Technologie
5 Monolitické integrované obvody Jak je všeobecně známo, jsou využívány dvě hlavní technologie integrovaných obvodů. Jednou z nich jsou monolitické integrované obvody, druhou hybridní. Zde se zaměříme na monolitické integrované obvody.
5.1 Rozdělení monolitických integrovaných obvodů Integrované monolitické obvody můžeme rozdělit do různých skupin z mnoha hledisek. Hledisko stupně integrace bylo uvedeno ve stati o polovodičových materiálech. Zde jsou uvedena další dvě: a) Hledisko typu přenášeného signálu: • obvody analogové; • obvody analogově číslicové; • obvody logické a číslicové. b) Hledisko obvodové technologie: • obvody bipolární; • obvody unipolární; • obvody smíšené.
Analogové obvody Úkolem analogových obvodů je zpracovávat a přenášet analogové signály, které se vyznačují tím, že v daném rozsahu mohou nabývat libovolnou hodnotu (např. v rozsahu napětí 0 V až 5 V mohou nabývat libovolnou hodnotu). Tyto signály jsou spojité, obvody určené pro jejich zpracování musejí mít, kromě jiných vlastností, předepsanou linearitu (případně nelinearitu). Základními prvky analogových obvodů jsou zesilovače, filtry a jejich obvodové kombinace.
Analogově-číslicové obvody Rozvoj integrovaných obvodů umožňuje programové číslicové zpracování signálů. Analogově číslicové obvody převádějí analogový signál na číslicový, číslicově analogové převodníky slouží k převodu čísla na analogový signál.
Logické a číslicové obvody Logické a číslicové obvody zpravidla pracují se signály nabývajícími dvě diskrétní úrovně. Rozdíl mezi nimi spočívá v tom, že logické obvody slouží ke konstrukci různých logických funkcí, kdežto číslicové obvody umožňují provádět různé početní operace, jako jsou kromě logických operací také aritmetické. Speciálními typy těchto obvodů jsou paměti umožňující uchovat po stanovenou dobu číslicovou nebo logickou informaci. Obvody, které dokáží vykonávat jak číslicové tak logické operace, jsou různé typy mikrořadičů (mikrokontrolérů) a mikroprocesorů. Moderní typy mikroprocesorů často obsahují i analogověčíslicové převodníky a další obvody.
5.2 Technologický postup při výrobě integrovaných obvodů Výroba čipů integrovaných obvodů využívá obdobné technologické postupy jako výroba diskrétních polovodičových součástek. Jedním z nejdůležitějších faktorů ovlivňujících činnost polovodičových součástek je způsob jejich výroby. Před rokem 1960 byly při výrobě polovodičových součástek používány dvě hlavní metody, tzv. tažený polovodičový přechod a slitinový polovodičový přechod. Obě tyto metody byly nedokonalé. Během 60. let byla vyvinuta planární technologie, později zdokonalená na planárně epitaxní technologii. V současné době umožňuje planárně epitaxní technologie výrobu velmi složitých Si, GaAs a SiGe Struktur. -1-
Integrované obvody Planárně epitaxní technologie Planárně epitaxní technologie obsahuje následující hlavní výrobní postupy: • epitaxní růst; • oxidace; • dotování příměsemi; • fotolitografie; • měření; • kontaktování a pouzdření. Charakteristickým znakem polovodičových prvků vyrobených planární technologií je, že jsou jejich vývody umístěny v jedné rovině (planar znamená rovinný, dvojrozměrný). Při výrobě jsou využívány maskovací vlastnosti oxidu křemičitého SiO2.
