Пленочные интегральные микросхемы

Рис. 1.10. Крис­талл полупровод­никовой микросхе­мы

Рис. 1.8. Интегральный конден­сатор Рис. 1.9. Диффузионный рези­стор

Рис. 1.7. Интегральный МДП-транзистор

Рис. 1.5. Интегральный много-эмиттерный транзистор

Рис. 1.4. Интегральный бипо­лярный транзистор, изолиро­ванный электронно-дырочным переходом

Рис. 1.3. Основные части микросхемы

Полупроводниковые интегральные микросхемы

Наибольшее распространение получили ИС, у которых все эле­менты и межэлементные соединения выполнены в объеме и на по­верхности полупроводника. Их называют полупроводниковыми.

Для изготовления полупроводниковых микросхем используют кремниевые монокристаллические пластины диаметром не менее 30 — 60 мм и толщиной 0,25 — 0,4 мм. Элементы микросхемы — бипо­лярные и полевые транзисторы, диоды, резисторы и конденсаторы — формируют в полупроводниковой пластине методами, известными из технологии дискретных полупроводниковых приборов (селективная диффузия, эпитаксия и др.) [5]. Межсоединения выполняют напы­лением узких проводящих дорожек алюминия на окисленную (т. е. электрически изолированную) поверхность кремния, имеющую окна в пленке окисла в тех местах, где должен осуществляться контакт дорожек с кремнием (в области эмиттера, базы, коллектора тран­зистора и т. д.). Для соединения элементов микросхемы с ее выво­дами на проводящих дорожках создаются расширенные участки —контактные площадки. Методом напыления иногда изготавливают также резисторы и конденсаторы.

Изготовление полупроводниковых микросхем осуществляют групповым методом, при котором на одной пластине 1 (рис. 1.3) одновременно создают большое число (до 300 — 500) одинаковых функциональных структур (наборов элементов и межсоединений). Одновременной обработке подвергается до 20 пластин. После вы­полнения всех операций по формированию элементов и межсоеди­нений пластину разрезают на отдельные платы 2, называемые кри­сталлами. Каждый кристалл содержит одну функциональную струк­туру. Его закрепляют на основании корпуса 3, контактные площадки соединяют с выводами микросхемы с помощью тонких проводничков, затем на основание надевают крышку корпуса 4 и корпус герметизируют, чем обеспечивается защита кристалла от воздействий окружающей среды.

Рассмотрим теперь особенности устройства элементов полупро­водниковых микросхем, которые обусловлены необходимостью изо­ляции элементов от тела кристалла, обладающего заметной элек­трической проводимостью. Изоляцию элементов осуществляют либо с помощью дополнительного электронно-дырочного перехода, находя­щегося под обратным напряжением, либо с помощью тонкого слоя диэлектрика, например двуокиси кремния. Первый способ более прост и дешев и поэтому наиболее распространен, но он не позво­ляет получить ток утечки на тело кристалла менее 10 нА и емкость элемента по отношению.к телу кристалла менее 2пФ. Второй способ более сложен и дорог, но снижает ток утечки в тысячи раз, а емкость — в десятки раз.

Биполярные транзисторы. Структура транзистора, изолирован­ного электронно-дырочным переходом, показана на рис. 1.4. Элек­трод коллектора К расположен в интегральных транзисто­рах на верхней поверхности кристалла, там же находятся элек­троды эмиттера Э и базы Б. Чтобы в этих условиях обеспечить низкоомный путь для коллекторного тока к электроду коллектора K, под n-областью коллектора создают скрытый слой n +, обладаю­щий повышенной проводимостью. Изо тирующий переход образуется вдоль линии, разделяющей «-область коллектора и «+-область его скрытого слоя от р+-областей и р-области тела кристалла.

Рис. 1.6. Интегральные полу­проводниковые диоды (схема соединения)

Транзисторы полупроводниковых микросхем могут иметь не сколько отдельных эмиттеров при одной базе и одном коллекторе. Такие транзисторы называются многоэмиттерными. Их устройство показано на рис. 1.5, а способы использования рассмотрены в гл 4 Если в полупроводниковой микросхеме применяют диэлектриче­скую изоляцию элементов, то транзисторы имеют такую же двух­переходную структуру, как и их дискретные аналоги.

Значения параметров интегрального биполярного транзистора определяются, как обычно, концентрационным профилем структуры, площадью переходов, электрофизическими параметрами материала. Максимальный коллекторный ток может достигать 50 мА коэффи­циент передачи тока базы от 20 до 50, обратные токи переходов менее 10 нА, максимальное коллекторное напряжение до 40 В ппе-дельная рабочая частота до 1000 МГц. Освоены способы изготов­ления транзисторных структур имеющих коэффициент передачи тока базы до нескольких тысяч [13].

