close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

код для вставкиСкачать
4. МИКРОЭЛЕКТРОНИКА
Микроэлектроника охватывает вопросы разработки, проектирования,
изготовления и применения микроэлектронных устройств. К таким
устройствам относятся интегральные микросхемы (ИМС), представляющие
собой третье поколение элементной базы радиоэлектронной аппаратуры.
Развитие электронной техники сопровождается как постоянным
усложнением различной аппаратуры (сложность структур, алгоритмов
функционирования, рост количества аналоговых и дискретных элементов и
др.), так и повышением требований к их качеству и надежности (повышение
метрологических характеристик, уменьшение габаритов, массы и
потребляемой электроэнергии, и др.).
Поскольку с ростом числа дискретных элементов неизбежно
уменьшается надежность и увеличиваются габариты, масса и потребление
энергии, возникает необходимость преодоления этого противоречия путем
совершенствования элементной базы, конструкций и технологии
производства электронной аппаратуры.
Исходя из этого различают четыре поколения аппаратуры
электронной техники:
Первое поколение – возникло с появлением электровакуумных
ламп (1904-1948 гг.). Аппаратуры этого поколения характеризуется
использованием ламп и дискретных пассивных элементов (конденсаторов,
индуктивных
катушек,
резисторов,
трансформаторов
и
др.).
Совершенствование велось в направлении миниатюризации путем
уменьшения габаритов и массы активных и пассивных элементов. Со
временем лампы
ввиду низкой надежности, большой потребляемой
мощности, габаритов и массы перестали отвечать возрастающим
требованиям и сдерживали дальнейшие развитие электронной техники.
Создание в 1948 г. нового усилительного элемента – транзистора
привело к появлению второго поколения аппаратуры, состоящей из
полупроводниковых транзисторов, диодов и других пассивных и активных
элементов. Такая аппаратура развивалась в направлении миниатюризации и
микроминиатюризации. Создавались микромодули из микроминиатюрных
элементов специальной формы, изготовленных или установленных на
микроплатах.
119
Миниатюризация на основе дискретных микроэлементов не позволила
существенно уменьшить количество элементов в аппаратуре, обеспечить
высокую надежность, меньшие габариты, массу и потребление энергии.
В 1959 году появился новый микроэлементный функциональный
узел –полупроводниковая ИМС, положившая начало существованию
третьего поколения аппаратуры.
В ИМС активные и пассивные элементы и их соединения выполнены
в виде сочетания неразъемно-связанных р-п переходов в одном исходном
полупроводниковом материале. Тем самым был исключен процесс сборки
радиоаппаратуры, повышена плотность упаковки и надежность
межэлементных соединений. Отсюда берет свое начало новая фаза развития
электронной техники – микроэлектроника. Переход к ИМС стал возможен
благодаря
освоению
полупроводниковой
технологии,
которая
характеризуется созданием групповых методов изготовления планарных
(плоских) р–п–р или п–р–п структур. В групповом технологическом цикле
может быть изготовлено одновременно несколько десятков тысяч ИМС с
количеством элементов от 50–500 или несколько тысяч ИМС с количеством
элементов порядка 5000. Другими словами, одновременно может быть
выполнено несколько миллионов элементов с помощью тех же простейших
технологических операций по формированию р–п переходов, что и при
изготовлении обычного планарного транзистора. Этим обеспечивается
высокая идентичность параметров ИМС и повышенная надежность по
сравнению с дискретными электронными элементами. При этом за счет
усложнения элементной базы происходит уменьшение сложности
конструкции, числа внешних соединений и объема аппаратуры.
Четвертое поколение аппаратуры появилось после создания
больших интегральных схем (БИС), содержащих 500 и более элементов.
Создание таких БИС невозможно без применения ЭВМ, как на уровне
проектирования, так и управления технологическим процессом изготовления.
Прогнозы показывают, что количество элементов на кристалл может
достигнуть 100000–200000 с дальнейшим ограничением роста числа
элементов ввиду принципиальных трудностей, связанных с ограничением
межэлементных расстояний в кристалле.
Из года в год увеличивается применение ИМС и БИС в электронной
аппаратуре. Соотношение между числом ИМС и общим количеством
120
компонентов уже достигло в вычислительной технике – 100%; в связи –
80%; в технике обработки данных – 75%; в измерительной технике –
70%.
Совершенствование и развитие микроэлектроники идет по пути, так
называемой «вертикальной интеграции», т.е. выпуска БИС с плотностью
упаковки до 107.
