Общие сведения об интегральных микросхемах

Постоянно возрастающие требования к радио­электронной аппаратуре (РЭА) удовлетворяются благо­даря микроминиатюризации устройств.

Интегральной микросхемой (ИМС) называется мик­роэлектронное изделие, состоящее из комплекса элек­трически связанных активных и пассивных элементов, объединенных в кристалле или на общей подложке в ви­де функционально завершенного узла. Технология изго­товления, при которой совмещаются процессы изготов­ления электрорадиодеталей и соединений между ними, называется интегральной. Микросхемы разделяют по технологическим методам их изготовления на полупро­водниковые, пленочные, совмещенные и гибридные.

На основе достижений физики, химии, металлургии и других отраслей стало возможным создавать интег­ральные микросхемы со степенью интеграции до несколь­ких тысяч элементов на 1 мм².

В полупроводниковом кристалле или на диэлектри­ческой подложке размещают активные и пассивные эле­менты, соединяют их между собой проводниками и изо­лирующими прослойками. К активным элементам отно­сятся транзисторы и диоды; пассивными являются рези­сторы, конденсаторы и элементы индуктивности. Про­водниками часто являются пленочные полоски из алю­миния, а также благородных металлов и их сплавов Широко распространены как мик­росхемы с элементами, размещенными в объеме или на поверхности, так и микросхемы, часть элементов которых являются навесными; навесные элементы называются компонентами.

Полупроводниковые ИМС выполняются в объеме моно- или поликристаллического полупроводника с ис­пользованием его поверхности. Активные и пассивные элементы занимают локальные (местные) области, раз­деленные изолирующими прослойками, через которые проведены электрические соединения. Полупроводнико­вые ИМС имеют наиболее высокую степень интегра­ции: плотность элементов достигает нескольких тысяч в 1 см³; они обладают максимальной надежностью, так как количество соединений в них сведено к минимуму. Предпочтительным материалом для полупроводниковых ИМС является кремний, так как он обладает хорошими технологическими и рабочими характеристиками и удов­летворительной стабильностью параметров; его окисная пленка SiO₂ отличается защитными (изолирующими) свойствами.

Технология производства полупроводниковых (кремниевых) ИМС принципиально не отличается от традиционной технологии из­готовления дискретных компонентов — транзисторов, диодов и дру­гих полупроводниковых приборов. Отличие состоит в том, что все активные и пассивные элементы ИМС, локализованные в едином кристалле, взаимно электрически изолированы и, кроме того, соеди­нены между собой в зависимости от функционального назначения.

Для создания структур элементов схемы — транзисторов, резисторов и др. — применяют планарную с тройной диффузией и эпитаксиально-планарную техно­логию, фотолитографию, химическое травление и другие методы обработки. Технологический процесс состоит из более чем 100 операций, как правило, автоматизирован и управляется при помощи ЭВМ.

Диффузией называется введение легирующих при­месей третьей или пятой группы элементов таблицы Менделеева в чистый полупроводниковый кристалл. Диффузия применяет­ся для создания р-п переходов. От количества внедрен­ных примесей зависит электропроводность участков кри­сталла. Глубина диффузионного слоя не превышает 3— 5 мкм.

Окисление — получение окисной пленки на по­верхности участка кристалла осуществляется воздейст­вием перегретого насыщенного кислородом водяного па­ра на участки кристалла при температуре около 1000°С. Толщина пленки и скорость ее наращивания зависят от концентрации кислорода в паровой фазе и температу­ры. Толщина обычно не превышает 1,5 мкм.

Фотолитография предшествует химическому травле­нию участков кристалла. Фотолитография состоит в на­несении защитной пасты — фоторезиста на поверхность кристалла, подготовке фотомасок-трафаретов и их сов­мещении с кристаллами, облучении ультрафиолетовыми лучами и последующей химической обработке, промывке и сушке. Метод фотолитографии обладает разреша­ющей способностью в 200 и более линий на миллиметр, что позволяет формировать элементы с размерами до 2 мкм.

Химическое травление кремния производится в жид­кой или парообразной плавиковой кислоте, в смесях раз­личных кислот или щелочей в присутствии стабилизиру­ющих реагентов.

Эпитаксия — процесс осаждения атомарного кремния на монокристаллической кремниевой подложке, при ко­тором полученная пленка служит продолжением струк­туры основания. Обычно выполняют осаждение легиро­ванной пленки одной структуры (например, п-типа) на легированное основание другой структуры р-типа. При различных типах электропроводности на границе плен­ки и основания возникает р-п переход. В эпитаксиаль-но-планарной структуре пленка достигает толщины до 25 мкм, и в ней размещаются все элементы ИС. Полупроводниковые ИС изготовляют груп­повым методом, при котором на одной пластине диамет­ром до 60 мм одновременно создается 300—500 струк­тур — набор элементов и межсоединений; параллельно обрабатывается партия в 20—30 пластин. Затем кри­сталл разрезают на части, которые монтируют в корпу­сах.

Пленочные ИС подразделяются на тонко- и толсто­пленочные. Основой тонкопленочной ИС является под­ложка из сапфира, керамики, стекла или другого ди­электрического материала, на которой формируются ак­тивные и пассивные элементы, изоляционные прослойки и соединительные проводники в виде тонких металличе­ских, полупроводниковых или диэлектрических пленок толщиной до 1 мкм. Пленки наносятся на подложку на­пылением через трафарет-маску.

Толстопленочные ИМС изготовляются на основе тер­мостойкой и высокотеплопроводной керамической под­ложки, например из алунда (96% А1₂0₃). На подложки наносятся проводящие и резистивные пасты — смеси по­рошков благородных металлов, окислов металлов и стек­ла, взвешенных в связующей органической жидкости. Нанесение паст производится через сетчатый трафарет; маску. После отжига на подложке образуются пассив­ные элементы, соединительные проводники и контактные площадки. Толщина пленок — до 20 мкм. Основной не­достаток толстопленочных элементов — значительный разброс параметров. Самостоятельное применение как тонкопленочных, так и толстопленочных ИМС оказалось ограниченным, поскольку эта технология пока еще не обеспечивает стабильных характеристик транзисто­ров.

Совмещенные (гибридные) ИМС совмещают свойст­ва полупроводниковых и пленочных ИМС. В объеме по­лупроводника создаются все активные элементы, а за­тем на поверхности такой подложки формируются пле­ночные пассивные элементы и токопроводящие дорожки.. Основой другого варианта совмещенной ИМС является пленочная ИМС с диэлектрической подложкой, на кото­рой устанавливаются (навешиваются) активные микро-компонситы, изготовленные дискретно. Такие ИМС называются гибридными.