Глава 8.

ИНТЕГРАЛЬНЫЕ МИКРОСХЕМЫ

1. Общие сведения о микросхемах

1. Классификация микросхем

Все выпускаемые отечественные интегральные микросхемы (ИМС) подразделяются на группы, подгруппы и виды. В зависимости от конст­руктивно-технического исполнения ИМС подразделяются на три группы: полупроводниковые, пленочные, гибридные.

Группы ИМС

Полупроводниковые ИМС. Это микросхемы, все элементы и межэ- лементные соединения которых выполнены в объеме и на поверхности по­лупроводникового кристалла. Краткое определение полупроводниковых ИМС как электронных полупроводниковых приборов дано во введении. Следует добавить, что составляющие полупроводниковую микросхему транзисторы, диоды, резисторы размещаются в приповерхностном слое тонкого полупроводникового кристалла, называемом подложкой. Сущест­вуют и другие определения ИМС. Например, более общее, охватывающее все типы[1]: ИМС есть совокупность, как правило, большого количества взаимосвязанных компонентов (транзисторов, диодов, резисторов, конден­саторов и т. п.), изготовленных в едином технологическом цикле на одной и той же несущей конструкции - подложке, выполняющая функцию пре­образования сигнала.

Полупроводниковые ИМС составляют основу современной микро­электроники и будут рассмотрены более подробно.

Пленочные ИМС. Это микросхемы, состоящие только из пассивных элементов (резисторов, конденсаторов, индуктивностей), выполненных в виде разного рода пленок, нанесенных на поверхность диэлектрической подложки. Различают тонкопленочные (толщина пленок до 1-2 мкм) и толстопленочные (толщина до 10-20 мкм) ИМС. Из-за отсутствия актив­ных элементов функции пленочных ИС крайне ограничены.

Гибридные ИМС (ТИС). Это комбинация пассивных пленочных эле­ментов и активных дискретных компонентов (транзисторов, диодов), рас­

положенных на общей диэлектрической подложке. Дискретные компонен­ты, входящие в состав ГИС, называют навесными компонентами, подчер­кивая этим их обособленность от основного технологического цикла полу­чения ГИС. Кроме транзисторов и диодов, навесными компонентами ГИС могут быть полупроводниковые ИМС.

Принадлежность конкретной ИМС к соответствующей группе отра­жается первой цифрой в обозначении ИМС:

1. 5, 6, 7 - полупроводниковые;

2. 4, 8 - гибридные;

3 - прочие (куда входят пленочные).

Подгруппы и виды ИМС

Другой классификационный признак ИМС - подгруппы и виды. Ему соответствуют две буквы в обозначении ИМС. Деление на подгруппы и виды осуществляется в зависимости от характера функций, выполняемых ИМС в радиоэлектронной аппаратуре. Например, выделяют такие под­группы (1-я буква), как генераторы, усилители, ключи, преобразователи и т. д. Микросхемы в подгруппе подразделяются на виды (2-я буква), разли­чающиеся по роду тока, частоте, форме сигнала и др. Например, подгруппа усилители (У) подразделяется на виды: усилитель низкой частоты (Н), вы­сокой частоты (В), постоянного тока (Т) и т. д. Деление ИМС на подгруп­пы, виды и их условные обозначения установлены (рекомендованы) ОСТ11073.915-80. В табл. 8.1 в качестве примера приведены некоторые подгруппы и виды (наиболее часто применяемые) и их обозначения. Пол­ная таблица всех подгрупп и видов довольно внушительна. Кроме того, по мере развития микроэлектроники ГОСТ периодически изменяется, что, как правило, приводит к изменениям в обозначениях. Пользоваться нужно действующим ГОСТом.

Аналоговые и цифровые ИМС

В зависимости от вида обрабатываемого сигнала все микросхемы делятся на аналоговые и цифровые.

Аналоговыми называют микросхемы, предназначенные для обработ­ки и преобразования аналоговых сигналов. К аналоговым сигналам отно­сят сигналы, изменяющиеся по закону непрерывной функции. Например, усилители (У), генераторы (Г) в табл. 8.1 относятся к аналоговым ИМС.

Цифровыми называют микросхемы, предназначенные для обработки и преобразования цифровых сигналов. К цифровым сигналам относят сиг­налы, изменяющиеся по закону дискретной функции и выраженные в циф­ровом виде. В наиболее распространенной двоичной системе цифровой сигнал имеет два значения - нуль (0) и единица (1). Например, триггеры (Т), логические элементы (JI) в табл. 8.1 относятся к цифровым ИМС.