Полупроводниковые диоды. Для упрощения технологического цикла диоды изготавливают на основе транзисторных структур Для быстродействующих диодов используют эмиттерный переход пои соединенном с базой коллекторе (рис. 1.6,а). Для диодов, которые должны иметь большое пробивное напряжение, используют коллек­торный переход, а эмиттер соединяют с базой (рис 1 66) Во вто­ром случае скорость переключения получается в десятки раз ниже из-за большего значения неравновесного заряда, накапливающегося не только в области базы, но и в области коллектора а также из-за большей емкости перехода.

МДП-транзисторы. Эти приборы не нужно специально изолиро­вать от тела кристалла, так как у них область «сток — канал — исток» уже изолирована от тела кристалла электронно-дырочным переходом, образующимся вдоль линии, разделяющей р-область тела кристалла от л+-области истока, л-области канала и л+-области стока, и этот переход имеет обратное смещение в рабочем режиме (рис. 1.7). Площадь, занимаемая на подложке МДП-структурой оказывается при этом в сотни раз меньше, чем у биполярных струк­тур, что позволяет получить значительно большую плотность разме­щения элементов на подложке.

Интегральные МДП-транзисторы имеют следующие значения параметров: ток стока до 10 мА, напряжение стока до 30 В вход­ное сопротивление — десятки МОм, предельная частота — сотни МГц Таким образом, интегральные МДП-транзисторы являются сравни­тельно низкочастотными элементами, что обусловлено большими межэлектродными емкостями.

Конденсаторы. В полупроводниковых микросхемах применяют в основном р — n -конденсаторы, в качестве которых используют кол­лекторный переход 1 транзисторной структуры (рис 1 8) Эмиттер-ную область в данном случае не формируют. Изолирующий р — n-пе­реход 2 отделяет р — «-конденсатор от тела кристалла. Выводами конденсатора являются алюминиевые электроды 3, 4 Конденсаторы, один вывод которых должен быть соединен с телом кристалла, могут выполняться на основе изолирующего перехода.

Емкость р—n-конденсатора определяется площадью перехода и обычно не превышает 100 пФ. Добротность низкая — не более 10 отклонение от номинала большое — до 30%, температурный коэф­фициент емкости до 10~³ град^-1. ^v

Малый диапазон емкостей, низкая добротность, высокий темпе­ратурный коэффициент и зависимость емкости от приложенного на­пряжения не позволяют в ряде случаев использовать р — n-конден-саторы. Тогда применяют пленочные конденсаторы типа «металл — диэлектрик — металл». Их выполняют последовательным напылением трех тонких слоев (проводящего, изолирующего и проводящего) на изолирующую пленку двуокиси кремния, находящуюся на поверхно­сти полупроводниковой пластины. Емкость таких конденсаторов до­стигает 500 пФ при отклонении от номинала не более 5 — 10%, доб­ротность — до 100, температурный коэффициент до 10~⁴ град-¹, рабочее напряжение — до 60 В.

Применяют также конденсаторы типа МДП, у которых нижнюю обкладку образует эмиттерный слой транзисторной структуры, ди­электриком является пленка двуокиси кремния, а верхняя обклад­ка — металлическая. Вследствие большого сопротивления потерь нижней (полупроводниковой) обкладки такие конденсаторы несколь­ко уступают конденсаторам с металлическими обкладками, но проще их в изготовлении. По сравнению с парамерами р — n - конденсаторов параметры МДП-конденсаторов значительно выше.

Резисторы. Для формирования в полупроводниковой пластине области, обладающей требуемым электрическим сопротивлением, обычно используют базовый слой транзисторной структуры (рис. 1.9) и, иногда, эмиттерный или коллекторный слои. Такие резисторы на­зываются диффузионными. Алюминиевые межсоединения 1 имеют контакт с резистивным элементом 2 через окна в изолирующей плен­ке двуокиси кремния. Электронно-дырочный переход 3 изолирует резистивный элемент от тела кристалла.

Поскольку такие параметры диффузионных слоев, как толщи­на, концентрация и распределение примеси, задаются требованиями к транзисторным структурам, необходимое сопротивление резистив-ного элемента может быть получено лишь путем выбора слоя и его ширины и длины. Эмиттерный слой, имеющий более высокую кон­центрацию примесей, используют для получения резисторов с малым сопротивлением (от 2 до 30 Ом), а базовый слой — с большим со­противлением (от 100 Ом до 20 кОм). Отклонение от номинала достигает 20%, предельная частота — до 100 МГц, максимальное рабочее напряжение 5 и 20 В соответственно и температурный ко­эффициент 1-10-⁴ град-¹ и 1-10-³ град-¹, соответственно.

