Предмет микроэлектроники 1 страница

1.1 Базовые определения

Электроника — область науки и техники, изучающая исследование и разработку электронных приборов и принципов их использования.

Понятие электронной схемы несколько уже, чем понятие электрической схемы. Электрической схемой называется любая взаимосвязанная совокупность электрических компонентов, работа которых подчиняется электрическим законам. Электронной схемой называют такую электрическую схему, в составе которой есть элементы, усиливающие мощность поступающего на них электрического сигнала, – это основная особенность электронной схемы и электроники в целом.

Микроэлектроника — раздел электроники, охватывающий исследование и разработку интегральных микросхем и принципов их применения.

Интегральная микросхема (ИМС, или ИС) — совокупность большого количества взаимосвязанных компонентов (транзисторов, резисторов и т. п.), изготовленная в едином технологическом цикле (т. е. одновременно), на одной и той же несущей конструкции (подложке) и выполняющую определённую функцию преобразования информации. Компоненты, входящие в состав ИС (элементы ИС, или интегральные элементы), не могут быть выделены из неё в качестве самостоятельных изделий.

Среди всех разделов электроники на современном этапе именно микроэлектроника наиболее широко применяется и наиболее динамично развивается. Электронные устройства позволяют проводить разнообразные исследования и измерения: начиная от объектов микромира и заканчивая космическими объектами; они стали мощным средством научных исследований, автоматизации и контроля производственных процессов, ускорили многие процессы, связанные с разработкой новых высоких технологий, фантастически расширили возможности информационных систем.

1.2 Особенности полупроводниковых приборов и микросхем

В начале своего развития и в течение нескольких десятилетий электроника опиралась на электровакуумные приборы (лампы), затем на дискретные компоненты, и только в 1962 году была выпущена первая серийная интегральная схема. По сравнению с электронными лампами полупроводниковые приборы имеют существенные достоинства: меньшая масса и размеры, более высокая надёжность и срок службы, бо́льшая механическая прочность, более высокий КПД (в т. ч. из-за отсутствия затрат энергии на накал), возможность работы при низких питающих напряжениях, более низкая стоимость.

Вместе с тем полупроводниковые приборы обладают и некоторыми недостатками: параметры и характеристики отдельных экземпляров данного типа приборов имеют значительный разброс, свойства и параметры приборов сильно зависят от температуры, часто более высокий уровень собственного шума, более низкая полезная мощность, резкое ухудшение работы под действием ионизирующего излучения (радиации).

Именно по этой причине лампы до сих пор применяются в схемах, где требуется наиболее высокое качество компонентов при очень низком уровне шума, в частности – в звуковой аппаратуре.

Схемы на дискретных компонентах также продолжают применяться в тех случаях, когда требуется высокая мощность электрического сигнала.

Каковы же особенности интегральных схем по сравнению с предыдущими формами электронных схем?

Первая особенность ИС как электронного прибора состоит в том, что она самостоятельно выполняет законченную, часто весьма сложную функцию, в отличие от дискретных компонентов, которые самостоятельно реализуют только простейшие или несовершенные зависимости между электрическими сигналами.

Второй важной особенностью ИС является то, что повышение функциональной сложности этого прибора по сравнению с элементарными не сопровождается ухудшением какого-либо из основных показателей (надёжность, стоимость и т. п.); более того, все эти показатели улучшаются: а) габариты и масса ИС и дискретных транзисторов близки, так что выигрыш по этим показателям определяется степенью интеграции и может достигать сотен тысяч раз; б) надёжность работы полупроводникового прибора в аппаратуре определяется, прежде всего, количеством паяных и сварных соединений, так что ИС, у которых соединения осуществляются путём металлизации, т. е. без пайки и сварки, обладают заведомо повышенной надёжностью по сравнению с дискретными схемами, выполняющими ту же функцию; в) поскольку все элементы ИС изготавливаются в едином технологическом цикле, то количество технологических операций по их изготовлению примерно такое же, как для отдельных транзисторов, поэтому стоимость ИС в зависимости от плотности упаковки может быть в сотни раз меньше, чем аналогичной дискретной схемы.

