Analoq inteqral sxemlr inteqral sxemlYrin hazırlanma texnalogiyası

ANALOQ İNTEQRAL SXEMLR
1. İnteqral sxemlYrin hazırlanma texnalogiyası

1.1. Silisium cihazlarının hazırlanma texnologiyasında Ysas YmYliyyatlar: Diodlar, tran­zistor­lar vY inteqral sxemlYr (İS) kimi mxtYlif silisium cihazlarının hazırlanması çn aşağıdakı Ysas YmY­liyyatlar istifadY olunur: 1) diffuziya (vY ion aşqarlama), 2) oksidlYmY, 3) fotolitoqrafiya, 4) qaz fazadan kimyYvi 銹kdrmY (o cmlYdYn epitaksial btmY), 5) metallaşdırma.

Sadalanan YmYliyyatların kYyi ilY monokristal silisium lhYsindYn diskret cihazlar (yY­ni ayrı-ayrı diodlar vY tranzistorlar) vY İS almaq olar. Bir silisium lhYsi zYrindY onlarla, yzlYr­lY vY hYtta minlYrlY diskret cihaz vY ya İS yerlYşdirilY bilYr.

Ayrı-ayrı cihazların hazırlanması çn lhY¹ kristallara bnr. Sonra bu kristallar g­dYyY² yerlYşdirilir. GdYlYrin vY yığma sullarının 輟x saylı n­lYri muddur. Kristalların g­dYyY yığılması iki mYqsYd gdr: 1) kristalın xarici tYsirdYn qo­runması çn onun hermetizasiyası, vY 2) cihazın elektron sistemY qoşulması çn istifadY olu­nan çıxıntıların kYyi ilY kristalın ayrı-ayrı hissYlYrinY mdaxilYnin mmknlynn tYmin olunması.

Yuxarıda sadalanan Ysas YmYliyyatlar texnoloji tsikl drndY, adYtYn, bir neçY dYfY tYk­rar­lanırlar, YsasYndY İS halında, nY vaxt ki, fotolitoqrafiya, oksidlYmY vY diffuziya YmYliyyatları 10 dYfYyY qYdYr tYkrarlana bilYr.

1.2. Silisium lhYnin hazırlanması

Silisium cihazların hazırlanması çn, ke輅ricilik nvY aşqarlama sYviyyYsi ilY fYrqlY­nYn monokristal silisium lhYsindYn istifadY olunur. Silisium lhYnin hazırlanması aşağıdakı Ysas mYrhYlYlYrY bnr: 1) kristalın aşqarlama ilY müşaiyYt olunan yetişdirilmYsi, 2) klçYnin ucları­nın kYsilmYsi vY onun hamarlanması³, 3) klçYnin lhYlYrY kYsilmYsi, 4) klçYnin emalı vY l­hY­lYrY kYsilmYsi, 5) lhYnin yuyulması. Aşağıda bu mYrhYlYlYrin qısa tYsviri verilir.

1.2.1. Kristalın yetişdirilmYsi⁴. Kristalın yetişdirilmYsi prosesinin mYqsYdi müYyyYn n ke輅rici­liyY vY müYyyYn sYviyyYli aşqarlanmaya malik monokristal silisium klçYsinin alınmasıdır. İlkin material kimi yksYk tYmizliyY malik polikristal silisiumdan istifadY olunur. Bu materialın tYmiz­liyi adYtYn 99,9999999 vY ya 9 doqquzdan bk olan rYqYmlY xarakterizY olunur. Bu rYqYm mil­yard silisium atomuna bir atom qatışıq konsentrasiyasına uyğundur. Vahid hYcmdY () silisium atomu olur, ona gY dY qatışığın atomlarının nisbi miqdarı onların mtlYq konsentrasiyasına uyğun gYlir. Bu qalıq qatışıq, adYtYn akseptor atomların­dan, mYsYlYn bor atomlarından ibarYt olur vY silisiumun, qatışığın gtYrilYn konsentrasiyasına uyğun xsusi mqavimYti tYqribYn tYşkil edir. SYnaye tYrkibindY rYqYmindYn ki輅k olan polikristallik silisium istehsal edir.

Monokristallik silisium klçYsi hazırlamaq çn daha 輟x ﾇoxralski metodundan istifadY olunur.

