Основные элементы интегральных микросхем

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

1. Общие сведения

2. Пассивные компоненты ИС

3. Конденсаторы

4. Индуктивности

5. Внутрисхемные соединения

6. Транзисторы ИС

Список использованной литературы

1. Общие сведения

Под термином "микроэлектроника" обычно понимают комплекс конструкторских, технологических и схемотехнических вопросов, связанных с проектированием и изготовлением надежной аппаратуры в миниатюрном исполнении. Успехи в конструировании и технологии позволили изготовлять в едином технологическом цикле целые функциональные электронные узлы и из состава изделий полностью или частично исключать дискретные электрорадиодетали и приборы.

Одним из наиболее важных технологических приемов микроэлектроники является интегральная технология, дающая возможность на одной пластине создавать группы схемно соединенных между собой элементов. Используя интегральную технологию, можно изготовлять схемы на высокопроизводительных автоматизированных установках, одновременно выпуская значительное количество идентичных по параметрам функциональных узлов.

Функциональные узлы, выполненные по интегральной технологии, называют интегральными микросхемами (ИС) или просто микросхемами.

Основные преимущества интегральных микросхем по сравнению с аналогичными схемами на дискретных компонентах малые габариты, малая масса и повышенная механическая прочность. При их производстве требуются меньшие затраты за счет применения высокопроизводительного автоматизированного оборудования, возможно существенное сокращение ручного труда и получение лучших характеристик схем благодаря идентичности параметров компонентов. Повышается надежность за счет уменьшения количества сварных соединений, автоматизации технологических операций и снижения вероятности выхода из строя отдельных элементов, изготовленных в едином технологическом цикле. При эксплуатации таких приборов без существенных затрат может быть введено резервирование, что повышает надежность их работы.

Следует подчеркнуть, что в микроэлектронике используются те же теоретические положения, что и в электронных узлах, выполненных на дискретных компонентах. Однако с ее развитием изменился подход к схемотехническому решению отдельных функциональных узлов и устройств. При интегральной технологии значительное увеличение числа активных компонентов существенно не изменяет стоимости изделий. Поэтому используют возможность улучшения каких-либо параметров путем введения дополнительных активных или пассивных элементов. Принципиальные схемы ИС значительно сложнее своих аналогов, выполненных на дискретных компонентах.

Терминология в микроэлектронике упорядочена ГОСТами и стандартами СЭВ (СТ СЭВ 1623--79, ГОСТ 17021--75). В соответствии с этим применяются следующие термины.

Интегральная микросхема - микроэлектронное изделие, выполняющее определенные функции преобразования, имеющая высокую плотность упаковки электрически соединенных между собой элементов и компонентов и представляющая единое целое с точки зрения требований к испытаниям, приемке и эксплуатации.

Элемент - часть ИС, в которой реализуется функция какого-либо радиоэлемента (транзистора, диода, резистора, конденсатора и т. д.) и которую нельзя отделить от кристалла и рассматривать как самостоятельное изделие с точки зрения измерения параметров, упаковки и эксплуатации.

Компонент - часть ИС, с помощью которой можно реализовать функцию какого-либо радиоэлемента. Однако с точки зрения измерения параметров, эксплуатации и упаковки это самостоятельное изделие, которое может быть отделено от изготовленной ИС и заменено на другое, например бескорпусный транзистор, навесной конденсатор в гибридной ИС и т. д.

При разработке технической документации в ИС используются термины "корпус", "подложка", "плата", "полупроводниковая пластина", "кристалл", "контактная площадка" и др.

Корпус - часть конструкции ИС, которая защищает кристалл от внешних воздействий. Типы и размеры корпусов, а также число вводов и их расположение стандартизованы. На корпусе имеется "ключ" или корпус выполняется несимметричной формы, что эквивалентно ключу, который необходим для правильного нахождения выводов микросхемы.

Подложка ИС - заготовка, предназначенная для изготовления на ней элементов гибридных и пленочных ИС, межэлементных и межкомпонентных соединений, контактных площадок.

Плата ИС - часть подложки (или вся подложка), на поверхности которой выполнены пленочные элементы, контактные площадки и линии соединений элементов и компонентов.

