Интегральная микросхема (ИМС) – микроэлектронное изделие, выполняющее определенные функции преобразования сигнала, и представляющее собой единое целое с точки зрения изготовления, упаковки, транспортировки и эксплуатации. Все ее элементы и соединительные проводники формируются в процессе изготовления в микрообъеме твердого тела - полупроводникового кристалла - или на поверхности подложки и имеют общую герметизацию и защиту от внешних механических воздействий и влаги.
Интегральная микросхема содержит элементы и компоненты.
Элементом интегральной микросхемы называют ее часть, которая выполняет функцию какого-либо одного электрорадиоэлемента, например транзистора, диода, резистора, и не может быть отделена от ИМС как самостоятельное изделие. Элемент нельзя отдельно испытать, упаковать и эксплуатировать, так как он изготовляется неразрывно с кристаллом ИМС.
Компонентом интегральной микросхемы также называют часть ИМС, выполняющую функцию какого-либо электрорадиоэлемента, но эта часть перед монтажом является самостоятельным комплектующим изделием в специальной упаковке и может быть отдельно испытана и принята, а затем установлена в изготовляемую ИМС. Компонент в принципе может быть выделен из изготовленной ИМС (например, бескорпусный транзистор в гибридной микросхеме).
Функциональная сложность схемы, показывающая уровень развития интегральной техники, характеризуется степенью интеграции.
Степень интеграции микросхемы - это показатель сложности ИМС, определяемый числом содержащихся в ней элементов и компонентов. Суммарное число элементов и компонентов N, входящих в ИМС, называют уровнем интеграции. Степень интеграции k вычисляется как десятичный логарифм от уровня интеграции N, округленный до ближайшего большего целого числа: k=lgN.
Например, ИМС первой степени интеграции содержит до 10 элементов и компонентов включительно, второй степени - от 11 до 100 включительно, третьей степени - от 101 до 1000, четвертой - от 1001 до 10000 и т.д.
В настоящее время изготавливаются ИМС, имеющие более миллиона элементов типа транзистор.
Сложность интегральной микросхемы характеризуют еще следующим образом: при N£10 ИМС называют простой; при N от 11 до 100 - средней; при N от 101 до 10000 - большой интегральной схемой (БИС); при N> 10000 - сверхбольшой (СБИС). Интегральные микросхемы можно классифицировать по разным признакам: по конструктивно-технологическому исполнению, по функциональному назначению, по степени интеграции, по физическому принципу работы активных элементов и др.
По конструктивно-технологическому признаку ИМС могут быть полупроводниковыми, пленочными, гибридными и совмещенными.
Полупроводниковая интегральная микросхема - это ИМС, все активные и пассивные элементы которой и межэлементные соединения выполнены в объеме и на поверхности монокристалла полупроводника в общем технологическом процессе. Кристалл полупроводника, в котором формируются элементы, называют активной подложкой.
В полупроводниковых ИМС в качестве исходного материала используют кристалл кремния. Выбор кремния обусловлен тем, что он допускает более высокую рабочую температуру и мощность рассеяния, чем германий, а также имеет большую, чем германий, ширину запрещенной зоны и позволяет получить больший диапазон сопротивлений при создании на его основе резисторов микросхемы.
Изготовление полупроводниковой микросхемы в конечном счете сводится к образованию системы электронно-дырочных переходов в кристалле кремния; при этом формируются локальные области кристалла, эквивалентные электрорадиодеталям обычных электронных схем и их соединениям. Изоляция этих областей, т. е. элементов ИМС, осуществляется с помощью р-п переходов, смещенных в обратном направлении, или двуокиси кремния, являющейся диэлектриком.
Двуокись кремния также защищает поверхность кристалла от загрязнения. Готовый кристалл с созданными элементами и соединениями между ними представляет собой монолитную структуру, которая после присоединения к ней внешних выводов и герметизации может быть использована в качестве блока электронной аппаратуры.
