2. Конструктивно-технологические типы интегральных микросхем

Конструктивно-технологическая классификация микросхем учитывает способ изготовления и получаемую при этом структуру. По конструктивно-технологическим признакам различают полупроводниковые и гибридные микросхемы.

В полупроводниковой микросхеме все элементы и межэлементные соединения выполнены в объеме и на поверхности полупроводника. Структура, содержащая элементы, межэлементные соединения и контактные площадки (металлизированные участки, служащие для присоединения внешних выводов), называется кристаллом интегральной микросхемы. В большинстве полупроводниковых микросхем элементы располагаются в тонком (толщиной 0,5 ... 10 мкм) приповерхностном слое полупроводника. Поскольку удельное сопротивление полупроводника невелико (1...10 Ом-см), а элементы должны быть изолированными друг от друга, необходимы специальные изолирующие области.

Основным полупроводниковым материалом микросхем является кремний. Важное конструктивно-технологическое преимущество кремния связано со свойствами слоев диоксида кремния, получаемых на его поверхности при окислении. Эти слои используют в качестве масок при локальном легировании кремния примесями, для изоляции элементов, в качестве подзатворного диэлектрика МДП-транзистора, а также для защиты поверхности кристалла от влияния окружающей среды и др . Достаточно большая ширина запрещенной зоны кремния обусловливает малые обратные токи p-n-переходов. Это позволяет создавать микросхемы, работающие при повышенных температурах (до 125°С) и при малых токах транзисторов (менее 1 мкА), т. е. низкой потребляемой мощности .

В последнее десятилетие в ограниченных масштабах начато применение арсенида галлия, отличающегося большей подвижностью электронов. На его основе создают микросхемы с повышенным быстродействием или более высокими рабочими частотами (диапазон СВЧ). Однако арсенид галлия очень дорогой материал, а технология арсенид-галлиевых микросхем сложнее, чем кремниевых.

В некоторых микросхемах слой кремния, в котором формируются элементы, выращивают на диэлектрической подложке, в частности из сапфира (структура типа «кремний на сапфире»). Она обеспечивает повышенную радиационную стойкость.

Важным показателем качества технологии и конструкции является плотность элементов на кристалле - число элементов, приходящихся на единицу его площади. Основные тенденции развития полупроводниковых микросхем увеличение степени интеграции и быстродействия. Согласно эмпирическому закону число элементов N для наиболее сложных микросхем в среднем ежегодно удваивалось. Отклонение от закона удвоения в последние годы обусловлено приближением размеров элементов к их физическим пределам, сильным усложнением технологических процессов и оборудования. Рост числа элементов происходил в основном за счет уменьшения их топологических размеров, т. е. размеров в плоскости, параллельной поверхности кристалла, и в меньшей степени - за счет разработки новых конструкций элементов и совершенствования схемотехники, а также увеличения размеров кристалла.

Уровень технологии характеризуется минимальным топологическим размером , т. е. наименьшими достижимыми размерами легированной области в полупроводниковом слое или пленочного слоя на поверхности, например минимальными шириной эмиттера биполярного транзистора, шириной проводников, расстояниями между ними. При =0,3...0,5 мкм возникают проблемы, связанные с приближением размеров элементов, прежде всего транзисторов, к их физическим пределам. Уменьшение размеров элементов до указанных значений вызывает процессы деградации структуры кристалла вследствие повышения плотности тока, напряженности электрических полей и плотности выделяемой энергии . Особую проблему при использовании элементов малых размеров представляет формирование надежных внутрисхемных соединений. Их поперечное сечение уменьшается, а плотность тока растет. Это может приводить к разрушению проводников, расположенных на рельефной (не идеально плоской) поверхности, к коротким замыканиям проводников, сформированных в разных слоях друг над другом, вследствие пробоя или нарушения разделяющего их тонкого диэлектрического слоя.

Уменьшение топологических размеров элементов приводит к улучшению электрических параметров микросхем, в частности к повышению быстродействия из-за снижения паразитных емкостей p-n-переходов, увеличению крутизны полевых транзисторов и др . Однако и здесь ограничивающим фактором являются внутрисхемные соединения, задержка сигнала в которых не позволяет полностью использовать достигаемое высокое быстродействие элементов.

