книги / Электроника электрофизические основы, микросхемотехника, приборы и устройства

Глава 3

ИНТЕГРАЛЬНАЯ МИКРОЭЛЕКТРОНИКА

3.1. Процесс изготовления интегральных микросхем

Современный этап развития электроники характеризуется преиму­ щественным применением интегральных микросхем (ИМС), содержащих на кристалле (в одном корпусе) десятки миллионов схемных элементов. Микроминиатюризация, конструктивная интеграция элементов, функ­ циональная завершенность микросхем, построенных на основе группо­ вой полупроводниковой планарной технологии, обусловили их основные достоинства: ^функциональную сложность и высокую степень интегра­ ции; 2) идентичность параметров элементов, произведенных в одном цикле; 3) надежность изделий за счет технологического объединения элементов и соединений; 4) рентабельность производства с высоким уровнем автоматизации.

Электронные средства непрерывно и весьма быстро совершенству­ ются в направлении расширения выполняемых функций, улучшения эксплутационных свойств (надежности, быстродействия), снижения затрат и стоимости. При этом наблюдается постоянное сокращение жизненного цикла изделий, включающего этапы разработки, изготовления, эксплуата­ ции и утилизации. Интенсивное развитие техники и технологии электрон­ ных устройств обусловило уменьшение срока их эксплуатации вследствие морального старения. Быстрая смена поколений электронных изделий тре­ бует уменьшения затрат на изготовление и снижения сроков разработки.

На этапе разработки (проектирования, конструирования, техноло­ гической подготовки производства) закладываются основные свойства устройств - обеспечение технологичности изготовления, экономичности и удобства эксплуатации и т.д. Качество проектирования электронных уст­ ройств зависит от эффективности использования систем автоматизирован­ ного проектирования (САПР) на базе средств вычислительной техники. Применение САПР требует формализации проектных процедур с исполь­ зованием иерархической последовательности моделей электронных уст­ ройств и их элементов.

Элементную базу достаточно сложных функциональных микроэлек­ тронных устройств составляет конечный набор типовых блоков, на основе которых строят аналоговые и цифровые преобразователи. Конструктивные блоки электронных узлов предназначены для механического крепления и

ЭЛЕКТРОНИКА

электрического соединения входящих в них конструктивных узлов (мон тажных плат). Элементы, установленные на платах, соединяют с помощьк печатного монтажа или плоских гибких многопроводных кабелей (шлей фов). Для весьма сложных устройств (например, микрокомпьютеров) ис пользуют основную (материнскую) плату, на которой с помощью разъемоь (слотов) устанавливают дополнительное оборудование.

Конструкция устройства, сложность и топология печатного монтаж.: во многом зависят от состава компонент, в качестве которых в настоящее время преимущественно применяют БИС и СБИС (большие и сверхболь шие интегральные схемы соответственно). Технология производства ИМ( в виде БИС определяет характеристики как самих микросхем, так и уст ройств на их основе. При конструировании электронных устройств на баг*е БИС необходимо учитывать их электрическую, технологическую и конст руктивную совместимость (единство уровней электрических напряжений и токов сигналов, типы корпусов и другие параметры).

Проектирование ИМС включает создание структуры изделия, разра ботку электрической схемы, размещение элементов и проведение соеди нительных линий (трассировку). В результате получают топологию кри сталла, по которой готовят набор шаблонов для выделения областей полу проводника и формирования в них частей структуры с заданными свойсi вами (типом проводимости и уровнем легирования).

Особенности групповой планарной технологии приводят к зависи мости характеристик и параметров ИМС от взаимосвязанных схемотехни ческих, технологических и конструктивных факторов, что приводит к за висимости схемных решений от технологии. В первую очередь это связано с трудностями реализации резисторов и конденсаторов, поскольку они за нимают на кристалле большие площади. Поэтому в ИМС предпочтитель ны схемы, состоящие преимущественно из активных элементов (транзи­ сторов). Пассивные компоненты (диоды, резисторы, конденсаторы) реали­ зуют с использованием структур и отдельных областей транзисторов.