Таблица 8.1

Обозначение микросхем

Степень интеграции

Интегральные схемы подразделяют по функциональной сложности ИС. Функциональную сложность характеризуют степенью интеграции N, под которой понимают количество элементов в кристалле (чипе). Обычно

143

N характеризуют количеством транзисторов в чипе. К настоящему времени N достигает 100000 и более. Повышение степени интеграции, а вместе с ней и сложности выполняемых микросхемой функции - одна на главных (объективных) тенденций микроэлектроники. Для количественной оценки введем условный коэффициент К степени интеграции (ГОСТ 17021-88):

К =lgN. (8.1)

Величину К округляют до ближайшего целого большего числа. В за­висимости от величины К различают:

• 1-ю степень интеграции, К = 1, (N < 10);

• 2-ю степень интеграции, К = 2, (10 < N < 100);

• 3-ю степень интеграции, К = 3, (100 < N < 1000),

и т.д.

Имеются ИМС шестой степени интеграции. На очереди ИМС седь­мой степени интеграции.

На практике и в литературе, особенно в зарубежной, для оценки функциональной сложности широко используются другие понятия (терми­ны): малая (МИС) или просто ИС, средняя (СИС), большая (БИС) и сверх­большая (СБИС) микросхемы. Эти понятия зависят не только от N, но еще от функционального назначения и технологии изготовления (в нашей стране эти понятия также рекомендованы ГОСТ 17021-88). Эти данные приведены в табл. 8.2.

Таблица 8.2

Обозначение микросхем по функциональной сложности

В зарубежной литературе сложность цифровых микросхем часто оценивают количеством эквивалентных вентилей (двухвходовых логиче­ских элементов - Usable gates). К настоящему времени количество эквива­лентных вентилей в одной ИМС достигает 10000 и более.

144

Для характеристики уровня технологии производства ИС вводят по­казатель плотности упаковки, означающий количество транзисторов (эле­ментов) на единицу площади (1мм²) чипа (кристалла). Плотность упаковки достигает 1000 транзисторов на 1мм² и более.

Ранее, до выхода ГОСТ 17021-88, было иное определение понятий МИС, СИС, БИС, СБИС, которые можно встретить в нашей литературе. В столбце «Наименование ИС» в скобках приведены английские наименова­ния (аббревиатуры) ИС (IC-Integrated Circuit).

2. Обозначения ИМС

Обычно микросхемы выпускаются сериями. Серия представляет со­бой совокупность ИС, имеющих единое конструктивно-технологическое исполнение и предназначенных для совместного применения. Номер се­рии, состоящий из трех цифр, указывается в условном обозначении микро­схемы.

В соответствии с принятой системой (ОСТ 11073.915-80) обозначе­ние ИМС состоит из четырех элементов. Первый элемент обозначения - цифра, указывающая группу микросхемы по конструктивно-технологи­ческому признаку (П. 8.1.1). Второй элемент - две или три цифры, указы­вающие номер разработки данной серии. Первый и второй элементы (трех­значное число) обозначают серию микросхемы (например, 155, 140 и т.д.), третий элемент - две буквы, обозначающие функциональную подгруппу и вид микросхемы по табл. 8.1. Четвертый элемент - одна или две цифры, обозначающие условный номер разработки по функциональному признаку (см. табл. 8.1) в данной серии.

1эл. 2эл. Зэл. 4эл.

К 1 55 6

Рис. 8.1

Для микросхем широкого применения, в том числе для используе­мых в бытовой аппаратуре, перед первым элементом обозначения добавля­ется буква К. Пример обозначения и расшифровка элементов обозначения

145

полупроводниковой микросхемы К155ТВ6 (универсальный триггер JK) приведены на рис. 8.1.

Кроме того, в некоторых сериях перед условным обозначением се­рии стоят различные буквы, указывающие на особенности конструктивно­го исполнения: Б - бескорпусные ИС, М - керамический или металлокера­мический корпус, Р - пластмассовый корпус, Н - миниатюрный металли­ческий или керамический корпус (микрокорпус), Ф - миниатюрный пла­стмассовый корпус (микрокорпус). Например, КР155ТВ6 - микросхема К155ТВ6 в пластмассовом корпусе.

2. Сведения о технологии получения ИМС

Различают две разновидности (класса) полупроводниковых прибо­ров: биполярные и МДП (МОП) ИМС транзисторов. В технологии получе­ния тех и других используются одинаковые методы и приемы. Поэтому далее будет кратко рассмотрен технологический цикл получения биполяр­ных ИМС и транзисторов. Технология полупроводниковых ИС развилась на основе планарной технологии транзисторов, впитавшей в себя весь предшествующий опыт производства полупроводниковых приборов и дос­тигшей больших успехов.

