Микроэлектроника

Микроэлектроника — это раздел электроники, включающий исследование, конструирование и производство интегральных микросхем (ИМС) и радиоэлектронной аппаратуры на их основе. Интегральная микросхема — это микроэлектронное изделие, выполняющее определенную функцию преобразования, обработки сигнала и (или) накапливания информации и имеющее высокую плотность упаковки электрически соединенных элементов (или элементов и компонентов), которое с точки зрения требований к испытаниям, приемке, поставке и эксплуатации рассматривается как единое целое.

Элемент — это часть микросхемы, реализующая функции какого-либо электрорадиоэлемента, которая не может быть выделена как самостоятельное изделие. Под электрорадиоэлементом понимают транзистор, диод, резистор, конденсатор и др. Элементы могут выполнять и более сложные функции, например, логические (логические элементы) или запоминание информации (элементы памяти).

Компонент — это часть микросхемы, реализующая функцию какого-либо электрорадиоэлемента, которая может быть выделена как самостоятельное изделие. Компоненты устанавливаются на подложке микросхемы при выполнении сборочно-монтажных операций. К простым компонентам относятся бескорпусные диоды и транзисторы, специальные типы конденсаторов, малогабаритные катушки индуктивности и др. Сложные компоненты содержат несколько элементов, например, диодные сборки.

Плотность упаковки — это отношение числа простых компонентов и элементов, в том числе содержащихся в составе сложных компонентов, к объему микросхемы без учета объема выводов.

Критерием оценки сложности микросхемы, т.е. числа N содержащихся в ней элементов и простых компонентов, является степень интеграции. Она определяется коэффициентом К = lgN значение которого округляется до ближайшего большего целого числа. Так, микросхема первой степени интеграции (К=1) содержит до 10 элементов и простых компонентов, второй степени интеграции (К = 2) — свыше 10 до 100 третьей степени интеграции (К = 3) — свыше 100 до 1000 и т.д. В настоящее время микросхему, содержащую 500 и более элементов, изготовленных по биполярной технологии, или 1000 и более элементов, изготовленных по МДП-технологии, называют большой интегральной микросхемой (БИС). Если число элементов превышает 10000, то микросхему называют сверхбольшой (СБИС).

Микросхемотехника (интегральная схемотехника) как одна из основ микроэлектроники охватывает исследования и разработку оптимальных схем. Многие современные микросхемы являются очень сложными электронными устройствами, поэтому при их описании и анализе используются, по меньшей мере, два уровня схемотехнического представления. Первый наиболее детальный уровень — это электрическая схема. Она определяет электрические соединения элементов (транзисторов, диодов, резисторов и др.) На этом уровне устанавливается связь между электрическими параметрами схемы и параметрами входящих в нее элементов. Второй уровень — это структурная схема. Она определяет функциональные соединения отдельных каскадов, описываемых электрическими схемами.

По функциональному назначению микросхемы подразделяются на цифровые и аналоговые. Цифровая микросхема предназначена для преобразования и обработки сигналов, изменяющихся по закону дискретной функции. В аналоговых микросхемах сигналы изменяются по закону непрерывной функции. Аналоговая ИМС называется линейной, если предназначена для преобразования и обработки сигнала, меняющегося по линейному закону. Аналоговые ИМС выполняют функции усиления, детектирования, модуляции, генерации, фильтрации, преобразования аналоговых сигналов и используются в аналого-цифровых измерительных устройствах, усилителях низкой и высокой частот, видеоусилителях, генераторах, смесителях сигналов и других устройствах. В цифровых ИМС активные элементы работают в ключевом режиме. Такие ИМС применяются в вычислительной технике, системах автоматического управления и устройствах дискретной обработки информации.

Конструктивно-технологическая классификация микросхем учитывает способ изготовления и получаемую при этом структуру. По конструктивно-технологическим признакам различают полупроводниковые и гибридные микросхемы. В полупроводниковой микросхеме все элементы и межэлементные соединения выполнены в объеме и на поверхности полупроводника. Структура, содержащая элементы, межэлементные соединения и контактные площадки (металлизированные участки, служащие для присоединения внешних выводов), называется кристаллом ИМС.

Полупроводниковые микросхемы по типу применяемых транзисторов подразделяются на два основных вида: микросхемы на биполярных транзисторах и микросхемы на МДП-транзисторах (МДП-микросхемы).

