2.2.3. Технологии типовых интегральных структур

При создании полупроводниковых ИС наиболее широко применяется ПЛАНАРНО-ЭПИТАКСИАЛЬНАЯ технология (она же используется для изготовления современных дискретных транзисторов). Изоляция элементов, расположенных на одном кристалле (транзисторы, диоды, резисторы и др.), осуществляется при помощи обратносмещенных p-n переходов. Недостатками такого метода изоляции структур считаются :

- увеличенные паразитные емкости и токи утечки между отдельными элементами;

- большая площадь элементов (с учетом площади изолирующих областей);

- относительно невысокие пробивные напряжения и низкая радиационная стойкость.

Однако структуры с p-n изоляцией наиболее просты в изготовлении и, как следствие, самые дешевые.

В ИЗОПЛАНАРНОЙ технологии изоляция элементов (транзисторов, диодов и др.) осуществляется травлением канавок между элементами с последующим термическим окислением поверхности этих канавок. Слой двуокиси кремния (является хорошим изолятором) образует как стенки, так и дно каждого интегрального элемента, создавая диэлектрический карман (отсюда малые электрические утечки). Такая технология позволяет получать более высоковольтные интегральные элементы при меньших размерах. Дальнейшим развитием изопланарной технологии является ПОЛИПЛАНАРНЫЙ процесс, позволяющий значительно уменьшить размеры элементов. Еще большую плотность размещения элементов позволяет получить технология с использованием анизатропного травления канавок (травление вдоль кристаллографических осей).

Интегральные диоды обычно создаются из транзисторных структур. В качестве диодов могут быть использованы переходы база-эмиттер или база-коллектор. В некоторых случаях переход база-эмиттер используется как стабилитрон (диод Зенера). Омические резисторы создаются в объеме полупроводника или напыляются на поверхность кристалла в виде тонких пленок. Температурный коэффициент сопротивления объемных полупроводниковых резисторов очень велик и имеет положительный знак. Сопротивление таких резисторов ограничивается только размерами полупроводниковой подложки и может достигать 40 кОм. В качестве конденсаторов малого номинала можно использовать смещенный в обратном направлении p-n переход. При этом удельная емкость может достигать 200 нФ/см¤ при пробивном напряжении в несколько сотен Вольт. Емкость p-n перехода нелинейно зависит от приложенного напряжения. Такие конденсаторы полярны, т.е. не пригодны для работы в цепях переменного тока. Большое разнообразие технологических процессов используется при изготовлении полупроводниковых ИС на полевых транзисторах. Эти транзисторы образованы тремя слоями: металл (затвор), окись кремния (изоляция затвора от канала), полупроводник (области истока, канала и стока). Поэтому такие структуры называются МОП ИС. С целью повышения быстродействия МОП структур применяется технология с использованием кремниевых затворов. Вместо слоя металла используется области сильнолегированного кремния толщиной около 1 мкм. Применение в составе МОП ИС полевых транзисторов с разным типом проводимости (p-канальных и n-канальных) позволяет создавать цифровые ИС с относительно высоким быстродействием (100...200 МГц и более) при очень малой статической потребляемой мощности. Эти структуры называются КМОП (буква К - от слова комплементарный, дополнительный). В числе перспективных технологических направлений продолжает оставаться технология КМОП ИС, использующая кристаллографическую совместимость монокристалла кремния и сапфира (кремний на сапфире - КНС). Такие ИС имеют высокое быстродействие, но остаются очень дорогими.

Наибольшее быстродействие имеют ИС на основе арсенида галлия. Впятеро большая подвижность электронов в монокристаллах этого двухэлементного полупроводника (чем в кремнии) позволяет создавать в объеме арсенида галлия структуры с пропорционально более высоким быстродействием. В цифровых ИС на полевых транзисторах с барьером Шотки и со связью на барьере Шотки достигается быстродействие до 10 Ггц. Основные трудности, связанные с внедрением в производство ИС на основе арсенида галлия, связаны с обеспечением сохранения параметров приборов при их производстве. Разброс параметров получается намного больше, чем при использовании кремния.

Таблица 2.1 - КОЛИЧЕСТВЕННАЯ ОЦЕНКА СЛОЖНОСТИ ИС

Степень интеграции	Вид ИС	Тип транзисторов	Кол-во элементов на кристалле
Малые интегральные схемы (МИС)	Цифровые аналоговые	Биполярные Полевые Биполярные Полевые	1….100 1….30
Средние интегральные схемы (СИС)	Цифровые аналоговые	Биполярные Полевые Биполярные Полевые	100….500 100…..1000 30……100
Большие интегральные схемы (БИС)	Цифровые Аналоговые	Биполярные Полевые Биполярные Полевые	500…..2000 1000….10000 100……300
Сверхбольшие интегральные схемы (СБИС)	Цифровые аналоговые	Биполярные Полевые Биполярные Полевые	Более 2000 Более 10000 Более 300

Значительно расширяется использование ионной имплантации при изготовлении МОП ИС (легирование каналов, резисторов, истока, стока) и прецизионных биполярных ИС (легирование базы и резисторов). Ионная имплантация имеет ряд преимуществ перед термодиффузионными способами введения легирующих примесей. Благодаря лучевым методам достигается точное дозирование малых количеств легирующих примесей - до отдельных атомов, - не достижимое другими известными методами. При этом примеси вводятся на заданную глубину сквозь слой окисла или полупроводника, а границы легированных областей не расплываются.