20-03-2013_10-45-00 / 13Интегральная схема

Интегральные микросхемы

Интегральная схема – это конструктивно законченное изделие, выполняющее определенную функцию (усиление, генерацию, логическую операцию и др.). ИС отличается большой плотностью упаковки элементов в единице объема. При изготовлении ИС используется групповой метод производства, при котором на одной подложке одновременно изготавливается множество однотипных элементов или целых микросхем, что позволяет получить изделия с одинаковыми параметрами.

Интегральные схемы классифицируются:

• по конструктивно–технологическому исполнению на полупроводниковые монолитные (на полевых МДП, КМОП, биполярных транзисторах) и совмещенные, гибридные (толстопленочные и тонкопленочные) и прочие (керамические, пленочные и др.) (рис.14);

• по степени интеграции –(формула 22) – МИС (малые), СИС (средние), БИС (большие), СБИС (сверхбольшие), УБИС (ультрабольшие).

Сложность микросхемы характеризуется также плотностью упаковки, т.е. числом элементов в единице объема или на единице площади кристалла (формула 23);

• по функциональному назначению на аналоговые (усилители, детекторы, генераторы, фильтры, модуляторы и пр.), цифровые (логические, запоминающие устройства, триггеры, регистры и пр.), и т.д.

по применяемости в аппаратуре – на ИС общего применения и специального назначения;

по способу изоляции между элементами – на схемы с диэлектрической изоляцией, изоляцией p–n–переходом, комбинированной, МДП–технологией и др.

Маркировка ИС состоит из шести элементов, например, как показано на рис. 1

Первый элемент (буква «К») – показывает, что микросхема предназначена для устройств широкого применения (ИС специального назначения этой буквой не маркируются). Микросхемы, предназначенные для экспорта, перед буквой «К» имеют букву «Э».

2) Второй элемент – это характеристика материала и типа корпуса: 3) Третий элемент (одна цифра) указывает группу ИС по конструктивно- технологическому признаку: 1, 5, 7 – полупроводниковые; 2, 4, 6, 8 – гибридные 3 – прочие (пленочные, керамические, вакуумные).

4) Четвертый элемент (две или три цифры) – определяет порядковый номер разработки серии.

5) Пятый элемент (две буквы) – обозначают функциональное назначение микросхемы. В зависимости от выполняемых функций микросхемы подразделяются на подгруппы (генераторы, триггеры, усилители и пр.) и виды.

ЛА – логический элемент И–НЕ; УД – усилитель операционный; УС – усилитель дифференциальный; УН – усилитель низкой частоты, ТМ – триггер типа D КТ – коммутатор тока АГ – формирователь прямоугольных импульсов (рис.15)

6) Шестой элемент – порядковый номер разработки в конкретной серии. Следующие затем буквы от А до Я указывают на разбраковку (допуск на разброс) по электрическим параметрам.

Все элементы полупроводниковых монолитных микросхем выполнены полностью в глубине кристалла на основе структур биполярных n⁺-p-n- (рис.3) или МДП – транзисторов (рис.8). На поверхности создаются контактные площадки и межсоединения (в процессе металлизации). Кроме этого существует возможность создания полупроводниковых приборов, которых в дискретной электронике нет, например, многоэмиттерный (рис.4) или многоколлекторный транзисторы. В основном используют n-p-n-транзисторы (более быстродействующие), но иногда требуется создание комплементарных структур, поэтому делают и p-n-p-транзисторы (на рис.6 вертикальная структура). Для того, чтобы изготовить на основе транзисторной структуры резистор, нужно выводы сделать из одного из слоев транзистора. Для получения резисторов с малыми номиналами сопротивлений используют низкоомный эмиттерный слой с R_S=5…15 Ом/□, что дает возможность получить номинальные сопротивления до 3…5 Ом (рис. 19). Удельное поверхностное сопротивление базового слоя R_S=100…300 Ом/□. Поэтому типичное значение максимального сопротивления достигает 20 кОм (рис.18). Если необходимые сопротивления превышают 50–60 кОм, можно использовать пинч–резисторы, у которых удельное сопротивление слоя составляет 2–5 кОм. Максимальное сопротивление может достигать 200–300 кОм даже при простейшей полосковой конфигурации (рис. 20). В качестве резисторов в ИМС на основе МДП-транзисторов используют сопротивление встроенного канала (рис.21). Выводы делают из областей стока и истока, а затвор в этом случае не изготавливается.

