Глава 8

МИКРОЭЛЕКТРОНИКА

8.1. Общие сведения об интегральных микросхемах

Интегральнаясхема(ИС) — этомикроэлектронноеизделие, способное выполнять определенную функцию преобразования и обработки сигнала (или накопления информации) и содержащее не менее пяти нераздельно связанных и электрически соединенных элементов и компонентов. В ИС формирование активных (транзисторы, диоды), пассивных (резисторы, конденсаторы) и соединительных элементов происходит на поверхности или в объеме полупроводникового монокристалла или на поверхности диэлектрической подложки. Эти процессы изготовления элементов и их соединений объединены в едином технологическом цикле в стенах одного предприятия. Каждая ИС выполняет функции многих элементов при значительном снижении числа внутренних соединений. Создание специальных технологий при изготовлении ИС, применение особо чистых материалов, использование минимального количествавнутрисхемныхсоединений, защищенныхпрочнымпокрытием, позволилизначительноповыситьнадежностьрадиоэлектронной аппаратуры (РЭА), преодолеть противоречия между возросшими требованиями к надежности электронных систем и их усложнением. КомплексноеизготовлениеразличныхэлементовИС позволило сократить нерациональные технологические операции, резко уменьшить массу и объем электронных изделий, снизить потреблениеимиэлектрическойэнергииистоимостьэлектроннойаппаратуры. Элемент интегральной микросхемы (ИМС) — это такая еёчасть, котораявыполняетфункциюкакого-либоэлектро- илира-

187

диоэлемента(резистора, конденсатора, диода, транзистора) исоставляет с кристаллом (подложкой) нераздельное изделие. Компонент ИМС — это ее часть, которая выполняет функцию какого-либо радиоэлемента. Однако эта часть в начальной стадии производства представляет собой самостоятельное изделие, устанавливаемое в ИМС в процессе дальнейшего ее изготовления. Компонент в принципе может быть отделен от изготовленной ИМС. Под кристаллом ИМСпонимаютпластинку(обычноизмонокристаллическогокремния), в объеме и на поверхности которой сформированы элементы микросхемы, межэлементные соединения и контактные площадки.

Уровень интеграции. С точки зрения интеграции (объединения) элементовосновнымипараметрамиИМСявляютсяплотностьупаковки и уровень (степень) интеграции. Плотность упаковки оценивается числом элементов электронной схемы в 1 см3 объема ИМС. Уровень интеграции ИМС определяется количеством входящих в нее элементов. В отечественной практике уровень интеграции принято характеризовать коэффициентом Kи, равным десятичному логарифму от числа элементов nэ, т.е. Kи = lg nэ. В соответствии со значением этого коэффициента по числу элементов nэ различают ИМС первой степени интеграции — Kи = 1(nэ < 10), второй — Kи = 2 (nэ от 11 до 100), третьей — Kи = 3 (nэ от 101 до 1000) и т.д. Их иногда обозначают ИС1, ИС2, ИС3.

8.2. Классификация и маркировка интегральных микросхем

ОсновныенаправленияразвитиямикроэлектроникинасовременномэтапеопределяютсятехнологиейпроизводстваИМС. ВмонолитныхИМСвсеэлементывыполняютсянаоднойобщей(обычнокремниевой) подложке. МонолитныеИМСудовлетворяюттребованияммассового производства с высокой степенью интеграции. Их характеристикинекритичныкразбросупараметровпассивныхэлементов, температуройнестабильности, влияниюпаразитныхсвязей. МонолитныеИМСобладаютвысокойнадежностьюблагодаряпассивации элементоввпроцессепроизводстваисравнительномалогочисласварныхсоединений— однойизосновныхпричинотказовИМС.

