Э. А. МАТСОН
КОНСТРУКЦИИ
И ТЕХНОЛОГИЯ
МИКРОСХЕМ
Допущено Министерством высшего и среднего
специального образования БССР
в качестве учебного пособия для студентов
радиотехнических специальностей вузов
Минск
«Вышэйшая школа»
1985

ББК 32.844.1я73
М 33
УДК 621.382.049.77.002(075.8)
Рецензенты: кафедра микроэлектроники Московского института
электронной техники и В. А. Горохов, заведующий кафедрой микроэлектроники и
конструирования радиоаппаратуры Московского электротехнического института
связи, доктор технических наук, профессор
Матсон Э. А.
М 33 Конструкции и технология микросхем: [Учеб. пособие для
радиотехн. спец. вузов].— Мн.: Выш. шк., 1985.— 207 с, ил.
В пер.: 65 к.
Излагаются основные вопросы конструирования и расчета полупроводниковых
и гибридных интегральных микросхем, описываются технологические процессы их
изготовления. Значительное внимание уделено методам расчета элементов, разработке
конструкций, расчету тепловых режимов и надежности, оценке технико-экономических
показателей. Дан краткий «анализ перспективных возможностей повышения степени
интеграции микросхем.
Для студентов специальностей «Конструирование и производство
радиоаппаратуры» и «Конструирование и производство электронно-вычислительной аппаратуры»,
а также может быть использовано студентами других специальностей при изучении
соответствующих вопросов микроэлектроники.
2403000000—138
М 39—86 ББК 32.844.1 я73
М304(05)—85
Издательство «Вышэйшая школа», 1985.

ПРЕДИСЛОВИЕ
Выработанный Коммунистической партией Советского Союза
курс на интенсификацию общественного производства, принятые
меры по ускорению научно-технического прогресса в народном
хозяйстве нашей страны требуют создания новейших систем
обработки и передачи информации, автоматизированных предприятий
на основе применения робототехнических комплексов и
вычислительной техники. Значительно увеличивается выпуск бытовой
техники на основе радиоэлектронной и электронно-вычислительной
аппаратуры (РЭА и ЭВА). Развитие РЭА и ЭВА в свою очередь
зависит от совершенствования их элементной базы, современную
основу которой составляют микроэлектронные изделия —
интегральные микросхемы (ИМС).
Микроэлектроника является одной из наиболее быстро
развивающихся областей электроники. Она охватывает проблемы
исследования, конструирования, изготовления и применения
микроэлектронных изделий, т.е. устройств с высокой степенью
миниатюризации.
В последние годы в радиоэлектронике интенсивно происходит
процесс «вертикальной интеграции» производства, под которым
понимается объединение в пределах одного предприятия
изготовления как элементов, в частности интегральных микросхем, так и
полностью законченных устройств РЭА и ЭВА. Предприятиями-
изготовителями РЭА и ЭВА давно и успешно освоено производство
микросхем частного применения на основе гибридно-пленочной
технологии. Эти предприятия наладили также собственное
производство полупроводниковых ИМС, которые и ранее широко
использовались, но изготавливались в основном специализированными
предприятиями. В связи с этим в настоящем пособии наряду с
освещением вопросов конструирования и технологии гибридных
микросхем и микросборок (МСБ) значительное место уделено
полупроводниковым ИМС, в том числе микропроцессорным большим
интегральным схемам (БИС), а также матричным БИС на основе
базовых кристаллов.
Содержание пособия и последовательность изложения
материала позволяют использовать его как для лучшего усвоения
лекционного курса, так и при курсовом, а также дипломном
проектировании. Этому способствует сжатый характер изложения, наличие
примеров расчета и конструктивного исполнения, оформления
3

конструкторской документации, а также таблиц и графиков с
фактическими данными.
В основу книги положены курсы лекций, читавшиеся автором в
течение ряда лет в Минском радиотехническом институте
студентам, обучающимся по специальностям «Конструирование и
производство радиоаппаратуры» и «Конструирование и производство
электронно-вычислительной аппаратуры». § 2.9 и п. 5.5.5 написаны
совместно с кандидатом технических наук Д. М. Зозулевичем.
Автор благодарит рецензентов: кафедру микроэлектроники
Московского института электронной техники (зав. кафедрой
доктор технических наук профессор Л. А. Коледов) и зав. кафедрой
микроэлектроники и конструирования радиоаппаратуры
Московского электротехнического института связи доктора технических
наук профессора В. А. Горохова за тщательное рецензирование
рукописи и ценные замечания и советы по ее улучшению.
Автор признателен доценту кафедры конструирования и
производства радиоаппаратуры Минского радиотехнического института
С. М. Боровикову за ряд замечаний, направленных на улучшение
рукописи, а также сотрудникам этой же кафедры Я. И. Ворониной
и М. Е. Новицкой за помощь при ее оформлении.
Все замечания и пожелания просим направлять по адресу:
220048, Минск, проспект Машерова, 11, издательство «Вышэйшая
школа».
Автор

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ
АИМ — аналоговая интегральная микросхема
АРМ — автоматизированное рабочее место
АЦ — алфавитно-цифровой
АЦП — аналого-цифровой преобразователь
БГИС — большая гибридная интегральная схема
БИС — большая интегральная схема
ВАХ — вольт-амперная характеристика
ГИС — гибридная интегральная схема
ДТЛ — диодно-траизисторная логика
ЕСКД — Единая система конструкторской документации
ЗУ — запоминающее устройство
ЗУПВ — запоминающее устройство с произвольной выборкой
И2Л — интегральная инжекционная логика
ИМС — интегральная микросхема
КД — конструкторская документация
КМДП — комплементарные МДП-транзисторы (микросхемы)
КНС — кремний-на-сапфире
МДМ — металл—диэлектрик—металл
МДП — металл—диэлектрик—полупроводник
МИС — малая интегральная схема (микросхема малого уровня интеграции)
МНОП — металл—нитрид—окисел—полупроводник
МП — микропроцессор
МПК — микропроцессорный комплект
МПЛ — микрополосковая линия
МСБ — микросборка
МЭТ — многоэмиттерный транзистор
ОЗУ — оперативное запоминающее устройство
ОПЗ — область пространственного заряда
ОУ — операционный усилитель
ПЗС — прибор с зарядовой связью
ПЗУ — постоянное запоминающее устройство
ПЛМ — программируемая логическая матрица
ППЗУ — перепрограммируемое ПЗУ
РПЗУ — репрограммируемое ПЗУ
РТЛ — резисторно-транзисторная логика
РЭА — радиоэлектронная аппаратура
СБГИС — сверхбольшая гибридная интегральная схема
СБИС — сверхбольшая интегральная схема
5

СИС — средняя интегральная схема (микросхема среднего уровня
интеграции)
СППЗУ — стираемое программируемое ПЗУ
ССИС — сверхскоростная интегральная схема
ТКЕ — температурный коэффициент емкости
ТКЛР — температурный коэффициент линейного расширения
ТКС — температурный коэффициент сопротивления
ТПВ — транзистор с полевым взаимодействием
ТТЛ — транзисторно-транзисторная логика
ТТЛШ — транзисторно-транзисторная логика Шотки (с диодами Шотки)
ФМЭ — функциональная микроэлектроника
ЦАП — цифро-аналоговый преобразователь
ЦМД — цилиндрический магнитный домен
ЭВА — электронно-вычислительная аппаратура
ЭВМ — электронно-вычислительная машина
ЭЛТ — электронно-лучевая трубка
ЭРПЗУ — электрически репрограммируемое ПЗУ
ЭСЛ — эмиттерно-связанная логика

ВВЕДЕНИЕ
В соответствии с планами экономического и социального
развития СССР одной из важнейших проблем, на решении которых
сосредоточены усилия естественных и технических наук, является
совершенствование РЭА и ЭВА. Повышение технического уровня
радиоаппаратуры, приборов и средств автоматизации, электронно-
вычислительной аппаратуры осуществляется на основе новейших
достижений микроэлектроники, оптоэлектроники и лазерной
техники.
В решении перечисленных задач, объединяемых целевыми
комплексными, отраслевыми и региональными программами,
большую роль играют специалисты в области конструирования и
производства электронно-вычислительной и радиоаппаратуры.
Подготовленный вузом специалист в результате изучения
соответствующих дисциплин наряду с другими вопросами должен знать
принципы функционирования устройств интегральной и
функциональной микроэлектроники, конструкции и технологию
интегральных микросхем, микропроцессоров, микросборок, современное
состояние, тенденции и перспективы их развития. Он должен уметь на
основе функциональных и электрических схем разрабатывать
конструктивные модули различного уровня с использованием
современном элементной базы: микросборок и микропроцессоров, больших
и сверхбольших интегральных микросхем (БИС и СБИС).
Специалист также должен уметь проводить исследования в области
конструирования и технологии радиоаппаратуры с
использованием новых физических процессов и явлений, достижений
микроэлектроники и микропроцессорной техники.
Знания и практические навыки в решении указанных задач
будущий специалист получает в процессе изучения курса
«Конструкции и технология микросхем». Предметом изучения в данном
курсе являются конструкции и технология микросхем, включая
микропроцессоры и микросборки, современные методы их анализа,
расчета и обеспечения качества. Цель курса — изучение
конструкций современных интегральных микросхем, их основных
параметров и характеристик, основ разработки оптимальных конструкций
ИМС с различной степенью интеграции, а также основных
вопросов рационального применения ИМС различных типов для
повышения эффективности и качества современной РЭА и ЭВА. Изучение
курса базируется на полученных в процессе предыдущих этапов
обучения знаниях физических основ конструирования, технологии
и микроэлектроники, а также электроэлементов, основ теории
7

цепей, электронной и полупроводниковой техники, теоретических
основ конструирования, технологии и надежности РЭА и ЭВА и
автоматизации конструирования.
Развитие микроэлектроники как области электроники,
охватывающей проблемы исследования, конструирования, изготовления и
применения электронных устройств с высокой степенью
миниатюризации, в значительной мере связано с появлением и развитием
полупроводниковых приборов (элементов).
Практическое использование свойств полупроводниковых
кристаллов в радиоэлектронной аппаратуре началось вскоре после
изобретения в 1895 г. радио А. С. Поповым. Так, в 1906—1907 гг.
появились первые кристаллические точечно-контактные
выпрямительные элементы. В 20-х годах широкое распространение
получили детекторные радиоприемники, в которых применялись
точечные диоды на основе полупроводниковых кристаллов
сернистого свинца или сульфида меди. В 1922 г. сотрудник Нижегородской
радиотехнической лаборатории О. В. Лосев на основе открытого им
явления отрицательного дифференциального сопротивления у
некоторых кристаллических детекторов построил
сверхрегенеративный усилитель радиосигналов, работавший при сравнительно низких
напряжениях (4—8 В).
Появление в 1904—1907 гг. электровакуумных ламп,
оказавшихся более простыми и надежными в изготовлении и применении,
чем кристаллические детекторы, снизило на время интерес к
полупроводниковой технике. Однако работы в области физики
полупроводниковых приборов продолжались. В нашей стране
исключительно большой вклад в развитие полупроводниковых приборов был
сделан учеными, работавшими под руководством академика
А. Ф. Иоффе.
В первой половине 40-х годов в СВЧ радиолокации начали
применяться полупроводниковые германиевые и кремниевые точечно-
контактные диоды. Изобретение в 1948 г. Дж. Бардином и У.
Браттейном точечно-контактного транзистора дало новый толчок
развитию полупроводниковой электроники и в связи с этим —
миниатюризации электронных устройств. В середине 50-х годов
получили развитие так называемые микромодули — компактные
миниатюрные устройства, объединяющие в герметичном корпусе до
нескольких десятков соединенных между собой элементов —
полупроводниковых диодов и транзисторов, резисторов,
конденсаторов и др.
Первые толстопленочные ИМС, изготовленные методом
трафаретной печати, появились в 1951 г., а тонкопленочные с
напыленными в вакууме нихромовыми резисторами и конденсаторами на
основе окиси кремния — в 1958 г. В 1960—1961 гг. было начато
производство первых полупроводниковых ИМС на основе кремния.
В течение последующих лет, вплоть до настоящего времени,
происходит непрерывное совершенствование их конструкций и
технологии. Современные кремниевые ИМС являются наиболее массовыми
микроэлектронными изделиями.
8

Большие потенциальные возможности полупроводникового
соединения — арсенида галлия — в 70-х годах стимулировали
совершенствование конструкций элементов на основе этого
материала и их технологии, что привело к появлению в 80-х годах
першах серийно выпускаемых арсенид-галлиевых интегральных
микросхем.
В современных ИМС используются электронные, оптические,
магнитные и акустические явления в твердом теле. Кроме того,
микроэлектронная технология позволила создать так называемые
вакуумные ИМС, элементами в которых являются
микроминиатюрные вакуумные диоды и триоды. Основным достоинством ИМС
является их весьма высокая надежность. Другими положительными
качествами, имеющими также очень важное значение, являются
малые масса и размеры микросхем, малое энергопотребление.
В соответствии с принятой терминологией интегральной
микросхемой называется микроэлектронное изделие, выполняющее
определенную функцию преобразования и обработки сигнала и
имеющее высокую плотность упаковки электрически соединенных
элементов (или элементов и компонентов) и (или) кристаллов,
которое с точки зрения требований к испытаниям, приемке,
поставке и эксплуатации рассматривается как единое целое.
Приведенное определение подразумевает, что интегральная микросхема
состоит из электрорадиоэлементов, к которым относятся
транзисторы, диоды, резисторы, конденсаторы и другие устройства. Часть
интегральной микросхемы, которая реализует функцию какого-либо
электрорадиоэлемента, выполнена нераздельно от кристалла или
подложки и не может быть выделена как самостоятельное изделие,
называется элементом. Та часть микросхемы, которая может быть
выделена как самостоятельное изделие с точки зрения требований
к испытаниям, приемке, поставке и эксплуатации, называется
компонентом. В то же время следует иметь в виду, что в последние
годы интенсивно развивается новое направление —'
функциональная микроэлектроника, некоторые устройства которой не могут
быть разделены на электрорадиоэлементы. Поэтому
функциональную микроэлектронику иногда называют несхемотехнической.
По конструктивно-технологическому исполнению интегральные
микросхемы подразделяются на три большие группы:
полупроводниковые, гибридные и прочие (рис. В. 1). В группу прочих входят
пленочные, вакуумные, керамические и другие микросхемы.
Полупроводниковой называется микросхема, все элементы и
межэлементные соединения которой выполнены в объеме и на
поверхности полупроводника. Если все элементы и межэлементные
соединения микросхемы выполнены в виде пленок, то она
называется пленочной. Гибридная микросхема содержит, кроме пленочных
элементов, также компоненты. В зависимости от толщины пленок и
способа их получения пленочные и гибридные микросхемы
подразделяются па тонко- и толстопленочные.
Тонкопленочная ИМС — интегральная микросхема с толщиной
9

пленок до 1 мкм, элементы которой изготовляются
преимущественно методами вакуумного распыления и осаждения.
Толстопленочная ИМС — интегральная микросхема с толщиной
пленок 10—70 мкм, элементы которой изготовляются методами
трафаретной печати (сеткография).
Применяются также совмещенные микросхемы. Основу
совмещенной микросхемы представляет полупроводниковый кристалл со
сформированными в нем транзисторами и диодами, а пассивные
элементы полностью или частично выполнены в виде напыленных
на поверхность кристалла тонких плёнок.
Интегральные микросхемы подразделяют на цифровые и
аналоговые. Если микросхема предназначена для преобразования и
Интегральные микросхемы
Полупроводниковые Гибридные Прочие
Совмещенные Пленочные Вакуумные Керамические
Рис. В.1. Классификация интегральных микросхем по
конструктивно-технологическим признакам.
обработки сигналов, изменяющихся по закону дискретной функции,
то она называется цифровой. К аналоговым относятся микросхемы,
предназначенные для преобразования и обработки сигналов,
изменяющихся по закону непрерывной функции, в частности линейные
микросхемы.
Чрезвычайно важными характеристиками микросхем являются
степень интеграции и плотность упаковки.
Степень интеграции представляет показатель сложности
микросхемы и характеризуется числом содержащихся в ней элементов и
компонентов. Если обозначить число элементов и компонентов
через N, то степень интеграции К можно определить по формуле К=
= lqN, где К округляется до ближайшего большего целого числа.
Так, микросхема, содержащая до 10 (включительно) элементов
и компонентов, обладает первой степенью интеграции; содержащая
свыше 10 до 100 элементов и компонентов — второй степенью
интеграции и т. д.
Кроме того, в зависимости от количества элементов и (или)
компонентов конструктивно-технологического исполнения (металл—
диэлектрик — полупроводник (МДП) или биполярные), а также
функционального назначения (цифровые или аналоговые)
различают микросхемы малого (МИС), среднего (СИС), большого
(БИС) и сверхбольшого (СБИС) уровня интеграции (табл. В. 1).
В последние годы появились сверхскоростные интегральные
микросхемы (ССИС). Критериями быстродействия таких
микросхем являются: время задержки распространения сигнала для
циф10

