Глава1. Предмет микроэлектроники

 

1.1.Введение. Микроэлектроника в современных науке и технике справедливо считается катализатором научно-технического прогресса, находя применение и в фундаментальных исследованиях, и в обыденной жизни. Микроэлектроника влияет на всё народное хозяйство через ряд специфических отраслей: вычислительную технику, информационно-измерительные системы, робототехнику, микропроцессоры.

Микроэлектроника – это раздел электроники, охватывающий исследование и разработку нового (теперь почти привычного) типа электронных приборов – интегральных схем – и принципов их применения.

Интегральная схема (микросхема) есть совокупность большого, как правило, количества взаимосвязанных компонентов (транзисторов, диодов, конденсаторов, резисторов и др.), изготовленная в едином технологическом цикле (одновременно) на одной и той же подложке и выполняющая определённый набор технических функций преобразования поступившей на её вход информации.

Термин «интегральная схема» ИС (IC – integrated circuit в английском написании, точный перевод – интегрированная схема) отражает суммирование, объединение в единую нераздельную конструкцию значительного числа электрорадиоэлементов (ЭРЭ) – (конструктивная интеграция), выполнение технических функций обработки информации более сложных по сравнению с функциями отдельных ЭРЭ (схемотехническая интеграция), одновременное создание всех ЭРЭ и межэлементных соединений в едином технологическом цикле (технологическая интеграция).

Компоненты, которые входят в состав ИС и поэтому не могут быть выделены из неё как самостоятельные изделия, называются элементами ИС или интегральными элементами. Они обладают некоторыми особенностями по сравнению с таковыми, изготавливаемыми в виде конструктивно обособленных изделий.

Одна из главных особенностей изделий микроэлектроники – высокая степень сложности выполняемых функций, что обеспечивается огромным количеством интегральных элементов, исчисляемых миллионами. Понятно, что высокая надёжность функционирования при соединении такого количества элементов вручную – задача невыполнимая. Решена она может быть только применением новых высоких технологий. Для изготовления ИС используются групповой метод производства и планарная технология.

Групповой метод производства заключается в том, что на одной пластине полупроводникового материала одновременно изготавливается большое количество ИС и, при технологической возможности, одновременно обрабатываются десятки таких пластин. После цикла изготовления ИС пластина разрезается в двух взаимно-перпендикулярных направлениях на отдельные кристаллы – чипы, каждый из которых есть ИС.

Планарная технология – это тип технологии, когда все элементы и их составляющие ИС создаются путём их формирования через плоскость. При изготовлении ИС необходимы операции по соединению отдельных элементов в схему и присоединению их к специальным контактным площадкам. Для этого надо, чтобы выводы элементов и контактные площадки находились в одной плоскости. Это условие обеспечивает планарная технология.

 

Рис. 1.1

 

Финальная операция – корпусирование – это помещение ИС в корпус с присоединением контактных площадок к ножкам ИС (рис. 1.1.).

Стоимость D одной ИС (одного чипа) упрощённо можно вычислить по формуле

 

где А – затраты на научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы по созданию ИС; В – затраты на технологическое оборудование, помещение и др.; С – текущие расходы на материалы, электроэнергию, заработную плату в пересчёте на одну пластину (себестоимость чипа); Z – число чипов, изготовляемых до амортизации основных производственных фондов; X – количество чипов на пластине; Y – отношение годных ИС к количеству, запущенных в начале производства.

Отметим, что увеличение Y достигается созданием всё более совершенной технологии – наиболее сложной и чистой среди многих новейших производств. Рост числа чипов Х на пластине достигается увеличением размера пластины и уменьшением размеров отдельных элементов.

Заметим, что все входящие в формулу величины не являются постоянными или зависимыми друг от друга, поэтому анализ на минимум стоимости – процесс сложный и многофакторный.

1.2.Интегральные схемы. В процессе развития микроэлектроники осваивались новые более совершенные технологические приёмы и новые материалы, что приводило к возникновению различных типов ИС. В настоящее время главным типом ИС утвердились полупроводниковые ИС, им посвящено основное содержание пособия, однако надо понимать, что в ряде применений целесообразнее использование других типов ИС, которые также будут рассмотрены.

