Конструктивно-технологическая классификация ИС учитывает способ изготовления и получаемую при этом структуру. По конструктивно-технологическим признакам различают пoлyпpоводниковые (монолитные) и гибридные - микросхемы [1].
В полупроводниковой ИМС 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 интегральной микросхемы. В большинстве полупроводниковых микросхем элемен- ты располагаются в тонком (толщиной 0,5...10 мкм) приповерхност- ном слое полупроводника. Поскольку удельное сопротивление полу- проводника невелико (1...10 Ом∙См), а элементы должны быть изоли- рованными друг от друга, необходимы специальные изолирующие об- ласти.
На рисунке 1.2 а, б показаны соответственно структура и электриче- ская схема простейшей полупроводниковой микросхемы, состоящей из биполярного N-P-N транзистора и резистора. Структура содержит слаболегированную подложку Р– -типа, активный полупроводнико- вый слой N-типа, в котором кроме транзистора и полупроводникового резистора (слой P-типа) созданы изолирующие области 2 из диоксида кремния. На поверхности полупроводника сформирован диэлектри- ческий слой диоксида кремния, на котором расположены металличе- ские проводники. Основным полупроводниковым материалом ИС является кремний. Важное конструктивно-технологическое преимущество кремния связано со свойствами слоев диоксида кремния, получаемых на его поверхности при окислении. Эти слои используют в качестве м асок при локальном легировании кремния примесями, для изоляции элементов (см. рисунок 1.2, а), в качестве подзатворного диэлектрика МДП- транзистора, а также для защиты поверхности кристалла от влияния окружающей среды и др. Достаточно большая ширина запре- щенной зоны кремния обусловливает малые обратные токи P - N пере- ходов, что позволяет создавать ИС, работающие при пов- ышенных температурах (до 125 °С) и при малых токах транзисторов (менее 1 мкА), т. е. низкой потребляемой мощности.
Рисунок 1.2 - Фрагмент монолитной ИС с комбинированной изоляцией элементов
В последнее десятилетие в ограниченных масштабах начато приме- нение арсенида галлия, отличающегося большей подвижностью электро- нов. На его основе создают микросхемы с повышенным быстродействи- ем или более высокими рабочими частотами (диапазон СВЧ). Однако арсенид галлия очень дорогой материал, а технология арсенид-гал- лиевых микросхем сложнее, чем кремниевых.
В некоторых микросхемах слой кремния, в котором формируются элементы, выращивают на диэлектрической подложке (КНД), в частности, из - сапфира (структура типа «кремний на сапфире») (КНС). Она обеспечивает по- вышенную радиационную стойкость.
Разновидностью полупроводниковых являются совмещенные мик- росхемы, в которых транзисторы размещают в активном слое кремния, а пленочные резисторы и диоды, как и проводники, - на слое диоксида кремния.
Важным показателем качества технологии и конструкции является плотность элементов на кристалле - число элементов, приходящихся на единицу его площади. Для повьшения плотности элементов приме- няют метод совмещения: некоторые области полупроводникового слоя используют для выполнения нескольких (обычно двух) функций, на- пример, базы биполярного N-P-N транзистора и коллектора P-N-P транзистора, стоковой области одного МДП - транзистора и истоковой области другого. С этой же целью проводятся исследования и разра- ботки трехмерных структур: элементы изготавливают в нескольких, (обычно двух) слоях кремния, разделенных диэлектрическими про- слойками, или создают канавки в кремниевой подложке и формируют элементы на их боковых поверхностях.
Уровень технологии характеризуется минимальным - топологическим размером D, т.е. наименьшими достижимыми размерами легиро- ванной области в полупроводниковом слое, пленочного слоя на поверхности, например, минимальными шириной эмиттера биполяр- ного транзистора, шириной проводников, расстояниями между ними.
При D = 0,3...0,5 мкм возникают про блемы, связанные с приближением размеров элементов, прежде всего транзисторов, к их физическим пределам. Уменьшение размеров эле- ментов до указанных значений вызывает процессы деградации струк- туры кристалла вследствие повышенной плотности тока, напряжённо- сти электрических полей и плотности выделяемой энергии. Особую проблему при исполъзовании элементов малых размеров представля ет формирование надежных внутрисхемных соединений. Их попереч ное сечение уменьшается, а плотность тока растет. Это может пр иводить к разрушению проводников, расположенных на рельефной (не идеально плоской) поверхности, к коротким замыканиям проводников, сформированных в разных слоях друг над другом, вследствие пробоя или нарушения разделяющего их тонкого диэлектрического слоя.
Уменьшение топологических размеров элементов приводит к улуч- шению электрических параметров ИС, в частности, к повыше- нию быстродействия из-за снижения паразитных емкостей P-N переходов- , увеличению крутизны полевых транзисторов и др. Однако и здесь ограничивающим фактором являются внутрисхемные соедине- ния, задержка сигнала в которых не позволяет полностью использо вать достигаемое высокое быстродействие элементов.
При разработке полупроводниковых ИС конструкторы и технологи сталкиваются и с другими серьезными проблемами и огра- ничениями, Одна из самых трудных проблем –обеспечение конструк- тивно-технологнческой совместимости различных элементов, создава- емых внутри одного полупроводникового слоя. Он характеризуется строго определенными электрофизическими параметрами, оптималь- ными для одних элементов и малопригодными для других. Кроме то- го, для изготовления различных элементов, например, биполярных и МДП -транзисторов, необходимы свои технологические операции, так что одновременное формирование этих элементов на одном кристал- ле затруднено. Поэтому для полупроводниковых микросхем характерен крайне ограниченный набор типов элементов в кристалле. Этим же объясняется их разделение по типу применяемых активных элементов (транзнсторов) на два основных вида: ИС на биполярных тран- зисторах и ИС на МДП-транзисторах (МДП - микросхемы).