Для изготовления конденсаторов на БПТ- транзисторных структурах используется обратное включение одного из p-n-переходов: «эмиттер–база» (рис. 11), «база–коллектор» (рис. 12), «коллектор-подложка». Эти переходы формируются диффузией (легированием примесей), поэтому их называют диффузионными. Емкость такого конденсатора зависит от приложенного обратного напряжения (варикап). МДП-кон­ден­са­торы отличаются лучшими электрическими свойствами. Нижней обкладкой служит истоковый n+-слой, верхней – пленка алюминия, слоем диэлектрика – диоксид кремния толщиной 0,05–0,1 мкм (рис. 13). Преимуществом МДП–конденсаторов перед диффузионными является возможность работы при любой полярности напряжения. Добротность МДП–конденсаторов превосходит добротность конденсаторов, выполненных на БПТ.

В качестве диодов в полупроводниковых микросхемах используют прямое включение р-n-переходов транзисторных структур: эмиттерный или коллекторный, а так же их сочетание. Существует пять возможных вариантов диодного включения транзисторов (см. соотв. карту). В быстродействующих цифровых микросхемах целесообразно использовать диод по схеме (рис. 5). Разрез стабилитрона полупроводниковой ИМС изображен на рис.7.

Изоляция элементов Все элементы полупроводниковой микросхемы находятся внутри одного кристалла, близко расположены друг к другу и пр. поэтому они должны быть изолированы друг от друга. Самый естественный способ – изоляция диэлектриком, когда каждый элемент размещается в отдельном диэлектрическом кармане (рис. 31). Необходимость создания карманов усложняет технологию, поэтому, несмотря на хорошую изоляцию, такой способ применяется редко. Разновидностью диэлектрической изоляции является –воздушная изоляция (рис.33).

Диодная изоляция (обратно смещенным p-n–переходом) показана на рис. 29 и 30. Предполагается, что на подложке всегда самый низкий потенциал, поэтому р-n-переходы между коллекторными областями и подложкой всегда закрыты. Изоляция элементов друг от друга осуществляется запертыми р-n-переходами. Качество изоляции в этой структуре хуже, чем в диэлектрической, но технологические преимущества обусловили ее широкое применение. Лучшими характеристиками обладает изоляция p-n-переходом со скрытым n⁺-слоем (рис.30). Скрытый n⁺-слой уменьшает сопротивление коллектора, что является преимуществом планарно-эпитаксиальной структуры.

Комбинированная изоляция между транзисторами показана на рис. 32. Этот метод является основным в современных ИС на БПТ. Он сочетает изоляцию диэлектриком (диоксидом кремния) по вертикали и р-n-переходом, сме­щенным в обратном направлении - по горизонтали.

В Совмещенных полупроводниковых ИС – активные элементы – транзисторы (рис.3, 6, 8) и диоды (рис.5, 7) изготавливаются в глубине п/п кристалла, а пассивные (R и C) -пленочными на поверхности (рис. 9, 10, 16, 17, 24, 25).

Гибридная микросхема выполняется на диэлектрической (стеклянной или керамической) подложке. В качестве пассивных элементов используются пленочные резисторы (16, 17, 24, 25) и конденсаторы (9, 10), а в качестве активных – дискретные бескорпусные навесные транзисторы (рис.1) и диоды (рис.2).

Пленочный резистор выполнен в виде пленки из резистивного материала с металлическими контактными площадками на концах (рис.16, 17, 24, 25). При проектировании ГИМС топология резисторов определяется с помощью параметра – коэффициента формы (формула 26), численно равного числу квадратов на поверхности резистивного слоя с удельным поверхностным сопротивлением ρ_s,(Ом/квадрат) и где l и b– длина и ширина резистора. Заметим, что это не число квадратных миллиметров или сантиметров, а минимальное число квадратов, которое можно разместить на поверхности слоя. Если , то резистор выполняется в форме меандра или в виде нескольких прямоугольных отрезков, соединенных последовательно перемычками из проводящих пленок, как показано на рис. 25. Когда, т.е. l < b , то форма резистора соответствует рис. 24. Значения и не рекомендуются. Конденсатор представляет собой три последовательно нанесенные пленки: металл (алюминий), диэлектрик (диоксид кремния, оксиды алюминия и тантала -материалы, обеспечивающие достаточную удельную емкость ), металл. Структура (разрез) пленочного конденсатора изображена на рис.9, а его топология 10. При заданной емкости расчет топологии сводится к выбору диэлектрика и нахождению площади верхней пластины (рис.27). Диэлектрик должен выступать за край верхней обкладки на 100...200 мкм. В качестве навесных компонентов используются бескорпусные диоды (рис.2), транзисторы (рис.1), полупроводниковые ИМС (ОУ, ДУ и пр.), а при нехватке места на подложке и пассивные конденсаторы или резисторы.