Основным активным элементом биполярных микросхем является транзистор типа п-р-п. Кроме того, используются диоды на основе р-п переходов и переходов металл-полупроводник (диоды Шотки), полупроводниковые резисторы, пленочные резисторы и в редких случаях — конденсаторы небольшой емкости.

Основными элементами современных МДП-микросхем являются МДП-транзисторы с каналом n-типа. Площадь этих транзисторов на кристалле значительно меньше, чем биполярных, поэтому для микросхем на n-канальных МДП-транзисторах достигается самая высокая степень интеграции.

Гибридная ИМС содержит пленочные пассивные элементы и навесные компоненты. В гибридных ИМС используются как простые, так и сложные компоненты, например, безкорпусные кристаллы полупроводниковых микросхем. Электрические связи между элементами, компонентами и кристаллами осуществляют с помощью пленочных и проволочных проводников. Подложка с расположенными на ее поверхности пленочными элементами, проводниками и контактными площадками называется платой. Многокристальная гибридная микросхема представляет собой совокупность нескольких бескорпусных полупроводниковых микросхем, установленных на одной диэлектрической подложке, соединенных между собой проводниками и заключенных в герметизированный корпус.

В зависимости от способа нанесения пленок на поверхность диэлектрической подложки и их толщины различают тонкопленочные (толщина пленок менее 1 мкм)и толстопленочные (толщина пленок более 1 мкм)гибридные микросхемы. Помимо количественных существуют и качественные различия, определяемые технологией изготовления пленок. Тонкопленочные элементы формируют, как правило, с помощью термического вакуумного испарения и ионного распыления, а тонкопленочные элементы наносят на подложку методом трафаретной печати с последующим вжиганием.

Все ИМС состоят из активных и пассивных элементов. К активным элементам относятся биполярные и полевые транзисторы, к пассивным — резисторы, конденсаторы и катушки индуктивности.

Главные различия структур биполярных транзисторов полупроводниковых микросхем и дискретных транзисторов заключаются в том, что первые содержат дополнительные области, изолирующие их от общей полупроводниковой подложки, и все выводы от областей транзистора располагаются в одной плоскости на поверхности подложки. Такая структура называется планарной. Она позволяет соединить транзисторы между собой и другими элементами микросхемы пленочными металлическими проводниками, формируемыми на той же поверхности. Кроме того, к структурам биполярных транзисторов, как и других элементов микросхем, предъявляется специфическое требование — площадь, занимаемая ими на полупроводниковой подложке, должна быть минимально возможной для повышения плотности упаковки элементов и степени интеграции. Конструкция и технология изготовления транзисторов должна обеспечивать возможность одновременного создания и других элементов (диодов, резисторов и т.д.) на основе аналогичных полупроводниковых слоев, используемых при формировании эмиттерной, базовой и коллекторной областей транзистора. В этом состоит важное требование конструктивно-технологической совместимости элементов полупроводниковых микросхем.

Наряду с биполярными транзисторами, изолированными р-п переходом, применяют биполярные транзисторы с диэлектрической изоляцией. Основные отличия структуры такого транзистора состоят в том, что транзистор размещают в кармане (области, окруженные со всех сторон изолирующим переходом, называются карманами), изолированном со всех сторон от подложки из поликристаллического кремния тонким диэлектрическим слоем диоксида кремния. Качество такой изоляции значительно выше, так как токи утечки диэлектрика на много порядков меньше, чем р-n перехода при обратном напряжении. Однако, биполярные микросхемы с диэлектрической изоляцией не получили широкого применения вследствие сложной технологии создания карманов и малой степени интеграции.

Основным методом изоляции элементов современных биполярных микросхем является метод комбинированной изоляции, сочетающий изоляцию диэлектриком (диоксид кремния) и р-п переходом, смещенным в обратном направлении. В настоящее время существует большое число конструктивно-технологических разновидностей биполярных микросхем с комбинированной изоляцией.

В некоторых аналоговых микросхемах используют полевые транзисторы с управляющим р-п- переходом и биполярные транзисторы на одном кристалле. Известно, что, в отличие от биполярных, полевые транзисторы характеризуются значительно большим входным сопротивлением и меньшим уровнем шумов, но уступают им по быстродействию и занимают большую площадь. Поэтому полевые транзисторы применяют во входных каскадах аналоговых микросхем, а в остальных каскадах используют биполярные транзисторы. В связи с этим возникает необходимость формирования на одном кристалле биполярных транзисторов и полевых транзисторов с управляющим р-п переходом.