В полупроводниковых микросхемах обычно применяют диффу­зионные резисторы, но если требуемый номинал сопротивления не может быть с их помощью реализован, то в качестве резистивного элемента используют дорожки из пленки высокоомного металла на­пыленные, как и межсоединения, на изолирующую пленку двуокиси кремния, покрывающую поверхность кристалла. Эти резисторы на­зываются пленочными, их устройство рассмотрено в § 1.2.2.

В качестве резисторов в полупроводниковых микросхемах используют также канал МДП-транзистора. Сопротивление при этом может регулироваться изменением напряжения, подаваемого на за­твор (минимальное сопротивление около 10 Ом).

Размещение элементов, межсоединений и контактных площадок на поверхности и внутри кристалла полупроводниковой микросхемы иллюстрирует рис. 1.10. На рис. 1.10,а показана принципиальная схема функционального узла, выполненного в виде данной микросхе-мы. Это логический элемент ИЛИ-НЕ, состоящий из двух тран­зисторов Т, и Т₂ и трех резисторов R,, R_{2 и} я₃. Принцип действия этого элемента рассмотрен в гл. 4. На рис. 1.10,6 показан кристалл полупроводниковой микросхемы, представляющий собой данный функциональный узел (вид сверху). Обозначения те же что и на принципиальной схеме. Области, занятые транзисторными структу­рами, отмечены буквами Т, и Т₂, выводы их эмиттеров — Э коллек­торов-K, баз -Б, пленочные резисторы R_ь R₂, R₃ (отмечены точ­ками). Межсоединения и контактные площадки 1, 2, 3, 4, 5 отме­чены штриховкой. Область, занимаемая элементами на кристалле имеет размеры 1x1 мм. На рис l.l0.e показан разрез кристалла по А-А. Видны эмиттерная n+-область транзистора Т₁ и вывод его эмиттера Э, базовая р-область и ее вывод Б, коллекторная n-область и ее вывод K, а также изолирующий слой двуокиси крем­ния на поверхности подложки (заштрихован) и пленочные резисто­ры R₁ и R₃ (отмечены точками).

Рассмотренная полупроводниковая микросхема имеет пять элр ментов: два транзистора и три резистора. В выпускаемых промышленностью микросхемах число элементов на кристалле значительно больше, иногда оно исчисляется десятками и даже сотнями тысяч.

Второй разновидностью микросхем являются пленочные микро­схемы, подразделяемые на тонкопленочные и толстопленочные. Бо­лее совершенны и шире распространены тонкопленочные микросхе­мы. Их выполняют на диэлектрической подложке (из стекла, ситал-ла, керамики), элементами их являются резисторы и конденсаторы. Иногда используют индуктивные элементы.

Резисторы изготавливают напылением на подложку 3 (рис. 1.11) через трафарет тонкой пленки высокоомного материала (нихром, тантал, сплав МЛТ) нужной конфигурации. Концы полученного ре-зистивного элемента 1 соединяют с пленочными контактными пло­щадками 2, выполняемыми из металла, обладающего высокой элек­тропроводностью (алюминий, медь, золото).

Электрическое сопротивление такого резистора может быть от 10 Ом до 1 МОм в зависимости от толщины, ширины и длины ре-зистивной полоски, а также удельного сопротивления материала. Отклонение от номинала 5 — 10 %; применяя подгонку, можно полу­чить отклонение менее 0,1 %. Температурный коэффициент сопро­тивления (50 — 500)-10-⁶ град-¹. Допустимая удельная мощность рассеяния составляет 1 — 3 Вт/см². Благодаря малой собственной индуктивности тонкопленочные резисторы имеют частотный диапазон до 1000 МГц.

Конденсаторы выполняют на диэлектрической подложке 1 (рис. 1.12) последовательным напылением трех слоев: металл — ди­электрик — металл. Металлические слои 3, образующие обкладки конденсатора, изготовляют обычно из алюминия. В качестве диэлек­трика 2 используют окись кремния, окись алюминия, боросиликатное стекло и др. Емкость такого конденсатора в зависимости от площа­ди обкладок, толщины и диэлектрической проницаемости диэлектри­ка составляет от 100 до 5000 пФ при рабочем напряжении до 60 В. Температурный коэффициент емкости (35 — 400)10~^в град-¹, частот­ный диапазон до 300 — 500 МГц.

Индуктивные элементы могут быть выполнены в виде однослой­ных многовитковых спиралей, однако индуктивность их не превы­шает 20 мкГн при добротности не более 50.

На базе пленочной технологии до сих пор не удалось создать достаточно надежные транзисторы или другие активные элементы, поэтому пленочные микросхемы имеют ограниченное самостоятель­ное применение и большей частью составляют основу гибридных микросхем.