Полупроводниковые ИМС. Монолитные ИМС, у которых все элементы и межэлементные соединения выполнены в объеме и на поверхности полупроводника, называют полупроводниковыми

188

(ПИМС). Активные и пассивные элементы микросхемы (транзисторы, диоды, конденсаторы, резисторы) избирательно формируют

водном монокристалле. В местах, где должен осуществляться контакт дорожек с кремнием (в области эмиттера, базы, коллектора транзистора и т.д.), имеются окна в пленки оксида. Для соединения элементов микросхемы с ее выводами на проводящих дорожках создаются расширенные контактные площадки, методом напыления иногда изготавливают также резисторы и конденсаторы. Изготовление ПИМС осуществляется групповым методом: на одной пластине одновременно формируют большое число (> 500) одинаковых функциональных структур (наборов элементов и межэлементныхсоединений), одновременнообработкеподвергаютсядо 20 пластин. Затем пластину разрезают на отдельные платы (кристаллы), содержащие одну или несколько функциональных структур, и закрепляют на основании корпуса, соединяя тонкими проводниками контактные площадки микросхемы с внешними токоотводами. Корпусмикросхемыгерметизируют, чемобеспечивается защитакристаллаотвоздействияокружающейсреды. Особенность ПИМС в том, что все их элементы изготовляют одновременно в едином технологическом цикле, отдельные операции которого (окисление, травление, диффузия, эпитаксия) выполняются водной итойжесреде. Ихактивныеэлементыизготавливаются вмонокристаллеполупроводника, вследствиечегополучаютсяхорошиеэлектрические характеристики. Пассивные элементы обладаютследующими недостатками: ограничен диапазон их номиналов; велик разброс параметров; полупроводниковые резисторы и конденсаторы

ввидер-n переходовимеютсущественнуюзависимостьтемператур- ных параметров, многочисленны в них паразитные связи между элементами, значительны емкости, отделяющие резисторы от полупроводниковой подложки. Несмотря на указанные недостатки, ПИМС остаются одним из наиболее перспективных направлений в микроэлектронике, так как позволяют получить малогабаритные, надежные, достаточно сложные вфункциональном отношении схемы при малой их стоимости. Отмеченные выше недостатки ПИМС устранены в монолитных ИМС, изготовленных по совмещенной технологии.

Совмещенные ИМС. Совмещенные ИМС — это монолитные ИМСсполупроводниковойподложкой, вкристаллекоторойсформированы активные элементы, а на ее поверхностной пленке ди-

189

оксида кремния — тонкопленочные пассивные элементы. Тонкопленочные схемы изготавливают методами напыления в вакууме или анодного окисления токопроводящих, резистивных и диэлектрических пленок толщиной до 1 мкм. В толстопленочных схемах токопроводящие, резистивные и диэлектрические слои толщиной 1—25 мкм наносят методами трафаретной печати или литографии. ИМС, изготовленные по совмещенной технологии, сочетают высокую степень монолитных ИМС с хорошими электрическими параметрами. Однако эти достоинства совмещенных ИМС достигаются за счет увеличения числа технологических операций и их усложнения, что удорожает изделия. Совмещенные ИМС в основном выпускают для микроваттного диапазона, где требуются большие номиналы сопротивлений в сочетании с малыми размерами и малыми температурными коэффициентами элементов. Менее трудоемки и просты в изготовлении гибридные ИМС.

Гибридные интегральные микросхемы

ГибридныеИМС(ГИМС) — этосочетаниемонолитныхполупроводниковых и пленочных схем с дискретными элементами и компонентами. В ГИМСенаизолирующейподложкеизготовленыпленочные резисторы, индуктивности, контактные площадки, на которые напаивают дискретные активные элементы — бескорпусные транзисторы, диоды со специальными влагостойким покрытием. ГИМС позволяютиспользоватьпреимуществапленочнойтехнологиивсочетаниисполупроводниковой. Резисторыиконденсаторы, полученные методами пленочной технологии, обладают высокой точностью параметров, малой их температурной зависимостью и при небольших размерах элементов могут иметь большие номиналы. Отсутствие общейподложки, являющейсябазовойпластинойдляформированиявсех элементов, ослабляетпаразитныесвязиэлементовикомпонентов. По сравнениюсмонолитнымисхемамиГИМСобладаютменьшейнадежностью (из-за большого числа сварных соединений) и более высокой стоимостью. ГИМС наиболее перспективны для устройств с относительно небольшим числом активных элементов.

Активные элементы интегральных схем

ТранзисторыИМС. ВкачествеактивныхэлементовИМСиспользуют транзисторные структуры, сформированные в монокристал-

190

лических пластинах кремния методами планарно-эпитаксиальной технологии. Транзисторы стали основными элементами ИМС, так как занимают меньшую площадь и наиболее экономичны в изготовлении по сравнению с пассивными элементами.