Monokristallik silisium klçYsi almaq çn, YsasYn dY 輟x yksYk xsusi mqavimYtY () malik olan material tYlYb olunduqda zonalar zrY YridilmY metodu istifadY olu­nur. Zonalar zrY YridilmY metodu, hYm輅nin silisiumun tYmizlYnmYsi çn dY istifadY oluna bilYr. Bu metod zonalar zrY tYmizlYmY metodu adlandırılır.

1.2.2. KlçYnin⁵ emalı vY lhYlYrY kYsilmYsi. YetişdirilmY prosesi qurtardıqdan sonra klçYnin yuxarı vY aşağı ucları kYsilir vY sYthi elY hamarlanır ki, onun diametri uzunluq boyunca eyni vY verilmiş qiymYtY (adYtYn 75, 100 vY ya 125 mm) dYqiq bYrabYr olsun. Bundan YlavY klçYnin yaradıcısı⁶ zrY mstYvi hamarlanır ki, sonralar o kristollaqrafik oriyentasiyanın tYyini çn istifadY olunur.

Sonra klçY, paslanmayan poladdan hazırlanmış bk diametrli diskşYkilli mişarın kö­mYyi ilY lhYlYrY kYsilir. Diskin daxili kYsYn qırağı texniki almazla mkYmlYndirilir. NY­ti­cYdY qalınlığı 600-700 mkm olan lhYlYr alınır (şYk. 1.3). Oriyentasiya kYsiyi cihazların hazırlanması prosesindY mxtYlif texnoloji YmYliyyatların hYyata ke輅rilmYsi zamanı istifadY olunur.

1.2.3. LhYnin cilalanması vY yuyulması. KYsmYdYn sonra alınan silisium lhYlYr 輟x zYdY­lYnmiş sYthY malik olur. Bu zYdYlYnmYlYri kYsmY prosesinin yaradır. BelY lhYlYr bir sıra cilalama YmYliyyatları ke輅rlYr. Bu YmYliyyatların mYqsıdi aşağıdakılardır:

1. Silisiumun, kYsmY zamanı yaranan zYdYlYnmiş qatının grlmYsi.

2. Fotolitoqrafiya çn, YsasYndY ki輅k 錮lelementlYr tYlYb olunduğu zaman zYruri olan yk­sYk dYrYcYli yastılığa malik sYthin alınması.

3. Fotolitoqrafiyanın mvYffYqiyyYtlY hYyata ke輅rilmYsi çn lhYnin iki Ysas sYthinin paralelliyinin tYmin olunması.

AdYtYn lhYnin yalnız bir tYrYfindY tamamilY cilalanmış gzghamar sYth yaradılır. DigYr (Yks) tYrYf isY qanedici yastılığın alınması çn elYcY hamarlanır. Cilalanmanın son YmYliyyatı kimi kimyYvi tYmizlYmYdYn istifadY olunur vY bu zaman cilalanmanın YvvYlki YmYliyyatlarında zYdYlYnmiş nazik silisium qatı grlr. BYzYn son işlYmY kimi kimyYvi-mexaniki cilalamadan da istifadY olunur.

Cilalamanın btn YmYliyyatları yerinY yetirildikdYn sonra lhYlYr diqqYtlY yuyulur vY qurudulur, sonra onlar, cihazların hazırlanması çn zYruri olan mxtYlif texnoloji proseslYrin yerinY yetirilmYsi çn istifadY oluna bilYr.

1.3. Diffuziya

Burada baxılan diffuziya prosesi bYrk fazada qatışığın diffuziyasıdır. Bu prosesin kYyi ilY silisium lhYnin sYthi qatına mxtYlif aşqarlayıcı qatışıqlar daxil oluna bilYr. Diffuziyanın la­zımi srYtlY ke輓Ysi çn lhYnin temperaturu olmalıdır. Bu temperaturlar nY qYdYr yksYk olsada, silisiumun YrimY temperaturundan () 輟x aşağıdır. GtYrilYn tem­peratur diapazonunda mxtYlif qatışıqların silisiuma diffuziya srYti tYrtibdY, nü­fuzetmY dYrinliyi isY, YksYr diffuziya proseslYrinin nYzYrdY tutduğu hYddindY olur. Otaq temperaturunda diffuziya prosesi 輟x yavaş gedir.