Сравнительные данные 4-х поколений элементной базы
Элементная
база
Количество
элементов
Объем
изделия
Потребляемая
мощность
Частота
отказов
Лампы, дискретные
пассивные элементы
400
2500
5000
150
Транзисторы,
дискретные
пассивные элементы
600
400
50
ИМС
50
5
3
5
БИС
1
1
1
1
50
Примечание: В таблице объем изделия и потребляемая мощность указаны в
относительных единицах по отношению к БИС.
В настоящее время интеграция достигла ещё более высокого уровня.
Выпускаются и широко применяются сверхбольшие интегральные схемы
(СБИС). Ярким примером применения СБИС могут служить мобильные
телефоны, широкий выпуск которых освоен многими
ведущими
электронными фирмами. Они кроме функции радио-связи, выполняют
также много других полезных функций (компьютерные игры, цифровая
фото-камера, календарь, часы, будильник, радиоприемник и др.).
4.1. Интегральные микросхемы
Интегральная микросхема (ИМС) – это устройство микроэлектроники
с высокой плотностью размещения элементов, выполняющее определенные
функции преобразования и обработки электрических сигналов. В
зависимости от технологии изготовления, деления на три вида:
1) полупроводниковые ИМС ;
2) гибридные или пленочные (толстопленочные и тонкопленочные);
3)
микросборки.
121
В полупроводниковой ИМС все активные и пассивные элементы и их
соединения выполнены в виде сочетания неразъемно связанных р-п
переходов в одном исходном полупроводниковом кристалле.
Гибридная ИМС содержит диэлектрическую подложку, все пассивные
элементы на её поверхности выполняются в виде однослойных или
многослойных
пленочных
структур,
соединенных
неразрывными
пленочными проводниками, а полупроводниковые приборы, ИМС и другие
компоненты (миниатюрные керамические конденсаторы, индуктивности и
т.д.) размещаются на подложке в виде дискретных навесных деталей.
Микросборка выполняет более сложную функцию и состоит из
необходимого для этого сочетания элементов, компонентов и ИМС.
Развитие интегральной техники оценивают по так называемому уровню
интеграции – суммарному числу элементов и компонентов N, входящих в
ИМС. Десятичный логарифм N, округленный до ближайшего большего
целого числа, характеризует степень сложности ИМС и называется
степенью интеграции интегральной схемы:
K  g N .
Поэтому при N= 1–10, ИМС является 1-й степени интеграции;
N= 11–100, ИМС является 2-й степени интеграции;
N= 101–1000, ИМС является 3-й степени интеграции;
N= 1001–10000, ИМС является 4-й степени интеграции;
N= 10001-100000, ИМС является 5-й степени интеграции.
Особая группа – это БИС, имеющие от нескольких сотен до десятков
тысяч элементов.
По характеру выполняемых функций ИМС делятся на аналоговые и
цифровые.
Аналоговая ИМС выполняет функции преобразования и обработки
сигналов, изменяющихся по закону непрерывной функции. Применяются в
виде усилителей, генераторов гармонических сигналов, фильтров,
детекторов и т.д.
Цифровая (логическая) ИМС используется для преобразования и
обработки сигналов, изменяющихся по закону дискретной функции
(двоичный или другой цифровой код).
Оба типа ИМС выпускаются сериями. Серия – совокупность ИМС,
выполняющих различные функции, но имеющих единое конструктивно122
технологическое исполнение и предназначенных
применения в аппаратуре.
ИМС обозначаются рядом букв и цифр:
Пример обозначения ИМС представлен на рис.4.1
ИМС
К153УД5
Микросхема широкого
применения имеет К
3 прочее
1, 5–7
полупровод
никовый
№ разработки
схемы
для
совместного
№ разработки в
данной серии
Операционный
усилитель
(функциональн
ое назначение)
2, 4, 6, 8
гибридный
Рис.4.1
Полупроводниковые ИМС изготавливаются из пластин кремния (Si)
толщиной не более 30–50 мкм и диаметром
Б
К
Э
50–100 мм (подложка). На ее поверхности и в
п
p
объеме формируются элементы полупроводп
никовой ИМС (рис.4.2).
Коллектор
Планарная технология позволяет груп(подложка)
(подложка)
повым методом обрабатывать одновременно
Рис.4.2
несколько подложек с тысячами полупроводниковых ИМС на каждой. Элементы имеют плоскую структуру. После
технологического
цикла подложки разрезают алмазным резцом или
лазерным лучом на отдельные кристаллы, представляющие собой
полупроводниковую
ИМС. Перед резкой измеряют электрические
параметры ИМС и их отбраковывают. Больше всего применяются
биполярные и полевые (МОП) транзисторы. МОП транзисторы более
технологичны, имеют меньшие размеры и большую степень интеграции
(особенно в БИС). Но по быстродействию уступают биполярным.
