Элементы конструкции полупроводниковых схем

Рассмотрим ограничения, накладываемые на размеры полупро­водниковой подложки микросхем. Диаметр круглых пластин, ис­пользуемых для создания микросхем, обычно близок к 2,5 см. В последнее время появились установки для выращивания слитков полупроводника диаметром 10 см. Стоимость изготовления одной микросхемы обратно пропорциональна их числу, получаемому с одной пластины. Поэтому представляет интерес оценить возмож­ное число кристаллов ИС, размещаемых на одной пластине по­лупроводника, в зависимости от частоты. Для этого предположим, что максимальные линейные размеры одного кристалла микросхе­мы малой степени интеграции находятся в интервале λ/10…λ/4, где λ − длина волны в используемой линии с распределенными па­раметрами на диэлектрической подложке. Нижняя граница при­мерно соответствует максимальному размеру сосредоточенных элементов, а верхняя представляет собой типичный максимальный размер элементов с распределенными параметрами (шлейфы, направленные ответвители и т. д.). Учитывая, что верхняя рабо­чая частота сосредоточенных элементов не превышает 15…20 ГГц, аппроксимируем возрастание относительных максимальных раз­меров микросхем прямой линией так, что при частоте 1 ГГц эта граница составляет λ/10, а при частоте 16 ГГц − λ /4. На частотах, превышающих 16 ГГц, максимальные размеры равны λ /4. Зави­симость числа кристаллов на пластине от частоты при принятой аппроксимации для двух размеров пластин приведена на рис.7. Предполагается, что выход годных микросхем равен 100%, а потеря полупроводникового материала происходит при разделении пластины на отдельные кристаллы и за счет кристаллов, расположенных по краям пластины.

Общий процент выхода годных микросхем зависит от качества каждой технологической операции. При производстве ПТШ их чис­ло может превышать 40 и выход годных ИС в наибольшей степени определяется выходом годных транзисторов. Приведенные графики не справедливы для микросхем с непосредственными связями, где возможна высокая плотность размещения элементов на кристалле полупроводника при отсутствии пассивных элементов цепей со­гласования.

Рис.7. Зависимость числа ИС малой степени интеграции получаемых с одной пластины, от частоты при различных значениях диаметра D пластин.

С повышением степени интеграции площадь кристалла, зани­маемая микросхемой, возрастает. Предполагается, что для приемо­передающих модулей активных фазированных антенных решеток она может достигать единиц квадратных сантиметров. При этом ожидают, что стоимость таких ИС будет относительно невысокой благодаря широким масштабам производства (ориентировочная потребность ~ 10⁵ ед./год) и приемлемым процентом выхода годных микросхем, так как большую часть площади кристалла будут за­нимать пассивные элементы, воспроизводимость характеристик ко­торых достаточно высока. Для создания подобных ИС необходи­мо выращивание монокристаллов полупроводника большого диаметра.

При выборе толщины кристалла следует учитывать ряд противоречи-вых требований: расход полупроводникового материала, возможность изготовления отверстий для заземления, механиче­скую прочность пластин, тепловое сопротивление, потери в пе­редающих линиях, ограничения на волновые сопротивления и вли­яние погрешности толщины на характеристические параметры ли­ний передачи.

Очевидно, что для улучшения отвода тепла, облегчения заземления через отверстия в кристалле, уменьшения ширины передающих линий и снижения расхода полупроводникового материала пластины должны быть как можно тоньше при условии сохранения механической прочности. С другой стороны, с ростом толщины подложки уменьшаются потери при распространении в МПЛ, увеличиваются добротность и максимальное значение планарных индук-тивностей. Кроме тоrо, для толстой подложки достигаются более высокое волновое сопротивление МПЛ и улуч­шенная воспроизводимость ее характеристик с учетом технологических допусков на толщину подложки и размеры проводников. Таким образом, полагается, что до частоты 30 ГГц наиболее при­емлема толщина кристалла 100…150 мкм для микросхем с по­вышенным уровнем рассеиваемой мощности и до 600 мкм для маломощных ИС без значительных потерь при разделении пластин на отдельные кристаллы.