Пленочной интегральной микросхемой называют ИМС, все элементы и межэлементные соединения которой выполнены только в виде пленок различных материалов, нанесенных на общее обоснование. По технологии изготовления различают тонкопленочные и толстопленочные ИМС. Интегральные микросхемы с толщиной пленок до 1 мкм относят к тонкопленочным, а микросхемы с толщиной пленок более 1 мкм - к толстопленочным. Пленки наносят на диэлектрическую подложку, называемую пассивной (стекло, керамика, пластмасса).
При изготовлении тонкопленочных интегральных микросхем пассивные элементы в виде тонких пленок токопроводящих и изоляционных материалов создаются путем предварительного нагрева и испарения требуемого материала с последующим осаждением его на более холодную подложку. Это осуществляется в вакууме через специальные трафареты, так что пленки имеют определенную конфигурацию в соответствии с заданным расположением элементов микросхемы.
При изготовлении толстопленочных ИМС на керамическую подложку через трафареты наносятся различные пасты, резистивные и проводящие - для получения резисторов, соединительных проводников и контактов, а также обкладок конденсаторов и индуктивностей; диэлектрические - для изоляции элементов и создания диэлектриков конденсаторов. Пассивные пленочные ИМС как самостоятельные изделия не получили широкого применения.

Гибридная интегральная микросхема представляет собой ИМС, в составе которой имеются пассивные пленочные элементы, выполненные на диэлектрической подложке, и навесные активные микроминиатюрные компоненты, изготовленные как дискретные транзисторы и диоды (обычно в бескорпусном исполнении) и вмонтированные в подложку. В составе гибридных микросхем могут быть не только простые навесные компоненты (транзисторы и диоды), а и сложные - бескорпусные ИМС.
Более сложные ИМС явились результатом совмещения двух основных технологий изготовления интегральных микросхем - пленочной и полупроводниковой. Такие схемы называют совмещенными.
Совмещенная интегральная микросхема - это ИМС, в которой активные элементы выполнены в кристалле полупроводника, а пассивные элементы и межсоединения - в виде пленок. При этом используются два способа сочетания технологии полупроводниковых и пленочных микросхем.
Первый способ состоит в том, что в активной полупроводниковой подложке формируются транзисторы и диоды, как в полупроводниковой ИМС, затем на поверхности этого кристалла создается изолирующая пленка путем окисления кремния, а на нее наносятся пленочные резисторы, конденсаторы и межсоединения. В другом варианте совмещенной микросхемы, как в гибридных схемах, пассивные элементы и часть соединений создают в виде пленок на диэлектрической подложке, а активные элементы и основные соединения формируются по технологии полупроводниковых ИМС в кремниевом кристалле, который монтируется на этой подложке.
Примеры конструктивного исполнения интегральные микросхемы показаны на рис.2.41, а расположение выводов - на рис.2.42.

По способу герметизации для защиты от внешних воздействий различают корпусные интегральные микросхемы, помещенные в специальный корпус или спрессованные в пластмассу (вакуумная герметизация), и бескорпусные - покрытые эпоксидным защитным лаком. По характеру функционального назначения интегральные микросхемы делят на аналоговые, цифровые и комбинированные - аналого-цифровые.
Аналоговые (линейные) ИМС предназначены для преобразования информации, представленной в виде аналоговых сигналов, т.е. сигналов, изменяющихся по закону непрерывной функции.
Цифровые (логические) ИМС используют для обработки информации, представленной в цифровой (дискретной) форме.
По выполняемой функции все микросхемы подразделяют на подгруппы; например, усилители, генераторы, фильтры, детекторы, логические элементы ЭВМ и др. Каждую подгруппу делят на виды; например, усилители низкой частоты, усилители высокой частоты, усилители постоянного тока и т. д.
Классификация по физическому принципу работы зависит от типа создаваемых в микросхеме основных и наиболее сложных элементов - транзисторов. На их структуре базируется формирование и других элементов. В полупроводниковых интегральных микросхемах применяют как биполярные транзисторы, так и полевые МДП-транзисторы.