Существуют две основные технологии для изготовления элементов и
соединений полупроводниковой ИМС:
123
1) планарно-диффузионная;
2) планарно–эпитаксиальная
с изоляцией элементов с помощью
обратно смещенных р-п переходов.
Важной проблемой при конструировании ИМС является выбор
оптимальной технологии, т.е. такого размещения элементов схемы, при
котором их соединения могут быть сделаны без пересечений и возможно
короткими, или, в крайнем случае, с минимизацией этих пересечений. Важно,
также, насколько это возможно, уменьшить паразитные связи между
элементами. Весьма большое число элементов ИМС обусловливает огромное
число вариантов их размещения. Решение этой вариационной задачи
возлагается на компьютеры или ЭВМ, которые выбирают наивыгоднейший
вариант размещения элементов, исход из указанных выше условий.
Изготовление биполярного транзистора по планарно-диффузионной
технологии
Окисель
Однородная
подложка р-типа
Окна
б)
а)
Рис.4.3.
Здесь используется метод фотолитографии с применением оксидных
масок. Сначала сверху оксидную пленку (диоксид кремния SiO2) покрывают
тонким слоем светочувствительной пленки – фоторезистором (рис.4.3, а).
Тонкая диэлектрическая пленка SiO2 выполняет роль изолирующего слоя. На
фоторезистор через первую маску проектируют её рисунок, и проявляют
изображение маски, изображение проявляют. Засвеченные участки
фоторезистора стравливают, обнажая оксидную пленку. Затем травлением
обнаженные участки растворяют и образуются окна требуемой конфигурации в требуемом количестве (рис.4.3, б).
Через окна происходит диффузия примеси п-типа, образуются
островки, изолированные от подложки и других запертых р-п переходов
(рис.4.4).
124
Островки – база для создания всех
элементов ИМС.
Затем на островках формируют
планарные транзисторы. Изготовляют
вторую маску, через которую в глубь
Островки
островка, являющегося коллектором птипа, осуществляют диффузию р-типа
(базу). Далее через третью маску в
Рис.4.4.
островках идет диффузия примеси п-типа
(эмиттер). И наконец, через четвертую маску напыляют металлизированные
контакты на полученные слои и
К
дорожки (рис.4.5).
Б Э К
Б
Э
Недостатки этой технологии:
малая точность границ переходов,
примесь распределяется неравномерно
по толщине, на
поверхности
концентрация больше, чем в глубине.
Эпитакцией называют процесс
Рис.4.5
наращивания из газовой фазы тонкого
полупроводникового слоя толщиной 10–15мкм на полупроводниковую
подложку с любым типом электропроводимости.
Кристаллическая
решетка
выращенного
слоя
является
точным
Эпитакциальный слой п-типа
продолжением решетки подложки.
Высокоомная подложка р-типа
Эпитакциальный слой и подложка изолируются друг от друга р-п переходом.(рис.8.6).
Рис.4.6
Ниже описываются начальные этапы
изготовления биполярных транзисторов п-р-п
типа по планарно-эпитакциальной технологии.
Сначала из SiO2 создает маску, через окна которой происходит
диффузия примеси р-типа.
В результате создаются, изолированные запертыми р-п переходами,
Примесь
125
островки эпитакциального слоя, аналогичными при диффузионной технологии
(рис.4.7,а). Дальнейшая технология аналогична вышеописанному.
В
данном
случае
примесь
распределяется равномерно по толщине и
Окна
Подложка р-типа
а)
переходы достаточно четкие (рис.4.7, б).
Технология МДП транзисторов такая же,
но количество операций в 3–4 раза меньше, а
площадь транзистора меньше в 20–25 раз.
Диоды. Как правило, из конструктивных и технологических соображений, в
качестве диодов используют эмиттерный и
коллекторный переходы интегральных тран-
примесь
островок
подложка р-типа
примесь
б)
Рис.4.7.
зисторов (рис.4. 8).
Используется в
качестве стабилитрона
1
1
2
2
1
Коллекторный
переход (Uобр до
50 вольт)
2
Эмиттерный
переход
(мин. Iобр и
максимальное
быстродействие)
Рис.4.8.
Резисторы. Их создают с помощью тонкого слоя толщиной 3 мкм по
планарной технологии диффузией примеси в островки одновременно с формированием транзисторов и диодов в других островках подложки. Их
называют диффузионными. Изоляция от других элементов осуществляется
с помощью запертого р-п перехода. Наиболее распространенный способ –
использование базового и эмиттерного слоя транзисторной структуры. В
126
первом случае получаются высокоомные, а во втором низкоомные
резисторы.
