Тема 2.1 Основные понятия и принципы создания микросхем.

1. Классификация и маркировка микросхем.

2. Особенности изготовления биполярных и полевых интегральных микросхем.

3. Общая характеристика БИС (больших интегральных микросхем) СБИС (сверх БИС). Особенности технологий.

Микроэлектроника – это наука и область электроники, которая осваивает вопросы исследования, конструирования, изготовления, применения микроэлектронных устройств.

Существуют два направления развития микроэлектроники:

1. Интегральная микроэлектроника – рассматривает электронные устройства как совокупность интегральных микросхем, состоящих из отдельных элементов, соединенных по заданной схеме.

2. Функциональная микроэлектроника основана на использовании физических явлений обеспечивающих несхематические принципы работы приборов и устройств.

Основные понятия интегральной микроэлектроники.

1. Интегральная микросхема (ИМС, ИС) – это конструктивно законченное миниатюрное изделие, выполняющие определенную функцию преобразования и обработки сигнала.

2. Плотность упаковки элементов – это отношение общего числа элементов к объему, занимаемому микросхемой (N/V) [1/см³]

3. Степень интеграции К = lgN

1. Классификация микросхем:

1. По степени интеграции:

0. К=1 (до 10 элементов) – простые интегральные микросхемы

1. K=2 (от 10 до 100 элементов) – средние интегральные микросхемы

2. К=3 (от 100 до 1000 элементов) – большие интегральные микросхемы

3. К≥4 (более 1000 элементов) – сверхбольшие интегральные микросхемы(СБИС)

2. По технологии изготовления:

2.1 полупроводниковые (п/п) интегральные микросхемы (ИМС) – все элементы и межэлементные соединения выполняются в объеме и на поверхности полупроводника;

2.2 пленочные ИМС – все элементы и межэлементные соединения выполняются в виде пленок различных веществ;

2.3 гибридные ИМС – активные элементы – п/п технология; пассивные элементы – пленочная технология или многокристальные микросхемы.

3. По применению:

0. 3.1 цифровые интегральные микросхемы (ЦИМС) – применяются для обработки импульсных, дискретных сигналов;

1. 3.2 Аналоговые ИМС – предназначены для обработки непрерывных сигналов.

Маркировка ИМС содержит 5 элементов:

1. Одна или две буквы. Они обозначают материал и конструктивное оформление корпуса и применение.

К – микросхема широкого применения

Без К – специального назначения.

Р – пластмассовый корпус

М – керамический или металлокерамический корпус

Е – металлополимерный корпус

А – пластмассовый планарный корпус

Рис.34

И – стеклокерамический планарный корпус

Б – безкорпусные микросхемы

Э – экспортный вариант (другой шаг выводов), располагается перед К.

2) Цифра – обозначает технологию изготовления:

1, 5, 7 – п/п технология;

2, 4, 6, 8 – гибридная технология;

3 – прочие микросхемы (например: пленочные, вакуумные, керамические и т.д.).

3) Две или три цифры – порядковый номер серии микросхем.

Серия ИМС имеет единую технологию, согласованы по уровню питания, входных и выходных напряжений.

Серии микросхем удобны в совместном применении.

4) Две буквы обозначающие группу микросхем данной серии;

5) Одна или две цифры – условный номер подгруппы микросхем в данной серии.

Кроме пяти элементов возможна буква или цветная точка на корпусе – отличие по основным параметрам.

Пример маркировки КР142ЕН5А:

1. микросхема широкого применения в пластмассовом корпусе (КР);

2. полупроводниковая технология изготовления (1);

3. 142-я серия микросхем

4. ЕН – стабилизатор напряжений

5. 5 – номер подгруппы

А – разброс параметров

2. Все элементы в ИМС выполняют на основе транзисторов п/п технологии.

Этапы создания интегрального биполярного транзистора:

1. изготавливаем однородную подложку сверхчистого кремния “p”-типа; диаметр = 50 до 100 мм; толщина = 30 до 50 мкм. На этой подложке изготавливают одновременно до 500 микросхем.

2. Термическое окисление подложки при температуре = 1000-1300^о С в парах воды или в атмосфере кислорода. Получают SiO₂ (двуокись кремния) толщиной от 0,2 до 1 мкм. Хороший диэлектрик.

