Полупроводниковые интегральные микросхемы

В полупроводниковых ИС все элементы выполнены внутри (в приповерхностном слое) и на поверхности полупроводниковой подложки, называемой кристаллом, которая представляет собой пластинку кремния толщиной 200 – 300 мкм. Площадь кристалла бывает обычно от 1,5 × 1,5 до 6 × 6 мм. По сравнению с пленочными и гибридными ИС полу­проводниковые микросхемы имеют наиболее высокое число элементов в едини­це объема и наибольшую надежность (наименьшую интенсивность отказов). Недостаток полупроводниковых ИС – несколько худшее качество пассивных элементов (резисторы и конденсаторы) и невозможность создания в полупроводнике катушек индуктивности. Тем не менее на основе полупроводниковых ИС делаются большие и сверхбольшие ИС, используемые в микроэлектронике.

Изоляция. Поскольку все элементы делаются в едином полупроводниковом кристалле, то важно обеспечить изоля­цию элементов от кристалла и друг от друга. Применяется несколько спо­собов изоляции. Наиболее простой и дешевой является изоляция п – р -переходом. В этом случае в кристалле, например из кремния типа р, методом диффузии делаются области типа п, называемые «карманами» (рис.3 а). В «карманах» затем формируются необ­ходимые пассивные или активные элементы, а п – р -переход между «карманом» и кристаллом в работающей ИС постоянно находится под обратным напряжением. Для этого на кристалл постоянно подается отрицательный потенциал в несколько вольт. Кремниевый п – р -переход при обратном напряже­нии имеет очень высокое сопротивление (несколько мегаом), которое и выполняет роль изоляции. Очевидно, что между любыми двумя элементами сопротивление изоляции будет равно двойному обратному сопротивлению изолирующего п – р -перехода. Следует учитывать, что каждый такой переход имеет барьерную емкость, и поэтому между элементами возникает паразитная емкостная связь через емкости переходов.

а б

Рис.3. а – изоляция элементов n – p -переходом, б – изоляция элементов диэлектрическим слоем

Второй вид изоляции – диэлектрическим слоем – показан на рис.3 б. Здесь также имеются «карманы» для последующего формирования в них нужных элементов, но между «карманом» и кремниевым кристаллом имеется тонкий диэлектрический слой диоксида кремния SiO₂. Создание этого слоя значительно усложняет изготовление микросхемы. Но зато изоляция получается значительно лучше, чем п – р- переходом. И паразитная емкость между «карманом» и кристаллом при этом методе изоляции гораздо меньше, так как диэлектрический слой в несколько раз толще изолирующего n – p -перехода. Однако из-за технологической сложности изоляции диэлектрическим слоем чаще всего применяется изоляция n – p - переходом. В дальнейшем изложении везде на рисунках показана именно такая изоляция.

Представляет интерес еще так называемая изопланарная технология создания изоляции, иначе называемая комбинированной. В этом случае боковые стороны «карманов» изолированы диэлектрическим слоем диоксида кремния, а нижняя сторона изолирована от подложки п – р -переходом под обратным напряжением (рис.3. б). При таком методе паразитная емкость между элементами несколько меньше, чем при изоляции только п – р- переходом, и до­стигается большая плотность размеще­ния элементов, так как промежутки между элементами значительно уменьшаются.

Биполярные транзисторы. Они делаются по пленарной или планарно-эпитаксиальной технологии. Методом диффузии в кристалле создаются об­ласти коллектора, базы и эмиттера (рис.4). На рисунке транзистор показан в разрезе и в плане. Структура транзистора углубляется в кристалл не более чем на 15 мкм, а линейные размеры транзистора на поверхности не превышают нескольких десятков микро­метров.

Рис.4. Биполярный транзистор типа n – p – n

Как правило, изготовляются транзисторы типа п – р – п. Внутренний (скрытый) слой с повышенной концентра­цией примесей п⁺ в коллекторе служит для уменьшения сопротивления и, сле­довательно, потерь мощности в области коллектора. Но у коллекторного перехода область коллектора должна иметь пониженную концентрацию примесей, чтобы переход имел большую толщи­ну. Тогда емкость у него будет меньше, а напряжение пробоя выше. Область эмиттера также часто делают типа п⁺ для уменьшения сопротивления и увеличения инжекции. Сверху на транзисторе создается защитный слой оксида SiO₂. От областей коллектора и базы часто делают по два вывода (рис.4), для того чтобы можно было соединить данный транзистор с соседними элемен­тами без пересечений соединительных линий. Такие пересечения весьма нежела­тельны, так как они значительно услож­няют производство. Действительно, в месте пересечения надо на нижнюю соединительную линию нанести ди­электрическую пленку, а поверх нее нанести верхнюю соединительную ли­нию, т. е. надо сделать две лишние технологические операции. Кроме того, место пересечения всегда представляет опасность в отношении пробоя от случай­ных перенапряжений.

