Глава 8 конструктивно-технологические особенности интегральных схем

8.1. Классификация изделий микроэлектроники. Термины и определения

Микроэлектроника – современное направление электроники, включающее исследование, конструирование и производство инте­гральных схем (ИС) и радиоэлектронной аппаратуры на их основе. Основной задачей микроэлектроники является создание микроми­ниатюрной аппаратуры с высокой надежностью и воспроизводимостью, низкой стоимостью, низким энергопотреблением и высокой функциональной сложностью.

Интегральная схема (микросхема) – микроэлектронное изде­лие, выполняющее определенную функцию преобразования, об­работки сигнала, накапливания информации и имеющее высокую плотность электрически соединенных элементов (или элементов и компонентов), которые с точки зрения требований к испытани­ям, приемке, поставке и эксплуатации рассматриваются как еди­ное целое.

Элемент – часть интегральной схемы, реализующая функцию какого-либо электрорадиоэлемента, которая не может быть выделе­на как самостоятельное изделие. Под радиоэлементом понимают транзистор, диод, резистор, конденсатор и т.п. Элементы могут вы­полнять и более сложные функции, например логические (логичес­кие элементы) или запоминание информации (элементы памяти).

Компонент – часть интегральной схемы, реализующая функцию какого-либо электрорадиоэлемента, которая может быть выделена как самостоятельное изделие. Компоненты устанавливаются на подложке микросхемы при выполнении сборочно-монтажных опера­ций. К простым компонентам относятся бескорпусные диоды и транзисторы, специальные типы конденсаторов, малогабаритные катуш­ки индуктивности и др. Сложные компоненты содержат несколько элементов, например диодные или транзисторные сборки.

Критерием сложности ИС, т.е. числа N содержащихся в ней эле­ментов и простых компонентов, является степень интеграции, оп­ределяемая коэффициентом k=lgN, значение которого округляется до ближайшего большего целого числа. Так, ИС первой степени интеграции (k = 1) содержит до 10 элементов и простых компонентов, второй степени интеграции (k = 2) – свыше 10 до 100, третьей степе­ни интеграции (k = 3) – свыше 1000 до 10000 и т.д. Интегральную схему, содержащую 500 и более элементов, изготовленных по бипо­лярной технологии, или 1000 и более, изготовленных по МДП-технологии, называют большой интегральной схемой (БИС). Если число N превышает 10000, то ИС называют сверхбольшой (СБИС). На смену СБИС приходят так называемые ультрабольшие интегральные схемы (УБИС), содержащие на одном кристалле от нескольких сотен тысяч до нескольких миллионов элементов.

Важным показателем качества технологии и конструкции ИС является плотность упаковки элементов на кристалле – число элементов, приходящихся на единицу его площади. Кроме умень­шения размеров элементов для повышения плотности элементов на кристалле используется совмещение нескольких (обычно двух) функций некоторыми областями полупроводникового кристалла, а также трехмерные структуры, разделенные диэлектрическими про­слойками.

Уровень технологии характеризуется минимальным технологи­ческим размером , т.е. наименьшими достижимыми размерами ле­гированной области в полупроводниковом слое или пленочном слое на поверхности, например минимальной шириной эмиттера, шири­ной проводников, расстояниями между ними. Для полупроводнико­вых ИС уменьшение по мере совершенствования технологии приво­дит к улучшению их электрических параметров, например повыше­нию быстродействия из-за снижения паразитных емкостей р-n-переходов, увеличению крутизны полевых транзисторов.

По функциональному назначению ИС подразделяются на ана­логовые и цифровые. В аналоговых ИС сигнал изменяется как не­прерывная функция. Самая распространенная аналоговая ИС – так называемый операционный усилитель (см. § 10.6), а также ИС диапазона сверхвысоких частот. Цифровые ИС предназначены для преобразования и обработки сигналов, представленных в дис­кретном виде.

Конструктивно-технологическая классификация ИС отражает способ изготовления и получаемую при этом структуру. По этому критерию различают полупроводниковые и гибридные ИС. В полу­проводниковых ИС все элементы и межэлементные соединения изготовлены в объеме и на поверхности полупроводника. В гибридных ИС на диэлектрической подложке изготовляются пленочные пассив­ные элементы (резисторы, конденсаторы) и устанавливаются наве­сные активные и пассивные компоненты. Подробнее оба типа ИС будут рассмотрены в § 8.3. Промежуточным типом ИС являются совмещенные интегральные схемы, в которых транзисторы изготовля­ются в активном слое кремния, а пленочные резисторы и диоды – как и проводники на изолирующем слое двуокиси кремния.

По типу применяемых активных элементов (транзисторов) инте­гральные схемы делятся на ИС на биполярных транзисторах (бипо­лярных структурах) и ИС на МДП-транзисторах (МДП-структурах).