При любом включении внешнего напряжения система встречно
включениях р-п переходов будет заперта
2
1
(рис.4.9).
Сопротивление резистора прямоугольп
ной формы определяется так:
R   / bh   s  / b   s N s ,
Подложка р-типа
где  , , b , h – соответственно удельное
сопротивление материала, длина, ширина
и толщина диффузионного слоя;
Рис.4.9
 s   / h – поверхностное удельное сопротивление;
N s   / b – число квадратов со сторонами, b содержащихся по длине
пленки  .
 s – важнейший параметр, характеризующий проводящие свойства
р-типа
Рис.4.10
пленочных резисторов, не зависящий от размера
квадрата. Поэтому удельное сопротивление
резистора выражается в особых единицах –
Ом/квадрат (Ом /).
Диффузионный резистор на основе эмиттерного
слоя представлен на рис.4.10. Диффузионные
резисторы на основе базового слоя имеют
 s =100–300 (Ом/)
на основе эмиттерного
примерно 0,5 (Ом/). Диапазон сопротивлений от 10 Ом до 50 кОм, а
занимаемая площадь для верхних значений диапазона 0,125 мм2, что в 40–50
раз больше площади интегрального транзистора. Работают в диапазоне
частот до 20 мГц. В МОП структурах в качестве
резисторов часто используют транзисторы.
Поперечное сечение канала, представляющего
собой резистивную дорожку, уменьшается сверху
р-типа
дополнительной диффузией п-типа. Это нелинейные резисторы – их называют пинч-резисРис.4.11
торами (рис.4.11).
127
Конденсаторы. В качестве таковых используются барьерные емкости рп переходов биполярных транзисторов или емкости МОП транзисторов. Их
изготовляют в изолированных от других элементов островках в едином
технологическом цикле с другими транзисторными структурами.
Барьерная емкость:
Cб  S
  0 qN д
2 0  U 
где S – площадь р-п перехода;
 – диэлектрическая проницаемость среды;
 0 – диэлектрическая проницаемость вакуума;
N д – концентрация примеси п-типа;
U – приложенное к переходу обратное напряжение.
Интегральные конденсаторы формируются на основе С б эмиттерного и
коллекторного переходов биполярных транзисторов (рис.4.12).
р-типа
р-типа
Коллекторный переход
(удельная емкость в 6 раз меньше,
напряжение пробоя десятки вольт)
Эмиттерный переход
(Сб= 0,2 мкФ/см2,
минимальное напряжение
пробоя несколько вольт)
Рис.4.12
Недостатки: небольшая удельная емкость, большая площадь (по
сравнению с транзистором), зависимость емкости от напряжения и наличие
паразитных емкостей за счет изолирующих р-п переходов. Поэтому емкости
редко используются.
Индуктивности также редко используются из-за трудностей
реализации, вывода от внутреннего конца пленочной катушки.
128
После изготовления элементов создаются межэлементные соединения,
формирующие структуру принципиальной схемы определенного назначения
и контактные площадки для подключения внешних выводов корпуса.
Для этого предварительно окисленную поверхность пластины
покрывают слоем осажденного алюминия толщиной 0,5–2 мкм, который
после заключительной операции фотолитографии через окна фоторезиста в
ненужных местах стравливают. В результате на поверхности полупроводника
остается нужный рисунок алюминиевых проводников шириной
приблизительно 10 мкм и контактные площадки. Последние с выводами
корпуса соединяют золотыми проволочками диаметром d = 2–50 мкм
ультразвуковой или термокомпрессионной сваркой.
Изготовление гибридных ИМС. Гибридная ИМС (ГИМС)
изготавливается по пленочной технологии, которая позволяет получить
стабильные параметры только для пассивных элементов (резисторов,
конденсаторов, индуктивных катушек). Активные компоненты выполняются
в виде дискретных приборов. ГИМС изготовляются групповым методом
путем нанесения пленочных пассивных элементов на диэлектрическую
подложку с присоединением к ним навесных компонентов. Использование
широкой номенклатуры навесных компонентов позволяет получить для них
особые схемотехнические преимущества перед полупроводниковыми ИМС.
ГИМС уступают им по плотности упаковки, надежности и себестоимости.
Компоненты ГИМС: подложка, пассивные
соединения, активные навесные элементы.