1. Исходные материалы

Полупроводниковые ИС и транзисторы изготавливаются в основном из монокристаллов кремния. Монокристаллы кремния получают методом кристал­лизации из расплава (методом Чохральского) или методом зонной плавки [1].

Монокристаллы (слитки^-) кремния. Монокристаллы кремния, назы­ваемые монокристаллическими слитками, для производства ИМС чаще всего получают методом Чохральского. Могут быть получены слитки ве­сом несколько килограмм. Типовой диаметр слитка - 80 мм (может дости­гать 150 мм). Длина слитка может достигать 1,5 м и более. Но обычно она в несколько раз меньше. При выращивании слитка в расплав, из которого производится кристаллизация слитка, вносят примеси (донорную или ак­цепторную). Слиток получается с проводимостью типа п или типа р. При­месь равномерно распределена по объему слитка (слиток однороден).

Кремниевые пластины. Исходным материалом для получения ИМС и дискретных транзисторов являются тонкие пластины кремния, которые получают при разрезании слитков кремния. Слитки кремния перпендику­лярно продольной оси разрезают на множество тонких пластин толщиной

0. 4-0,5 мм. Эти пластины многократно шлифуют, полируют, промывают, чтобы получить пластины толщиной 200-300 мкм (такая толщина не дос­

тижима при резке) с очень чистыми ровными поверхностями. Неровность поверхностей готовых пластин не превышает сотых долей микрона. Па­раллельность поверхностей готовых пластин составляет единицы (и даже доли) микрон на 1 см длины [1].

2. Групповой метод. Планарная технология

В основу получения полупроводниковых приборов (в том числе ИС) положены групповой метод и планарная технология, освоенные еще в до- интегральное время при производстве дискретных полупроводниковых приборов.

Групповой метод. Сущность группового метода состоит в том, что на одной исходной кремниевой пластине (описанной ранее) одновременно изготавливается множество транзисторов, регулярно расположенных по поверхности пластины. При этом все выводы всех транзисторов должны находиться на этой поверхности. Такую возможность обеспечивает особая планарная технология.

Планарная технология. Для этой технологии характерно, что все ра­бочие слои и все рабочие выводы (электроды) планарных приборов распо­ложены на одной поверхности кристалла (чипа). Планарный транзистор приведен на рис. 8.2,6. Однако на практике планарную технологию пони­мают более узко как технологический цикл создания кремниевых прибо­ров и ИС с использованием локальной диффузии, эпитаксии и оксидных масок. Этот технологический цикл будет рассмотрен более подробно. По­сле изготовления транзисторов кремниевая пластина-подложка разрезается по вертикали и горизонтали на множество отдельных кристаллов (чипов), содержащих по одному транзистору. Размеры чипов находятся в пределах от 1,5 х 1,5 до 6 х 6 мм и больше. По мере усовершенствования технологии отмечается тенденция к увеличению размеров чипов. Чем больше площадь чипа, тем больше может быть размещено на нем транзисторов. Однако увеличение площади чипа связано с существенным увеличением трудно­стей в технологии [1]. После разрезания чип с транзистором помещают в отдельный герметизированный корпус с внешними выводами. Внешние выводы соединяют с контактной площадкой на чипе. Из готовых транзи­сторов получают электрическую схему функционального узла, соединяя транзисторы и другие компоненты схемы пайкой.

Идея интеграции состоит в том, что на исходной кремниевой пла­стине-подложке вместо множества отдельных транзисторов получают множество отдельных «комплектов». Каждый «комплект» содержит все компоненты (транзисторы, диоды, резисторы и т.д.), необходимые для по­строения функционального узла. Эти компоненты соединяются между со­бой в электрическую схему при помощи напыления на ту же поверхность

1-я диффузия (акцептора)

Транзистор Диод Резистор б

Подложка p-Si

' Эмштер

1фисталлИС

(чип)

^Кремниевая пласшна

Рис. 8.2

чипа металлических полосок межсоединений (см. рис. 8.2,г). Вот это и есть интегральная микросхема. Все ИМС тоже регулярно расположены на по­верхности подложки (см. рис. 8.2,е). Пластина-подложка с ИМС тоже раз­резается на множество чипов. Каждый чип содержит одну ИМС. Чип по­мещается в герметизированный корпус с внешними выводами. Микросхе­ма готова. Технология получения дискретных транзисторов и ИМС почти одинакова, за исключением операции нанесения межсоединений в ИМС.

