Интегральные микросхемы

Интегральной микросхемой (ИМС) называют устройство с вы­сокой плотностью упаковки электрически связанных элементов (транзисторов, резисторов, конденсаторов и пр.), выполняющее заданную функцию обработки (преобразования) электрических сигналов. С точки зрения конструктивно-технологических и эксплуатационных требований ИМС представляет собой единое изделие. Отдельные элементы ИМС, не имеющие внешних выводов, не могут рассматриваться как самостоятельные изделия, в то время как компоненты, являющиеся частью ИМС, можно рассматривать как самостоятельные комплектующие изделия, например, навесные бескорпусные транзисторы, дроссели и т.д.

В зависимости от технологии изготовления интегральные микросхемы делятся на пленочные, полупроводниковые ИМС и микросборки. Пленочные ИМС могут быть тонко- и толстопле­ночными, имеют в своем составе как элементы, так и компонен­ты. В последнем случае их называют гибридными ИМС.

ИМС, в которой все активные и пассивные элементы и их со­единения выполняются в виде сочетания неразъемно связанных р—п- переходов в одном полупроводниковом кристалле, называ­ются полупроводниковой. Полупроводниковый кристалл, в объеме и на поверхности которого с помощью планарной технологии формируют элементы микросхемы и контактные площадки, иг­рает активную роль.

ИМС, содержащая подложку (диэлектрическое основание), все пассивные элементы на поверхности которой выполняют в виде однослойных или многослойных пленочных структур, со­единенных неразъемными пленочными проводниками, а полу­проводниковые приборы и другие компоненты размещены на подложке в виде дискретных навесных деталей, называется гиб­ридной (ГИМС).

Поскольку и полупроводниковая, и пленочная технологии имеют свои достоинства, то при производстве микросборок, вы­полняющих более сложные функции, чем ИМС, и состоящих из сочетания элементов, компонентов и ИМС, используют сочета­ние обеих технологий.

Количественную оценку параметров ИМС производят с ис­пользованием двух наиболее важных показателей: уровня инте­грации и плотности упаковки. Десятичный логарифм от уровня интеграции — количества N входящих в ИМС элементов, округ­ленного до ближайшего большего целого числа, т.е. К =LgN, на­зывают степенью интеграции ИМС. ИМС первой степени инте­грации (К= 1) имеют до 10 элементов, второй — до 100 (К= 2) и т.д. Количество элементов и компонентов, содержащихся в 1 см³ объема ИМС, называют плотностью упаковки. Современ­ные полупроводниковые ИМС имеют К= 6, а плотность упаков­ки может достигать 10⁵ эл/см³ и более, при этом размеры отдель­ных элементов не превышают 1мкм. Площадь полупроводнико­вого кристалла ИМС в зависимости от сложности составляет 0,3...0,6 мм² (площадь кристаллов, применяемых в ЭВМ, дости­гает 40 мм² и более).

Исходным материалом для изготовления полупроводниковых ИМС являются пластины кремния толщиной не более 50 мкм и диаметром до 100 мкм, называемые подложкой. В ИМС послед­них поколений вместо кремния используют арсенид галлия. В основе формирования элементов на подложке лежит планарная технология с двумя ее разновидностями: планарно-диффузионной и планарно-эпитаксиальной.

При планарно-диффузионной технологии исходную пласти­ну монокристалла, в которой формируют р—n -переход, покры­вают тонким защитным слоем диэлектрика. После этого спосо­бом фотолитографии изготовляют первую оксидную маску, для чего в защитном слое делают отверстия (окна) требуемой кон­фигурации по числу необходимых р—n -переходов. Для этого за­щитный слой покрывают тонким слоем светочувствительной эмульсии — фоторезиста, на поверхность которого проектиру­ют требуемый рисунок маски. После этого изображение прояв­ляется, и засвеченные участки фоторезиста стравливаются, об­нажая защитный слой. С помощью травления обнаженные уча­стки защитного слоя растворяют, и таким образом формируется требуемая совокупность окон. Через полученные окна произво­дят диффузию необходимых примесей в исходную подложку кремния.

Планарно-эпитаксиальная технология дает возможность на­ращивать полупроводниковый слой на подложку любого типа проводимости, при котором кристаллическая структура нара­щенного слоя является продолжением кристаллической струк­туры подложки. Состав наращенного слоя (эпитаксиальной пленки) может отличаться от состава подложки. Наращивая эпитаксиальный слой n -типа на подложку из кремния р- типа, можно сформировать р—n -переход, причем однородный по структуре эпитаксиальный слой может служить основой для из­готовления других р—n -переходов, если его покрыть защитным слоем, а затем повторить технологический процесс, изложен­ный при рассмотрении планарно-диффузионной технологии.

Рассмотрим некоторые технологические приемы планарной технологии.

