Интегральные микросхемы

Важнейшей технологией микроэлектроники является интегральная технология, позволяющая на одной пластине создавать группы электрически соединенных между собой элементов.

Интегральная микросхема(ИМС) – микроэлектронное изделие, состоящее из активных и пассивных элементов, а также соединительных проводников, изготовленных в едином технологическом процессе, заключенных в общий корпус и представляющих собой неразделимое целое.

Преимущества ИМС очевидны – малые габариты, малая масса и повышенная механическая прочность. При их производстве требуются меньшие затраты, существенно сокращается ручной труд за счет применения высокопроизводительного автоматизированного оборудования, и получаются более качественные схемы благодаря идентичности элементов схемы, уменьшению числа сварных и паянных соединений. Значительное наращивание числа элементов схемы не удорожает изделие, поэтому используют возможность улучшения ряда параметров путем введения дополнительных активных и пассивных элементов. При этом получающиеся схемы ИМС значительно сложнее своих дискретных аналогов.

По технологии изготовления ИМС делят:

1) на гибридные, выполненные в виде пленок, наносимых на поверхность диэлектрика, и навесных бескорпусных элементов (транзисторов, конденсаторов и др.), прикрепляемых к основанию;

2) полупроводниковые (монолитные), в которых элементы формируются в ПП-материале.

Рассмотрим образование элементов на полупроводниковых ИМС. Роль резистора выполняет объемное сопротивление участка монокристалла полупроводника, в объеме которого изготовляют ИМС. Для получения требуемого номинала резистора размеры участка и его проводимость должны иметь строго определенные значения.

Конденсаторы часто выполняются в виде запертого p–n -пере-хода. Их создают одновременно с формированием транзисторов. При этом емкости более 1600 пФ/мм² не создаются, поэтому проект схемы ведут так, чтобы в них по возможности отсутствовали конденсаторы.

Создание индуктивности представляет наибольшую трудность, поэтому при разработке ИМС пытаются полностью от них отказаться. Действительно, сейчас индуктивности разрабатываются только по тонкопленочной технологии. Размеры таких катушек значительно превышают размеры остальных компонентов ИС, а значения индуктивности не превышают 10 мкГн.

Внутрисхемные соединения получают чаще всего напылением в вакууме тонкого слоя алюминия. Получающиеся соединения имеют относительно большие сопротивления (до нескольких Ом) и существенную распределенную емкость относительно подложки ИМС, что необходимо учитывать при проектировании.

Транзисторы полупроводниковых ИМС формируют поэтапно одновременно для всей пластины. Сначала на пластине p -типа в местах будущих транзисторов формируют слой типа n. Затем его для изоляции окисляют, получая так называемый маскирующий слой. Используя фотошаблон и процесс фотолитографии в нужных местах маскирующего слоя травлением вскрывают окна под выводы транзистора и диффузией получают зоны с электропроводностью p -типа.

Изготовление полупроводниковых ИМС осуществляют, используя два основных технологических процесса: диффузию примесей, создающих в полупроводнике область с типом проводимости, противоположным исходному, и эпитаксиальное наращивание слоя кремния на кремниевую подложку, имеющую противоположный тип проводимости.

Все элементы схемы формируются в так называемых островках, образованных в кристалле и изолированных между собой. Металлические полоски, необходимые для соединения элементов в электрическую схему, напыляют на поверхность кристалла. Для этого электроды всех элементов выводятся на поверхность пластины и размещаются в одной плоскости, в одном плане. Поэтому технология изготовления схем с помощью диффузии называется планарно-диффузионной, а с помощью эпитаксиального наращивания – эпитаксиально-планарной.

Исходным материалом для изготовления ИМС по планарно-диффузионной технологии является слабо легированная пластина кремния p -типа, на которую методом фотолитографии наносят защитный слой SiO₂ (рис. 1.32). Через окна в защитном слое производится диффузия примеси n -типа, в результате чего образуются островки, границы которых упираются снизу в защитный слой, что резко снижает возможность протекания токов утечки по поверхности. Между островком и подложкой образуется p–

n -переход, к которому  подключают напряжение таким образом, чтобы этот переход был заперт (т.е. минусом на p -подложке). В результате островки становятся изолированными друг от друга.

Исходным материалом при эпитаксиально-планарной технологии служит пластина кремния n -типа со слоем SiO₂ (рис. 1.33, а), в которой вытравливают продольные и поперечные канавки (рис. 1.33,б). Полученную фигурную поверхность (в виде шахматной доски) снова окисляют, создавая изоляционный слой диоксида кремния (рис. 1.33, в). На этот слой эпитаксиально наращивают слой кремния собственной проводимости (рис. 1.33, г), а верхний слой кремния n -типа сошлифовывают. Полученные таким образом островки (рис. 1.33, д) надежно изолированы друг от друга фигурным слоем диэлектрика и емкость между ними существенно меньше, чем в предыдущем случае. Однако такая технология ИМС сложнее и стоимость их изготовления выше.В полученных тем или иным способом островках формируют активные и пассивные элементы методом диффузионной технологии или эпитаксиальным наращиванием.

Степень сложности ИМС обычно характеризуют степенью интеграции K = lg N, где N – число элементов в ИМС. Коэффициент К обычно округляют до ближайшего целого большего значения. В соответствии с формулой ИМС первой степени интеграции содержат до 10 элементов, второй – от 11 до 100 и т.д.

В зависимости от уровня интеграции ИМС делят на несколько категорий:

• малые ИМС – до 10 элементов (МИС);

• средние ИМС – от 10 до 100 элементов (СИС);

• большие ИМС–  от 100 до 10⁵ элементов (БИС);

• сверхбольшие ИМС – 10⁵ и более элементов (СБИС).

       Для защиты от воздействия внешних факторов и механических повреждений все микросхемы помещают в защитный корпус. ИМС размещаются, как правило, в монолитных корпусах. Простейший и самый дешевый корпус пластмассовый. Однако ввиду недостаточного теплоотвода в нем можно размещать лишь схемы невысокой степени интеграции с рассеиваемой мощностью до 200 мВт.

    Для микросхем средней и высокой степени интеграции используют керамический и металлокерамический корпуса. Если необходимо более интенсивное охлаждение, могут использоваться радиаторы. Плата с размещенными на ней корпусами микросхем может также обдуваться вентилятором, расположенным внутри корпуса электронного устройства.

Поскольку большие и сверхбольшие интегральные схемы (БИС/СБИС) значительно сложнее малых и средних интегральных схем (МИС и СИС), для их работы требуется гораздо большее число выводов и более сложные корпусы. Так, 16-разрядный микропроцессор Intel 8086 размещается в 40-контактном корпусе, а число контактов у микропроцессора Pentium IV составляет 480. Для вывода электрических сигналов в корпусах современных СБИС используют специальные шариковые выводы, расположенные по периметру корпуса в несколько рядов. БИС/СБИС современных микропроцессоров рассеивают настолько большую мощность, что для их охлаждения используют корпусы, обеспечивающие достаточно плотный контакт с радиатором, для обдува которого применяют специальный вентилятор, называемый кулером (от англ. cooler).