Пленочные индуктивности

Пленочные индуктивности применяются в качестве элементов фильтров, в целях коррекции частотных характеристик колебательных контуров и др.

Индуктивность в пленочных ИМС выполняется в виде спиралей различной конфигурации.

Расчет значения индуктивности проводится по эмпирическим зависимостям между ее конструктивными размерами и параметрами пленки, из которой она изготовлена. Большая площадь, занимаемая индуктивностью, S=1- 10см2, не позволяет применять в схемотехнике большие значения L> 0,5 мкГн, что ограничивает ее в низкочастотных схемах. Для уменьшения активных потерь толщина пленки выбирается 20-30мкм (толстопленочная технология). В тонкопленочных ГИС увеличение толщины достигается дополнительным наращиванием пленки гальваническим путем.

Для получения приемлемой добротности Q20 выбирается материал с малым удельным сопротивлением: медь, серебро, алю­миний.

Пленочные проводники и контактные площадки (пп и кп)

Для соединения в общую схему элементов и компонентов ГИС применяют пленочные коммутационные проводники. Контактные площадки необходимы для присоединения микросхемы к выводам корпуса. Пленочные проводники и контактные площадки должны обеспечивать надежный низкоомный, невыпрямляющий и малошумящий контакт с элементами микросхемы. Одновременно, являясь конструктивным элементом микросхемы, обкладки конденсатора должны быть технологически совместимы с другими элементами.

Требования, предъявляемые к ПП и КП, в ряде случаев противоречивы. Например, увеличение ширины ПП приводит к уменьшению его индуктивности, но одновременно к увеличению емкости относительно подложки и расположенных близко элементов; материалы с низким значением удельного сопротивления, как правило, имеют плохую адгезию (сцепление) к подложке. Если ПП одновременно является контактной площадкой, то его максимальная и минимальная толщина определяется возможностью формирования надежного контакта с внешними выводами. Образование контактных пар на основе проводящих и резистивных слоев выдвигает определенные требования к термическому коэффициенту расширения. При заданном удельном сопротивлении минимальная ширина проводящей пленки определяется предельно допустимой плотностью тока и теплового сопротивления системы проводник - окружающая среда.

Перечисленные ограничения предопределяют возможную толщину ПП в пределах 0,1-10 мкм и ширину КП 50-350 мкм.

Полупроводниковые интегральные микросхемы

Полупроводниковые ИМС (п/п ИМС) имеют по сравнению с пленочными ряд преимуществ:

• высокая степень интеграции (до 10 элементов на мм2);

• высокая надежность;

• меньшие геометрические размеры (объем ИМС 0,12 мм3);

• малая потребляемая мощность;

• высокая функциональная сложность.

Однако п/п ИМС имеют и ряд недостатков, предопределяющих технико-экономические показатели их производства:

• большое количество технологических операций;

• ограниченность номинальных значений параметров элементов;

• значительная температурная зависимость характеристик элементов;

• подверженность радиационному воздействию;

• высокие требования к проведению технологического процесса;

• наличие паразитных связей между элементами.

В зависимости от конструктивно-технологического исполнения п/п ИМС разделяются на биполярные ИМС, ИМС на МДП - структурах.

Основные их различия:

• биполярные ИМС способны обрабатывать сигналы большей мощности (при увеличении потребляемой мощности);

• элементы БИМС занимают большую площадь;

• для БИМС количество технологических операций на 30-50 % больше, чем для МДП ИМС;

• необходимость изоляции элементов в ИМС;

• необходимость создания широкого диапазона номиналов резисторов для формирования режимов работы транзистора в БИМС;

• высокое входное сопротивление для МДП ИМС;

• малая потребляемая мощность на элемент;

• исключение из схемотехники и конструкции МДП ИМС резисторов.

Однако для БИМС и МДП ИМС общим является применение эпитаксиально-планарной технологии, включающей базовые технологические процессы: эпитаксию, окисление, диффузию, ионную имплантацию, фотолитографию, плазмохимическое травление, металлизацию, сборку.

Элементы полупроводниковых ИМС

В п/п ИМС можно выделить следующие элементы: подложку, транзистор, диод, резистор, конденсатор, межсоединения, контактные площадки, изоляцию элементов (рис. 111).

Рис. 111 – Структура ПП –ых ИМС

Подложки полупроводниковых ИМС

В качестве подложек полупроводниковых ИМС могут быть использованы полупроводниковые и диэлектрические материалы. Подложка полупроводниковых ИМС выполняет ряд определенных функций:

• в ее объеме или эпитаксиальном слое, выращенном на поверхности подложки, формируются структуры элементов ИМС;

• подложка является несущей конструкцией ИМС;

• через подложку производится отвод тепла, выделяемого в элементах ИМС, на корпуса.

