Резисторы ИМС

КЛАССИФИКАЦИЯ ИМС

Интегральные микросхемы представляют собой наиболее распространенные изделия микроэлектроники, методы изготовления которых основаны на обобщении как ранее используемых в полупроводниковом производстве и при получении пленочных покрытий групповых технологических приемов, так и новых технологических процессов. Этим определяются два главных направления в создании ИМС: полупроводниковое и пленочное. Интегральные микросхемы обычно классифицируют по конструктивно-технологическим признакам, степени интеграции, функциональному назначению, быстродействию, потребляемой мощности, применяемости в аппаратуре, а также прин ципу действия активных элементов. Наиболее распространена классификация по конструктивно-технологическим признакам, поскольку при этом в обозначении ИМС содержится информация о ее конструкции и технологии изготовления.

Одним из основных критериев оценки технологического уровня производства и отработанности конструкции ИМС является степень интеграции.

Важным конструктивным признаком, по которому можно все ИМС подразделить на два класса, является тип подложки (с активной или пассивной). К первому классу относятся ИМС, элементы которых выполнены внутри подложки, представляющей собой пластину из полупроводникового материала, а ко второму — ИМС, элементы которых размещены на поверхности подложки, выполненной из диэлектрического материала. Тип подложки зависит от технологии изготовления ИМС. Полупроводниковые ИМС выполняют на активных и пассивных подложках, пленочные и гибридные - на пассивных, а СВЧ и пьезокерамические- также на пассивных..

Классификация ИМС по конструктивно-технологическим признакам показана на рис. 49.

Основными и наиболее сложными элементами ИМС любого типа являются биполярные и униполярные транзисторы. В гибридных ИМС используют бескорпусные дискретные биполярные и униполярные (чаще всего на МОП-структурах) транзисторы, изготовляемые по планарно-эпитаксиальной технологии. Кроме того, в гибридных ИМС используют диоды и

Рис.1. Классификация интегральных микросхем

по конструктивно-технологическим признакам

бескорпусные полупроводниковые ИМС. В полупроводниковых ИМС применяют биполярные и МОП-транзисторы,в основном изготовляемые по планарной технологии.

Для защиты ИМС от внешних воздействий их герметизируют, заключая в специальных корпусах или спрессовывая в пластмассу (корпусные ИМС), либо покрывают эпоксидным или другими лаками (бескорпусные).

По функциональному назначению различают цифровые, аналоговые (линейные), аналого-цифровые и цифроаналоговые ИМС, а по применяемости в аппаратуре - широкого применения и специальные.

В настоящее время ИМС являются основой элементной базы практически всех видов радиоэлектронной аппаратуры. Для построения радиоэлектронной аппаратуры различного назначения необходимы не отдельные ИМС, а функционально полные их серии, т. е. совокупность ИМС, выполняющих различные функции, имеющих единую конструктивно-технологическую основу и предназначенных для совместного применения.

Состав серии в основном определяется функциональной полнотой отдельных ИМС, удобством построения из них сложных устройств, а также типом стандартного корпуса. В зависимости от функционального назначения и областей применения серии могут содержать от трех-четырех до нескольких десят-иов ИМС различных типов. По мере развития схемотехники и тенологии изготовления ИМС состав перспективных серий может изменяться и расширяться.

В соответствии с принятой ГОСТ 18682-73 системой условных обозначений все выпускаемые ИМС по конструктивно-технологическому исполнению подразделяются на три группы: полупроводниковые, гибридные и прочие. К прочим относят пленочные ИМС, которые в настоящее время выпускаются в ограниченном количестве, а также вакуумные, керамические и др. Цифрами 1, 5 и 7 обозначают полупроводниковые ИМС (7 — бескорпусные); 2, 4, 6,8 — гибридные, а 3 — прочие.

В зависимости от характера выполняемых в радиоэлектронной аппаратуре функций ИМС подразделяются на подгруппы (например, генераторы, усилители, триггеры) и виды (например, преобразователи частоты, фазы, напряжения).

