИС между собой, а также для присоединения к выводам корпуса.

Электрофизические свойства коммутационных проводников и контактных площадок определяются свойствами применяемых материалов, к которым предъявляются следующие требования: высокая электропроводность; хорошая адгезия к подложке; высокая коррозионная стойкость; обеспечение низкого и воспроизводимого переходного сопротивления контактов; возможность пайки или сварки выводов навесных компонентов; совместимость технологии нанесения пленочных коммутационных проводников и контактных площадок с технологией изготовления других элементов микросхем. Самым распространенным материалом тонкопленочных проводников и контактных площадок в ГИС повышенной надежности является золото с подслоем хрома, нихрома или титана. Подслой обеспечивает высокую адгезию, а золото – нужную электропроводность, высокую коррозионную стойкость, возможность пайки и сварки.

Пленочные переходные контакты. Контактный узел двух пленочных элементов ГИС обладает определенным сопротивлением, зависящим от геометрии и размеров контакта, электропроводности контактирующих материалов, удельного переходного сопротивления контакта.

Под удельным переходным сопротивлением понимают сопротивление единицы площади контактного перехода току, протекающему по нормали к слоям контакта. Это сопротивление обусловлено рассеянием носителей тока на неоднородностях в месте соприкосновения двух металлических материалов; скачкообразным изменением атомной и электронной структуры, а также наличием инородных включений в месте контакта. Следовательно, значение удельного переходного сопротивления существенно зависит от природы контактирующих материалов, а также условий и способа их формирования.

1.3. Компоненты ГИС

Компоненты ГИС могут иметь жесткие и гибкие выводы. Недостатком компонентов с гибкими выводами является трудность автоматизации процессов их монтажа и сборки. Применение компонентов с шариковыми выводами затрудняет контроль процесса сборки. Приборы с балочными выводами дороги, но позволяют автоматизировать сборку, контролировать ее качество, увеличить плотность монтажа.

2. ТЕХНОЛОГИЯ ПРОИЗВОДСТВА ГИБРИДНЫХ

ИНТЕГРАЛЬНЫХ МИКРОСХЕМ

2.1. Технологические маршруты производства

      тонкопленочных ГИС

Совокупность технологических операций, составляющих технологический маршрут производства тонкопленочных ГИС, включает в себя подготовку поверхности подложки, нанесение пленок на подложку и формирование конфигураций тонкопленочных элементов, монтаж и сборку навесных компонентов, защиту и герметизацию ГИС от внешних воздействий. Важное значение при создании ГИС имеют контрольные операции, а также подготовка производства: изготовление комплекта масок и фотошаблонов, контроль компонентов ГИС и исходных материалов.

Нанесение пленок на подложку ГИС осуществляется:

а) термическим испарением материалов в вакууме с конденсацией паров этих материалов на поверхность подложки;

б) ионным распылением мишеней из наносимых материалов с переносом атомов мишеней на поверхность подложки;

в) химическим осаждением пленок в результате протекания химических реакций в газовой фазе над поверхностью подложки с образованием пленкообразующего вещества с последующим его осаждением на подложку.

Для формирования конфигураций проводящего, резистивного и диэлектрического слоев используют различные методы: масочный (соответствующие материалы напыляют на подложку через съемные маски); фотолитографический (пленку наносят на всю поверхность подложки, после чего вытравливают с определенных участков); электронно-лучевой (некоторые участки пленки удаляют по заданной программе с подложки путем испарения под воздействием электронного луча); лазерный (аналогичен электронно-лучевому, только вместо электронного применяют луч лазера). Наибольшее распространение получили два первых способа, а также их сочетания.

Масочный метод. Самым простым методом получения заданной конфигурации пленочных элементов является масочный, при котором нанесение каждого слоя тонкопленочной структуры осуществляется через специальный трафарет. При масочном методе рекомендуется такая последовательность формирования слоев ГИС: напыление резисторов, проводников и контактных площадок; межслойной изоляции; второго слоя для пересечения проводников; нижних обкладок конденсаторов; диэлектрика; верхних обкладок конденсаторов; защитного слоя. Пленка из напыляемого материала осаждается на подложке в местах, соответствующих рисунку окон в маске. В качестве материала съемной маски используют ленки бериллиевой бронзы толщиной 0,1-0,2 миллиметра, покрытую слоем никеля толщиной около 10 мкм.

Нанесение пленок через съемные маски осуществляют термическим испарением в вакууме либо ионно-плазменным распылением.

В результате коробления маски в процессе напыления пленки между маской и подложкой образуется зазор, приводящий к подпылу. Кроме того, размеры окон в маске при многократном напылении уменьшаются. Все это обуславливает меньшую точность данного метода по сравнению с фотолитографическим.

Несмотря на недостатки масочный метод является самым простым, технологичным и высокопроизводительным.

Метод фотолитографии. Этот метод позволяет получить конфигурацию элементов любой сложности и имеет большую точность по сравнению с масочным, однако он более сложен.

Страницы: 1, 2