Третья особенность ИС состоит в предпочтительности использования активных элементов (в первую очередь, транзисторов, а также диодов), а не пассивных. В дискретных схемах активные компоненты наиболее дорогие, поэтому разработчики старались уменьшать их количество. В интегральной технологии производства стоимость схемы зависит от её площади, а площадь активных элементов – транзисторов и диодов – гораздо меньше, чем резисторов, и тем более конденсаторов. Следовательно, на схеме заданной площади можно поместить большее количество активных элементов, что позволяет увеличить функциональность схемы.

Четвёртая особенность ИС состоит в том, что параметры близкорасположенных элементов ИС имеют очень малый разброс, в том числе с изменением температуры. Эта корреляция может использоваться при проектировании.

1.3 Классификация ИС

Интегральные схемы можно классифицировать по типу производственной технологии, степени интеграции, по типу обрабатываемого сигнала.

По типу производственной технологии ИС делятся на полупроводниковые, плёночные и гибридные. В полупроводниковых ИС (наиболее распространённый вариант) все элементы выполнены в тонком приповерхностном слое единого п/п кристалла; в кристалл поочерёдно вносятся различные примеси, и все элементы создаются в виде комбинации областей с различными электрическими свойствами. В плёночных ИС все элементы и межсоединения напыляются через трафареты на подложку (полученные фигуры называются плёнками). В гибридных ИС (т. н. микросборках) отдельно тзготовленные активные элементы (транзисторы, диоды) наклеиваются на подложку, а все остальные элементы и межсоединения напыляются.

Спецификой гибридных ИС могут быть высокие номиналы/прецизионность резисторов и конденсаторов, недостижимые в полупроводниковых ИС.

Рис. 1.1. Пример структуры гибридной ИС

По степени интеграции ИС делятся на малые (МИС), средние (СИС), большие (БИС) и сверхбольшие (СБИС). Степень интеграции ИС это мера её сложности, определяющая количество элементов на единице площади кристалла.

По типу обрабатываемого сигнала ИС делятся на аналоговые и цифровые. Аналоговые электронные схемы используют аналоговые сигналы, которые могут принимать любое значение из непрерывного диапазона, причём любое значение важно и несёт информацию. Цифровые электронные схемы используют цифровые сигналы, в которых важны только два фиксированных, или выделенных, значения, называемые логическим нулём U⁰ и логической единицей U¹.

1.4 Заключение

Электронная техника непрерывно развивается, каждую задачу можно решить на основе различных схемных/технологических вариантов: можно выполнить схему на заказных интегральных микросхемах или использовать базовые матричные кристаллы, применить специализированный или общего назначения микропроцессорный/ микроконтроллерный комплект, можно задействовать программируемую схему (ПЛИС). Какое решение выбрать? В конечном счёте всё решает экономический анализ.

Для сохранения и постоянного повышения своей инженерной квалификации инженер должен регулярно следить за научной литературой. Инженер должен сознавать ограниченность своих знаний и не пытаться принимать решений в той области, где его компетенция ограничена.

Развитие микроэлектроники в очень большой степени определялось и продолжает определяться успехами в технологии производства (методы изоляции элементов, методы повышения степени интеграции, способы монтажа навесных компонентов и т. п.). В общем, микроэлектроника интегрирует в себе три аспекта: физический, технологический и схемотехнический. Знание этих трёх аспектов позволяет разработчику ИС трезво оценивать как новые варианты элементной базы или схемных решений (с точки зрения их технологической реализации), так и новые варианты технологических процессов (с точки зрения их пригодности для реализации данных элементов и данных схем).