Важная проблема при проектиро­вании и конструировании ИС – такое размещение (топология) элементов схе­мы, при котором соединения могут быть сделаны без пересечений или, в крайнем случае, с минимальным числом пересечений. При большом числе элементов может быть огромное число вариантов их разме­щения, и для рассмотрения всех таких вариантов с целью выбора оптималь­ного надо затратить очень много вре­мени. В последнее время эту работу стали выполнять электронно-вычисли­тельные машины, которые, действуя по определенным заданным условиям, в короткое время могут выбрать наивы­годнейший вариант размещения элемен­тов.

Необходимо обратить внимание на то, что в полупроводниковых ИС всегда образуются некоторые паразитные эле­менты. Например, из рис.4 видно, что наряду с транзистором типа п – р – п, созданным в кристалле типа р, существует паразитный транзистор р – п – р, который образуется кристал­лом, областью коллектора и областью базы транзистора. А транзистор п – р – п вместе с кристаллом образует паразит­ный тиристор п – р – п – р. Вследствие наличия обратного напряжения на изо­лирующем переходе паразитные тран­зисторы и тиристор нормально заперты, но при попадании в них каких-либо импульсов помех может произойти не­желательное отпирание и срабатывание этих элементов.

Диоды (транзисторы в диодном вклю­чении). Ранее диоды ИС выполнялись в виде структуры из двух областей с различным типом электропроводности, т.е. в виде обычного п – р -перехода. В последние годы в качестве диодов стали применяться биполярные транзисторы в диодном включении. Возможны пять вариантов диодного включения транзистора. Они показаны на рис. 5 и несколько отличаются друг от друга параметрами. В варианте БК – Э замкну­ты накоротко база и коллектор. У такого диода время восстановления, т. е. время переключения из открытого состояния в закрытое, наименьшее – единицы нано­секунд. В варианте Б – Э используется только эмиттерный переход. Время пере­ключения в этом случае в несколько раз больше. Оба этих варианта имеют минимальную емкость (десятые доли пикофарада) и минимальный обратный ток (0,5 – 1,0 нА), однако и минималь­ное пробивное напряжение.

Рис.5. Варианты использования транзисторов в качестве диодов

Вариант БЭ – К, в котором закорочены база и эмиттер, и вариант Б – К (с ис­пользованием одного коллекторного перехода) по времени переключения и емкости примерно равноценны варианту Б –Э, но имеют более высокое про­бивное напряжение (40 – 50 В) и больший обратный ток (15 – 30 нА). Вариант Б – ЭК с параллельным соединением обоих переходов имеет наибольшее время пере­ключения (100 нс), наибольший обрат­ный ток (до 40 нА), несколько большую емкость и такое же малое пробивное напряжение, как и в первых двух вариантах. Чаще всего используются варианты БК – Э и Б – Э.

Полевые транзисторы с п – р -переходом. Эти транзисторы могут быть изготовлены совместно с биполярны­ми – на одном кристалле. На рис. 6, а показана структура планарного полевого транзистора с n -каналом. В «кармане» n -типа созданы области (n ⁺ -типа) стока и истока и область (р -типа) затвора. Сток расположен в центре, затвор вокруг него. Для уменьшения начальной толщины канала иногда внутри делают скрытый слой р ⁺,но это связано с усложнением технологических процессов. Другой вариант полевого транзистора – с каналом р -типа – изображен на рис. 6, б. Его структура совпадает со структурой обычного п – р – n -тран­зистора. В качестве канала исполь­зуется слой базы.

а б

Рис. 6. Полевой транзистор полупроводниковой ИС с каналом

n -типа (а) и p -типа (б)

МОП-транзисторы. Биполярные транзисторы в ИС все больше вы­тесняются транзисторами типа МОП (или МДП). Это объясняется важными преимуществами МОП-транзисторов, в частности их высоким входным сопротивлением и простотой устройства. Особенно просто изготовляются МОП-транзисторы с индуцированным кана­лом. Для них в кристалле р -типа надо лишь создать методом диффузии области п ⁺ истока и стока (рис. 7, а). На переходах между этими областями и подложкой поддерживается обратное напряжение, и таким образом осу­ществляется изоляция транзисторов от кристалла и друг от друга. Аналогич­на изоляция канала от кристалла.

а б

Рис. 7. МОП-транзистор полупроводниковой ИС с индуцированным каналом n -типа (а) и p -типа (б)

Несколько сложнее изготовление на подложке типа р МОП-транзистора с каналом р -типа, так как для подобного транзистора необходимо сначала сделать «карман» n -типа (рис. 7, б). В некото­рых ИС находят применение пары МОП-транзисторов с каналами п- и р -типа. Такие пары называют комплементарными транзисторами (КМОП или КМДП). Комплементарные транзисторы применяются в ключевых (цифровых) схемах и отличаются очень малым потреблением тока и высоким быстродействием. Встречаются также ИС, в которых на одном общем кристалле изготовлены биполярные и МОП-тран­зисторы.