Полупроводниковая пластина - заготовка, используемая для создания ИС (иногда пластина с выполненными на ней элементами).

Кристалл ИС - часть пластины, полученная после ее резки, когда на одной пластине выполнено несколько функциональных устройств.

Контактные площадки - металлизированные участки на кристалле, предназначенные для присоединения к выводам корпуса ИС.

Бескорпусная микросхема - ИС, содержащая кристалл и выводы (применяется для создания микросборок).

Степень сложности ИС характеризуется степенью интеграции K=lg N, где N - число элементов и компонентов, входящих в ИС.

Коэффициент К обычно округляют до ближайшего целого большего значения. В соответствии с этой формулой ИС первой степени интеграции содержат до 10 элементов и компонентов, второй - от 11 до 100, третий - от 101 до 1000, четвертый - от 1001 до 10000, пятый - от 10001до 100000, шестой - от 100001 до 10⁶ и т. д.

Распространены следующие качественные оценки степени сложности ИС: малая (МИС), средняя (СИС), большая (БИС), сверхбольшая (СБИС).

Таблица 2.2

Ориентировочное соответствие качественных наименований и количественных показателей приведено в табл. 2.2.

Особо быстродействующие ИС называют сверхскоростными интегральными микросхемами (ССИС). Под ССИС обычно понимают ИС, скорость установления которых для цифровых сигналов менее 2,5 не, или ИС, имеющие границу рабочего диапазона не менее 300 МГц.

Интегральные микросхемы по конструктивно-технологическим признакам подразделяют на монолитные, пленочные, гибридные, совмещенные ИС.

В полупроводниковых монолитных ИС все элементы схемы (диоды, транзисторы, резисторы и т. д.) выполнены на основе одного кристалла полупроводникового материала, так называемой активной подложки (обычно монокристалл кремния).

В пленочных ИС все элементы представляют собой пленки, нанесенные на диэлектрическое основание (пассивную подложку). Различают тонкопленочные и толстопленочные ИС.

В гибридных ИС пассивные элементы выполнены в виде пленок, нанесенных на диэлектрическую подложку, а активные элементы (диоды, транзисторы и т. д.) являются навесными. Обычно это малогабаритные дискретные элементы или бескорпусные монолитные полупроводниковые ИС, соединенные с соответствующими выводами на подложке с помощью жестких проводников.

Совмещенные ИС изготовляют на основе технологии полупроводниковых и пленочных микросхем, т. е. транзисторы и диоды выполняют так же, как и в полупроводниковых ИС, а пассивные элементы и межсоединения наносят в виде пленок на ту же подложку. Подложка для обеспечения электрической изоляции перед этим окисляется.

ИС обычно является законченным электронным узлом определенного функционального назначения, соответствующие активные и пассивные элементы и компоненты которого выполнены групповым методом с использованием определенных технологических приемов.

Рассмотрим некоторые особенности пассивных и активных элементов, обусловленные технологией изготовления.

2. Пассивные компоненты ИС

схемотехника радиоэлектроника микросхема транзистор

Изменение сопротивления резистора осуществляется как за счет изменения геометрических размеров пленки (ширины, длины и толщины), так и за счет изменения ее материала. Металлопленочные резисторы изготовляют путем осаждения из паров нихрома, тантала, нитрида тантала или смеси металлов с диэлектриком, которые называются керметами. Их применение обеспечивает высокое удельное сопротивление.

Керметы получают из хрома и монооксида кремния путем одновременного осаждения их из паров на подложку.

Свойства элементов тонкопленочных ИС во многом зависят от качества подложки, выполненной из стекла, керамики или пластмассы. К микронеровностям поверхности подложки предъявляют жесткие требования. Их размер колеблется от 0,5 до 1,5 мкм.

В монолитных ИС роль резистора выполняет объемное сопротивление участка монокристалла полупроводника, в объеме которого изготовляют монолитную ИС. Кристалл в этом случае является подложкой.