В гибридных интегральных микросхемах в качестве навесных компонентов применяют биполярные бескорпусные транзисторы.

Элементы полупроводниковых интегральных микросхем

Полупроводниковые интегральные микросхемы содержат активные и пассивные элементы, формируемые в кристалле кремния в едином технологическом процессе. Эти элементы должны быть изолированы друг от друга и соединены согласно электрической схеме. По типу основного активного элемента - транзистора - полупроводниковые ИМС делят на биполярные и МДП-микросхемы. Соответственно, отличается и технология изготовления микросхем на базе структур биполярных и МДП-транзисторов. Рассмотрим кратко, как формируются активные и пассивные элементы в полупроводниковых микросхемах.
Транзисторы. Наиболее важным и сложным элементом при изготовлении интегральной микросхемы является транзистор. Его структура служит базой для формирования всех остальных элементов ИМС (как активных, так и пассивных).
Большинство биполярных транзисторов создается со структурой п-р-п, электрические характеристики которой лучше, чем у структуры р-п-р; но для реализации некоторых электрических схем требуются транзисторы с противоположным типом электропроводности, так что используют и транзисторы типа р-п-р.Транзисторы типа п-р-п характеризуются большим быстродействием и возможностью получения большего коэффициента передачи тока α, так как подвижность электронов в несколько раз превышает подвижность дырок.
Для изготовления элементов на основе транзисторной структуры используется планарная технология. При такой технологии элементы имеют плоскую структуру: их р-п переходы и контактные площадки выходят на одну плоскость полупроводниковой пластины - подложки, на поверхности и в объеме которой создаются элементы. Разновидности планарной технологии - планарно-диффузионная и планарно-эпитаксиальная технология.
Для формирования биполярных транзисторов п-р-п - типа основой служит монокристаллическая, т. е. имеющая правильную кристаллическую решетку, пластина кремния р-типа толщиной не более 50 мкм. Она служит подложкой. При планарно-диффузионной технологии (рис.2.43) на поверхности этой подложки путем различных технологических процессов создают пленку двуокиси кремния SiO2, которая является защитной и изоляционной (рис.2.43,1).
Затем вытравливают в этой пленке отверстия по количеству создаваемых транзисторов (2.43,2). В полученные окна методом диффузии вводят примеси, образующие слои п-типа. Они изолированы друг от друга и от подложки р-п - переходами, смещенными в обратном направлении. Эти островки п-типа образуют коллекторы транзисторов (рис.2.43,3) На них наносится через специальные маски примесь, атомы которой диффундируют в п-слой и создают базы р-типа.
Затем таким же образом вводят примеси, создающие вторую область п-типа -эмиттеры транзисторов (4). На полученные локальные структуры п-р-п напыляют металлизированные контакты и соединительные дорожки. На поверхности между контактами создается пленка SiO2.
При создании п-р-п-структур для транзисторов одновременно в этом же технологическом процессе на основе получаемых областей полупроводника с разными типами электропроводности создаются диоды и пассивные элементы микросхемы. Изоляция элементов может быть осуществлена р-п - переходами или диэлектриками. При использовании структуры полевых транзисторов наибольшее распространение получили транзисторы с изолированным затвором. ИМС на основе этих структур изготовляют на кремниевой пластине п- или р-типа по планарной технологии.
Конструкция интегральных микросхем на МДП-транзисторах обеспечивает более высокую степень интеграции и плотность упаковки в связи с тем, что при создании МДП-структур не нужна изоляция между элементами, а площадь, занимаемая таким транзистором, на два порядка меньше площади биполярного транзистора. Кроме того, для каждого биполярного транзистора требуются три контакта металла с полупроводником, а для МДП-транзистора - только два; количество операций в технологическом процессе изготовления микросхем на основе МДП-структур сокращается примерно в три раза по сравнению с изготовлением микросхем на основе биполярных транзисторов.
