9. Особенности компонентов электронных цепей в микроминиатюрном исполнении

Комплекс конструкторских, технологических и схемотехнических вопросов, связанных с проектированием и изготовлением надежной электронной аппаратуры в миниатюрном исполнении, охватывает новое направление электроники — микроэлектроника. Успехи в кон­струировании и технологии позволили полностью или частично исклю­чить отдельные дискретные электрорадиодетали и приборы. Появилась возможность целые функциональные электронные узлы изготовлять в едином технологическом цикле.

Одним из наиболее важных технологических приемов микроэлек­троники является интегральная технология, дающая возможность на одной пластине создавать группы схемно соединенных между собой элементов. Иепользуя интегральную технологию, можно осуществлять изготовление схем на высокопроизводительных автоматизированных установках, одновременно выпуская значительное количество иден­тичных по педаметрам функциональных узлов.

Функциональные узлы, выполненные по интегральной технологии, называют интегральными микросхемами (ИМС).

Интегральные микросхемы состоят из компонентов и элементов.

Эометом ИМС называют часть интегральной микросхемы, реализующей функцию какого-либо эчектрорадиоэлемента (транзистора, диода, конденсато­ра и т. д.), которая не может быть выделена как самостоятельное изделие с точ­ки зрения требований к испытаниям, приемке и эксплуатации.

Компонентом называют часть ИМС, реализующую функции какого-либо электрорадиоЭЛемента, которая может быть выделена как самостоятельное из­делие с точки зрения требований к испытаниям, приемке и эксплуатации.

Основные преимущества интегральных микросхем по сравнению с аналогичными схемами на дискретных компонентах — малые габа­риты, малая маеса и повышенная механическая прочность. При их производстве требуются меньшие затраты за счет применения высокопро­изводительного автоматизированного оборудования, возможно сущест­венное сокращение ручного труда и получение лучших характеристик схем благодаря идентичности параметров компонентов. Повышается надежность за ечет автоматизации технологических операций и сни­жения вероятности выхода из строя отдельных элементов, изготовлен­ных в единохм технологическом цикле. При эксплуатации таких при

-боров без существенных затрат может быть введено резервирование, что повышает надежность их работы.

Следует подчеркнуть, что вся микроэлектроника базируется на тех же теоретических основах, что и электронные узлы, выполненные на дискретных компонентах. Однако с развитием микроэлектроники изменился подход к схемотехническому решению отдельных функцио­нальных узлов и устройств. При интегральной технологии значитель-- ное увеличение числа активных компонентов существенно не изменяет стоимость изделий.

Интегральные микросхемы (ИМС) принято классифицировать по конструктивно-технологическим признакам на монолитные, пленочные, гибридные, совмещенные ИМС.

В полупроводниковых монолитных ИМС все элементы схемы (дио­ды, транзисторы, резисторы и т. д.) выполнены на основе одного кри­сталла полупроводникового материала, так называемой активной под­ложки (обычно монокристалл кремния).

В пленочных ИМС все элементы представляют собой пленки, нане­сенные на диэлектрическое основание (пассивную подложку). Раз­личают тонкопленочные и толстопленочные ИМС.

В гибридных ИМС пассивные элементы выполнены в виде пленок, нанесенных на диэлектрическую подложку, а активные элементы (дио­ды, транзисторы и т. д.) являются навесными. Обычно это малогабарит­ные дискретные элементы или бескорпусные монолитные полупровод­никовые ИЛ1С, соединенные с соответствующими выводами на подлож­ке с помощью жестких проводников.

Совмещенные ИМС изготовляют на основе технологии полупровод­никовых и пленочных микросхем, т. е. транзисторы и диоды так же, как и в полупроводниковых ИМС, а пассивные элементы и межсоеди­нения наносят в виде пленок на ту же подложку. Подложка для обес­печения электрической изоляции перед этим окисляется.

Все ИМС независимо от технологических особенностей их изготов­ления с учетом суммарного количества в них пассивных и активных элементов и компонентов подразделяют согласно ГОСТ 17021—75 на ИМС: первой степени интеграции (содержит до 10 элементов и компо­нентов); ИМС второй степени интеграции (от 10 до 100элементов и ком­понентов); ИМС третьей степени интеграции (от 100 до 1000 элементов и компонентов); ИМС четвертой степени интеграции (от 1000 до 10 000 элементов и компонентов); ИМС пятой степени интеграции (от 10 000 до 100 000 элементов и компонентов). Допускаются сокращенные обо­значения таких схем: ИЛ1С1, ИМС2, ИМСЗ и т. д.