Принципы функционирования интегральных транзисторов основаны на тех же явлениях в полупроводниковой структуре, что и отдельно вы полненные приборы, и для их описания справедливы аналогичные соо. ношения и характеристики. Вместе с тем в моделях необходимо учитыва.ь влияние соседних приборов, расположенных на единой полупроводнике) вой подложке.

Для изоляции областей соседних биполярных транзисторов исполь зуют (закрытый) р-п переход. Типовая структура вертикальных транзисто­ ров типа п -р -п (рабочая область заштрихована) наряду с основным со держит паразитный транзистор р - п-р, образованный областями «база коллектор - подложка» основной структуры (рис.3.1,а).

РисЗ.1. Структура БТ с изоляцией р-п переходом (а) и его эквивалентная схема (б)

Эмиттерная область выполнена с высокой степенью легирования (обозначено гГ) и имеет поверхностное сопротивление 2 ...3 0 M/D (сопро­ тивление квадрата из плоского проводника фиксированной толщины). Поверхностное сопротивление базового p -слоя составляет примерно 100...200 Ом/m. Коллекторная область с удельным сопротивлением 0,5...1,0 Ом-см дает выпрямляющий контакт с алюминием, и для получе­ ния омического контакта внутри нее формируют небольшую область п+

Особенности интегрального транзистора учитывают в его модели, включающей наряду с основным («вертикальным») транзистором также паразитный транзистор и изолирующую диодную цепь (рис.3.1 ,б). Основ­ ным недостатком приведенной структуры являются сравнительно большие токи обратно смещенного изолирующего перехода.

Возможна биполярная структура с диэлектрической изоляцией. Транзисторы формируют в изолированном кармане, окруженном со всех сторон тонким слоем диэлектрика (окиси кремния). Это обеспечивает вы­ сокое качество изоляции (токи утечки диэлектрика на несколько порядков меньше, чем р-п перехода), но создание карманов существенно усложняет технологический процесс и уменьшает плотность элементов на кристалле.

Основным способом разделения биполярных транзисторов в ИМС служит совмещение рассмотренных способов, реализованных в изопланарной технологии, при которой изоляцию коллекторной области от под­ ложки в горизонтальной плоскости осуществляют с помощью р-п перехо­ да, а с боковых сторон в вертикальной плоскости формируют островки ди­ электрика.

Биполярные ИМС преимущественно проектируют на основе транзи­ сторов типа п-р -п , имеющих хорошие усилительные параметры. При не­ обходимости применения транзисторов типа р-п-р их можно получить на базе имеющейся структуры с использованием подложки в качестве кол­ лектора. Такой транзистор имеет небольшой коэффициент передачи тока при значительной инерционности. Если требуется одновременно иметь транзисторы с близкими параметрами, т.е. комплементарную пару, то тран­ зистор типа р-п-р формируют в изолированном кармане и структура полу­ чается достаточно сложной. В интегральной технологии для реализации ло­ гических и других элементов в ИМС разработаны уникальные структуры

(многоэмиттерные, многоколлекторные транзисторы, элементы с инжекционным питанием), не имеющие аналогов в виде отдельных приборов.

П о л е в ы е т р а н з и с т о р ы типа «металл - диэлектрик - полу­ проводник» широко применяют в БИС благодаря их преимуществам при интегральной технологии изготовления: наличие меньшего числа опера­ ций в технологическом цикле, повышающее выход годных изделий; отсут­ ствие изолирующих областей, увеличивающее плотность упаковки.

Типичная структура МДП-транзистора с индуцированным каналом « -типа содержит «+-области истока и стока сформированные в кремние­ вой подложке р-типа (рис.3.2,а).

