7. Технологические основы интегральных микросхем.

7.1. Основные понятия.

Обеспечение миньютеризации и надежности основано на создании интегральных микросхем.

ИМС – это электрическая схема с очень высокой плотностью упаковки (интеграции). Все элементы выполнены на одной плате (подложке). Каждая ИС предназначена для выполнения определенных функции с определенным сигналом (усиление, преобразование (по частоте, форме), выполнение логических функций).

Элементы ИМС делятся на активные (которые могут усиливать – транзисторы, диоды, тиристоры и др.) и пассивные.

7.2 Классификация интегральных микросхем.

а) По степени интеграции.

Если число элементов в интегральной схеме составляет 10 штук – 1я степень интеграции.

11-100 штук – 2я степень интеграции (малая степень интеграции).

10²-10³ – 3я степень.

10³-10⁴ – 4я степень. (3я и 4я – БИС).

и т.д. 10⁶ - … - СБИС.

б) По типу сигналов и функциональному назначению

Аналоговые и дискретные (в частном случае цифровые).

в) По типу подложки.

Бывает активная (из полупроводника, когда все элементы делаются внутри подложки), плёночная ИС (когда подложки делается из хорошего, хорошо обрабатываемого изолятора), на её поверхности наносятся (напыляются) плёночные пассивные элементы (RCL). Если требуется активный элемент, то его берут готовый полупроводниковый, безкорпусной с микровыводами, которые размещаются на этой подложке. Такая схема называется гибридной.

б) По степени интеграции.

Если число элементов в интегральной схеме составляет 10 штук – 1я степень интеграции.

11-100 штук – 2я степень интеграции (малая степень интеграции).

10²-10³ – 3я степень.

10⁴-10⁵ – 4я степень. (3я и 4я – БИС).

и т.д. 10⁶ - … - СБИС.

в) По типу сигналов и функциональному назначению

Аналоговые и дискретные (в частном случае цифровые).

7.3. Гибридные ИС.

Подложка – хорошо обрабатываемый диэлектрик.

1. Плёночный резистор.

Полоска резистивной плёнки, заканчивающейся контактами из полупроводников.

За основу расчёта взяли удельное поверхностное сопротивление [Ом/□].

[Ом/□].

Расчёт размеров осуществляется за счёт коэффициента формы ,

- сопротивление на схеме.

Пример.

= 10000 Ом.

1000 Ом/□.

10000 Ом / 1000 Ом/□ = 10□

Если размер большого номинала, то его делают в форме меандра.

И ногда используют:

2. Конденсатор.

.

Если требуется в схеме конденсаторы и резисторы больших номиналов, то их делают выносными (или используются специальные готовые элементы).

3. Индуктивность.

Плёночные проволоки в виде спирали.

L = 1-100 мкГн.

Ом.

Для получения нормальной добротности такие индуктивности можно использовать с очень и сверхбольшими частотами.

[Ом].

Если в схеме требуются большие индуктивности, то используют специальные электрические схемы – гираторы, которые имеют (на транзисторах и ёмкостях) индуктивный импеданс (сопротивление), или делают выносные элементы (глупо).

4. Соединения в соответствии заданной схемы.

Делаются проводниковыми плёнками.

5. Навесные элементы.

Транзисторы □ (1.1 (1.5) Χ 1.1 (1.5) мм) – безкорпусные.

6. Разработка топологии (размещения элементов на подложке).

Элементы расположены равномерно по подложке.

7.3.1. Методы нанесения плёнок и получение заданной конфигурации элементов.

а) Напыления (напыляемое вещество разогревается до испарения и затем осаждается на подложке). Применяется при тонкоплёночной технологии, где толщина плёнок 1 мкм.

Для получения заданной формы плёночной структуры используются два метода:

1. Метод фотолитографии;

2. Метод контактных бронзовых масок с окнами, через которые напыляется плёнка.

б) Толстоплёночные. Толщина плёнки >1 до 10 мкм.

Изготавливаются путём нанесения паст через специальные трафареты.

Гибридные ИС могут изготавливаться на заводе в виде лаборатории.

В ыбор толстоплёночной или тонкоплёночной технологии определяется двумя условиями: величина тока и мощности схемы, а также диапазон рабочих частот.

7.4. Полупроводниковые интегральные схемы.

Подложка является активной.

а) Физико-химические явления в полупроводниках, которые используются в ИС:

- кинетические явления (токи) – диффузионные и дрейфовые токи.

- контактные явления (p-n переход, металл-полупроводник – выводы из полупроводника, контакт металл-диэлектрик-полупроводник – МДП структуры).

- поверхностные явления на примере МДП (создание, индуцирование каналов в поверхностном слое МДП транзистора).

б) Классификация полупроводниковых ИС по типу транзисторов: - биполярные ИС;

- МДП ИС;

- иногда бывают комбинированные.

7.4.1. МИС на биполярных транзисторах.

а) Подложка (полупроводник) – наиболее часто используют Si. Достоинства:

- ширина запрещенной зоны (ЗЗ) – малые тепловые токи;

- окисел SiO₂ является хорошим диэлектриком или изолятором.

б) Биполярный транзистор обычно используется с вертикальной структурой построения, т.к. удобно осуществлять соединения на поверхности полупроводника. Все элементы этой схемы строятся на структуре транзистора.

