Интегральные микросхемы

Современное развитие всех областей промышленности характери­зуется значительным усложнением задач, возлагаемых на электрон­ную аппаратуру. В этих условиях построение аппаратуры на основе дискретных компонентов (транзисторов, диодов, резисторов, конден­саторов и т. д.) не может удовлетворить предъявляемых к ней требо­ваний. Множество компонентов, разветвленность межэлементных сое­динений, обилие паек, низкая плотность монтажа приводят к значи­тельной трудоемкости изготовления, большим массе и габаритам, высокой стоимости и низкой надежности аппаратуры при таком прин­ципе ее выполнения.

Микроэлектроника — это современное направление электроники, охватывающее конструирование, изготовление и при­менение электронных узлов, блоков и устройств с высокой степенью миниатюризации. Микроэлектроника решает проблемы существен­ного повышения надежности, уменьшения массо-габаритных показа­телей и стоимости электронной аппаратуры.

В основу микроэлектроники положен интегральный принцип изготовления и применения электронных компонентов, при котором каждый компонент представляет собой не отдельно взятый транзистор, диод, резистор, конденсатор и т. д., а их неразъемное схем­ное соединение, представляющее собой некоторый узел, блок или це­лое устройство электронной аппаратуры. В связи с этим компоненты микроэлектроники носят название интегральных микросхем или просто микросхем. Количество элементов, входя­щих в микросхему, может достигать нескольких сотен, тысяч и более.

По конструктивно-технологическим признакам интегральные мик­росхемы классифицируются на полупроводниковые (монолитные), гибридные и совмещенные.

В полупроводниковых интегральных микросхемах все элементы изготовляют в общей полупроводниковой подложке (кристалле кремния) в процессе общих технологических операций. В качестве активного элемента применяют биполярный или полевой (МПД) транзистор. В соответствии с этим полупроводнико­вые микросхемы подразделяют на биполярные и МДП-микросхемы.

В биполярных микросхемах используются почти исключительно транзисторы типа п-р-п. Это объясняется большим быстродействием кремниевых транзисторов типа п-р-п по сравнению с транзисторами типа р-п-р и возможностью получения для транзисторов типа п-р-п большего значения коэффициента усиления.

Пассивные элементы в биполярных микросхемах изготовляют на основе р-п-переходов (диоды и конденсаторы) и слоев полупроводника (резисторы). При этом диоды получают на основе транзистор­ных структур с использованием его р-п- пер входов; например, ано­дом диода является эмиттер транзистора, а катодом — соединенные вместе базы и коллектор. Такой принцип получения диодов на прак­тике оказывается проще, чем специальное формирование р-п-п-переходов. Емкость конденсаторов, создаваемых на основе р-п-перехода (где используется его барьерная емкость при обратном напряжении), получается относительно небольшой (400 пФ). Созданные же другими методами конденсаторы занимали бы больший объем кристалла. В связи с указанным конденсаторы в полупроводниковых микросхемах находят ограниченное применение. Индуктивность как элемент здесь вообще не используют.

В МДП-м икросхемах преимущественное распространение получили полевые транзисторы с индуцированным каналом. Напряжение пробоя участка сток — затвор в микросхемных МДП-транзи-сторах существенно выше, чем коллекторного перехода в биполяр­ных транзисторах. По этой причине МДП-микросхемы применяются при более высоком напряжении питания, чем биполярные микросхе­мы. При соответствующем включении МДП-транзистор может быть использован и как пассивный элемент — резистор. Это позволяет создавать микросхемы только на основе МДП-структур. Техно­логия изготовления МДП-микросхем существенно проще техноло­гии изготовления биполярных микросхем.

Полупроводниковые микросхемы изготовляют групповым мето­дом, при котором за один технологический цикл одновременно полу­чают несколько тысяч микросхем. Исходной является кремниевая пластина диаметром 30—50 мм и толщиной 0,2—0,3 мм. Пластина представляет собой основу 300—500 микросхем, причем одновремен­но обрабатывается партия до сотни пластин. Площадь одной микро­схемы определяется единицами квадратных миллиметров (или даже долями единицы) с числом активных и пассивных элементов, состав­ляющих десятки, сотни и тысячи штук. Размеры участков кристал­ла, занимаемых каждым элементом, измеряются микрометрами. Сое­динение элементов в микросхемах производят частично в объеме кристалла, а частично — металлизацией на поверхности.

Процесс изготовления микросхем базируется на пленарной и планарно-эпитаксиальной технологии. Полупроводниковые слои создаются способами локальной диффузии и эпитаксиального наращива­ния. Важнейшими этапами получения слоев требуемой конфигурации являются создание защитных слоев из двуокиси кремния и их прецизионное фотолитографическое локальное травление. В связи с этим термическое окисление кремния и методы фотолитографии входят в число основных операций в производстве полупроводниковых микро­схем.

В гибридных интегральных микросхемах на керамической подложке методом последовательного нанесения пленок получают пассивные элементы (резисторы, конденсаторы, индуктивности, соединительные проводники). Активные элементы (транзисторы), а также диоды в микроминиатюрном бескорпусном ис­полнении применяют в качестве навесных элементов. Использование дискретных элементов объясняется отсутствием в настоящее время отработанной технологии получения пленочных транзисторов и дио­дов. Микросхемы с толщиной пленки менее 1 мкм относят к тонкопле­ночным, а более 1 мкм — к толстопленочным.

Тонкие п л е н к и, из которых создают пассивные элементы, получают методом осаждения в вакууме через трафареты. В основу технологии положены испарение материала путем его нагрева до со­ответствующей температуры и последующая конденсация материала из газовой фазы на более холодную подложку.

Исходным материалом при производстве толстопленочных микросхем являются различные проводящие пасты для созда­ния проводников, контактных площадок, обкладок конденсаторов, индуктивностей и резисторов, а также диэлектрические пасты для получения диэлектриков конденсаторов. Песты наносят на керамиче­скую подложку через трафареты с последующим вжиганием.

В совмещенных интегральных м и к р о с х е-м а х активные элементы создают по планарной или планарно-эпитаксиальной технологии в объеме полупроводника, а пассивные эле­менты получают методами пленочной технологии.

Интегральные микросхемы предназначены для решения самых разнообразных задач. В соответствии с функциональным назначе­нием интегральные микросхемы подразделяют на логические элемен­ты, усилители, генераторы и т. д. В общем виде их можно разделить на два больших класса: цифровые и аналоговые (линейные) микросхемы.