Реферат: Структура твердотельных интегральных микросхем
Реферат: Структура твердотельных интегральных микросхем
Структура
твердотельных интегральных микросхем
Содержание
Введение
1. Основные виды
структур ИМС
1.1 Гибридные и
совмещенные интегральные микросхемы
2. Степень интеграции
2.1 Факторы,
ограничивающие степень интеграции
3. Причины
ограничивающие минимальные размеры интегральных микросхем
4. Микросборка
оптоэлектронные ИМС
Литература
Введение
Твердотельная
интегральная микросхема – это законченный функциональный электронный узел,
элементы которого конструктивно не разделены и изготавливаются в едином
технологическом процессе, в объеме и на поверхности полупроводникового
кристалла.
Процесс
создания полупроводниковой микросхемы сводится к формированию в
приповерхностном слое полупроводниковой пластины элементов (транзисторов,
диодов, резисторов) и к последующему их объединению в функциональную схему пленочными
проводниками по поверхности пластины (межсоединения).
Для
характеристики типа применяемых в ИМС транзисторов, а также технологических
методов их изготовления пользуются понятием структура ИМС. В общем случае
структура ИМС определяет последовательность слоев в составе микросхемы по
нормали к поверхности кристалла, различающихся материалов, толщиной и
электрофизическими свойствами. Так, в практике производства ИМС используют
структуры на биполярных транзисторах (в частности, диффузионно-планарные, эпитаксиально-планарные
и др.) на МДП-приборах, структуры И²Л и т. д. Заданная структура ИМС
позволяет установить состав и последовательность технологических методов
обработки пластины и определить технологические режимы для каждого метода.
1.
Основные виды
структур ИМС
На
рис. 1 представлен фрагмент ИМС с диффузионно-планарной структурой, включающий
биполярный транзистор и резистор. Для одновременного формирования транзистора и
резистора необходимо, чтобы р-область резистора и изолирующая его n-область имели глубину и
электрофизические свойства, одинаковые с областями соответственно базы и
коллектора транзистора. Аналогичное соответствие должно обеспечиваться для всех
элементов, входящих в состав ИМС. Оно является главным признаком и непременным
условием применения интегральной технологии и позволяет минимизировать число
технологических операций, составляющих цикл обработки.
Таким
образом, интегральная технология представляет собой совокупность методов
обработки, позволяющую при наличии структурного подобия (технологической
совместимости) различных элементов ИМС формировать их одновременно в едином
технологическом процессе.
Важно
отметить, что выпускаемые в составе той или иной серии ИМС различного
функционального назначения имеют единую структуру и, следовательно, единую базовую
технологию. Для базовой технологии характерны не только определенная
технологическая последовательность обработки и определенный комплект
оборудования, но и постоянная, отработанная настройка оборудования, т. е.
жесткие технологические режимы. Последнее является существенным для
экономичности и эффективности процесса производства ИМС.
Очевидно,
что базовая технология не зависит от размеров элементов в плане, их взаимного
расположения и рисунка межсоединений. Все эти свойства конкретной ИМС определяются
в процессе топологического проектирования, а обеспечиваются фотолитографией —
процессом избирательного травления поверхностных слоев с применением защитной
фотомаски.
Рис.
1. Фрагмент ИМС с диффузионно-планарной структурой:
T —
транзистор; R — резистор
Топология
микросхемы — чертеж, определяющий форму, размеры и взаимное расположение
элементов и соединений ИМС в плоскости, параллельной плоскости кристалла.
Поскольку элементы и соединения формируются путем последовательного отдельных
слоев (коллекторный слой, базовый слой и т. д.), различают общую и послойную
топологию (рис. 2 в соответствии с рис. 1). По чертежу базового слоя, например,
может быть разработан чертеж фотошаблона, с помощью которого создают окисную
маску для избирательной диффузии примеси р-типа.
При
заданном наборе элементов топология ИМС (точнее, рисунок межсоединений)
определяет ее функциональные свойства. Можно представить себе кристалл,
содержащий некоторый универсальный набор элементов (очевидно, с некоторой
избыточностью) и сплошной слой металлизации. Такие кристаллы в составе общей
пластины могут быть «доработаны» по желанию заказчика до конкретных
функциональных ИМС в зависимости от рисунка межсоединений, выполненного с
помощью соответствующего фотошаблона. Описанная универсальная
пластина-заготовка, получившая название базового кристалла, позволяет
обеспечить экономичность производства ИМС более узкого, специального
применения, выпускаемых в небольших количествах.
Рис.
2. Фрагменты общей (а) и послойной (базового слоя) (б) топологии ИМС:
1
— дефекты, возникшие на этапе металлизации;
2
— дефекты, возникшие на этапе диффузии примеси
1.1
Гибридные и совмещенные интегральные микросхемы
Применение
полупроводниковых интегральных микросхем, однако, ограничено рядом причин. Одна
из них заключается в том, что производство полупроводниковых ИМС оказывается
целесообразным лишь в крупносерийном и массовом производстве, когда становятся
экономически оправданными значительные затраты на подготовку производства
(главным образом на проектирование и изготовление комплекта фотошаблонов).
Другая причина лежит в ряде ограничений на параметры элементов и ИМС в целом:
невысокая точность диффузионных резисторов (±10%) и отсутствие возможности их
подгонки, невозможность получать конденсаторы достаточно больших емкостей,
температурные ограничения, ограничения по мощности и др.
Наряду
с полупроводниковыми ИМС поэтому разрабатывают и выпускают комбинированные
гибридные интегральные микросхемы. Технологической основой таких ИМС являются
процессы нанесения резисторов, конденсаторов, проводников и контактов в виде
пленок соответствующих материалов на диэлектрическую пассивную подложку.
Поскольку активные элементы - транзисторы, диоды - не могут быть изготовлены по
пленочной технологии, их изготовляют по известной полупроводниковой технологии,
а затем монтируют на общей подложке (рис. 3).
Рис.
3. Фрагмент гибридной ИМС:
R —
резистор, С — конденсатор, ПП — кристалл полупроводникового прибора
Гибридная
пленочная интегральная микросхема — ИМС, которая наряду с пленочными элементами, полученными с
помощью интегральной технологии, содержит компоненты, имеющие самостоятельное
конструктивное оформление. В зависимости от метода нанесения пленочных
элементов на подложку различают тонкопленочные (напыление в вакууме) и толстопленочные
(трафаретная печать) гибридные ИМС.
Гибридные
ИМС имеют худшие технические показатели (размеры, массу, быстродействие,
надежность), чем полупроводниковые ИМС. В то же время они позволяют реализовать
широкий класс функциональных электронных схем, являясь при этом экономически
целесообразными в условиях серийного и даже мелкосерийного производства.
Последнее объясняется менее жесткими требованиями к фотошаблонам и трафаретам,
с помощью которых формируют пленочные элементы, а также применением менее
дорогостоящего оборудования. В составе пленочных ИМС возможно получить
резисторы с точностью ±5%, конденсаторы ±10%, а с применением подгонки — до
десятых долей процента. Гибридно-пленочная технология позволяет реализовать
практически любые функциональные схемы.
Стремление
расширить область применения полупроводниковых ИМС привело к созданию другого
типа комбинированных микросхем (рис. 4). При их изготовлении полупроводниковую
технологию совмещают с тонкопленочной технологией для создания некоторых пассивных
элементов, к которым предъявляются повышенные требования по точности и
температурной стабильности.
Рис.
4. Фрагмент совмещенной ИМС:
Т
— транзистор, R — пленочный резистор.
Совмещенная
интегральная микросхема — это комбинированная интегральная полупроводниковая микросхема, в которой
некоторые элементы (обычно пассивные) наносят на поверхность пластины
(кристалла) методами пленочной технологии.
2.
Степень интеграции
Известно,
что полупроводниковые интегральные микросхемы по сравнению с аналогичными печатными схемами с
навесными элементами имеют лучшие технико-экономические показатели: размеры и
массу, надежность, быстродействие, стоимость. Известно также, что эти
показатели улучшаются с повышением функциональной сложности ИМС, т. е. с
увеличением числа элементов, полученных с помощью интегральной технологии, с
возрастанием степени интеграции.
Степень
интеграции — это показатель
степени сложности ИМС, характеризуемой числом элементов, полученных с помощью
интегральной технологии на общем кристалле. Для характеристики степени
интеграции используют показатель К=lgN, где N — число элементов ИМС. В зависимости от значения К условно
различают ИМС малой степени интеграции, средней степени интеграции, большие
интегральные схемы (БИС) и сверхбольшие (СБИС).
Повышение
степени интеграции ИМС является, таким образом, важнейшей задачей
микроэлектроники, в значительной мере определяющей основные тенденции
схемотехнических и конструкторско-технологических разработок.
2.1
Факторы, ограничивающие степень интеграции
Среди
факторов, ограничивающих степень интеграции, важное место занимает
технологический фактор. В полупроводниковой интегральной микросхеме нельзя
заменить или даже исправить дефектный элемент. При наличии хотя бы одного
дефектного элемента ИМС целиком бракуется. Плотность дефектов в свою очередь
-определяется качеством технологического процесса и прежде всего процесса
фотолитографии.
Страницы: 1, 2, 3 |