Классификация ИС. По способу изготовления и получаемой при этом структуре различают два принципиально разных типа интегральных схем: полупроводниковые и плёночные.

Полупроводниковая ИС – это микросхема, элементы которой выполнены в приповерхностном слое полупроводниковой подложки (рис. 1.2). Эти ИС составляют основу современной микроэлектроники

Плёночная ИС – это микросхема, элементы которой выполнены в виде разного рода плёнок, нанесённых на поверхность диэлектрической подложки (рис. 1.3). В зависимости от способа нанесения плёнок и связанной с этим их толщиной различают тонкоплёночные ИС (толщина плёнок до 1 – 2 мкм) и толстоплёночные ИС (толщина плёнок от 10 – 20 мкм и выше).

 

.

Рис. 1.2

Поскольку до сих пор никакая комбинация напылённых плёнок не позволяет получить активные элементы типа транзисторов, плёночные ИС содержат только пассивные элементы (резисторы, конденсаторы и др.). Чтобы преодолеть эти ограничения, плёночную ИС дополняют активными компонентами (отдельными транзисторами или ИС), располагая их на той же подложке и соединяя с плёночными элементами. В результате получается ИС, которую называют гибридной.

В гибридной микросхеме в качестве активных ЭРЭ используются навесные дискретные полупроводниковые приборы или полупроводниковые ИС, а в качестве пассивных элементов – плёночные резисторы, конденсаторы, катушки индуктивности и соединяющие их плёночные проводники (рис.1.3). Механической основой такой микросхемы является диэлектрическая подложка.

Рис. 1.3

1– верхняя обкладка; 2 – нижняя обкладка; 3 – диэлектрик; 4 –

соединительная металлическая полоска.

 

Довольно часто в составе гибридной ИС используют не только плёночные, но и миниатюрные дискретные резисторы, конденсаторы, катушки индуктивности, дроссели, трансформаторы. Их называют навесными компонентами. Этим подчёркивается, что они изготовляются отдельно и представляют собой самостоятельные изделия, которые могут приобретаться изготовителем гибридной ИС как покупные изделия.

Ещё один тип «смешанных» ИС, в которых объединены полупроводниковые и плёночные интегральные элементы, называются совмещёнными. Совмещённая ИС – это микросхема, у которой активные элементы выполнены в приповерхностном слое полупроводникового кристалла (как и у полупроводниковой ИС), а пассивные нанесены в виде плёнок на предварительно изолированную поверхность того же кристалла (как у плёночной ИС).

Совмещённые ИС выгодны тогда, когда необходимы высокие номиналы и высокая стабильность резисторов и емкостей; эти требования легче обеспечить с помощью плёночных элементов, чем с помощью полупроводниковых.

Во всех типах ИС соединения элементов выполняются тонкими металлическими полосками, напылёнными или нанесёнными на поверхность подложки и имеющими в нужных местах контакты с соединяемыми элементами. Процесс нанесения соединительных полосок называют металлизацией, а рисунок межсоединений – металлической разводкой.

Частью конструкции микросхемы является её подложка. Она выполняет функции механического основания, изоляции элементов друг от друга и отвода тепла. Подложки выпускаются в виде тонких круглых или прямоугольных пластин. Для полупроводниковых микросхем используют монокристаллические полупроводниковые (кремний, арсенид галлия) и монокристаллические диэлектрические (сапфир, шпинель) подложки. На последних в дальнейшем формируют слой полупроводникового материала, в котором создают элементы микросхем. Их круглая форма определяется способом получения слитков путём вытягивания их из расплава. Для тонкоплёночных и гибридных ИС используют подложки из стекла, ситалла (стеклокристаллического материала) и керамики.

Полупроводниковые ИС. Различают такие варианты полупроводниковых ИС: биполярные, МОП (металл – окисел – полупроводник) и БИМОП. Последние представляют собой сочетание первых двух, и в них комбинируются положительные их качества.