Технология изготовления МОП-транзисторов непрерывно совершенст­вуется, и в настоящее время существует несколько различных типов структур таких транзисторов. Однако основной принцип их работы не меняется.

Резисторы. Вполупроводниковых ИС используются так называемые диффузионные резисторы, представляющие собой созданные внутри кристалла об­ласти с тем или иным типом электро­проводности. На рис. 8 показаны структуры таких резисторов. Сопротив­ление диффузионного резистора зависит от длины, ширины и толщины области, выполняющей роль резистора, и от удельного сопротивления, т. е. от концентра­ции примесей. Резистор типа р (рис. 8, а)делается одновременно с базами тран­зисторов. В этом случае удельное со­противление составит сотни ом на квад­рат и могут быть получены номиналы до десятков килоом. Для увеличения сопротивления иногда резистор делают зигзагообразной конфигурации. Если не­обходимы относительно малые сопро­тивления (единицы и десятки ом), то резисторы изготовляют одновременно с эмиттерными областями типа п (рис. 8, б) транзисторов. Температур­ный коэффициент диффузионных полупроводниковых резисторов получается равным десятым долям процента на кельвин и менее. Допуск (отклонение от номинала) составляет ± (15 – 20)%.

а б

Рис.8. Диффузионные резисторы полупроводниковых ИС

В последнее время помимо метода диффузии для изготовления резисторов ИС стали применять метод ионной имплантации. Он состоит в том, что соответствующее место кристалла под­вергается бомбардировке ионами приме­си, которые проникают в кристалл на глубину 0,2 – 0,3 мкм. У таких ионно-легированных резисторов удельное со­противление может быть до 20 kOm/□ а номиналы достигают сотен килоом с допуском ± (5 – 10)%.

В качестве резистора может быть использован канал МОП-структуры. Такие МОП-резисторы делаются одновременно с МОП-транзисторами. Если по структуре они изготовлены аналогично транзисторам, то подбором напряжения затвора можно установить нужное сопротивление резистора. Анало­гичны МОП-резисторам так называемые пинч-резисторы, имеющие структуру по­левого транзистора с п – р -переходом. Резистором служит канал, а нужное сопротивление подбирается напряжением затвора.

Конденсаторы. Типичным для полупроводниковых ИС является диффузионный конденсатор, в котором исполь­зуется барьерная емкость n – р -перехода. Емкость такого конденсатора (рис. 9) зависит от площади перехода, диэлектри­ческой проницаемости полупроводника и толщины перехода, которая, в свою очередь, зависит от концентрации при­месей. Если нужна большая емкость, то переход делают одновременно с эмиттерными переходами транзисторов. Так как область эмиттера имеет электропроводность n ⁺ -типа, то переход в конденсаторе будет более тонким; удельная емкость получится больше, примерно 1000 пФ/мм². В этом случае конденсаторы делаются емкостью до 1500 пФ с допуском ±20%. Температурный коэффициент емкости (ТКЕ) составляет примерно – 10 ^{– 3} К ^{– 1}, пробивное напряжение не превышает 10 В. У конденсаторов, изго­товленных одновременно с коллекторными переходами, удельная емкость будет меньше, примерно 150 пФ/мм². Такие конденсаторы имеют емкость не более 500 пФ с допуском ±20%. Про­бивное напряжение у них до 50 В, ТКЕ равен – 10 ^{– 3} К ^{– 1}.

Диффузионные конденсаторы работают только при обратном напряжении, которое должно быть постоянным для получения постоянной емкости. Так как барьерная емкость нелинейна, то диффузионный конденсатор может рабо­тать в качестве конденсатора перемен­ной емкости, регулируемой электри­чески – путем изменения постоянного напряжения на конденсаторе. Изменяя обратное напряжение в пределах 1 – 10 В, можно изменять емкость, в 2,0 – 2,5 ра­за. В некоторых схемах РЭА требуются нелинейные конденсаторы. Их функции могут выполнять диффузионные конден­саторы.

На рис. 9 изображена в разрезе часть полупроводниковой ИС, соответствующая схеме на рис. 2, т. е. состоящая из диффузионного конденсатора, транзистора и резистора.