Окисление исходного кремния производят при температуре около 1000 °С в среде влажного кислорода до образования на по­верхности пластины кремния диэлектрической пленки диоксида кремния (SiO₂) толщиной до 2 мкм.

Фотолитографию используют для защиты отдельных участков кремниевой пластины при создании окон. На поверхность пла­стины наносят слой фоторезиста, который засвечивают через шаблон с прозрачными и непрозрачными участками в соответст­вии с количеством и конфигурацией окон. После обработки фо­тослоя отдельные его участки вытравливают, чем обеспечивается локальный доступ к поверхности пластины.

Травление — операция, при которой образовавшаяся на по­верхности пластины пленка SiO₂ растворяется плавиковой ки­слотой на незащищенных участках.

Диффузия — операция по формированию р—n -переходов на заданных участках полупроводника. Пластину кремния помеща­ют в термостат с температурой около 1200 °С, содержащий газ с необходимыми примесями, диффундирующими в исходный по­лупроводник через окна в пленке SiO₂. Изменяя тип и концен­трацию примесей, можно получить требуемую многослойную р—n -структуру в кристалле полупроводника.

Эпитаксия — операция по наращиванию при высокой тем­пературе слоя полупроводника одного типа проводимости на поверхности исходной пластины полупроводника другого типа проводимости. При этом, как было указано ранее, наращенный слой в точности повторяет кристаллическую структуру исход­ного материала.

Напыление — операция по созданию проводников и контакт­ных площадок посредством осаждения в вакууме паров соответ­ствующих материалов на поверхность кристалла через маску.

Ионное легирование — операция, заключающаяся в облучении полупроводниковой пластины ускоренными до необходимой скорости ионами примеси.

Подложка с совокупностью элементов и компонентов, изго­товленных по описанным технологическим приемам и методам, должна быть конструктивно оформлена в целях защиты ее от воздействия окружающей среды. Для этого осуществляют герме­тизацию ИМС с помощью изоляционных материалов или с ис­пользованием методов вакуум-плотной герметизации. При гер­метизации изоляционными материалами кристалл полупровод­никовой или подложку гибридной ИМС покрывают слоем лака или компаунда. При вакуум-плотной герметизации кристалл или подложку помещают в герметизированный корпус прямоуголь­ной или круглой формы.

На рис. 8.1 в качестве примера показан общий вид конструк­ции ИМС с прямоугольным корпусом. Соединение ИМС с внешними выводами осуществляют золотыми или алюминиевы­ми проводниками.

Рис. 8.1. Конструкция интегральной микросхемы с прямоугольным

корпусом: 1 — основание; 2 — крышка; 3 — выводы

В зависимости от материала различают металлостеклянные, металлокерамические, керамические и пластмассовые корпуса. Металлостеклянный корпус состоит из металлической крышки 2 и стеклянного или металлического основания 1, снабженного выводами 3 через стеклянные изоляторы. Основание металлоке-рамического корпуса выполняют из керамики и соединяют с ме­таллическим корпусом посредством заливки компаундом. Кера­мический корпус состоит из керамических крышки и основания, соединенных пайкой. Пластмассовый корпус получают посред­ством опрессовки кристалла или подложки в пластмассу, снаб­женную рамкой и выводами.

Цифровые и аналоговые интегральные микросхемыи их элементы
По своему функциональному назначению ИМС делятся на цифровые и аналоговые. Цифровые (логические) ИМС, прин­цип работы которых базируется на использовании аппарата ма­тематической логики, представляют собой устройства с несколь­кими входами т и выходами n, реализующие определенную ло­гическую функцию

где — информационные значения входных сигналов, равные логической единице и логическому нулю; — ин­формационные значения выходных сигналов, которые в зависимости от значений х, также могут принимать лишь значения логических единицы или нуля.

Для представления двоичных переменных в электронных уст­ройствах используют электрические сигналы. Существует два способа представления: потенциальный и импульсный. При по­тенциальном способе двум значениям истинности, равным еди­нице или нулю, соответствуют два различных потенциала. На­пример, проводящее состояние диода соответствует логическому нулю, непроводящее — логической единице. При импульсном способе двум значениям истинности соответствует наличие или отсутствие импульсного сигнала в определенные моменты вре­мени.

Среди наиболее часто встречающихся логических функций можно отметить логическое отрицание «НЕ», логическое сложе­ние «ИЛИ», логическое умножение «И», используя сочетание которых можно реализовать логическую функцию любой слож­ности и, таким образом, создать сколь угодно сложное в функ­циональном отношении цифровое устройство. Именно поэтому цифровые ИМС являются базой для создания современных цифровых устройств обработки информации и, в первую оче­редь, ЭВМ последних поколений.