Важное место при разработке ИС занимает выбор способа за­земления элементов. Проблемы заземления возникают в основном при использовании микрополосковых линий, когда заземляющая плоскость расположена на обратной стороне кристалла. Необхо­димость уменьшения эффективной индуктивности заземления, осо­бенно для мощных приборов, видна из рис.8, где показано снижение коэффициента усиления ПТШ в зависимости от паразит­ной индуктивности в цепи истока при различных значениях сум­марной ширины затвора, соответствующей выходной мощности 1,2 и 4 Вт.

Рис.8. Расчетные зависимости снижения коэффициента усиления мощного ПТШ от индуктивности в цепи истока при различных значениях суммарной ширины затвора.

Возможные в настоящее время способы заземления активных приборов и элементов можно разделить на два основных типа. Первый предполагает нанесение заземляющих плоскостей на ниж­ней и верхней поверхностях кристалла с последующим их соеди­нением ленточными или сетчатыми проводниками через края кри­сталла. При этом активные приборы стремятся располагать бли­же к краям кристалла для уменьшения паразитной индуктивности заземления. Во втором типе заземлений паразитная индуктивность снижается за счет соединения элементов микросхемы с заземляю­щей плоскостью на обратной стороне кристалла через металлизи­рованные сквозные отверстия в этом кристалле. В качестве при­мера укажем, что паразитная индуктивность на единицу толщины подложки металлизированного отверстия диаметром 50 мкм, про­травленного в кристалле GaAs, составляет (40…60)∙10^-12 Гн/мм.

Использование заземления через края кристалла значитель­но облегчает изготовление и увеличивает процент выхода годных ИС. Применение заземления через отверстия в кристалле улучшает характеристики микросхем, особенно на частотах более 10 ГГц. На высоких частотах, когда даже индуктивность заземления через отверстия становится существенной, целесообразнее использовать копланарные волноводы. Следует отметить, что установка ИС в корпус по аналогии с установкой гибридных микросхем мо­жет исключить одно из преимуществ, связанное с малыми разме­рами и массой. Поэтому необходимо тщательно разрабатывать специальные корпусы для полупроводниковых микросхем. В насто­ящее время перспективным является размещение кристаллов СВЧ микросхем и кристаллов микросхем, обеспечивающих питание и стабилизацию режима по постоянному току, в одном керамичсс­ком корпусе с медным основанием и гибкими выводами, предназ­наченными для соединения с полосковыци линиями.

Влияние технологического разброса на параметры элементов

и микросхем

Одно из главных достоинств полупроводниковых микросхем заключается в их потенциально низкой стоимости при массовом производстве по сравнепию с гибридными микросхемаии. Но для реализации этого преимущества необходимо обеспечить высокую воспроизводимость характеристик ИС без каких-либо дополнительнык операций, значительно усложняющих процесс производ­ства.

Отсутствие большого числа проволочных соединений и высокая разрешающая способность фотолитографии позволяют изготавли­вать пассивные элементы с заданными характеристиками. Одна­ко на практике существует значительный разброс электрофизиче­ских параметров полупроводника для пластин, полученных в различных технологических циклах. Для каждой пластины также наблюдается неоднородность полупроводникового n-слоя по ее пло­щади. Это приводит к изменению характеристик активных прибо­ров и, следовательно, всей микросхемы. В качестве примера на рис. 9 приведены гистограммы распределения крутизны и реального напряжения отсечки U_P эпитаксиально выращенных транзисторов, взятых с одной пластины. Такой разброс параметров приводит не только к различию усилительных характеристик, но и к изменению режимов смещения по постоянному току, что особенно важно для микросхем с непосредственными связями.