1.3.1. Diffuziyanın tYnliyi. Diffuziya dedikdY atomların vY ya digYr hissYciklYrin konsentrasiya qradiyentinin tYsirindYn yerdYyişmYsi başa düşlr (şYk. 1.8). xYttindYn solda sağa nYzY­rYn daha 輟x hissYcik olduğuna gY soldan sağa hYrYkYt edYn hissYciklYr seli yaranır. Qeyd et­mYk lazımdır ki, bu qrafikdY konsentrasiya qradiyenti mYnfidir vY hissYciklYr seli oxu zrY istiqamYtlYnmişdir. Diffuziya selinin sıxlığı, yYni vahid sahYyY düşYn selin kYmiyyYti hissYciklYrin vY ya atomların konsentrasiyasına mtYnasibdir, . MtYnasiblik Ymsalı daxil edYrYk Fikin birinci qanunu adlanan tYnlik alırıq: , burada - diffuziya Ymsalı; -elektronun yk - Bolsman sabiti; -mtlYq temperatur; - eksponensial qabağı vuruq; - aktivasiya enerjisidir. Silisium çn diffuziantlardan YksYriyYti çn (mYsYlYn P, B, As vY Sb) . BelYliklY btn 錮 vahidlYrini yerinY qoyaraq alırıq

. (1.1)

ŞYk. 1.9- da gtYrilYn qatışıqların diffuziya Ymsallarının temperatur asılılıqları verilmiş­dir. Qeyd edYk ki, YgYr diffuziya Ymsalı çn loqarifmik şkala, temperatur çn isY Yks tempera­tur şkalası istifadY olunarsa, temperatur asılılıqları dz xYtt kimi tYsvir olunar.

Diffuziya prosesinin tYsviri çn istifadY olunan ikinci mnasibYt arasıkYsilmYzlik tYnliyidir

. (1.2)

Bu tYnlik faktiki olaraq ktlYnin saxlanma qanununu Yks etdirir. O gtYrir ki, verilmiş hYcmdY atom­ların vY ya hissYciklYrin sayının dYyişmY srYti , bu hYcmY istiqamYtlYnmiş hissYcik­lYr selinin srYti ilY bu hYcmdYn çıxan hissYciklYr selinin srYti fYrqinY bYrabYrdir.

Fikin birinci qanunu ilY arasıkYsilmYzlik tYnliyini birlYşdirYrYk Fikin ikinci qanununu alarıq

. (1.3)

Bu differensial tYnliyi uyğun sYrhYd şYrtlYrindY hYll edYrYk, diffuziantın atomlarının pay­lanma profilini taparıq. BYrk fazada qatışıqların diffuziyası çn sYrhYd şYrtlYrinin iki nö­vpraktiki maraq kYsb edir: 1) sabit sYth konsentrasiyası halında diffuziya vY 2) mYhdud mYnbYYdYn diffuziya.

1.3.2. Sabit sYth konsentrasiyası halında diffuziya. vvYlcY sabit sYth konsentrasiyası halında diffuziyaya vY ya "sonsuz mYnbYdYn" diffuziyaya baxaq. Bu halda sYthdY () diffuziantın konsentrasiyası sabit hesab olunur, yYni . Bu hal çn doğru olan digYr sYrhYd şYrti ondadır ki, halında diffuziantın konsentrasiyası sıfıra yaxınlaşır. Fikin ikinci tYnliyinin bu sYrhYd şYrtlYri daxilindY hYlli aşağıdakı gnüşY malik olur

, (1.4)

burada - sabit sYthi konsentrasiya, - sYthdYn () materialın dYrinliyinY mYsafY, - diffuziya vaxtı, - riyazi funksiya olub sYhvlYr inteqralına YlavY adlandırılır.

ŞYk. 1.10-da sYhvlYr inteqralına YlavY funksiyasının qrafiki verilmişdir. halında , halında isY , hYmdY artdıqca srYtlY azalır.

Tipik misal. Fosforla aşqarlanmış -tipli silisiumdan ibarYt Ysasa temperaturda vY sabit sYthi konsentrasiya şYraitindY borun diffuziyası. FYrz edYk ki, Ysasda qatışığın konsentra­siyası tYşkil edir (bu xsusi mqavimYtY uyğun gYlir). tempera­tur­da borun bYrk fazada silisiuma yayılmağı, tYqribYn , borun silisiuma diffuziya Ym­salı isY tYşkil edir. Ke輅d ntYsindY sYhv funksiyasına YlavY çn tapırıq. ŞYk.1.10-dan tYyin edirik . Buradan tapırıq: . olduğu çn . BelYliklY temperaturda 1 saat mddYtindY dYrinliyindY ke輅d almaq olar. dYrinliyindY ke輅d almaq çn diffuziya vaxtı tYlYb olunur.