Изготовление полупроводниковых ИС основано на легировании кремниевой подложки поочерёдно донорными и акцепторными примесями, что приводит к образованию тонких слоёв с разными типами проводимости и p–n-переходов на границах слоёв. Последние используются при формировании диодов и транзисторов, а отдельные слои – в качестве резисторов. Очевидно, что легирование должно быть локальным, поэтому оно реализуется с помощью масок с отверстиями, обеспечивающими легирование в нужных местах. Маска есть плёнка двуокиси кремния SiO₂ на всей поверхности подложки, в которой (плёнке) выгравирована строгая система отверстий (окон) различной формы, или необходимый рисунок (рис. 1.4).

 

Рис. 1.4

 

Основным элементом биполярных ИС является n–p–n транзистор, на его изготовление ориентируется весь технологический цикл. Остальные элементы должны быть изготовлены одновременно с транзистором, если это возможно, и без изменения технологии. Элементы биполярной ИС нужно изолировать друг от друга во избежание их взаимодействия через кристалл-подложку.

Основным элементом МДП ИС является МДП-транзистор. Изготовление других элементов должно быть основано на технологии базового транзистора. Элементы МОП ИС не требуют специальных мер по их изоляции друг от друга, так как нет взаимодействия между соседними МОП-транзисторами. В этом – одно из главных преимуществ МОП ИС по сравнению с биполярными.

Отметим, что в полупроводниковых ИС до сих пор не удаётся реализовать на основе твердотельной технологии катушки индуктивности и трансформаторы. Поэтому, если такие элементы принципиально необходимы, используют либо навесные элементы, либо выполняют их методами тонкоплёночной технологии.

Гибридные ИС. Плёночные, а значит, и гибридные ИС делятся по технологии изготовления на толсто- и тонкоплёночные.

Толстоплёночные ГИС изготавливаются нанесением разного состава паст на диэлектрическую пластину-подложку. Проводящие пасты создают межсоединения элементов, обкладки конденсаторов и выводы к внешним контактам микросборки; резистивные пасты – получение резисторов; диэлектрические пасты – изоляционный слой конденсаторов и общую защиту поверхности готовой ГИС. Каждый слой должен иметь свой рисунок. Поэтому каждую пасту наносят через свою маску – трафарет – с окнами в тех местах, куда должна попасть данная паста. После этого приклеиваются навесные элементы, а их выводы соединяются с контактными площадками.

Технология изготовления тонкоплёночных ГИС более сложна. Она характерна тем, что плёнки осаждаются на подложку из газовой фазы. После создания очередной плёнки меняется химический состав газа и, следовательно, физические свойства следующей плёнки. Поочерёдно создаются проводящие, резистивные и диэлектрические слои. Рисунок каждого слоя формируется либо трафаретом, либо маской как на рис. 1.4.

Сложность ИС характеризуется степенью интеграции, то есть количеством элементов (в основном транзисторов) на кристалле. Повышение степени интеграции необходимо с точки зрения увеличения количества и повышения сложности выполняемых ИС функций, что является одной из главных тенденций развития электроники в целом. Для количественной оценки степени интеграции используют условный коэффициент

k = lgN,

 

где N – число элементов на кристалле.

Ещё используют и такой показатель, как плотность упаковки – количество элементов (в основном транзисторов) на единицу площади кристалла. Этот показатель характеризует главным образом уровень технологии. В настоящее время технологический шаг при производстве больших интегральных схем (БИС) составляет около 100 нм. Для поддержания беспрецедентных темпов роста ключевых параметров выпускаемой продукции в дальнейшем необходимо к 2012-2015 гг. уменьшить технологический шаг до ~ 10 нм. Некоторого успеха можно ожидать от прогресса существующих подходов. Однако, по общему мнению специалистов, имеющиеся в промышленности технологии не смогут обеспечить такой рывок даже после существенного улучшения, поскольку в значительной степени они уже исчерпали свои возможности эволюционного совершенствования.

Освоение 10-нанометрового диапазона потребует создания принципиально новых физических основ и способов производства элементной базы, которые в общих чертах просматриваются уже сейчас. Интервал 1…10 нм – пока поле деятельности для фундаментальных исследований, которые нащупывают возможные пути продвижения массовых технологий в эту область.

