Тема 1.9. Интегральные микросхемы

Основные понятия микроэлектроники

Микроэлектроника представляет собой современное нап­равление электроники, которое охватывает проблемы, связанные с исследованием, разработкой, изготовлением и применением микроэлектронных устройств, т. е. электронных изделий с высо­кой степенью микроминиатюризации.

Главная особенность микроэлектроники-отказ от примене­ния дискретных электрорадиодеталей.

Вместо отдельных диодов, транзисторов, резисторов и др. в микроэлектронике используется принцип интеграции, т. е. объединения всех элементов и соеди­няющих их проводников в едином групповом технологическом процессе изготовления функциональных узлов и устройств микро­электронной аппаратуры. Эти изделия микроэлектроники носят, название интегральных микросхем.

Интегральная микросхема (ИМС) выполняет определенную функцию преобразования сигнала и представляет собой единое целое с точки зрения изготовления, упаковки, транспортировки и эксплуатации. Все ее элементы и соединительные проводники формируются в процессе изготовления в микрообъеме твердого тела — полупроводникового кристалла — или на поверхности подложки и имеют общую герметизацию и защиту от внешних механических воздействий и влаги. Количество элементов, или степень интеграции, в микросхеме может составлять тысячи и сотни тысяч в одном кристалле.

Кристаллом в полупроводниковой технике принято называть готовый полупроводниковый прибор (транзистор, диод) или микросхему без внешних выводов и корпуса.

Интегральная микросхема содержит элементы и компоненты.

Элементом интегральной микросхемы называют ее часть, которая выполняет функцию какого-либо одного электрорадиоэлемента, например транзистора, диода, резистора, и не может быть отделена от ИМС как самостоятельное изделие. Элемент нельзя отдельно испытать, упаковать и эксплуатировать, так как он изготовляется неразрывно с кристаллом ИМС.

Компонентом интегральной микросхемы также называют часть ИМС, выполняющую функцию какого-либо электрорадиоэлемента, но эта часть перед монтажом является самостоятельным комплектующим изделием в специальной упаковке и может быть отдельно испытана и принята, а затем установлена в изготовляемую ИМС. Компонент в принципе может быть выделен из изготовленной ИМС (например, бескорпусный транзистор в гибридной микросхеме).

Функциональная сложность схемы, показывающая уровень развития интегральной техники, характеризуется степенью интеграции.

Степень интеграции микросхемы, — это показатель сложности ИМС, определяемый числом содержащихся в ней элементов и компонентов.

Например, ИМС первой степени интеграции содержит до 10 элементов и компонентов включительно, второй степени — от 11 до 100 включительно, третьей степени — от 101 до 1000, четвертой — от 1001 до 10000 и т. д,

Элементы любых электронных схем делят на активные и пассивные.

Активным элементом называют элемент, обладающий свой­ством преобразования электрической энергии — выпрямления, усиления, генерирования, управления. К ним относятся, напри­мер, диоды, транзисторы и т. д.

Пассивными элементами являются резисторы, конденсаторы, катушки индуктивности

По характеру функционального назначения интегральные микросхемы делят на аналоговые, цифровые и комбинированные - аналого-цифровые.

Аналоговые (линейные) ИМС предназначены для генерирования и усиления гармонических сигналов, а также для детектирования, модулирования и т. д.

Цифровые (логические) ИМС используют для цифровой обработки информации, т. е. электрических сигналов, соответствую­щих двоичному или другому цифровому коду в вычислительной технике.

По типу основного активного элемента-тран­зистора-полупроводниковые ИМС делят на биполярные и МДП-микросхемы. Соответственно, отличается и технология из­готовления микросхем на базе структур биполярных и МДП- транзисторов. Рассмотрим кратко, как формируются активные и пассивные элементы в этих двух разновидностях полупроводниковых микросхем.

Наиболее важным и сложным элементом при изготовлении интегральной микросхемы является транзистор. Его структура служит базой для формирования всех остальных элементов ИМС (как активных, так и пассивных). Большинство биполярных транзисторов создается со струк­турой n-р-n, электрические характеристики которой лучше, чем у структуры р-n-р.

Тран­зисторы типа n-р-n характеризуются большим быстродействием и возможностью получения большего коэффициента передачи тока, так как подвижность электронов в несколько раз пре­вышает подвижность дырок.

Для изготовления элементов на основе транзисторной струк­туры используется планарная технология. При такой технологии элементы имеют плоскую структуру: р-n переходы и кон­тактные площадки выходят на одну плоскость полупроводни­ковой пластины — подложки, на поверхности и в объеме которой создаются элементы.

Разновидности планарной технологии — планарно-диффузионная и планарно-эпитаксиальная технология.

При планарно-диффузионной технологии для создания слоев полупроводника n-типа и р-типа примеси вводятся методом диф­фузии — перемещения частиц при их тепловом движении в нап­равлении, где их концентрация меньше.

При планарно-эпитаксиальной технологии используют метод эпитаксии: на пластину полупроводника, служащую подложкой, наращивают слои, кристаллическая решетка которых повторяет кристаллическую структуру пластины, как бы продолжая крис­талл. Одновременно с эпитаксиальным наращиванием полупро­водниковых слоев в них вводят требуемые примеси, получая области n-типа и р-типа. Формирования биполярных транзисторов n-р-n типа ос­новой служит монокристаллическая, т. е. имеющая правильную кристаллическую решетку, пластина кремния p-типа толщиной не более 50 мкм. Она служит подложкой.

1.9.2. Планарно-диффузи­онная технология

При планарно-диффузи­онной технологии (рис.9.1.) на поверхности этой подложки путем различных технологических процессов создают пленку двуокиси кремния Si0 2 (1), которая является защитной и изоляционной.

.

Рис. 9.1. Последовательность формирования биполярных транзисторов типа n-p-n при планарно-диффузионной технологии изготовления ИМС.

Затем вытравливают в этой пленке отверстия по количеству создаваемых транзисторов (2). В полученные окна методом диф­фузии вводят примеси, образующие слои n-типа. Они изолирова­ны друг от друга и от подложки р-n переходами, смещенными в обратном направлении.

Эти островки n-типа образуют коллек­торы транзисторов (3). На них наносится через специальные маски примесь, атомы которой диффундируют в n-слой и создают базы p-типа.

Таким же образом вводят примеси, создаю­щие вторую область n-типа — эмиттеры транзисторов (4). На полученные локальные структуры n-р-n напыляют металлизиро­ванные контакты и соединительные дорожки. На поверхности между контактами создается пленка Si0 2.

При создании n-р-n структур для транзисторов одновременно в этом же технологическом процессе на основе получаемых областей полупроводника с разными типами электропроводности создаются диоды и пассивные элементы микросхемы. Изоляция элементов может быть осуществлена р-n переходами или диэ­лектриками.

При использовании структуры полевых транзисторов наибольшее распространение получили транзисторы с изолиро­ванным затвором Для этого в интегральных микросхемах создают МДП-структуры, а при использовании в качестве диэлектрика под затвором двуокиси кремния Siо2 — МОП-структуры. Диоды и пассивные элементы также формируются на основе МДП- или МОП-структуры.

ИМС на основе этих структур изготовляют на кремниевой пластине п-типа или р-типа по планарной технологии. Конструкция ин­тегральных микросхем на МДП-транзисторах обеспечивает более высокую степень интеграции.