2 Микроэлектронная технология

2.1 Особенность полупроводниковых материалов

В современных электронных приборах широко применяются полупроводниковые материалы, которые имеют средние значения электрической проводимости между проводниками и диэлектриками. Качественные отличия этих веществ определяются чисто количественной разницей в связях электроном со своими атомами. Электроны на внешней орбите каждого атома (называемые валентными, их количество определяет валентность атома) связаны с атомом ковалентной связью; если приложить к электрону достаточное количество энергии, то ковалентная связь порвётся – электрон оторвётся от своего атома, станет свободным, будет хаотически перемещаться по всему объёму кристалла – и при наличии электрического поля сможет участвовать в протекании электрического тока. В проводниках (в первую очередь, в металлах) достаточно приложить очень небольшую энергию для отрыва электрона от своего атома, и уже при комнатной температуре почти все электроны являются свободными; их концентрация может достигать 10²²…10²³ см^‑3 – очень большое количество. В диэлектриках, наоборот, для отрыва электрона от атома требуется очень большая энергия; этого можно добиться только очень сильным нагревом вещества (при котором само вещество может разрушиться) или воздействием радиации, когда энергию отдельному электрону может доставить частица радиационного потока.

Полупроводники занимают промежуточное положение между проводниками и диэлектриками. Их существенной особенностью является то, что электрическая проводимость одного и того же вещества может меняться в широких пределах при различных внешних воздействиях: нагреве, освещении, радиационном воздействии, и, что наиболее важно, внесении примесей.

2.2 Собственные полупроводники

Кремний – элемент IV группы таблицы Менделеева. Атомы кремния связаны между собой ковалентной связью: каждый атом имеет на внешней электронной оболочке 4 валентных электрона, которыми он связывается с 4 соседними атомами кремния (см. рисунок Рис. 2.1).

В случае если полупроводник не содержит никаких примесей и охлаждён до температуры абсолютного нуля, у электронов не хватает энергии, чтобы оторваться от атомов, поэтому свободных носителей заряда в кристалле нет, следовательно, нет тока.

Если же, например, полупроводник нагрет, то у некоторого количества электронов оказывается достаточно энергии для отрыва от своих атомов – они становятся свободными, а у их атомов остаются незанятые («вакантные») связи, называемые дырками (сами атомы при этом становятся положительными ионами). Оторвавшиеся электроны ещё некоторое время существуют в свободном состоянии, перемещаясь по кристаллу и теряя свою энергию в столкновениях с другими частицами. Растеряв свою энергию, электрон занимает какую-либо вакантную связь – при этом исчезает и свободный электрон, и дырка – такой процесс называется рекомбинацией. В то же самое время какие-то другие валентные электроны отрываются и становятся свободными – образуется новая электронно-дырочная пара и т. д. Среднее время нахождения электрона в свободном состоянии называется временем его жизни и обозначается τ. Процесс образования электронно-дырочных пар и процесс рекомбинации находятся в динамическом равновесии. Это равновесие можно сместить в любую сторону, изменив температуру, уровень освещённости, уровень радиационного воздействия, концентрацию примеси (см. след. пункт).

На имеющуюся вакантную связь между атомами (дырку) может перескочить и один из соседних валентных электронов (образовывавший там ковалентную связь). Тогда дырка появится в соседнем атоме (см. рисунок Рис. 2.2). Так она перемещается по кристаллу – поведение дырки удобно описать как поведение виртуальной положительно заряженной частицы.

Рис. 2.1. Объёмный фрагмент структуры кристалла кремния (слева)
и упрощённый рисунок (справа)

Рис. 2.2. Отрыв электрона от своего атома,
занятие вакансии другим электроном

В отсутствие электрического поля электрон и дырка двигаются хаотически. Если же приложить электрическое поле – будет наблюдаться направленное движение свободных электронов и валентных электронов против поля. При этом движение совокупности валентных электронов против поля проще описывать движением дырок по направлению поля.

Таким образом, в полупроводнике имеется два типа проводимости: электронная и дырочная. Полупроводник, который не содержит примесей, называется собственным полупроводником, а слабая электрическая проводимость, которой обладает такой полупроводник, называется собственной проводимостью.

2.3 Примесные полупроводники

Введение примесей в полупроводник называют легированием.