Биполярные транзисторы ИМС. В современных ИМС биполяр-

ный транзистор наиболее распространенный активный элемент. Структураинтегральноготранзистораотличаетсяотструктурыдискретноготранзистораизоляциейотподложки, способомтокоотвода от коллекторной области, обычно осуществляемой в ИМС на верхнейповерхностикристалла. ИМСиспользуютструктурысизоляцией элементов р-n переходов и диэлектрической пленкой. В настоящее время созданы и другие совершенные методы изоляции (коллекторной, базовойитройнойдиффузии), позволяющиесоздавать ИМС с повышенной плотностью элементов. При этих методах сокращено число операций, увеличен процент выхода годных ИМС, снижена их стоимость. Широко применяется формирование транзисторных структур с диэлектрической изоляцией (с использованием изоляционных каналов, изопланарного способа и анизотропного травления).

Униполярные транзисторы ИМС. В ИМС применяются унипо-

лярные транзисторы с управляющим p-n переходом и изолированным затвором (МДП-транзисторы). Транзистор с управляющим p-n переходомпредставляетсобойприбор, вкоторомуправляющая область — затвор образует p-n переход с областью канала. Такие p- n переходы формируют технологическими способами, используемыми при изготовлении ИМС на биполярных транзисторах. ИМС на МДП-транзисторах также изготовляют по планарной технологии с применением методов, аналогичных изготовлению ИМС на биполярных транзисторах с изоляцией элементов от подложки с помощью изолирующих p-n переходов.

КомплементарныеструктурыбиполярныхиМДП-транзисторов.

Комплементарныеструктурыпредставляютсобойпарыp-n-p иn-p- n транзисторов или МДП-транзисторов с n и p каналами на одном кристалле. Комплементарныеструктурыизготовляютнаоднойподложкевотдельных, изолированныхотподложки(p-n переходомили диэлектрической пленкой) областях. Возможно изготовление комплементарных структур на подложках разного типа проводимости с последующимсоединениемихмеждусобой. Применениекомплементарных структур позволяет улучшить характеристики ИМС, уве-

191

личитьплотностьразмещенияэлементов, уменьшитьтокиутечкии потребляемою мощность, облегчить соединение и согласование отдельных элементов. Перспективны монолитные ИМС, на одном кристалле которых получены комплементарные структуры биполярных и МДП-транзисторов.

ДиодыИМС. ВзависимостиотназначенияИМСкэлектрическим характеристикамдиодовпредъявляютсяразныетребования. Например, дляуменьшениярассеиваемойнадиодемощностижелательны диодысмалымнапряжениемотпирания. Дляповышенияпомехоустойчивости всхемахпредпочтительны диодысотносительно большимнапряжениемотпирания. Требованиякинерционностидиодов различаются. В импульсных устройствах применяются диоды с малым временем рассасывания, а в ряде других устройств оно может быть большим. Подобные задачи наиболее экономично можно решить, применяявкачестведиодоввИМСтранзисторныеструктурыв диодномвключении. Взависимостиотназначенияприменяютразлич- ныеспособывключенияp-n переходов. Одновременносактивными элементамиИМСсоздаютпассивные— резисторы, конденсаторы.

Пассивные элементы микросхем. В интегральных микросхемах используют диффузиционные пассивные элементы.

Диффузионные резисторы. В монолитных ИМС преимущественноприменяются диффузионные резисторы, формируемыеодновременностранзисторамивединомтехнологическом процессеипредставляющие собой резистивные слои, которые создаются методом локальной (через маску) диффузии примеси в подложку или эпитаксии на ее поверхности.

Резистор на основе МДП-структур. Структуры МДП использу-

ются в качестве резисторов в виде нагрузочного элемента и линейного сопротивления.

Диффузионныеконденсаторыp-n переходах. ВмонолитныхИМС диффузионные конденсаторы образуются обратно смещенными переходами. Емкость их определяется барьерной емкостью p-n перехода и зависит от площади перехода, характера распределения и концентрации примеси, полярности и значения приложенного смещения. Диффузионные конденсаторы формируют в едином технологическом цикле одновременно с изготовлением транзисторов и диффузионных резисторов.