Диоды. В полупроводниковых ИМС диоды формируют одновременно с биполярными транзисторами, на основе тех же слоев и р-п - переходов. Получать диоды на основе транзисторных структур п-р-п проще, чем формировать отдельные р-п структуры.
Возможны разные схемы диодного включения транзисторов. Например, используется эмиттерный переход, а коллекторный замкнут или разомкнут, либо используется коллекторный переход, а эмиттерный замкнут или разомкнут.
Практически интегральные транзисторы, используемые в качестве диодов, применяют по четырем различным схемам включения. Схемы включения транзисторов, в которых используется коллекторный переход, показаны на рис.2.43, а, б; эмиттерный переход - на рис.2.44, в, г.

Параметры диодов в полупроводниковых ИМС зависят от свойств используемого р-п - перехода. Допустимое обратное напряжение определяется напряжением пробоя. Для схем с использованием эмиттерного перехода оно невелико и составляет 5-7 В, а при использовании коллекторного перехода оно в зависимости от концентрации примеси в коллекторе составляет 20-50 В.
Резисторы. Из пассивных элементов микросхем наибольшее распространение получили резисторы. Параметры резисторов в полупроводниковых ИМС - номинальное сопротивление, допуск на отклонение от номинала, мощность рассеяния и температурный коэффициент сопротивления - зависят от материала, формы и способа формирования резистора.
Полупроводниковые резисторы - это резисторы, изготовленные в полупроводниковом материале методами полупроводниковой технологии, которыми формируются транзисторы, диоды и все остальные элементы полупроводниковой ИМС. Их делят на объемные и диффузионные.
Объемные резисторы получают созданием омических, т. е. невыпрямляющих контактов металл - полупроводник. Они не имеют широкого распространения из-за температурной нестабильности и большой занимаемой площади.
Диффузионные резисторы получают одновременно с формированием других элементов при изготовлении транзисторной структуры п-р-п методами планарной технологии с локальной диффузией примесей в разные слои в островках подложки.
Обычно используют базовый или эмиттерный диффузионный слой транзисторной структуры. Толщина такого резистора -порядка 3 мкм, что гораздо меньше его длины и ширины. На рис.2.45 представлены структуры диффузионных резисторов на основе базового и эмиттерного слоев планарно-эпитаксиального биполярного транзистора. Наиболее распространены резисторы, сформированные на основе базового слоя (рис.2.45, а). В островке эпитаксиального слоя, предназначенном для формирования резистора, эмиттерный слой не создается. Базовый слой используется как резистор; на поверхности кристалла он защищен изоляционным слоем двуокиси кремния, а на концах полоски базового слоя путем металлизации алюминием делают выводные контакты 1 и 2.

Поскольку базовый слой имеет значительно меньшую концентрацию основных носителей заряда, чем эмиттерный, то на его основе формируют высокоомные резисторы. Изоляция резисторов от других элементов микросхемы осуществляется минимум двумя встречно-включенными р-п - переходами, т. е. системой, закрытой при любой полярности приложенного напряжения.
Величина сопротивления диффузионного резистора определяется удельным сопротивлением диффузионного слоя и размерами сформированного резистора: сопротивление тем больше, чем больше удельное сопротивление и длина резистора и меньше ширина и толщина слоя.
В зависимости от требуемой величины сопротивления резистор формируют в виде прямоугольной полоски или - для увеличения длины - в виде змейки.
Для получения низкоомных резисторов используют эмиттерный слой п+-типа (рис.2.45,б), сопротивление которого значительно меньше, чем базового, из-за высокой концентрации основных носителей заряда. Диффузионные резисторы имеют сопротивление от 500м до 300 кОм с разбросом ± (10…20)%, максимальная мощность рассеяния - до 0,1 Вт.
В полупроводниках ИМС, выполненных на основе МДП-транзисторов, резисторы также формируются на основе МДП-структуры. В этих микросхемах в качестве резистора используют МДП-транзистор (в частности, МОП-транзистор). Его сопротивлением является сопротивление канала транзистора между истоком и стоком, зависящее от режима работы, заданного напряжением на затворе.
