Полупроводниковые интегральные микросхемы

В отличие от гибридных интегральных микросхем, которые сос­тоят из двух различных типов элементов: тонкопленочных резисто­ров, конденсаторов, соединительных проводников и навесных транзи­сторов, дросселей, конденсаторов большой емкости,— полупровод­никовые интегральные микросхемы (ПИМС) обычно состоят из отдельных областей кристалла, каждая из которых выполняет функцию транзистора, диода, резистора или конденсатора.

Транзисторы в полупроводниковых микросхемах представляют собой трехслойные структуры с двумя p-n-переходами, обычно n-p-n-типа. В качестве диодов используют либо двухслойные структуры с одним p-n-переходом, либо транзисторы в диодном, включении (рис, 2.6). Роль конденсаторов в полупроводниковых интегральных схемах выполняют p-n-переходы, запертые обратным постоянным напряжением.

Максимальная практически достижимая емкость таких конденсаторов лежит в пределах 100—200 пФ, а во многих микросхемах она ограничена значением 50 пФ, что является след­ствием малой площади используемых p-n-переходов (обычно 0,05 мм² и менее).

Рис. 2.6.Диодное включение транзисторов

Отклонение емкости конденсатора от но­минальной обычно составляет ±20%.

Резисторы полупроводниковых ин­тегральных микросхем представляют собой участки легированного полупроводника с двумя выводами. Сопротивление такого резистора зависит от удельного сопротивления полупроводника и геометрических размеров резисто­ров. Сопротивления резисторов обычно не превышают нескольких килоом. В качестве более высокоомных резисторов иногда исполь­зуют входные сопротивления эмиттерных повторителей, которые могут достигать десятков и даже сотен килоом. Температурная ста­бильность таких резисторов удовлетворительна во всем рабочем диа­пазоне. Отклонение сопротивления резистора от номинального сос­тавляет ±20% и более.

Дроссели в полупроводниковых интегральных микросхемах создавать очень трудно, поэтому большинство схем проектируют так, чтобы исключить применение индуктивных элементов.

Все перечисленные элементы микросхемы получают в едином технологическом цикле в кристалле полупроводника. Изоляцию отдельных элементов осуществляют одним из двух способов: закрытым p-n-переходом или с помощью изоляционной пленки дву­окиси кремния SiO₂. На рис. 2.7 показана последовательность по­лучения изолированных областей n-кремния. Такой технологиче­ский процесс содержит ряд описанных ранее операций. Вначале на пластину исходного n-кремния методом фотолитографии наносят защитную маску и проводят избирательное травление исходного кристалла (рис. 2.7, а). Затем после смывания маски осуществляют окисление поверхности кристалла кремния, на котором образуется изоляционный слой (рис. 2.7, б).

На поверхность, защищенную слоем SiO₂, напыляют или выра­щивают в процессе эпитаксии слой поликристаллического кремния (рис. 2.7, в). Наконец, после повторного травления исходного кристалла кремния образуются изолированные области кремния n-типа (рис. 2.7, г). В этих изолированных областях — «карманах» — с помощью диффузии примесей (акцепторных и затем донорных) создаются участки с электропроводностью p- и n-типов (рис. 2.8), которые образуют различные элементы микросхемы.

Рассмотренными методами с некоторыми вариациями отдельных операций могут быть получены биполярные транзисторы как типа^: n-p-n, так и p-n-p, полевые транзисторы с изоляцией затвора p-n-переходом и с изолированным затвором (МОП-транзисторы). Однако технологически достаточно сложно получить в одной микросхеме все типы элементов. Поэтому технология, применяемая для изготовления микросхем в основном на биполярных транзисторах,

получила название биполярной. Для изготовления микросхем в ос­новном на МДП-транзисторах имеется целый ряд технологий:

n-МОП — технология, позволяющая получать МОП-транзисторы с каналом, имеющим электронную электропроводность;

K-МОП — технология, позволяющая получать МДП-транзисторы с каналами как n, так и p-типов;

V-МОП — технология, предусматривающая создание V-образных канавок на поверхности полупроводниковой пластины. На бо­ковых поверхностях этих канавок располагаются МОП-транзисторы с очень короткими каналами (не более 3—6 мкм), что позволяет довести быстродействие полевых транзисторов до 5—20 ,нс. Во всех этих технологиях для соединения элементов между собой при­меняют золотые или алюминиевые пленки, получаемые методом ва­куумного напыления через маску соответствующей формы.

Соединение микросхемы с внешними выводами осуществляют золотыми или алюминиевыми проводниками диаметром около 10 мкм. Такие проводники присоединяют к золотым или алюминиевым, плен­кам методом термокомпрессии и приваривают к внешним выводам микросхемы. Общий вид микросхем без корпуса показан на рис. 2.9.

Полупроводниковые интегральные микросхемы в сборе поме­щают в металлический или пластмассовый корпус. Изготовление микросхем (сразу большого количества) в едином технологическом цикле позволяет существенно усложнять их схему и увеличивать количество активных и пассивных элементов практически без повышения трудоемкости изготовления. Это дает возможность создавать сложные микросхемы с большой степенью интеграции (более 10⁴—10⁶ элементов).

Большинство полупроводниковых интегральных микросхем потребляют от источников питания мощность порядка 50—200 мВт, В то же время существуют логические микросхемы, потребляемая мощность которых не превышает 10—100 мкВт, и усилители мощности в микросхемном исполнении, обеспечивающие выходную мощность в несколько ватт. Микросхемы могут работать до частот 20— 300 мГц, обеспечивать время задержки 0,1—20 нс.

Полупроводниковые интегральные микросхемы обладают до­вольно высокой надежностью. В настоящее время в ненагруженных режимах среднее время безотказной работы может достигать 10⁷ ч, и к 1990 г., ожидается его повышение до 10⁸ ч.

Электронные устройства, выполненные на полупроводниковых интегральных микросхемах, могут иметь плотность упаковки до 500 эл/см³. Среднее время безотказной работы устройства, содержа­щего 10⁸—10⁹ элементов, может достигать 5—10 тыс. ч.