Рис. 9. Полупроводниковая ИС

Индуктивность. Катушки индуктивности в полупроводниковых ИС сделать невозможно. Поэтому обычно проектируются такие ИС, в которых не требуется индуктивность. Если все же необ­ходимо иметь индуктивное сопротивление, то можно создать эквивалент индуктивности, состоящий из транзисто­ра, резистора и конденсатора. Пример одного из таких эквивалентов показан на рис. 10. Здесь переменное напря­жение U подводится между коллекто­ром и эмиттером транзистора. Для упрощения не показана подача на тран­зистор постоянною питающего напря­жения. Часть переменного напряжения U через RC -цепь подается на базу. Значе­ния R и С подобраны так, что R >> 1/( С). Тогда ток I_RC в RC -цепи можно приближенно считать совпадаю­щим по фазе с напряжением U. Но напряжение U_C на конденсаторе отстает от тока I_RC на 90 °. Напряжение U_C подается на базу и управляет коллектор­ным током транзистора I _к, который совпадает по фазе с напряжением U_C,т. е. отстает на 90 ° от напряжения U.

Таким образом, транзистор в этой схеме создает для напряжения U сопротивление, эквивалентное некоторому ин­дуктивному сопротивлению x_L = U/I _к = L _экв.Иначе говоря, транзистор эк­вивалентен некоторой индуктивности L _экв = U / ( I _к).Устанавливая с помощью питающих напряжений больший или меньший ток I _к, можно получать раз­личные значения L _экв.Поскольку сопротивление RC -цепи во много раз больше x_L,то влиянием этой цепочки пренебре­гают.

Рис.10. Эквивалент индуктивности

Принципы изготовления ИС. На рис. 11 показана упрощенно возможная технология изготовления полупро­водниковых ИС. На кремниевом кристал­ле типа р (рис. 11, а)с тщательно отшлифованной поверхностью создается тонкий слой SiO₂ (2) и на него наносится слой так называемого фоторезиста (1). Фоторезист представляет собой вещество, которое под действием облуче­ния становится кислотостойким (или, наоборот, кислотостойкое вещество, кото­рое под действием облучения становится растворимым в кислоте). Затем на фоторезист воздействуют ультрафиолетовыми лучами (рис. 9, б) через так называемый фотошаблон (3),представляющий собой фотопластинку с соответствующим рисунком, состоящим из прозрачных и непрозрачных участков. Такой фотошаблон получается путем фотографирования с чертежа, выполненного на бумаге. Облученные участ­ки (4)фоторезиста становятся кислото­стойкими. Далее кислотой вытравливаются слои 1 и 2 на необлученных участках. Такой метод носит название фотолитографии. На этих участках образуется «окно» (5), через которое осу­ществляется диффузия донорных атомов (6) из нагретого газа (рис. 9, в, г).

Рис.9. Схема изготовления полупроводниковой ИС

В результате в кристалле создается n -область («карман»). Фоторезист, оставшийся на облученных участках, смывает­ся специальным растворителем. Затем все повторяется, т. е. создается на всей поверхности слой SiO₂, на нем слой фоторезиста, он облучается через другой фотошаблон, и образуется «окно» меньшего размера, через которое ме­тодом диффузии акцепторных атомов внутри n -области создается р -область, и т. д.

Интегральные микросхемы могут быть изготовлены либо по биполярной технологии, т. е. па основе структур биполярных транзисторов, либо по МДП-технологии, основанной на МДП-структурах. Сравнение показывает, что МДП-технология проще и дешевле. Для создания МДП-схем требуется значи­тельно меньше технологических опера­ций. Схемы на МДП-структурах пре­восходят схемы на биполярных структу­рах по плотности упаковки, степени интеграции, потребляемой мощности (ниже), входному сопротивлению (выше), но уступают по быстродействию. Ве­дутся разработки по повышению быстро­действия МДП-схем. Для этого снижают паразитные емкости, применяют каналы n -типа с примесями, способствующими увеличению подвижности носителей. Иногда применяют комбинированную технологию, в которой сочетаются би­полярные и МДП-структуры.

Интегральные микросхемы характеризуются высокой надежностью. У полупроводниковых микросхем интенсивность отказов составляет 10 ^{– 8} – 10 ^{– 8} ч ^{– 1} .

Полные отказы обычно происходят из-за коротких замыканий и обрывов. Короткие замыкания возникают под действием механических вибраций или ударов либо в результате перегрева и разрушения диэлектриков. Короткому замыканию способствует и попадание влаги в корпус ИС из-за каких-то дефектов герметизации. Нарушения, и в частности обрывы, контактов могут также возникать от вибраций и ударов или в результате электрохимических и химических процессов.

Постепенные отказы происходят от изменений параметров ИС. Главная причина этих изменений – возникающие на границе кремния и его диоксида процессы, связанные с перемещением ионов, которые имеются в диоксиде. Под действием электрических полей ионы дрейфуют и образуют в слое диэлектрика проводящие каналы. За счет таких паразитных каналов уменьшаются входное сопротивление и коэффициент усиления тока.