Все увеличивающиеся требования к электронным устройствам привели к созданию нового быстро и эффективно развивающегося научно-технического направления – микроэлектроники.

Микроэлектроника – это область электроники, которая охватывает комплекс проблем по созданию электронных устройств в микроминиатюрном интегральном исполнении.

Элементной базой микроэлектроники являются интегральные микросхемы.

Интегральная микросхема (ИМС) – это микроэлектронное изделие, выполняющее определенную функцию преобразования и обработки сигнала (или накопления информации) и имеющее высокую плотность упаковки электрически соединенных элементов (или элементов, компонентов) и (или) кристаллов, которое с точки зрения требований к испытаниям, приемке, поставки и эксплуатации рассматривается как единое целое.

Основная особенность ИМС состоит в том, что она выполняет законченную, как правило, весьма сложную функцию и может быть усилителем, триггером, счетчиком или другим устройством, тогда как для выполнения той же функции на электронных (дискретных) приборах требуется собрать соответствующую схему. ИМС содержит элементы и компоненты.

Элементом ИМС называют ее часть, которая выполняет функцию электронного элемента (диода, транзистора, конденсатора, резистора) и конструктивно неотделимую от ИМС.

Компонентом ИМС называется та ее часть, которая выполняет функцию электронного элемента, но перед монтажом является самостоятельным изделием.

Под кристаллом в микроэлектронике понимают готовый полупроводниковый прибор и микросхему без внешних выводов и корпуса.

ИМС обладают высокой степенью надежности, что обеспечивается технологией их изготовления и малым числом внутренних соединений. Стоимость ИМС значительно ниже стоимости аналогичных изделий на дискретных элементах, так как изготовление различных элементов производится в едином технологическом цикле и число операций не превышает числа операций при изготовлении одного дискретного элемента, например транзистора. ИМС имеют малые массу и размеры, а также малое потребление энергии.

Классифицируют ИМС по различным признакам: по функциональному назначению – цифровые, аналоговые (линейные), аналого-цифровые; по характеру выполняемой функции – усилители, генераторы (мультивибраторы, блокинг-генераторы и др.), триггеры, логические элементы и другие; по принципу действия основных элементов – биполярные, МДП и комплементарные КМДП; по конструктивно-технологическим признакам – полупроводниковые, пленочные, гибридные и совмещенные. Наиболее распространена классификация по двум последним признакам.

Полупроводниковая ИМС представляет собой полупроводник, в поверхностном слое и объеме которого сформированы области, эквивалентные элементам электрической схемы, изоляции и межсоединения. В качестве полупроводника обычно используют кремний, он является несущей частью конструкции и называется подложкой. Пример структуры полупроводниковой ИМС с омическими контактами 1-5 и ее эквивалентная схема показаны на рис. 3.1, а, б. Изготовляют полупроводниковые ИМС групповым методом, при котором одновременно создается большое число микросхем. Так, на одной пластине диаметром 76 мм можно разместить до 5000 электронных микросхем, каждая из которых может содержать от 10 до 20000 электронных элементов. В перспективе диаметр пластин предполагают увеличить до 100 мм и более и разместить на них до нескольких миллионов элементов.

Рис. 3.1. Структура полупроводниковой ИМС с омическими контактами

Пленочные ИМС представляют собой изолирующую подложку (основание), на поверхности которой все элементы и межсоединения сформированы в виде послойно нанесенных пленок. Пленочные ИМС содержат только пассивные элементы, так как путем комбинации различных пленок получить активные элементы (диоды и транзисторы) еще не удалось. Применение пленочных ИМС поэтому ограничено.

Гибридные ИМС – это микросхемы, представляющие собой комбинацию пленочных микросхем, навесных дискретных (активных) компонентов и полупроводниковых ИМС, которые обычно располагают на диэлектрической подложке пленочной ИМС. Пример структуры гибридной ИМС и ее эквивалентная схема показаны на рис. 3.2, а, б (1-6 – омические контакты).

Рис. 3.2. Структура гибридной ИМС и ее эквивалентная схема

Совмещенные ИМС – это микросхемы, у которых активные элементы выполнены так же, как и у полупроводниковых ИМС, а пассивные – как у пленочных ИМС. При этом пассивные элементы выполняют на предварительно изолированной части той же подложки, что и активные элементы. Все ИМС помещают в герметичный корпус.

Функциональную сложность ИМС характеризуют степенью интеграции – числом содержащихся в ней элементов и компонентов. Количественную оценку степени интеграции производят по коэффициенту , где N – число элементов и компонентов схемы (табл. 3.1).

Таблица 3.1

Классификация ИМС

Наименование ИМС	Степень интеграции	Значение К	Число элементов
Простая (малая)	1	<1	до 10
Средняя (СИС)	2	1<K<2	11-100
Большая (БИС)	3	2<K<4	101-10000
Сверхбольшая (СБИС)	4-5	>4	>10000

Примером простых ИМС могут служить логические элементы. Средние ИМС – это сумматоры, счетчики, оперативные запоминающие устройства (ОЗУ), постоянные запоминающие устройства (ПЗУ) емкостью 256-1024 бит. Большие ИМС (БИС) – это арифметико-логические и управляющие устройства. Со второй половины 70-х годов разрабатывают ИМС 4-5-й степени интеграции с числом элементов М=104-106 и минимальными размерами элементов 1,0-0,1 мкм (СБИС).

В качестве характеристики ИМС используют также плотность упаковки элементов – количество элементов (чаще всего транзисторов) на единицу площади кристалла. В настоящее время плотность упаковки ИМС составляет 500-1000 элементов/мм2 и более.

Все элементы полупроводниковых ИМС выполняют на поверхности и в объеме полупроводникового кристалла. Каждому из них соответствует определенная область полупроводникового материала, свойства и характеристики которой соответствуют свойствам и характеристикам дискретных элементов – диодов, транзисторов, резисторов, конденсаторов и др. Эти области изолируют друг от друга либо путем создания обратносмещенных p-n-переходов, либо диэлектриками. Все элементы соединяют в соответствии с электрической схемой. Межсоединения или выполняют путем напыления металла на поверхность полупроводника, или создают высоколегированные полупроводниковые полоски (металлизация). Межсоединения называют также металлической разводкой. Основным материалом для межсоединений служит алюминий.

В основе конструкций ИМС лежит транзисторная структура, все активные и пассивные элементы реализуются с ее помощью. Базовыми элементами являются биполярные и МДП-транзисторы.

Многоэмиттерные транзисторы. В ИМС используют обе структуры биполярных транзисторов: n-p-n и p-n-р. Наиболее часто применяют транзистор n-p-n-типа. Технология таких ИМС разрабатывается в расчете на то, чтобы обеспечить оптимальные параметры транзисторов, остальные элементы ИМС (транзисторы p-n-р-типа, диоды, резисторы и др.) создаются на основе структурных слоев транзисторов n-p-n-типа.

Помимо биполярных транзисторов, соответствующих дискретным транзисторам, в микроэлектронике применяют разновидности транзисторов, не имеющие аналогов в дискретном исполнении. Многоэмиттерные транзисторы (МЭТ) являются одним из таких видов. Они имеют (рис. 3.3, а) один коллектор К и несколько (до 8 и более) эмиттеров Э1, Э2, ЭЗ, объединенных одним общим базовым слоем Б.

Рис. 3.3. Многоэмиттерный транзистор

Эмиттеры представляют собой высоколегированные n+-слои малых размеров, под эмиттерными переходами расположен общий базовый р-слой. Коллектором является эпитаксиальный n-слой, нанесенный на подложку n+-типа (эпитаксиальным называют тонкий рабочий слой однородного полупроводника, наращиваемый на сравнительно толстую подложку). В общем случае МЭТ можно рассматривать как совокупность отдельных транзисторов с соединенными базами и коллекторами (рис. 3.3, б, в). МЭТ в ИМС используются для создания схем транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ).

Многоколлекторные транзисторы. Структура многоколлекторного транзистора (МКТ) (рис. 3.4, а) такая же, как и структура МЭТ, но используется она иначе. Здесь роль эмиттера выполняет эпитаксиальный n-слой, а коллекторами являются высоколегированные n+-слои малых размеров. Поэтому МКТ можно рассматривать как МЭТ в инверсном режиме (рис. 3.4, б, в). Исходя из такого использования структуры необходимо увеличивать коэффициент инжекции эмиттера. С этой целью подложку n+-типа располагают по возможности ближе к базовому слою. Будучи высоколегированной, она обеспечивает увеличение коэффициента инжекции.

Рис. 3.4. Структура многоколлекторного транзистора

МКТ используют для создания логических схем с инжекционным питанием, называемых схемами И2Л (интегральная инжекционная логика). Такие схемы нельзя выполнить на дискретных элементах. В общем случае схемы И2Л состоят из нескольких многоколлекторных n-p-n-транзисторов и многоколлекторного p-n-р-транзистора, выполняющего функции источника питания многоколлекторных транзисторов и называемого инжекторным. Эмиттер инжекторного транзистора называют инжектором и обозначают И.

Схема из двух МКТ и одного двухколлекторного инжекторного транзистора показана на рис. 3.5, а. На рис. 3.5, б представлена структура этой схемы (И2Л). Эпитаксиальный n-слой (вместе с подложкой n+-типа) является эмиттером всех n-p-n-транзисторов, базой каждого МКТ является свой р-слой, а коллектором – малые n+-слои. Инжекторный p-n-р-транзистор имеет отдельно выполненный в виде длинной p-полоски инжектор, его базой служит эпитаксиальный n-слой, а коллекторами – базовые р-слои многоколлекторных p-p-n-транзисторов. Таким образом, в схеме один и тот же слой выполняет две функции: является базой p-n-р-транзистора и коллектором n-р-n-транзистора, эмиттер n-p-n-транзистора является базой p-n-р-транзистора.

Рис. 3.5. Схема и структура из двух МКТ и одного двухколлекторного инжекторного транзистора

Полевые МДП-транзисторы. В ИМС в основном применяют МДП-транзисторы с изолированным затвором и индуцированным каналом. В качестве диэлектрика обычно используют SiO2, тогда эти транзисторы называют МОП-транзисторами. Канал транзисторов может быть и р-, и n-типа. По сравнению с ИМС на биполярных транзисторах ИМС на МОП-транзисторах технологически проще, так как при этом не требуется изоляции элементов: истоки и стоки смежных транзисторов разделены встречно включенными p-n-переходами. Поэтому МДП-транзисторы можно располагать близко друг к другу, что обеспечивает большую плотность компоновки. МДП-транзисторы можно использовать и в качестве пассивных элементов ИМС, а также нагрузочных резисторов (при соответствующем включении). Все это позволяет создавать логические ИМС полностью на базе только МДП-структур.

Диоды. Для создания диода нужно сформировать один p-n-переход. Но в биполярных ИМС основной структурой является транзисторная, поэтому диоды получают путем диодного включения транзисторов. Возможны пять вариантов таких включений (рис. 3.6). На рисунке обозначены подложки П, пунктиром показаны паразитные емкости, барьерные СЭбар и СКбар между соответствующими p-n-переходами, а также между коллектором и подложкой СКП. В первом варианте (а) используется p-n-переход эмиттер – база, p-n-переход коллектор–база замкнут; во втором варианте (б) используется p-n-переход коллектор–база, а эмиттер разомкнут; в третьем варианте (в) используется p-n-переход коллектор–база, а p-n-переход эмиттер–база замкнут; в четвертом варианте (г) используется p-n-переход коллектор–база, а эмиттер разомкнут; в пятом варианте (д) используются оба p-n-перехода, но эмиттер и коллектор соединены между собой так, что эмиттерный и коллекторный p-n-переходы включены параллельно. В каждом варианте включения параметры диодов разные. Первый вариант обеспечивает получение быстродействующих диодов, так как в этом случае накопление носителей заряда может происходить только в базовой области, которая очень тонкая, поэтому время восстановления обратного тока в этом варианте минимально. В других вариантах заряд накапливается не только в базе, но и в коллекторе ( большое). Вследствие этого первый вариант используют в логических ИМС, где необходимо высокое быстродействие.

Рис. 3.6. Диодные включения транзисторов в биполярных ИМС

Резисторы. В биполярных ИМС для создания резисторов используют одну из областей биполярной транзисторной структуры: эмиттер, базу или коллектор. Основу этих структур составляет один из слоев ИМС, получаемый методом диффузии. Отсюда название таких резисторов – диффузионные. Диффузионные резисторы изолированы от остального объема полупроводника р-n-переходами. Полупроводниковые резисторы с большими значениями сопротивлений получают не диффузией, а методом ионной имплантации примесей. Такие резисторы называют ионно-легированными.

Резисторы получают также на основе различных вариантов МОП-структур. Их используют в качестве нагрузочных резисторов в цифровых ИМС на основе МОП-транзисторов.

Конденсаторы. В полупроводниковых биполярных ИМС применяют конденсаторы на основе p-n-переходов, смещенных в обратном направлении (диффузионные конденсаторы). Форми-рование конденсаторов производится в едином технологическом цикле одновременно с изготовлением транзисторов и диффузионных резисторов, что не требует дополнительных технологических операций для их изготовления.

Диэлектриком в таком конденсаторе служит область объемного заряда p-n-перехода. Условием работы конденсаторов является правильное включение напряжения смещения, так как принцип их работы основан на том, что барьерная емкость p-n-перехода проявляется при обратном смещении перехода и зависит от смещения. Диффузионные конденсаторы могут выполнять функции как постоянной, так и переменной емкостей.

Конденсаторы могут быть созданы и на основе МОП-транзисторов. В качестве диэлектрика используют слой SiO2. Одной обкладкой такого конденсатора служит слой металла – пленка алюминия, другой – сильнолегированная область полупроводника (n+-слой). Индуктивные катушки и трансформаторы в полупроводниковых ИМС отсутствуют.

Элементы пленочных ИМС. Технология пленочных ИМС позволяет выполнить только пассивные элементы, в том числе и индуктивные катушки. Резисторы, конденсаторы и индуктивные катушки изготовляют путем напыления или нанесения многослойных резистивных, проводящих и изолирующих пленок на поверхность подложки.

Пленочные ИМС в зависимости от способа нанесения и толщины пленок подразделяют на тонкопленочные (толщина пленок до 1-2 мкм) и толстопленочные (толщина пленок 10-20 мкм и выше). Так как все пленочные элементы располагают на диэлектрической подложке, отпадает необходимость в их изоляции. Расстояния между элементами сравнительно большие, подложка достаточна толстая, поэтому паразитные емкости практически отсутствуют.

Индуктивные катушки изготовляют путем напыления на подложку проводящих спиралей различной конфигурации. На рис. 3.7 показана пленочная катушка индуктивности в виде прямоугольной спирали.

Рис. 3.7. Пленочная катушка индуктивности в виде прямоугольной спирали

Большие интегральные схемы (БИС). Создание БИС (см. табл. 3.1) характеризует новый этап в развитии микроэлектроники. Высокая степень интеграции в БИС может быть обеспечена увеличением плотности упаковки элементов. Функциональная сложность БИС связана с большим числом контактов, сложным рисунком и большой площадью металлизации, а также значительной площадью для изоляции элементов. Все это требует решения схемотехнических проблем, размещения базовых элементов.

Решение комплекса проблем – технологических, схемотехнических, физических и других – привело к функциональной интеграции, то есть к интеграции элемента, иначе – к использованию одного и того же участка кристалла для выполнения нескольких функций. С этой целью совмещают пассивные элементы с базовыми или коллекторными элементами транзисторов; рабочие области диодов и транзисторов; области различных транзисторов с вертикальной и горизонтальной структурами. Кроме того, функциональная интеграция предусматривает новую организацию цепи питания. Типичным примером такой интеграции могут служить схемы И2Л.

В качестве активных элементов, на базе которых создают БИС, используют и биполярные транзисторы, и МДП-транзисторы. БИС одинакового функционального назначения на биполярных транзисторах обладают большими быстродействием и отношением быстродействия к потребляемой мощности, чем БИС на МДП-транзисторах. Однако использование МДП-транзисторов позволяет значительно увеличить степень интеграции.

Наиболее перспективными являются схемы с инжекционным питанием И2Л. Поскольку БИС представляют собой сложные ИМС, содержащие огромное число активных элементов, производство их может быть экономически оправдано только в случае массового выпуска. Для этого необходимо, чтобы БИС были универсальными. Однако определить набор универсальных функциональных узлов массового применения с таким высоким уровнем интеграции пока не удалось. В результате обеспечения универсальности БИС достигают за счет электрического переключения входящих в нее ИМС по специальным программам, соответствующим разным функциям. Функциональные свойства БИС программируют при их проектировании. На таких программно-управляемых БИС выполняют микропроцессоры, схемы оперативной и постоянной памяти, составляющие основу вычислительных систем.

• Назад
• Вперёд