Если в кристалл кремния внедрить атом примеси V группы таблицы Менделеева (фосфор P, мышьяк As), у которого 5 валентных электронов на внешней орбите, то для пятого электрона в жёсткой структуре кристаллической решётки не найдётся атома, с которым он мог бы образовать связь. Таким образом, 5‑й электрон не будет связан с соседними атомами (см. рисунок Рис. 2.3,а), и достаточно легко отрывается от своего атома уже при комнатной температуре (см. рисунок Рис. 2.3,б). Сам атом, лишившись электрона, будет иметь положительный заряд, т. е. станет положительным ионом.

Отметим: на каждый внедрённый атом такой примеси образуется дополнительный свободный электрон, а парной ему дырки не образуется, т. е. концентрация электронов в кристалле становится выше концентрации дырок, как минимум, на 10¹⁵ см^‑3 (т. е. 10¹⁵ на каждый кубический сантиметр – минимальная концентрация примеси, используемая в технологическом процессе производства интегральной микросхемы). Электрическая проводимость электронного типа при внедрении примеси пятой валентности резко повышается.

Такие атомы примеси, которые добавляют свободные электроны в кристалл, называют донорами, а полупроводник, в котором свободных электронов больше, чем дырок, называют полупроводником n‑типа. Основными носителями в полупроводнике n‑типа являются электроны, а неосновными дырки.

Рис. 2.3. Фрагмент структуры кристалла полупроводника n‑типа (с донорной примесью, слева), пятый электрон отрывается от своего атома оставляя положительный ион (справа)

Если же в кристалл кремния внедрить атом примеси III группы таблицы Менделеева (бор B), у которого 3 валентных электрона на внешней орбите, то связи с тремя своими соседями этот атом сможет образовать сам, а для образования связи с четвёртым соседом этот атом должен захватить один из свободных электронов (или соседний валентный электрон, см. рисунок Рис. 2.4,а). Сам атом, приобретя дополнительный электрон, будет иметь отрицательный заряд, т. е. станет отрицательным ионом.

Отметим: на каждый внедрённый атом такой примеси образуется дополнительная дырка, а парного её свободного электрона не образуется, т. е. концентрация дырок в кристалле становится выше концентрации электронов, как минимум, на 10¹⁵ см^‑3. Электрическая проводимость дырочного типа при внедрении примеси третьей валентности резко повышается.

Такую примесь, которая уменьшает количество свободных электронов в кристалле, и увеличивает количество дырок, называют акцепторной, а полупроводник, в котором дырок больше, чем свободных электронов, называют полупроводником p‑типа. Основными носителями в полупроводнике p‑типа являются дырки, а неосновными электроны.

Рис. 2.4. Фрагмент структуры кристалла полупроводника p‑типа (с акцепторной примесью, слева), атом захватывает электрон соседнего атома, где образуется дырка (справа)

Важно понимать, что образец полупроводника как n-, так и p-типа сам по себе нейтрален, так как заряд свободных электронов или дырок уравновешивается зарядом донорных или акцепторных ионов. Обозначения p- и n- относятся лишь к типу зарядов, ответственных за проводимость внутри кристалла, т. е. основных носителей.

2.4 p‑n‑переход и расчёт диода

На стыке полупроводников p- и n‑типа происходит взаимная диффузия носителей заряда: электроны устремятся из n‑области в p‑область, рекомбинируют с находящимися там дырками, в результате чего концентрация дырок в p‑области уменьшается; в свою очередь, дырки из p‑области устремятся в n–область, рекомбинируют с находящимися там электронами, в результате чего концентрация электронов в n‑области уменьшается). В результате в приграничном слое оголятся отрицательные ионы со стороны p‑проводника и положительные со стороны n‑проводника, возникнет объёмный заряд (см. рисунок Рис. 2.5). Между неподвижными положительными и отрицательными ионами возникает приконтактное электрическое поле E₀, которое тормозит диффузию. Возникают, таким образом, два противоположных тока: диффузионный, вызванный разницей концентраций электронов и дырок в разных частях системы, и дрейфовый, вызванный встроенным электрическим полем. Между этими двумя противодействующими токами возникает динамическое равновесие, которое в уже изготовленном веществе можно сместить с помощью внешних воздействий: температуры, освещённости, радиации, электрического поля.

