|
ОСНОВЫ МИКРОЭЛЕКТРОНИКИ
Глава 5.1.
МИНИАТЮРИЗАЦИЯ И МИКРОМИНИАТЮРИЗАЦИЯ ЭЛЕКТРОННЫХ УСТРОЙСТВ
5.1.1. Общие сведения
Электронная аппаратура содержит большое количество функциональных блоков и узлов, построенных на элементах —электрорадиодеталях. Элементы — это полупроводниковые приборы, электронные лампы, резисторы, конденсаторы, катушки индуктивности, трансформаторы и пр. С развитием радиоэлектроники эти элементы совершенствовались: снижались их габариты и масса, увеличивались долговечность и надежность, повышались мощность и эффективность. На первом этапе развития элементную базу радиоэлектронной аппаратуры составляли электровакуумные приборы; затем их постепенно вытеснили полупроводниковые приборы, имеющие несомненные преимущества благодаря меньшим габаритам, отсутствию накала, большей долговечности и надежности. На втором этапе развития элементной базы — с появлением транзисторов и печатного монтажа — размеры электронной аппаратуры уменьшились, а плотность монтажа возросла. Однако возрастающая сложность электронных систем (в частности, электронно-вычислительных машин и компьютерной техники) требовала дальнейшего увеличения количества элементов, а следовательно, их миниатюризации.
Так появились модули — элементарные узлы электронной аппаратуры, выполняющие определенные функции. На типовых модулях, выпускаемых промышленностью, можно построить блоки различных устройств, что сокращает время их разработки и производства, снижает стоимость аппаратуры и повышает ее надежность.
Модуль представляет собой конструктивно законченную функциональную часть схемы, а серия модулей различного назначения должна иметь единое конструктивное исполнение, чтобы из них легко собиралось все устройство.
Дальнейшее уменьшение размеров и веса электронной аппаратуры привело к микроминиатюризации ее элементов. Это потребовало разработки и применения новой технологии изготовления микроэлементов схем, новых конструкций, объединяющих эти микроэлементы в микромодули, а также новых методов конструирования электронных устройств на микромодулях.
5.1.2. Микромодули
Микромодуль — это миниатюрный модуль, представляющий собой законченный функциональный и конструктивный блок радиоэлектронной аппаратуры (усилитель, генератор и т. д.) или набор элементов. Он появился на первом этапе микроминиатюризации электронных устройств. Микромодуль собирается из микроэлементов, которые представляют собой микроминиатюр-
Рис. 5.1. Конструкция этажерочного модуля: а — микроплата; б — принцип сборки; в — микроэлементы; г — готовый модуль; R — резистор; С — конденсатор, L — катушка индуктивности, Д — диод, Т — транзистор |
ные радиодетали, укрепленные каждая на микроплате определенной формы. Наиболее удобная конструкция микромодуля — этажерочная (рис. 5.1). В ней набор микроплат с микроэлементами располагается в виде этажерки, в которой эти микроплаты соединяются между собой жесткими проводниками, проходящими через пазы по боковым сторонам плат.
Микроплата служит для размещения на ней как специальных навесных микроэлементов, так и печатных элементов и соединительных проводников. Соединительные проводники впаивают в металлизированные пазы платы, служащие контактами при сборке этажерочного модуля. Размеры микроплаты: сторона квадрата — 9,6 мм, толщина — 0,5—1,4 мм. Платы изготовляют из специального изоляционного материала, обладающего большой механической прочностью при малой толщине. Для правильного расположения микроэлементов на плате и микроплат при сборке микромодуля в соответствии с требуемой электрической схемой на плате в углу имеется вырез, являющийся ключом. Пазы нумеруются, начиная от ключа, по часовой стрелке.
Готовые микроэлементы представляют собой микроплаты с размещенными на них и электрически с ними соединенными радиодеталями в микромодульном исполнении.
После сборки «этажерки» ее заливают компаундом и помещают в алюминиевый экран, а торец, в котором располагаются выводы, заливают застывающим эпоксидным компаундом. Это создает механическую прочность, герметизацию от воздействий влаги и защиту от внешних электростатических полей.
Плотность компоновки элементов в микромодулях составляет 10—20 в 1 см3, в то время как в модулях она не превышает 3—5 элементов в 1 см3. Еще большую плотность компоновки и одновременно более высокую надежность имеют полиэлемен- тные модули, у которых на каждой плате размещены не один, а несколько элементов.
