2 Уровни проектирования

Логический — логическая схема (логические инверторы, элементы ИЛИ-НЕ, И-НЕ и т. п.).

Схема и системотехнический уровень — схема и системотехнические схемы (триггеры, компараторы, шифраторы, дешифраторы, АЛУ и т. п.).

Электрический — принципиальная электрическая схема (транзисторы, конденсаторы, резисторы и т. п.).

Физический — методы реализации одного транзистора (или небольшой группы) в виде легированных зон на кристалле.

Топологический — топологические фотошаблоны для производства. Программный уровень — позволяет программисту программировать (для ПЛИС, микроконтроллеров и микропроцессоров) разрабатываемую модель используя виртуальную схему.

В настоящее время большая часть интегральных схем проектируется при помощи специализированных САПР, которые позволяют автоматизировать и значительно ускорить производственные процессы, например, получение топологических фотошаблонов.

3 Классификация

3.1 Степень интеграции

В СССР были предложены следующие названия микросхем в зависимости от степени интеграции, разная для цифровых и аналоговых микросхем (указано количество элементов для цифровых схем):

• малая интегральная схема (МИС) — до 100 элементов в кристалле,

• средняя интегральная схема (СИС) — до 1000 элементов в кристалле,

• большая интегральная схема (БИС) — до 10000 элементов в кристалле,

• сверхбольшая интегральная схема (СБИС) — до 1 миллиона элементов в кристалле,

• ультра большая интегральная схема (УБИС) — до 1 миллиарда элементов в кристалле,

• гига большая интегральная схема (ГБИС) — более 1 миллиарда элементов в кристалле.

В настоящее время название УБИС и ГБИС практически не используется (например, последние версии процессоров Itanium, 9300 Tukwila, содержат два миллиарда транзисторов), и все схемы с числом элементов, превышающим 10 000, относят к классу СБИС, считая УБИС его подклассом.

3.2 Технология изготовления

• Полупроводниковая микросхема — все элементы и межэлементные соединения выполнены на одном полупроводниковом кристалле (например, кремния, германия, арсенида галлия, оксид гафния).

• Плёночная интегральная микросхема — все элементы и межэлементные соединения выполнены в виде плёнок:

  • Толстоплёночная интегральная схема;

  • тонкоплёночная интегральная схема.

• Г ибридная микросхема (также микросборка) —кроме полупроводникового кристалла содержит несколько бескорпусных диодов, транзисторов и(или) других электронных компонентов, помещённых в один корпус.

• Смешанная микросхема — кроме полупроводникового кристалла содержит тонкоплёночные(толстоплёночные)пассивные элементы размещённые на поверхности кристалла.

3.2.1 Полупроводниковые интегральные микросхемы

Полупроводниковая микросхема — все элементы и межэлементные соединения выполнены на одном полупроводниковом кристалле (например, кремния, германия, арсенида галлия, оксид гафния).

Наибольшее распространение получили ИС, у которых все элементы и межэлементные соединения выполнены в объеме и на по­верхности полупроводника. Их называют полупроводниковыми.

Д ля изготовления полупроводниковых микросхем используют кремниевые монокристаллические пластины диаметром не менее 30 — 60 мм и толщиной 0,25 — 0,4 мм. Элементы микросхемы — биполярные и полевые транзисторы, диоды, резисторы и конденсаторы — формируют в полупроводниковой пластине методами, известными из технологии дискретных полупроводниковых приборов (селективная диффузия, эпитаксия и др.) [5]. Межсоединения выполняют напылением узких проводящих дорожек алюминия на окисленную (т. е. электрически изолированную) поверхность кремния, имеющую окна в пленке окисла в тех местах, где должен осуществляться контакт дорожек с кремнием (в области эмиттера, базы, коллектора транзистора и т. д.). Для соединения элементов микросхемы с ее выводами на проводящих дорожках создаются расширенные участки — контактные площадки. Методом напыления иногда изготавливают также резисторы и конденсаторы.

Изготовление полупроводниковых микросхем осуществляют групповым методом, при котором на одной пластине 1 (рис. 1.3) одновременно создают большое число (до 300 — 500) одинаковых функциональных структур (наборов элементов и меж соединений). Одновременной обработке подвергается до 20 пластин. После выполнения всех операций по формированию элементов и меж соединений пластину разрезают на отдельные платы 2, называемые кристаллами. Каждый кристалл содержит одну функциональную структуру. Его закрепляют на основании корпуса 3, контактные площадки соединяют с выводами микросхемы с помощью тонких проводников, затем на основание надевают крышку корпуса 4 и корпус герметизируют, чем обеспечивается защита кристалла от воздействий окружающей среды.

