Интегральные схемы. 
Электроника

АКТИВНЫЕ И ПАССИВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ ИНТЕГРАЛЬНЫХ СХЕМ

Общие вопросы. Термины и определения

Микроэлектроника — это раздел электроники, включающий создание и принципы применения качественно нового типа электронных приборов, называемых интегральными микросхемами (схемами).

Характерной особенностью микроэлектроники является единство физических, конструктивно-технологических и схемотехнических аспектов.

Микроэлектроника является естественным этапом развития электроники, характеризующимся непрерывным усложнением функций, выполняемых электронной аппаратурой, а также требованиями обеспечения электронными приборами высокой надежности, малых габаритов, массы, малой потребляемой мощности и т. д.

Интегральная микросхема (интегральная схема — ИС) как электронный прибор является совокупностью большого количества таких взаимосвязанных компонентов, как транзисторы, диоды, конденсаторы, резисторы и т. д., изготовленных одновременно в едином технологическом цикле на единой подложке. ИС выполняет определенную функцию преобразования информации.

Выполняемые ИС функции являются существенно более сложными по сравнению с функциями отдельных компонентов (транзисторов, диодов и т. д.), которые называются элементами ИС. Элементы ИС по своим характеристикам и параметрам отличаются от дискретных приборов и компонентов.

Для изготовления интегральных схем используются групповой метод производства, планарная технология и заключительная операция — корпусирование. Основные технологические методы и приемы, используемые в микроэлектронике, включают следующие операции: подготовительный технологический этап, эпитаксию, термическое окисление, легирование, травление, технику масок, нанесение тонких пленок, металлизацию и сборочные операции. Большинство из перечисленных технологических этапов (операций) кратко описаны в гл. 3 (п. 3.1.3).

Групповой метод производства состоит в том, что на одной полупроводниковой пластине одновременно изготавливается большое количество ИС (иногда одновременно могут обрабатываться десятки таких пластин). После проведения большинства из указанных выше операций пластина разрезается на отдельные кристаллы (чипы), каждый из которых является ИС.

При планарной технологии все элементы и их составляющие создаются в ИС через плоскость (поверхность).

Корпусирование как финальная операция изготовления ИС заключается в размещении ИС в корпусе с присоединением контактных площадок к выводам ИС.

Все интегральные схемы можно разделить на четыре типа: полупроводниковые, пленочные, гибридные и совмещенные.

В настоящее время различают следующие полупроводниковые ИС: биполярные, МДП (МОП — металл—окисел—полупроводник) и БИМОП. В БИМОП интегральных схемах комбинируются биполярные и МОП ИС.

В полупроводниковой ИС все элементы изготавливаются в приповерхностном слое полупроводниковой подложки.

В пленочных ИС элементы формируются в виде разного рода пленок, нанесенных на поверхность диэлектрической подложки. Различают тонкопленочные ИС (толщина пленок < 1…2 мкм) и толстопленочные ИС (толщина пленок > 10…20 мкм).

В гибридных ИС комбинируются пленочные пассивные элементы и дискретные активные элементы (транзисторы, диоды), смонтированные на одной общей диэлектрической подложке. В совмещенных ИС активные элементы изготовлены в полупроводниковом кристалле, а пассивные нанесены в виде пленок на поверхность кристалла, которая предварительно изолирована.

Характерной особенностью полупроводниковых ИС является отсутствие катушек индуктивности и трансформаторов. Кроме того, элементы биполярной ИС необходимо изолировать друг от друга, чтобы исключить их взаимодействие. Размеры кристаллов полупроводниковых ИС достигают 20×20 мм.

Функциональная сложность ИС характеризуется степенью интеграции, которая определяется количеством элементов (Л0 на кристалле. По степени интеграции различают следующие виды ИС:

N < 100 — интегральная схема;

• 100 < N < 1000 — ИС средней степени интеграции (СИС);
• 1000 большая ИС (БИС);

N > 10⁵ — сверхбольшая ИС (СБИС).

Другим показателем сложности ИС является плотность упаковки — количество элементов на единицу площади кристалла. Этот показатель в настоящее время приблизительно равен 1000 элементов на мм².

Подчеркнем особенности ИС как нового типа электронных приборов.

Подобно дискретным приборам ИС представляет собой единую конструкцию, выполняет определенную функцию, удовлетворяет определенным требованиям при испытаниях и эксплуатации, поэтому ИС является специфическим типом электронных приборов.

Главной особенностью ИС как электронного прибора является самостоятельное выполнение законченных сложных функций в отличие от других электронных приборов (транзисторов, диодов, электронных ламп, за исключением электровакуумных приборов СВЧ-диапазона и т. д.), требующих наличия многих разнородных компонентов для выполнения аналогичных функций.

В ИС повышение функциональной сложности не ухудшает, а часто улучшает основные эксплуатационные показатели (надежность, стоимость, срок службы и т. д.). Количество технологических операций по изготовлению ИС не сильно превышает число операций при изготовлении отдельного транзистора, поэтому стоимость одного элемента ИС в сотни и тысячи раз меньше по сравнению со стоимостью дискретного компонента. Помимо этого, повышение надежности достигается отсутствием в ИС паяных и сварных соединений, присущих дискретным приборам.

Еще одной характерной особенностью ИС является предпочтительное использование, в отличие от дискретной техники, активных элементов, а не пассивных. В ИС задается не стоимость элемента, а схемы в целом, поэтому на кристалле размещается по возможности как можно большее число элементов с минимальной площадью. В ИС транзисторы и диоды имеют меньшую площадь по сравнению с пассивными элементами.

Поскольку в ИС отдельные элементы располагаются на очень малом расстоянии друг от друга (доли или единицы мкм), то различие электрофизических характеристик материала крайне незначительно, что определяет малый разброс параметров у смежных элементов, т. е. их параметры взаимосвязаны. Эта взаимосвязь не нарушается при изменении температуры, что повышает температурную стабильность ИС.