Этажерочные микромодули удовлетворяли требованиям, предъявляемым к ним на первом этапе микроминиатюризации аппаратуры. Они имели стандартную конструкцию, универсальные микроэлементы, позволяли монтировать аппаратуру из микромодулей на печатных платах, создавали возможность автоматизации их производства.
Однако основной их недостаток — сборка из дискретных радиодеталей — привел к тому, что с усложнением и дальнейшим развитием электронных устройств значительно возросло количество необходимых отдельных компонентов и соединений между ними, а плотность компоновки оставалась сравнительно низкой, это в свою очередь делало аппаратуру очень громоздкой, дорогой и недостаточно надежной.
Дальнейшая микроминиатюризация дискретных элементов, даже в микромодульном исполнении, не может решить проблем, связанных с изготовлением огромного количества очень малых деталей, необходимостью их испытания, упаковки, транспортировки, вторичного испытания и соединения в схеме устройства. Надежность аппаратуры при этом снижается, а необходимость резервирования узлов делает ее еще более громоздкой и повышает стоимость.
Решение этих проблем привело к новому перспективному этапу развития элементной базы электроники — к микроэлектронике.
Контрольные вопросы
1. Чем вызвана необходимость миниатюризации и микроминиатюризации электронных изделий?
2. Что представляют собой модули и мнкромодули?
Глава 5.2.
ИНТЕГРАЛЬНЫЕ МИКРОСХЕМЫ
5.2.1 Основные понятия микроэлектроники
Микроэлектроника представляет собой современное направление электроники, которое охватывает проблемы, связанные с исследованием, разработкой, изготовлением и применением микроэлектронных устройств, т. е. электронных изделий с высокой степенью микроминиатюризации.
Главная особенность микроэлектроники — отказ от применения дискретных электрорадиодеталей. Вместо отдельных диодов, транзисторов, резисторов и др. в микроэлектронике используется принцип интеграции, т. е. объединения всех элементов и соединяющих их проводников в едином групповом технологическом процессе изготовления функциональных узлов и устройств микроэлектронной аппаратуры. Эти изделия микроэлектроники носят название интегральных микросхем.
Интегральная микросхема (ИМС) выполняет определенную функцию преобразования сигнала и представляет собой единое целое с точки зрения изготовления, упаковки, транспортировки и эксплуатации. Все ее элементы и соединительные проводники формируются в процессе изготовления в микрообъеме твердого тела — полупроводникового кристалла — или на поверхности подложки и имеют общую герметизацию и защиту от внешних механических воздействий и влаги. Количество элементов, или степень интеграции, в микросхеме может составлять тысячи и сотни тысяч в одном кристалле.
Микроэлектроника позволяет решить задачу создания максимально надежных элементов и устройств при одновременном уменьшении массы и габаритов, снижении потребляемой энергии и стоимости.
Надежность микроэлектронной аппаратуры повышается за счет специальной полупроводниковой технологии изготовления микросхем с применением особо чистых материалов и создания условий, исключающих всякое загрязнение. Надежность обеспечивается также за счет герметизации элементов и их межсоединений, уменьшения количества соединений, автоматизации процесса изготовления и снижения вероятности отказа отдельных элементов.
Уменьшение габаритов и массы микроэлектронной аппаратуры достигается за счет малых размеров микросхем, элементы которых в кристалле измеряются долями микрометра. При этом они работают в облегченном режиме при низких напряжениях питания и потребляют небольшую энергию, что повышает экономичность аппаратуры и ее надежность.
Основные направления микроэлектроники: интегральные микросхемы, функциональная микроэлектроника и конструктивновспомогательные изделия в микроминиатюрном исполнении. Важным разделом функциональной микроэлектроники стала оптоэлектроника.