Условные обозначения ИМС состоят из четырех элементов (причем первые два элемента - три-четыре цифры - характеризуют полный номер серии):

первый элемент - цифра, указывающая конструктивно-технологическую группу;

второй элемент — две-три цифры, указывающие порядковый номер разработки данной серии ИМС;

третий элемент — две буквы, указывающие подгруппу и вид ИМС;

четвертый элемент - одна или несколько цифр, указывающие порядковый номер разработки ИМС в данной серии, которая может содержать несколько одинаковых по функциональному признаку ИМС.

Пример расшифровки обозначения микросхемы интегрального полупроводникового операционного усилителя приведен на рис. 50. В некоторых случаях в конце условного обозначения дополнительно имеется буква, указывающая технологический разброс электрических параметров данного типономинала.

Под типономиналом ИМС понимают микросхему, имеющую конкретное функциональное назначение и условное обозначение, а под типом ИМС — совокупность типономиналов микросхем, также имеющих конкретное функциональное назначение и условное обозначение. Конкретные значения электрических параметров и отличия типономиналов ИМС приводятся в технической документации.

В некоторых сериях буква в конце условного обозначения ИМС указывает тип корпуса, в котором выпускается ИМС данного типономинала (П — пластмассовый, М — керамический). В начале условного обозначения микросхем широкого применения стоит буква К (например, К140УД11).

Рис. 2. Пример расшифровки условного обозначения полупроводниковой

интегральной микросхемы

Рис. 3. Пример расшифровки обозначения логического элемента

И-НЕ/ИЛИ-НЕ до введения ГОСТ 18682-73

Если после буквы К перед номером серии имеется также буква М, это означает, что вся данная серия выпускается в керамическом корпусе (например, КМ155ЛА1).

Перед обозначением серии бескорпусных ИМС без присоединения выводов к кристаллу имеется буква Б (например, КБ524РП1А4).

Цифра, стоящая после дефиса в обозначении бескорпусных ИМС (например, 703ЛБ1-2), означает возможные варианты их конструктивных исполнений: 1-с гибкими выводами; 2-с ленточными (паучковыми), в том числе на полиимидной пленке; 3-с жесткими; 4 — на общей пластине (неразделенные); 5 — разделенные без потери ориентации (например, наклеенные на пленку); 6 — с контактными площадками без выводов (кристалл).

Следует отметить, что до введения ГОСТ 18682 - 73 условные обозначения присваивались в соответствии с нормативно-технической документацией, действовавшей в то время. После 1973 г. большинство ИМС получили новые условные обозначения. Однако ИМС, на которые не была выпущена новая техническая документация, сохранили старые условные обозначения. Пример такого обозначения приведен на рис. 51.

СПОСОБЫ ИЗОЛЯЦИИ ЭЛЕМЕНТОВ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ИМС

Как пассивные, так и активные элементы полупроводниковых ИМС имеют электрическую связь с общей полупроводниковой пластиной, а также друг с другом, поэтому их необходимо изолировать. Электрическую изоляцию элементов выполняют следующими способами:

обратно включенным р-п-переходом;

диэлектрической пленкой;

формированием островковых структур.

Изоляция элементов ИМС обратно включенным

р-п-п ереходом – наиболее распространенный способ, сущность которого состоит в формировании в исходной пластине дополнительных р-л-переходов, окружающих каждый элемент или группу элементов ИМС. Такие дополнительные р-п-переходы,, называемые изолирующими, получают либо диффузией, либо эпитаксией и последующей диффузией.