Быстродействие транзистора является временем

, где - объёмное сопротивление коллектора,

- ёмкость коллекторного перехода.

, уменьшается.

Для этого создаётся n⁺ слой (хорошо проводящий), скрытый под коллектором. Кроме того n⁺ область выполняет функции экрана, изоляции от подложки.

В месте вывода коллектора при соединении металла (алюминия) с полупроводником может образоваться область с p-проводимостью, то есть может создастся ненужный p-n переход, сопротивление которого может быть различным и высоким, что не нужно в контакте. Для устранения этого создаётся n⁺ при контактной области. Главное – создать структуры транзистора такие, чтобы они позволили получить требуемые характеристики транзистора. Все остальные элементы строятся на основе этих структур.

в) Диод. В качестве диода можно использовать любой из p-n переходов транзистора, например эмиттерный.

г) Резистор. В качестве резистора можно использовать любую область.

д) Пинч-резистор.

Разброс номинала 100%.

е) Конденсаторы.

В качестве конденсатора можно использовать барьерную ёмкость p-n перехода, но надо учитывать то, что к нему надо прикладывать обратное напряжение и ёмкости получаются небольшими, исчисляемые сотнями пФ. Поэтому чаще используют МДП структуры:

Нижней обкладкой конденсатора является n⁺ эмиттерная область.

ж) Индуктивности.

Спирали из проводящих плёнок (так же, как и в гибридных ИС), но лучше использовать гираторы, но еще лучше не использовать индуктивности.

Изоляция элементов подложки.

а) Изоляция p-n переходами.

Создаётся область р.

б) Диэлектрическая изоляция.

Каждый элемент располагается внутри диэлектрической коробочки.

SiO₂ – самая хорошая изоляция. Самая плохая изоляция – резистивная (физическая).

Физическая – воздушная изоляция.

Ненужные части подложки вытравливаются, а конструкция держится за счёт мощных балочных выводов.

7.4.2. Планарные технологии.

Когда каждая структура элементов создаётся одновременно путём последовательных циклов (т.е. сначала создаются коллекторные, потом базовые и т.д.), причём все элементы в кристалле располагаются равномерно (планово), а соединения делаются на поверхности с помощью методов напыления проводящих плёнок (например, алюминия).

7.4.3. Групповой метод.

Когда на одной пластине (5-7 см) создаются сотни тысяч однотипных ИС, определяются годные ИС (порядка 20%, т.к. с помощью случайных газо-фазовых методов), затем пластина разрезается (скрайбируется) на отдельные кристаллы – ИМС, и годные устанавливаются в корпус и т.д.

7.4.4. Методы создания структур в полупроводнике.

Диффузия, эпитаксия, окисление.

Диффузия – перемещение частиц в сторону их меньшей концентрации. Обычно разогревают диффундируемое вещество до температуры испарения и частицы проникают в полупроводник.

При диффузии концентрация диффундирующих частиц уменьшается.

Можно инвертировать тип проводимости.

Э питаксия – это направленное наращивание за счёт кристаллизации полупроводника (доведенного до испарения) на другой полупроводник, когда кристаллическая структура одного полупроводника является продолжением кристаллической структуры другого.

Окисление – это получение слоя SiO₂.

Во всех ИС используются методы диффузии и окисления.

В названии типа ИС содержится способ изготовления и тип изоляции элементов. Так как при изготовлении всех типов ИС используется диффузия, то это слово не используется. Планарная ИС на БПТ с изоляцией p-n перехода (т.е. для изготовления используется только диффузия). Планарно-эпитаксиальная биполярная ИС с диэлектрической изоляцией (т.е. используется и диффузия и эпитаксия).

7.4.5. Полупровдниковые МДП интегральные микросхемы.

Размеры МДП транзисторов меньше чем биполярных транзисторов. Поэтому можно получить большую степень упаковки (интеграции элементов) в кристалле (в схеме). Эти схемы обладают меньшим быстродействием, но экономичны в потреблении электроэнергии.

Бывают МДП и КМДП (Комплиментарные МДП – пары транзисторов).

Комплиментарные - транзисторы с разными типами проводимости, но с одинаковыми характеристиками.

Комплиментарная пара:

Работа:

Если на входе 0(-), то VT2 закрыт, а VT1 открыт, на выходе будет 1. VT2 закрыт, так как напряжение на затворе VT2 = 0, VT1 при этом открыт, так как U_ЗИVT1 = 0 – (+E_П) = -E_П

Если на входе логическая единица, то VT2 открывается и шунтирует выход – на выходе логический ноль, VT1 закрыт.

То есть в схеме в любых состояниях один из транзисторов закрыт и схема не потребляет тока, поэтому значительная экономия электроэнергии. Потребление тока возникает только в момент переключения схемы за счет перезаряда паразитных емкостей.

Структура.

p - канал

n - канал

p+

p+

n+

n+

p_пр

n

7.4.6. Критерии выбора гибридной или полупроводниковой технологии.

Преимущества гибридных интегральных схем:

• большие мощности сигналов;

• СВЧ

• Аналоговые схемы.

А в основном всё можно делать на полупроводниковых схемах. Если партия меньше 10000 штук, то полупроводниковую технологию настраивают напрасно.