1.3.Особенности интегральных схем. Любая ИС относится к классу электронных приборов, но по сравнению с диодом, транзистором и т.п. является качественно новым типом прибора с существенными особенностями.

Первая – главная особенностьИС как электронного прибора состоит в том, что ИС выполняет обычно весьма сложную и законченную функцию или комплекс функций. В микроэлектронике ИС может быть усилителем, запоминающим устройством, устройством обнаружения и идентификации опасных объектов и т.п.

Вторая важная особенность ИС заключается в том, что повышение функциональной сложности ИС не приводит к ухудшению какого-либо из основных показателей – надёжности, стоимости, энергопотребления и т.п. Более того, все эти показатели улучшаются.

Действительно, габариты и масса простых и средних ИС близки к таковым дискретных транзисторов, поэтому выигрыш по этим показателям при переходе к интегральным схемам определится степенью интеграции и может достигнуть сотен и тысяч раз. У ИС межсоединения элементов реализуются металлизацией без пайки и сварки, в связи с чем они обладают повышенной надёжностью по сравнению с дискретными схемами, выполняющими ту же функцию. С ростом степени интеграции этот выигрыш растёт. Все элементы ИС изготавливаются в едином технологическом цикле, поэтому число операций по их изготовлению не намного превышает это число для изготовления отдельного транзистора и поэтому стоимость ИС близка к стоимости одного транзистора. В зависимости от плотности упаковки одного элемента ИС по сравнению со стоимостью аналогичного дискретного элемента может быть в сотни и более раз меньше.

Третья особенность ИС есть предпочтительность активных элементов перед пассивными. В дискретной технике наиболее дороги активные элементы, особенно транзисторы, поэтому стремятся уменьшить их количество. В ИС задаётся стоимость не элемента, а кристалла, что требует размещения на кристалле максимального числа элементов с,минимальной площадью. Минимальную площадь имеют активные элементы (транзисторы и диоды), а максимальную – пассивные. Поэтому оптимальная ИС – это схема, у которой сведены к минимуму количество и номиналы резисторов и, особенно, конденсаторов.

Четвёртая особенность ИС сязана с тем, что очень близко друг к другу располагаются соседние элементы. На таких малых расстояниях (мкм и доли мкм) практически нет различий в электрофизических параметрах материала, поэтому маловероятен значительный разброс параметров и у смежных элементов. Иначе говоря, параметры смежных элементов взаимосвязаны – коррелированны. Корреляция сохраняется и при изменении температуры: у смежных элементов температурные коэффициенты параметров почти одинаковы.

Гибридные ИС тоже есть тип электронных приборов, однако наличие навесных элементов делает их менее специфичными в сравнении с полупроводниковыми ИС. Остаётся в силе фундаментальная черта всякой ИС – функциональная сложность прибора, что качественно меняет структуру электронной аппаратуры. Спецификой ГИС как прибора могут быть высокие номиналы резисторов и конденсаторов, либо точность резисторов, либо повышенная функциональная сложность. ГИС – это гибкий, дешёвый, оперативно проектируемый тип ИС, хорошо приспособленный к решению частных специальных задач.

 

Контрольные вопросы

1.Что такое интегральная схема?

2.Основные преимущества выполненных на ИС приборов по сравнению с приборами на дискретных схемах.

3.Поясните смысл понятия «микроэлектроеника».

4.Дайте классификацию интегральных схем.

5.Что такое совмещённая ИС?

6.Как характеризуется функциональная сложность интегральной схемы?

7.Что такое биполярная ИС?

8. Дайте определение МДП ИС.

9.Что такое гибридная ИС?

10. Каким образом в ИС достигается высокая надёжность?

11. Каковы особенности схемотехнических решений в микроэлектронике?

12. Каковы главные направления в развитии микроэлектроники?

13. В чём сущность группового метода производства?

14. Что достигается увеличением размеров кристалла и пластины?

15. В чём заключаются недостатки планарной технологии?