Рис. 4. Изолированные области Рис. 58. Изолированные области (п-типа), создаваемые диффузи- п-типа, создаваемые в эпитакси
ей примесных атомов в пластине альном слое диффузией акцеп-
р-типа торной примеси

При диффузионном методе получения изолирующих р-л-переходов на первой операции диффузии в подложке р-типа (рис. 57) формируют области л-типа электропроводности, имеющие заданную конфигурацию, а на последующих стадиях технологического процесса в этих областях создают необходимые элементы ИМС. Так как при таком способе изоляции между элементами ИМС действуют два встречно включенных р-л-перехода, при любых электрических потенциалах, приложенных к каждой изолированной л-области, один из р-п-переходов будет включен в обратном направлении. Поскольку область объемного заряда обратно включенного р-п-перехода лишена подвижных носителей, ее удельное сопротивление близко к удельному сопротивлению диэлектрика. Взаимно изолированные области пластины (в данном случае области п-типа) называюу карманами. При способе изоляции р-п-переходом напряжение пробоя между двумя соседними карманами достигает 50 - 80 В, а токи утечки через обратно включенные р-п-переходы не превышают нескольких наноампер. В результате обеспечивается достаточно надежная изоляция элементов, создаваемых внутри карманов. Барьерные емкости обратно включенных р-п-переходов вызывают паразитные взаимодействия, что существенно ограничивает частотный диапазон ИМС.

В современных типах ИМС наиболее часто используют эпитаксиальный способ изоляции элементов ИМС, при котором на кремниевой пластине электропроводности р-типа, например (рис. 58), выращивают монокристаллический слой п-типа электропроводности, имеющий толщину 5 — 10 мкм. Затем через этот слой проводят диффузию, получая области р -типа, которые частично перекрывают исходную пластину р-типа электропроводности. Так создают области п-типа (карманы), изолированные друг от друга р-п-переходами.

Изоляция элементов ИМС диэлектрической пленкой диоксида или нитрида кремния также довольно распространенный способ, называемый эпик-процессом. Сущность его состоит в следующем. В исходной пластине монокристаллического кремния вытравливают канавки глубиной 10 - 15 мкм, окисляют поверхность и выращивают толстый слой поликристаллического кремния, который заполняет рельеф. Затем с нижней стороны поверхность исходной пластины сошлифовывают вплоть до дна вытравленных канавок, получая таким образом монокристаллические области, окруженные поликристаллическим кремнием и изолированные диэлектриком (рис. 59).

Рис. 5. Создание монокристаллических Рис. 60. Создание островковой

областей кремния, изолированных изоляции по технологии

диэлектриком в пластине поликрис- кремний на сапфире:

талического кремния: 1,2 – моно- и 1 – кремний, 2 – сапфир

поликристаллический кремний,

3 – диэлектрик

Этот способ обеспечивает надежную изоляцию элементов (пробивные напряжения между соседними областями более 1 кВ), позволяет существенно снизить паразитные емкостные взаимодействия и во много раз - токи утечки. Однако технология получения диэлектрически изолированных областей достаточно сложна и дорогостояща, поэтому такой способ изоляции используют при изготовлении прецизионных аналоговых ИМС.

Островковую изоляцию (рис. 60), выполняемую по КНС-технологии (кремний на сапфире), начали применять недавно. При этом на сапфировой подложке выращивают монокристаллическую пленку кремния толщиной несколько микрометров. Затем химическим травлением удаляют кремний в некоторых локальных областях. В результате на сапфировой подложке образуются взаимно изолированные кремниевые островки. Хорошая изоляция островков и малые паразитные емкости позволяют существенно повысить плотность упаковки элементов и повысить быстродействие ИМС на сапфировых пластинах. Основной недостаток островковой изоляции обусловлен сложным рельефом поверхности, затрудняющим получение надежной металлической разводки.

Резисторы ИМС можно подразделить на диффузионные, пинч-резисторы, ионно-легированные и пленочные.

Исходными данными для определения геометрических размеров резисторов являются их номинальное сопротивление, а также допуск на него, поверхностное сопротивление материала, температурный коэффициент сопротивления, средняя рассеиваемая мощность и точность выполнения технологических операций.

Номинальное сопротивление резисторов определяют по формуле

R = ρ_νl / (bd),

где ρ_ν - удельное объемное сопротивление материала; l, b и d - длина, ширина и толщина резистивного элемента.