Основным активным элементом биполярных микросхем является транзистор типа N-P-N. Кроме того, используются диоды на основе P-N переходов и переходов металл-полупроводник (диоды Шоттки), по- лупроводниковые резисторы, пленочные резисторы (в совмещенных микросхемах), изготавливаемые, например, в поликристаллическом слое кремния, и в редких случаях - конденсаторы небольшой емко- сти. Транзисторы типа P-N-P применяют значительно реже, чем N-P-N. Параметры полупроводниковых слоев и последовательность технологи- ческих операций при изготовлении биполярных микросхем выбираются прежде всего с учетом обеспечения наилучших электрических парамет- ров биполярных транзисторов типа N-P-N. Другие элементы формиру- ются в аналогичных слоях одновременно с транзисторами. Использо- вание пассивных элементов (резисторов, конденсаторов) ограничено, так как по сравнению с транзисторами они занимают большую пло- щадь на кристалле.
Основными элементами современных МДП-микросхем являются МДП-транзисторы с каналом n-типа. Площадь этих транзисторов на кристалле значительно меньше, чем биполярных, поэтому для микро- схем на n-канальных МДП-транзисторах достигается самая высокая степень интеграции, но они уступают биполярным по быстродействию. В комплементарных МДП-микросхемах применяют МДП-транзисто- ры с индуцированными каналами N- и P-типа, для этих микросхем ха- рактерна очень малая потребляемая мощность.
В специальных случаях в полупроводниковых микросхемах исполь- зуют биполярные транзисторы в сочетании с МДП- либо полевыми транзисторами с управляющим P-N переходом. Для изготовления та- ких микросхем требуется более сложная технология. В арсенид-галлиевых полупроводниковых микросхемах активны- ми элементами служат полевые транзисторы с управляющим перехо- дом металл-полупроводник, кроме того, исполь- зуют диоды Шоттки и полупроводниковые резисторы.
Полупроводниковые микросхемы в большинстве случаев являются изделиями широкого применения: одни и те же микросхемы исполь- зуются в микроэлектронной аппаратуре различного назначения. Они выпускаются большими партиями; только при этом условии окупают- ся высокие затраты на разработку новых типов микросхем.
Гибридная интегральная микросхема содержит пленочные пассивные элементы и навесные компоненты. На рисунке 1.3,а представлена структура простейшей гибридной микросхемы. На диэлектрическую подложку 1 нанесены пленочные резисторы 2 и пленочный конденса- тор 3. С помощью клея (слой 5) на подложку установлен бескорпусный биполярный N-P-N транзистор 4 с проволочными выводами, соединен- ными с металлическими слоями. Соответствующая электрическая схе- ма приведена на рисунке 1.3,б.
В гибридных ИС используются как простые, так и слож- ные компоненты, например, бескорпусные кристаллы полупроводнико- вых ИС. Электрические связи между элементами, компонент- ами и кристаллами осуществляют с помощью пленочных и проволоч- ных проводников. Подложка с расположенными на ее поверхности пленочными элементами, проводниками и контактными площадками называется платой.
Многокристальная гибридная ИС представляет собой со- вокупность нескольких бескорпусных полупроводниковых микросхем, установленных на одной диэлектрической подложке, соединенных меж- ду собой проводниками и заключенных в герметизированный корпус.
В зависимости от способа нанесения пленок на поверхность ди- электрической подложки и их толщины различают тонкопленочные (толщина пленок менее 1 мкм) и толстопленочные (толщина пленок более l мкм) гибридные микросхемы (ГИС).
Помимо количественных сущест- вуют и качественные различия, определяемые технологией изготовле- ния пленок. Тонкопленочные элементы формируют, как правило, с помощью термического вакуумного испарения и ионного распыления, а толстопленочные элементы наносят на подложку методом трафаретн- ой печати с последующим вжиганием.
Широкое использование гибридных ИС обусловлено сравн- ительно невысокими первоначальными затратами при организации производства, возможностью применения разнообразных компонентов с требуемыми рабочими характеристиками и простотой изготовления плат (особенно с толстопленочными элементами). Однако гибридные микросхемы отличаются от полупроводяиковых большими размерами и более сложной технологией сборки.
Контрольные вопросы
1. Назовите основные этапы развития цифровой микроэлектроники, пользуясь таблицей 1.1.
2. По какому признаку при проектировании систем классифицируются СБИС и их технические характеристики?
3. Какие приборы работают на явлении термоэлектронной эмиссии в твёрдом теле?
4. Какие приборы работают на стационарном эффекте поля в полупроводниках?
5. Какие приборы используют фотоэлектрические явления и люминесценцию?
6. Работа каких приборов основана на тензо – пьезо – акустоэлектронных эффектах?
7. Дайте определение названию «микроэлектроника».
8. На каких областях науки и техники базируется микроэлектроника?
9. Каким образом достигаются основные цели микроэлектроники?
10. Дайте определение названию «интегральная микросхема».
11. Что означают термины «плотность упаковки» и «степень интеграции»?
12. В чём заключается разница между микропроцессорными СБИС и перепрограммируемыми цифровыми СБИС?
13. В чём различие цифровых и аналоговых ИС?
14. Почему большинство монолитных интегральных схем выполнено из кремния?
15. Дайте определение названиям «полупроводниковая» и «гибридная» интегральная схема.
16. В каких случаях предпочтительней использование полупроводниковой ИС или гибридной ИС?