1.3.3. Sabit sYth konsentrasiyası halında diffuziyanın aparılması çn istifadY olunan texnoloji proseslYr. Diffuziyanın mxtYlif proseslYrinin vY oksidlYmYnin hYyata ke輅rilmYsi çn rezistiv qızdırıcıya malik boru şYkilli pe軼Yn istifadY olunur. BelY peuzun (2-3m) bir-başa deşiyY malik olur vY bu deşiyY diametri 100-150 mm olan kvars boru qoyulur. Borunun daxilindY temperatura yksYk dYqiqliklY nYzarYt olunur vY bununlada uzunluğu 1m olan "isti" zonada temperaturun verilmiş qiymYtinin dYqiqliyi ilY bYrabYr paylanması tYmin olunur. İşlYnmYsi nYzYrdY tutulan silisium lhYlYr kvars tutucunun vY ya "qayıqcığın" paralel yerlYşYn pazlarına vertikal şYkildY yerlYşdirilir. Sonra isY "qayıqcıq" kvars boruya daxil edilir.

Borudan mxtYlif qazlar buraxılır vY qaz selinin srYtinY nYzarYt olunur. Qaz selini YsasYn azot tYşkil edir, hansı ki, tYsirsiz qaz olub qaz daşıyıcısı, yYni digYr, daha aktiv qazlar çn durulducu (zYiflYdici) kimi istifadY olunur. Azot mumi qaz selinin 90 faizdYn 99 faizinY qYdYr tYşkil edir. Qaz selinin qalan hissYsi oksigenin vY tYkibindY aşqarlayıcı qatışıqlar olan birlYşmYlYrin payına düşr. Borun diffuziyası çn adYtYn (diboran) vY (çbromid bor) istifadY olunur.

Silisium lhYnin sYthindY eyni zamanda aşağıdakı reaksiyalar baş verir:

(kvars şüşYsi), (1.6)

(bor şüşYsi) , (1.7)

vY ya

(bor şüşYsi) , (1.8)

Bu qaz fazadan kimyYvi oturulma prosesidir vY nYticYdY silisiumun sYthinY, kvars şüşYsi ilY bor şüşYsinin qatışığı olan vY borosilikat şüşYsi (BSŞ) adlandırılan şüşYvari qat oturur. BSŞ diffuziya temperaturunda yapışan maye kimi olur vY bor atomları bu qatda nisbYtYn asan yerini dYyişY bilir. Bundan YlavY BSŞ-dY borun konsentrasiyası elYdir ki, silisiumun sYthi borla doyur, vY btn diffuziya prosesi drndY silisiumun sYthindY borun konsentrasiyası, silisiumun bYrk fazada boru hYlletmY qabiliyyYtinin hYdd qiymYtinY bYrabYr olur, o şYrtlY ki, sYthdY BSŞ qatı qalır.

Fosforun diffuziyası çn (fosfin) vY (oksixlorid fosfor) kimi birlYşmYlYr­dYn istifadY olunur. istifadY olunduğu hallarda silisium lhYnin sYthi yanında aşağıdakı reaksiyalar baş verir:

(kvars şüşYsi), (1.9)

(fosfor şüşYsi) . (1.10)

NYticYdY silisiumun sYthinY, kvars şüşYsi ilY fosfor şüşYsinin qatışığı olan vY fosforosilikat şüşYsi (FSŞ) adlandırılan şüşYvari qat oturur. Diffuziya temperaturunda bu şüşY yapışan maye kimi olur. BelY şüşYvari qatda fosforun miqdarı vY fosfor atomlarının mtYhYrrikliyi, btn diffuziya pro­sesindY fosforun konsentrasiyasını silisiumun sYthi yaxınlığında, silisiumun bYrk fazada fosforu hYlletmY qabiliyyYtinin hYdd qiymYtinY uyğun sYviyyYdY saxlamağa imkan verir.

Sabit sYthi konsentrasiya halında diffuziya nYticYsindY aşqarlayıcı qatışığın atomları silisium sYthi qatının 0,3 mkm-dan 3,0 mkm-Y qYdYr dYrinliyinY yeridilir. Bu n diffuziyanı 輟x halda "yeridilmY⁷" adlandırırlar.