3. Планарно-эпитаксиальный цикл

Для получения микросхем наиболее удобными оказались тонкие слои кремния, полученные методом эпитаксиального наращивания. Такие слои (пленки) называют эпитаксиальными. При этом весь цикл изготовле-

ния микросхем, включая последующие операции, называют планарно­эпитаксиальным. В качестве примера далее рассмотрим цикл изготовления очень простой микросхемы. Электрическая схема этой ИМС приведена на рис. 8.2,д.

1. Эпитаксия

Эпитаксией называют процесс наращивания тонких монокристалли- ческих слоев на подложку, при котором кристаллографическая ориентация наращиваемого слоя повторяет кристаллографическую ориентацию под­ложки. Для получения микросхем эпитаксиальный слой «-типа наращива­ется на исходной кремниевой пластине-подложке р-типа, описанной в под­разделе 8.2.1. В принципе можно получать эпитаксиальный слой любого типа проводимости на подложке с любым типом проводимости [1]. Однако в силу ряда причин чаще используется эпитаксиальный слой «-типа на подложке р-типа. В общих чертах типовой (хлоридный) процесс происхо­дит в такой последовательности. Готовые монокристаллические кремние­вые пластины-подложки р-типа помещают в кварцевую трубу. Через квар­цевую трубу протекает поток водорода, содержащий небольшую концен­трацию примеси тетрахлорида кремния SiCl₄. При высокой температуре (около 1200 °С) на поверхности кремниевых пластин происходит реакция, в результате которой на пластине-подложке постепенно осаждается слой чистого кремния, а пары НС1 уносятся потоком водорода. Осажденный (эпитаксиальный) слой монокристалличен и имеет ту же кристаллографи­ческую ориентацию, что и подложка. Для получения проводимости слоя п- типа к парам тетрахлорида кремния добавляют пары соединений бора. Граница между эпитаксиальным слоем и подложкой не получается иде­ально резкой. Поэтому очень трудно получить сверхтонкие пленки толщи­ной менее 1 мкм. Обычно эпитаксиальный слой имеет толщину 1- 10 мкм. Такие тонкие однородные слои невозможно получить другими средствами.

2. Окисление поверхности кремния

Следующей операцией после эпитаксии является термическое окис­ление - получение пленки двуокиси кремния Si0₂ на поверхности эпитак­сиального слоя. Термическое окисление проводят при высокой температу­ре (1000-1200 °С) в окислительной печи. Основу печи составляет кварце­вая труба (как при эпитаксии). Толщина пленки окисла не более 1 мкм.

Окисление (получение пленки Si0₂) за цикл изготовления ИМС про­изводится многократно и является одним из самых характерных процессов в технологии ИМС. Это связано с тем, что получаемая пленка Si02 выпол­няет несколько важных функций, основными из которых являются:

• функция защиты (пассивация) поверхности, в том числе — защиты вертикальных участков р-п переходов, выходящих на поверхность слоя (см. рис. 8.2,в,г);

• функция маски, через окна которой вводятся в кремний необходи­мые примеси (см. рис. 8.2,а,б);

• функция диэлектрика.

Вот на такой пластине-подложке р-Si с эпитаксиальным слоем /г-типа, покрытой слоем двуокиси кремния, показанной на рис. 8.2,а, и по­лучают либо транзисторы, либо микросхемы, для чего необходимо выпол­нить еще много операций планарной технологии. Далее они кратко будут рассмотрены.

3. Первая (разделительная) диффузия

Для каждого элемента ИМС (транзистора, диода, регистра) необхо­дим отдельный, изолированный от других, участок («карман») в эпитакси­альном слое «-типа. Места расположения транзисторов, диодов, резисто­ров определенны заранее (см. рис. 8.2,6).

Следует отметить, что основным элементом биполярных ИМС явля­ется транзистор п-р-п типа. На его изготовление ориентируется весь техно­логический цикл. Все другие элементы должны изготавливаться, по воз­можности, одновременно с этим транзистором без технологических опера­ций. Так, в качестве диода используется один из р-п переходов транзисто­ра. Резисторы изготавливаются одновременно с базовым (коллекторным, эмиттерным) слоем п-р-п транзистора. Изоляцию «карманов» чаще других выполняют при помощи обратносмещенных р-п переходов. Для этого про­водят 1-ю диффузию акцептора, называемую разделительной. Перед 1-й диффузией в пленке окисла кремния получают систему окон (отверстий). Изолирующий слой (в данном случае Si0₂) с системой окон называют мас­кой. Для изоляции «-карманов окна маски расположены над границами между будущими карманами, как показано на рис. 8.2,6. Маски в техноло­гическом цикле получения ИМС используют многократно. Их получают методом фотолитографии, который далее будет кратко рассмотрен. Под­ложку с маской для 1-й диффузии помещают в кварцевую трубу. Через трубу при температуре выше 1000 °С пропускают смесь нейтрального газа (аргона) с парами примеси. Для получения акцептора добавляют пары бо­ра. Атомы акцептора диффундируют через окна маски в глубь подложки. Диффузия акцепторов проводится на всю глубину эпитаксиального слоя. После 1-й диффузии в тонком эпитаксиальном слое остаются обособлен­ные «карманы» «-типа, в которых будут получены транзисторы и другие элементы. Эти «карманы» со всех сторон окружены областями р-типа. В результате и-карманы изолированы от /«-подложки р-п переходом, карман от кармана - двойным р-п переходом. Эти р-п переходы смещаются в об­