В микросхемах наиболее широко распространены МДП-транзисторы с индуцированными каналами n-типа. Транзисторы со встроенными каналами используют реже, в основном как пассивные элементы. В некоторых МДП-микросхемах применяют транзисторы с индуцированными каналами п- и p-типа. При одинаковой конструкции n-канальные транзисторы имеют большую крутизну и более высокую граничную частоту, чем p-канальные, вследствие большей подвижности электронов по сравнению с дырками. В отличие от биполярных МДП-транзисторы можно создавать в тонких слоях кремния, нанесенных на диэлектрическую подложку. При этом повышаются быстродействие, степень интеграции и радиационная стойкость.

Основными активными элементами арсанид-галлиевых микросхем являются полевые транзисторы с управляющим переходом металл-полупроводник (МЕП-транзисторы). Эти микросхемы относятся к классу быстродействующих. При разработке микросхем используются следующие преимущества арсенида галлия по сравнению с кремнием: более высокие подвижность электронов в слабых электрических полях и скорость насыщения в сильных полях, большая ширина запрещенной зоны и, как следствие, значительно более высокое удельное сопротивление нелегированного арсенида галлия, позволяющее создавать полуизолирующие подложки микросхемы.

В полупроводниковых микросхемах наиболее распространенными пассивными элементами являются резисторы. Вследствие низкого удельного сопротивления полупроводниковых слоев они занимают большую площадь на кристалле. Поэтому микросхемы проектируют так, чтобы число резисторов было минимальным, а их сопротивления — небольшими (обычно менее 10 кОм).Аналоговые микросхемы содержат, как правило, больше резисторов, чем цифровые. Во многих цифровых микросхемах (например, на полевых транзисторах) резисторов нет, вместо них используют транзисторы. Полупроводниковые резисторы имеют сильную температурную зависимость и большой технологический разброс сопротивления. Иногда вместо полупроводниковых применяют тонкопленочные резисторы с лучшими параметрами, но тогда технологический процесс усложняется.

Основная часть полупроводниковых микросхем не содержит конденсаторов вследствие занимаемой или большой площади. Например, полупроводниковый или тонкопленочный конденсатор емкостью 50 пФзанимает приблизительно такую же площадь, как 10 биполярных или 100 МДП-транзисторов. Поэтому, если требуется емкость более 50-100 пФ, применяют внешние (дискретные) конденсаторы, для подключения которых в микросхемах предусматривают специальные выводы. В некоторых микросхемах конденсаторы малой емкости объединяются с другими элементами. Например, в элементах памяти динамического типа конденсаторы совмещены с МДП-транзисторами, в логических элементах на арсениде галлия — с металл-полупроводниковыми диодами. Конденсаторы емкостью порядка 10 пФна основе МДП-структур используются в некоторых аналоговых микросхемах, обладающих частотной избирательностью сигналов (например, в активных фильтрах). На высоких частотах МДП-конденсаторы имеют низкую добротность, так как одной из обкладок служит полупроводниковый слой со значительным сопротивлением. Высокую добротность обеспечивают тонкопле- ночные конденсаторы. Такие конденсаторы емкостью 0,1-1 пФ,а также тонкопленочные индуктивные элементы (доли наногенри) применяют в полупроводниковых аналоговых арсенид-галлиевых СВЧ-микросхемах. На более низких частотах индуктивные элементы не используются. В некоторых случаях индуктивный эффект получают схемным путем (т.е. применяя операционные усилители с RС-цепями обратной связи, активные фильтры и др.). Для других случаев применения используют катушки, находящиеся вне корпуса микросхемы.

В низкочастотных микросхемах применяют дискретные миниатюрные конденсаторы и катушки индуктивности. Пленочные реактивные элементы с емкостями менее 100 пФи индуктивностями менее 1 мкГниспользуют в аналоговых высокочастотных микросхемах. В сантиметровом диапазоне СВЧ используют пассивные элементы на основе микрополосковых линий передачи с распределенными емкостью и индуктивностью. Размер элементов порядка длины волны, поэтому их плотность относительно низкая.