Интегральные микросхемы, содержащие более 100 элементов и компонентов на одном кристалле, принято называть большими инте­гральными схемами (БИС).

ИМС обычно является законченным электронным узлом определен- ного функционального назначения, соответствующие активные и пас­сивные элементы и компоненты которого выполнены групповым мето­дом с использованием определенных технологических приемов.

Рассмотрим некоторые особенности пассивных и активных элемен­тов, обусловленные технологией изготовления.Пассивные компоненты ИМС. К пассивным компонентам ИМС от­носят резисторы, конденсаторы, индуктивности и внутрисхемные со­единения.

Рези стары в тонкопленочных ИМС представляют собой или полоску, или пленку определенной конфигурации, нанесенную между двумя контактами на непроводящем основании (подложке). На рис. 1.46^ а,, б представлены две основные конфигурации пленочных резисторов.

Изменение сопротивления резистора осуществляется как за счет изменения геометрических размеров пленки (ширины, длины и толщи­ны), так и за счет, изменения материала пленки. Металлопленочные

Рис. 1.4'6. Конструкции пленочных резисторов (а, б); структура диффузионного резистора (а); эквивалент­ная схема диффузионного резистора (г):

1—плейаса резистора; 2 — эпитаксиальная пленка; 3 — под­ложка

резисторы изготовляют путем осаждения паров нихрома, тантала, нитрида тантала или смеси металлов с диэлектриком, которые носят название керметов. Применение керметов обеспечивает высокое удель­ное сопротивление. Их получают из хрома и моноокиси кремния путем одновременного осаждения их паров на подложку.

Свойства элементов тонкопленочных ИМС во многом зависят от качества подложки, выполненной из стекла, керамики или пластмас­сы. К микронеравностям поверхности подложки предъявляют жесткие требования. Их размер колеблется от 0,5 до 1,5 мкм.

В монолитных ИМС роль резистора выполняет объемное сопротив­ление участка монокристалла полупроводника, в объеме которого изготовляют монолитную ИМС. Кристалл в этом случае является под­ложкой. Для получения требуемого номинала резистора размеры соот­ветствующего участка и также проводимость его должны иметь строго определенные значения.

Чаще всего резисторы получают путем локальной диффузии при­месей через маску, ограничивающую зону резистора. При этом процес­се на подложке одновременно создаются базовые или эмиттерные обла­сти соответствующих транзисторов. Резисторы, полученные с помощью

д;^4узиониой технологии, называют диффузионным. Как правило, они формируются во время процесса базовой диффузии, т. ©.одновременно с образованием базовых слоев всех транзисторов. Следует оiметить, что при изготовлении ИМС на каждой стадии обычно производят двух- эгапную диффузию одного типа примесей (донорной или акцепторной).

В процессе такой диффузии на поверхности полупроводника обра­зуется слой окисла, который при следующей диффузии (процесс полу­чения эмиттеров у транзисторов ИМС) защищает образовавшийся ра­нее диффузионный резистор от проникновения в него примесей, создаю­щих другой тип электропроводности. Затем с помощью фотошаблона с использованием метода фотолитографии травлением производят уда­ление окисла с участков, где предусмотрен контакт. В образовавшиеся окна в вакууме напыляют алюминий, образующий контакты резистора (В). Структура подобного диффузионного резистора представлена на рис. 1.46, в.

Эквивалентная схема диффузионного резистора (рис. 1 46, г) до­статочно сложная. В нее входит транзистор, коллекторный переход ко­торого образован эпитаксиальной пленкой и подложкой, а эмиттерный переход образован слоем резистора и эпитаксиальной пленки. Сопро­тивление контактов и подводящих электродов показано на эквивалент­ной схеме в виде резистора Ri ^ 10 Ом.

На подложку, являющуюся коллектором транзистора, обычно по­дается самый низкий потенциал. Эмиттерный переход в нормально ра­ботающей схеме закрыт. Если же по какой-либо причине в цепи базы появится ток, например из-за утечки, то в соответствии с принципом действия транзистора в цепи резистор—подложка начнет протекать ток, в h₂₁₃ раз больший тока базы. Поэтому при проектировании схемы необходимо выполнять условие, чтобы слой п находился под самым вы­соким положительным потенциалом.