При разработке полупроводниковых микросхем конструкторы и технологи сталкиваются и с другими серьезными проблемами и ограничениями. Одна из самых трудных проблем - обеспечение конструктивно-технологической совместимости различных элементов, создаваемых внутри одного полупроводникового слоя. Он характеризуется строго определенными электрофизическими параметрами, оптимальными для одних элементов и малопригодными для других. Кроме того, для изготовления различных элементов, например биполярных и МДП-транзисторов, необходимы свои технологические операции, так что одновременное формирование этих элементов на одном кристалле затруднено. Поэтому для полупроводниковых микросхем характерен крайне ограниченный набор типов элементов в кристалле. Этим же объясняется их разделение по типу применяемых активных элементов (транзисторов) на два основных вида: микросхемы на биполярных транзисторах и микросхемы на МДП-транзисторах (МДП-микросхемы).

Основным активным элементом биполярных микросхем является транзистор типа n-p-n. Кроме того, используются диоды на основе р-n- переходов и переходов металл – полупроводник (диоды Шоттки), полупроводниковые резисторы, пленочные резисторы (в совмещенных микросхемах), изготавливаемые, например, в поликристаллическом слое кремния, и в редких случаях – конденсаторы небольшой емкости. Транзисторы типа p-n-р применяют значительно реже, чем n-p-n.

Параметры полупроводниковых слоев и последовательность технологических операций при изготовлении биполярных микросхем выбираются прежде всего с учетом обеспечения наилучших электрических параметров биполярных транзисторов типа n-p-n. Другие элементы формируются в аналогичных слоях одновременно с транзисторами. Использование пассивных элементов (резисторов, конденсаторов) ограничено, так как по сравнению с транзисторами они занимают большую площадь на кристалле.

Основными элементами современных МДП-микросхем являются МДП-транзисторы с каналом n-типа. Площадь этих транзисторов на кристалле значительно меньше, чем биполярных, поэтому для микросхем на n-канальных МДП-транзисторах достигается самая высокая степень интеграции, но они уступают биполярным по быстродействию . В комплементарных МДП-микросхемах применяют МДП-транзисторы с индуцированными каналами n- и р-типа, для этих микросхем характерна очень малая потребляемая мощность.

В специальных случаях в полупроводниковых микросхемах используют биполярные транзисторы в сочетании с МДП - либо полевыми транзисторами с управляющим p-n-переходом. Для изготовления таких микросхем требуется более сложная технология.

Полупроводниковые микросхемы в большинстве случаев являются изделиями широкого применения: одни и те же микросхемы используются в микроэлектронной аппаратуре различного назначения. Они выпускаются большими партиями; только при этом условии окупаются высокие затраты на разработку новых типов микросхем.

Гибридная интегральная микросхема содержит пленочные пассивные элементы и навесные компоненты. В гибридных микросхемах используются как простые, так и сложные компоненты, например бескорпусные кристаллы полупроводниковых микросхем. Электрические связи между элементами, компонентами и кристаллами осуществляют с помощью пленочных и проволочных проводников. Подложка с расположенными на ее поверхности пленочными элементами, проводниками и контактными площадками называется платой.

Многокристальная гибридная микросхема представляет собой совокупность нескольких бескорпусных полупроводниковых микросхем, установленных на одной диэлектрической подложке, соединенных между собой проводниками и заключенных в герметизированный корпус.

В зависимости от способа нанесения пленок на поверхность диэлектрической подложки и их толщины различают тонкопленочные (толщина пленок менее 1 мкм) и толстопленочные (толщина пленок более 1 мкм) гибридные микросхемы. Помимо количественных существуют и качественные различия, определяемые технологией изготовления пленок. Тонкопленочные элементы формируют, как правило, с помощью термического вакуумного испарения и ионного распыления, а толстопленочные элементы наносят на подложку методом трафаретной печати с последующим вжиганием.

Широкое использование гибридных микросхем обусловлено сравнительно невысокими первоначальными затратами при организации производства, возможностью применения разнообразных компонентов с требуемыми рабочими характеристиками и простотой изготовления плат (особенно с толстопленочными элементами) . Однако гибридные микросхемы отличаются от полупроводниковых большими размерами и более сложной технологией сборки.