Т д|т д|т д R Т R T|R Т | т Д R Т |
т д[т д|тд R Tie т|й Т | т д R Т |
т Д|Т д|т д1 R Т R Т R Т FjtTд|7Н1 R t|r t|r т | тд R Т Т д R Т |
имс т д R Т |
а
Рис. 5.2. Иллюстрация группового метода изготовления полупроводниковых интегральных микросхем: а—полупроводниковая пластина с элементами большого числа ИМС; б — отдельный кристалл ИМС после разрезания пластины; в — электрическая схема соединения элементов ИМС; г — ИМС в корпусе с присоединенными внешними выводами и снятой крышкой
Развитие микроэлектроники базируется на новейших достижениях ряда наук и технических направлений. В частности, физики, химии, математики, биологии, радиотехники, металлургии, приборостроения, машиностроения и других.
Групповой метод изготовления полупроводниковых интегральных микросхем, позволяющий снизить их стоимость, заключается в том, что на небольшой пластине полупроводника (диаметром до 40 мм) одновременно формируется несколько сотен микросхем; множество таких пластин одновременно обрабатывается (рис. 5.2).
Пластину разрезают на части, в каждой из которых получается микросхема в виде кристалла, содержащего комплекс элементов и их соединений в соответствии с требуемой электрической схемой изделия.
Каждый такой кристалл помещают в герметичный корпус, и соединяют его контактные площадки с внешними выводами корпуса.
Кристаллом в полупроводниковой технике принято назы-
г
1 вать готовый полупроводниковый прибор (транзистор, диод) или
микросхему без внешних выводов и корпуса.
Интегральная микросхема содержит элементы и компоненты.
Элементом интегральной микросхемы называют ее часть, которая выполняет функцию какого-либо одного электрорадиоэлемента, например транзистора, диода, резистора, и не может быть отделена от ИМС как самостоятельное изделие. Элемент нельзя отдельно испытать, упаковать и эксплуатировать, так как он изготовляется неразрывно с кристаллом ИМС.
Компонентом интегральной микросхемы также называют часть ИМС, выполняющую функцию какого-либо электрорадиоэлемента, но эта часть перед монтажом является самостоятельным комплектующим изделием в специальной упаковке и может быть отдельно испытана и принята, а затем установлена в изготовляемую ИМС. Компонент в принципе может быть выделен из изготовленной ИМС (например, бескорпусный транзистор в гибридной микросхеме).
Функциональная сложность схемы, показывающая уровень развития интегральной техники, характеризуется степенью интеграции.
Степень интеграции микросхемы — это показатель сложности ИМС, определяемый числом содержащихся в ней элементов и компонентов. Суммарное число элементов и компонентов N, входящих в ИМС, называют уровнем интеграции. Степень интеграции k вычисляется как десятичный логарифм от уровня интеграции N, округленный до ближайшего большего целого числа: k=\g N.
Например, ИМС первой степени интеграции содержит до 10 элементов и компонентов включительно, второй степени — от 11 до 100 включительно, третьей степени — от 101 до 1000, четвертой — от 1001 до 10000 и т. д.
Сложность интегральной микросхемы характеризуют еще следующим образом: при 10 (k^ 1) ИМС называют простой; при N от 11 до 100 — средней; при N от 101 до 10000 — большой интегральной схемой (БИС); при N> 10000 (fe>4) — сверхбольшой (СБИС).
Иногда в качестве критерия сложности и микроминиатюризации ИМС применяют термин «плотность упаковки». Плотностью упаковки называют количество элементов, обычно транзисторов, на единицу объема или площади кристалла. В настоящее время она может превышать 104 элементов/мм2.
Элементы любых электронных схем делят на активные и пассивные.
Активным элементом называют элемент, обладающий свойством преобразования электрической энергии — выпрямления,
усиления, генерирования, управления. К ним относятся, например, диоды, транзисторы и т. д.
Пассивными элементами являются резисторы, конденсаторы, катушки индуктивности.
5.2.2. Классификация интегральных микросхем
Интегральные микросхемы можно классифицировать по разным признакам: по конструктивно-технологическому исполнению, по функциональному назначению, по степени интеграции, по физическому принципу работы активных элементов и др.
По конструктивно-технологическому признаку ИМС могут быть полупроводниковыми, пленочными, гибридными и совмещенными.
Полупроводниковая интегральная микросхема — это ИМС, все активные и пассивные элементы которой и межэлементные соединения выполнены в объеме и на поверхности монокристалла полупроводника в общем технологическом процессе. Кристалл полупроводника, в котором формируются элементы, называют активной подложкой.