ратном направлении (закрываются), что обеспечивает надежную изоляцию кармана от окружающей области. Для этого подложка должна быть соеди­нена с точкой схемы, имеющей самый низкий потенциал. Обычно это - корпус.

4. Вторая (базовая) и третья (эмиттерная) диффузии

После 1-й диффузии поверхность пластины (подложки) вновь окис­ляется (покрывается окислом кремния). Методами фотолитографии в пленке окисла получают новую систему окон (новую маску), как показано на рис. 8.2,в. Окна маски расположены по центру карманов. При этой диф­фузии получают базовые области р-типа. Для этого проводят диффузию акцепторной примеси через новую маску. Порядок проведения 2-й диффу­зии такой же, как и 1-й. После 2-й диффузии в карманах получены две об­ласти: область и-типа, которая будет коллектором (или резистором) и об­ласть р-типа, которая будет базой (или резистором). После окончания 2-й диффузии поверхность пластины снова окисляется (покрывается окислом). Методами фотолитографии получают новую маску в слое окисла, через которую будет проведена 3-я (эмиттерная) диффузия донорной примеси. В результате после 3-й диффузии получают эмиттеры транзисторов, как по­казано на рис. 8.2,г. В кармане, где предусмотрен резистор, 3-я диффузия может не проводиться (если резистор будет размещен в базовой области). До сих пор операции получения ИМС и дискретных транзисторов одина­ковы.

5. Металлизация (межсоединения)

После третьей диффузии проводят металлизацию - напыление в ва­кууме тонкого слоя (до 1 мкм) металла для получения контактных площа­док (1,2,5 на рис. 8.2,г) и внутренних соединений ИМС в функциональную схему, называемых межсоединениями (3,4 на рис. 8.2,г). Межсоединения получают в виде полосок шириной 10-15 мкм в обычных ИМС, в БИС - до 5 мкм и менее. Основным материалом для металлизации является алюми­ний.

Перед металлизацией в слое окисла получают систему окон (маску) в тех местах, где должен быть контакт со слоем кремния. На рис. 8.2,г это коллектор транзистора (коллекторная область и-типа), эмиттер транзистора (эмиттерная область и-типа), анод диода (базовая область диода), катод диода (эмиттерная область диода) и контакты резистора (коллекторная об­ласть резистора). При создании металлической разводки (контактных пло­щадок и межсоединений) сначала на всю поверхность напыляют пленку алюминия толщиной до 1 мкм. В упомянутых выше окнах маски получает­ся надежный контакт металлической пленки с областями кремния. Основ­

ная часть пленки алюминия лежит на поверхности окисла и прочно с ним сцеплена. Методами фотолитографии удаляют ненужную часть пленки алюминия. Оставляют только контактные площадки и межсоединения. Для этого (для удаления лишнего) всю пленку алюминия покрывают фоторези­стом. Засвечивают фоторезист через фотошаблон, специально полученный для данной ИМС. Проявляют и получают фоторезистную маску, которая защитит будущие межсоединения и контактные площадки от травителя. С незащищенных участков вытравливают ненужный алюминий. Фоторезист удаляют. После этого остаются запланированные межсоединения и кон­тактные площадки (металлическая разводка).