Рис.3.2. Структуры МДП-транзисторов: горизонтальная (а), вертикальная (б)

Их изоляция осуществляется подачей напряжения на вывод подлож­ ки, обеспечивающего обратное смещение п -р переходов. Омические кон­ такты (алюминий - полупроводник) через окна в слое окисла кремния об­ разуют внешние выводы истока и стока.

МДП-транзисторы с широким набором разнообразных характери­ стик получают разными технологическими методами (формированием встроенных каналов /7-типа или /7-типа), а также путем выбора материалов подложки (кремний на сапфире) и подзатворных диэлектриков, например, транзисторов типа «металл - окисел - полупроводник» с оксидным ди­ электриком. Затвор часто выполняют из легированного поликремния, что улучшает технологичность МОП-структуры в целом. Уменьшение зани­ маемой транзистором площади по сравнению с приведенным расположе­ нием каналов параллельно поверхности кристалла (горизонтальные струк­ туры) достигают применением вертикального расположения областей транзистора (рис.3.2,б).

Для создания в МДП-технологии пары взаимодополняющих тран­ зисторов с близкими параметрами (КМОП-структуры) в слаболегирован­ ной р - подложке образуют два кармана с различным типом проводимо­ сти. Затем в кармане с проводимостью « -типа формируют транзистор с «-каналом, а в кармане с р -проводимостью - транзистор с «-каналом.

Различие технологических процессов изготовления биполярных и полевых транзисторов привело к разработке схемотехнических решений с раздельным применением биполярных и МДП-транзисторов. Вместе с тем совместное использование полевых и биполярных транзисторов позволяет

улучшить характеристики элементов за счет использования уникальных свойств приборов: весьма высокого входного сопротивления МДПтранзисторов и достаточно малого выходного сопротивления биполярного прибора. Развитие технологии привело к созданию комбинированных ме­ тодов, позволяющих сочетать изготовление биполярных и полевых прибо­ ров в одном цикле. При этом канал п -типа совместно с карманом р-типа и подложкой «-типа образуют дополнительный биполярный транзистор.

Д и о д ы в ИМС получают на основе транзисторов, используя один из р-п переходов. Р е з и с т о р ы при биполярной технологии реализуют на основе базовой области транзистора. Слаболегированный базовый слой, обладающий поверхностным сопротивлением р5= 200...300 Ом/D, позво­ ляет получить не слишком большие сопротивления - до единиц килоом. В МДП-технологии в качестве резисторов с небольшими значениями сопро­ тивлений используют канал (при постоянном напряжении затвора). Боль­ шие значения сопротивлений получают формированием специальных об­ ластей из поликремния.

К о н д е н с а т о р ы небольшой емкости реализуют в МДПструктуре с встроенным каналом. Типичное значение удельной емкости на единицу площади между выводами затвора и канала составляет примерно Со - 300 пФ/ мм2. В биполярной технологии обычно используют емкость обратно смещенного р-п перехода, имеющую нелинейную характеристику и обладающую невысоким пробивным напряжением.

В основе технологии производства ИМС лежит и н т е г р а л ь н о ­ г р у п п о в о й м е т о д , ориентированный на одновременное формирова­ ние большого числа элементов на общей полупроводниковой или диэлек­ трической пластине (подложке). Материалом для изготовления микросхем преимущественно служит кремний («кремниевая технология») вследствие своей доступности, относительной простоты легирования (добавления примесей) и образования окислов. Технологический процесс изготовления ИМС включает ряд этапов - от получения сверхчистого кремния до фор­ мирования в приповерхностной области зон с различными электрофизиче­ скими параметрами, образующих активные и пассивные компоненты, а также соединяющие их проводники.