Сопротивление R резистора пропорционально удельному объемному сопротивлению ρ_ν полупроводникового материала, которое зависит от уровня его легирования и температуры. Более высокому уровню легирования соответствует меньшее значение ρ_ν, а следовательно, более низкое сопротивление R, отнесенное к единице длины l при одинаковых значениях ширины и толщины. Следовательно, можно было бы сделать вывод, что при заданной геометрической конфигурации резистивный элемент наиболее целесообразно формировать на беспримесном или слаболегированном полупроводнике. Однако удельное сопротивление такого полупроводника значительно зависит от температуры, что полностью исключает возможность его использования. Поэтому для уменьшения температурной зависимости сопротивления резистора необходим высоколегированный полупроводниковый материал. Увеличение концентрации подвижных носителей зарядов в таком материале вследствие проявления собственной электропроводности будет незначительным по сравнению с концентрацией основных носителей в широком диапазоне температур. Таким образом, номинальное сопротивление резистора в основном зависит от материала с заданным удельным объемным сопротивлением и от его геометрических размеров. Как видно из приведенной выше формулы, сопротивление резистора можно повысить, увеличив его длину или уменьшив площадь поперечного сечения.

Диффузионные резисторы полупроводниковых ИМС наиболее часто формируют на базовых слоях биполярных транзисторов. Выбор этого слоя представляет собой компромиссное решение между большими геометрическими размерами, которые были бы необходимы при использовании эмит-терного слоя, и высоким температурным коэффициентом сопротивления резистора, который соответствовал бы использованию слаболегированного слоя полупроводника (например, коллектора). Однако следует отметить, что на эмиттерном слое можно формировать низкоомные термостабильные резисторы. Структура и конфигурации диффузионных резисторов показаны на рис. 61.

Пинч-резисторы (рис. 62) представляют собой диффузионные резисторы, формируемые на базовых слоях и изолированные двумя параллельно расположенными обратно включенными эмиттерным и коллекторным р-п-переходами. По сравнению с обычными диффузионными резисторами, формируемыми на базовых слоях, пинч-резисторы имеют меньшую площадь поперечного сечения и более высокое удельное сопротивление, так как для их реализации используют слаболегированную часть базы. Поэтому максимальное сопротивление пинч-резис-торов может достигать 300 кОм. Недостатками пинч-резисто-ров являются относительно большой разброс параметров, нелинейность вольт-амперных характеристик и рабочие напряжения, обычно не превышающие 7 — 10 В, так как они определяются напряжением пробоя перехода эмиттер—база.

Ионно-легированные резисторы по структуре не отличаются от обычных диффузионных, однако глубина залегания изолирующего их р-л-перехода значительно меньше и, как правило, не превышает 0,2 — 0,3 мм. Кроме того, ионное легирование обеспечивает получение очень малых концентраций атомов легирующих примесей, что позволяет создавать резисторы, номинальное сопротивление которых достигает сотен килоом.

Пленочные резисторы, получаемые нанесением резисгивного вещества на изолирующую пластину, имеют такую же структуру и конфигурацию, как и диффузионные. Сопротивление пленочных резисторов зависит от материала и толщины пленки и может достигать 1 МОм. После нанесения пленки резисторы обычно подгоняют под заданный номинал различными способами: механическим снятием части резистивного слоя, травлением, низкотемпературным окислением, лазерной обработкой и др.

Рис. 6. Структура (а) и конфигурации (б, в, г) диффузионных резисторов: 1,2-р-п-переходы, 3 - омические контакты к резистору, 4 — защитное покрытие (диоксид кремния), 5 - омический контакт к п-области, 6 — проводящий слой

Рис. 7. Пинч-структура диффузионного резистора

Следует отметить, что при построении сложной аппаратуры малых габаритов стремятся использовать ИМС с минимальным количеством резисторов возможно меньших номиналов.