Конденсаторы. Пассивный элемент ИМС, реализующий функцию конденсатора, не нашел широкого применения в современной микроэлектронике в связи с трудностями получения больших удельных емкостей, значительно большей занимаемой площадью по сравнению с другими элементами - транзисторами, диодами, резисторами, зависимостью емкости от напряжения и другими недостатками. По структуре полупроводниковые конденсаторы могут быть двух типов: диффузионные и МДП - конденсаторы.
Диффузионные конденсаторы основаны на использовании барьерной емкости обратно смешенного р-n перехода. В них может быть использован один из р-п переходов структуры биполярного транзистора: изолирующий переход между подложкой р-типа и коллектором п-типа, коллекторный или эмиттерный переход (рис.2.46).

Конденсаторы создают одновременно с другими элементами в изолированных от них островках. При их применении необходимо соблюдать полярность подключения обратного напряжения к используемому р-п - переходу. Удельная емкость конденсатора, построенного на эмиттерном переходе, в несколько раз превышает удельную емкость конденсатора на коллекторном переходе, но пробивное напряжение его составляет единицы вольт, тогда как для конденсатора на коллекторном переходе - десятки вольт.
К недостаткам конденсаторов, создаваемых на основе р-п - переходов, следует отнести: небольшую величину удельной емкости; сравнительно большую площадь обкладок, значительно превышающую площадь транзистора; зависимость емкости от напряжения и наличие паразитных емкостей из-за изолирующих р - п - переходов, а также необходимость соблюдения полярности при включении. Эти недостатки ограничивают применение конденсаторов в ИМС.
МДП-конденсаторы имеют структуру металл - окисел - полупроводник. В качестве нижней обкладки в них используют полупроводниковый слой п-типа; диэлектриком служит слой двуокиси кремния SiO2 толщиной до 0,1 мкм, а верхней обкладкой - пленка алюминия. Их удельная емкость - порядка 650 пф/мм2, пробивное напряжение 50 В, допуск на емкость ±10%. МДП - конденсаторы не требуют соблюдения определенной полярности напряжения, кроме того, их емкость не зависит от приложенного напряжения.
Индуктивные элементы по полупроводниковой технологии очень трудно создать, поэтому в полупроводниковых ИМС они не используются.

Элементы и компоненты гибридных интегральных микросхем

Гибридная интегральная микросхема состоит из подложки, нанесенных на нее пассивных пленочных элементов и навесных дискретных активных элементов в виде бескорпусных диодов и транзисторов или кристалла полупроводниковой ИМС. Иногда применяют также навесные миниатюрные пассивные элементы, которые нельзя выполнить по пленочной технологии. Например, конденсаторы сравнительно большой емкости, дроссели. Готовая ИМС помещается в корпус для герметизации.
Для изготовления подложек используют некоторые сорта стекла и керамики. Подложка должна иметь высокую чистоту поверхности.
Пленочные резисторы. Для получения пленочных резисторов тонкие резистивные пленки наносят на подложку в виде узких полосок прямоугольной или П-образной формы, многократно повторяющейся для увеличения номинального сопротивления (рис.2.47, а).
Эти полоски заканчиваются контактными площадками, имеющими высокую проводимость. Материалами для изготовления тонкопленочных резисторов могут быть металлы, сплавы, полупроводники и смеси металлов с керамикой, называемые керметами.
Например, для изготовления резисторов используют хром, тантал, нихром, нитрид тантала и др. Контактные площадки напыляют из золота, меди, тантала, алюминия с подслоем нихрома, меди с подслоем нихрома.