Рис. 2.49. Конструкция пленочных резисторов (а, б); структура диффузионного резистора (в); эквивалентная схема диффузионного резистора (г): 1 - пленка резистора; 2 - эпитаксиальная пленка; 3 - подложка

Для получения требуемого номинала резистора размеры соответствующего участка и также проводимость его должны иметь строго определенные значения.

Чаще всего резисторы получают путем локальной диффузии примесей через маску, ограничивающую зону резистора. При этом процессе на подложке одновременно создаются базовые или эмиттерные области соответствующих транзисторов. Резисторы, полученные с помощью диффузионной технологии, называют диффузионными. Как правило, они формируются во время процесса базовой диффузии, т. е. одновременно с образованием базовых слоев всех транзисторов. Следует отметить, что при изготовлении ИС на каждой стадии обычно производят двухэтапную диффузию одного типа примесей (донорной или акцепторной).

В процессе такой диффузии на поверхности полупроводника образуется слой оксида, который при следующей диффузии (процесс получения эмиттеров у транзисторов ИС) защищает образовавшийся ранее диффузионный резистор от проникновения в него примесей, создающих другой тип электропроводности. Затем с помощью фотошаблона с использованием метода фотолитографии травлением производят удаление оксида с участков, где предусмотрен контакт. В образовавшиеся окна в вакууме напыляют алюминий, образующий контакты резистора (В). Структура подобного диффузионного резистора представлена на рис. 2.49, в.

Эквивалентная схема диффузионного резистора (рис. 2.49,г) достаточно сложная. В нее входят транзистор, коллекторный переход которого образован эпитаксиальной пленкой и подложкой, а эмиттерный переход образован слоем резистора и эпитаксиальной пленки. Сопротивление контактов и подводящих электродов показано на эквивалентной схеме в виде резистора R₁=10 Ом.

На подложку, являющуюся коллектором транзистора, обычно подается самый низкий потенциал. Эмиттерный переход в нормально работающей схеме закрыт. Если же по какой-либо причине в цепи базы появится ток, например из-за утечки, то в соответствии с принципом действия транзистора в цепи резистор - подложка начнет протекать ток, в h_21э раз больший тока базы. Поэтому при проектировании схемы необходимо, чтобы слой n находился под самым высоким положительным потенциалом.

Сопротивления диффузионных резисторов не превышают 30 кОм. Погрешность их выполнения 10--20%. Значения барьерных емкостей C₁ и C₂ невелики, и их влияние сказывается лишь на достаточно высоких частотах.

3. Конденсаторы

В ИС используются конденсаторы двух типов: тонкопленочные и конденсаторы, основанные на использовании барьерной емкости p-n-перехода.

Тонкопленочные конденсаторы (рис. 2.50, а), представляют собой трехслойную структуру металл - диэлектрик--металл.

Рис. 2.50. Структура тонкопленочного конденсатора (a), структура конденсатора, у которого роль обкладки выполняет кремниевая подложка (б), и его эквивалентная схема (в): 1 - диэлектрик; 2 - обкладки конденсатора; 3 - подложка; 4 эпитаксиальный слой; А, В - выводы

В качестве диэлектрика обычно используют оксид тантала Ta₂O₅, сульфид цинка ZnS, оксид алюминия Al₂O₃ и монооксид кремния SiO или германия GeO и др.

Тонкопленочные конденсаторы неполярны, имеют удовлетворительную добротность. Для увеличения емкости их в отдельных случаях выполняют многослойными. Однако при изготовлении приходится сталкиваться с трудностями получения бездефектных диэлектрических пленок малой толщины (порядка 0,05 мкм). Поэтому достаточно сложно выполнить по этой технологии конденсаторы с большой емкостью.

В ряде случаев одной из обкладок конденсатора является кремниевая подложка (в случае монолитных ИС), на которой методом окисления получен слой диэлектрика SiO₂. На диэлектриках, в свою очередь, напылена вторая обкладка. Структура и эквивалентная схема такого конденсатора показаны на рис.2.50 б, в. Как видно из эквивалентной схемы, кроме емкости С имеется ряд дополнительных элементов: сопротивление R₁, характеризующее неидеальность диэлектрика и наличие объемного сопротивления у слоя p емкость C₁ между слоем p и эпитаксиальным слоем; диод VD, который при неправильно выбранном потенциале между соответствующими электродами может открыться.