Сопротивления диффузионных резисторов не превышают 30 кОм. Погрешность их выполнения 10 ■? 20%. Значения барьерных емкостей Ci и С₂ невелики, и их влияние сказывается лишь на достаточно высо­ких частотах.

Конденсаторы. В ИМС используются конденсаторы двух типов: тонкопленочные и конденсаторы, основанные на использовании барьерной емкости р-п-перехода.

В настоящее время тонкопленочные конденсатора плохо освоены промышленностью. Это связано с трудностями, возникающими при из­готовлении бездефектных диэлектрических пленок, миипмйльная тол­щина которых (около 0,05 мкм) ограничена пористостью структуры и заданным рабочим напряжением. Этим же объясняется трудности в изготовлении многослойных конденсаторов, в результате чего конден­саторы большой емкости выполнить достаточно сложно. Тонкопленоч­ные конденсаторы неполярны и имеют удовлетворительную доброт­ность.

Тонкопленочные конденсаторы (рис. 1.47 а), представляют собой трехслойную структуру металл—диэлектрик—металл. В качестве диэлектрика обычно испольуют окись тантала Та₂О₅, сульфид цинка

ZnS, окись алюминия А1₂0з и моноокись кремния SiO или германия GeO.

В ряде случаев одной из обкладок конденсатора является кремние­вая подложка (в случае монолитных ИМС), на которой методом окисле­ния получен слой диэлектрика SiO. На диэлектрик, в евою очередь, напылена вторая обкладка. Структура и эквивалентная схема такого конденсатора показаны на рио. 1.47, б, в. Как видно иа эквивалентной схемы, кроме емкости С имеется ряд дополнительных элементов: со-

, а) 6) Я

Рис. 1.47. Структура тонкопленочного конденсатора (а); структура конденсатора, у которого роль обкладки выполняет кремниевая .подложка (б), и его эквивалентная схема (в):

/ — диэлектрик; 2 — обкладки конденсатора; 3 — подложка^ 4 — эпитахсиаль* ный слой А, В — выводы

противление R_lt характеризующее неидеальность диэлектрика и на­личие объемного сопротивления у слоя р¹, емкость С_х между слоем р и эпитаксиальным слоем; диодД, который при неправильно выбран­ном потенциале между соответствующими электродами может открыть­ся.

Конденсаторы монолитных ИМС могут выполняться в виде запер­того р-п-перехода. Технология их изготовления аналогична техноло­гии изготовления резисторов. Их также создают одновременно с фор-

Рис. 1.48. Структура конденсатора монолитных ИМС (а); его эквива­лентная схема (б); пленочная индуктивная катушка (в):

J — эпитакспальный слой; 2 —подложка; 3 —тонкая плевхау Д, В-* выводы

мированием соответствующих областей транзисторов. Поэтому удель­ная емкость и все свойства конденсаторов определяются требованиями, которые необходимо выполнить для получения у транзисторов, опти­мальных характеристик. Структура конденсатора монолитных ИМС и эквивалентная схема его показаны на рис. 1.48, а, б.

Эквивалентная схема кроме полезной емкости С, образованной р-п-переходом Д_и содержит паразитные элементы: р-п-переход Д₂,образовавшийся между эпитаксиальным слоем и подложкой, создаю­щей емкость С\ и сопротивление R « 10 4- 60 Ом, обусловленное на- личием сбьемтедго сощзотивле^^^ у слоя р. Такой конденсатор явля­ется полярным, его емкость изменяется в зависимости от значения при­ложенного- отряжения. Кроме того, наличие паразитной емкости С\ создает паразитное связь конденсатора с подложкой. Другие элементы ИМС также имеют емкостную связь с подложкой.

Рассмотренные способы не позволяют изготовлять емкости с удель­ным значением более 1600 пФ/мм², поэтому ИМС проектируют так, чтобы в них. по возможности отсутствовали конденсаторы.

Индуктивности. При создании ИМС наибольшую труд- Hocib представляет изготовление индуктивных катушек. В настоящее время для этого используют только тонкопленочную технологию, со­гласно которой индуктивные катушки получают осаждением на подлож­ку материала, паяющего малое удельное сопротивление. Их обычно вы­полняют в виде спирали с малым шагом (рис. 1.48, я). Тонкопленочные индуктивные катушки имеют размеры, значительно большие размеров других компонентов. ИМС Номинальные значения их индуктивности не превышают 10 мкГн.