В полупроводниковых ИМС в качестве исходного материала используют кристалл кремния. Выбор кремния обусловлен тем, что он допускает более высокую рабочую температуру и мощность рассеяния, чем германий, а также имеет большую, чем германий, ширину запрещенной зоны и позволяет получить больший диапазон сопротивлений при создании на его основе резисторов микросхемы.
Изготовление полупроводниковой микросхемы в конечном счете сводится к образованию системы электронно-дырочных переходов в кристалле кремния; при этом формируются локальные области кристалла, эквивалентные электрорадиодеталям обычных электронных схем и их соединениям. Изоляция этих областей, т. е. элементов ИМС, осуществляется с помощью р-п переходов, смещенных в обратном направлении, или двуокиси кремния, являющейся диэлектриком. Двуокись кремния также защищает поверхность кристалла от загрязнения. Размеры участка кристалла, занимаемого одним элементом, измеряются микрометрами, а площадь одной микросхемы — единицами и долями квадратного миллиметра.
Готовый кристалл с созданными элементами и межсоединениями представляет собой монолитную структуру, которая после присоединения к ней внешних выводов и герметизации может быть использована в качестве блока электронной аппаратуры.
Пленочной интегральной микросхемой называют ИМС, все элементы и межэлементные соединения которой выполнены только в виде пленок различных материалов, нанесенных на общее основание. По технологии изготовления различают тонкопленочные и толстопленочные ИМС. Интегральные микросхемы с толщиной пленок до 1 мкм относят к тонкопленочным, а микросхемы с толщиной пленок более 1 мкм — к толстопленочным. Пленки наносят на диэлектрическую подложку, называемую пассивной (стекло, керамика, пластмасса).
Пленочные интегральные микросхемы содержат обычно только пассивные элементы — резисторы, конденсаторы, высокочастотные катушки индуктивности — и их соединения. Это вызвано большими затруднениями, имеющимися в настоящее время в области создания пленочных транзисторов и диодов с достаточно стабильными и устойчивыми характеристиками. Ведутся исследования по созданию пленочных активных элементов, удовлетворяющих современным требованиям.
При изготовлении тонкопленочных интегральных микросхем пассивные элементы в виде тонких пленок токопроводящих и изоляционных материалов создаются путем предварительного нагрева и испарения требуемого материала с последующим осаждением его на более холодную подложку. Это осуществляется в вакууме через специальные трафареты, так что пленки имеют определенную конфигурацию в соответствии с заданным расположением элементов микросхемы.
При изготовлении толстопленочных ИМС на керамическую подложку через трафареты наносятся различные пасты: резистивные и проводящие — для получения резисторов, соединительных проводников и контактов, а также обкладок конденсаторов и индуктивностей; диэлектрические — для изоляции элементов и создания диэлектриков конденсаторов. Пассивные пленочные ИМС как самостоятельные изделия не получили широкого применения.
Гибридная интегральная микросхема представляет собой ИМС, в составе которой имеются пленочные пассивные элементы, выполненные на диэлектрической подложке, и навесные микроминиатюрные активные компоненты, изготовленные как дискретные транзисторы и диоды (обычно в бескорпусном исполнении) и вмонтированные в подложку. В составе гибридных микросхем могут быть не только простые навесные компоненты (транзисторы и диоды), а и сложные — бескорпусные ИМС.
Более сложные ИМС явились результатом совмещения двух основных технологий изготовления интегральных микросхем — пленочной и полупроводниковой. Такие схемы называют совмещенными.
Совмещенная интегральная микросхема — это ИМС, в которой активные элементы выполнены в кристалле полупроводника, а пассивные элементы и межсоединения — в виде пленок. При этом используются два способа сочетания технологии полупро
водниковых и пленочных микросхем. Первый способ состоит в том, что в активной полупроводниковой подложке формируются транзисторы и диоды, как в полупроводниковой ИМС, затем на поверхности этого кристалла создается изолирующая пленка путем окисления кремния, а на нее наносятся пленочные резисторы, конденсаторы и межсоединения. В другом варианте совмещенной микросхемы, как в гибридных схемах, пассивные элементы и часть межсоединений создают в виде пленок на ди-
Рис. 5.4. Расположение выводов микросхем: а — типа К.140УД2; б — типа К553УД2; в — типа К174УН7 ' |
электрической подложке, а активные элементы и основные соединения формируются по технологии полупроводниковых ИМС в кремниевом кристалле, который монтируется на этой подложке.