Конденсаторы полупроводниковых ИС могут выполняться в виде запертого p-n-перехода. Технология их изготовления аналогична технологии изготовления резисторов. Их также создают одновременно с формированием соответствующих областей транзисторов. Поэтому удельная емкость и все свойства конденсаторов определяются требованиями, которые необходимо выполнить для получения у транзисторов оптимальных характеристик. Структура конденсатора монолитных ИС и его эквивалентная схема показаны на рис. 2.51, а, б.

Эквивалентная схема кроме полезной емкости С, образованной p-n-переходом VD₁, содержит паразитные элементы: p-n-переход VD₂, образовавшийся между эпитаксиальным слоем и подложкой, создающей емкость C₁; сопротивление RЎЦ10-60 Ом, обусловленное наличием объемного сопротивления у слоя p.

Рис. 2.51. Структура конденсатора монолитных ИС (а); его эквивалентная схема (б); пленочная индуктивная катушка (в); структура полевого транзистора, выполненного по технологии КНС (г): 1 - эпитаксиальный слой; 2 - подложка; 3 - тонкая пленка; А, В - выводы

Такой конденсатор является полярным, его емкость изменяется в зависимости от значения приложенного напряжения. Кроме того, наличие паразитной емкости создает паразитную связь конденсатора с подложкой. Другие элементы ИС также имеют емкостную связь с подложкой.

Рассмотренные способы не позволяют изготовлять емкости, удельное значение которых более 1600 пФ/мм², поэтому ИС проектируют так, чтобы в них по возможности отсутствовали конденсаторы.

4. Индуктивности

При создании ИС наибольшую трудность представляет изготовление катушек индуктивности. В настоящее время для этого используют только тонкопленочную технологию, согласно которой индуктивные катушки получают осаждением на подложку материала, имеющего малое удельное сопротивление. Их обычно выполняют в виде спирали с малым шагом (рис. 2.51, в). Тонкопленочные индуктивные катушки имеют размеры, значительно большие размеров других компонетов ИС. Номинальные значения их индуктивности не превышают 10мкГн.

Для изготовления трансформаторных элементов нет разработанной технологии, поэтому в ИС, где необходимо использовать катушки с большими индуктивностями или трансформаторы, эти элементы делают навесными. Некоторые возможности по созданию эквивалентов индуктивных катушек имеются при использовании пьезокерамических кристаллов.

Трудности, возникающие при изготовлении индуктивных катушек, заставляют при разработке ИС почти полностью отказаться от их использования.

5. Внутрисхемные соединения

Отдельные элементы внутри интегрального узла обычно соединяют с помощью напыленного в вакууме гонкого слоя алюминия. Получающиеся при этом соединения имеют относительно большие значения сопротивления (до нескольких Ом). Кроме того, они имеют распределенную емкость относительно подложки ИС, что необходимо учитывать при их проектировании.

6. Транзисторы ИС

Полевые и биполярные транзисторы, применяемые в интегральных микросхемах, изготовляют по технологии монолитных ИС. Иногда используют отдельные дискретные миниатюрные бескорпусные транзисторы, поскольку тонкопленочная технология пока не всегда позволяет получать биполярные транзисторы удовлетворительного качества.

Технологию, по которой изготовляют тонкопленочные полевые транзисторы, условно называют "кремний на сапфире" (КНС). При этом в качестве подложки используют синтетический сапфир, на котором с помощью эпитаксиального наращивания выращивают пленку кремния толщиной 1 мкм и более, на которой выполняют транзистор (рис. 2.51,г). Ввиду хороших диэлектрических свойств сапфира емкости между областями стока, истока и подложкой практически отсутствуют, что приводит к существенному увеличению быстродействия компонентов. Полевые транзисторы, выполненные с применением технологии КНС, работают до частоты 250 МГц и выше. Так как сапфировая подложка не меняет своих параметров при радиационном облучении средней мощности, компоненты, изготовленные по этой технологии, имеют высокую радиационную стойкость.

