Физические основы интегральной микроэлектроники

 

Применение электроники для решения все более трудных технических задач приводит к усложнению электрических схем. Это в свою очередь вынуждает заниматься разработкой электронных устройств, обладающих высокой плотностью упаковки, малым потреблением энергии и в то же время с большой надежностью. Всем этим занимается микроэлектроника.

Основным конструктивно – техническим принципом микроэлектроники является элементная интеграция – объединение в одном сложном миниатюрном элементе многих простейших элементов (диодов, транзисторов, резисторов и др.). Полученный в результате такого объединения сложный элемент называется интегральной микросхемой.

Интегральная микросхема (ИС) – это микроэлектронное изделие, выполняющее определенную функцию преобразования и обработки информации и имеющее высокую плотность упаковки электрически соединенных элементов, которые с точки зрения требований к испытаниям и эксплуатации принимаются как единое целое.

С точки зрения интеграции основными параметрами ИС являются плотность упаковки и степень интеграции. Плотность упаковки характеризует количество элементов в единице объема ИС (объем выводов не учитывается).

Степень интеграции ИС – показатель степени сложности ИС, характеризуемый числом элементов и компонентов и вычисляемый по формуле К=lgN, где К – коэффициент, определяющий степень интеграции, округляемый до ближайшего целого числа, N – число элементов и компонентов, входящих в ИС. Различают степени интеграции: первая – число элементов до 10, вторая – от 10 до 100, третья – от 100 до 1000 и т. д. Тот же показатель степени интеграции оценивается терминами МИС – малой интеграции, СИС – средней, БИС – большой и равен 6...8.

По технологии изготовления различают:

1. гибридные ИС,

2. полупроводниковые.

Гибридная ИС – интегральная микросхема, пассивные элементы которой выполнены путем нанесения различных пленок на диэлектрическую подложку, а активные элементы – бескорпусные транзисторы. Плотность упаковки ГИС достигает 150 элемент/см³, степень интеграции – первая и вторая. ГИС перспективны для устройств с небольшим количеством элементов, в которых должна быть обеспечена высокая точность. ГИС имеют большее разнообразие в номенклатуре изделий по сравнению с полупроводниковыми ИС, выход готовой продукции ГИС составляет 60% – 80% по сравнению с 5% – 30% готовой продукции полупроводниковых ИС.

Полупроводниковая интегральная микросхема – ИС, все элементы которой и межэлементные соединения выполнены в объеме и на поверхности полупроводника.

Современные полупроводниковые ИС достигают плотности упаковки 10⁶ эл/см³ и более, и седьмой, и даже восьмой степени интеграции. Размеры кристалла микросхемы СБИС превышают 20х20 мм². Наибольшие плотность упаковки и степень интеграции ИС достигаются в ИС с КМОП – структурой.

Преимущества полупроводниковых ИС перед гибридными таковы: более высокая надежность вследствие меньшего числа контактных соединений, ограниченное количество используемых материалов, большая механическая прочность благодаря меньшим примерно на порядок размерам элементов, меньшая себестоимость при изготовлении благодаря более эффективному использованию оборудования и преимуществам групповой технологии. Однако ввиду сложности оборудования целесообразно производство полупроводниковых ИС становится только при массовом их производстве – миллион штук в год на одном комплекте оборудования.

Полупроводниковые ИМС на биполярных структурах отличаются от аналогичных полевых ИМС большим быстродействием, но и большим потреблением энергии и меньшей плотностью упаковки. Биполярные структуры более устойчивы к электрическим нагрузкам.

В последние годы разработаны перспективные биполярные цифровые структуры И²Л, конкурентоспособные с полевыми по экономичности и плотности упаковки.

Процесс изготовления современных полупроводниковых ИМС весьма сложен. Интегральные микросхемы производятся в специальных помещениях с микроклиматом.

Основные операции изготовления ИМС можно разделить на 6 этапов:

1. Механическая обработка кремния. От цилиндрического слитка кремния алмазным резцом отрезают пластины толщиной до 600 мкм. Шлифуют и полируют одну плоскость диска, диаметр его достигает 150 мм.

2. Эпитаксиальное наращивание. На поверхность диска в специальных печах при температуре около 1200^о С наращивают монокристаллический слой кремния 1...10 мкм, лишенный механических дефектов и напряжений. Скорость наращивания – несколько микрон в час.

3. Окисление поверхности пластин. В атмосфере кислорода или воды при температуре около 1200^о С поверхность пластины покрывается двуокисью кремния SiO₂.

4. Фотолитография. Комплекс фотолитографии процессов повторяется от 3 до 14 раз. Каждый раз на оксидную пластину кремния наносится тонкий слой фоторезиста (около 1 мкм), который засвечивается через фотошаблон. На шаблоне имеются темные риски. Фоторезисты бывают позитивные и негативные. Негативные фоторезисты под действием света полимеризуются и делаются устойчивыми к травлению (кислотными или щелочными). Значит, после локальной засветки будут вытравливаться те места фоторезиста, над которыми были риски. Вытравливание производится смесью фтористого аммония и плавиковой кислоты, после чего на поверхности кремния образуются окна.

5. Диффузия примеси в кремний. Этот процесс производится в диффузионных печах при температуре 1200^о С. Для получения проводимости n–типа, применяют диффузоры: фосфор, сурьму, мышьяк; для получения p–типа проводимости – бор, галлий, индий. Операции диффузии и фотолитографии, чередуясь, проводятся до 14 раз.

6. Создание межсоединений. Для создания “монтажа” между элементами подложки ИМС пластина кремния со сформированными элементами (транзисторами, диодами, резисторами) покрывается слоем осажденного алюминия толщиной до 2 мкм, который затем в ненужных местах стравливается через соответствующие окна фоторезиста. При этом на поверхности полупроводника остается рисунок соединительных алюминиевых проводников шириной 10 мкм, а также контактных площадок.

 

На полупроводниковой пластине изготовляют одновременно от нескольких сотен до тысяч кристаллов ИМС малой степени интеграции. Электрические параметры кристаллов измеряют еще на неразрезанной пластине. Раскалывание пластины производят с помощью алмазного резца или лазерного луча. Для защиты ИМС от внешней среды ИМС помещают в герметичный корпус. Кроме того, корпус должен обеспечить электрическую связь между элементами ИМС и выводами. Конструкция корпуса должна обеспечить теплоотвод от ИМС. Иногда стоимость корпуса превышает стоимость кристалла.

Большое многообразие технологических процессов используется при изготовлении ИМС на полевых транзисторах. Рабочая частота цифровых МОП ИМС, выполненных по стандартной технологии, не превышает 2 МГц, аналоговых до 500 МГц. Применение в составе МОП ИМС транзисторов с каналами с разной проводимостью (КМОП – структуры) позволило создать цифровые ИМС с быстродействием до 20 МГц.

В настоящее время на основе арсенида галлия удается изготовить МОП – транзисторы с частотой генерации до 10 ГГц.

В цифровой технике на таких транзисторах можно изготовить ключи с временем задержки сигнала менее 1 нс. Большую сложность представляет процесс измерения параметров ИМС.

Контрольно–измерительная аппаратура, необходимая для проверки ИМС, представляет собой сложную автоматизированную систему, управляемую ЭВМ. Существуют системы, осуществляющие до 100000 испытаний одной ИС со скоростью до 300000 тестов в секунду.

Интегральным микросхемам присвоены условные обозначения, состоящие из четырех элементов:

1–й элемент - -цифра, обозначающая группу ИМС (1; 5; 7 – полупроводниковые; 2; 4; 8 – гибридные; 3 – прочие);

2 – й элемент – две три цифры, указывающие номер серии ИМС;

3 – й – две буквы, обозначающие функциональное назначение;

4 – й – цифра, указывающая номер разработки внутри серии.

Контрольные вопросы

1. В чем отличие полупроводниковых ИМС от гибридных в микроминиатюризации электронных устройств?

2. Что такое «плотность упаковки»?

3. Что такое «степень интеграции».?

4. Что обозначают две буквы в условном обозначении ИМС?

 

Вывод. Излагаются физические основы ИМС. Приводятся их классификация по конструктивно-технологическому принципу. Вводятся основные параметры, расшифровывается их условное обозначение.