Табл. В.1. Классификация микросхем по уровням интеграции
Количество элементов и (или) компонентов, шт.
Уровень Цифровые ИМС
интеграции Аналоговые ИМС
МДП Биполярные
МИС до 100 до 100 до 30
СИС свыше 100 до 1000 свыше 100 до 500 свыше 30 до 100
БИС свыше 1000 до 10 000 свыше 500 до 2000 свыше 100 до 300
СБИС свыше 10 000 свыше 2000 свыше 300
ровых ИМС не более 2,5 не/вентиль, нижняя граница диапазона
рабочих частот для аналоговых ИМС свыше 300 МГц.
Плотностью упаковки называется отношение числа элементов и
компонентов микросхемы к ее объему. Микросхемы,
предназначенные для использования в конкретной аппаратуре и изготовляемые
непосредственно на предприятии, производящем данную
аппаратуру, называются микросхемами частного применения.
В ряде случаев разработчики конкретной радиоэлектронной
аппаратуры для улучшения показателей ее миниатюризации
изготавливают так называемые микросборки (МСБ), в состав которых
входят элементы, компоненты и (или) интегральные микросхемы
(в корпусах или без них), а также другие электрорадиоэлементы в
различных сочетаниях. Устройство, состоящее из микросборок,
интегральных микросхем и компонентов, представляет собой
микроблок.
Наибольшими степенью интеграции и плотностью упаковки
обладают полупроводниковые интегральные микросхемы, затем
в порядке уменьшения этих показателей следуют тонкопленочные
и толстопленочные (в том числе гибридные) микросхемы и
микросборки.
С точки зрения унификации процессов производства
целесообразно применять в определенной аппаратуре микросхемы единого
конструктивно-технологического исполнения (полупроводниковые
или гибридные).
Совокупность типов интегральных микросхем, выполняющих
различные функции, имеющих единое
конструктивно-технологическое исполнение и предназначенных для совместного использования
в РЭА и ЭВА, образует серию микросхем.
Наиболее современным результатом поступательного развития и
взаимного обогащения микроэлектроники и вычислительной
техники является разработка и широкое применение
микропроцессорных БИС и СБИС. Микропроцессор (МП) представляет собой
программно-управляемое устройство, осуществляющее обработку
цифровой (иногда аналоговой) информации и построенное на
основе одной или нескольких БИС или СБИС. С появлением
микропроцессоров в производстве РЭА и ЭВА усилился процесс
«вертикальной интеграции», когда законченное электронное устройство
изготавливается в виде одной или нескольких БИС или СБИС,
11

причем и БИС (СБИС), и устройство в целом разрабатываются и
производятся на одном предприятии.
Другим наиболее современным направлением развития
интегральных микросхем является производство и применение
матричных БИС (СБИС) на основе базовых кристаллов, т.е. кристаллов
с большим количеством регулярно расположенных элементов,
соединяемых между собой различным образом в зависимости от
функционального назначения изготавливаемой БИС (СБИС).
Решение задач комплексной миниатюризации РЭА и ЭВА,
усложнение конструкций электронных устройств и углубление
специализации выполняемых ими функций ведут к необходимости
более тесного взаимодействия специалистов в областях схемотехники,
системотехники, конструирования и технологии. Другими
словами, становится еще более необходимой интеграция знаний и
профессий специалистов.

1. ОСНОВЫ РАСЧЕТА ЭЛЕМЕНТОВ
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ИМС И МИКРОПРОЦЕССОРОВ
1.1. Характеристики основных материалов
полупроводниковых ИМС
Основу полупроводниковой ИМС составляет
полупроводниковый кристалл со сформированными в нем или на его поверхности и
соединенными между собой нужным образом элементами. Под
кристаллом понимается, таким образом, сложная структура,
состоящая из полупроводникового монокристалла (иногда из
монокристалла диэлектрика), полупроводниковых моно- и
поликристаллических пленок, диэлектрических пленок (окисных, нитридных и
пр.), пленок металлов, сплавов или сложных химических
соединений и т. д.
Б настоящее время основным материалом для изготовления
полупроводниковых ИМС является кремний. Кремниевые ИМС
работоспособны в широком интервале температур, допускают
большие кратковременные перегрузки. Кремний технологичен,
поскольку обеспечивает широкий диапазон удельных сопротивлений
материала путем легирования различными примесями, а пленка
двуокиси кремния обладает исключительно ценным свойством
препятствовать диффузии сквозь нее легирующих примесей при высоких
температурах и играть таким образом роль защитной маски.
Другим наиболее важным полупроводниковым материалом, на
основе которого в последние годы успешно разрабатываются и
внедряются в практику интегральные микросхемы, является
арсенид галлия. Данный полупроводниковый материал способен
обеспечивать работу ИМС при более высоких температурах, чем
кремний, благодаря высокой подвижности электронов позволяет
изготавливать ИМС с высоким быстродействием, аналоговые
микросхемы на основе арсенида галлия обладают малыми-
собственными шумами. Одним из препятствий для более широкого
внедрения арсенида галлия в производство ИМС является низкая
подвижность дырок, что не позволяет создавать эффективные
биполярные транзисторы и полевые транзисторы с p-каналами. Кроме
того, не решен ряд технологических вопросов, например создание
стабильных диэлектрических защитных пленок.
Некоторые свойства монокристаллических кремния и арсенида
галлия приведены в табл. 1.1.
Важнейшей характеристикой полупроводникового материала
является удельное сопротивление. Для полупроводника, в котором
электрический ток образуется электронами и дырками, удельное
сопротивление р связано с концентрацией электронов п и дырок р,
13

Табл. 1.1 Основные параметры кремния, арсенида галлия и двуокиси кремния
Параметр Si GaAs Si02
Ширина запрещенной зоны, эВ AEg 1,12 1,43 ~8
Энергия электронного сродства, эВ % 4,01 4,07 0,9
Концентрация носителей заряда в
собственном полупроводнике, см-3 1,5-1010 9,2-10 —
Удельное сопротивление
собственного полупроводника, Ом-см 2,3 105 >108 —
Диэлектрическая проницаемость 11,7 10,9 3,9
Электрическая прочность, В/см Е ~3-105 ~3,5-105 ~6- 106
Температурный коэффициент
линейного расширения, 1/град ат 2,5 10-6 5,8 10-6 5 10-7
Коэффициент теплопроводности,
Вт/см град 1,5 0,8 0,01
Плотность, г/см d 2,33 5,32 2,27'
а также соответственно с их подвижностями 1п и цр следующим
соотношением:

где q — заряд электрона.

полупроводниковых структурах. Свойство не пропускать атомы
примесей при высоких температурах позволяет использовать
пленки двуокиси кремния в качестве контактных масок при проведении
высокотемпературных технологических процессов, например при
диффузии примесей. Некоторые свойства двуокиси кремния
приведены в табл. 1.1.
В последние годы все более широкое применение при
изготовлении ИМС находит поликристаллический кремний. Он
используется, как правило, в виде тонких пленок, которые создаются
непосредственно в процессе изготовления микросхемы. Свойства
поликристаллического кремния могут изменяться в широких пределах

Рис. 1.3. Зависимости подвижности электронов (а) и дырок (б) в кремнии от
концентрации атомов примесей и температуры.
в зависимости от технологии получения (от температурного режима,
введения легирующих примесей и т. п.).
Вопрос о выборе материалов при конструировании
полупроводниковых ИМС решается конкретно в зависимости от
многочисленных факторов. Прежде всего принимаются во внимание
электрические и другие параметры, которыми должна обладать микросхема.
Исходя из заданных основных параметров, определяется
элементная база ИМС (например, биполярные или полевые транзисторы
типа МДП и т. п.). Рассматриваются возможные виды
электрической изоляции элементов друг от друга и от подложки (см. ниже),
выбираются основные технологические процессы изготовления
(например, диффузия или ионная имплантация примесей). Таким
образом, исходя из перечисленных, а также других соображений,
выбираются параметры полупроводникового материала или
специально изготовленных полупроводниковых структур, на основе
которых будут изготовляться данные микросхемы. Другими словами,
методика выбора материалов является составной частью
разработки микросхемы в целом.
Некоторые параметры серийно выпускаемых полупроводниковых
16

материалов и структур с легированными и изолирующими слоями
приведены в прил. 2.
1.2. Расчет параметров p—n-переходов и контактов
металл — полупроводник
Под электрическим переходом понимается переходный слой в
полупроводниковом материале между двумя областями с
различными типами проводимости или различными значениями удельного
сопротивления. Поскольку в данном переходном слое
сосредоточены заряды ионизированных атомов донорных и акцепторных
примесей и отсутствуют свободные носители заряда, то его
называют также областью пространственного заряда (ОПЗ) или просто
обедненной областью. Под р — n-переходом понимается
электрический переход между областями полупроводника с р- и
n-проводимостями. Если одна из областей электрического перехода
образована металлом, то такая структура называется контактом типа
металл — полупроводник.
Если концентрация примесей в р—n-переходе изменяется
скачком, то такой переход называют резким. Например, если в p—n-пе-
реходе Na>Na, то говорят о р+—n-переходе. Если концентрация
примесей изменяется монотонно, с определенным градиентом, то
такой переход называют плавным.
Важнейшим параметром р — n-перехода является контактная
разность потенциалов. Ее значение рассчитывается по формуле

Ширина области пространственного заряда p—n-перехода
определяет границы собственно p—n-перехода. Ее называют
также просто шириной р — n-перехода.
Для резких p—n-переходов со ступенчатым изменением
концентрации примесей ширина ОПЗ определяется по формуле

«плюс», если оно приложено в прямом направлении, и со знаком
«минус», если переход смещается в обратном направлении.
Параметр т для р — n-переходов в кремнии принимает
значения т=1—2, а при наличии поверхностных или объемных каналов
т = 2—4 и более.
Диффузионный начальный ток может быть рассчитан в
соответствии с выражением

где Dn, хп и Dv, хР — коэффициенты диффузии и времена жизни
электронов и дырок соответственно; S — площадь р— n-пере-
хода; Ni и Na — концентрации доноров и акцепторов.
Генерационно-рекомбинационный начальный ток определяется
согласно соотношению , где х0 — эффективное вре-
2то
мя жизни носителей заряда в ОПЗ.
Время жизни носителей заряда зависит от параметров
исходного материала, степени легирования и технологических факторов
при изготовлении микросхем. Для кремниевых р — n-переходов
можно принимать ориентировочные значения:
Коэффициент диффузии
При подаче на р — n-переход достаточно большого по величине
обратного напряжения наступает электрический пробой, т. е.
резкое уменьшение Дифференциального сопротивления перехода.
Величина напряжения электрического пробоя р—n-перехода
зависит от природы процесса пробоя.
Лавинный пробой — следствие ударной ионизации, когда
носители заряда под действием сильного электрического поля в p—n-переходе достигают энергии, достаточной для ионизации атомов
и образования, таким образом, новых электронно-дырочных пар.
Сущность туннельного пробоя заключается в том, что под
действием сильного электрического поля электроны из валентной
зоны полупроводника с одной стороны р — n-перехода на основе
туннельного механизма проникают сквозь потенциальный барьер в
зону проводимости по другую сторону р — n-перехода.
Напряжение лавинного пробоя (в вольтах) резкого р —
n-перехода в кремнии или арсениде галлия может быть рассчитано по
формуле

Соотношения (1.7) и (1.8) справедливы для Т= 300 К.
Напряжение пробоя (в вольтах) резких переходов с
определенным радиусом кривизны в кремнии и арсениде галлия может быть
рассчитано по формуле

где n=1 для цилиндрического перехода и п = 2 для сферического
перехода; — отношение радиуса кривизны г;- к ширине
области пространственного заряда d.
Для плавных переходов напряжение пробоя практически не
зависит от радиуса кривизны.
Пробой p—n-переходов транзисторов и других элементов
полупроводниковых ИМС носит, как правило, лавинный характер,
поскольку здесь используются малые степени легирования
полупроводника, которых недостаточно для наступления туннельного
пробоя.
При градиентах выше а^2-1023 см-4 преобладающую роль
играет туннельный эффект.
Полуэмпирическая зависимость для расчета напряжения
туннельного пробоя р —n-перехода в кремнии имеет вид
(1.9)
где рп и рр — удельные сопротивления соответствующих областей
р — n-перехода, Ом-см.
Контакты металл — полупроводник в ИМС применяются в
качестве невыпрямляющих омических контактов, а также для
создания диодов Шотки.
В зависимости от соотношения величин работы выхода
электронов из металла и полупроводника теоретически возможны четыре
электрофизических варианта контакта металл—полупроводник.
В двух случаях на границе полупроводника с металлом образуется
запирающий (обедненный) слой, а в двух других — антизапираю-
щий (обогащенный) слой. Это соответствует образованию диодов
Шотки или невыпрямляющих (омических) контактов. Однако в
реальных условиях образование выпрямляющего или
невыпрямляющего контакта на границе металла с полупроводником зависит
от многих факторов (в основном технологического характера)*,
например от качества обработки поверхности полупроводника.
В техническом смысле омическими принято считать контакты,
при наличии которых вольт-амперные характеристики (ВАХ)
элемента или микросхемы в целом определяются свойствами
устройства, а не параметрами собственно омических контактов.
Омические контакты должны обладать малым сопротивлением по
сравнению с сопротивлением устройства (элемента, микросхемы),
линейной ВАХ, кроме того, контакты не должны инжектировать
носители заряда.
Основным параметром омического контакта является его
контактное сопротивление (сопротивление, умноженное на площадь),
которое должно составлять величину не более рк=1 мкОм-см2.
20

Сопротивление невыпрямляющего контакта между металлом
и тонким полупроводниковым слоем рассчитывается по формуле

где ркв — удельное сопротивление тонкого полупроводникового
слоя, Ом/кв; рк — контактное сопротивление, Ом-см2; / — длина
контакта (в направлении протекания тока);6 — ширина контакта.
Наиболее широко для получения невыпрямляющих контактов к
кремнию применяется алюминий. В последние годы для создания
омических контактов к кремнию стали также использовать
палладий и платину.
Свойство диода Шотки заключается в том, что ток почти
полностью переносится только электронами. Вольт-амперная
характеристика описывается уравнением, подобным тому, которое
описывает ток через р — n-переход:

Начальный ток диода Шотки больше в 107 или более раз, чем
у р — ^-перехода из того же самого материала и такой же
площади. Кроме того, для одинаковой с диодом Шотки плотности тока в
прямом направлении напряжение на р— n-переходе должно быть
больше, чем на диоде Шотки, по крайней мере на 0,4 В. Это делает
диод Шотки особенно перспективным для использования в
качестве низковольтного выпрямителя при больших токах, в частности
для элементов цифровых ИМС, работающих в режиме насыщения.
1.3. Виды изоляции элементов полупроводниковых ИМС
Одной из наиболее существенных характеристик
полупроводниковых ИМС является вид электрической изоляции их элементов
друг от друга. Используются в основном три вида изоляции: с
помощью обратносмещенного p—n-перехода, диэлектрическая и
комбинированная (смешанная). Схематично эти виды изоляции
изображены на рис. 1. 5. Рассмотрим их детально.
На рис. 1. 5, а участки кремния n-типа проводимости,
созданные локальной диффузией примесей в подложку р-типа, отделены
от подложки р — n-переходом. В выделенных участках могут
быть созданы нужные элементы микросхемы: транзисторы,
резисторы и т. п. Для того чтобы p—n-переход играл роль
изолирующей прослойки, на него, очевидно, должно быть подано
напряжение, смещающее его в обратном направлении. Поэтому при работе
схемы на подложку ИМС с подобным видом изоляции элементов
должен подаваться отрицательный потенциал (если подложка
обладает р-типом проводимости). Указанный потенциал по
абсолютной величине должен быть наибольшим отрицательным
потенциалом схемы, что необходимо для сохранения изолирующей
способности р — n-перехода при любых значениях потенциалов,
поданных на элементы ИМС.
На рис. 1.5, б изображены участки монокристаллического
кремния, отделенные от подложки диэлектрической пленкой окисла
SiC2 толщиной 1,5—2 мкм. Подложка состоит из
поликристаллического кремния. При использовании подобного вида изоляции нет
- необходимости включать подложку в электрическую схему.
Комбинированная (смешанная) изоляция элементов ИМС
осуществляется при использовании структур, изображенных на рис.
1.5, 8. Как видно из рисунка, участок кремния, предназначенный
для размещения в нем элемента ИМС, ограничен с боков
диэлектрическими участками окисла Si02 толщиной 3—4 мкм, а снизу —
р —n-переходом, отделяющим элемент от подложки.
Наличие изолирующего р — n-перехода требует включения
подложки в электрическую схему ИМС, т. е. подачи на подложку
соответствующего потенциала.
Толщина кремниевой подложки зависит от ее диаметра и
составляет от 0,25 мм при диаметре 60 мм до 0,4 мм при диаметре
100 мм, что обусловлено необходимостью сохранения
механической прочности. На рис. 1. 5 показано также, что верхняя плоскость
22

пластин кремния покрыта тонкой (доли микрометра) пленкой
защитного окисла, в которой для создания в последующем нужных
элементов ИМС вскрываются окна с помощью процессов
фотолитографии.
Описанные три вида изоляции имеют многочисленные
модификации, основные из которых будут рассмотрены в последующих
главах при изучении конкретных конструкций ИМС и их элементов.
Вид изоляции элементов оказывает существенное влияние на
параметры элементов ИМС, электрические и конструктивные
характеристики микросхем в целом.