Биполярные транзисторы монолитных ИС по сравнению с дискретными транзисторами имеют более высокое сопротивление коллектора из-за необходимости выводить контакт наверх и добавления сопротивления (кристалла) между коллекторным контактом и переходом. Для уменьшения этого сопротивления под коллекторным переходом иногда создают сильно легированный скрытый слой с большой удельной проводимостью.

Технология изготовления монолитных ИС сводится к следующему. В пластинку кремния (подложку), имеющую электропроводность р-типа, проводят локальную диффузию мышьяка для формирования скрытого слоя n⁺. Затем на нее наращивают эпитаксиальный слой n. Полученную поверхность окисляют. В результате получается диэлектрический слой оксида SiO₂, который называют маскирующим. Маскирующие свойства его основаны на том, что скорость диффузии примесей, используемых для получения областей транзистора, в нем значительно меньше, чем в кремнии. Поэтому в процессе диффузии последняя происходит только на участках, свободных от SiO₂.

Используя фотошаблон базового слоя и процесс фотолитографии, в маскирующем слое травлением вскрывают окно под базу транзистора. Далее проводится двухэтапная диффузия атомов бора. В результате в эпитаксиальном слое появляется зона с электропроводностью p-типа. Вследствие особенностей процесса двухэтапной диффузии примесей бора вся поверхность вновь покрыта оксидом. Затем с помощью фотошаблона и фотолитографии вскрывают окна под эмиттер транзистора и под контакт к коллектору. В эти окна проводят двухэтапную диффузию примесей фосфора. В результате образуются область эмиттера и низкоомная область для подключения коллекторного контакта. После диффузии вся поверхность пластины покрыта оксидом. В этом оксиде тем же методом вскрываются окна под выводы контактов эмиттера, коллектора и базы. Затем в вакууме напыляют слой алюминия и, используя фотолитографию, получают рисунок соединений с другими элементами ИС.

Перечисленные процессы являются групповыми и проводятся одновременно для пластины, на которой располагаются десятки сотни микросхем, имеющих значительное количество транзисторов.

Полевые транзисторы с управляющим p-n-переходом и МОП-транзисторы изготовляют по технологии монолитных ИС или по КНС-технологии. Особенности технологии изготовления полевого транзистора определяются в основном видом и концентрацией вводимых примесей.

Различают p-МОП-, n-МОП- и k-МОП-технологии. Компоненты, выполненные по p-МОП-технологии (с каналом типа p), имеют малое быстродействие, большое пороговое напряжение, дешевы, просты в изготовлении, имеют большой выход годных изделий.

Технология n-МОП более сложна, позволяет изготовлять транзисторы с меньшим пороговым напряжением, каналом типа n, большими быстродействием и плотностью элементов.

В технологии комплементарных приборов k-МОП используются комбинации процессов, используемых в p-МОП- и n-МОП-технологиях. Поэтому производство более дорогостоящее, а плотность элементов на кристалле малая. Однако при небольших напряжениях быстродействие приборов, выполненных по этой технологии выше, чем у приборов, выполненных по n-МОП-технологии. Кроме того, такие ИС потребляют очень малую мощность и могут работать при значительных изменениях напряжения питания.

МОП-транзисторы ИС выполняются или с технологически встроенным, или с индуцированным каналом. При изготовлении МОП-транзисторов количество ответственных операций, влияющих на процесс выхода годных микросхем, значительно меньше, чем при изготовлении биполярных транзисторов.

Роль диэлектрика между затвором и каналом выполняет диоксид кремния SiO₂, что хорошо согласуется с основными технологическими процессами. В отличие от своего дискретного аналога полевые транзисторы с управляющим p-n-переходом значительно реже применяют в ИС, чем МОП-транзисторы.

Диоды, используемые в ИС, выполняют либо по технологии монолитных интегральных микросхем, либо применяют дискретные навесные. Для упрощения технологического процесса в монолитных ИС в качестве диодов используют транзисторы, выводы которых на стадии формирования контактов соединяют между собой.

Список использованной литературы

1. Гусев В.Г. "Электроника и микроэлектроника" 2006г.

Размещено на Allbest.ru