Тонкие пленки получают методом термического или катодного напыления в вакууме, а также методом электролитического осаждения металлов из электролитов под действием электрического тока и другими способами Номинальные значения сопротивлений тонкопленочных резисторов лежат в пределах от 100 Ом до 50 кОм, а мощность рассеяния не превышает 0,2 Вт. Чем больше длина пленки и меньше ее ширина, тем больше сопротивление резистора при той же толщине пленки. На этом основано получение различных по номиналу сопротивлений
Пленочные конденсаторы. В гибридных ИМС пленочные конденсаторы изготовляют обычно вакуумным напылением трех слоев двух проводящих обкладок и разделяющей их пленки диэлектрика (рис.2.47, б). Емкость пленочного конденсатора прямо пропорциональна площади обкладки и обратно пропорциональна толщине диэлектрической пленки. При этом емкость тем больше, чем больше значение диэлектрической проницаемости пленки между обкладками. Наилучшим диэлектриком для пленочных конденсаторов является моноокись кремния SiO. Могут быть использованы также двуокись кремния Si02, окись алюминия Al2O3, окись тантала Ta2Q.
Для получения обкладок напыляют пленки алюминия. Номинальные значения емкостей пленочных конденсаторов получаются от 10 до 10000 пФ при рабочем напряжении, не превышающем 15 В. Конденсаторы большой емкости нельзя получить методом пленочной технологии, при необходимости их применяют в виде дискретных компонентов.
Пленочные индуктивные элементы. В гибридных ИМС индуктивности могут быть получены в виде пленочных элементов. Их изготовляют осаждением на диэлектрическую подложку спирали из проводящего материала; спираль может иметь круглую или прямоугольную форму (рис.2.47, в). Проводящий спиральный слой осаждается методом вакуумного испарения через специальную маску (трафарет). Поскольку размеры изготовленной пленочной индуктивной катушки должны быть очень малы в соответствии с требованиями, предъявляемыми к элементам ИМС, индуктивность получается не более 5 мкГн. При необходимости применения элементов с большей индуктивностью используют кольцевые микроминиатюрные катушки с магнитным сердечником из порошкового железа или ферритов.
Навесные компоненты гибридных ИМС. В качестве навесных дискретных компонентов гибридных ИМС используют полупроводниковые микроминиатюрные приборы - диоды и транзисторы. Они могут быть заключены в миниатюрный корпус, но чаще используются бескорпусные приборы, имеющие значительно меньшие размеры и массу. В бескорпусных приборах кристалл полупроводника герметически защищается от воздействия внешней среды специальными покрытиями: лаком, эмалью, смолой, компаундом и др. Бескорпусные дискретные полупроводниковые приборы изготовляют отдельно от микросхемы. Для защиты от механических повреждений при испытаниях и транспортировке их помещают в специальный пластмассовый корпус, а перед монтажом в микросхему корпус снимают.
Чаще всего в качестве активных навесных компонентов используют биполярные транзисторы п-р-п типа КТ307, КТ319, КТ324 и другие, а также полевые МДП-транзисторы, например КП201. В качестве навесных компонентов применяют также бескорпусные полупроводниковые микросхемы.
Кроме активных компонентов иногда применяют и пассивные навесные компоненты. В частности, конденсаторы с емкостью более 2000 пФ.
Дискретные активные компоненты гибридных ИМС позволяют создавать аппаратуру более мощную, чем аппаратура на полупроводниковых ИМС, а также применять транзисторы разных типов - биполярные и полевые - в одной микросхеме и получать оптимальные электрические параметры.
Монтаж навесных компонентов на подложке с нанесенными тонкопленочными пассивными элементами, а также соединение пленочных элементов между собой и с внешними выводами микросхемы осуществляется с помощью пленочных проводников и контактных площадок.
Хорошими токопроводящими материалами являются золото, медь, алюминий, никель, а для улучшения их сцепления с подложкой или межслойной изоляцией элементов сначала напыляют подслой хрома или нихрома, а на него - токопроводящие полоски и контактные площадки.
Внешние выводы навесных компонентов соединяют с контактными площадками пассивной микросхемы различными методами пайки или сварки, используя ультразвук, импульсный косвенный нагрев, микропаяльник, луч лазера.
Межслойная изоляция проводников друг от друга в местах их пересечения осуществляется тонкой пленкой диэлектрика, чаще всего моноокиси кремния.