Epitaxe Epitaxe byla původně vyvinuta k rozšíření kvality výroby bipolárních tranzistorů a je stále v bipolárních technologiích využívána. Základní polovodičový materiál má poměrně značnou tloušťku (až 250 µm) a pro elektrické vlastnosti polovodičových součástek zůstává nevyužitý. Na základním monokrystalickém materiálu s vysokou elektrickou vodivostí je vytvořena tenká vrstva polovodičového materiálu, která má stejnou krystalickou orientaci a stejnou strukturu jako materiál podložky. Výhoda, kterou epitaxe výrobcům IO poskytuje vzhledem k použití iontové implantace nebo difúze tkví v tom, že dopování epitaxní vrstvy je nezávislé na substrátu. Na lehce dopovaném substrátu může být vytvořena silně dopovaná vrstva, případně naopak. Tloušťka epitaxní vrstvy může nabývat velikosti od 5 µm do 500 µm. Výhodou epitaxe je i to, že probíhá za nižších teplot než výroba monokrystalu
Oxidace Oxidace křemíku je počáteční fází výroby integrovaných obvodů. Při tom je vytvořena tenká vrstva oxidu křemičitého SiO2, který je velmi stabilním materiálem. Je to krok usnadňující provedení dalších kroků při výrobě integrovaných obvodů.
Dopování Dopováním rozumíme dodání stanoveného množství určitého typu nečistot do polovodivého materiálu. Dotování může být buďto neselektivní, kdy je dotován celý objem materiálu nebo selektivní, kdy dochází k dotování pouze určených oblastí. Dotování může být provedeno dvěma metodami: - difúzí; - iontovou implantací. Difúze je starším způsobem a je levnější. Iontová implantace umožňuje nejlepší možnost řízení procesu dopování. Iontová implantace je rovněž využívána k nastavení prahového napětí obvodů MOS. Hloubka implantace je závislá na zrychlení Převodníky a Řídicí iontů vyvolaném přiloženou energií od 3 obvody pro Systém počítač ovládání paprsku generování keV do 5000 keV. a zaostřování paprsku
Destička s vrstvou fotorezistu Aktivace fotorezistu paprskem
Vychylovací systém Elektronový paprsek
Podložka s přesným posuvem X,Y
Obr.č.5.2.1 Princip elektronolitografie
-2-
Výroba funkčních obvodových prvků
částí
Aby byl vyroben celý integrovaný obvod, musejí být nejprve vyrobeny jeho jednotlivé části, jako jsou např. kolektor, emitor a báze bipolárního tranzistoru, rezistory, kondenzátory apod. Při tom je využíván systém CAD.
Technologie
Obr.č.5.2.2 Příklad masky integrovaného obvodu Maska
Maska plátku
Obr.č.5.2.3 Příklad masky plátku
Místo, na kterém jsou tyto části vytvořeny je definováno pomocí tzv. fotolitografie, která spočívá v osvětlení fotorezistu UV světlem procházejícím otvory v masce (obr.č.5.2.2, 5.2.3) případně svazkem elektronů pomocí elektronolitografie. Princip elektronolitografie je znázorněn na obr.č.5.2.1. Elektronový paprsek je pomocí vychylovacího systému zaměřen na předepsaná místa destičky, na které jej nanesen fotorezist. Elektronolitografie je též využívána k výrobě masek pro fotolitografii. Prvním krokem procesu je nanesení fotorezistu. Jako fotorezist je používán polymer, který je rozpustný či nerozpustný v závislosti na osvětlení ve speciálním rozpouštědle. Nanesený fotorezist je osvětlován zařízením, jehož vychýlení je řízeno počítačem. Další postup je shodný s postupem popsaným ve stati „Polovodiče“. Poznámka: S pojmem litografie je svázána zkratka EUV (Extreme Ultraviolet lithography). Tato zkratka označuje technologický proces, který umožňuje vyrábět mikroprocesory pracující na kmitočtech do 10 GHz. Konečná verze tohoto zařízení má být hotova v roce 2005.