Технология совмещенных интегральных микросхем позволяет использовать преимущества пленочных и полупроводниковых ИМС и создавать как активные, так и пассивные элементы с требуемыми параметрами и стабильными характеристиками.
По способу герметизации для защиты от внешних воздействий различают корпусные интегральные микросхемы, помещенные в специальный корпус или опрессованные в пластмассу (вакуумная
герметизация), и бескорпусные — покрытые эпоксидным защитным лаком. Интегральные микросхемы в различном конструктивном исполнении показаны на рис. 5.3, а расположение выводов — на рис. 5.4.
По характеру функционального назначения интегральные микросхемы делят на аналоговые, цифровые и комбинированные — аналого-цифровые.
Аналоговые (линейные) ИМС предназначены для генерирования и усиления гармонических сигналов, а также для детектирования, модулирования и т. д.
Цифровые (логические) ИМС используют для цифровой обработки информации, т. е. электрических сигналов, соответствующих двоичному или другому цифровому коду, в вычислительной технике, цифровых измерительных приборах, устройствах автоматики.
По выполняемой функции все микросхемы подразделяют на подгруппы; например, усилители, генераторы, фильтры, детекторы, логические элементы ЭВМ и др. Каждую подгруппу делят на виды; например, усилители низкой частоты, усилители высокой частоты, усилители постоянного тока и т. д.
Классификация по физическому принципу работы зависит от типа создаваемых в микросхеме основных и наиболее сложных элементов — транзисторов. На их структуре базируется формирование и других элементов. В полупроводниковых интегральных микросхемах применяют как биполярные транзисторы, так и полевые МДП-транзисторы.
В гибридных интегральных микросхемах в качестве навесных компонентов применяют биполярные бескорпусные транзисторы.
Контрольные вопросы
1. Чем занимается микроэлектроника?
2. Что представляет собой интегральная микросхема?
3. Что называют элементом и компонентом интегральной микросхемы?
4. Что показывает степень интеграции микросхемы?
5. Назовите виды интегральных микросхем и объясните, что представляет собой
каждый из этих видов.
Глава 5.3.
ЭЛЕМЕНТЫ ИНТЕГРАЛЬНЫХ МИКРОСХЕМ
5.3.1. Элементы полупроводниковых интегральных микросхем
Полупроводниковые интегральные микросхемы содержат активные и пассивные элементы, формируемые в кристалле кремния в едином технологическом процессе. Эти элементы должны быть изолированы друг от друга и соединены согласно электри
ческой схеме. По типу основного активного элемента — транзистора — полупроводниковые ИМС делят на биполярные и МДП-микросхемы. Соответственно, отличается и технология изготовления микросхем на базе структур биполярных и МДП- транзисторов. Рассмотрим кратко, как формируются активные и пассивные элементы в этих двух разновидностях полупроводниковых микросхем.
Транзисторы. Наиболее важным и сложным элементом при изготовлении интегральной микросхемы является транзистор. Его структура служит базой для формирования всех остальных элементов ИМС (как активных, так и пассивных).
Большинство биполярных транзисторов создается со структурой п-р-п, электрические характеристики которой лучше, чем у структуры р-п-р; но для реализации некоторых электрических схем требуются транзисторы с противоположным типом электропроводности, так что используют и транзисторы типа р-п-р. Транзисторы типа п-р-п характеризуются большим быстродействием и возможностью получения большего коэффициента передачи тока а, так как подвижность электронов в несколько раз превышает подвижность дырок.
Для изготовления элементов на основе транзисторной структуры используется планарная технология. При такой технологии элементы имеют плоскую структуру: их р-п переходы и контактные площадки выходят на одну плоскость полупроводниковой пластины — подложки, на поверхности и в объеме которой создаются элементы.
Разновидности планарной технологии — планарно-диффузи- онная и планарно-эпитаксиальная технология.
При планарно-диффузионной технологии для создания слоев полупроводника п-типа и p-типа примеси вводятся методом диффузии — перемещения частиц при их тепловом движении в направлении, где их концентрация меньше.
