Полупроводниковые ИС

В настоящее время различают следу­ющие полупроводниковые ИС: биполярные, МОП (металл-оки­сел-полупроводник) и БИМОП. Последние представляют собой сочетание первых двух, и в них комбинируются положительные их качества.

Технология полупроводниковых ИС основана на легирова­нии полупроводниковой (кремниевой) пластины поочередно донорными и акцепторными примесями, в результате чего под поверхностью образуются тонкие слои с разным типом прово­димости и p-n-переходы на границах слоев. Отдельные слои ис­пользуются в качестве резисторов, а p-n-переходы – в диод­ных и транзисторных структурах.

Легирование пластины приходится осуществлять локально, т.е. на отдельных участках, разделенных достаточно большими расстояниями. Локальное легирование осуществляется с помо­щью специальных масок с отверстиями, через которые атомы примеси проникают в пластину на нужных участках. При изго­товлении полупроводниковых ИС роль маски обычно играет пленка двуокиси кремния Si0₂, покрывающая поверхность крем­ниевой пластины. В этой пленке специальными методами грави­руется необходимая совокупность отверстий различной формы или, как говорят, необходимый рисунок
(рис. 10.4). Отверстия в масках, в частности в окисной пленке, называют окнами.

Кратко охарактеризуем составные части (элементы) полупроводниковых ИС. Основным элементом биполярных ИС является n-p-n-транзистор. На его изготовление ориентируется весь технологический цикл. Все другие элементы должны изго­тавливаться, по возможности, одновременно с этим транзисто­ром, без дополнительных технологических операций.

Основным элементом МДП ИС является МДП-транзистор. Изготовление других элементов также подстраивается под ба­зовый транзистор. Элементы биполярной ИС необходимо тем или иным спосо­бом изолировать друг от друга с тем, чтобы они не взаимодейст­вовали через кристалл.

Элементы МОП ИС не нуждаются в специальной изоляции друг от друга, так как между смежными МОП-транзисторами взаимодействия не существует. В этом – одно из главных преимуществ МОП ИС по сравнению с биполярными.

Характерная особенность полупроводниковых ИС состоит в том, что среди их элементов отсутствуют катушки индуктивно­сти и, тем более, трансформаторы. Это объясняется тем, что до сих пор не удалось использовать в твердом теле какое-либо фи­зическое явление, эквивалентное электромагнитной индукции. Поэтому при разработке ИС стараются реализовать необходи­мую функцию без использования индуктивностей, что в боль­шинстве случаев удается. Если же катушка индуктивности или трансформатор принципиально необходимы, их приходится ис­пользовать в виде навесных компонентов.

Размеры кристаллов у современных полупроводниковых ИС достигают 20 х 20 мм². Чем больше площадь кристалла, тем бо­лее сложную, более многоэлементную ИС можно на нем размес­тить. При одной и той же площади кристалла можно увеличить количество в нем элементов, уменьшая их размеры и расстояния между ними.

Функциональную сложность ИС принято характеризовать степенью интеграции, т.е. количеством элементов (чаще всего транзисторов) на кристалле. Максимальная степень интегра­ции составляет 10⁶ элементов на кристалле. Повышение степе­ни интеграции (а вместе с нею и сложности функций, выполня­емых ИС) – одна из главных тенденций в микроэлектронике.

Для количественной оценки степени интеграции используют условный коэффициент:

k = lg N.

В зависимости от его значения интег­ральные схемы называются по-разному:

Кроме степени интеграции, используют еще такой показа­тель, как плотность упаковки – количество элементов (чаще всего транзисторов) на единицу площади кристалла. Этот пока­затель, который характеризует, главным образом, уровень тех­нологии, в настоящее время составляет до 500 - 1000 элемен­тов на 1 мм².

Гибридные ИС

Пленочные, а значит, и гибридные ИС в за­висимости от технологии изготовления делятся на толсто- и тонкопленочные.

Толстопленочные ГИС (обозначим их ТсГИС) изготавливают­ся весьма просто. На диэлектрическую пластинку-подложку на­носят пасты разного состава. Проводящие пасты обеспечивают межсоединения элементов, обкладки конденсаторов и выводы к штырькам корпуса; резистивные – получение резисторов; диэ­лектрические – изоляцию между обкладками конденсаторов и общую защиту поверхности готовой ГИС. Каждый слой должен иметь свою конфигурацию, свой рисунок. Поэтому при изготов­лении каждого слоя пасту наносят через свою маску (трафа­рет) с окнами в тех местах, куда должна попасть паста данно­го слоя. После этого приклеивают навесные компоненты и сое­диняют их выводы с контактными площадками.

Тонкопленочные ГИС (обозначим их ТкГИС) изготавливают­ся по более сложной технологии, чем ТсГИС. Классическая тонкопленочная технология характерна тем, что пленки осаж­даются на подложку из газовой фазы. Вырастив очередную пленку, меняют химический состав газа и, тем самым, электро­физические свойства следующей пленки. Таким образом, поочередно получают проводящие, резистивные и диэлектрические слои. Конфигурация (рисунок) каждого слоя определяется либо трафаретом, как в случае ТсГИС, либо маской, подобно окисной маске в полупроводниковых ИС (см. рис.143).

Навесные элементы в ТкГИС, как и в ТсГИС, приклеивают на поверхность готовой пленочной части схемы и соединяют с соответствующими контактными площадками элементов.

Степень интеграции ГИС не может оцениваться так же, как в случае полупроводниковых ИС. Тем не менее, существует тер­мин большая ГИС (или БГИС), который означает, что в состав ГИС в качестве навесных компонентов входят не отдельные транзисторы, а целые полупроводниковые ИС.

5.3. Особенности интегральных схем как нового
типа электронных приборов

Поскольку ИС, подобно транзистору, представляет собой кон­структивное единое целое, выполняет определенную функцию и должна удовлетворять определенным требованиям при испыта­ниях, поставках и эксплуатации, она относится к разряду элект­ронных приборов. Однако по сравнению с диодом, транзистором и т.п. ИС является качественно новым типом прибора.

Первая – главная особенность ИС как электронного прибо­ра состоит в том, что она самостоятельно выполняет закончен­ную, часто весьма сложную функцию, тогда как элементарные электронные приборы выполняют аналогичную функцию толь­ко в ансамбле с другими компонентами. Например, отдельный транзистор не может обеспечить усиление сигнала или запоми­нание информации. Для этого нужно из нескольких транзисто­ров, резисторов и других компонентов собрать (спаять) соответ­ствующую схему. В микроэлектронике же указанные функции выполняются одним прибором – интегральной схемой. Она мо­жет быть усилителем, запоминающим устройством и т.п.

Второй важной особенностью ИС является то, что повыше­ние функциональной сложности этого прибора по сравнению с элементарными не сопровождается ухудшением какого-либо из основных показателей (надежности, стоимости и т.п.). Более того, все эти показатели улучшаются.

Поскольку габариты и масса простых и средних ИС близки к габаритам и массе дискретных транзисторов, то можно считать, что в первом приближении выигрыш по этим показателям при переходе от дискретных схем к интегральным определяется степенью интеграции и может достигать сотен и тысяч раз.

Поскольку надежность работы полупроводникового прибора в аппаратуре определяется, прежде всего, количеством паяных и (в меньшей степени) сварных соединений, то ИС, у которых межсоединения элементов осуществляются путем металлиза­ции (т.е. без пайки и сварки), обладают заведомо повышенной надежностью по сравнению с дискретными схемами, выполня­ющими ту же функцию. По мере увеличения степени интегра­ции этот выигрыш возрастает.

Поскольку все элементы ИС изготавливаются в едином тех­нологическом цикле, то количество технологических операций по их изготовлению не намного превышает количество опера­ций по изготовлению отдельного транзистора. Поэтому стои­мость ИС при прочих равных условиях близка к стоимости од­ного транзистора. Значит, в зависимости от степени интегра­ции (или, точнее, от плотности упаковки), стоимость одного элемента ИС по сравнению со стоимостью аналогичного диск­ретного компонента может быть в сотни раз меньше. Такое же соотношение существует между стоимостью ИС и стоимостью аналогичной схемы, выполненной на дискретных компонентах.

Третья особенность ИС состоит в предпочтительности актив­ных элементов перед пассивными – принцип, диаметрально противоположный тому, который свойствен дискретной транзи­сторной технике. В последней активные компоненты, особенно транзисторы, наиболее дорогие, и потому оптимизация схемы при прочих равных условиях состоит в уменьшении количества активных компонентов. В ИС дело обстоит иначе: у них задана стоимость не элемента, а кристалла; поэтому целесообразно раз­мещать на кристалле как можно больше элементов с минималь­ной площадью. Минимальную площадь имеют активные элемен­ты – транзисторы и диоды, а максимальную – пассивные. Сле­довательно, оптимальная ИС – это ИС, у которой сведены к минимуму количество и номиналы резисторов и, особенно, кон­денсаторов.

Точный выигрыш в габаритах и массе трудно оценить теоретическим расче­том, так как ИС имеют другие типоразмеры корпусов и большее число выво­дов, чем элементарные компоненты.

Четвертая особенность ИС связана с тем, что смежные эле­менты расположены друг от друга на расстоянии, измеряемом в микрометрах или долях микрометра. На таких малых расстояниях различие электрофизических свойств материала маловероятно, а, следова­тельно, маловероятен и значительный разброс параметров у смежных элементов. Иначе говоря, параметры смежных элемен­тов взаимосвязаны (коррелированы). Эта корреляция сохраня­ется и при изменении температуры: у смежных элементов тем­пературные коэффициенты параметров практически одинаковы. Корреляция между параметрами смежных элементов использу­ется при проектировании некоторых ИС с целью снизить влия­ние разброса параметров и изменений температуры.

Гибридные ИС тоже представляют собой тип электронных приборов. Однако наличие навесных компонентов делает их ме­нее специфичными, чем полупроводниковые ИС. Остается в силе фундаментальная черта всякой ИС – функциональная сложность прибора, что, как и при использовании полупровод­никовых ИС, качественно меняет структуру электронной аппа­ратуры. Спецификой ГИС как прибора могут быть либо высокие номиналы резисторов и конденсаторов, недостижимые в полу­проводниковых ИС, либо прецизионность резисторов, либо, на­конец, повышенная функциональная сложность. Гибридные ИС – это гиб­кий, дешевый, оперативно проектируемый тип ИС, хорошо при­способленный к решению специальных, частных задач.