Шпаргалки по "Микроэлектронике"

 

1.Микроэлектроника. Общие сведения, история развития.

Микроэлектроника –  новое направление электроники, которое позволяет с помощью  сложного комплекса физико-химических, технологических, конструктивных и  схемотехнических методов создавать  высоконадежные и экономические электронные элементы и устройства.

Микроэлектроника отличается от процесса микроминиатюризации электронной  аппаратуры, хотя эти направления  и взаимосвязаны, но не тождественные.

Микроминиатюризация решает проблемы уменьшения габаритов (объема) и массы радиоустройств. С этой целью используются малогабаритные дискретные элементы: резисторы, конденсаторы, диоды, транзисторы; как правило их стараются обьединить в миниатюрные функциональные блоки (узлы, микромодули). Это направление не может решить проблему повышения надежности работы и экономичности непрерывно усложняющейся радиоаппаратуры.

Поэтому задача микроэлектроники – это не только уменьшение габаритов  и массы электронных элементов  и устройств, но прежде всего качественно новый подход к их разработке и применению.

Современная микроэлектроника развивается по трем направлениям:

- создание гибридных интегральных микросхем;

- создание полупроводниковых  интегральных микросхем;

- создание функциональных  устройств.

В соответствии с принятой терминологией микросхема – это микроэлектронное устройство, имеющее плотность монтажа не менее пяти элементов в одном см^3 объема, занимаемого схемой, и рассматриваемое как единое целое.  

Интегральная микросхема (ИМС) представляет собой микросхему, все или часть элементов которой нераздельно связаны и электрически соединены между собой так, что устройство рассматривается как единое целое.

Гибридная интегральная микросхема – это интегральная микросхема, часть элементов которой имеет  самостоятельное конструктивное оформление.

Полупроводниковая интегральная микросхема – интегральная микросхема, элементы которой выполнены в  объеме и (или) на поверхности полупроводникового материала.

В зависимости от количества элементов различают:

- ИМС первой степени  интеграции, содержащие до 10 элементов;

- ИМС второй степени  интеграции, содержащие до 100 элементов;

- ИМС третьей степени  интеграции, содержащие от 100 до 1000 элементов  и т.д.

Интегральные микросхемы, содержащие более 100 элементов, принято  называть большими интегральными схемами (БИС).

Повышение степени интеграции микросхем и связанное с этим уменьшение размеров элементов имеют определенные пределы.Интеграция свыше нескольких десятков тысяч элементов оказывается экономически нецелесообразной и технологически трудно выполняемой. Поэтому весьма перспективным направлением развития электронной техники является функциональная электроника, позволяющая реализовать определенную функцию устройства без применения стандартных базовых элементов.

В функциональной микроэлектронике используются разнообразные физические явления, положенные в основу оптоэлектроники, акустоэлектроники, криоэлектроники, хемотроники, магнетоэлектроники и т.д.

С точки зрения технологии микроэлектроника – это область  электроники, связанная с процессами изготовления взаимосвязанных активных элементов (p-n-переходов, структур типа металл-полупроводник биомерных и полевых транзисторов) и пассивных элементов (резисторов и конденсаторов), а также изолирующих областей и проводников.

Возможность создания ИМС, состоящей из транзисторов, диодов, резисторов и конденсаторов, размещенных на одном общем кристалле полупроводника, обусловлена двумя обстоятельствами. Во-первых, можно изменить электрическое сопротивление полупроводника, дозируя количество вносимых примесей и изменяя месторасположение легированных областей. Во-вторых, как p-n-переход, так и МОП-структура обладает емкостными свойствами. Согласно Льюиса Росадо, первые опыты в данной области начались в 1953 году, а промышленное производство ИМС началось в 1959 году, через год после разработки технологии планарных транзисторов. Полупроводниковая технология прошла длительный путь развития. Вот наиболее важные даты изобретений и открытий в области полупроводниковых приборов:

1947 – создание точечного  транзистора;   

1950 – получение монокристаллического  германия;

1951 – промышленный  выпуск биполярных транзисторов. Изобретение полевого транзистора  с p-n-переходом;

1952 – монокристаллический  кремний;

1956 – изобретение диффузионного  транзистора;

1958 – изобретение планарного транзистора;

1959 – промышленный  выпуск ИМС;

1960 – создание эпитаксиальных  транзисторов, МОП-транзисторов, диодов  Шоттки;

1962 – разработка цифровых  микросхем по технологии МОП;

1964 – выпуск линейных  ИМС по технологии МОП;

1966 – ИМС с числом  элементов до 1000;

1968 – создание элементов  памяти на МОПтехнологии;

1969 – создание ИМС,  содержащих до 10000 элементов;

1971 – разработка микропроцессора;

1975 – разработка СБИС;

1992 – появление многослойных  микропроцессоров со связями  между слоями.