Задача увеличения воспроизводимости характеристик ИС яв­ляется очень актуальной. Воспроизводимость может быть улучше­на технологическими, схемотехническими и комбинированными методами. К настоящему времени еще не разработаны способы повышения повторяемости параметров за счет идентичности со­седних элементов или постоянства отношения некоторых их вели­чин, как это используется в низкочастотных микросхемах на основе кремния. К тому же для эпитаксиальнык структур, имею­щих значительную неоднородность характеристик по пластине, тaxoт подход может и не принести положительных результатов. Поэтому большое внимание сейчас уделяется уменьшению технологического разброса как за счет применения ноаых тхнологичеких методов, включая ионную имплантацию, отличаюгцуюся по­тенциально высокой повторяемостью характеристик активных слоев, так и за счет совершенствования имеющейся технологии. При этом следует учитывать, что уменьшение допусков на технологи­ческие процессы не всегда возможно и может привести к значи­тельному повышению стоимости изготовления ИС.

Рис. 9. Распределение числа транзисторов, изготовленных на основе эпитаксиально выращенных структур, в зависнмости от значения крутизны (а) и напряжения отсечки (б): образцы (86 шт.) взяты с одной пластины

Схемотехнические методы предполагают синтез цепей согласо­вания малочувствительных к изменению характеристик активных приборов. Из теории низкочастотных усилителей известен метод использования отрицательных обратных связей. Но применение глубоких обратных связей в микросхемах СВЧ диапазона затруд­нено, так как усилительные возможности транзисторов значительно уменьшаются с ростом частоты. Увеличить воспроизводимость характеристик микросхем можно также, используя в цепях согла­совапия на входе и выходе усилителей активные приборы, т. е. транзисторы, включенные соответственно по схеме с общим затво­ром и общим стоком.

Проблемы обеспечения повторяемости параметров ИС все еще не решены. Поэтому на ранних этапах разработки полупроводни­ковых микросхем СВЧ диапазона в ряде случаев для повышения процента выхода годных ИС возможно применение небольшого числа настроечных операций. Для этой цели машинными метода­ми анализа определяются элементы цепей согласования, оказыва­ющие наибольшее влияние на характеристики микросхемы, изменением которых можно компенсировать погрешности технологии. В качестве примера рассмотрим двухкаскадный усилитель мощности (К_уР = 10 дБ в диапазоне частот 5…10 ГГц), схема которого приведена рис. 10. Анализ допусков на технологические процессы показал, что на параметры используемых транзисторов (изготовленных ионной имплантацией) наибольшее влияние ока­зывают разброс концентрации носителей в канале (20%) и погрешность длины металлического затвора (20%). На рис.11. приведены частотные характеристики усилителя при различных отклонениях длины затвора от номинального значения. Для сохранения заданного коэффициента усиления необходимо провести повторную оптимизацию параметров элементов цепей согласования. На рис. 12 показаны характеристики усилителя, полученные после повторной оптимизации. Видно, что увеличение длин затвора можно компенсировать подстройкой только двух элементов.

Рис. 3.10. Двухкаскадный усилитель мощностн

Рис. 11. Зависимости коэффициента усиления двухкаскадного усилителя мощности от частоты при различных отклонениях длины затворов от

номинальной величины

Для контроля разброса характеристик приборов в процессе производства в микросхему (или пластину) вводят тестовые структуры. Зная отклонения параметров изготовленных транзисторов и учитывая, что согласующие цепи присоединяются к активным приборам на заключительных стадиях изготовления, можно менять маску металлических межсоединений. Это дает возможность подсоединять те или иные секции подстроечного элемента. Геометрические размеры этих элементов должны быть заранее определены для обеспечения настройки с учетом всех возможных погрешностей технологии. Для подобного подхода необходимы модели приборов, основанные на геометрических размерах и электрических свойствах полупроводника, позволяющие учитывать изменение ха­рактеристик за счет погрешностей технологии. В качестве подстро­ечных элементов обычно используют индуктивности, отрезки ли­ний с распределенными параметрами и конденсаторы цепей сог­ласования. Обеспечение требуемого режима по постоянному току осуществляется регулировкой величины резисторов цепей смещения (например, в цепи автосмещения каскада с ОИ). Указанные элементы выполняются в виде нескольких секций так, что возможно их выборочное присоединение.

Рис. 12. Характеристики усилителя на транзисторах с номинальной длиной затвора (сплошная линия) и на транзисторах с увеличенной на 10% длиной затвора после повторной оптимизации элементов цепей согласования: