Лекция 19. Компоненты микроэлектроники

Современное развитие всех областей промышленности характеризуется значительным усложнением задач, возлагаемых на электронную аппаратуру. В этих условиях построение аппаратуры на основе дискретных компонентов (транзисторов, диодов, резисторов, конденсаторов и т.д.) не может удовлетворить предъявляемых к ней требований.

Микроэлектроника — это современное направление электроники, охватывающее конструирование, изготовление и применение электронных узлов, блоков и устройств с высокой степенью миниатюризации. Микроэлектроника решает проблемы существенного повышения надежности, уменьшения массо-габаритных показателей и стоимости электронной аппаратуры.

В основу микроэлектроники положен интегральный принцип изготовления и применения электронных компонентов, при котором каждый компонент представляет собой не отдельно взятый транзистор, диод, резистор, конденсатор и т.д., а их неразъемное схемное соединение, представляющее собой некоторый узел, блок или целое устройство электронной аппаратуры. В связи с этим компоненты микроэлектроники носят название интегральных микросхем или просто микросхем. Количество элементов, входящих в микросхему, может достигать нескольких сотен тысяч и более.

По конструктивно-технологическим признакам интегральные микросхемы классифицируются на полупроводниковые (монолитные), гибридные и совмещенные.

В полупроводниковых интегральных микросхемах все элементы изготовляют в общей полупроводниковой подложке (кристалле кремния) в процессе общих технологических операций. В качестве активного элемента применяют биполярный или полевой (МПД) транзистор. В соответствии с этим полупроводниковые микросхемы подразделяют на биполярные и МДП-микросхемы.

В биполярных микросхемах используются почти исключительно транзисторы типа п-р-п. Это объясняется большим быстродействием кремниевых транзисторов типа п-р-п по сравнению с транзисторами типа р-п-р и возможностью получения для транзисторов типа п-р-п большего значения коэффициента α. Оба преимущества транзисторов типа п-р-п обусловлены тем, что подвижность и коэффициент диффузии электронов в кремнии почти в три раза выше, чем дырок. Задача получения больших значений коэффициента α облегчается также благодаря широкому применению фосфора — лучшего донорного диффузанта для кремния, обладающего хорошей растворимостью в кремнии. Тем самым облегчается задача создания сильнолегированной эмиттерной области транзистора по сравнению с базовой для увеличения коэффициента инжекции γ, а следовательно, и коэффициента передачи α.

Пассивные элементы в биполярных микросхемах изготовляют на основе р-п-переходов (диоды и конденсаторы) и слоев полупроводника (резисторы). При этом диоды получают на основе транзисторных структур с использованием его р-п-переходов; например, анодом диода является эмиттер транзистора, а катодом — соединенные вместе базы и коллектор. Такой принцип получения диодов на практике оказывается проще, чем специальное формирование р-п-переходов. Емкость конденсаторов, создаваемых на основе р-п-перехода (где используется его барьерная емкость при обратном напряжении), получается относительно небольшой (400 пФ). Созданные же другими методами конденсаторы занимали бы больший объем кристалла. В связи с указанным конденсаторы в полупроводниковых микросхемах находят ограниченное применение. Индуктивность как элемент здесь вообще не используют.

В МДП-микросхемах преимущественное распространение получили полевые транзисторы с индуцированным каналом Напряжение пробоя участка сток — затвор в микросхемных МДП-транзисторах существенно выше, чем коллекторного перехода в биполярных транзисторах. По этой причине МДП-микросхемы применяются при более высоком напряжении питания, чем биполярные микросхемы.

Полупроводниковые микросхемы и изготовляют групповым методом, при котором за один технологический цикл одновременно получают несколько тысяч микросхем. Исходной является кремниевая пластина диаметром 30—50 мм и толщиной 0,2—0,3 мм. Пластина представляет собой основу 300—500 микросхем, причем одновременно обрабатывается партия до сотни пластин. Площадь одной микросхемы определяется единицами квадратных миллиметров (или даже долями единицы) с числом активных и пассивных элементов, составляющих десятки, сотни и тысячи штук. Размеры участков кристалла, занимаемых каждым элементом, измеряются микрометрами. Соединение элементов в микросхемах производят частично в объеме кристалла, а частично — металлизацией на поверхности.

Электрическая изоляция элементов в МДП-микросхемах осуществляется межэлементными областями исходного полупроводника (рис. 7.1, а). Для изоляции элементов в биполярных микросхемах наибольшее применение получило создание вокруг каждого элемента обратносмещенного р-п-перехода (рис. 7.1, б) и размещение элементов внутри охватывающих слоев диэлектрика (рис. 7.1, в). Обратное смещение р-п-переходов, расположенных между двумя соседними элементами (рис. 7.1, б), создается подачей на подложку р-типа самого низкого отрицательного потенциала. Слой диэлектрика (рис. 7.1, в) представляет собой пленку двуокиси кремния, получаемую в процессе изготовления микросхемы.

Рис. 7.1. Выполнение транзисторных структур в МДП микросхемах (а), в биполярных микросхемах с изолирующими р-п-переходами (б) и с изоляцией диэлектриком (в)

Процесс изготовления микросхем базируется на планарной и планарно-эпитаксиальной технологии.

В гибридных интегральных микросхемах на керамической подложке методом последовательного нанесения пленок получают пассивные элементы (резисторы, конденсаторы, индуктивности, соединительные проводники). Активные элементы (транзисторы), а также диоды в микроминиатюрном бескорпусном исполнении применяют в качестве навесных элементов. Использование дискретных элементов объясняется отсутствием в настоящее время отработанной технологии получения пленочных транзисторов и диодов. Микросхемы с толщиной пленки менее 1 мкм относят к тонкопленочным, а более 1 мкм — к толстопленочным.

Тонкие пленки, из которых создают пассивные элементы, получают методом осаждения в вакууме через трафареты. В основу технологии положены испарение материала путем его нагрева до соответствующей температуры и последующая конденсация материала из газовой фазы на более холодную подложку.

Исходным материалом при производстве толстопленочных микросхем являются различные проводящие пасты для создания проводников, контактных площадок, обкладок конденсаторов, индуктивностей и резисторов, а также диэлектрические пасты для получения диэлектриков конденсаторов. Пасты наносят на керамическую подложку через трафареты с последующим вжиганием.

В совмещенных интегральных микросхемах активные элементы создают по планарной или планарно-эпитаксиальной технологии в объеме полупроводника, а пассивные элементы получают методами пленочной технологии.

Интегральные микросхемы предназначены для решения самых разнообразных задач. В соответствии с функциональным назначением интегральные микросхемы подразделяют на логические элементы, усилители, генераторы и т.д. В общем виде их можно разделить на два больших класса: цифровые и аналоговые (линейные) микросхемы.