Полупроводниковые интегральные микросхемы.

Вотличие от гибридных интегральных микросхем, состоящих из двух различных типов элементов (пленочных и навесных), полу­проводниковые, интегральные микросхемы состоят из единого кристалла полупроводника, отдельные (локальные) области которого выполняют функции активных и пассивных элементов, между которыми существуют необходимые электрические соединения и изо­лирующие прослойки.

Полупроводниковые ИМС имеют наиболее высокую степень интеграции элементов (свыше 10⁴ элементов/см³) и позволяют получить максимальную надежность, так как количество соединений в них сведено к минимуму.

В основу создания полупроводниковой ИМС положены группо­вой метод и планарная технология. Сущность группового метода, освоенного еще в дискретной полупроводниковой технике, состоит в том, что на пластине полупроводника одновременно изготавли­вается множество однотипных полупроводниковых приборов. Затем пластина разрезается на сотни отдельных кристаллов, содержащих по одному прибору данного типа. Полученные приборы помеща­ются в корпусы с внешними выводами и в таком виде поступают к разработчику аппаратуры. В дискретной полупроводниковой технике разработчик, составляя тот или иной функциональный узел (усилитель, генератор и т. п.), вынужден соединять получен­ные приборы один с другим и с иными элементами с помощью пай­ки, что, естественно, снижает надежность всего устройства. В интегральной технике на исходной полупроводниковой пластине одновременно изготавливаются не отдельные приборы, а целые функционально законченные узлы, состоящие из транзисторов, диодов, резисторов, конденсаторов и т. д. Эти элементы соединяют один с другим не проводниками и пайкой, а короткими тонкими металлическими полосками, напыляемыми на поверхность пластины. Для этого коммутационные электроды всех элементов выводят на поверхность пластины и размещаются в одной плоскости в одном плане. Такую возможность обеспечивает специальная планарная технология изготовления полупроводниковых ИМС.

Полупроводниковые интегральные схемы в основном изготав­ливаются из кремния. Выбор этот обусловлен тем, что по сравне­нию с германием он имеет большую запрещенную зону, меньшие обратные токи и более высокую рабочую температуру (до +125 °С). Кроме того, путем окисления поверхности кремния легко получить пленку двуокиси кремния, обладающую хорошими защитными свойствами.

Основными процессами создания компонентов полупроводнико­вых интегральных схем являются технологические процессы созда­ния р-п переходов, с помощью которых формируются как активные, так и пассивные компоненты интегральных схем — транзисторы, диоды, резисторы, конденсаторы и т. д. Такими процессами явля­ются диффузия примесей в кремний и эпитаксиальное наращивание монокристаллических слоев кремния на кремниевую подложку, имеющую противоположный тип проводимости. В соответствии с этим по технологии изготовления современные интегральные схемы можно разделить на изготавливаемые с применением только процессов диффузии, и схемы, при создании которых используются как процессы диффузии, так и процессы эпитаксиального наращивания.

Технология изготовления интегральных схем первого типа получила название планарной, а второго типа — эпшпаксиально-планарной.

Особый тип полупроводниковых интегральных микросхем составляют микросхемы, выполненные по так называемой совмещенной технологии. В этом случае активные элементы изготовляют по планарной или эпитаксиально-планарной технологии в объеме проводникового кристалла, а пассивные элементы — методами пленочной технологии на его поверхности.

В твердом теле полупроводника пассивные и активные элементы необходимо изолировать друг от друга во избежание коротких замыканий. По способу изоляции компонентов полупроводниковые ИМС можно разделить на две группы.

1. В схемах первой группы, изготавливаемых по планарной технологии, изоляция осуществляется образованием между элементами (группой элементов) дополнительных р-п переходов. При их формировании создаются изолирующие перегородки шириной 20— 30 мкм, которые разделяют пластинку кремния на отдельные микроучастки — «островки».

Рис.3. Процесс формирования изолирующих р-п переходов:

а – пластина кремния с окисной пленкой; б – пластина кремния после диффузии примеси и образования «островков».

