Глава 6 Структуры и технология интегральных микросхем

Неуклонное развитие электроники привело к возникновению микроэлектрони­ки. Так принято называть область науки и техники, занимающуюся физиче­скими и техническим проблемами создания высоконадежных и экономичных микроэлектронных схем и устройств, называемых интегральными микросхемами (ИМС). Интегральными они названы потому, что в них все элементы нераздель­но связаны между собой и схема рассматривается как единое целое.

Элементом называют часть ИМС, в которой реализуется функция какого-либо радиоэлемента (транзистора, диода, резистора и т. д.) и которую нельзя отделить от схемы и рассматривать как самостоятельное изделие. Элементы формируются на полупроводниковой пластине в едином технологическом процессе. В некоторых случаях в состав ЙМС входят компоненты (бескорпусные транзисторы, навесные конденсаторы, резисторы и т. д.), которые устанавливают при выполнении сбо-рочно-монтажных операций. Компоненты являются самостоятельными издели­ями, они могут быть отделены от изготовленной ИМС и заменены другими.

Сложность ИМС оценивают степенью интеграции, определяемой коэффициен­том К = lg N, значение которого округляется до ближайшего большего целого чис­ла, где N— число элементов и компонентов, входящих в ИМС. Микросхемы пер­вой степени интеграции (К = 1) содержат до 10 элементов и компонентов, второй степени интеграции (К = 2) — от 11 до 100 и т. д. Микросхемы третьей и четвертой степеней интеграции называют большими интегральными схемами (БИС), а ИМС, содержащие более 10⁴ элементов, называют сверхбольшими ИМС (СБИС).

По способу изготовления и получаемой при этом структуре различают две разно­видности ИМС: полупроводниковые и гибридные. В полупроводниковых ИМС (ПП ИМС) все элементы и межэлементные соединения выполняются в объеме и на поверхности полупроводниковой пластины. В гибридных ИМС (ГИМС) пассивные элементы (резисторы, конденсаторы и др.) выполняются в виде пленок на поверхности диэлектрической подложки, а активные элементы реализуются в виде навесных компонентов. В зависимости от способа нанесения пленок на по­верхность диэлектрической подложки и их толщины различают тоикопленочные ГИМС (толщина пленок менее 1 мкм) и толстопленочные ГИМС (толщина пле­нок порядка 20-40 мкм).

По функциональному назначению ИМС подразделяют на аналоговые и цифро­вые. Аналоговые ИМС предназначены для обработки сигналов, изменяющихся по закону непрерывной функции, цифровые — для обработки сигналов, изменя­ющихся по закону дискретной функции.

Гибридные интегральные микросхемы

Конструктивной основой ГИМС является подложка из диэлектрического мате­риала, на поверхности которой формируются пленочные элементы и межэле­ментные соединения. В качестве подложек применяют электровакуумные стекла, ситаллы, керамику и ряд других. Стекло, обладая очень гладкой поверхностью и хорошей адгезией (сцепляемостью) с материалами, наносимыми на его поверх­ность, вместе с тем имеет плохую теплопроводность и невысокую механическую прочность. Керамика, обладая повышенной механической прочностью и тепло­проводностью, имеет сравнительно высокую шероховатость поверхности. Поэто­му она применяется в основном для толстопленочных ГИМС. Наиболее широкое применение для подложек тонкопленочных ГИМС находят ситалл и фотоситалл. Ситалл является стеклокерамическим материалом, получаемым путем термооб­работки (кристаллизации) стекла. Фотоситалл получают кристаллизацией светочувствительного стекла. Его теплопроводность в несколько раз превышает теп­лопроводность ситалла.

Пленочные резисторы

Как показано на рис. 6.1, конструктивно резистор состоит из резистивной плен­ки 1, имеющей определенную конфигурацию, и контактных площадок 2. Низкоомные резисторы имеют прямоугольную форму (рис. 6.1, а), высокоомные — форму меандра (рис. 6.1, б). Сопротивление пленочного резистора определяется по формуле

(6.1)

где ρ_v — объемное удельное сопротивление резистивного материала;

l — длина резистора;

b — ширина резистора;

d — толщина пленки.

Уравнение (6.1) легко преобразуется к виду

(6.2)

где ρ_s = ρ_v / d — удельное поверхностное сопротивление пленки (сопротивление квадрата пленки);

К_ф =ll / b — коэффициент формы резистора.

В тонкопленочных ГИМС в качестве резистивных материалов используются металлы и их сплавы (тантал, хром, титан, нихром и др.), а также специальные резистивные материалы — керметы, которые состоят из частиц металла и ди­электрика. В толстопленочных ГИМС для изготовления резисторов используют резистивные пасты, наносимые на подложку через трафареты; эти пасты после термообработки превращаются в твердые пленки толщиной 20-40 мкм. Удель­ное поверхностное сопротивление пленок лежит в пределах от 100 до 10 000 Ом.

Пленочные конденсаторы

В большинстве случаев пленочный конденсатор представляет собой трехслойную структуру (рис. 6.2, а), состоящую из нижней (проводящей) обкладки 1, диэлект­рической пленки 2 и верхней проводящей обкладки 3. В качестве обкладок тон­копленочного конденсатора используется алюминий, в качестве диэлектрика — монооксид германия или кремния, диоксид кремния, оксид тантала и др. В тол­стопленочных конденсаторах для создания обкладок используется проводящая паста, а для диэлектрика — диэлектрическая паста.

Емкость пленочного конденсатора рассчитывается по известной формуле

где S — площадь взаимного перекрытия обкладок, см;

Е — относительная диэлектрическая проницаемость диэлектрика;

d — толщина диэлектрика, см;

С_о = 0,0885 z/d — удельная емкость, пФ/см.

Диэлектрическая проницаемость применяемых материалов лежит в пределах от 3 до 25.

Структура, представленная на рис. 6.2, а, применяется в том случае, когда пло­щадь верхней обкладки составляет не менее 10 мм². При площади S = 5-10 мм² конденсаторы выполняют в виде двух пересекающихся проводников 1 и 3, разде­ленных диэлектрическим слоем 2 (рис. 6.2, б). При активной площади менее 5 мм² применяют последовательное соединение конденсаторов (рис. 6.2, в). При актив­ной площади 5=1 мм² применяют гребенчатые конденсаторы (рис. 6.2, г).