6. Фотолитография

Как уже указывалось, фотолитографию используют для получения окисной маски (системы окон в слое окисла). Процесс фотолитографии включает в себя несколько основных операций. На кремниевую пластину- подложку, покрытую сплошным слоем окисла, наносят тонкую пленку (до

1. мкм) фоторезиста - разновидности фотоэмульсии, чувствительной к ультрафиолетовому свету. Фоторезисты бывают негативные (аналогично обычным фотонегативам) и позитивные. Примем, для определенности, в дальнейшем изложении положительный фоторезист. На слой фоторезиста накладывают фотошаблон, содержащий прозрачные окна точно такой конфигурации, которую нужно получить в слое окисла. Вне окон фото­шаблон непрозрачен. Получение (изготовление) фотошаблона является очень сложной и трудоемкой задачей. Через фотошаблон засвечивают фо­торезист кварцевой лампой. Затем фотошаблон удаляют. Фоторезист про­являют и закрепляют, в результате чего засвеченные участки фоторезиста (позитивного) удаляются. В фоторезисте остаются точно такие же окна, как в фотошаблоне (рисунок с фотошаблона переносится на фоторезист). Теперь через фоторезистивную маску (через окна в фоторезисте) произво­дят травление пленки окисла вплоть до поверхности кремния плавиковой кислотой, которая не действует на кремний и фоторезист. Затем удаляют фоторезист (серной кислотой). Конечным итогом процесса фотолитогра­фии является окисная маска на кремниевой пластине. Конфигурация окон в окисной маске в точности соответствует фотошаблону (рисунок фото­шаблона перенесен на окисную пленку). Через окна в окисле можно про­водить локальные диффузии (1, 2 и 3-я), травление, металлизацию и др. Для каждой операции требуется своя маска, а значит, и свой фотошаблон. В цикле изготовления процесс фотолитографии используется многократно, поэтому на каждый цикл изготовления ИМС получают комплект фото­шаблонов разной конфигурации. В пределах комплекта фотошаблоны со­гласованны, т.е. обеспечивают взаимную ориентацию и совместимость с заданной точностью. Совместимость последующих фотошаблонов с уже

полученным рисунком на кристалле является довольно сложной проблемой.

Разрешающая способность фотолитографии. По мере увеличения степени интеграции и уменьшения размеров элементов ИС необходимо уменьшать размеры окон фотошаблона. Однако минимальные размеры изображения на кристалле фотолитографии ограничиваются волновыми свойствами света. Так, из-за дифракции света минимальный размер изо­бражения на кристалле при засветке ультрафиолетовым светом (с длиной волны 0,5-0,2 мкм) не может быть менее 1,0-0,4 мкм [1]. Однако при соз­дании БИС и СБИС требуются уже элементы меньших размеров. Таким образом, возможности фотолитографии по разрешающей способности ока­зываются исчерпанными. Степень интеграции N при этом может достигать 10 и более.

Для повышения разрешающей способности необходимо использо­вать для засветки фоторезиста источники с меньшей длиной волны (более коротковолновые), например мягкое рентгеновское излучение с длиной волны 1 - 2 нм.

За последние годы разработаны методы электронной литографии, позволяющие в несколько раз уменьшать размеры элементов ИС.

Суть электронной литографии заключается в том, что сфокусиро­ванный пучок электронов сканируют (перемещают по строкам и столбцам) по поверхности фоторезиста без фотошаблона. При сканировании величи­на тока электронного пучка управляется заданной программой. В тех мес­тах, которые должны быть засвечены, ток пучка максимален, а там, где «затемнены», минимален. Прогнозируется, что электронная литография может обеспечить степень интеграции N до (20-30)-10⁶ [1].

4. Особенности и перспективы развития интегральных схем

1. Особенности ИМС

Как уже отмечалось, интегральная схема относится к разряду элек­тронных приборов, поскольку она, как транзистор, диод и др., представля­ет собой единое целое, выполняет определенную функцию и должна удов­летворять определенным требованиям при поставках и эксплуатации. Од­нако ИМС является качественно новым типом прибора (по сравнению с транзистором), обладающим рядом важных особенностей [1]:

1. Она самостоятельно может выполнять законченную, часто очень сложную функцию: может быть усилителем, запоминающим устройством, даже микропроцессором. Транзистор же может выполнять какие-либо функции (усиления, генерации, запоминания и т.д.) только в составе соб­ранной (спаянной) схемы (иногда очень сложной), включающей в себя другие компоненты (резисторы, конденсаторы и др.).

2. Повышение функциональной сложности этого прибора (по срав­нению с дискретными) не приводит к ухудшению основных показателей - надежности, стоимости и др. Более того, все эти показатели улучшаются.

3. В ИМС отдается предпочтение активным элементам перед пас­сивными. В дискретной электронике, наоборот, оптимален вариант схемы при минимальном количестве активных элементов (транзисторов), т. к. транзистор является наиболее дорогим компонентом схемы. В ИМС зада­ется стоимость кристалла, а не компонента. Поэтому выгоднее размещать на кристалле (чипе) больше элементов с минимальной площадью. Актив­ные элементы в ИМС занимают минимальную площадь, пассивные (рези­сторы) - максимальную. Поэтому в ИМС стараются свести к минимуму количество резисторов и их номиналы.