5.3 Obvodové technologie integrovaných obvodů 5.3.1 Binární technologie 1. fáze Implantace Sb
SiO 2
Ponořená vrstva N +
Substrát P
2. fáze epitaxní vrstva N Ponořená vrstva + Substrát P
3. fáze Bor
Izolace
Bor + P
+ P +
Substrát P
4. fáze Kolektor + N +
Substrát P
5. fáze Báze P
+
Substrát P
Binární technologií jsou realizovány integrované obvody využívající binární tranzistory, polovodičové diody, rezistory, kondenzátory. Základem výroby je polovodičový plátek. Výroba probíhá v několika fázích. Každá fáze začíná vytvořením vrstvy SiO2 na povrchu plátku. Následuje nanesení fotorezistu, fotolitografický proces a odleptání fotorezistu a oxidu křemičitého z požadovaných plošek. V nich je prováděna dotace příměsemi pro vytvoření oblastí s potřebným typem vodivosti. Při tom je využíván princip změny typu vodivosti z N na P, z P na N, případně vytvoření oblastí s vodivostí N+, P+ dotací dostatečného množství příměsí používaných pro vytvoření požadovaného typu vodivosti. Obr.č.5.3.1 znázorňuje na příkladu tranzistoru NPN fáze výroby bipolárního integrovaného obvodu. 1. fáze – v plátku polovodivého materiálu, který má vodivost typu P je vytvořena ponořená vrstva (buried layer) s vodivostí typu N+. 2. fáze – na polovodivém plátku je vytvořena epitaxní vrstva typu N. 3. fáze – vytvoření oblastí typu P+, které slouží k vzájemnému odizolování jednotlivých komponent integrovaného obvodu. 4. fáze – vytvoření oblasti N+, která zároveň s dalšími oblastmi typu N slouží jako kolektor tranzistoru NPN. 5. fáze – vytvoření oblasti s vodivostí typu P, která je základem pro bázi tranzistoru. 6. fáze – v 6. fázi je v oblasti typu P, která byla vytvořena v 5. fázi vytvořena oblast typu N+, která je určena pro emitor tranzistoru. 7. fáze – je to konečná fáze, nazývaná metalizace, pomocí které jsou vytvořeny kontakty polovodičových komponent a zároveň jsou
-3-
Integrované obvody propojeny jednotlivé součástky. Metalizace je uskutečňována zpravidla pomocí tenké vrstvy hliníku, případně mědi. Grafické znázornění uspořádání vrstev tranzistoru NPN je znázorněno + + + P N P na obr.č.5.3.2. Ponořená vrstva N + Jiné součástky, jako jsou diody, rezistory, kondenzátory i cívky jsou Substrát P rovněž vyrobeny v procesu výroby tranzistorů (rezistor např. jako prvek s dotací P určitých rozměrů, pro výrobu kondenzátorů jsou 7. fáze využívány kapacity přechodů PN, diody jsou zpravidla vyrobeny jako Báze Emitor Kolektor tranzistory se zkratovanými vývody bází a kolektorů). Jednotlivých integrovaných obvodů je na polovodivém plátku + vyrobeno velké množství (počet závisí na velikosti IO). Substrát P Poslední fází výroby jsou měření provedená v předepsaných bodech vyrobeného plátku, po vyhodnocení měření následuje nařezání plátku Obr.č.5.3.1 Princip výroby diamantovou pilou a rozlámání plátku na jednotlivé čipy (na bipolárních integrovaných jednotlivé kousky IO – chips). obvodů Vyrobené čipy jsou relativně odolné proti vlivům vnějšího prostředí, jako je oxidace, koroze apod. Proto jsou často transportovány a zapouzdřeny v jiné továrně (často dokonce i v jiné zemi). Před zapouzdřením jsou čipy testovány. To se děje automaticky zařízeními, ve kterých je čip automaticky připojen pomocí jehlových kontaktů k testovacímu systému, který odzkouší jeho funkce a provede předepsaná měření. Nevyhovující čipy jsou automaticky označeny kapkou barvy obsahující magnetickou suspenzi. Pomocí magnetického pole jsou potom vytříděny. Čip, který odpovídá předepsaným Obr.č.5.3.2 Princip výroby bipolárních parametrům, je přitmelen na skleněnou nebo keramickou integrovaných obvodů podložku opatřenou fyzickými vývody pro letování (nožičkami). Následuje propojení výstupů čipu s těmito vývody, což je obvykle provedeno pomocí zlatých drátků (stroje, pomocí kterých je propojování prováděno jsou nazývány „šicí stroje“). Konečným výrobním krokem je pouzdření, při kterém je obvod uložen do určitého typu pouzdra (pouzdra obvodů pro komerční použití jsou jiná a levnější než pouzdra obvodů pro průmyslové nebo dokonce speciální použití – vojenské, kosmické, ..). Zapouzdřené obvody jsou opět změřeny, podle dosažených parametrů tříděny a expedovány. 6,fáze
