14.2. Интегральная микроэлектроника и микросхемотехника

Для радиоэлектронных устройств наряду с активными элементами – транзисторами и диодами – необходимы еще и пассивные радиокомпоненты: сопротивления (резисторы), конденсаторы, катушки индуктивности. До недавнего времени технологические приемы изготовления активных элементов, радиокомпонентов, а также сборки из этих компонентов узлов и устройств радиосистем были настолько различны, что привели даже к специализации промышленных предприятий. Появилась отрасль производства электронных приборов, выделились специализированные заводы радиодеталей, заводы по производству радиоустройств и систем.

Развитие полупроводниковой электроники создало условия для сближения и даже объединения процессов изготовления активных приборов и пассивных компонентов, а также соединений между ними. Вместо того чтобы отдельно выполненные (как говорят, дискретные) компоненты разных типов и номиналов, а также различные транзисторы и диоды размещать на некоторой плате или панели и соединять проводниками, в соответствии со схемой устройства, оказалось возможным изготавливать это устройство и все его элементы на одном предприятии (даже на одном производственном участке) в рамках единого технологического процесса. Такие устройства, в которых объединены (интегрированы) в одно неразрывное целое активные приборы и пассивные элементы, называются интегральными схемами (ИС). Направление в электронике, возникшее из необходимости разработки и производства интегральных схем, называется интегральной микроэлектроникой.

Устройства и даже системы в микроэлектронном исполнении обладают целым рядом существенных преимуществ по сравнению со своими прототипами на дискретных элементах. Во-первых, это лучшие экономические показатели, поскольку производство ИС можно в гораздо большей степени автоматизировать. Во-вторых, ИС отличаются меньшим потреблением мощности от источников питания. В-третьих, у них большее быстродействие из-за уменьшения нагрузочных и паразитных емкостей. В-четвертых, у ИС лучше показатели электромагнитной совместимости вследствие сокращения длины соединений и уменьшения паразитных связей между разными каскадами. И, наконец, ИС обладают более высокой надежностью из-за уменьшения количества внешних выводов схем (надежность каждой ИС практически такая же, как надежность одного элемента дискретных схем).

По характеру технологических процессов изготовления интегральные схемы классифицируются на монолитные (полупроводниковые) и гибридные (пленочные); по области применения - на линейные (аналоговые) и дискретные (цифровые). Существует также классификация в зависимости от количества элементов в схеме, т.е. по степени интеграции. Схемы с количеством элементов порядка 10 и более называются большими интегральными схемами (БИС).

Монолитные интегральные схемыизготавливаются на полупроводниковой пластине. При этом в исходном полупроводниковом материале создаются зоны с разным характером проводимости, образующиер-nпереходы. На основер-nпереходов делают транзисторы и диоды. Емкости запертыхр-ппереходов используются как конденсаторы. Резисторами служат слаболегированные области полупроводника, имеющие сравнительно большое удельное сопротивление. На одной круглой пластине диаметром 90...110 мм изготавливается одновременно несколько десятков схем.

Процесс изготовления состоит из эпитаксиального наращивания, окисления, фотолитографии, диффузии и металлизации. Начинается процесс с подготовки исходного материала (подложки). Подложка служит для отвода тепла, электрической изоляции и придания схеме необходимой механической прочности. Подложку выполняют обычно из монокристаллического кремния. Для этого большой монокристалл, выращенный из расплава, распиливают на круглые пластины необходимой толщины. Пластины шлифуются и полируется.

Затем на пластине наращивается эпитаксиальный слой кремния с проводимостью n-типа. Этот слой служит для образования коллекторных областей транзисторов. Эпитаксиальное наращивание - это получение монокристалла из атомов. Атомы осаждаются на поверхность монокристаллической подложки таким образом, что кристаллическая решетка наращиваемого слоя является точным продолжением кристаллической решетки подложки.

Затем проводятся несколько диффузионных циклов, в ходе которых образуется изоляция между различными элементами будущей ИС, формируются на поверхности эпитаксиальной пленки области с р- типом проводимости, служащие базами транзисторов и резисторами, формируются эмиттерные области с проводимостьюn-типа. В диффузионный процесс входят операции окисления, фотолитографии и собственно диффузии примеси. Сначала пластина нагревается в атмосфере, обогащенной кислородом. На поверхности эпитаксиального слоя образуется слой двуокиси кремния. Затем двуокись кремния удаляется с тех участков, через поверхность которых будет диффундировать примесьp-типа. Чтобы удалить двуокись кремния, на ее поверхность наносят равномерный слой фотоэмульсии, которую засвечивают через маску (шаблон) с прорезями, образующими нужный рисунок. Незасвеченные участки фотоэмульсии удаляются при проявлении. Когда пластина подвергается травлению в растворе, содержащем плавиковую кислоту, двуокись кремния разрушается на незасвеченных участках, обнажаются те участки поверхности пластины, где требуется сформироватьробласти.

Следующий технологический этап производства ИС заключается в создании, где это необходимо, электрических соединений между компонентами будущей интегральной схемы. Для этого в слое двуокиси кремния вытравливается новый комплект окон на тех местах, где должны быть сформированы контакты с компонентами. На всю поверхность схемы напыляют тонкий слой алюминия, на котором методом фотолитографии получают рисунок межсоединений. Если в одном слое алюминия нельзя организовать все соединения (когда необходимо прокладывать пересекающиеся проводники), этот слой покрывается слоем стекла (окиси кремния), поверх которого наносится еще один слой проводников и т.д.

Последняя операция по обработке пластины – разрезание ее на отдельные схемы (скрайбирование). Полученные кристаллы ("чипы") интегральных схем оформляют как компоненты больших электронных систем. Для этого к кристаллу приваривают выводы в виде тонких металлических проволок.

Современная технология, использующая описанные процессы, позволяет получать кристаллы ИС площадью от долей до единиц квадратных миллиметров с количеством элементов 10³и более (при этом достигается плотность расположения компонентов порядка 10³1/мм²). Кристалл с выводами может быть смонтирован в отдельном корпусе, обеспечивающем необходимую герметизацию, теплоотвод, а также возможность установки и электрического соединения ИС с другими элементами системы или устройства на плате печатного монтажа. Кристалл может быть изготовлен в бескорпусном исполнении. Такие кристаллы называются чипами (от английскогоchip- осколок) и используются в производстве гибридных пленочных интегральных схем.

Гибридные интегральные микросхемыпоявились несколько раньше монолитных ИС. Для изготовления гибридных микросхем на подложку из изоляционного материала (керамики или стекла) напыляются тонкие металлические пленки, образующие резисторы и соединительные проводники. Для пленочных резисторов выбираются материалы с высоким удельным сопротивлением, а для проводников - с низким. Пленки напыляют через специальные маски-трафареты с прорезями. Эти маски изготавливают методом фотолитографии, подобным описанному выше. Обычно напыляют сразу несколько одинаковых схем на одной общей большой подложке. После окончания всех требуемых циклов напыления пластину разрезают (скрайбируют) на части, соответствующие подложкам отдельных схем. К специальным контактным площадкам на пассивных пленочных компонентах будущей схемы приклеивают активные элементы – диоды, транзисторы и монолитные интегральные схемы в микроминиатюрном бескорпусном исполнении.

Конденсаторы в ИС могут быть выполнены либо напылением двух проводящих пленок-обкладок с пленкой диэлектрика между ними (емкость таких конденсаторов невелика), либо в виде обратно включенных диодных р-nпереходов. Если в схеме требуются конденсаторы большой емкости, их делают навесными или предусматривают выводы для внешней установки.

Индуктивные элементы интегральных схем достаточно трудно сделать в общем технологическом процессе. Поэтому в устройствах, работающих на средних и низких частотах, либо используют внешние по отношению к ИС катушки индуктивности, либо стараются обойтись вовсе без них. В диапазоне СВЧ применяются индуктивные элементы, выполняемые напылением на специальных диэлектрических подложках.

Достижения интегральной микроэлектроники не только расширили возможности инженеров-разработчиков радиоэлектронных систем, но предъявили совершенно новые требования. Раньше, до начала эры микроэлектроники, разработчик имел в своем распоряжении набор дискретных компонентов и создавал из них любую нужную для достижения поставленной задачи электронную схему. В настоящее время инженер-разработчик строит систему не из дискретных компонент, а уже из готовых, функционально законченных узлов и каскадов, какими являются интегральные схемы. Поскольку процесс разработки и создания интегральных схем рассчитан, в принципе, на массовое производство и предполагает максимальную стандартизацию и унификацию изделий, инженер-разработчик чаще всего лишается возможности создавать узлы и каскады устройств по произвольным электрическим схемам. Изготовление таких схем в микроэлектронном исполнении было бы нерентабельно. Поэтому разработчик вынужден не проектировать схему каждого узла и каскада, а выбирать ее из возможных, выпускаемых в микроэлектронном исполнении ИС (если, конечно, разработчик стремится создать современное изделие).

С другой стороны, при разработке и производстве интегральных схем необходимо в максимальной степени учитывать настоящие и будущие потребности проектировщиков радиоэлектронных систем. Совокупное изучение технических и технологических средств создания микросхем и принципов разработки на основе этих схем микроэлектронных изделий (радиоэлектронных устройств и систем) составляет предмет новой дисциплины – микросхемотехники.

Сведения, составляющие фундамент микросхемотехники, отражают опыт создания современных радиоэлектронных систем. Основное в этом опыте - тесная взаимосвязь и взаимовлияние технологических возможностей производства ИС, а также схемотехнических и прочих требований к изделиям на их основе.