Тема 8. Интегральные микросхемы (имс)

Интегральная микросхема – это микроминиатюрное электронное устройство, элементы которого нераздельно связаны конструктивно и соединены между собой электрически. Первые интегральные схемы были созданы в 1958 г. в США независимо друг от друга Джеком Килби (фирма Texas Instruments) и Робертом Нойсом (фирма Fairchild Semiconductor), а в 1962 г. был начат их промышленный выпуск. По способу объединения (интеграции) элементов различают полупроводниковые, пленочные и гибридные интегральные микросхемы (ИМС) или IC (integrated circuit). Полупроводниковые ИМС изготавливают из особо чистых полупроводниковых материалов (кремния, германия), в которых перестраивают структуру кристаллов так, что отдельные области кристалла становятся элементами сложной системы. Например, возможность размещения в одном кристалле 5000 транзисторов позволила создать наручные электронно-цифровые часы. Наличие 20000 транзисторов при таких же размерах кристалла вызвало появление микрокалькуляторов.

В настоящее время принято считать, что число элементов в ИМС каждые 18 месяцев возрастает примерно в 2 раза – так называемый закон Мура (назван в честь американского исследователя Гордона Мура (фирма Intel), открывшего этот закон в 1965 г.).

Классифицируют ИМС по следующим признакам:

1) по технологии изготовления:

а) плёночные – ИМС, у которых все элементы выполнены в виде тонких плёнок, нанесенных на диэлектрическое основание (подложку);

б) гибридные – ИМС, у которых пассивные элементы выполнены по тонкоплёночной технологии, а активные элементы (диоды, транзисторы и т.д.) выполнены как отдельные, навесные, бескорпусные;

в) полупроводниковые (монолитные) – ИМС, у которых все элементы "выращены" в кристалле полупроводника;

2) по способу преобразования и обработки информации:

а) аналоговые ИМС – с непрерывной обработкой информации;

б) цифровые ИМС – с дискретной обработкой информации;

3) по степени интеграции:

Степень интеграции характеризуется показателем , гдеN – количество элементов в одном корпусе микросхемы.

Элементы и компоненты имс

К пассивным компонентам ИМС относятся резисторы, конденсаторы, индуктивности и внутрисхемные соединения.

Резисторы в тонкоплёночных ИМС представляют собой или полоску, или плёнку определённой конфигурации, нанесенную между двумя контактами на непроводящем основании (подложке). На рис. 41, а, б показаны две основные конфигурации плёночных резисторов.

Рис. 41. Конструкция плёночных резисторов (а, б); структура диффузионного резистора (в):

1 – плёнка резистора; 2 – эпитаксиальная плёнка; 3 – подложка; В – выводы

Изменение сопротивления резистора осуществляется как за счёт изменения геометрических размеров плёнки (ширины, длины и толщины), так и за счёт изменения её материала. Металлоплёночные резисторы получают путём осаждения из паров нихрома, тантала, нитрида тантала или из смесей металлов с диэлектриком, которые называются керметами. Их применение обеспечивает высокое удельное сопротивление. Керметы получают их хрома и монооксида кремния путём одновременного осаждения их из паров на подложку. Подложку выполняют из стекла, керамики или пластмассы.

В монолитных ИМС роль резистора выполняет объёмное сопротивление участка монокристалла полупроводника, в объёме которого изготавливают ИМС. Кристалл в этом случае является подложкой. Чаще всего такие резисторы получают методом локальной диффузии и поэтому называют диффузионными (структура подобного резистора показана на рис. 41, в). При этом одновременно создаются базовые или эмиттерные области соответствующих транзисторов.

Конденсаторы в ИМС используются двух типов: тонкоплёночные и конденсаторы, основанные на использовании барьерной ёмкости p-n-перехода. Тонкоплёночные конденсаторы (рис. 42, а) представляют собой трёхслойную структуру металл-диэлектрик-металл. В качестве диэлектрика обычно используют оксид тантала Ta₂O₅, сульфид цинка ZnS, оксид алюминия Al₂O₃ и монооксид кремния SiO или германия GeO и др.

Рис. 42. Структура тонкоплёночного конденсатора (а); структура конденсатора с обкладкой в виде кремниевой подложки (б); структура конденсатора монолитных ИМС (в):

1 – диэлектрик; 2 – обкладки конденсатора; 3 – эпитаксиальный слой; 4 – подложка; А, В – выводы

В ряде случаев одной из обкладок конденсатора является кремниевая подложка (в случае монолитных ИМС), на которой методом окисления получен слой диэлектрика SiO₂. На диэлектриках, в свою очередь, напылена вторая обкладка. Структура такого конденсатора показана на рис. 42, б.

Конденсаторы полупроводниковых ИМС могут выполняться в виде закрытого p-n-перехода. Технология их изготовления аналогична технологии изготовления резисторов; их также создают одновременно с формированием соответствующих областей транзисторов. Структура конденсатора монолитных ИМС показана на рис. 42, в.

При создании ИМС наибольшую трудность представляет изготовление катушек индуктивности. В настоящее время для этого используют только тонкоплёночную технологию, при которой катушки индуктивности получают осаждением на подложку материала, имеющего малое удельное сопротивление. Их обычно выполняют в виде спирали с малым шагом (рис. 43).

Рис. 43. Плёночная индуктивная катушка:

1 – тонкая плёнка; 2 – подложка

Тонкоплёночные индуктивные катушки имеют размеры, значительно бóльшие размеров других компонентов ИМС. Трудности, возникающие при изготовлении индуктивных катушек, заставляют при разработке ИМС почти полностью отказаться от их использования.

Полевые и биполярные транзисторы, применяемые в ИМС, изготавливают по технологии монолитных ИМС. Иногда используют отдельные дискретные миниатюрные бескорпусные транзисторы. Диоды, используемые в ИМС, выполняют либо по технологии монолитных ИМС, либо применяют дискретные навесные. Для упрощения технологического процесса в монолитных ИМС в качестве диодов используют транзисторы, выводы которых на стадии формирования контактов соединяют между собой.