В схемах второй группы, изготавливаемых по методу планарно-эпитаксиальной технологии, «островки» изолируются пленками двуокиси кремния. На рис. 4 в упрощенном виде показана технология получения «островков». Пластина монокристаллического кремния n-типа окисляется и на ней образуется пленка диоксида кремния (рис. 4, а). Затем в соответствии со схемой в пленке SiO₂ вытравливаются канавки (рис. 4, б). Поверхность повторно окисляется (рис.4, в), образуя фигурный слой SiO₂. На этот слой наращивается с помощью эпитаксии слой поликристаллического кремния собственной проводимости 3 (рис.4, г). После сошлифовки монокристаллического кремния образуются «островки» 4 (рис.4, д) в которых методом диффузии или эпитаксиальным наращиванием формируют необходимые элементы схем.

       Этот способ изоляции «островков» существенно уменьшает емкости между островками, токи утечки и увеличивает пробивное напряжение. Однако технология изготовления сложнее и стоимость изготовления схем соответственно более высокая.

Рис.4. Образование «островков» посредством использования изолирующей прослойки.

 Компонент ы полупроводниковых ИМС.

Транзисторы. В современной интегральной полупроводниковой технике используются транзисторы двух типов — биполярные и полевые (МДП-транзисторы). Специфическая особенность их заключается в том, что изготавливаются они по планарной или эпитаксиально-планарной технологии.

Рис.5. Изготовление биполярного транзистора методом планарно-диффузионной технологии:

а – диффузия донорной примеси; б – формирование «островков»; в – повторная диффузия акцепторной примеси и формирование базовой области; г – образование эмиттерной области и формирование контактных площадок

Плоская система позволяет про­стым способом — нанесением пленки двуокиси кремния — создать защиту от внешних воздействий. Благодаря защитному слою планарные структуры получили наибольшее распространение при изготовлении интегральных схем.

На рис. 5 схематически показана последовательность опера­ций при изготовлении биполярного транзистора методом планарно-диффузионной технологии.

Диоды. В полупроводниковых ИМС диоды изготавливаются методами планарнойтехнологии одновременно с изготовлением транзисторов. На рис.6 показаны пять вариантов использования биполярного транзистора в качестве диода.

Рис.6. Варианты использования биполярного транзистора  в качестве диода:

а, б – используется переход эмиттер-база; в – оба перехода включены параллельно, при этом обратный ток максимален; г, д – коллекторно-базовый переход, при этом получают диод общего назначения.

 

Резисторы. В полупроводниковых ИМС резисторы изготавливают методом локальной диффузии примеси в островки эпитаксиального слоя кремниевой заготовки. Причем образование резисторов идет одновременно с созданием эмиттерной и базовой областей транзистора.

Конденсаторы. В полупроводниковых ИМС в качестве конденсаторов используют барьерную емкость р-п перехода, который формируется в островках кремниевой пластины одновременно с формированием транзисторов ИМС способом диффузии; р-п переход включается в обратном направлении.

Индуктивности. Наиболее трудно выполнимыми элементами ИМС являются индуктивности. В настоящее время не существует метода получения индуктивностей классического вида в твердых схемах. Поэтому в них искусственно создают схемные элементы, реализующие индуктивный эффект (отставание тока от напряжения по фазе). Такими элементами могут быть: реактивные транзисторы. При конструировании ИМС в основном применяют навесные миниатюрные катушки индуктивности.

Переход от технологии полупроводниковых интегральных схем к технологии БИС характеризует современную тенденцию, связанную с интеграцией не только элементов, но и целых узлов.

Причины перехода к БИС вызваны также необходимостью со­кратить целый ряд операций, обладающих низкой надежностью при производстве обычных интегральных схем. К ним относятся резка пластины, установка кристалла в корпус, присоединение кристалла к выводам, установка отдельных корпусов на печатной плате и т. д. Во всех этих случаях имеются технологические операции, обладающие пониженной надежностью (герметизация, термокомпрессия и т. д.).

Главная цель перехода к БИС — получение более высоких качественных показателей и большей надежности электронных устройств при меньших затратах.

Повышение надежности БИС обусловлено, главным образом, применением более качественных компонентов, уменьшением количества сварных соединений и числа технологических операций. 

По технологическому признаку различают гибридные и полупроводниковые (монолитные) БИС. Для построения гибридных  БИС применяют многослойную толсто- или тонкопленочную разводку, позволяющую осуществить коммутацию бескорпусных интегральных микросхем и пленочных пассивных элементов. Дискретные элементы и микросхемы монтируются с помощью жестких (шариковых) выводов. При изготовлении полупроводниковых БИС применяют базовые кристаллы в виде матриц биполярных или полевых (МДП) транзисторов.