элементы
и
их
Подложка имеет прямоугольную форму с размерами 615 мм4860
мм и толщиной 0,52 мкм. Материалы: стекло, стеклокристаллические
материалы, керамика. В основном используются стеклокристаллические
сигаллы, размеры зерен, которых меньше 0,01 мкм. Они должны обладать
высокими
электроизоляционными
свойствами, термостойкостью,
химической и абразивной устойчивостью, влаго- и газонепроницаемостью,
механической прочностью, легкостью обработки.
Резисторы делаются из резистивных материалов трех групп: чистые
металлы, сплавы металлов и микрокомпозиции.
129
Чистые металлы - хром, тантал, которые в чистом виде имеют высокое
поверхностное удельное сопротивление и хорошие диэлектрические свойства
в виде окисных пленок.
Сплавы: нихром, нитриды, карбиды и силициды хрома, тантала и
вольфрама. Сплавы имеют более высокие поверхностные удельные
сопротивления, чем составляющие их металлы.
Микрокомпозиции – представляют собой смеси МЛТ-типа (металлолегированная технология) на основе хрома и кремния с добавками железа,
никеля и алюминия.
Тонкая пленка наносится на подложку разными методами, которые в
сочетании с фотолитографией позволяют получить резисторы требуемой
конфигурации и размеров. Больше всего используются метод вакуумного
распыления и катодного или ионно-плазменного распыления. Диапазон 100 Ом50
кОм, номинальная мощность Р = 0,2 Вт.
Обычно пленочные резисторы имеют формы
Рис.4.13
прямоугольника (рис.4.13). Число квадратов пленки и сопротивление вычисляют по приведенной выше формуле
R   / в h   s  / в    s N s
Для больших номиналов и более полного использования площади
подложки, резистору придают специальную конфигурацию (Г- или Побразные отрезки). Расчет сопротивления производится разбивкой сложной
фигуры на прямоугольники по той же формуле (рис.4.14).
Аℓ
Диэлектрик
Аℓ
Рис.4.14
Рис.4.15
Пленочный конденсатор имеет трехслойную структуру, два металлических слоя с диэлектрическим слоем между ними (рис.4.15). Более
сложные структуры – многослойные. Показатели зависят от материала
130
диэлектрического слоя, его толщины, способа получения, а состав
диэлектрического слоя обусловливает подбор материала обкладок.
Удельная емкость
C0  c / s    0 / h  0,0885  / h
Где
c – емкость пленочного конденсатора;
 – диэлектрическая проницаемость слоя между обкладками;
 0 – электрическая постоянная, пФ/см;
S – площадь обкладок, см2;
h – толщина диэлектрического слоя, см.
В качестве диэлектрика используется моноокись кремния, тогда
С0=5000–10000 пФ/см2.
Большие емкости получаются с окислом титана   80  , титанатом
бария   1000  .
Важна и электрическая прочность, оцениваемая напряженностью
электрическое поля (Е), необходимой для пробоя диэлектрика
E  U пр / h ,
где
U пр – напряжение пробоя, В;
E – для тонкопленочных материалов:
0 ,1  10 6  10  10 6 В / см .
Для обкладок конденсатора используется
алюминий, который
наносится по вышеописанной технологии.
Диапазоны емкостей 10–10000 пФ при Uраб=15 В.
Если требуется большая емкость, то в
ГИМС используют дискретные конденсаторы.
Пленочные
индуктивные
катушки
выполняются на подложке в виде круглой или
прямоугольной спирали (рис.4.16). Определенная
Рис.4.16
трудность возникает при устройстве вывода от
внутреннего конца пленочной катушки. Для этого наносят на
соответствующее место катушки диэлектрическую пленку, а затем поверх
этой пленки надо наносить металлическую пленку – вывод. Максимальная
индуктивность до 5 мкГн при небольшой добротности Q=50, обусловленной
131
потерями в омическом сопротивлении катушек. Поэтому в ГИМС часто
применяют микроминиатюрные дискретные индуктивные катушки.
Активные компоненты. Применяются: дискретные полупроводниковые диоды, транзисторы, тиристоры, полупроводниковые ИМС, ГИМС
чаще в бескорпусном исполнении.
Проводники и контактные площадки. Пассивные и навесные
элементы соединяются пленочными проводниками и контактными
площадками. Используются золото, медь, алюминий, серебро в сочетании с
подслоями никеля, хрома, нихрома. Крепление навесных элементов с
жесткими выводами к контактным площадкам осуществляется пайкой,
ультразвуковой сваркой лучом лазера и т.д. Компоненты с гибкими
выводами припаивают или приклеивают эпоксидным клеем.
132
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа