Общие сведения об интегральных схемах микроэлектроники

Интегральная микросхема (ИМС) – это микроэлектронное изделие, способное выполнять определенную функцию преобразования и обработки сигнала (или накопления информации) и содержащее не менее пяти нераздельно связанных и электрически соединенных элементов и компонентов (рис.1).

Рисунок 1 – Внешний вид интегральных микросхем

В ИМС формирование активных (транзисторы, диоды), пассивных (резисторы, конденсаторы) и соединительных элементов происходит на поверхности или в объеме полупроводникового монокристалла, или на поверхности диэлектрической подложки. Эти процессы изготовления элементов и их соединений объединены в едином технологическом цикле в стенах одного предприятия.

Каждая ИМС выполняет функции многих элементов при значительном снижении числа внутренних соединений. Создание специальных технологий при изготовлении ИМС, применение особо чистых материалов, использование минимального количества внутрисхемных соединений, защищенных прочным покрытием, позволили значительно повысить надежность радиоэлектронной аппаратуры (РЭА), преодолеть противоречия между возросшими требованиями к надежности электронных систем и их усложнением. Комплексное изготовление различных элементов ИМС позволило сократить нерациональные технологические операции, резко уменьшить массу и объем электронных изделий, снизить потребление ими электрической энергии и стоимость электронной аппаратуры.

Элемент интегральной микросхемы – это такая ее часть, которая выполняет функцию какого-либо электро- или радиоэлемента (резистора, конденсатора, диода, транзистора) и составляет с кристаллом (подложкой)нераздельное изделие.

Компонент ИМС – это ее часть, которая выполняет функцию какого-либо радиоэлемента. Однако эта часть в начальной стадии производства представляет собой самостоятельное изделие в ИМС в процессе дальнейшего ее изготовления. Компонент в принципе может быть отделен от изготовленной ИМС.

Под кристаллом ИМС понимают пластинку (обычно из монокристаллического кремния), в объеме и на поверхности которой сформированы элементы микросхемы, межэлементные соединения и контактные площадки.

С точки зрения интеграции (объединения) элементов основными параметрами ИМС являются плотность упаковки и уровень (степень) интеграции.

Плотность упаковки оценивается числом элементов электронной схемы в 1 см³ объема ИМС. Уровень интеграции ИМС определяется количеством входящих в нее элементов. В отечественной практике уровень интеграции принято характеризовать коэффициентом интеграции К_и, равный десятичному логарифму от числа элементов n_э

К_и=lg n_э.

В соответствии со значением этого коэффициента по числу элементов n_э различают ИМС первой степени интеграции - Ки=1 (n_э<10), второй - Ки=2 (n_э от11 до 100), третьей - Ки=3 (n_э от101 до 1000) и т.д. Их иногда обозначают ИС1, ИС2, ИС3.

Классификация ИМС

Интегральные микросхемы (ИМС) различаются по отдельным признакам, которые позволяют определить особенности конструкции и технологию построения, физические принципы работы, свойства и особенности эксплуатации интегральных микросхем. Рассмотрим основные признаки, по которым классифицируются интегральные микросхемы.

1. По технологии изготовления

По технологии изготовления различают монолитные и пленочные интегральные микросхемы.

В монолитных ИМС все элементы выполняются на одной общей (обычно кремниевой) подложке. Монолитные ИМС удовлетворяют требованиям массового производства с высокой степенью интеграции. Их характеристики некритичны к разбросу параметров пассивных элементов, температуре нестабильности, влиянию паразитных связей. Монолитные ИМС обладают высокой надежностью благодаря пассивации элементов в процессе производства и сравнительно малого числа сварных соединений – одной из основных причин отказов ИМС.

Пленочные — все элементы и межэлементные соединения представляют собой пленки, нанесенные на диэлектрическую подложку. Пленочная технология делится на два направления, связанных соответственно с использованием тонких или толстых пленок (соответственно ИМС называются тонкопленочными или толстопленочными). Тонкопленочные, с толщиной пленки от 1—3 мкм, создаются методом термовакуумного распыления специальных проводящих и резистивных паст. Толстопленочные, толщиной от 3—5 мкм, создаются методом вжигания специальных проводящих и резистивных паст.

2. По конструктивно-технологическим признакам

Полупроводниковые ИМС (ПИМС)– это монолитные ИМС, у которых все элементы и межэлементные соединения выполнены в объеме и на поверхности полупроводника.

Активные и пассивные элементы микросхемы (транзисторы, диоды, резисторы, конденсаторы) избирательно формируют в одном монокристалле. В местах, где должен осуществляться контакт дорожек с кремнием (в области эмиттера, базы, коллектора транзистора и т.д.), имеются окна в пленки оксида. Для соединения элементов микросхемы с ее выводами на проводящих дорожках создаются расширенные контактные площадки, методом напыления иногда изготавливают также резисторы и конденсаторы.

Особенность ПИМС в том, что все элементы изготавливают одновременно в едином технологическом цикле, отдельные операции которого (окисление, травление, диффузия, эпитаксия) выполняются в одной и той же среде. Их активные элементы изготавливаются в монокристалле полупроводника, вследствие чего получаются хорошие электрические характеристики.

Пассивные элементы обладают следующими недостатками: ограничен диапазон их номиналов; велик разброс параметров; полупроводниковые резисторы и конденсаторы в виде p-n-переходов имеют существенную зависимость температурных параметров, многочисленны в них паразитные связи между элементами, значительны емкости, отделяющие резисторы от полупроводниковой подложки.

Несмотря на указанные недостатки, ПИМС остаются одним из наиболее перспективных направлений в микроэлектронике, т.к. позволяют получить малогабаритные, надежные, достаточно сложные в функциональном отношении схемы при малой стоимости. Отмеченные выше недостатки ПИМС устранены в монолитных ИМС, изготовленных по совмещенной технологии.

Совмещенные ИМС – это монолитные ИМС, с полупроводниковой подложкой, в кристалле которой сформированы активные элементы, а на ее поверхностной пленке диоксида кремния – тонкопленочные пассивные элементы. Тонкопленочные схемы изготавливают методом напыления в вакууме или анодного окисления токопроводящих, резистивных и диэлектрических пленок толщиной до 1 мкм. В толсто пленочных схемах токопроводящие, резистивные и диэлектрические слои толщиной 1÷25 мкм наносят методами трафаретной печати или литографии. ИМС, изготовленные по совмещенной технологии, сочетают высокую степень монолитных ИМС с хорошими электрическими параметрами. Однако эти достоинства совмещенных ИМС достигаются за счет увеличения числа технологических операций и их усложнения, что удорожает изделия.

Совмещенные ИМС в основном выпускают для микроваттного диапазона, где требуются большие номиналы сопротивлений в сочетании с малыми размерами и малыми температурными коэффициентами элементов. Менее трудоемки и просты в изготовлении гибридные ИМС.

Гибридные ИМС (ГИМС)– это сочетание монолитных полупроводниковых и пленочных схем с дискретными элементами и компонентами. В ГИМСе на изолирующей подложке изготовлены пленочные резисторы, индуктивности, контактные площадки, на которые напаиваются дискретные активные элементы – бескорпусные транзисторы, диоды со специальным влагостойким покрытием. ГИМС позволяют использовать преимущества пленочной технологии в сочетании с полупроводниковой. Резисторы и конденсаторы, полученные методами пленочной технологии, обладают высокой точностью параметров, малой их температурной зависимостью и при небольших размерах могут иметь большие номиналы. Отсутствие общей подложки, являющейся базовой пластиной для формирования всех элементов, ослабляет паразитные связи элементов и компонентов.

По сравнению с монолитными схемами ГИМС обладают меньшей надежностью (из-за большого числа сварных соединений) и более высокой стоимостью. ГИМС наиболее перспективны для устройств с относительно небольшим числом активных элементов.

3. По функциональному назначению

Аналоговые микросхемы выпускают, как правило, функционально незавершенными. Это обусловлено большим разнообразием схем аналоговых устройств, необходимостью использования микросхем на различных частотах, с различными видами нагрузки, а также отсутствием в схемах конденсаторов и катушек индуктивности больших номиналов. В ряде устройств используют внешние катушки и конденсаторы, пьезокерамические и кварцевые фильтры. Большую группу аналоговых микросхем составляют усилители. Кроме того, выпускают генераторные МС, детекторы, модуляторы, многофункциональные ИМС.

Цифровые микросхемы имеют большую функциональную законченность и универсальность, что позволяет создать аппаратуру с минимальным числом дискретных компонентов. Они допускают большие отклонения параметров, что упрощает их использование и эксплуатацию. Цифровые микросхемы широко используются в вычислительной технике, промышленной автоматике, устройствах связи и обработки данных, бытовой аппаратуре. В цифровой аппаратуре до 95% узлов выполняется на микросхемах, тогда как в аналоговых устройствах – в среднем 70%. К цифровым ИМС относятся логические МС, счетчики, регистры, шифраторы и дешифраторы, микропроцессоры.