Рассмотрим теперь особенности устройства элементов полупроводниковых микросхем, которые обусловлены необходимостью изоляции элементов от тела кристалла, обладающего заметной электрической проводимостью. Изоляцию элементов осуществляют либо с помощью дополнительного электронно-дырочного перехода, находящегося под обратным напряжением, либо с помощью тонкого слоя диэлектрика, например двуокиси кремния. Первый способ более прост и дешев и поэтому наиболее распространен, но он не позволяет получить ток утечки на тело кристалла менее 10 нА и емкость элемента по отношению к телу кристалла менее 2пФ. Второй способ более сложен и дорог, но снижает ток утечки в тысячи раз, а емкость — в десятки раз.

Б иполярные транзисторы. Структура транзистора, изолированного электронно-дырочным переходом, показана на рис. 1.4. Электрод коллектора К расположен в интегральных транзисторах на верхней поверхности кристалла, там же находятся электроды эмиттера Э и базы Б. Чтобы в этих условиях обеспечить низкоомный путь для коллекторного тока к электроду коллектора K, под n-областью коллектора создают скрытый слой n+, обладающий повышенной проводимостью. Изолирующий переход образуется вдоль линии, разделяющей «-область коллектора и «+-область его скрытого слоя от р+-областей и р-области тела кристалла.

Транзисторы полупроводниковых микросхем могут иметь несколько отдельных эмиттеров при одной базе и одном коллекторе. Такие транзисторы называются много эмиттерными. Их устройство показано на рис. 1.5, а способы использования рассмотрены в гл.4. Если в полупроводниковой микросхеме применяют диэлектрическую изоляцию элементов, то транзисторы имеют такую же двух переходную структуру, как и их дискретные аналоги.

З начения параметров интегрального биполярного транзистора определяются, как обычно, концентрационным профилем структуры, площадью переходов, электрофизическими параметрами материала. Максимальный коллекторный ток может достигать 50 мА, коэффициент передачи тока базы от 20 до 50, обратные токи переходов менее 10 нА, максимальное коллекторное напряжение до 40 В, предельная рабочая частота до 1000 МГц. Освоены способы изготовления транзисторных структур имеющих коэффициент передачи тока базы до нескольких тысяч.

Полупроводниковые диоды. Для упрощения технологического цикла диоды изготавливают на основе транзисторных структур. Для быстродействующих диодов используют эмиттерный переход при соединенном с базой коллекторе (рис. 1.6,а). Для диодов, которые должны иметь большое пробивное напряжение, используют коллекторный переход, а эмиттер соединяют с базой (рис. 1.6,б). Во вто­ром случае скорость переключения получается в десятки раз ниже из-за большего значения неравновесного заряда, накапливающегося не только в области базы, но и в области коллектора, а также из-за большей емкости перехода.

МДП-транзисторы. Эти приборы не нужно специально изолировать от тела кристалла, так как у них область «сток — канал — исток» уже изолирована от тела кристалла электронно-дырочным переходом, образующимся вдоль линии, разделяющей р-область тела кристалла от л+-области истока, л-области канала и л+-области стока, и этот переход имеет обратное смещение в рабочем режиме (рис. 1.7). Площадь, занимаемая на подложке МДП-структурой оказывается при этом в сотни раз меньше, чем у биполярных струк­тур, что позволяет получить значительно большую плотность размещения элементов на подложке.

Интегральные МДП-транзисторы имеют следующие значения параметров: ток стока до 10 мА, напряжение стока до 30 В, входное сопротивление — десятки МОм, предельная частота — сотни МГц. Таким образом, интегральные МДП-транзисторы являются сравни­тельно низкочастотными элементами, что обусловлено большими межэлектродными емкостями.

К онденсаторы. В полупроводниковых микросхемах применяют в основном р—n-конденсаторы, в качестве которых используют кол­лекторный переход 1 транзисторной структуры (рис. 1.8). Эмиттерную область в данном случае не формируют. Изолирующий р—n-пе­реход 2 отделяет р—n-конденсатор от тела кристалла. Выводами конденсатора являются алюминиевые электроды 3, 4. Конденсаторы, один вывод которых должен быть соединен с телом кристалла, могут выполняться на основе изолирующего перехода.