1.3.4. Diffuziyanın ikinci mYrhYlYsi. YeridilmYdYn sonra diffuziyanın ikinci mYrhYlYsi başlayır. vvYlcY xarici aşqarlayıcı mYnbY, yYni şüşYvari qat grlr. BelYliklY diffuziyanın bu mYrhYlYsindY silisiuma qatışığın YlavY atomları daxil olmur, daxil olmuş atomlar isY daha dYrinlYrY hYrYkYt edir vY bununlada profil dYyişir. Ke輅din dYrinliyi artır vY, eyni zamanda qatışığın sYthi konsentrasiyası azalır. BelY diffuziya mYhdud mYnbYdYn diffuziya adlandırılır.

1.3.5. SYthi mqavimYt. Diffuziya qatlarının qiymYtlYndirilmYsi vY xarakteristikası çn iki Ysas parametrdYn istifadY olunur: ke輅din dYrinliyi vY sYthi mqavimYt . Material qatının (şYk. 1.17a) mqavimYti kimi tapılır, burada -qatın orta xsusi mqavimYti, , vY - qatın uyğun olaraq uzunluğu, qalınlığı vY enidir.

gYr olarsa nmunY kvadrat forması alır vY mqavimYt çn ifadY aşağıdakı kimi olur

. (1.13)

Gndykimi kvadrat formalı nmunYnin mqavimYti xYtti 錮lYrdYn vY asılı olmur. Bu kYmiyyYti sYthi mqavimYt adlandırır vY bir 輟x hallarda ilY ifadY edirlYr. BelYliklY, material qatının mqavimYti sYthi mqavimYt ilY ifadY oluna bilYr

. (1.14)

Nazik qatların, o cmlYdYn diffuziya qatlarının sYthi mqavimYtinin 錮lmYsi çn şYk. 1.17-dY verilYn ddzondlu qurğudan istifadY olunur. gYr qatın qalınlığı zondlar arası mYsafY ilY mqayisYdY ki輅k, yYni olarsa, vY nmunYnin kYnarı zondlardan kifayYt qYdYr bk mYsafYdY yerlYşirsY, onda sYthi mqavimYt tYqribi ifadYsi ilY hesablana bilYr. CYrYyan iki xarici zonddan buraxılır, gYrginlik düşks isY iki daxili zond arasında yksYk daxili mqavimYtY malik voltmetrlY 錮lr. CYrYyanın buraxılması vY gYrginliyin 錮lmYsi çn mxtYlif zond ctlYrindYn istifadY olunduğuna gY zondların kontakt mqavimYti 輓Ynin nYticYsinY tYsir etmir.

1.3.6. İon aşqarlama⁸. Ion aşqarlamanın kYyi ilY qatışıq atomlarını silisium lhYnin nazik sYthi qatına daxil etmYk olar. Bununlada bu sul diffuzion "yeritmYnin" YvYzinY istifadY oluna bilYr. İon aşqarlamnı hYyata ke輅rmYk çn silisium lhYlYr vakuum kamerada yerlYşdirilir vY onların sYthi aşqarlayıcı qatışığın yksYkenerjili ionlar dYstYsi ilY skanerlYnir (şYk. 1.19).

1.4. OksidlYmY

Silisiumun tYmiz sYthi hava mhitinY düşYn kimi onun zYrindY, reaksiyası nYticYsindY nazik oksid qatı yaranır.

1.4.1. Oksidin maska kimi istifadY olunması

1.4.2. Planar cihazların passivasiyası çn oksidlYrin istifadY olunması

1.4.3. YksYk tYzyiqdY oksidlYmY

1.5. Fotolitoqrafiya.

Fotolitoqrafiyanın kYyi ilY silisium lhYnin sYthindY mikroskopik 錮lelementlYrY malik sxem vY ya cihazların şYklini almaq olur. Bu zaman sahYsi 1sm x 1sm olan kristal zYrindY 100 000-Y qYdYr tranzistor yerlYşdirilir.

Fotolitoqrafiya prosesi bir sıra texnoloji YmYliyyatlar ardıcıllığından ibarYtdir. 1. Sentro­fu­qada fotorezistorun hazırlanması. 2. İlkin qurudulma. 3. BirgYlYşdirmY vY eksponerlYmY. 4. Aş­qar­la­ma⁹. Neqativ vY pozitiv fotorezistorlar. 5. Fotorezistorun qurudulması. 6. Oksidin travleniyası. 7. Fotorezistorun grlmYsi¹⁰.