4. Параметры смежных элементов взаимосвязаны (коррелированы). Эта корреляция сохраняется и при изменении температуры, т. к. у смеж­ных элементов температурные коэффициенты параметров (например, ТКН, (3(0, /₀(0 и др.) практически одинаковы. Эта особенность обусловле­на близостью расположения: смежные элементы друг от друга расположе­ны не далее 50-100 мкм. На таких малых расстояниях различия электрофи­зических свойств материала маловероятны (исходные пластины изготов­ляются однородными). Значит маловероятен и значительный разброс па­раметров смежных элементов.

5. В ИМС не используют индуктивности, т. к. индуктивности зани­мают большую площадь на кристалле.

6. В ИМС по той же причине ограничено применение конденсаторов. В качестве конденсаторов (емкостей) используют барьерные емкости р-п переходов.

2. Перспективы развития

Как уже указывалось, фотолитография исчерпала свои возможности из-за волновых свойств света (дифракции). Дальнейшее уменьшение раз­меров элементов обеспечивают рентгенолитография и электронная лито­графия. Но и они имеют ограничения, обусловленные тем, что происходит существенное разупорядочение материалов за пределами окон фоторези­ста. По прогнозам к 2010-2015 г. развитие микроэлектроники достигнет вершин развития. Степень интеграции N при этом составит 20-30 миллио­нов и более. Что же далее? Далее, по прогнозам специалистов, на смену микроэлектронике придет наноэлектроника [1]. Уже разработаны нанотех­нологические установки, при помощи которых можно «сортировать» ато­мы: удалять их, заменять, формировать из них трехмерные элементы. При этом создаются квантовые проводники с поперечными размерами порядка 20 А (ангстрем), в которых, кроме всего прочего, значительно сокращается расстояние передачи энергии и, следовательно, резко увеличивается быст­

родействие. Например, изготовленный по нанотехнологии полевой транзи­стор (с размерами в пределах 40-80 нм) имеет быстродействие в терагер- цовом диапазоне (1 ТГц = 10¹² Гц). Уже в ближайшие годы будет достиг­нута сверхвысокая плотность записи информации - 10¹² бит/см², а дли­тельность фронта изменения электрического сигнала будет достигать 10'¹⁴ с [1]. По оценкам специалистов, уже к 2005 г. удастся разработать технологические установки, обеспечивающие «сборку» атомов со скоро­стью в один кубический дециметр вещества в час.

Альтернативы микроэлектроники

Одновременно с развитием микроэлектроники постоянно велись и ведутся исследования по созданию альтернативной базы. Уже шесть лет предсказывается, что на смену микроэлектронике придут функциональная электроника, оптоэлектроника, квантовая электроника и биоэлектроника. Во всех этих направлениях к настоящему времени достигнуты обнадежи­вающие результаты. Но ни в одном из упомянутых направлений не создано технологической базы, обеспечивающей экономически конкурентное про­изводство высоконадежной элементной базы [1]. Ведь бурное развитие микроэлектроники обусловлено именно высокоэффективными техноло­гиями.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Степаненко И.П. Основы микроэлектроники. М.: Лаборатория Ба­зовых Знаний, 2000.

2. Степаненко И.П. Основы теории транзисторов и транзисторных схем. М.: Энергия, 1973.

3. Пасынков В.В. Полупроводниковые приборы. М.: Высшая школа,

1987.

4. Ситник Н.Х., Шурупов Г.Н. Силовые кремниевые вентильные блоки. М.: Энергия, 1972.

5. Полупроводниковые приборы: Справочник / Под ред. Н.Н. Горю­нова. М.: Энергоатомиздат, 1985.