В природе кремний содержится только в соединениях, наиболее распространенным из которых является оксид кремния Si02 (кремнезем или песок). Технический кремний, содержащий 1-2% примесей, получают методом дуговой плавки в электропечах. Для изготовления подложки, на которой формируются области с заданными свойствами, требуется сверх­ чистый кремний с количеством примесей не выше 10~6%. Очистку техни­ ческого кремния производят физико-химическими методами, а затем с по­ мощью зонной плавки при температуре выше 1500°С получают поликристаллический кремний, из которого путем ориентированной кристаллиза­

ции образуют монокристаллический кремниевый цилиндрический слито1 полупроводника. Цилиндр разрезают на пластины, производят механиче скую (полировка) и химическую (травление) доводку поверхности пластпны. Дальнейшее улучшение свойств поверхностного слоя достигается opi ентированным наращиванием (эпитаксия) рабочего слоя, обладающего одинаковыми свойствами во всех направлениях. Для защиты рабочею слоя от воздействия внешней среды его покрывают слоем окиси кремния, выдерживая при высокой температуре в кислородной среде. В результат получается заготовка, т.е. пластина (подложка) диаметром до 150 мм г, толщиной 0,3...0,5 мм с рабочим слоем высотой 1... 10 мкм.

Технологический цикл изготовления ИМС состоит из ряда опере, ций, которые делятся на две группы:

1)обработка пластин (формирование в рабочем слое полупроводнико вой пластины элементов и внутрисхемных соединений с контактными площадками);

2)сборка и контроль (разделение пластин на чипы, проверка, помете ние в корпус и выходной контроль).

Последовательное выделение областей пластины для локальной об­ работки производят с помощью предварительно подготовленных шабло­ нов. Рисунок с шаблона переносят на подложку с использованием различ ных процессов, основным из которых является фотолитография, вклю­ чающая нанесение на поверхность пластины слоя фоторезиста, совмеще ние фотошаблона с подложкой (погрешность порядка 0,01 мкм), экспони рование (облучение ультрафиолетовым светом), проявление и задублиро вание, травление оксида кремния, удаление оставшегося фоторезиста. Об­ ласти подложки, освобожденные от оксида кремния, подвергают легиро­ ванию через образованные в защитном слое окна. Легирование может быть осуществлено способами диффузии примесей или ионной имплантации После легирования области полупроводника вновь покрывают окисью кремния.

Для получения заданной полупроводниковой структуры (совокуп­ ности областей с требуемыми свойствами) операции фотолитографии, ле­ гирования и изоляции проводятся многократно.

После формирования всех элементов методами фотолитографии создают внутрисхемные соединения с помощью тонких проводящих пле­ нок, материал которых должен обеспечивать омический (невыпрямляю щий) контакт с легированными областями полупроводника, иметь хоре шую адгезию к кремнию и его окиси, а также обладать еще целым набс ром физико-химических свойств. Наиболее полно указанным требованиям удовлетворяет алюминий, вместе с тем развитие технологии позволило в поздних разработках применить медь, а в ряде случаев использовать про водящие пленки легированного монокристаллического кремния.

Сборочный этап технологического цикла обеспечивает создание БИС различного конструктивного исполнения и состоит из таких опера­ ции, как разделение пластины со сформированными элементами и межсо­ единениями на отдельные кристаллы (чипы), установка кристаллов в кор­ пуса, присоединение выводов корпуса к контактным площадкам, гермети­ зация. Неотъемлемой и весьма важной частью технологического процесса являются входной, пооперационный и выходной виды контроля изделий, а также испытание готовых микросхем.

Наивысшая степень интеграции и полнота функциональных воз­ можностей получены в устройствах цифровой электроники. Для оценки уровня технологии вводят понятие минимальной технологической нормы как наименьшего достижимого размера толщины проводников, расстоя­ ния между ними, ширины легированной области в полупроводниковом слое, например минимальной ширины эмиттера БТ. Миниатюризация аналоговых устройств (усилителей, генераторов, преобразователей фор­ мы и спектра сигналов) проходила гораздо медленнее вследствие объек­ тивных факторов, к которым относится наличие множества пассивных компонентов и конструктивно несовместимых с ИМС элементов (катуш­ ки индуктивности).