2. Классификация ИМС.  

Существуют следующие  разновидности конструкции ИМС:

1. Полупроводниковые:

а) МОП;

б) с управляющим p-n-переходом;

в) биполярные.

2. Пленочные:

а) тонкопленочные;

б) толстопленочные.

3) Гибридные:

а) тонкопленочные;

б) толстопленочные.

Наиболее распространенные полупроводниковые ИМС формируются на кремниевой подложке по планарной технологии. В пленочных ИМС отдельные элементы и соединения выполняются на поверхности элемента и обычно используют керамику. В гибридных ИМС на изолирующей подложке размещены пассивные элементы. Дискретные активные элементы смонтированы на поверхности при помощи разнообразных технологических приемов.

3.Полупроводниковые ИМС.

Полупроводниковые интегральные микросхемы - это интегральные микросхемы, все пассивные и активные элементы которых изготовлены в одной пластинке полупроводника (монокристалле кремния). Большую часть пластинки по толщине составляет подложка, и только в тонком приповерхностном слое находятся элементы схемы и соединения между ними, созданные методом диффузионно-планарной технологии. Такая технология позволяет создать в пластинке полупроводника (кремния) области с разным типом проводимости, а также соединения этих областей с металлическими контактами. Области с разным типом проводимости образуют переходы, выполняющие функции резисторов, конденсаторов, диодов, транзисторов. Кстати, в некоторых полупроводниковых интегральных микросхемах применяется светодиодная подсветка.

 Тип проводимости  определяется концентрацией примеси.  Избыток доноров дает область с проводимостью типа п, избыток акцепторов — область с проводимостью типа р. Процесс изменения типа проводимости путем добавления примесей называется компенсацией.

 

Атомы примесей вводятся в полупроводник через поверхность  с помощью диффузии, например путем помещения полупроводника в смесь паров с атомами примеси при достаточно высокой температуре. Возможно проведение даже тройной диффузии, при которой получают трехслойную структуру, содержащую два перехода; наиболее глубокой является первая диффузия. Ограничение областей, в которых путем диффузии примесей получают изменение типа проводимости, осуществляется с помощью слоев двуокиси кремния, предохраняющих от диффузии участки, покрытые таким слоем. Слой двуокиси кремния на пластинке создается окислением поверхности пластинки при высокой температуре. Вскрытие определенных участков (так называемых окошек) в слое окисла для проведения диффузии осуществляется растворением окисла в плавиковой кислоте. В процессе удаления слоев окисла с определенных участков поверхности пользуются фотомасками, облучаемыми ультрафиолетовыми лучами. Участки полупроводника, покрытые светочувствительной эмульсией и не засвеченные через маску (шаблон), образованную системой прозрачных и непрозрачных участков, вытравливаются. Этот процесс называется фотолитографией. Слой окисла используется также для защиты поверхности полупроводника после окончания производственного процесса от загрязнений и влияния окружающей среды. Это—пассивация поверхности.

 

Полупроводниковые интегральные микросхемы являются наиболее распространенным типом интегральных микросхем, обеспечивающих максимальную миниатюризацию И надежность. При массовом производстве являются наиболее дешевыми. Плотность упаковки в полупроводниковых интегральных микросхемах доходит даже до нескольких тысяч элементов и более на 1 мм2.

4.Пленочные ИМС.

В этих изделиях отдельные  элементы и межэлементные соединения выполняются на поверхности диэлектрика, в качестве которого обычно берут керамику. Различают тонкопленочные и толстопленочные ИМС. В первом случае толщина пленок не превышает 1 мкм. Для создания элементов берутся соответствующие материалы. Пленки наносят путем вакуумного испарения, химического осаждения, катодного распыления и т.д. Создаются резисторы с R от 10 Ом до 1 Мом, конденсаторы от 0,1 пФ до 20 нФ, катушки индуктивности до 2 мкГн, а также тонкопленочные транзисторы, аналогичные МОП приборам, в которых в качестве полупроводника используют CdS. Толщина толстопленочных ИМС колеблется в пределах 15-45 мкм, получают их с помощью мелкотрафаретной технологии, нанося нужный рисунок специальной краской. Резисторы имеют сопротивление в пределах 10 Ом – 1 МОм, конденсаторы емкостью до 8,5 нФ; катушки индуктивности до 4,5 мкГн, а также различные соединительные проводники. Активных элементов с помощью данной технологии не создают.

 

 

 

 

 

5.Тонкопленочные гибридные ИМС.  

Данный класс ИМС  выполняют на изолирующей подложке, например из оксида алюминия (Al2O3). На поверхности подложки размещены пассивные элементы – резисторы, проводники, катушки индуктивности, конденсаторы и т.д. Дискретные активные элементы смонтированы на поверхности с помощью разнообразных технологических приемов. Существуют две разновидности: тонкопленочные и толстопленочные.

Тонкопленочные гибридные  ИМС – пассивные элементы выполняются путем металлизации, проводимой как химическим, так и вакуумным способами. Проводники изготавливают из золота, алюминия, никеля, меди и т.д. Материалом для создания резисторов служит сплав Ni-Cr (80/20)нитрит тантала Ta2N. В качестве диэлектрика для конденсаторов используют оксид кремния и пятиоксид тантала. Толщина наносимых слоев колеблется от 0,02 до 10мкм.

 

6. Толстопленочные  гибридные ИМС.

Толстопленочные гибридные  ИМС имеют толщину существенно  больше. Пассивные элементы создают  на основе шелкографии и фотолитографии. Пассивные элементы получают используя соответствующие краски. Такие ИМС получаются дешевле чем тонкопленочные и полупроводниковые.

 

 

7. Этапы процесса проектирования ИМС.

Процесс изготовления ИМС  начинается с проектирования, в ходе которого определяются не только параметры основных элементов, но и анализируется ряд эффектов таких как возникновение и влияние паразитных емкостей близко расположенных элементов, роль тепловых потоков, электрических утечек и т.д. После этого следует стадия изготовления ИМС, состоящая из определенной последовательности физико-химических процессов.

Процесс проектирования ИМС существенно  отличается разработки устройства с  дискретными элементами. В обеих  разработчик должен обладать сведениями о параметрах отдельных элементов, чтобы на основе этих элементов создавать систему соединений между ними, чтобы , в результате, эта цепи обладала нужными параметрами и характеристиками. В отличии от обычной схемы собранной на дискретных элементах, в ИМС требуется определить и технологические параметры этих элементов (геометрические размеры, температуру процессов диффузии легирующей примеси, изоляцию между элементами, емкостные свойства), т.к. все элементы создаются одновременно.

Необходимо так же разработать  топологию проводников, размещаемых на поверхности подложки. При проектировании ИМС следует учитывать, что ряд дискретных элементов не удается создать в интегральном исполнении. Вместо диода часто используют транзистор с короткозамкнутым переходом база-эмитер, вместо конденсатора несколько пФ – переход, смещенный в обратном направлении.

 

8. Основные особенности процесса проектирования ИМС.

- До начала производственной  стадии ИМС моделируется с  помощью ЭВМ. На этой стадии  убеждаются в том, что требуемые  характеристики действительно могут быть достигнуты согласно техническому заданию.

- Всюду, где это возможно, активные  и пассивные элементы создают  на базе транзистора. Применение  активных элементов оказывается  более выгодным и более простым,  и менее критическим. Чтобы получить диод используют один из переходов биполярного транзистора. Избегают использования элементов таких как катушка индуктивности.

- При создании ИМС применяют  не емкостные, а непосредственные  связи. Это имеет большое значение  для работы низкочастотных усилителей.

- Чтобы обеспечить  хорошую тепловую стабильность  характеристик ИМС, используют  дифференциальные пары. При проектировании  ИМС добиваются малого потребления  мощности и низких напряжений  питания. Важным параметром является  напряжение пробоя.

 

 

 

 

 

 

 

 

9. Проектирование с помощью ЭВМ.

В конце 60-х годов для  целей проектирования ИМС стали  использовать ЭВМ, что позволило  разрабатывать гораздо более  сложные интегральные схемы. Используя  для расчетов ЭВМ разработчик  может учитывать эффекты второго  порядка (паразитные связи; токи утечки; тепловые взаимодействия между соседними элементами; напряжение пробоя, определяемые размерами элементов; токи, связанные с формой и относительным положением элементов и ряд других эффектов). Основное преимущество компьютерного проектирования ИМС состоит в том, что отпадает необходимость создания макета-прототипа и опытных образцов и их испытания, т.к. с помощью ЭВМ можно быстро и надежно провести имитационное моделирование устройства. Это существенно сокращает сроки и стоимость разработки ИМС при высокой надежности результатов.