3. Фотолитография

3.1 наносят фоторезистор толщиной до 1 мкм – вещество которое твердеет под действием света;

3.2 засвечивают через фотошаблон;

3.3 трихлорэтаном растворяют не засвеченные участки фоторезиста;

3.4 плавиковой кислотой удаляют обнаженные участки SiO₂, следовательно, образуются окна требуемой конфигурации – маска

Рис.35

4) диффузия примесей, например, фосфор, сурьма, мышьяк при температуре = 1200^оС – создается карман “n”-типа

5) повторяем этапы 2, 3 создаем вторую маску, через которую вносим примеси, создающие “р”-область. Например: бор, галлий, индий.

Рис.36

6) повторяя этапы 2, 3 создаем третью маску, через которую вносим примесь, создавая внутреннюю область “n”-типа – эмиттер

7) повторяя этап 2, 3 создаем четвертую маску, через которую напыляем металлические контакты, например, алюминий толщиной 0,5-2 мкм, также создают соединительные дорожки.

Методы изоляции элементов.

В нашем примере изоляция между элементами обеспечивается двумя p-n переходами, один из которых включен в обратном направлении.

Рассмотренная технология изготовления интегральных транзисторов называется планарной, т.к. примесь вносится в п/п с одной и той же грани.

Недостатки планарной технологии:

1. Размытость p-n переходов приводит к тому, что будет низким процент годности микросхем, составляет от 5 до 30 % (годных)

2. Способ изоляции двумя p-n переходами создает паразитную емкость, что снижает частотные свойства микросхем.

Достоинства: меньшая трудоемкость – меньшее количество технологических операций.

Планарной технологией можно изготовить и полевые структуры. Чаще всего изготовляют полевые транзисторы с изолированным затвором и встроенным или индуцированным каналом - структура МДП (М-металичесий; Д-диэлектрик; П-основной п/п).

Иногда изготавливают структуру КМДП – комплиментарные полевые транзисторы с изолированным затвором (МД) и встроенным или индуцированным каналом.

Сравнительная характеристика полевых и биполярных структур:

1. Микросхемы КМДП меньше всего потребляют мощность для своей работы;

2. Микросхемы КМДП имеют меньшее быстродействие т.к. емкость З-К и сопротивление канала образует R-С цепь с большой τ_{зар/раз}.

3. Для изготовления микросхем КМДП требуется меньше технологических операций (24 против 32 у биполярных)

4. Микросхемы на биполярных структурах имеют средние основные параметры. Это и определило их преобладание.

5. Микросхемы КМДП имеют большую плотность упаковки.

Диоды в интегральном исполнении (п/п технология)

а) на основе коллекторного перехода б)на основе эмиттерного перехода

Рис.37

Имеет большее рабочее напряжение Имеет меньшее напряжение,

и меньший допустимый ток большой допустимый ток

Резисторы в п/п технологии.

На основе базового слоя получают высокоомные резисторы до нескольких кОм. На основе эмиттерного слоя – низкоомные (десятки Ом)

Переменный резистор изготовляют на основе канала полевого транзистора, сопротивление которого заметно зависит от U_ЗИ.

Конденсаторы в п/п технологии

Обратно включенные p-n переходы биполярного транзистора или емкость З-К полевого транзистора с изолированным затвором.

Недостатки конденсаторов на основе p-n перехода биполярного транзистора:

1. Работают при определенной полярности включения;

2. Малая удельная емкость (0,2 мкф/см²);

3. Емкость зависит от приложенного напряжения.

Гибридные интегральные микросхемы (ГИС)

(см. «Классификация микросхем»)

Различают 2 вида ГИС по толщине пленки:

1. Тонкопленочные;

2. Толстопленочные.

Тонкие пленки (1-2 мкм) изготавливают вакуумным напылением.

Толстые пленки (от нескольких мкм до сотен мкм) изготавливают нанесением пасты с последующим вжиганием.

Применяемые материалы для пленок:

1. Проводники – серебро, алюминий, золото;

2. Резисторы – тантал, хром и их сплавы;

3. Конденсаторы тантал - оксид-тантал;

4. Катушки индуктивности – до 3 мкГн – выполняют в виде спирали Архимеда.