Емкость р—n-конденсатора определяется площадью перехода и обычно не превышает 100 пФ. Добротность низкая — не более 10, отклонение от номинала большое — до 30%, температурный коэффициент емкости до 10~3 град-1. Малый диапазон емкостей, низкая добротность, высокий температурный коэффициент и зависимость емкости от приложенного напряжения не позволяют в ряде случаев использовать р—n-конденсаторы. Тогда применяют пленочные конденсаторы типа «металл — диэлектрик — металл». Их выполняют последовательным напылением трех тонких слоев (проводящего, изолирующего и проводящего) на изолирующую пленку двуокиси кремния, находящуюся на поверхности полупроводниковой пластины. Емкость таких конденсаторов достигает 500 пФ при отклонении от номинала не более 5 — 10%, добротность — до 100, температурный коэффициент до 10~4 град-1, рабочее напряжение — до 60 В.

Применяют также конденсаторы типа МДП, у которых нижнюю обкладку образует эмиттерный слой транзисторной структуры, диэлектриком является пленка двуокиси кремния, а верхняя обкладка — металлическая. Вследствие большого сопротивления потерь нижней (полупроводниковой) обкладки такие конденсаторы несколько уступают конденсаторам с металлическими обкладками, но проще их в изготовлении. По сравнению с парамерами р—n-конденсаторов параметры МДП-конденсаторов значительно выше.

Р езисторы. Для формирования в полупроводниковой пластине области, обладающей требуемым электрическим сопротивлением, обычно используют базовый слой транзисторной структуры (рис. 1.9) и, иногда, эмиттерный или коллекторный слои. Такие резисторы называются диффузионными. Алюминиевые межсоединения 1 имеют контакт с резистивным элементом 2 через окна в изолирующей пленке двуокиси кремния. Электронно-дырочный переход 3 изолирует резистивный элемент от тела кристалла.

Поскольку такие параметры диффузионных слоев, как толщи на, концентрация и распределение примеси, задаются требованиями к транзисторным структурам, необходимое сопротивление резистивного элемента может быть получено лишь путем выбора слоя и его ширины и длины. Эмиттерный слой, имеющий более высокую кон центрацию примесей, используют для получения резисторов с малым сопротивлением (от 2 до 30 Ом), а базовый слой — с большим со противлением (от 100 Ом до 20 кОм). Отклонение от номинала достигает 20%, предельная частота — до 100 МГц, максимальное рабочее напряжение 5 и 20 В соответственно и температурный коэффициент 1-10-4 град-1 и 1-10-3 град-1, соответственно.

В полупроводниковых микросхемах обычно применяют диффузионные резисторы, но если требуемый номинал сопротивления не может быть с их помощью реализован, то в качестве резистивного элемента используют дорожки из пленки высокоомного металла запыленные, как и межсоединения, на изолирующую пленку двуокиси кремния, покрывающую поверхность кристалла. Эти резисторы называются пленочными. В качестве резисторов в полупроводниковых микросхемах используют также канал МДП-транзистора. Сопротивление при этом может регулироваться изменением напряжения, подаваемого на затвор (минимальное сопротивление около 10 Ом).

Размещение элементов, меж соединений и контактных площадок на поверхности и внутри кристалла полупроводниковой микросхемы иллюстрирует рис. 1.10. На рис. 1.10.а) показана принципиальная схема функционального узла, выполненного в виде данной микросхемы. Это логический элемент ИЛИ-НЕ, состоящий из двух транзисторов Т1 и Т2 и трех резисторов R1, R2 и R3. Принцип действия этого элемента рассмотрен в гл. 4. На рис. 1.10.б) показан кристалл полупроводниковой микросхемы, представляющий собой данный функциональный узел (вид сверху). Обозначения те же что и на принципиальной схеме. Области, занятые транзисторными структурами, отмечены буквами Т1 и Т2, выводы их эмиттеров — Э, коллекторов - K, баз - Б, пленочные резисторы R1, R2, R3 (отмечены точками). Меж соединения и контактные площадки 1, 2, 3, 4, 5 отмечены штриховкой. Область, занимаемая элементами на кристалле имеет размеры 1x1 мм. На рис l.l0.e показан разрез кристалла по А-А. Видны эмиттерная n+-область транзистора Т1 и вывод его эмиттера Э, базовая р-область и ее вывод Б, коллекторная n-область и ее вывод K, а также изолирующий слой двуокиси кремния на поверхности подложки (заштрихован) и пленочные резисторы R1 и R3 (отмечены точками).

Рассмотренная полупроводниковая микросхема имеет пять элементов: два транзистора и три резистора. В выпускаемых промышленностью микросхемах число элементов на кристалле значительно больше, иногда оно исчисляется десятками и даже сотнями тысяч.