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение 3

1. Физические основы проводимости полупроводников 7

   1. Общие сведения о полупроводниковых материалах 7

      1. Энергетические зонные диаграммы кристаллов 8

      2. Прохождение тока через металлы 10

   2. Собственная проводимость полупроводников 10

   3. Примесная проводимость полупроводников 13

      1. Электронная проводимость. Полупроводник л-типа 13

      2. Дырочная проводимость. Полупроводникр-типа 16

   4. Однородный и неоднородный полупроводник 19

   5. Неравновесная концентрация носителей 19

   6. Прохождение тока через полупроводники 21

   7. Уточнение понятий «собственные» и «примесные» полупро­водники 22

2. Количественные соотношения в физике полупроводников 24

   1. Функция распределения Ферми - Дирака 24

   2. Плотность квантовых состояний 25

   3. Концентрация носителей в зонах 25

   4. Собственный полупроводник 27

   5. Примесный полупроводник. Смещение уровня Ферми 28

3. Электронно-дырочный переход 31

   1. Образование и свойства р-п перехода 31

      1. Виды р-п переходов 34

      2. Потенциальный барьер 35

      3. Токи р-п перехода в равновесии 36

      4. Электронно-дырочный переход при внешнем смещении... 37

   2. Вольт-амперная характеристика р-п перехода 40

      1. Пробой р-п перехода 44

      2. Влияние температуры на характеристику и свойства

р-п перехода 48

1. Емкость р-п перехода 49

1. Полупроводниковые диоды 50

   1. Диоды 50

      1. Реальная вольт-амперная характеристика диода 50

      2. Параметры диода 52

   2. Разновидности диодов. Точечные и плоскостные диоды 53

      1. Выпрямительные и силовые диоды 55

      2. Тепловой расчет полупроводниковых приборов 57

      3. Кремниевые стабилитроны (опорные диоды) 58

      4. Импульсные диоды 59

5. Туннельные и обращенные диоды. Туннельный

эффект 61

1. Варикапы 69

1. Контакт металл - полупроводник. Диоды Шоттки 70

   1. Выпрямляющий контакт металл - полупроводник

л-типа 70

2. Выпрямляющий контакт металл - полупроводник

р-типа 73

1. Диоды Шоттки 75

2. Невыпрямляющие контакты металл - полупроводник .... 77

1. Обозначение (маркировка) несиловых диодов 78

1. Биполярный бездрейфовый транзистор 81

   1. Устройство и принцип действия 81

   2. Основные соотношения для токов. Коэффициент передачи

тока 85

1. Три схемы включения транзистора 87

2. Статические характеристики транзистора 90

3. Предельные режимы (параметры) по постоянному току тран­зистора 94

4. Малосигнальные параметры и эквивалентные схемы транзис­тора 95

   1. Зависимость внутренних параметров транзистора от ре­жима и от температуры 98

   2. Четырехполюсниковые /г-параметры транзистора и эк­вивалентная схема с /г-параметрами 101

      1. Определение/г-параметров по статическим ха­рактеристикам 103

      2. Связь между внутренними параметрами и /г-па­раметрами 105

5. Частотные свойства транзисторов. Дрейфовый транзистор 106

   1. Частотно-зависимые параметры 106

   2. Дрейфовый транзистор 109

1. Полевые (униполярные) транзисторы 112

   1. Унитрон 113

   2. МОП-транзистор 115

      1. МОП-транзистор со встроенным каналом 115

      2. МОП-транзистор с индуцированным каналом п-типа 117

   3. Параметры и эквивалентная схема полевого тран-истора 118

   4. МОП-транзисторы со специфическими свойствами 120

      1. МНОП-транзистор 121

      2. МОП-транзистор с плавающим затвором 122

      3. Двухзатворный МОП-транзистор 124

      4. Полевой транзистор с барьером Шоттки 125

1. Обозначение (маркировка) и типы выпускаемых транзисторов. 127

1. Тиристоры 129

   1. Устройство и принцип действия тиристоров 129

   2. Закрытое и открытое состояние тиристора 132

      1. Закрытое состояние тиристора (ключ отключен) 132

      2. Открытое состояние тиристора (ключ включен) 133

   3. Включение и выключение тиристора 133

   4. Параметры тиристора 136

   5. Типы и обозначения силовых тиристоров 138

2. Интегральные микросхемы 140

   1. Общие сведения о микросхемах 140

      1. Классификация микросхем 140

      2. Обозначения ИМС 144

   2. Сведения о технологии получения ИМС 145

      1. Исходные материалы 145

      2. Групповой метод. Планарная технология 146

   3. Планарно-эпитаксиальный цикл 147

      1. Эпитаксия 148

      2. Окисление поверхности кремния 148

      3. Первая (разделительная) диффузия 149

      4. Вторая (базовая) и третья (эмиттерная) диффузии 150

      5. Металлизация (межсоединения) 150

      6. Фотолитография 151

   4. Особенности и перспективы развития интегральных схем 152

      1. Особенности ИМС 152

      2. Перспективы развития 153

Библиографический список 155

Лит. редактор Н.Г. Важенина Техн. редактор Г.Я. Шилоносова Корректор Е.В. Копытина

Лицензия ЛР № 020370

Подписано в печать 08.09.03. Формат 60x90/16 Набор компьютерный. Печать офсетная. Уел. печ. л. 10.

Уч.-изд. л. 9,3- Тираж 150. Заказ № 133

Редакционно-издательский отдел и ротапринт Пермского государственного технического университета Адрес: 614600. г. Пермь, Комсомольский пр., 29а