Для изготовления трансформаторных элементов нет разработанной технологии, поэтому в ИМС, где необходимо ис­пользовать катушки с большими индуктивностями или трансформаторы, эти элементы делают навесными. Некоторые возможности по созданию эквивалентов индуктивных катушек имеются при использовании пье­зо кер амических кристаллов.

Трудности, возникающие при изготовлении индуктивных катушек, заставляют при разработке ИМС почти полностью отказаться от их использования.

Внутрисхемные соединения. Отдельные компонен­ты внутри интегрального узла обычно соединяют с помощью напылен­ного в вакууме тонкого слоя алюминия. Получающиеся при этом сое­динения имеют относительно большие значения сопротивления (до нескольких ом). Кроме того, они имеют распределенную емкость отно­сительно* по дю ж да ИМС, что необходимо учитывать при их проекти­ровании. Так как алюминий плохо поддается пайке, контактные пло­щадки, к ко^торым припаивают внешние выводы, обычно изготовляют из золота.

Транзисторы ИМС.. Полевые и биполярные транзисторы, применяе­мые в интегральных микросхемах, изготовляют по технологии монолит­ных ИМС. Иногда используют отдельные миниатюрные бескорпусные транзисторы, выполненные по обычной технологии, поскольку тонко­пленочная технология пока не позволяет получать биполярные тран­зисторы удовлетворительного качества. Технологию, по которой изго­товляют тонкопленочные полевые транзисторы, условно называют «кремний на сапфире» (KHQ. При этом в качестве подложки исполь­зуют сапфир, на котором с помощью эпитаксиального наращивания выращивают пленку кремния толщиной около 1 мкм. Полевые тран­зисторы, выполненные с применением технологии КНС, имеют повы­шенное быстродействие (до 250 МГц) и, так как сапфировая подложка 90иг меняет своих параметров при радиационном облучении средней мощ­ности, высокую радиационную стойкость.

Биполярные транзисторы монолитных ИМС по сравнению г «обыч­ными транзисторами имеют ’более высокое сопротивление коллектора из-за необходимости вывода контакта наверх и добавления сопротивле­ния (кристалла) между коллекторным контактом и переходом. Для уменьшения этого сопротивления под коллекторным переходом иногда создают сильно легированный скрытый слой с большой удельной про­водимостью.

Технология их изготовления сводится к следующему. В пластинку кремния (подложку), имеющую электропроводность p-типа, проводят локальную диффузию мышьяка для формирования скрытого слоя п⁺. Затем на нее наращивают эпитаксиальный слой я.. Полученную по­верхность окисляют. В результате получается диэлектрический слой окисла SiO₂, который называют маскирующим слоем. Маскирующие свойства его основаны на том, что скорость диффузии примесей, исполь­зуемых для получения областей транзистора, в нем значительно мень­ше, чем в кремнии. Поэтому в процессе диффузии последняя проис­ходит только на участках, свободных от SiO₂.

Используя фотошаблон базового слоя и процесс фотолитографии, в маскирующем слое травлением вскрывается окно под базу транзис­тора. Далее проводится двухэтапная диффузия атомов бора. В ре­зультате в эпитаксиальном слое появляется зона с электропроводно­стью p-типа. При этом вследствие особенностей процесса двухэтапной диффузии примесей бора вся поверхность вновь покрыта окислом. Затем с помощью фотошаблона и фотолитографии вскрывают окна под эмиттер транзистора и под контакт к коллектору. В эти окна проводят двухэтапную диффузию примесей фосфора. В результате образуются область эмиттера и низкоомная область для подключения коллектор­ного контакта. После диффузии вся поверхность пластины покрыта окислом. В этом окпсле тем же методом вскрываются окна под выводы контактов эмиттера, коллектора и базы. Затем в вакууме напыляют слой алюминия и, используя фотолитографию, получают рисунок соедине­ний с другими элементами ИМС.

Перечисленные процессы являются групповыми и проводятся од­новременно для пластины, на которой располагаются десятки-—сот­ни микросхем, имеющих значительное количество транзисторов.

Полевые транзисторы с управляющим р-п-переходом и МДП- транзисторы изготовляют по технологии монолитных ИМС или по КНС-технологии. Особенности технологии изготовления полевого тран­зистора определяются в основном концентрацией вводимых примесей.