Рис. 1.5. Изоляция .элементов в полупроводниковых ИМС с помощью обратно-
смещенного р—n-перехода (а); диэлектрическая (б); комбинированная
(смешанная) (в):
/—изолированная область; 2—подложка; 3— пленка окисла кремния.
Изоляция с помощью р — n-перехода обеспечивает высокую
степень интеграции элементов, сравнительно легко осуществляется
технологически. Однако токи, протекающие через обратноемещен-
ные p—n-переходы, емкости p—n-переходов создают паразитные
связи между элементами по постоянному и переменному токам.
Качество изоляции в значительной мере зависит от рабочей
температуры (при повышении температуры обратные токи p—n-перехо-
дов быстро возрастают). Радиационное облучение пагубно
действует на данный вид изоляции.
Диэлектрическая изоляция обеспечивает более качественную
электрическую развязку элементов и более высокую радиационную
стойкость. Уменьшение паразитных емкостей позволяет повысить
быстродействие элементов. Однако технологическая реализация
диэлектрической изоляции представляет более трудную задачу,
чем изоляция p—n-переходом. Недостатком является также
ухудшение теплоотвода от элементов к подложке (коэффициент
теплопроводности окисла Si02 в 15 раз меньше коэффициента
теплопроводности кремния). Диэлектрическая изоляция со структурой,
показанной на рис. 1.5, б, не обеспечивает высокой степени интег-
23

рации. Однако некоторые модификации, например создание
островков кремния на изолирующей подложке из сапфира (изоляция
типа кремний-на-сапфире —КНС), позволяют достичь очень
высокой степени интеграции.
Комбинированная изоляция обладает достоинствами и
недостатками первых двух рассмотренных видов. При этом она
обеспечивает, как правило, очень высокие степени интеграции элементов ИМС.
1.4. Конденсаторы
В качестве конденсаторов, т. е. пассивных элементов
полупроводниковых ИМС, предназначенных для использования их
емкости, чаще всего находят применение обратносмещенные р —n-пе-
реходы Кроме того, применяются структуры типа
металл—диэлектрик—полупроводник (МДП) (в том числе в биполярных
микросхемах). Реже используются структуры типа
металл--диэлектрик—металл (МДМ).
Емкости р— n-переходов рассчитываются по формуле (1.5).
На рис. 1.6 изображены структуры конденсаторов
полупроводниковых микросхем, а в табл. 1.4 представлены ориентировочные
значения их параметров. ?

Рис. 1.6. Структуры конденсаторов
полупроводниковых микросхем:

Табл. 1А. Параметры конденсаторов полупроводниковых
биполярных микросхем
Удельная емкость и пробивное напряжение
удельное сопротивление I удельное сопротивление
ъиЛИ- Плоскость р -n-перехода эпигаксиальнрго эпитаксиального
рисунка * л-слояр—0,1 Ом-см я-слоя р— 1,2 Ом*см
I I С0, пФ/мм2 I Unpt В I С0» пФ/мм2 I t/np, В
1.6, а Горизонтальная 600 7 350 7
Вертикальная (боковая) 1000 7 1000 7
1.6, б Горизонтальная 350 25 150 70
Вертикальная (боковая) 350 .25 150 70
1.6, в Горизонтальная 100 35 100 100
Вертикальная (боковая) 250 35 100 100
1.6, г. Горизонтальная 600 и 100 7 350 и 100 7
Вертикальная (боковая) 1000 и 250 7 1000 и 100 7
конденсатора при использовании данных табл. 1.4 рассчитывается
в соответствии с соотношением

где Согор, Соворт и Srop, 5верт — удельные емкости и площади
горизонтальных и вертикальных плоскостей р — n-переходов.
Температурный коэффициент емкости (ТКЕ) конденсатора
определяется выражением

считывается по формуле

нием £/цр=10—50 В. ТКЕ составляет величину около ае=1(Н
1/град. Конденсаторы, как правило, не применяются в современных
логических ИМС. В аналоговых микросхемах находят применение
конденсаторы на основе p—n-переходов и иногда — в виде структур
типов МДП или МДМ. В запоминающих устройствах (ЗУ) широко
используются емкости p—n-переходов и МДП-структур.
1.6. Резисторы
В качестве резисторов, т. е. пассивных элементов ИМС,
предназначенных для исцользования их электрического сопротивления,
применяются обычно слои полупроводника, создаваемые с помощью
диффузии примесей одновременно с коллекторными или базовыми
областями транзисторов. Области, создаваемые вместе с
эмиттерами транзисторов, применяются для этой цели реже, так как они
имеют слишком малое удельное сопротивление.
При использовании в технологическом процессе производства
ИМС ионной имплантации примесей резисторы могут создаваться
как одновременно с изготовлением областей транзистора, так и
независимо. Кроме того, возможно применение резисторов,
полученных путем вакуумного напыления на поверхность
полупроводникового кристалла тонких пленок металлов или сплавов (в этом
случае микросхемы называются совмещенными). В последнее
время получили развитие резисторы из поликристаллического
кремния, нанесенного на поверхность кристалла.
Структуры резисторов, получаемых путем диффузии примесей,
показаны на рис. 1.8. Там же схематично показано распределение
концентрации примесей в слоях полупроводниковых структур,
образующих резистор.
Если микросхема должна содержать резисторы с достаточно
высоким сопротивлением (порядка нескольких десятков килоом и
более), то изготовляются так называемые сжатые резисторы (пинч-
резисторы). В варианте пинч-резистора, изображенного на рис.
1.8, г, в качестве резистивного слоя используется базовый, а эмит-
терный слой полностью перекрывает резистивную полоску и в
полупроводниковой структуре непосредственно контактирует с
коллекторным слоем. Соединенные таким образом коллекторный и
эмиттериый слои могут играть роль полевых затворов, если на них
подавать обратное по отношению к резистивному слою смещение.
Аналогичную конструкцию имеет пинч-резистор, в котором резис-
тивным слоем является коллекторная область транзистора (рис.
1.8, а;.
Одним из основных параметров, характеризующих резистор,
является сопротивление квадрата площади резистивного
слоя ркв. Поясним смысл этого параметра, используя известную
формулу для расчета электрического сопротивления R:

Табл. 1.5. Параметры полупроводниковых резисторов
Номинальные Погрешность Удельное сопро-
Тип резистора значения сопро- у ' тивление, ТКС, 1/град
тивления, Ом /в ркв, Ом/кв
Эмиттерный слой 2,5—103 +10 2—6 210"^
Базовый слой 150—20-103 +10 50—250 2-10-3
Коллекторный слой 250—10-10? ±10 200—300 5-10-3
Сжатые резисторы (5—500)103 +20 (2—10)103 5-10-3
Типичные параметры полупроводниковых резисторов,
получаемых с помощью диффузии примесей, приведены в табл. 1.5.
Полупроводниковые резисторы обладают паразитной
распределенной емкостью, что является их недостатком. Паразитная
емкость может быть охарактеризована коэффициентом

где СКв — удельная паразитная распределенная емкость квадрата
резистивной полоски, пФ/кв; ркв — сопротивление квадрата резис-
тивной полоски, кОм/кв; Ь — ширина резистора, мкм.
Значения коэффициента Кв. для некоторых вариантов
резисторов приведены в табл. 1. 6.
К недостаткам полупроводниковых резисторов относятся
также сравнительно высокий ТКС и зависимость номинального
сопротивления от величины приложенного к резистору напряжения,
которое может модулировать площадь поперечного сечения
резистивной полоски вследствие полевого эффекта. Кроме того, в
резисторах, изолированных р — /t-переходом, может проявляться
паразитный транзисторный эффект. Максимально допустимое напряжение
зависит от характеристики слоя, образующего резистор, и
определяется пробивным напряжением р— n-перехода, отделяющего ре-
зистивный слой от остальных областей структуры.
Использование ионной имплантации примесей позволяет
получать тонкие резистивные слои с высоким удельным
сопротивлением ркв, а также ТКС, слабо изменяющимся в достаточно широком
интервале температур. Применяя дополнительную селективную
Табл. 1.6. Коэффициент паразитной емкости резисторов
Коэффициент Kr (пФ/(кОм-мкм8)) при удельном сопротивлении
т. „ „л~„ эпитаксиалыюго коллекторного слоя р
Тип резисторов _ г
р=1 Ом-см р=б Ом-см р=10 Ом-см
Базовый слой Ы0-3 5-Ю-4 4,5-10-*
Сжатые резисторы
на основе:
базового слоя 2,7.10-5 1,6-10-6 1,1-10-5
коллекторного слоя 8-1Q-5 4-1Q-5 2,8'10~5
30

обработку резистивного слоя лучом лазера, можно корректировать
сопротивление резистора за счет изменения профиля
распределения примесей в данной части слоя.
Достоинствами резисторов, изготовленных нанесением на
поверхность кристалла ИМС металлических или
поликристаллических кремниевых пленок, являются независимость их сопротивления
от величины напряжения, поданного на резистор, а также меньшие
паразитные емкости и ТКС по сравнению с диффузионными или
имплантированными резисторами. Металлические и
поликремниевые резисторы также поддаются корректировке путем пропускания
через них электрического тока (плотность тока в импульсе не
менее 10б А/см2) или обработки лучом лазера. Изменение
сопротивления при этом происходит вследствие изменений кристаллической
структуры пленок (размеров зерен, перераспределения примесей и
т. п.).
Расчет диффузионных и имплантированных резисторов
заключается в определении их геометрических размеров с учетом
профиля распределения примесей в полупроводниковых слоях.
Основными условиями, принимаемыми во внимание при расчете, являются
обеспечение необходимой мощности рассеяния резистора и
заданной погрешности поминального сопротивления.
С одной стороны, исходя из условия заданной мощности
рассеяния Р и допустимой удельной мощности Ро, можно выразить
площадь, занимаемую резистивным слоем, как S — P/P0. С другой
стороны, площадь определяется геометрическими размерами S =
= l/b. Поскольку длина резистивной полоски равна l=bk$f то
площадь может быть выражена соотношением S — b2k$. Таким
образом, минимальная ширина резистивной полоски, найденная из
условия рассеиваемой мощности, определяется выражением

Относительное изменение сопротивления из-за процессов
старения yRT целесообразно учитывать только для поликремниевых и
металлических резисторов, поскольку их пленочная
поликристаллическая структура более чувствительна к воздействию
окружающей среды, чем монокристаллические слои диффузионных или
имплантированных резисторов. Данные о величинах yRCT являются
эмпирическими справочными параметрами.
Кроме того, систематическое отклонение от номинального
сопротивления резистора вносится сопротивлениями контактов. Со-

Рис. 1.9. Топологические конфигурации полупроводниковых
резисторов:
а—низкоомный резистор; б—высокоомный резистор.
противление контакта зависит от удельного сопротивления
материала резистивного слоя и условий растекания тока в приконтактной
области: Яконт^ркв&раст, где коэффициент растекания &Раст= 0,14
для резистора с топологией, изображенной на рис. 1.9, а/ и
&раст = 0,65 — на рис. 1. 9, б.
Относительное изменение сопротивления резистора вследствие
наличия двух контактов составит

тывая равенство l=bk$, преобразуем формулу (1. 21) к виду

Из последнего соотношения может быть определена
минимальная ширина резистивной полоски:

1.6. Интегральные полевые транзисторы с р—«-переходом
Рис. 1.12. Структура интегрального
полевого транзистора с затвором на
основе р—я-перехода.
Усилительные, переключающие и другие свойства полевого
транзистора обусловлены потоком основных носителей заряда,
который протекает через проводящий канал и управляется
электрическим полем затвора.
Структура одного из возможных конструктивных вариантов
интегрального полевого транзистора с затвором на основе р — и-
перехода изображена на рис.
1.12. Транзистор имеет затвор
(электрод затвора на рис. 1.12
обозначен «3»), который
состоит из верхней /г+-области
и нижней n-области. Обе
области затвора соединены
между собой в пределах
полупроводниковой структуры
благодаря тому, что верхняя п+-
область несколько выходит за
пределы р-области,
образующей исток, сток и канал (на
рис. 1.12 соответственно И, С,
К), и контактирует таким
образом с нижней «-областью затвора. Если к затвору
прикладывается напряжение, то области пространственного заряда р—/z-ne-
рехода затвора модулируют сечение канала, изменяя его
сопротивление.
Важным параметром транзистора является напряжение
отсечки, т. е. напряжение на затворе, при котором области
пространственного заряда р — /t-переходов нижней и верхней областей
затвора смыкаются, полностью перекрывая канал. Напряжение отсечки
полевого транзистора с резкими р — n-переходами может быть
рассчитано по формуле,, где N — концентрация

пристоянная тенденция к повышению степени интеграции ИМС требует
уменьшения размеров элементов. Уменьшение длины канала
полевого транзистора приводит к тому, что поле стока в пределах
объема канала взаимодействует с полем затвора. Таким образом,
поле в канале подобного транзистора двухмерно, вследствие чего
он получил название транзистора с полевым взаимодействием
(ТПВ). Взаимодействие полей стока и затвора приводит к тому,
что ток стока ТПВ не достигает насыщения.

Рис. 1.13. Вольт-амлериые характеристики полевых транзисторов с затвором
на основе p—n-перехода:
а—обычного (с «длинным» каналом); б—транзистора с полевым взаимодействием (с
«коротким» каналом).

В триодной области семейства ВАХ крутизна зависит от
напряжений на электродах транзистора:

В пентодной области

привело к созданию чрезвычайно большого количества
конструктивно-технологических вариантов интегральных транзисторов
данного типа, характеризуемых еще большим разнообразием
электрических параметров.
И связи с этим в настоящем параграфе рассматривается
методика расчета наиболее важных параметров интегрального планар-
но-эпитаксиального п — р— я-транзистора маломощной
полупроводниковой ИМС средней степени интеграции. Данная методика

Рис. 1.14. Структура интегрального биполярного
транзистора типа п—р—п.
может быть применена для расчета интегральных биполярных
транзисторов и других типов.
Структура интегрального биполярного транзистора
представлена на рис. 1.14. Планарно-эпитаксиальный транзистор типа п —
р — п с полосковой геометрией обладает двумя базовыми
контактами и изолирован от подложки и остальных элементов
микросхемы /; — //.-переходом.
В процессе физико-топологического расчета решается
совокупность уравнений, связывающих электрофизические параметры
исходных материалов, параметры технологических процессов
изготовления, геометрические размеры, а также электрофизические
параметры p—n-переходов и областей транзистора с его
электрическими характеристиками. Первоначально выбираются параметры
исходного материала подложки и эпитаксиального слоя, в котором
непосредственно будет создаваться транзистор (тип проводимости,
удельное сопротивление). Затем рассчитывается профиль
распределения примесей в областях транзистора и оцениваются основные
геометрические размеры в плане, определяются времена диффузии
акцепторных и донорных примесей для создания базы и эмиттера,
а также рассчитываются глубины залегания переходов или
проверяется их соответствие заданным.
Статический коэффициент передачи тока в схеме с общим
эмиттером B = Ik/Iq при низких уровнях инжекции может быть
рассчитан по формуле

где NaS и Nda — концентрации, акцепторных и донорных примесей в
областях базы и эмиттера соответственно; Dn и Dp — коэффициенты
диффузии электронов и дырок; Ln = V^Dn%n — диффузионная длина-
электронов в базовой области; тэф — эффективное время жизни
носителей заряда в ОПЗ эмиттерного перехода вблизи поверхности (тэф«
« 10"8 — 10"9 с); тн « 10~5 — 10~7 с — время жизни электронов в
области базы; йэ — ширина ОПЗ эмиттерного р— n-перехода; (/э.б —
приложенное напряжение прямого смещения эмиттерного р — n-пере-
хода.
Для упрощения расчетов в левой части соотношения (1.24)
представлена величина, обратная коэффициенту передачи тока, в связи
с чем сумма членов в правой части представляет собой потери
(дефицит) коэффициента передачи тока, обусловленные
процессами в полупроводниковых областях и р — n-переходах
транзистора. Первый член в правой части выражения описывает потери
коэффициента инжекции, второй член — потери коэффициента
переноса, третий член — потери на поверхностную рекомбинацию
в области базы и в ОПЗ прямосмещенного эмиттерного p—n-пе-
рехода. Последний член выражения (L24) отражает зависимость
коэффициента передачи тока транзистора от напряжения на эмит-
терном переходе (от тока эмиттера). Чем меньше напряжение
(ток), тем более значительную роль играет рекомбинация в ОПЗ,
обусловливающая падение коэффициента передачи тока.
При высоких уровнях инжекции (больших токах) рекомбина-
ционные процессы на поверхности базы и в ОПЗ эмиттерного
перехода перестают играть превалирующую роль. Если величина тока
маломощных транзисторов ИМС превышает несколько миллиампер,
плотность инжектированных в базу неосновных носителей
становится сравнимой с плотностью основных носителей в области базы.
Это приводит к снижению эффективности эмиттера (коэффициента
инжекции) и в свою очередь к падению коэффициента передачи
тока. Соотношение для коэффициента передачи тока при высоких
уровнях инжекции принимает вид

