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.