Пленочные элементы ИМС. В совмещенных и гибридных ИМС широко применяют пассивные элементы (резисторы, конденсато-

192

ры, индуктивные элементы и распределенные RC-структуры), выполненные по пленочной технологии. Их получают напылением многослойных (резистивных, проводящих и изолирующих) пленок на поверхности подложки. В гибридных ИМС подложкой служат силикатные стеклаиихмодификации. Натакойкерамической подложке одновременно формируют микросхемы и пленочные пассивные элементы. В совмещенных ИМС подложкой служит кремниевый кристалл, поверхность которого покрывается оксидным слоем, пассивирующим активные элементы. Тонкопленочные резисторыформируютввидерезистивныхпленок, которымпридают вид полосок различной (линейной, зигзагообразной) конфигурации, ограниченных по концам контактными площадками. Толщина пленки, наносимой вакуумным испарением на подложку, составляет 0,1мкм пленки тугоплавких металлов обладают более стабильными характеристиками, поэтому могут быть более тонкими. Дляполучениябольшихноминаловтонкопленочныхрезисторов используют сплавы (нихрома, МЛТ, азотистый тантал, смесь хрома и монооксида кремния, диоксид олова), сопротивление которых во многоразбольшесопротивлениячистыхметаллов. Тонкопленочные конденсаторы создают, используя три напылительных процесса. Вместо индуктивных элементов в микроэлектронике используют и эквивалентные им транзисторные схемы.

Межэлементные соединения и изоляция тонкопленочных схем.

Электрическими соединения различных элементов микросхем осуществляетсятонкопленочнымипроводниками. Материалыпроводящихпленокдолжныиметьвысокуюэлектропроводимость, обладать хорошей адгезией к подложке. Для напыления проводников и контактных площадок используется алюминий, золото, никель, медь.

Функциональная классификация и характеристика ИМС. По функциональному назначению ИМС делят на линейные или аналоговые и цифровые.

АналоговыеИМСпредназначенывосновномдлялинейногопреобразования электрических сигналов, изменяющихся по закону непрерывной функции. Они используются в радиоэлектронной аппаратуре в качестве усилителей, генераторов синусоидальных колебаний, преобразователей и т. п. Оценку свойств микросхем ведут по совокупности функциональных параметров (коэффициент усиления по напряжению, входное сопротивление, максимальное выходное напряжение, частотный диапазон). Помимо этого важны

193

параметры рабочего режима, схемы, определяющие условия правильного ее функционирования (напряжение питания, температурный диапазон, устойчивость к механическим нагрузкам, допустимые изменения давления, влажности и т. д.) и конструктивные данные (габариты, число и тип выводов, масса и др.).

Цифровые ИМС предназначены для преобразования и обработки сигналов, изменяющихся по закону дискретной (прерывистой) функции. По функциональному назначению различают цифровые микросхемы логических элементов, триггерных систем, арифметических и дискретных устройств и др. Большинство цифровых ИМС относят к потенциальным. Сигнал на их выходе представляется высокиминизкимуровнемнапряжения. Этизначениясигналаобозначаютсяцифрами1 и0. Применительно кпотенциальным схемах иногда говорят, что они управляются положительными или отрицательными импульсами. Это значит, что для изменения состояния ИМС необходимо на заданное время изменить уровень входного сигнала с 0 на 1 (положительный импульс) или с 1 на 0 (отрицательный импульс).

Свойства цифровых ИМС характеризуют системой статических идинамическихэлектрическихпараметров. Статическиепараметры характеризуют микросхемы в статическом режиме. К ним относят: входное и выходное напряжения логического 0 и логической 1; входной и выходной токи логического 0 и логической 1; коэффициентобъединенияповходу, определяющийчисловходовмикросхем, по которым реализуется логическая функция; коэффициент разветвления по выходу, определяющий число выходов микросхемы, т.е. нагрузок, которыеможноодновременноподключитьквыходуданной МС; допустимое напряжение статической помехи, характеризующеепомехоустойчивостьИМС, т.е. способностьпротивостоять воздействию мешающего сигнала, длительность которого превышает время переключения ИМС. Средняя потребляемая мощность связана с быстродействием ИМС. В процессе переключения ИМС потребляют большую мощность, поэтому для микросхемы характерно увеличение потребляемой мощности с ростом частоты переключения.

Динамические параметры характеризуют свойства ИМС в режиме переключения. К ним относят временные параметры: время перехода из состояния логического 0 в состояние логической 1; время задержки распространения (передачи) сигнала при выключении и

194