где #а.б(я) — распределение концентрации акцепторной примеси.
Для приблизительной оценки коэффициента передачи тока
указанный член в выражении (1.24) может быть также заменен
выражением W\ /5L \ .
Одним из параметров, описывающих динамические свойства
транзистора, является граничная частота коэффициента передачи
тока в схеме с общим эмиттером /гр. Это частота, при которой
модуль коэффициента передачи тока в схеме с общим эмиттером
|Р| = Д/к/Д/б экстраполируется к единице. Данный параметр
определяется так же, как частота, равная произведению модуля
коэффициента передачи тока на частоту измерения в диапазоне
достаточно высоких частот, где модуль |р| падает по закону 6 дБ на
октаву (при изменении частоты вдвое).
С конструктивно-технологическими параметрами интегрального
транзистора граничная частота усиления связана следующим
образом:

Граничная частота интегральных биполярных транзисторов
зависит от их конструкции и составляет величину от сотен тысяч
герц до единиц гигагерц.
Напряжение пробоя коллекторного p—n-перехода транзистора
при отключенном эмиттерном выводе С/К.б о является максимальным
пробивным напряжением транзистора. Оно может быть рассчитано
по формулам (1.7) или (1.8).
Минимальным напряжением пробоя обладает транзистор, у
которого отсоединен базовый вывод:

Коэффициент передачи тока данного транзистора может быть
рассчитан согласно соотношению

где Lp — диффузионная длина дырок в области базы я-типа.
В то время как коэффициент передачи тока в схеме с общим
эмиттером интегральных транзисторов типа п — р — п составляет
обычно величину от нескольких десятков до нескольких тысяч (в
последнем случае так называемые супер-бета транзисторы),
латеральные транзисторы типа р — п — р имеют, как правило,
невысокие значения этого параметра. Поскольку значительная ^асть
потока дырок, инжектированных из эмиттера транзистора типа р — п —
р, направлена в сторону подложки, дырки рекомбинируют, не
достигая коллекторного р — n-перехода. Поэтому в схеме с общим
эмиттером коэффициент передачи тока подобного транзистора не
превышает нескольких единиц.
Транзисторы типа р — п — р с сравнительно большими
значениями коэффициента передачи тока, порядка нескольких десятков,
могут быть изготовлены в виде структур, подобных изображенным
на рис. 1.14, но с диэлектрической изоляцией (см. рис. 1.5, б).
Пример. Сравнить величины коэффициентов передачи тока в схеме е общим
эмиттером интегрального транзистора типа п—р—п при напряжениях на эмиттер-
ном переходе U9. 6i = 0,5 В и U3. 62 = 0,6 В.
Глубина залегания эмиттерного р—n-перехода составляет хэ=1,2 мкм,
коллекторного — хк = 2 мкм.
Решение. Ширина базы транзистора составляет W6 — xK—x3 = 0,8 мкм.
Принимаем значения концентраций примесей в эмиттерной и базовой областях
транзистора равными максимальным, т. с. УУ<ь=1020 см-3 и Na- б=Ю17 см-3.
При этом значения подпижностей носителей заряда составляют \хп = 6Б0
см2/(В-с) п ц7, = 50 см2/(В-с). Соответствующие значения коэффициентов
диффузии £>п = Фт|«.п = 0,02Г>.650=16,25 см2/с п D,, = 0,025-50= 1,25 см2/с.
Рассчитаем контактную разность потенциалов в эмиттерном переходе:

числе р — n-переходы, в которых одной из областей служит
подложка. Используются также диоды со структурой металл —
полупроводник, т. е. диоды Шотки (см. § 1.2).
Для создания диодов часто применяется диодное включение
транзисторов. Возможные варианты подобного включения
показаны на рис. 1.17. Две первые схемы включения (рис. 1.17, а, б)
представляют собой использование в качестве диодов эмиттерного
и коллекторного p—n-переходов транзистора. Схемы, представ-.
ленные на рис. 1.17, в, г, д, реализуются путем соответствующей

Рис. 1.17. Схемы диодного включения транзистора.
коммутации дорожек межсоединений в ИМС. Электрические
параметры получаемых таким образом диодов различны. Например,
наименьшим обратным пробивным напряжением обладают диоды в
схемах а, в и д, поскольку определяющим в данном случае является
сильнолегированный эмиттерный р — n-переход. Наибольшей
емкостью обладает схема д, в связи с чем интегральный диод данной
конструкции имеет наихудшие динамические свойства, в частности
наибольшее время восстановления обратного сопротивления.
Наилучшими динамическими свойствами характеризуется диод по схеме
в, поскольку короткозамкпутын коллекторный переход
предотвращает накопление неосновных носителей заряда в коллекторной
области при включении диода в прямом направлении. ^
1.8. Интегральные полевые транзисторы типа МДП
Структура интегрального транзистора типа МДП (металл —
диэлектрик — полупроводник) показана на рис. 1.18. МДП-тран-
зистор является, как и интегральные транзисторы других типов,
четырехэлектродным прибором, поскольку, помимо контактов к
истоку, стоку и затвору, создается контакт к подложке. Управление
током канала МДП-транзистора осуществляется потенциалом,
приложенным к затвору, и происходит за счет регулирования
количества основных носителей заряда в канале.
Транзисторы типа МДП по конструктивному исполнению
подразделяются на две большие группы: со встроенным и
индуцированным (наведенным) каналами. Встроенный канал создается в
процессе изготовления транзистора путем диффузии или ионной
имплантации примесей. Такой канал существует независимо от
наличия или отсутствия потенциала на затворе. В противополож-
45

ность встроенному индуцированный канал появляется в МДП-тран-
зисторе только в результате приложения потенциала к затвору. Как
встроенный, так и индуцированный каналы могут быть р- или я-ти-
па электропроводности. Таким образом, в целом возможны четыре
разновидности транзисторов типа МДП.
В транзисторах с индуцированным каналом под действием
приложенного к затвору потенциала в приповерхностном слое
полупроводника создается увеличение количества неосновных носителей
заряда. Поэтому такие транзисторы работают только в режиме
обогащения. Транзисторы со встроенным каналом могут работать

Рис. 1.18. Структура интегрального транзистора типа
металл—диэлектрик—полупроводник.
как в режиме обогащения, так и в режиме обеднения канала от
основных носителей заряда, в зависимости от знака приложенного
к затвору потенциала (рис. 1.19).
Одним из важнейших параметров МДП-транзисторов со
встроенным каналом является напряжение отсечки. Напряжение отсечки

где фмдп —разность работ выхода электронов в системе металл—
диэлектрик—полупроводник; qF — потенциал уровня Ферми в
полупроводнике, отсчитываемый от потенциала середины
запрещенной зоны; Qn — поверхностная плотность заряда
некомпенсированных ионизированных атомов примеси в подложке; Qc —
поверхностная плотность фиксированного заряда в диэлектрике; С0д —
удельная емкость затвор—канал, определяемая по формуле (1.11).
Разность работ выхода электронов в системе металл —
диэлектрик — полупроводник может быть найдена из выражения

Потенциал уровня Ферми

Плотность заряда в подложке

коэффициентом влияния подложки, максимальное значение
которого зависит от конструктивно-технологических факторов:

Для частного случая при UnM = 0 и ис^иЭф:

Для частного случая при £/ИЛ1 = 0 и ис>иэф:

2. КОНСТРУКЦИИ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ МИКРОСХЕМ
И МИКРОПРОЦЕССОРОВ И ОСНОВЫ ИХ РАЗРАБОТКИ
2.1. Общие положения
Классификация полупроводниковых ИМС по виду
обрабатываемой информации на цифровые и аналоговые, по конструктивно-
технологическому исполнению на биполярные и МДП-микроехемы,
а также по степени интеграции не исчерпывает многих других
признаков, по которым в инженерной практике данная группа
микросхем выделяется для достижения большей определенности при
описании конструкций или функциональных возможностей. Кроме
того, быстрое развитие интегральной микроэлектроники
обусловливает постоянное появление новых видов микросхем.
Наиболее крупными подгруппами цифровых микросхем
являются логические схемы и схемы запоминающих устройств (ЗУ).
Кроме различия в функциональном назначении, они имеют также
существенные различия в конструктивно-технологических
характеристиках. В последние годы, однако, появились и быстро
развиваются микропроцессорные микросхемы, где на одном кристалле
БИС, как правило, совмещаются логические и запоминающие
устройства.
Интенсивное использование цифровых методов обработки
сигналов привело к созданию и развитию крупного класса
полупроводниковых БИС, предназначенных для связи цифровых и аналоговых
устройств, т. е. микросхем аналого-цифровых и
цифро-аналоговых преобразователей (АЦП и ЦАП). То же самое можно
сказать и о развитии микросхем-трансляторов уровней,
преобразующих выходные сигналы ИМС одного типа (например,
транзисторно-транзисторной логики) во входные сигналы ИМС другого типа
(например, интегральной инжекционной логики).
Совершенствование технологии обеспечило возможность
объединения на одном кристалле БИС биполярных и полевых
транзисторов, что привело к появлению нового класса
полупроводниковых микросхем — биполярно-полевых.
2.2. Логические ИМС
Основные параметры. В цифровой ЭВА основные функции
преобразования информации выполняются цифровыми (логическими)
схемами. Логические ИМС характеризуются набором основных
параметров, которые описывают их работоспособность и могут
быть измерены на внешних выводах ИМС. Этими параметрами
являются: средняя потребляемая мощность, среднее время задержки
4* , 51

распространения сигнала» коэффициент объединения по входу,
коэффициент разветвления по выходу, статическая
помехоустойчивость.
Средняя потребляемая мощность Р — это значение мощности,
равное полусумме мощностей, потребляемых микросхемой от
источников питания в двух устойчивых состояниях: логического нуля
и логической единицы.
Среднее время задероюки распространения сигнала 4
характеризует динамические свойства логических микросхем, их
быстродействие. Оно определяется как полусумма времен задержки
распространения сигнала при включении и выключении микросхемы,
т. е. при переходе из одного логического состояния в другое.
Коэффициент объединения по входу М определяет
максимальное число входов, по которым реализуется логическая функция.
Чем он больше, тем шире функциональные возможности
микросхемы.
Коэффициент разветвления по выходу N (нагрузочная
способность) характеризует максимальное число входов микросхем,
подобных данной, которые молено одновременно подключить к ее
выходу.
Статическая помехоустойчивость UCT характеризует
максимально допустимое напряжение статической помехи, при котором
сохраняется работоспособность микросхемы. Статическими
называются помехи, длительность которых превышает длительность
переходных процессов в схеме.
Перечисленные параметры логических микросхем можно
назвать основными, поскольку улучшение одного из них путем
задания соответствующего электрического режима приводит к
ухудшению других (в пределах данного конструктивно-технологического
варианта микросхем).
Кроме названных параметров, совершенство логической
микросхемы часто оценивают фактором качества, который представляет
собой произведение средней потребляемой мощности на среднее
время задержки распространения, т. е. работу переключения.
Очевидно, что наилучшими являются микросхемы с минимальным
значением фактора качества.
Существующие цифровые логические ИМС с точки зрения их
схемотехнического и конструктивного исполнения разделяют на
следующие классы: резисторно-транзисторные логические (РТЛ) и
их модификации (с непосредственными связями, емкостными
связями и др.); диодно-транзисторные логические (ДТЛ);
транзисторно-транзисторные логические (ТТЛ) и их модификации (с диодами
Шотки и др.); эмиттерно-связанные логические (ЭСЛ) и их
модификации (одно- и многоступенчатые и др.); интегральные инжек-
ционные логические (И2Л), называемые также микросхемами с
инжекционным питанием, и их модификации (с коллекторами
Шотки и др.); микросхемы на транзисторах типа МДП и их
многочисленные разновидности (статические, динамические,
комплементарные и др.).
52

Микросхемы классов РТЛ и ДТЛ относятся к первому
поколению полупроводниковых ИМС. Они обладают малой степенью
интеграции и малым быстродействием. В настоящее время
микросхемы РТЛ и ДТЛ вытесняются более современными типами ИМС, и
поэтому далее они не рассматриваются.
Микросхемы ТТЛ. Микросхемы этого класса являются
наиболее широко распространенными. Пример электрической
принципиальной схемы и топологии кристалла ИМС показан на рис. 2.1.
Особенностью микросхем ТТЛ является применение в них
многоэмиттерных транзисторов (МЭТ). Таким транзистором (в данном
случае двухэмиттерным) па рис. 2.1 является 77. Его эмиттерные
переходы играют роль входных диодов. Выходной усилитель с
двумя инвертирующими каскадами (схема со сложным инвертором)
обеспечивает нагрузочную способность jV^IO. Для этого
транзистор Т4 выполнен более мощным, чем остальные транзисторы
схемы, что легко увидеть на рис. 2.1 по его более значительным
размерам.
Выпускаемые промышленностью серии ТТЛ-схем содержат
большой набор микросхем (до нескольких десятков в одной серии).
Они различаются по функциональному назначению и
возможностям. Например, определенные микросхемы серии выполняют
логические функции И-ИЛИ-НЕ, И-НЕ/ИЛИ-НЕ и другие, могут
обладать простым или сложным инвертором, иметь повышенную
нагрузочную способность и т. д. Широкий функциональный состав
серий ТТЛ-схем обеспечивает построение сложных устройств
цифровой ЭВА.
В логических схемах транзисторы работают в режиме ключа,
т..е. находятся в закрытом или открытом состоянии. В
ТТЛ-схемах ток через транзистор, находящийся в закрытом состоянии
(режим отсечки) минимален, а падение напряжения на нем велико.
53
Рис. 2.1. Электрическая
принципиальная схема
(а) и топология
кристалла (б) ИМС типа
ТТЛ.

В открытом состоянии (режим насыщения) транзистор
микросхемы ТТЛ пропускает большой ток, а падение напряжения на нем
мало и составляет доли вольта. В режиме насыщения оба
перехода транзистора смещены в прямом направлении, вследствие чего в
областях базы и коллектора накапливаются заряды неосновных
носителей. При переводе транзистора из открытого состояния в
закрытое необходимо затратить определенное время на рассасывание
зарядов, после чего транзистор выключается, т. е. переходит в
режим отсечки. Время рассасывания зарядов играет основную роль в

Рис. 2.2. Структура транзистора Шотки (а) и его экви-
( валентная схема (б).
определении времени задержки распространения сигнала, т. е. в
быстродействии схемы. Для повышения быстродействия
транзисторы ТТЛ-схем легируют золотом, ионы которого создают рекомби-
национные центры и уменьшают время жизни носителей заряда.
Для повышения быстродействия логических элементов на
основе микросхем ТТЛ в них можно использовать также транзисторы
Шотки. Подобный транзистор содержит диод Шотки, который
шунтирует переход коллектор — база. На рис. 2.2 представлена
структура транзистора с диодом, роль которого выполняет
расширенный базовый контакт. Поскольку данный диод имеет меньшее
падение напряжения в прямом направлении, чем p—n-переход
коллектор — база, в режиме открытого транзистора значительная
часть тока проходит через диод, что существенно снижает
накопление заряда в коллекторной области. Накопление зарядов
неосновных носителей в диоде Шотки не имеет места, поскольку перенос
тока через него осуществляется исключительно электронами. В
результате быстродействие ТТЛ-схем с диодами Шотки (ТТЛШ)
увеличивается в несколько раз.
Микросхемы ЭСЛ. Данные микросхемы являются самыми
быстродействующими. Быстродействие обеспечивается тем, что
работающие в режиме переключения тока транзисторы схем ЭСЛ не
входят в насыщение. Однако достигаемое тем самым
преимущество связано с повышением потребляемой мощности.
Пример электрической принципиальной схемы и топологии
кристалла ИМС данного класса показан на рис. 2.3. Основой схемы
является дифференциальный каскад, выполненный на транзисторах
ТЗ и Т4. Транзисторы Т1 и Т2 играют роль логического
расширителя для увеличения коэффициента объединения по входу. Схема
выполняет функции ИЛИ-НЕ, если выходное напряжение снимает-
54

ся с коллекторов транзисторов Т1—ТЗ (контакты 3 и 8). С
коллектора транзистора Т4 (контакт 1) снимается напряжение при
выполнении функции ИЛИ. Выходы схем ЭСЛ, как правило,
соединяются с эмиттерными повторителями, чем обеспечивается их
высокая нагрузочная способность.