Emitor N+
Technologie komplementárních bipolárních obvodů Epitaxní vrstva Ponořená vrstva + P+ Substrát P
Obr.č.5.3.3 Vytvoření vnořené vrstvy P+ pro realizaci PNP tranzistoru Báze Emitor Báze Kolektor + P N
N Ponořená vrstva P+ + N
N P+
Substrát P
Obr.č.5.3.4 Způsob uspořádání PNP tranzistoru
-4-
Komplementární obvody obsahují oba typy tranzistorů, tj. jak NPN tak PNP. Analogové obvody jsou nedílnou součástí v současných systémech a jejich význam vzrůstá v aplikacích, ve kterých se vyskytují vyšší napětí, nebo kde je vyžadován styk s vnějším prostředím (čidla apod.). Obvody, které obsahují kvalitní PNP tranzistory mají velký význam při výrobě operačních zesilovačů i jiných typů analogových, případně i logických obvodů. Z obr.č.5.3.3 a 5.3.4 je zřejmé, že princip uspořádání PNP tranzistoru je obdobný jako uspořádání tranzistoru NPN. U PNP tranzistoru je vytvořena navíc ponořená vrstva s vodivostí typu P. Izolace různých komponent integrovaného obvodu je, stejně jako u NPN tranzistoru, realizována pomocí PN přechodu vytvořeného vložením oblasti typu P+.
Technologie
5.3.2 Unipolární technologie CMOS. Unipolární technologie téměř výhradně realizují zapojení CMOS – complementary MOS (obr.č.5.3.5). Tato technologie umožňuje realizaci obvodů s velmi malou spotřebou a velmi malými napájecími napětími (od 1,2 V výše). výstup Technologie výroby těchto obvodů je obdobný popsanému postupu výroby bipolárních obvodů, uspořádání obvodů je jiné. Technologie CMOS je USS výhodnější především pro menší počet výrobních operací. Obr.č.5.3.5 Obvod Schématické znázornění uspořádání CMOS struktury je znázorněno na CMOS obr.č.5.3.6. CMOS technologie jsou využívány jak pro výrobu analogových kanál P vst kanál N obvodů, jako jsou např. operační zesilovače, tak pro výrobu výst U DD U SS logických obvodů. Bez těchto technologií si není možné představit rozvoj Oxid P+ N+ P+ P+ N+ mikroprocesorové techniky. V současné době je technologie P CMOS dominantní technologií pro výrobu mikroprocesorů, substrát N pamětí a různých specifických typů obvodů (ASIC – aplication specific integrated circuits). Obr.č.5.3.6 Uspořádání CMOS Nevýhodou oproti NMOS nebo PMOS technologiím je to, že je pro výrobu hradla potřebná větší plocha polovodičové destičky. U DD
5.3.3 BiCMOS technologie BiCMOS technologie umožňuje výrobu integrovaných obvodů obsahujících jak CMOS, tak bipolární komponenty – zpravidla komplementární bipolární komponenty. Využití této technologie je v logických obvodech odlišné od využití v obvodech analogových. Použití této technologie umožňuje zvýšení rychlosti, zmenšení spotřeby a snížení úrovně šumů integrovaných obvodů. V oblasti rychlých obvodů přecházejí některé firmy na využití kombinované technologie SiGe, která umožňuje další zvýšení rychlosti jak logických tak analogových obvodů do oblasti desítek GHz.
5.3.4 BiFET technologie
Obr.č.5.3.7 Příklad zapojení operačního zesilovače vyrobeného technologií BiFET
BiFET technologie je založena na kombinaci binární technologii a technologii tranzistorů JFET. Příklad je znázorněn na obr.č.5.3.7. Je využívána v analogových integrovaných obvodech, u kterých jsou vstupy osazeny tranzistory JFET. Vyznačuje se proto vysokými vstupními odpory a z toho plynoucími malými vstupními proudy. Další vlastností těchto obvodů je velká šířka pásma, vysoké mezní kmitočty v porovnání s CMOS technologií, velká hodnota rychlosti přeběhu. Nevýhodou jsou o něco vyšší šumová napětí a nutnost souměrného napájení, např. ± 15 V – nelze napájet z nesouměrného zdroje.
Jak je zřejmé z obr.č.5.3.7, použitá bipolární technologie je komplementární.
-5-