Аналоговые ИМС представляют собой устройства, которые обеспечивают почти пропорциональную зависимость между вход­ными и выходными сигналами. Аналоговые ИМС разделяются на информационные и силовые. Информационные ИМС осуществляют функции усиления, генерации, сравнения, модуляции, при­сущие информационной электронике, а силовые — функции пре­образования параметров потока электрической энергии, прису­щие силовой электронике.

Среди аналоговых ИМС можно выделить интегральные уси­лители, разделяемые на три группы: с одним входом и одним вы­ходом, с двумя входами и одним выходом и двумя входами и дву­мя выходами.

К первой группе относятся усилители постоянного или пере­менного напряжения и усилители мощности, которые обычно содержат двух- или трехкаскадный усилитель на биполярных или МДП-транзисторах.

Ко второй группе относятся операционные усилители, яв­ляющиеся усилителями постоянного тока с очень большими ко­эффициентом усиления и входным сопротивлением, а также ма­лым выходным сопротивлением.

К третьей группе усилителей относятся дифференциальные усилители постоянного тока, обеспечивающие усиление разно­сти значений двух сигналов, подаваемых на входы относительно общей точки (земли). Выходные напряжения идеального сим­метричного дифференциального усилителя пропорциональны разности входных напряжений.

Наиболее сложными элементами полупроводниковых ИМС являются транзисторы. Наиболее часто применяют биполярные и полевые (с МОП-структурой) транзисторы, для формирования p-n -переходов которых используют, как правило, планарно-эпитаксиальную технологию.

В качестве диодов наиболее целесообразно по конструктив­но-технологическим соображениям использовать биполярные транзисторы в диодном включении, т. е. один p-n -переход, ко­гда база транзистора соединена с эмиттером или коллектором.

Для изготовления резисторов ИМС используют базовый или эмиттерный слои транзисторной структуры, при этом изо­ляция резистора от других элементов и подложки осуществля­ется с помощью одного или нескольких р— и-переходов, вклю­ченных встречно и соединенных последовательно. Сопротив­ление таких резисторов находится в диапазоне от 10 Ом до 50 кОм.

В качестве конденсаторов в полупроводниках ИМС использу­ют емкости смещенных в обратном направлении p-n -переходов (барьерные емкости) биполярных транзисторов или емкости МОП-транзисторов, формируемые в изолированных друг от дру­га слоях полупроводника л-типа в едином технологическом про­цессе с другими транзисторными структурами. Недостатком та­ких конденсаторов является малая емкость (сотни пикофарад), обусловленная малыми размерами p-n -переходов.

Индуктивные элементы в ИМС используются крайне редко из-за весьма больших сложностей получения даже малых значе­ний индуктивностей.

В гибридных ИМС в качестве подложки используют пластину из диэлектрического материала, на которой, например, посред­ством напыления через маски формируют пленочные резисторы, конденсаторы, дроссели, контактные площадки и проводники. Бескорпусные диоды, транзисторы, полупроводниковые микро­схемы и другие элементы, которые не могут быть выполнены в виде пленок, присоединяются к контактным площадкам посред­ством пайки или микросварки.

Пленочные резисторы выполняют на основе чистых метал­лов, сплавов и микрокомпозиции. В качестве резистивных мате­риалов на основе чистых металлов применяют хром или тантал. Резистивными материалами на основе сплавов являются ни­хром, а также нитриды, карбиды и силициды хрома, вольфрама и тантала. Микрокомпозиции по электрическим свойствам при­ближаются к сплавам металлов.

Нанесение тонких пленок на подложку производят с использо­ванием различных технологических методов, позволяющих в со­четании с фотолитографией получить резисторы необходимой конфигурации и размеров. Пленочные резисторы имеют обычно прямоугольную или плоскую спиралеобразную форму. Сопротив­ление таких резисторов находится в диапазоне от 100 Ом до 50 кОм при номинальной мощности 0,2 Вт.

Пленочный конденсатор имеет трехслойную (или много­слойную) структуру, состоящую из металлических слоев (об­кладок конденсатора) с диэлектрическим слоем между ними. Емкость пленочных конденсаторов может достигать несколь­ких десятков тысяч пикофарад при номинальном напряжении до 15 В.

Катушки индуктивностей выполняют в виде круглых и пря­моугольных пленочных спиралей, они имеют индуктивности не более 10 мкГн. Поэтому в гибридных ИМС чаще применяют дискретные индуктивности в микроминиатюрном исполнении.

Объединение элементов и компонентов в гибридную ИМС осуществляют при помощи пленочных проводников и кон­тактных площадок, для напыления которых наиболее пригод­ными материалами являются золото, серебро, медь и алюми­ний, используемые в сочетании с подслоями никеля, хрома и нихрома.

Крепление навесных компонентов к контактным площадкам осуществляется пайкой, ультразвуковой сваркой, лучом лазера (компоненты с жесткими выводами) или пайкой и клеем (ком­поненты с гибкими выводами).