Область объёмного, или пространственного, заряда ОПЗ – запирающий слой, в котором практически нет носителей заряда, который имеет очень большое сопротивление, или с другой точки зрения, представляет собой энергетический барьер для электронов и дырок – и называется p‑n‑переходом (см. рисунок Рис. 2.5).

	обратное смещение – тока нет
прямое смещение – ток есть à

Рис. 2.5. Возникновение p‑n‑перехода (слева)
и его поведение при прямом и обратном смещении (справа)

Если к p‑n‑переходу приложить обратное смещение (напряжение), т. е. к n‑области приложить больший потенциал, а к p‑области меньший, то к внутреннему полю E₀ добавится внешнее поле E’ – ОПЗ увеличится (увеличится его сопротивление, увеличится энергетический барьер) – через p‑n‑переход ток протекать не будет, т. е. переход будет закрыт.

Если к p‑n‑переходу приложить прямое смещение, т. е. к n‑области приложить меньший потенциал, а к p‑области больший, то внешнее поле E’ будет направлено против внутреннего электрического поля E₀. ОПЗ при этом уменьшается (уменьшается его сопротивление, уменьшается энергетический барьер). И если E’ > E₀, то возможно проникновение через границу электронов и дырок. Результирующий ток p‑n‑перехода складывается из электронного и дырочного.

2.4.1 Основные уравнения диода

С использованием p‑n‑переходов построены все компоненты интегральных микросхем. Если приложить друг к другу куски полупроводников p- и n‑типа, то хорошего контакта между ними не получится, поэтому для получения p‑n‑перехода в объём полупроводника одного типа внедряют примесь, состоящую из атомов полупроводника другого типа.

Выпрямительный полупроводниковый диод содержит единственный p‑n‑переход.

Уравнение, выражающее ток диода I_д через напряжение диода U_д:

,

где I₀ – тепловой ток;

φ_T=kT/q=25 мВ (при температуре 25°C) – тепловой потенциал;

m – коэффициент неидеальности.

2.5 Основные этапы производства интегральной микросхемы

Обобщённый процесс. Выращенный специальными методами кристалл кремния слабого p‑типа цилиндрической формы разрезается на тонкие круглые кремниевые пластины диаметром 8 – 30 см (см. рисунок рис. 2.6,а). На этой пластине обычно создаётся регулярная структура из отдельных микросхем (чипов). Пластина разрезается на отдельные микросхемы, которые затем помещаются в корпуса (обычно пластиковые, реже керамические) (см. рисунок рис. 2.6,б).

Подготовка рабочего слоя. Если изготавливается микросхема с биполярными транзисторами, на поверхности пластины в местах, где будут располагаться биполярные транзисторы, с помощью диффузии (см. далее) создаются высоколегированные n+‑области. Такие области впоследствии будут находиться под приборами, поэтому называются скрытыми (см. рисунок Рис. 2.7,а); они служат для уменьшения сопротивления приборов. При изготовлении микросхемы с МОП-транзисторами такие скрытые области не используются.

После этого поверх пластины эпитаксиально выращивается рабочий слой слабого n‑типа толщиной в несколько единиц или долей микрометра, на котором выращивается слой оксида для защиты от загрязнения (см. рисунок Рис. 2.7,б). Именно внутри этого n‑слоя будут изготовлены все элементы микросхемы. Если в каких-то местах требуется создать p-области, то используется фотолитография и травление для снятия в этих местах слоя оксида, затем диффузия или ионная имплантация для создания области. После этого восстанавливается защитный слой оксида.

Изоляция приборов. Для того чтобы приборы не обменивались паразитными сигналами через подложку, необходимо электрически изолировать их. Для этого применяют несколько разных методов. Самый дешёвый и распространённый способ: окружить каждый прибор обратносмещённым p–n‑переходом. Для этого в эпитаксиальном слое n‑типа создают глубокие области p+‑типа, проникающие через всю толщину эпитаксиального слоя; и подают на эти p+‑области самое низкое напряжение в схеме (таким образом достигается обратное смещение p–n-перехода [p+‑изолирующие области] – [n‑рабочий слой]). Участки n‑типа между p+‑областями называются карманами. В них будут созданы приборы (см. рисунок Рис. 2.8).