При планарно-эпитаксиальной технологии используют метод эпитаксии: на пластину полупроводника, служащую подложкой, наращивают слои, кристаллическая решетка которых повторяет кристаллическую структуру пластины, как бы продолжая кристалл. Одновременно с эпитаксиальным наращиванием полупроводниковых слоев в них вводят требуемые примеси, получая области п-типа и р-типа.
Для формирования биполярных транзисторов п-р-п типа основой служит монокристаллическая, т. е. имеющая правильную кристаллическую решетку, пластина кремния p-типа толщиной не более 50 мкм. Она служит подложкой. При планарно-диффузионной технологии (рис. 5.5) на поверхности этой подложки путем различных технологических процессов создают пленку двуокиси кремния БЮг, которая является защитной и изоляционной (/).
Затем вытравливают в этой пленке отверстия по количеству создаваемых транзисторов (2). В полученные окна методом диффузии вводят примеси, образующие слои я-типа. Они изолированы друг от друга и от подложки р-п переходами, смещенными в обратном направлении. Эти островки л-типа образуют коллекторы транзисторов (3). На них наносится через специальные маски примесь, атомы которой диффундируют в я-слой и создают
SiOa Дон op чая примесь
E25S3
Подложка р-типа
SiO,
Б Э Н БЭ Н
Рис. 5.5. Последовательность формирования биполярных транзисторов типа п-р-п при планарно-диффузионной технологии изготовления ИМС
базы р-типа. Затем таким же образом вводят примеси, создающие вторую область л-типа — эмиттеры транзисторов (4). На полученные локальные структуры п-р-п напыляют металлизированные контакты и соединительные дорожки. На поверхности между контактами создается пленка S1O2.
При планарно-эпитаксиальной технологии (рис. 5.6) для получения транзисторов п-р-п типа на кристаллическую подложку из кремния р-типа наращивают эпитаксиальный кристаллический слой я-типа и создают на нем защитную пленку двуокиси кремния Si02 (/). В ней методом травления делают окна (позиция 2). Через эти окна осуществляется диффузия атомов примеси, создающая в эпитаксиальном слое под окнами области р-типа, сливающиеся с подложкой того же типа. Таким образом в эпитаксиальном слое остаются островки, образующие коллекторы транзисторов я-типа (3).
Далее эти островки подвергают обработке, как при планарнодиффузионной технологии. Поскольку полученные таким способом транзисторы (4) со стороны коллектора я-типа окружены со всех сторон областями полупроводника p-типа, образуется р-п переход, который изолирует транзисторы друг от друга, а также от других элементов схемы при подаче на него обратного напряжения.
При создании п-р-п-структур для транзисторов одновременно
в этом же технологическом процессе на основе получаемых областей полупроводника с разными типами электропроводности создаются диоды и пассивные элементы микросхемы. Изоляция элементов может быть осуществлена р-п переходами или диэлектриками. При использовании структуры полевых транзисторов наибольшее распространение получили транзисторы с изолированным затвором (рис. 5.7). Для этого в интегральных микросхе-
1 Эпитаксиальный слой | \ п- типа | I |
|
Подложка р-типа |
| р |
'QQQQQQOOOOOOOQdlSXX> |
|
|
SiO. |
Окна |
SiO. |
SiO 2 И 3 |
а б
Рис. 5.7. МДП-структура ИМС: а — со встроенным каналом;
б — с индуцированным каналом
мах создают МДП-структуры, а при использовании в качестве диэлектрика под затвором двуокиси кремния SiCb — МОП- структуры. Диоды и пассивные элементы также формируются на основе МДП- или МОП-структуры.
ИМС на основе этих структур изготовляют на кремниевой пластине п- или p-типа по плановой технологии. Конструкция интегральных микросхем на МДП-транзисторах обеспечивает более
высокую степень интеграции и плотность упаковки в связи с тем, что при создании МДП-структур не нужна изоляция между элементами, а площадь, занимаемая таким транзистором, на два порядка меньше площади биполярного транзистора. Кроме того, для каждого биполярного транзистора требуются три контакта металла с полупроводником, а для МДП-тран- зистора — только два; количество операций в технологическом процессе изготовления микросхем на основе МДП-структур сокращается примерно в три раза по сравнению с изготовлением микросхем на основе биполярных транзисторов.
Дата добавления: 2015-10-21; просмотров: 21 | Нарушение авторских прав
<== предыдущая лекция | | | следующая лекция ==> |