МДП-транзисторы ИМС выполняются или с технологически встроен­ным, или с индуцированным каналом. При изготовлении ЙДП-тран- зисторов количество ответственных операций, влияющих на процесс выхода годных микросхем, значительно меньше, чем при изготовлении биполярных транзисторов. Роль диэлектрика между затвором и кана­лом выполняет двуокись кремния SiO₂, что хорошо согласуется с ос­новными технологическими процессами. В отличие от своего дискрет-ного аналога нолевые транзисторы значительно реже применяют в ИМС, чем МДП-транзисторы.

Диоды, используемые в ИМС, выполняют либо по технологии мо­нолитных интегральных микросхем, либо применяют дивкретные на­весные. Для упрощения технологического процесса в монолитных ИМС в качестве диодов непользуют транзисторы, выводы которых на ста­дии формирования контактов соединяют между собой.

Изоляция компонентов в монолитных интегральных узлах. Так как монолитные ИМС изготовляют на полупроводниковой подложке, то необходима изоляция отдельных элементов и компонентов. Наиболее

Рис. 1.49. Структура подложки, на которой компонен­те! изолированы с помощью р-л-перехода (я) и с яо- мощью диэлектрика (б) :

1 — эпитаксиальная пленка; 2 — подложка

распространены два метода изоляции: с помощью дополнительных р-п-переходов, смещенных в обратном направлении; с помощью ди­электрика, которым служит слой SiO₂.

При первом методе на каждый элемент требуется дополнительный р-п-переход В этом случае разделение элементов осуществляют опе­рацией выращивания и окисления эпитаксиального слоя. На подлож­ке с эпитаксиальным слоем, покрытой окислом, с помощью фотолито­графии вскрывают окна под изолирующий контур, и проводят двойную диффузию примесей бора па глубину, обеспечивающую смыкание диф­фузионных р-обласюй с подложкой p-типа (рис. 1.49, а) В итоге та­ких операций (которые называют разделительной диффузией) обра­зуются островки эпитаксиального слоя с электропроводностью п- типа. На этих островках и формируют в дальнейшем отдельные эле- мен1ы и компоненты.

Переходы р-n, полученные таким образом, заперты за счет обрат­ного напряжения, приложенного к ним, и компоненты практически изолированы друг от друга. Подобная изоляция обусловливает нали­чиезначительной паразитной емкости запертого р-п-перехода; пробивное напряжение порядка 20—60 В. Токи утечки, вызванные обратным юком запертого p-/i-перехода, зависят от температуры подложки и отдельных компонентов ИМС.

Лучшее результаты могут быть получены при изоляции компонен­тов с помощью пленки SiO₂. При этом пробивное напряжение увеличи­вается, а юки утечки и емкость—уменьшаются. Технология выпол- 92нения подобной изоляции сводится к следующему. На подложке с помощью фотолитографии и травления выполняют углубления. За­тем поверхность окисляют, получая слой диэлектрика SiO₂, и наращи­вают на нем эпитаксиальную пленку электропроводности п-гила. После этого пластину шлифуют до слоя SiO₂, При этом эпитаксиаль­ные островки останутся только в лунках, образовавшихся при травле­нии. Получают изолированные карманы с электропроводностью п-ти- па (рис. 1.49, б), в которых формируют соответствующие компоненты.

При изготовлении большинства типов интегральных монолитных ИМС используют планарно-эпитаксиальную технологию, которая в упрощенном виде сводится к такой последовательности операций: на подложке кремния с электропроводностью p-типа выращивают эпитаксиальную..пленку с электропроводностью п-типа, которая явля­ется коллекторной областью транзисторов, частью резисторов, диодов и конденсаторов; затем поверхность окисляют до получения пленки SiO₂ толщиной 0,3-—0,7 мкм; на окисленную поверхность с помощью фотолитографии наносят требуемый рисунок и производят селективное травление окисла для вскрытия окон; проводят разделительную диф­фузию примесей бора; наносят рисунок баз транзисторов, резисторов, конденсаторов, элементов диодов и производят селективное травление окисла; проводят диффузию примесей бора, при которой образуются области баз транзисторов, резисторов, конденсаторов и т. д.; наносят рисунки эмиттеров транзисторов, элементов диодов, конденсаторов и т. д. и производят селективное травление окисла; проводят диффу­зию примесей; наносят рисунки выводов и производят селективное травление; производят вакуумное напыление пленки алюминия; про­изводят селективное травление алюминия по требуемому рисунку со­единений; выполняют разрезку пластины на отдельные интегральные схемы, размеры которых зависят от их сложности (порядка 0,5 X X 0,5—2,5 X 2,5 мм).