2.5.1 Отдельные операции

Фотолитография: на поверхность пластины наносится слой фоторезиста – вещества, чьи свойства меняются при освещении (см. рисунок Рис. 2.9,а). Затем эта плёнка экспонируется (освещается) через фотошаблон – стеклянную пластинку, на которой нарисованы места будущих прорезей (см. рисунок Рис. 2.9,б), освещённые и размягчившиеся участки фоторезиста вытравливаются. Рисунок, создаваемый плёнкой фоторезиста, играет роль маски, защищает от травления заданные участки окисла под плёнкой (см. рисунок Рис. 2.9,в).

Травление: пластина обрабатывается кислотой; кислота уничтожает экспонированные участки маски и верхний слой (оксида или металла) под ними (см. рисунок Рис. 2.10,а). После этого с пластины смываются остатки кислоты и маски – остаются окна в поверхностном слое (оксида или металла) (см. рисунок Рис. 2.10,б).

Диффузия: пластина нагревается и помещается в газ примеси нужного типа (p/n), в результате чего на поверхность пластины осаждается слой примеси (см. рисунок Рис. 2.11,а). Атомы примеси проникают в рабочий слой только через окна в слое оксида и распространяются на определённое расстояние xj по всем направлениям, образуя область этого типа (p/n) (см. рисунок Рис. 2.11,б). После этого пластина покрывается слоем защитного оксида (см. рисунок Рис. 2.11,б).

Ионная имплантация: более дорогой, но более точный способ создания примесной области: пластина бомбардируется ионами примеси нужного типа (p/n). Ионы примеси проникают в пластину только через окна в слое оксида и распространяются на определённое расстояние xj по всем направлениям, образуя область этого типа (p/n) (см. рисунок Рис. 2.12,а). После этого пластина покрывается слоем защитного оксида (см. рисунок Рис. 2.12,б).

Металлизация и контакты: в местах, где нужны контакты к внутренним областям, с помощью фотолитографии и травления вкрывается слой оксида (см. рисунок Рис. 2.13,а); потом пластина полностью покрывается металлом (см. рисунок Рис. 2.13,б), затем с помощью фотолитографии и травления создаётся рисунок в слое металла (см. рисунок Рис. 2.13,в).

Рис. 2.6. Чипы на пластине (слева) и в корпусе (справа)

а)	б)

Рис. 2.7. а) Создание захороненного n+-слоя (вид в разрезе); б) эпитаксиальное наращивание n‑слоя

Рис. 2.8. Изоляция приборов методом изолирующих p–n-переходов

а)

б)

в)

Рис. 2.9. Фотолитография: а) нанесение фоторезиста; б) засвечивание через отверстия в шаблоне (вид сбоку и искоса); в) засвеченные области в фоторезисте (вид сбоку)

а)	б)

Рис. 2.10. Травление: а) уничтожение засвеченных участков в результате обработки кислотой; б) смывание остатков кислоты и маски

а)	б)

Рис. 2.11. Диффузия: а) помещение пластины в газ примеси, осаждение ионов примеси на поверхность пластины, проникновение (диффузия) ионов примеси вглубь пластины во всех направлениях; б) образование областей

а)	б)

Рис. 2.12. Ионная имплантация: а) бомбардирование пластины ионами примеси; б) диффузия и ионная имплантация: окончательный вид образованных областей после наращивания оксида

а)
б)	в)

Рис. 2.13. Контакты и металлизация: а) вскрытие окон в местах будущих контактов; б) полное покрытие пластины металлом и нанесение маски; в) результат травления: металлическая дорожка с контактами

3 Расчёт пассивных элементов ИС

3.1 Резисторы ИС

3.2 Конденсаторы ИС

4 Расчёт биполярного транзистора (БТ)

Содержание: Структура реального БТ — Схемы включения и режимы работы БТ — Принципы работы БТ в активном режиме в схеме ОБ — Вольт-амперные характеристики (ВАХ) БТ — Особенности реального БТ (эффекты второго порядка) — Схемотехнические модели БТ