3.2. Транзисторные каскады

Современные электронные системы создаются с использованием интегральных микросхем высокой степени интеграции, а также кристал­ лов с программируемой структурой. Весьма сложные устройства, как пра­ вило, строятся на основе типовых многократно повторяющихся объектов (элементов).

Элементную базу достаточно сложных функциональных микроэлек­ тронных устройств составляет конечный набор типовых блоков, с помощью которых строят аналоговые и цифровые преобразователи. Построение уст­ ройств на основе типовых модулей упрощает моделирование сложных структур и проектирование электронных средств с использованием раз­ личных уровней элементной базы (элемент, модуль, блок). Характеристи­ ки и параметры элементной базы существенно влияют на свойства устрой­ ства в целом.

Наиболее распространенными простыми типовыми элементами яв­ ляются устройства (каскады), построенные на полупроводниковом прибо­ ре (транзисторе) с цепями электропитания, обеспечения режима работы, ввода и вывода сигналов (рис.3.3). Первоначально каскады были разрабо­ таны на конструктивно завершенных деталях (транзисторах, резисторах, конденсаторах, трансформаторах) для построения различных усилителей электрических сигналов.

Рис. 3.3. Структура типового элемента

Создана достаточно широкая номенклатура усилительных каскадов с различными параметрами и предложены формальные макромодели, синте­ зированные с использованием паспортных параметров на изделие без уче­ та технологических способов производства. Такой подход проектирования сложных устройств оказался достаточно удобным при их реализации ме­ тодами интегральной технологии. Схемы каскадов ИМС учитывают осо­ бенности интегральной полупроводниковой технологии:

•формирование пассивных элементов на базе транзисторных структур;

•преимущественное использование в схемах транзисторов одного ти па, как следствие различия технологических операций изготовления биполярных и МДП-структур;

•исключение из схем индуктивных катушек и конденсаторов боль­ ших номиналов;

•жесткое ограничение суммарного сопротивления резисторов, свя­ занное с уровнем рассеиваемой кристаллом мощности.

Простые каскады выполняются на биполярных транзисторах раз­ личного типа по схеме с ОЭ, ОК и ОБ. Соответственно каскады на поле­ вых транзисторах имеют схемы с ОИ или ОС. В качестве нагрузки в тран­ зисторных каскадах применяются линейные или нелинейные резистивные компоненты, которые обычно реализуются на транзисторе в соответст­ вующем включении. Для улучшения характеристик элементов разработа­ ны и широко используются схемы, базирующиеся на объединении двух простых каскадов: дифференциальные, или балансные, каскады и схемы на комплементарных (взаимодополняющих) транзисторах.

Развитие полупроводниковой интегральной технологии привело к созданию уникальных структур на многоэмиттсрных биполярных транзи­ сторах, экономичных схем инжекционного электропитания биполярных транзисторов, а также изготовления в едином цикле биполярных и поле­ вых транзисторов.

Функциональное назначение и основные свойства отражает статиче­ ская проходная характеристика, описывающая зависимость выходного на­ пряжения от входного, т.е. £/вых(£/вх).

Наиболее распространенный каскад на биполярном транзисторе 1 по схеме с ОЭ содержит нагрузочный резистор RK, подключенный к ис-

точнику электропитания V и коллектору, с которого снимается выходной сигнал (рис.3.4,а).

Рис. 3.4. Каскад ОЭ на БТ (а), модель транзистора (б) и характеристика каскада (в)

Уравнения каскада UK=VK- R J Kи /э = /к+ / б позволяют выпол­ нить оценочный расчет проходной характеристики UBbïX(UBX). На основе глобальной модели транзистора (рис.3.4,б) с представлением токов диодов

несложно получить выражения искомой характеристики по участкам. При входном напряжении ниже уровня отпирания UBX< i f транзистор закрыт, токи /б = О, /к = 0 и выходное напряжение С/ВЬ|Х= VK. Увеличение UBX> U приводит к отпиранию эмиттерного диода и переходу транзистора в нор­ мальный активный режим работы. С использованием линеаризованной модели транзистора ток базы можно записать в виде / б =(UBX-£/*)/гвх,

причем гвх = гб + гэ(р +1),, где р = 1 - коэффициент передачи тока тран­

зистора; гб, гэ - объемные сопротивления базы и эмиттера соответствен­ но. Типичные значения параметров интегрального транзистора лежат в пределах: р =100...500, гэ= 0,5...Ю м, гб = З0...700м. При линейной ап­ проксимации выходных характеристик ток коллектора зависит от тока базы /к = р/б и для выходного напряжения справедливо соотношение

v Bb, * = K - m v m - v ') / r BX.

Приведенное уравнение описывает в координатах £/вых(£/вх) прямую линию, наклон которой определяет коэффициент передачи напряжения

^ = Д С /вых/АС/вх= -рЛ к/гвх.

Коэффициент усиления в линейном режиме удобно привести в зави­ симости от постоянной составляющей коллекторного тока. Из выражения характеристики эмиттерного диода следует r3 =dU6_3/dI3= <рт/ / э. Подста­ новка этого выражения в формулу входного сопротивления приводит к соотношению rBX=fkpT/ / K. Окончательное выражение коэффициента пе­

редачи напряжения принимает вид К и =- R vIK/(pT Знак минус означает инвертирование сигнала, т.е. уменьшение выходного напряжения с ростом входного.

Дальнейшее увеличение UBX приводит к смещению коллекторного перехода в прямом направлении. Транзистор входит в режим насыщения, при котором оба перехода смещены в прямом направлении. Можно счи­ тать, что выходное напряжение не зависит от входного сигнала и имеет типичное для насыщения значение £/ВЬ1Х= £/,он = (0,2...0,3) В. В режиме на­ сыщения коллекторный ток определяется выражением 1К—(Ук—и юн)1RKи не зависит от тока базы. Переход с одного участка на другой происходит при входном напряжении, вычисленном из соотношения

(ит - и ' ) / Гт=фУк - и куи)/ чк.

На полученной проходной характеристике (рис.3.4,в) можно выде­ лить два уровня выходного сигнала (низкий i f и высокий É/1), наличие ко­ торых обусловило использование каскада в качестве двоичного логическо­ го элемента. Применение каскада для передачи сигналов без искажений требует подачи на вход постоянного напряжения смещения, обеспечи­ вающего работу на линейном участке проходной характеристики.

Каскад на МОП-транзисторе по схеме с ОИ содержит нагрузочный резистор /?с, подключенный к источнику напряжения питания Vc. Выход ной сигнал снимается с зажима стока транзистора (рис.3.5,а).

Рис 3.5. Схемы каскадов на МОП-транзисторах с линейной (а) и нелинейной (в) на­ грузками; проходные характеристики для линейной (б) и нелинейной (г) нагрузок

Проходную характеристику (рис.3.5,б) можно получить по участкам на основе кусочной модели МОП-транзистора:

•/с = 0 при U, <U0-

h = *о[2(£/, - UoyUc - U2C] при (I/, - U J >Uc;

/с = k0(U, - U0f при (С/, - U 0)<UC.

Типичные значения параметров транзистора с индуцированным п- ка­ налом находятся в пределах к0 = (0,1... 1 ) мА/В2, к\ = (0,01...0,03) мА/В С/0=(2...4)В.

Уравнения каскада в предположении /э = 0 можно записать в виде

UC= VC - R J C( U M - и т - и с.

Если входной сигнал не превышает напряжение отсечки UBX< Uoy то /с = 0 и выходное напряжение неизменно £/ВЬ1Х= U3 =VC. Увеличение вход