Активных и пассивных элементов полупроводниковых и гибридных микросхем

В настоящее время различают два класса полупроводниковых ИС: биполярные ИС и МДП ИС. Сочетание биполярных и МДП –транзисторов на одном кристалле является особым случаем.

Технология полупроводниковых ИС обоих классов основана на легировании полупроводниковой (кремниевой ) пластины поочередно донорными и акцепторными примесями, в результате чего под поверхностью образуются тонкие слои с различным типом проводимости и р-п переходы на границах слоев.

Отдельные слои используются в качестве резисторов, а р-п переходы - в диодных и транзисторных структурах.

Легирование пластины приходится осуществлять локально, т.е. на отдельных участках, разделенных расстоянием 10-100мкм. Локальное легирование осуществляется путем диффузии или ионной имплантации примеси с помощью специальных масок с отверстиями, через которые атомы примеси проникают в пластину на нужных участках.

При изготовлении полупроводниковых ИС роль маски обычно играет пленка двуокиси кремния SiO , покрывающая поверхность кремниевой пластины. В этой пленке методами фотолитографии гравируется необходимая совокупность отверстий, или как говорят необходимый рисунок.

Основным элементом биполярных ИС является п-р-п транзистор: на его изготовление ориентируется весь технологический цикл. Он включает до 20 основных операций, осуществляемых в определенной последовательности (окисление пластины, фотолитография, избирательная диффузия, стравливание окисла и т.д. ).

Все другие элементы должны изготовляться одновременно с этим транзистором, как правило без дополнительных технологических операций.

В интегральных схемах широкое применение находят МДП –транзисторы как с индуцированным, так и с встроенным каналом. Основным элементом МДП ИС является МДП-транзистор с индуцированным каналом, на его основе изготовляют практически все остальные элементы. Элементы МДП ИС не нуждаются в специальной изоляции, так как взаимодействие между смежными МДП-транзисторами не имеет места. Это позволяет значительно повысить плотность упаковки и является одним из главных преимуществ МДП ИС по сравнению с биполярными. Другим важным достоинством является их лучшая технологичность. Для изготовления МДП-транзистора требуется выполнить в 1,5 раза меньше операций, чем при создании биполярного транзистора. Это способствует снижению стоимости и повышению надежности ИС.

Размер кристаллов у современных полупроводниковых ИС достигают 20´20 мм² . Чем больше площадь кристалла, тем более сложную ИС можно на нем разместить.

Таким образом, интегральные схемы на МДП-структурах являются перспективными, из-за малых размеров элементов и меньшего количества технологических операций при производстве.

В гибридных ИС пассивные элементы (резисторы, конденсаторы и др.) выполняются методами пленочной технологии на поверхности диэлектрической подложки. В качестве активных компонентов используются бескорпусные транзисторы, диоды, полупроводниковые ИС.

Пленочные резисторы выполняются по тонко- или толстопленочной технологии в виде узких полосок высокоомного материала, размещенных на диэлектрическом основании между контактными площадками. Электрические характеристики пленочных резисторов определяются в основном материалом резистивной пленки, ее формой и размерами.

Пленочные конденсаторы микросхем изготавливаются в виде многослойных структур, состоящих из металлических и диэлектрических пленок. Параметры конденсаторов определяются свойствами пленок используемых материалов и их геометрией. В качестве диэлектрика используют окиси кремния, германия, двуокись титана и др. В качестве материала для обкладок используют алюминий, хром, медь, золото, хорошо проводящие пасты.

Пленочные катушки индуктивности изготовляются путем нанесения на диэлектрические подложки пленок хорошо проводящих материалов в виде одно- или многослойных многовитковых спиралей круглой или прямоугольной формы. Индуктивность пленочной катушки пропорциональна занимаемой ею площади подложки.

В целях уменьшения сопротивления потерь для изготовления катушек индуктивности используют материалы с малым удельным сопротивлением. К ним относятся золото, алюминий, медь и др. Максимальная индуктивность катушек индуктивности не более 10 мкГн.

В гибридных интегральных схемах в качестве активных компонентов применяются бескорпусные полупроводниковые ИС, транзисторные и диодные матрицы, транзисторы и др. Бескорпусные полупроводниковые приборы по многим функциональным параметрам не уступают приборам в корпусах, а по массе и габаритам в десятки и сотни раз меньше. В то же время отсутствие корпуса ухудшает отвод мощности от компонента.

ЗАКЛЮЧИТЕЛЬНАЯ ЧАСТЬ

В лекции изучены классификация, достоинства интегральных схем и дано понятие о физико-технологических процессах изготовления активных и пассивных элементов различных типов микросхем. В процессе самостоятельной работы над курсом следует изучить структуру всех интегральных элементов, их основные параметры. Особое внимание обратить на уникальные элементы, не имеющие аналога в дискретном исполнении, а именно МНОП (МАОП) и ЛИЗ-МОП транзисторы, широко применяемые для построения запоминающих устройств (ОЗУ и ПЗУ).

В следующих лекциях будут проанализированы основные типовые решения схемотехники основных функциональных групп ИС - аналоговых и цифровых. Материал будет углублен в дальнейшем в ходе изучения курса "Вычислительной техники и информационных технологий".

Старший преподаватель кафедры N 9

доцент п/п Г.Подлеский

Рецензент:

Доцент п/п

Б. Степанов