Физические свойства материала подложки (или эпитаксиального слоя) во многом определяют параметры элементов ИМС. Так, увеличение ширины запрещенной зоны повышает температурный диапазон и рабочие напряжения при малых токах утечки, увеличение подвижности носителей расширяет частотный диапазон работы ИМС в области высоких частот.

К подложкам предъявляют ряд требований:

• высокая чистота. Количество примесей не должно превышать норму;

• качество обработки поверхности не ниже 14-го класса;

• отклонение ориентации кристаллической решетки от заданной не более 10' - 20';

• плоскостность рабочей поверхности должна быть не ниже 0,1-1 мкм.

Материал	Хим. символ	Температура плавления, 0C	Плотность, г/см3	Ширина запрещен, зоны при темп. 300К, эВ	Подвижность носителей заряда при темп. 300К, см2/(Вс)
					электр.	дырок
Кремний	Si	1412	2,328	1,09	1450	480
Германий	Ge	958	5,35	0,66	3900	1900
Арсенид галлия	GaAs	1237 (при 1 ат)	5,4	1,43	8800	400
Фосфид галлия	GaP	1500 (при 30 ат)	4.1	2,25	300	150
Фосфид индия	InP	1058 (при 25 ат)	4,8	1.34	4600	150
Арсенид индия	In As	942 (при 0.33 ат)	5,68	0,46	33000	460
Антимония галлия	GaSb	712	5,65	0.67	4000	1
Антимония индия	InSb	525	5,71	0,18	77000	700
Сульфид кадмия	CdS	1475 (при 3.8 ат)	4.82	2.48	350	15
Селения кадмия	CdSe	1239 (при 0.41 ат)	5,81	1.85	650	—
Сульфид свинца	PbS	1114	5.9	0,41	200	300

Среди приведенных материалов, несмотря на существенное различие физических свойств, кремний имеет наиболее широкое распространение, так как только на его поверхности возможно формирование оксида кремния, являющегося хорошим маскирующим покрытием при проведении процессов легирования и одновременно защитным диэлектрическим покрытием. При изготовлении полупроводниковых ИМС наибольшее применение получили двухслойные подложки (с эпитаксиальным слоем). Выращивание эпитаксиального слоя позволяет формировать заданное значение удельного сопротивления, тип его проводимости и различное распределение примеси по толщине, что во многом предопределяет параметры коллекторного слоя, формирующегося в ЭС. Так, для снижения сопротивления коллекторного слоя на границе ЭС — подложка формируется низкоомный n⁺-слой (скрытый слой). Маркировка подложек с эпитаксиальным и скрытым слоем представлена следующим образом:

100 - диаметр подложки;

10,300 - толщина эпитаксиального слоя и подложки соответственно;

КЭФ - кремний (эпитаксиальный слой) электронной проводимости (n-типа), легированный фосфором;

0,2/ - удельное сопротивление ЭС, Омсм;

КДБ - кремний (подложка) дырочной проводимости (p-типа);

10 - удельное сопротивление, Омсм;

2 - толщина скрытого слоя, мкм;

КЭМ - кремний (скрытый слой) электронной проводимости (n-типа), легированный мышьяком;

5 - удельное поверхностное сопротивление, Омсм.

Для изготовления ИМС с улучшенными изоляционными свойствами и повышенной радиационной стойкостью используют заказные пластины диаметром 40 мм из поликристаллического кремния, в котором сформированы «карманы» монокристаллического кремния п-типа, изолированные слоями оксида (нитрида) кремния, и пластины гетероэпитаксиальных структур кремния на сапфире. Последние применяются также для изготовления термисторов и тензочувствительных датчиков. В этом случае используют профилированные сапфировые подложки, в которых формируют профиль заданной технологии и глубины, а слой кремния наносят на плоской стороне.

Для изготовления запоминающих и логических устройств большой емкости и повышенной надежности при малом потреблении энергии используют эпитаксиальные структуры магнитных гранатов. При этом выпускаемые промышленностью пластины диаметром 40 мм представляют собой подложки из Cd Ga О толщиной 500 мкм с эпитаксиальным слоем из (YSmGa) (Fe.Ge) О толщиной 4-6 мкм.

Изготовление микроэлектронных СВЧ - изделий, солнечных батарей и зарядных устройств бытовой электроники основано на использовании пластин из GaAs. Для этих целей служат пластины с эпитаксиальной структурой GaAs-AI диаметром 35-50 мм и толщиной 350-450 мкм. Разработаны и выпускаются эпитаксиальные р-n-структуры GaP, которые являются основой для изготовления цифро-буквенных индикаторов в дискретном исполнении.