ласть транзистора я—р—я одновременно выполняет роль
коллектора транзистора р—я—р. Таким образом, определенные области
базового элемента И2Л совмещают выполнение различных
функций. Поэтому схемы типа И2Л могут быть только интегральными,
эквивалентная схема элемента, представленная на рис. 2.4, б,
лишь приближенно отражает электрические связи. Схема работает
следующим образом.
На эмиттерный электрод (инжектор) токозадающего
транзистора типа р—я—р подается напряжение прямого смещения.
Инжектированные в я-область дырки путем диффузии достигают
базовой р-области переключающего транзистора типа я—р—я.
Появление избыточных дырок приводит к понижению высоты
потенциального барьера эмиттерного я—р-перехода транзистора типа я—
р—п, работающего в инверсном режиме (эмиттером является
двухслойная структура я+—я). В результате понижения
потенциального барьера инжектированные из я-эмиттера в р-базу
электроны достигают коллекторного p—n-перехода и его полем выносятся
в я+-область коллектора. Таким образом, вследствие взаимосвязей
внутри элемента подача тока питания на инжектор приводит к
включению в проводящее состояние транзистора типа я—р—я.
Предотвратить включение транзистора типа я—р—я можно,
подавая на его базу (вход элемента И2Л) потенциал эмиттера
(например, замыкая базу с эмиттером с помощью транзистора
предыдущего каскада). Тем самым реализуется управление элементом.
Как видно из рис. 2.4, разветвление по выходу осуществляется с
помощью многоколлекторной структуры транзистора типа я—р—я.
Малое напряжение питания (примерно 1,2 В), минимальное
количество резисторов, объединение функций отдельных областей,
отсутствие необходимости изоляции элементов друг от друга
обеспечивают высокую степень интеграции микросхем данного типа,
малое энергопотребление и исключительно малое значение
показателя качества, характеризующего работу переключения (менее
1 пДж). Это делает данные микросхемы особенно перспективными.
Их применение постоянно расширяется как в логических
устройствах, так и при использовании для других целей.
МДП-микросхемы. Важными достоинствами логических мнкро-
* схем на МДП-транзисторах являются очень высокая степень
интеграции, малое энергопотребление, значительная
помехоустойчивость, высокая нагрузочная способность. В зависимости от типа
используемых транзисторов различают р-канальные, я-канальные
и комплементарные (КМДП) логические МДП-микросхемы.
На рис. 2.5 приведены электрическая принципиальная схема и
топология инвертора на двух р-канальных МДП-транзисторах с
индуцированным каналом, один из которых работает в активном
режиме ключа, а второй выполняет роль нелинейной нагрузки.
Напряжение питания здесь имеет отрицательный знак. Если принять
отрицательное напряжение и нулевой уровень соответственно за
логические 0 и 1, то поданная на вход логическая 1 инвертируется
в логический 0 на выходе, поскольку при подаче на вход инвертора
56

отрицательного напряжения достаточной величины транзистор 72
переходит во включенное, проводящее, состояние. Конструктивно
транзисторы выполняются таким образом, чтобы отношение
сопротивления нагрузочного транзистора к сопротивлению включенного
активного составляло большую величину (например, 20:1 и более).
Поэтому малое сопротивление включенного транзистора Т2
обеспечивает появление нулевого уровня на выходе инвертора.
У изображенных на рис. 2.5 МДП-транзисторов ИМС средне!*!
степени интеграции минимальные размеры каналов составляют

Рис. 2.5. Электрическая принципиальная схема (а) и топология (б) инвертора
на МДП-транзисторах с р-каналамц (размеры даны в микрометрах).
10 мкм. Крутизна активного транзистора Т2 имеет величину
5 мА/В, что при толщине окисла 0,15 мкм и подвижности дырок
в канале |ар=100 см2/(В-с) достигается, если отношение ширины
канала к длине составляет 5:1. Нагрузочный транзистор 77
обладает крутизной 0,25 мА/В, отношение ширины к длине капала
равно 0,25:1. Напряжение питания 24 В.
Транзисторы с индуцированными р-каиалами положены в
основу большого класса статических МДП-микросхем. Это объясняется,
в частности, простотой топологических решений. В качестве
примера на рис. 2.6 изображен трехвходовой вентиль ИЛИ-НЕ. Однако
присущие им недостатки (в частности, малое быстродействие)
ограничивают применение /7-канальных МДП-транзисторов в ИМС.
Существенными преимуществами обладают микросхемы на п-
канальных МДП-транзисторах, которые в настоящее время
получают все большее распространение. На рис. 2.7 представлены
электрическая принципиальная схема и топология инвертора. При
этом на одном кристалле микросхемы размещаются нормально
закрытые МДП-транзисторы с индуцированными каналами (на рис.
2.7—входной транзистор Т2) и нормально открытые со
встроенными каналами (нагрузочный транзистор 77). Встроенные * каналы
транзисторов, работающих в режиме обеднения, создаются обычно
с помощью ионной имплантации. Напряжение питания подобных
схем имеет положительный знак и составляет величину от 5 до
57

12 В. МДП-микросхемы на основе л-канальных транзисторов
отличаются очень высокой степенью интеграции и высоким
быстродействием, которое близко к быстродействию микросхем ТТЛШ.
Сверхнизким энергопотреблением и высокой
помехоустойчивостью характеризуются микросхемы на основе комплементарных
МДП-транзисторов (КМДП-микросхемы). Напряжение питания
подобных схем составляет от 5 до 15 В. В схеме инвертора (рис.

Рис. 2.9. Электрическая принципиальная схема (а) и топология (б) четырех-
входового элемента И-ИЛИ на КМДП-транзисторах.
2.8) р-канальный и я-канальный транзисторы работают в режиме
обогащения, а их входы включены параллельно. Независимо от
сигнала на входе (логический 0 или 1) один из МДП-транзисторов
в схеме инвертора всегда ' открыт, а другой — закрыт. Очевидно,
что в статическом режиме потребление тока минимально и
определяется лишь током утечки, составляющим единицы ппкоампер. По-
Табл. 2.1. Сравнительные характеристики элементов логических ИМС
___ . .
I Средняя мощ-1 Произведение 1Г ..
Типы базовых Напряже- иость, потреб-Время задерж- задержки на Коэффициент
элементов нис пита- ляемая одним ки распрост- мощность разветвления
ния, В элементом, ранения, не пДж ' по выходу
I I мВт I
ТТЛ +5 10 10 100 10
ТТЛШ +5 20 3 60 10
Маломощный
ТТЛШ +5 2 10 20 10
ЭСЛ —5,2 25 2 50 10

Быстродействующий ЭСЛ —5,2 40 0,75 30 10
И2Л +1,2 0,1 10 1 3
р-МДП —12 0,5 100 50 20
л-МДП +5 0,5 30 15 20
КМДП от +5 0,003 (на 90—30 0,05 (на 50
до +15 1 кГц) 1 кГц)
59

треблекие тока данной схемой в процессе переключения
обосновано в основном процессами перезаряда паразитных емкостей.
Повышенная помехоустойчивость КМДП-микросхем обеспечивается
резко выраженным порогом переключения. Пример выполнения
топологии четырехвходового элемента И-ИЛИ показан на рис. 2.9.
Сравнительные характеристики двухвходовых элементов
(вентилей) типа ИЛИ-НЕ, выполненных на основе рассмотренных
конструктивно-технологических вариантов, представлены в табл.
2.1.
2.3, Микросхемы запоминающих устройств
Классификация ЗУ. Память современной ЭВА имеет сложную
иерархическую структуру. Запоминающие устройства ЭВА
реализуются в основном в виде магнитных элементов (диски, ленты и
др.") и в виде полупроводниковых интегральных микросхем.
Микросхемы полупроводниковых ЗУ, как правило, представляют собой
БИС или СБИС. Они входят в состав микропроцессорных
комплектов ИМС или выполняются в виде автономных БИС.
По функциональному назначению БИС ЗУ разделяют на
оперативные (ОЗУ) и постоянные (ПЗУ). ОЗУ представляет собой
запоминающее, устройство, в котором при подаче адреса какого-либо
слова производится запись или считывание информации по этому
адресу. Такие микросхемы называются ЗУ с произвольной
выборкой (ЗУПВ). Существуют также ЗУ с последовательным
обращением, где данные выбираются начиная с заранее заданного адреса.
ЗУ, предназначенные только для считывания, в которых
информация сохраняется при отключении питания, называют постоянными
запоминающими устройствами (ПЗУ). Кроме названных основных
типов памяти, т. е. ОЗУ и ПЗУ, находят применение ассоциативные
запоминающие устройства (АЗУ), которые являются памятью со
встроенной логикой. В подобного рода' ЗУ, кроме записи, хранения
и считывания информации, осуществляются функции поиска
информации по различным критериям (большим или меньшим
опросного признака и т. п.).
По рео/симу работы БИС ЗУ разделяют на статические и
динамические. В статических ЗУ сохранение информации в матрице
элементов памяти обеспечивается с помощью непрерывного
потребления энергии от источника питания, при отключении которого
информация разрушается. В динамических ЗУ информация хранится
в виде зарядов, для чего используются емкости р—n-переходов или
МДП-структур. При этом требуется периодическое восстановление
информации (регенерация) с помощью импульсов сигналов
управления.
Приведенная краткая классификация основных типов ЗУ не
является исчерпывающей. В частности, в последнее время в связи с
развитием микропроцессорной техники все более широкое
применение находят программируемые постоянные запоминающие
устройства (ППЗУ). Программирование (запись информации) в
60

них осуществляется после изготовления интегральной микросхемы
и может производиться самим пользователем (например, путем
пережигания импульсами тока легкоплавких перемычек в матрице
полупроводниковых элементов памяти).
Кроме того, развитие БИС ЗУ привело к появлению ПЗУ с
многократной сменой информации—репрограммируемых ПЗУ (РПЗУ).
Выпускаются в основном два типа РПЗУ: с электрической записью
информации и стиранием ее ультрафиолетовым излучением, а
также с многократным репро-
граммированием чисто
электрическим путем.

схемами обрамления) включают формирователи импульсов
выборки, усилители записи и считывания, схемы управления.
В зависимости от конструктивно-технологического исполнения
полупроводниковые БИС ЗУ разделяются на биполярные и МДП.
Биполярные ОЗУ. Эти устройства выполняются в составе ТТЛ,
ЭСЛ или И2Л микросхем. Запоминающий элемент содержит от
двух до шести транзисторов, образующих схему триггера.
На рис. 2.11 показан запоминающий элемент ОЗУ емкостью
1024 бит с произвольной выборкой типа ТТЛ на двухэмиттерных

Рис. 2.11. Электрическая принципиальная схема (а) и топология (б)
запоминающего элемента на двухэмиттерных транзисторах.
транзисторах. Схема работает следующим образом. В режиме
хранения информации адресная шина ША находится под низким
потенциалом U{. На обе разрядные шины ШР1 и ШР2 подан более
высокий потенциал U2>Uh При этом ток питания протекает по
цепи: шина питания, нагрузочный резистор, переход база — эмиттер
1 одного из транзисторов, адресная шина.
В режиме считывания потенциал адресной шины повышается
до U3>U2>Uh Если до этого ток в адресную шину протекал,
например, через транзистор 77, то после повышения потенциала
адресной шины ток через эмиттер 2 транзистора 77 будет отводиться
в разрядную шину ШР1 и далее в усилитель считывания. После
окончания импульса опроса С/3 адресная шина вновь оказывается
под потенциалом 1)ь и схема возвращается в исходное состояние
хранения.
В режиме записи адресная шина вновь возбуждается до
потенциала С/3, а на разрядную шину ШР2 подается импульс либо
повышающий ее потенциал до С/3 (запись «нуля»), либо понижающий
до Ux (запись «единицы»). В первом случае транзистор Т2
остается в закрытом состоянии, а ток протекает через транзистор 77.
Состояние запоминающего элемента не изменяется. Во втором случае
состояние элемента меняется на противоположное, так как
транзистор Т2 переходит в проводящее состояние, а транзистор 77
закрывается.
62 ~

ОЗУ на МДП-микросхемах. На рис. 2.12 представлены
электрическая принципиальная схема и топология запоминающего
элемента на л-канальных МДП-транзисторах для оперативного ЗУПВ
емкостью 1024 бит. Предположим, что в режиме хранения
транзистор Т1 открыт, а транзистор Т2 закрыт, что соответствует
хранению «единицы».
В режиме считывания на адресную шину ША подается
положительный импульс. Транзисторы Т5 и Т6 включаются в проводя-

Рис. 2.12. Электрическая принципиальная Рис. 2.13. Электрическая принци-
схема (а) и топология (б) запоминающе- пиальная схема (а) и топодогия
го элемента иа МДП-транзисторах с п- (б) запоминающего элемента на
каналами. МДП-транзисторах с поликремни-
свыми затворами (размеры даны
в микрометрах).
щее состояние, причем высокое положительное напряжение от
источника питания, снимаемое со стока транзистора Т2, попадает на
разрядную шину считывания ШР2 и регистрируется ' усилителем
считывания.
В режиме записи на разрядные шины подаются взаимно,
противоположные сигналы. Например, при записи в элемент «единицы»
на разрядную шину ШР1 подается очень малое, близкое к нулю,
напряжение. Положительное напряжение от разрядной шины ШР2
63

попадает на затвор транзистора 77 и включает его в проводящее
состояние.
Повышение емкости ЗУ требует снижения потребляемой
мощности и повышения степени интеграции микросхемы. На рис. 2.13
изображена электрическая принципиальная схема и топология
запоминающего элемента ЗУПВ емкостью 16 384 бит. Он выполнен
на основе и-канальных МДП-транзисторов. Вместо нагрузочных
транзисторов применены высокоомные (с сопротивлением порядка
5 ГОм) резисторы, получаемые путем осаждения поверх
изолирующей окисной пленки поликристаллического кремния. Затворы
транзисторов изготовлены также из поликремния. Двухуровневое
расположение поликремниевых пленок, разделенных пленкой
окисной изоляции, обеспечивает исключительную компактность
элемента и высокую степень интеграции СБИС. Сравнительные
характеристики полупроводниковых ОЗУ представлены в табл. 2.2.
Полупроводниковые ПЗУ. Такие устройства выполняются как
на основе биполярных, так и МДП-транзисторов. Обычно в ПЗУ
по одному адресу записывается не один бит информации, как в
ОЗУ, а целое слово длиной в 4 или 8 бит. Например, обозначение
информационной емкости микросхемы 1 КХ8 означает, что она
содержит 1024 слова по 8 бит каждое.
Биполярные ПЗУ, совместимые с ТТЛ-схемами,
изготавливаются с применением многоэмиттерных транзисторов. Электрическая
принципиальная схема и фрагмент топологии накопителя
показаны на рис. 2.14. Все транзисторы матрицы размещаются в одной
изолированной области. В целях записи в ПЗУ различных
программ на этапе его изготовления необходимо обеспечить контакт с
разрядными шинами только определенных эмиттеров транзисторов.
Для этого в окисной пленке вскрываются контактные окна лишь
там, где это необходимо (рис. 2.14, б). Различные программы
записываются, таким образом, с помощью различных фотошаблонов
для вскрытия контактных окон.
В накопителях ПЗУ на основе-'МДП-транзисторов запись
информации при изготовлении осуществляется путем создания под-
Табл. 2.2. Сравнительные характеристики полупроводниковых ОЗУ
Типы базовых р * I Напряжение I Потребляемая 1 Время выборки,
элементов Емкость, бит питания, В мощность, мВт 1 не
ТТЛ 256 +Б 500 25
1024 +5 475 30
4096 +5 800 55
ЭСЛ 256 -5,2 550 11
г.-МДП (статичес- 1024 +5 500 . 30
кие) 4096 +5 500 50
я-МДП (динамичес- 16 384 +12 460 200
кие) 65 536 +5 170 120
КМДП 1024 +5 10 150
4096 +5 25 180
64

затворного окисла различной толщины. Подзатворный окисел того
МДП-транзистора, который не должен включаться при подаче на
затвор импульса напряжения, создается толстым. В данном случае
также необходимо использовать различные фотошаблоны и
режимы технологического процесса.
Описанные способы записи программ в ПЗУ и их различные
варианты предназначены для крупносерийного производства
БИС ПЗУ. Развитие микропроцессорной техники потребовало со-

Рис. 2.14. Электрическая
принципиальная схема (а)
и фрагмент топологии (б)
накопителя ПЗУ па
многоэмиттерных транзисторах:

миний замыкает p—n-переход эмиттер — база, изменяя тем самым
информационное состояние запоминающего элемента.
Пережигание проводящих дорожек в запоминающих элементах ППЗУ может
осуществляться также с помощью лазерного луча. Значительная
трудоемкость программирования ППЗУ является препятствием к
их широкому внедрению. Кроме того, они имеют более низкую
надежность и более высокую стоимость, чем ПЗУ, программируемые
с помощью фотошаблонов.

Рис. 2.15. Транзистор для программируемого ПЗУ:
с—до расплавления алюминиевой дорожки; б—после расплавления дорожки импульсом тока.
В табл. 2.3 приведены сравнительные характеристики
некоторых ППЗУ.
Репрограммируемые ПЗУ (РПЗУ). Возможность
многократного стирания и последующей записи новой информации значительно
расширяет возможности ПЗУ и микропроцессорных комплектов
микросхем. Подобные РПЗУ строятся на основе МДП-транзисто-
ров. Существуют в основном две разновидности РПЗУ,
различающиеся способом стирания информации. В то время как запись
информации в обоих случаях осуществляется электрическим путем,
стирание ее производится или путем ультрафиолетового (УФ)
облучения накопителя, или с помощью чисто электрического
воздействия на запоминающие элементы.
РПЗУ с неэлектрическим способом-стирания информации
(стираемое программируемое ПЗУ—СППЗУ) содержит в качестве
запоминающих элементов МДП транзисторы с «плавающими»
затворами. Структура подобного транзистора с затвором,
выполненным из поликристаллического кремния, показана на рис. 2.16.
Термин «плавающий» означает, что затвор транзистора не соединяется
электрически ни с какими элементами схемы, находится «под пла-
Табл. 2.3. Сравнительные характеристики полупроводниковых ППЗУ
Типы базовых р f Напряжение Потребляемая Время выборки,
элементов емкость, опт питания, В мощность, мВт не
I I I
ТТЛ 256x4 +5 425 25
1024x8 +5 650 70
2048x8 +5 800 70
ЭСЛ 256x4 —5,2 500 15
МДП 1024x8 +5 700 100
66

вающим потенциалом». Использование кремниевых затворов,
помимо возможности создания второго слоя межсоединений, о' чем
уже упоминалось выше в настоящем разделе, позволяет снизить
пороговое напряжение транзисторов за счет уменьшения разности
работ выхода электронов из материалов подложки (кремния) и
затвора. Кроме того, использование кремниевых затворов облегчает
совмещение на одном кристалле МДП и биполярных микросхем,
а также позволяет увеличить быстродействие за счет снижения
емкости затвора.

Рис. 2.16. Структура МДП-транзистора с
«плавающим» затвором из поликремния (размеры
даны в микрометрах).
Запись информации в СППЗУ на транзисторах со структурой
поликремний — окисел — полупроводник осуществляется путем
сообщения дополнительного заряда плавающему затвору с помощью
импульсов относительно высокого напряжения (30—40 В),
прикладываемых к стоку транзистора. При лавинном пробое стока
заряды инжектируются через тонкую пленку подзатворного
диэлектрика в плавающий затвор. Транзистор при этом переходит во
включенное (проводящее) состояние. Заряд в затворе сохраняется в
течение приблизительно 10 лет (самопроизвольные потери заряда
составляют около одного электрона в год). Соответственно в
течение данного времени РПЗУ сохраняет записанную информацию, в
том числе при отключении питания.
Стирание информации производится с помощью УФ облучения
через специальное окно в корпусе микросхемы. При этом
происходит рекомбинация электронов и дырок в затворе. Для стирания
информации требуется несколько минут. Стирание может быть
осуществлено также путем рентгеновского облучения, что позволяет
исключить необходимость создания прозрачного окна в корпусе
микросхемы.
Электрически репрограммируемые ПЗУ (ЭРПЗУ) содержат в
качестве запоминающих элементов транзисторы со сложной
структурой подзатворного диэлектрика, состоящего из пленок окисла и
нитрида кремния. Подобные транзисторы имеют • структуру
металл — нитрид — окисел — полупроводник (МНОП). Толщина
пленки окисла кремния составляет примерно 0,005 мкм, толщина
пленки нитрида кремния Si3N4 — примерно 0,05 мкм. При
приложении импульсов небольших положительных напряжений к метал-
п*
67

лическому затвору МНОП-транзистор ведет себя как обычный
МДП-элемент со структурой металл — окисел — полупроводник.
Если на затвор МНОП-транзистора подать положительный
импульс относительно высокого напряжения (более 25 В), происходит
туннелированис горячих электронов из зоны проводимости кремния
на ловушки, находящиеся на границе раздела двух диэлектриков—
Si02 и SJ3N4. Ловушки заряжаются отрицательно. Изменение
заряда па границе раздела приводит к изменению порогового
напряжения включения МНОП-транзистора, которое при этом
увеличивается. На рис. 2.17 показаны сток-затворные (проходные)
характеристики МНОП-транзистора до и после
заряда ловушек. Таким образом
осуществляется запись информации в
ЭРПЗУ, которая может храниться в
течение нескольких лет, а число
циклов переключения составляет К)6.
Информационные состояния
запоминающего элемента на МНОП-трапзисторе
можно регистрировать (считывать),
если к затвору прикладывать
напряжение £/3. nopi < U3< U3. пор2> причем
контролируется величина тока стока.
Стирание заряда осуществляется
также положительным напряжением
на затворе, но меньшей величины и более продолжительное время.
Электрические поля в пленках окисла и нитрида кремния при этом
таковы, что ток через нитрид превышает ток через окисел, что и
приводит к удалению заряда.
Программируемые логические матрицы (ПЛМ).
Расположенные на одном кристалле микросхемы однотипные логические
элементы, которые путем создания определенных соединений
(программирования) обеспечивают выполнение заданного набора
функций, образуют программируемую логическую матрицу. ПЛМ
обычно входят в микропроцессорные комплекты и служат
формирователями управляющих сигналов для реализации той или иной
команды. Таким образом, функционально ПЛМ подобна ПЗУ.
В структурном отношении ПЛМ содержит две матрицы
элементов — матрицу произведений и матрицу сумм. Подобная
структура позволяет реализовать в виде выходных сигналов заданную
функцию, записанную в нормальной дизъюнктивной форме.
В конструктивном отношении ПЛМ строятся на основе диодных
или транзисторных матриц с соответствующей заданной программе
топологией межсоединений. Программирование может
осуществляться с помощью фотошаблонов в процессе изготовления ПЛМ
подобно постоянным ЗУ. Возможно также программирование
путем пережигания в нужных местах перемычек с помощью
импульсов тока или лучом лазера. Эти операции могут производиться
пользователем ПЛМ, что расширяет возможности их применения.
Рис. 2.17. Вольт-амперные
сток-затворные
характеристики мНОП-транзистора.

2.4. Аналоговые микросхемы
Аналоговые интегральные микросхемы (АИМ) используются в
РЭА, а также в аналоговой и в цифровой ЭВА. Выполняемые ими
функции чрезвычайно многообразны: усиление сигналов,
сравнение, частотная фильтрация, стабилизация напряжения, взаимное
преобразование аналоговых и цифровых величин и т. д.
Аналоговые блоки входят в состав многих цифровых БИС и СБИС микро-;
процессоров, а также постоянно увеличивается выпуск автономных
аналоговых микросхем различного назначения.
В связи с тем что номенклатура аналоговых микросхем очень
широка, ограничимся рассмотрением особенностей интегрального
операционного усилителя как наиболее часто применяемого типа
АИМ.
Операционные усилители (ОУ) получили свое название
благодаря тому, что ранее подобные устройства использовались
исключительно в аналоговой ЭВА для выполнения таких математических
операций, как суммирование и интегрирование. Подобно обычному
усилителю, они предназначены для усиления напряжения или
мощности входного сигнала. Однако в отличие от обычного
усилителя, свойства которого полностью заданы его электрической
схемой, параметры и характеристики ОУ определяются в основном
параметрами внешних цепей обратной связи.
Достоинствами ОУ является универсальность их применения,
возможность получения высоких коэффициентов усиления по
напряжению, высокая точность регулировки усиления, возможность
усиления постоянных напряжений, нулевые входное и выходное
напряжения при отсутствии сигнала (напряжения покоя), высокое
входное и низкое выходное сопротивления и др.
Принципиальная электрическая схема одного из вариантов ОУ,
реализованного на основе биполярных п—p—n- и р—п—р-транзи-
сторов, показана на рис. 2.18. Входной каскад выполнен по схеме*
дифференциального усилителя на п—р—/г-транзисторах Т1 и Т2.
Поскольку выходной сигнал дифференциального каскада
образуется разностным током, синфазные изменения коллекторных ' токов
входных транзисторов взаимно компенсируются. Таким образом,
входной каскад усиливает парафазные сигналы и подавляет
синфазные. Например, изменения температуры действуют как
синфазный сигнал и, следовательно, в данном случае не влияют на работу
схемы. Поэтому операционный усилитель может также хорошо
работать в качестве усилителя постоянного напряжения.
Транзистор Т7 образует стабилизированный источник тока.
Совместно с транзистором Т6 транзистор Т7 образует схему
«токового зеркала», обеспечивая возможность изменения величины
стабилизированного тока. Внешние выводы 3 и 4 служат для
установки нулевой точки дифференциального каскада.
Второй каскад усиления построен на транзисторах Т14, Т15,
соединенных по схеме составного транзистора (схема
Дарлингтона), а также на транзисторе Т13, который служит в качестве ак-
69

тивной нагрузки каскада. Выходной каскад образуют транзисторы
Т24 и Т25.
Конструктивные особенности микросхемы рассмотренного
операционного усилителя заключаются прежде всего в совмещении
транзисторов типов п—р—п и р—п—р на одном кристалле. Для
уменьшения температурных воздействий на параметры усилителя
транзисторы дифференциального каскада располагаются
возможно ближе друг к другу.

Рис. 2.18. Электрическая принципиальная схема
операционного усилителя.
Интересной особенностью транзистора Т13 типа р—п—р
является его разделенный коллектор (рис. 2.19). В подобных
структурах коллекторный ток распределяется между отдельными
коллекторами пропорционально части периметра коллекторной области,
обращенной к эмиттеру. Такие транзисторы используются в
схемах источников тока и делают возможным образование нескольких
независимых источников тока от одного опорного сигнала. При;
этом подобный источник тока занимает минимальную площадь.

Более высокими параметрами обладают ОУ, в конструкции
которых на одном полупроводниковом кристалле совмещаются
биполярные и полевые транзисторы. При этом повышается быстро»
действие, уменьшается входной ток, увеличивается входное
сопротивление, улучшаются температурные характеристики ОУ. На рис.
2.20 показаны участки ИМС, в которых совмещены на одном
кристалле биполярные, а также полевые с p—n-переходом и МДП-
транзисторы. Хотя изготовление таких биполярно-полевых анало-

Рис. 2.20. Фрагменты структур аналоговых ИМС с совмещенными на одном
кристалле транзисторами различных типов:
а—с биполярными и полевыми транзисторами с затворами на основе p—n-персхода; б—с
биполярными и МДП-трапзисторамн с каналами я- и р-тнпов.
говых микросхем существенно усложняет технологию, их
разработка и выпуск постоянно увеличиваются.
2.5. Микросхемы микропроцессоров
Интенсивное увеличение потребности в БИС в конце 60-х годов
привело к расширению их номенклатуры при одновременном
«сужении функциональной специализации каждого типономинала БИС.
Подобное положение входило в противоречие с
технико-экономическими показателями предприятий-изготовителей ИМС,
заинтересованных в стабильном выпуске большого количества однотипной
продукции.
В начале 70-х годов появились первые БИС, функции которых
могли задаваться путем подачи внешних электрических сигналов,
изменяемых по определенной программе. Возможность
функциональной перестройки с помощью изменения внешней программы
является качественным отличием подобного рода БИС и СБИС,
получивших название микропроцессоров, от остальных микросхем.
С одной стороны, процесс развития микропроцессорной техники
71

.был диалектически подготовлен успехами в развитии архитектуры,
■схемотехники и программных средств ЭВА. С другой стороны,
появление микропроцессоров стало возможным только на достаточно
высоком этапе развития микроэлектронной техники. Таким
образом, микропроцессорные БИС и СБИС являются результатом
поступательного развития и взаимного обогащения
микроэлектроники и вычислительной техники.
Микропроцессором (МП) называется программно-управляемое
устройство, осуществляющее обработку цифровой информации и
построенное на основе одной или нескольких БИС (СБИС). На
базе микропроцессоров изготавливаются цифровые системы
различного назначения, от контроллеров до микроЭВМ.
Контроллер представляет собой устройство для управления
автономным объектом по заданному алгоритму. Например, к классу
контроллеров относятся цифровые устройства управления
дисплеями, печатающими устройствами, накопителями на магнитных
лентах и т. п.
МикроЭВМ — это ЭВМ, в качестве процессора которой
используется МП, отличающаяся" также малыми размерами; массой,
энергопотреблением. Помимо микропроцессора, микроЭВМ
включает ОЗУ и ПЗУ, а также схемы связи с внешними устройствами'
(интерфейсные схемы ввода — вывода). Автономные микроЭВМ,
не входящие в состав сложных систем, имеют также источник
питания и пульт управления.
Современная микроЭВМ может быть построена на основе одной
полупроводниковой БИС, содержащей 104—10? элементов
(однокристальная микроЭВМ). Однако ограниченный объем памяти
однокристальной БИС (4—16 кбит) приводит к необходимости
использования многокристальных БГИС (гибридная БИС,
содержащая несколько полупроводниковых кристаллов в одном корпусе).
Другим вариантом является выполнение микроЭВМ на одной-двух •
печатных платах. В последнем случае микроЭВМ строится на
основе микропроцессорного комплекта БИС.
Микропроцессорным комплектом (МПК) БИС называется
совокупность микропроцессорных и других интегральных микросхем,
предназначенных для совместного применения при построении
микроЭВМ, контроллеров и других средств вычислительной
техники. *
Как вычислительное устройство МП характеризуется
следующими основными параметрами: числом выполняемых команд и
наличием микропрограммного управления, разрядностью
управляемых данных (операндов), быстродействием.
Функциональные возможности МП зависят от способа
программирования и. организации управления. Существуют в основном два
типа микропроцессоров. Микропроцессоры первого типа имеют
ограниченную длину обрабатываемых слов. Устройства управления
(УУ) подобных МП реализуют выполнение микропроцессором
операций в виде последовательности микроопераций, инициируемых
сигналами управления (микрокомандами). УУ действуют по схеме
72

аппаратной реализации управления с жесткой логикой. При этом
дешифратор команд выбирает нужные логические схемы
формирования сигналов управления. МП с аппаратной реализацией
управления характеризуются фиксированным списком команд.
Подобные МП строятся, как правило, на одном ' кристалле БИС
(однокристальные МП) и могут использоваться в качестве процессоров
цифровых систем малой и средней сложности.
Микропроцессоры второго типа отличаются наличием
микропрограммного управления. Как и в МП первого типа, УУ
формируют микрокоманды, а выполнение операций происходит в виде
последовательности микроопераций. Однако в данном случае
последовательности микрокоманд формируются устройствами
управления на основе заданных микропрограмм, которые хранятся в
ПЗУ (ППЗУ, РПЗУ, ПЛМ). Порядок чередования микрокоманд
обеспечивается схемой формирования переходов. Подобные МП
строятся на базе МПК БИС. В состав МПК входят центральные
процессорные элементы (ЦПЭ), устройства управления, ПЗУ,
микросхемы связи с устройствами ввода — вывода информации и
объектом управления (микросхемы АЦП, ЦАП, компараторы,
усилители) и др.
Помимо указанных различий, МП первого типа, выполняющие
фиксированный набор команд, характеризуются фиксированной
разрядностью основных функциональных узлов:
арифметико-логического устройства, регистров и т. д. Они имеют обычно 8—16
разрядов. Операнды большей разрядности обрабатываются с
помощью подобного МП по частям.
МП второго типа, обладающие микропрограммным
управлением, имеют наращиваемую разрядность. Они состоят из отдельных
малоразрядных секций (2—4 разряда), а для обработки операн--
дов большей разрядности ЦПЭ включаются параллельно и
образуют систему, которая работает, как один ЦПЭ большой
разрядности.
Как интегральная микросхема МП характеризуется
конструктивно-технологическим типом ' базовых элементов: биполярные
(ТТЛ, ЭСЛ, И2 Л и т. д.), полевые (МДП, КМДП и т. д.), степень^
интеграции, средней потребляемой мощностью, величиной
питающего напряжения, типом корпуса, т. е. набором данных,
характеризующих любую полупроводниковую микросхему независимо от ее
назначения. Например, МП с высоким быстродействием и
наращиваемой разрядностью строятся на элементах типа ТТЛШ и ЭСЛ.
МП среднего быстродействия с малым энергопотреблением
реализуются на элементах с инжекционным питанием (И2Л) и КМДП.
МП малого быстродействия и с минимальной стоимостью
изготавливаются на основе р-канальных МДП-транзисторов. На базе п*
канальных МДП-транзисторов построено большинство 8- и
16-разрядных МП с фиксированной разрядностью.
Специфической характеристикой МПК БИС является
количество микросхем, входящих в МПК, а также количество микросхем,
необходимое и достаточное для построения 16-разрядного МП.
73

Вполне понятно, что входящие в состав МПК БИС должны быть
совместимы по конструктивному исполнению и электрическим
параметрам.
В качестве примера рассмотрим МПК БИС серии К 584 (рис.
2.21). Данный комплект изготавливается иа основе элементов
И2Л. Он характеризуется низким напряжением питания (5 В),
малой потребляемой мощностью, широким температурным
диапазоном эксплуатации (от —10 до + 70 °С), совместимостью по
входным и выходным характеристикам с микросхемами ТТЛ. Такой
I Магистраль адреса I
Д=Г~ 1 I I I II
I Магистраль управления J
I Магистраль данных I
1 I I I f I I I 1 Т У Т
I и - 11 riocTORHHoe запоминающее I i Оперативное запоминающее J u j
] Центральный процессор I I I 1 Устройство ввода - вывода I
| "II устройство I I устройство j I J
Рис. 2.21. Структурная схема микроЭВМ на основе МПК БИС.
МПК обеспечивает возможность микропрограммирования и
наращиваемую разрядность. Центральный процессор, производящий
обработку и оперативное хранение информации с помощью ОЗУ,
реализован на наборе ЦПЭ и блоке ускоренного переноса.
Контроллер состояний анализирует результаты выполнения операций,
подсчитывает циклы и хранит информацию о состоянии
процессора. Блок микропрограммного управления принимает во^
внутренний регистр команд инструкции, считываемые из основной памяти,
и осуществляет адресацию к начальным ячейкам микропрограмм
обработки операций, которые хранятся в ПЗУ микрокоманд. Два
набора БИС магистральных приемопередатчиков служат для
организации двунаправленных магистралей адреса и данных
периферии.
БИС МПК размещены в корпусах с 40 и 48 выводами (рис. 2.22).
Комплект предназначен для построения микроЭВМ, контроллеров
и систем управления различной архитектуры (для АСУ
технологическими процессами, систем управления ЭВА в реальном масштабе
времени и т. п.). Например, процессор 16-разрядной микроЭВМ
производительностью до 400 тысяч коротких операций в секунду
содержит 20 корпусов микросхем, рассеивает мощность примерно
15 Вт и может быть размещен на печатной плате размером 160Х
Х230 мм.
Перспективой развития микропроцессоров являются мульти-
микропроцессорные комплексы, состоящие из сотен и тысяч МП,
74

выполняющих параллельную обработку информации. Изготовление
таких комплексов будет производиться на базе сверхбольших и
гигантских БИС.

Рис. 2.22. Микропроцессорная БИС в корпусе.
2.6. Методы разработки топологии
Цикл конструирования полупроводниковых интегральных
микросхем включает следующие основные этапы: выбор
конструктивно-технологического варианта элементной базы (биполярные или
МДП-элементы) и расчет физико-топологической структуры
элементов (транзисторов, резисторов и т. д.); разработку с
использованием выбранных элементов принципиальных электрических схем
ИМС или БИС; разработку топологии кристаллов микросхем;
разработку конструкции микросхем в корпусах или бескорпусного
варианта герметизации; изготовление, измерения параметров,
испытания опытных образцов.
Участие конструктора-техиолога в конструировании ИМС на
различных этапах неодинаково. В частности, он является основным
исполнителем работ при разработке конструкций элементов,
топологии и конструкции ИМС, а также при изготовлении опытных
образцов и анализе результатов их испытаний.
После решения вопроса о выборе элементной базы важнейшим
этапом конструирования ИМС является разработка топологии. Под
топологией понимается информация о геометрической форме,
взаимном расположении и взаимосвязях элементов на кристалле
полупроводниковой микросхемы. Такая информация может быть пред-
75

ставлена в виде топологического чертежа или с помощью
машинного носителя (перфоленты и т. п.). Результаты разработки
топологии используются для изготовления фотошаблонов ИМС и
БИС.
Качество разработки топологии во многом предопределяет
параметры и характеристики микросхем. Важнейшее значение имеет
также метод разработки топологии. От метода зависит как
качество топологии, так и затраты труда и времени на ее разработку.
Существует несколько методов разработки топологии,
различающихся видом основных элементов, подлежащих размещению на
кристалле и соединению между собой, а также условиями,
ограничивающими свободу взаимного расположения основных элементов
и соединений.
Элементным методом разработки топологии называется такой
метод, когда в качестве основных принимаются конструктивные
элементы (интегральные транзисторы, диоды, элементы с инжекци-
онным питанием, резисторы и т. п.).
Метод функциональных ячеек используется тогда, когда
основными являются типовые элементы логических схем, схем памяти
(триггеры, счетчики) и т. п., физико-топологическая структура
которых разработана заранее.
В обоих случаях разработчик создает библиотеку элементов.
Разработка топологии элементным методом обеспечивает
наиболее высокую степень интеграции и лучшие схемотехнические
характеристики микросхемы. Трудоемкость разработки топологии
здесь значительна. В связи с этим данный метод наиболее
целесообразно применять для ИМС, выпускаемых в массовом
производстве.
Основными достоинствами метода функциональных ячеек
являются снижение количества ошибок, уменьшение трудоемкости
конструирования и более широкие возможности автоматизации этого
процесса. Однако использование типовых ячеек с фиксированной
внутренней топологией может приводить к снижению степени
интеграции ИМС, увеличению потребляемой мощности, ухудшению
помехоустойчивости ИМС по сравнению с ИМС, разработка которых
выполнена элементным методом.
Упрощение процесса разработки топологии может быть
достигнуто путем изготовления набора элементов с фиксированным
расположением на кристалле, но соединяемых между собой различным
образом с целью конкретизации функционального назначения ИМС.
В данном случае, если реализация нужных соединений
осуществляется с помощью различных наборов фотошаблонов для
вскрытия контактных окон в окисле и создания рисунка межсоединений,
кристалл с набором элементов называется базовым кристаллом.
При этом элементами могут быть как конструктивные единицы
(интегральные транзисторы и т. п.), так и целые функциональные
ячейки. Поскольку на базовом кристалле с большим количеством
одинаковых элементов их располагают с определенной степенью
регулярности (однородные структуры), то такие микросхемы называют
76

также матричными БИС. Однако применение базового
кристалла влечет за собой снижение степени использования площади
кристалла, поскольку в каждой конкретной схеме часть элементов
может оказаться нескоммутированной.
Другим способом специализации топологии БИС является
пережигание в нужных местах рисунка межсоединений перемычек. Этот
метод можно считать модификацией метода базового кристалла,
поскольку здесь также основные конструктивные элементы или
функциональные ячейки жестко зафиксированы на площади
кристалла, а нужная схема соединений создается избирательно на
заключительном этапе производства БИС. Таким путем
изготавливаются рассмотренные выше программируемые логические матрицы,
программируемые постоянные ЗУ. Одним из достоинств данного
метода является возможность реализации нужной схемы
соединений непосредственно пользователем БИС, так как пережигание
перемычек с помощью импульсов тока или лазера не требует
применения сложного технологического оборудования. Разработка
топологии может осуществляться вручную (для ИМС малого и
среднего уровня интеграции) или автоматизированными методами (для
■БИС и СБИС).
2.7. Разработка топологии МИС И СИС
Основными исходными данными для разработки топологии
являются электрическая принципиальная схема с указанием
номиналов элементов, конструктивно-технологические ограничения
(номенклатура применяемых материалов, диапазон глубин залегания
р—«-переходов, толщины диэлектрических пленок, минимальные
размеры в плоскости кристалла диффузионных областей, дорожек
металлизации и т.п.), а также дополнительные требования к
конструкции кристалла (расположение внешних контактных
площадок, форма и расположение реперных знаков для совмещения
фотошаблонов, наличие тестовых структур для контроля ' параметров
техпроцесса и т. п.).
Разработка топологии МИС и СИС может осуществляться
ручным методом (применение автоматизированных методов также не
исключается). При этом первоначально производится оценка
электрической схемы и номиналов ее элементов относительно
принципиальной возможности изготовления полупроводниковой
микросхемы. Рассчитываются параметры и геометрические размеры
(топология) элементов.
Путем преобразования электрической принципиальной схемы
составляется схема расположения элементов и соединений. При
этом элементы изображаются упрощенно, однако желательно, хотя
бы без строгого соблюдения масштаба, учитывать соотношение
размеров элементов (рис. 2.23). Одновременно по возможности
упрощаются линии межсоединений, сокращается их длина,
количество изломов и пересечений. Составляется эскиз топологии на
миллиметровой бумаге в масштабе 100: 1 или 200: 1 и т.д.
77

При размещении на эскизе элементов биполярной
полупроводниковой ИМС необходимо руководствоваться следующими
основными положениями;
каждый элемент микросхемы должен размещаться в отдельной
изолированной области, в изолированных областях располагаются
также внешние контактные площадки и пересечения токоведущих
дорожек;

согласованные по электрическим параметрам пары
транзисторов, например транзисторы дифференциальных каскадов, следует
располагать рядом;
резисторы, изготовленные на основе базовой диффузии, могут
быть расположены в одной изолированной области /г-типа, которая
должна быть подсоединена к наибольшему положительному
потенциалу схемы, т. е. к источнику коллекторного питания;
транзисторы эмиттерных повторителей могут быть
расположены в обшей с резисторами изолированной области, поскольку к их
коллекторам подводится полное напряжение питания;
если в группе резисторов необходимо соблюсти стабильное
отношение номиналов, их следует располагать рядом друг с другом;
если в качестве диодов используются переходы эмиттер — база
транзисторов, то часть их или все они в зависимости от
электрической принципиальной схемы могут быть помещены в общую
изолированную область, при этом аноды диодов (базы транзисторов) с
помощью внешней металлизации должны быть закорочены на
изолированную (коллекторную) область;
если в качестве диодов используются переходы коллектор —
база транзисторов, то для каждого диода требуется отдельная
изолированная область;
для каждого полупроводникового конденсатора требуется
отдельная изолированная область. Исключение может быть сделано,
если одна из «обкладок» конденсатора является общей с другой
изолированной областью,4 например при емкостной связи между
каскадами или емкостном шунтировании цепи коллектора
транзистора;
элементы, рассеивающие значительную мощность,
целесообразно располагать в центре кристалла.
Необходимо предусмотреть контактную площадку к подложке
ИМС с изоляцией элементов p—n-переходами. Контактная
площадка создается в этом случае к разделительной р-области, причем
располагать ее следует как можно ближе к наиболее
нагруженному по мощности элементу (труппе элементов) схемы.
При определении расстояний между топологическими
элементами биполярных полупроводниковых микросхем можно
руководствоваться приведенными в табл. 2.4 их ориентировочными
значениями (конструктивно-технологические нормы).

Табл. 2.4. Ориентировочные размеры топологических элементов
(минимальные значения)
Топологический элемент Размер, мкм
Ширина контактного окна к полупроводниковой области 3
Ширина области полупроводника, ограниченной p—n-пере-
ходами 6
Ширина алюминиевой дорожки 5
Перекрытие алюминиевой пленкой контактного окна 1
Расстояние между алюминиевыми дорожками 3
Размер периферийной контактной площадки 75
Расстояние от периферийной контактной площадки до
активного или пассивного элемента 50
Расстояние от периферийной контактной площадки до края
кристалла 100
Ширина разделительной р-областп при изоляции p—n-псре-
'ходами 6—10
рины токопроводящих дорожек позволяет снизить их
сопротивление. При этом, однако, необходимо учитывать возрастание
паразитной емкости между металлизацией и подложкой.
Контактные площадки должны быть пронумерованы. Целесо-
• образно соблюдать соответствие нумерации контактных площадок
на эскизе (в последующем — на чертеже) топологии с нумерацией
выводов на принципиальной электрической схеме. Соблюсти
соответствие нумерации контактных площадок с нумерацией выводов
корпуса удается далеко не всегда, поскольку количество
контактных площадок может оказаться меньше количества выводов
используемого стандартного корпуса.
Процесс разработки топологии микросхем на основе МДП-
транзисторов с каналами одного типа проводимости более прост
по сравнению с разработкой топологии на биполярных
транзисторах, поскольку в данном случае нет необходимости выделять
изолированные области. Необходимо, однако, предусмотреть контакт
к подложке. При оценке минимальных размеров можно
руководствоваться данными табл. 2.4.
Если микросхема построена с применением КМДП-транзисто-
ров (см. рис. 2.8 и 2.9), необходимо для одного из типов
транзисторов выделять изолированные карманы (для нагрузочных или
ключевых транзисторов в цифровых схемах). Если электрической
схемой не предусматривается подача напряжения на
изолированные области (на подложку) от отдельного источника питания, то
области истоков изолированных транзисторов соединяются с
областями внутри карманов. В обратном случае на изолированные
карманы подается напряжение от отдельного источника.
После разработки эскиза топологии производится оценка ее
соответствия электрическим, конструктивным и технологическим
требованиям. На данном этапе разработки необходимо тесное
взаимодействие между разработчиками схемы, конструкторами и
технологами, В частности, на завершающем этапе рассчитывают
80

тепловой режим элементов микросхемы (см. § 5.2), параметры
надежности (§ 5.3), технико-экономические показатели (§ 5.4). Расчет
паразитных электромагнитных взаимодействий между элементами
микросхем, включая взаимодействия между межсоединениями, а
также между межсоединениями и подложкой, может быть наиболее
полно осуществлен путем составления эквивалентной схемы,
отражающей возможные паразитные связи, и дальнейшего ее анализа.
Однако подобный анализ электрической принципиальной схемы, в
которую включены паразитные элементы, чрезвычайно сложен
даже при автоматизации расчетов, и поэтому не всегда возможен.
В то же время сравнительно просто могут быть выполнены
оценочные расчеты параметров паразитных связей для отдельных
участков (фрагментов) ИМС с последующей экстраполяцией
результатов влияния этих связей на параметры ИМС в целом. Например,
для определенного функционального узла (вентиля * логической
ИМС, каскада аналоговой ИМС и т.п.) с достаточной точностью
могут быть рассчитаны паразитные емкости резистивных и
проводящих полупроводниковых элементов (см. § 1.4, 1.5), емкости
структур типа МДП, образованных металлом дорожек межсоединений,
пассивирующим поверхностным диэлектриком и полупроводником
подложки (§ 1.4, 1.8), сопротивления дорожек межсоединений и
таким образом определено время задержки, вносимое
коммутационными /?С-цепочками. Целесообразной является также оценка
параметров паразитных п—р—п, р—п—р или многослойных п—р—
п-—р-етруктур (см. § 1.7), в частности протекающих через них
токов, после чего могут быть определены суммарные токи утечки в
ИМС.
При необходимости в топологию вносят изменения.
Окончательный вариант эскиза топологии воплощается в виде чертежа
кристалла. Затем разрабатываются чертежи слоев с таблицами
координат вершин контуров элементов. Эти чертежи и таблицы
являются конструкторскими документами для изготовления
фотошаблонов.
2.8. Разработка топологии БИС и СБИС
При разработке топологии БИС и СБИС используется
иерархический принцип построения конструкции микросхемы, когда каждая
конструктивная единица (модуль) состоит из набора
конструктивных единиц более низкого уровня. Модули содержат
функциональные ячейки различной сложности. Например, модули высокого
конструктивного уровня могут представлять собой ЗУПВ, ПЗУ,
операционные усилители, ЦАП и АЦП. Модули более низкого уровня
содержат функциональные ячейки со средним уровнем интеграции:
сдвиговые регистры, счетчики, мультиплексоры, дешифраторы,
аналоговые ключи. На еще более низком уровне используются модули,
содержащие отдельные логические элементы (вентили), триггеры.
Перечисленные конструктивные единицы составляют
библиотеку основных макроэлементов в виде функциональных ячеек. Кроме
6. Э, А. Матсон 81

них, б библиотеку вводятся вспомогательные элементы: реперные
метки для совмещения фотошаблонов, тестовые (контрольные)
структуры транзисторов, резисторов и т. п., линии скрайбирования,
маркировочные буквы и цифры.
Поскольку универсальность микропроцессоров достигается
изменением их функциональных возможностей с помощью замены
внешних ЗУ, микросхемы, входящие в МПК, являются как в функ-;
ционалыюм, так и в конструктивном отношении
специализированными. Поэтому разработка топологии большинства подобных БИС
ведется методом
функциональных ячеек без использования
принципа базовых кристаллов.
Микросхемы ППЗУ и ПЛМ,
также входящие в состав МПК,
являются по существу БИС на
основе базовых кристаллов.
Кроме того, базовые кристаллы
широко используются для создания
узкоспециализированных БИС.
Независимо от того,
используется принцип базового
кристалла или нет, при
конструировании обеспечивается
макси мальная регулярность
расположения основных типовых
элементов на поле кристалла, что
позволяет с большей
эффективностью применять средства
автоматизированного
конструирования. Другой особенностью
топологии БИС является использование, как правило, многоуровневой
коммутации. При этом создаются каналы межсоединений,
проходящих в виде низкоомных полупроводниковых областей под
поверхностным окислом, а также многоуровневая разводка на
поверхности кристалла с помощью, например, поликристаллического
кремния.
На рис. 2.24 показан план кристалла матричной БИС на бипо-
.лярных транзисторах. Регулярная однородная структура содержит
наборы вентилей двух типов. По периферии кристалла
расположены элементы ввода — вывода. Шины питания и шины земли
образуют сетку пересекающихся на двух уровнях дорожек соединений.
Значительное расширение функциональных возможностей БИС
достигается при использовании разнотипных в конструктивном
отношении элементов. На рис. 2.25 изображен план кристалла
матричной БИС, содержащей КМДП-транзисторы с металлическими
затворами, а также биполярные транзисторы различной мощности,
диоды и другие элементы. В качестве макроэлементов в матричную
БИС входят операционные усилители, программируемые
логические матрицы, компаратор и другие элементы. Широкая номенкла-
.82
Рис. 2,24. План кристалла
матричной БИС на биполярных
транзисторах:
■7—логический элемент 1-го типа; 2—
логический элемент 2-го тина;
3—элемент Ехода—выхода; 4—шина земли;
5—шина питания.

тура элементов обеспечивает выполнение микросхемой цифровых и
аналоговых функций.
Функциональная специализация матричных БИС, ' подобных
показанным на рис. 2.24 и 2.25, осуществляется путем разводки
межсоединений, соответствующей требуемой электрической схеме.
Программы автоматизированной трассировки межсоединений,
помимо применения самим изготовителем БИС, могут передаваться
пользователю для изготовления фотошаблонов с целью вскрытия
контактных окон и металлизации на месте.
Рис, 2.25. План кристалла матричной
БИС на КМДП и биполярных
транзисторах:

конструирования (проектирования). Например, первой программой
подобного рода может быть программа расчета профиля
распределения концентрации примесей в полупроводниковой структуре
ИМС, поскольку данный профиль определяет в основном все
электрофизические параметры элементов микросхемы. Результатом
расчета являются табличные или графические данные о семействе
кривых, описывающих распределение концентрации примесей в
зависимости от параметров исходного материала и режимов
технологических процессов. Затем на основании полученных данных о
профилях распределения примесей и при помощи программ расчета
и конструирования конкретных элементов ИМС могут быть
получены электрические характеристики элементов, например вольт-
амперные характеристики диодов, зависимости коэффициентов
передачи тока транзисторов от тока и т. п., во взаимосвязи с
конфигурацией и размерами этих элементов.
Данные об электрических характеристиках элементов позволяют
формировать функциональные ячейки: наборы логических вентилей,
регистров, триггеров, элементов памяти, арифметико-логических
устройств микропроцессоров. Строится схема для реализации
конкретных логических функций (для цифровых ИМС). В результате
моделирования поведения логической схемы с помощью программы
логического проектирования определяется, какими будут выходные
сигналы схемы, если в нее вводится определенная
последовательность входных сигналов. Альтернативой подобной программе на
этапе расчета схемы является программа расчета линейного
матричного уравнения, составленного на основе уравнений Кирхгофа в
дифференциальной форме. При этом программа содержит модели
элементов (транзисторов, диодов и т.п.). Таким путем поведение
схемы может быть проанализировано более точно, однако в данном
случае требуются более значительные затраты машинного времени
и больший объем памяти, чем при логическом проектировании.
Далее следует этап автоматизированной разработки топологии,
обеспечиваемой соответствующими программами размещения
элементов и трассировки межсоединений: Программы учитывают
конструктивно-технологические нормы (минимальные размеры,
технологические поля и т. п.). Работа завершается разработкой
управляющей программы для автоматизированного изготовления
комплектов фотошаблонов.
Расчеты профилей распределения концентрации примесей, а
также расчеты, обеспечивающие конструирование элементов,
обычно не требуют специального аппаратурного обеспечения и могут
быть выполнены с помощью широкого класса ЭВМ. Этапы
конструирования топологии и изготовления фотошаблонов, напротив,
выполняются, как правило, с помощью аппаратурно-программных
комплексов. Широкое распространение получили аппаратурно-про-
граммные специализированные комплексы, конструктивно
оформленные как комплексы автоматизированных рабочих мест^(АРМ).
Такие АРМы имеют один или несколько комплектов устройств для
ввода, вывода и редактирования графической и текстовой информа-
В4

ции в процессе конструирования. Каждый комплект устройств
образует один рабочий пост конструктора, а параллельная и
практически одновременная работа конструкторов на нескольких постах
обеспечивается операционной системой ЭВМ, управляющей
рабочими постами. Специализация обусловливается выбором устройств
с характеристиками, требуемыми для конструирования БИС, а
также проблемно-ориентированным программным обеспечением.
Внешние устройства, использу Технические средства
ЭВМ
£мые с обоих рабочих мест рабочих мест конструкторов
iz ^ ii
• Графопостроитель I Дисплей I
j ЭМ7022 |V 1 символьный (ДС) I
j \ г— «
Устройство передачи \ I I ] Дисплей запоминающий I
ДЗМ-180 Nv . *N Мини-ЭВМ I графический (ДЗГ) I
г | ^"Электроника 1000-25'i j "' ■
I Накопительна маг- ] 1 I I Большой графический j
■; нитном диске СМ 54003 | j (процессор, блоки \] кот^оттк (БГК) j
i ■ j ^^ I интерфейса) I i j
| Накопитель на маг- \^^ I I I Малый графический I
битной ленте И ЗОТ 5003 Г L......,.—„ , 1 *• I I кодировщик (МГК) I
t 1 j I . 1
I 1 _ i ;—»
t Пультовая ПМ I I Функциональная |
I "Консул-260" клавиатура (ФК) I
s 111! 1 j J L_ 1
I Перфоратор ленты | j Символьная I
К-мС 1 j I
ПЛ-150 клавиатура (СЮ J
i- ДС
. j |-| дзг
I j— БГК
!—| wtk j
[--{" фк|
Рис. 2.26. Состав технических средств системы
автоматизированного конструирования полупроводниковых ИМС.
На рис. 2.26 показан состав технических средств
отечественного двухпостового АРМ. Он имеет два комплекта
полуавтоматических кодировщиков, графических и символьных дисплеев,
организованных как параллельно функционирующие рабочие посты
конструкторов. Здесь используются два кодировщика — большой и
малый. Большой кодировщик необходим для полуавтоматического
85

кодирования эскизов слоев с увеличением до 1000 и более раз. На
малом кодировщике осуществляется построение частичных
фрагментов конструкции БИС с немедленным отображением
результатов построения на графическом дисплее.
Функциональная клавиатура графического дисплея
обеспечивает выполнение таких операций, как изменение масштаба
изображения и шага координатной сетки на экране дисплея, выделение или
стирание части изображения, построение отрезков и контуров,
ограничивающих участки топологических рисунков слоев, и т. д. В
конструкции дисплея использована запоминающая ЭЛТ с временем
послесвечения до 30 мин. Благодаря этому обеспечена удобная
работа конструктора.
Кроме устройств, образующих два рабочих поста
конструкторов, в состав АРМ входят устройства коллективного пользования—
процессор, оперативное и долговременное ЗУ, устройство быстрой
печати, перфоратор, графопостроитель. Графопостроитель
планшетного типа имеет большой размер рабочего поля и высокую скорость
вычерчивания прямых линий, параллельных координатным осям
или проходящих под углами, кратными 45°.
Все устройства АРМов имеют электрическую связь с мини-ЭВМ
«Электроника 1000-25». Ниже приводятся основные характеристики
графических устройств.
Размеры рабочих полей, мм:
графического дисплея (по диагонали) 180
большого графического коридовщика 1100X1500
малого графического кодировщика 400X400
графопостроителя 1200X1600
Количество адресуемых точек на поле 1024X1024
графического дисплея
Средняя скорость графопостроителя, м/с 0,2
Погрешность большого коридовщика, мм 0,125
Количество символов, отображаемых одновременно на
символьном дисплее 1920
В промышленности получил применение также однопостовой
вариант АРМа на базе микроЭВМ «Электроника-бОМ». Он имеет
аналогичный комплект устройств рабочего поста конструктора, но
более компактен благодаря небольшим размерам ЭВМ.
Пакет прикладных программ для разработки БИС на средствах
АРМ обеспечивает выполнение интерактивного (диалогового)
процесса конструирования изделия с активным участием конструктора
на этапах разработки кодирования топологических рисунков слоев,
проверки выполнения технологических и других ограничений,
формирования управляющей программы генератора изображений.
Последовательность действий конструктора, работающего на
АРМе, соответствует этапам 1 и 3—13 схемы алгоритма процедуры
интерактивного конструирования БИС (рис. 2.27).
Эскизы, отображающие начальные варианты топологических
рисунков слоев, выполняются конструктором с учетом следующих
правил: изображения всех или нескольких слоев совмещаются в
одной проекции и выполняются на безусадочной миллиметровой
86

кальке в несколько цветов; топологические рисунки слоев
составляются только из разрешенного набора простых геометрических
элементов (рис. 2.28); все узловые точки топологических рисунков
должны находиться в узлах выбранной координатной сетки (если
юна используется); если есть повторяющиеся фрагменты, то можно
I Задание на автоматизированное I*
I конструирование БИС 1
f ' ~ ♦
J Автоматизированный синтез топологии I Неавтоматизированный синтез топологии,!
| 6V5C {размещение, трассировка) I I разработка эскиза, кодирование I
J Подготовка эскизов слоев БИС ]
I к полуавтоматическому кодированию I
в 1
J J Кодирование с применением БГК, МГК J
6 1
I I Контрольное отображение на ДЗГ, I
I ! редактирование I
j —«—j Занесение в библиотеку I
r._J , I
I Библиотека {архив I Г* I
| , „ ,1—3*Н Выбор фрагментов из библиотеки 1
I графических образов)! | *
I 1 j
гю * 1
I Диалоговые конструкторские операции |
I (мультипликация, дотрассироока, I
I перемещение, изменение конфигураций) I
Г
г—11 | 1
I Диалоговые технологические операции I
1 I
I (проверка зазоров, перекрытий, вклю- I
1 чение знаков качества и др.) |
I
Г12— *—■ j
I Контрольное прочерчивание слоев I
I На графопостроителе I
-13 1 .
I Компилирование и вывод на перфоленту!
t, I или МЛ управляющей программы I
I генератора изображений (ГИ) j
Г
Г14 " ! ; 1
| Автоматическое изготовление I
I фотошаблонов на ГИ [
Рис. 2.27. Схема алгоритма процедуры интерактивного
конструирования БИС.
87

показать конфигурацию одного из них, а для остальных задать
закон вычисления точек привязки; масштаб эскизов и шаг
координатной сетки выбираются с учетом погрешностей графического
кодировщика, координатной сетки кальки — носителя эскиза, а также
погрешностей, вносимых человеком-оператором, кодирующим
эскиз.
Графическое изображение Параметры
Вид элемента
элемента элемента
Прямоугольник горизонтальный Т1 f T2
Прямоугольник вертикальный Т1 T2
Прямоугольник наклонный Т1-ТЗ
Контур-граница замкнутой области j) - J9
Полоска постоянной ширины Т1~Т7
Круг Т1, R

Конструктор осуществляет кодирование эскизов слоев в
полуавтоматическом режиме путем поочередного указания узловых точек
па большом или малом кодировщиках. Координаты точек
автоматически вычисляются блоком считывания кодировщика, вводятся в
ЭВМ и накапливаются в памяти для дальнейшей обработки.
Конструктор также создает библиотеку повторяющихся элементов то-
пологзаческого рисунка, используя кодирование вычерченных на
эскизе фрагментов или построение их конфигураций на малом
кодировщике с отображением на графическом дисплее.
Закодированные элементы поочередно отображаются на графическом дисплее с
целью проверки и корректировки.
После завершения кодирования элементов топологического
рисунка и библиотечных элементов конструктор производит
необходимые операции уточнения или изменения топологии слоев с
помощью графического и алфавитно-цифрового дисплеев. Вызов
необходимых программ осуществляется с помощью клавиатуры АЦ
дисплея, вызов операций графического дисплея — с помощью
функциональной клавиатуры. На экране можно отобразить в требуемом
масштабе любой фрагмент одного слоя БИС или просмотреть
несколько слоев одновременно. Функциональная клавиатура
обеспечивает следующие графические действия: изменение масштаба и
шага координатной сетки, построение геометрических элементов,
итерационное размножение библиотечных элементов, т. е.
автоматическое построение их конфигураций с требуемым шагом,
стирание линий.
В процессе любого графического построения на экране дисплея
используется рабочий орган (курсор), перемещаемый по рабочему
полю малого кодировщика. Его движения синхронно отображаются
на экране. Выполнение ограничений проверяется конструктором при
последовательном просмотре фрагментов конструкции на экране
дисплея. Если ограничение не выполняется, конструктор изменяет
на экране конфигурации отдельных фрагментов конструкции.
Результаты конструирования автоматически вычерчиваются по
команде конструктора на графопостроителе. На заключительном
этапе автоматически компилируется и выводится на машинный
носитель (магнитную ленту, перфоленту) управляющая ' программа
генератора изображения для изготовления фотооригиналов и
фотошаблонов.

3. ОСНОВЫ РАСЧЕТА ЭЛЕМЕНТОВ И КОНСТРУКЦИИ
КОМПОНЕНТОВ ГИБРИДНЫХ ИМС И МСБ
3.1. Материалы пленочных элементов
В состав элементов тонко- и толстопленочных гибридных
интегральных микросхем и мнкросборок входят пленочные резисторы,
конденсаторы, спирали индуктивности, распределенные RC- и LC-
структуры, а также соединительные пленочные проводники.
Материалами для изготовления тонкопленочных резисторов
служат металлы (хром и др.), сплавы металлов (нихром и др.),
композиционные сплавы металлов и неметаллов (керметы, металло-
снлицидные резистивные сплавы), химические соединения
(например, азотистые соединения тантала). Основными параметрами
резистивных материалов являются удельное сопротивление
квадрата резистивной пленки, температурный коэффициент сопротивления,
допустимая удельная мощность рассеяния (см. § 1.5). Поскольку
тонкие пленки, получаемые распылением материалов в вакууме,
являются поликристаллическими, их кристаллическая структура и
электрические свойства подвержены необратимым изменениям во
времени, в особенности при повышенной температуре (процесс
старения), что необходимо учитывать при расчете резисторов.
Некоторые свойства тонкопленочных резистивных материалов
приведены в табл. П.6.
Материалами для толстопленочных резисторов служат пасты на
основе металлических порошков в смеси со стеклянной фриттой и
связующими. Применяются композиции: серебро—палладий—окись
палладия, серебро—окись ' рутения, висмут—рутений, рутений—
иридий, платина—окись иридия. Толщина резистивных пленок
после вжигания составляет примерно 20 мкм.
Резистивные пасты, приготавливаемые па основе композиции
палладий—серебро, обеспечивают поминальные сопротивления
резисторов от 25 Ом до 1 МОм. Сопротивление квадрата резистивной
пленки соответствует следующему ряду значений: 50, 100, 500, 1000,
3000, 6000, 20 000, 50 000 Ом/кв. Температурный коэффициент
сопротивления подобных паст не превышает 8*10"4 1/град в
интервале температур —60...+ 125°С. Допустимая удельная мощность
рассеяния составляет 5 Вт/см2.
Если в микросхеме отношение максимального и минимального
сопротивлений /?max//?min<5—6, то резисторы могут быть
изготовлены из пасты одной марки. В противном случае необходимо
использовать набор паст с различным удельным сопротивлением.
Толстопленочные резистивные материалы, как и тонкопленочные,
подвержены процессу старения. Изменение удельного
сопротивления после выдержки в течение 30 суток при относительной влажно-
90

сти воздуха 98% и температуре 40 °С составляет величину до ±3%.
Стабильная работа толстопленочных резисторов зависит также от
величины падения напряжения на них. Допустимая нагрузка по
напряжению не должна превышать 20 В/мм по длине резистивной
полоски. Изменение номинала сопротивления (нестабильность)
в зависимости от приложенного напряжения составляет
(1—5)10-4%/В.
Влияние напряжения на сопротивление объясняется
проявлением частично полупроводникового характера проводимости
толстопленочных резисторов из-за имеющихся в их структуре окислов
металлов. Наличие полупроводникового компонента в механизме
проводимости толстопленочных резисторов обусловливает появление
шумов типа l/f. Уровень шумов измеряется в микровольтах
напряжения шумов на вольт приложенного к резистору постоянного
напряжения и находится в пределах 1—5 мкВ/В. Некоторые
свойства паст для изготовления толстопленочных резисторов приведены
в табл. П.7.
Для изготовления тонкопленочных проводников и контактных
площадок используют наборы (системы) материалов.
Первоначально на подложку наносится пленка материала, имеющего хорошую
адгезию к подложке (нихром или титан), затем — материал с
высокой удельной проводимостью (алюминий, медь и др.), после
чего — пленка из материала, обеспечивающего ' условия для
припайки или приварки проволочных или других выводов, а также
защиту проводниковой дорожки от внешних воздействий (например,
никель). Некоторые характеристики материалов для
тонкопленочных проводников приведены в табл. П.8.
Проводниковые пасты на основе системы палладий—серебро для
толстопленочных ГИС и МСБ обладают удельным сопротивлением
от 0,05 до 0,5 Ом/кп. Толщина пленок после вжигания составляет
10—20 мкм. Пасты на основе золота имеют удельное сопротивление
0,05—0,005 Ом/кв. Некоторые свойства паст для проводящих
элементов ГИС и МСБ приведены в табл. П.9 и П. 10.
Максимальная сила тока, который может проходить по
толстопленочной проводниковой дорожке, ограничена шириной дорожки в
соответствии со следующими данными:
Ширина проводника, мм 1 0,80 0,60 0,30 0,15
Сила тока, А | 6 J 3 | 2 | 1 | 0,3
Материалы диэлектриков тонкопленочных конденсаторов
представляют собой окислы полупроводников (кремния, германия),
металлов (алюминия, тантала, титана и др.), стекла различных
составов, химические соединения (трехсернистая сурьма и др.). Их
важнейшими параметрами являются относительная диэлектрическая
проницаемость и удельная емкость. Кроме того, весьма
существенное значение имеют температурный коэффициент емкости (ТКЕ)
и тангенс угла диэлектрических потерь.
91

Для защиты пассивной части плат тонкопленочных ГИС и МСБ
используются, как правило, фоторезисты и различные лаки. Эти же
материалы применяются для защиты тонкопленочных проводящих
дорожек в том случае, если поверх них в поперечном направлении
пропускаются проволочные проводники для создания пересечения
токопроводящих дорожек или проволочные проводники навесных
компонентов.
Некоторые свойства диэлектрических материалов для
тонкопленочных конденсаторов приведены в табл. П.11, а для защитной
изоляции — в табл. П. 12.
Диэлектрические материалы для толстопленочных
конденсаторов приготавливаются на основе смеси керамических или
стеклянных порошков с добавками флюсов и связующих. Для повышения
надежности конденсаторов диэлектрические пасты наносятся в два
слоя.
Используя пасты, обеспечивающие удельную емкость С0=
= 3700 пФ/см2, изготовляют конденсаторы с номинальной емкостью
от 50 до 300 пФ, а пленки с Со=10 000 пФ/см2 позволяют
производить конденсаторы в диапазоне от 100 до 2500 пФ. Погрешность
емкости конденсаторов обычно составляет +15%. Пробивное
напряжение не менее 150 В.
Пасты для межслойной изоляции и защиты от внешней среды
приготовляют из низкоплавкого стекла и керамики в смеси с
флюсом и связующими. Толщина диэлектрического слоя составляет от
30 до 70 мкм, удельная емкость —от 150 до 200 пФ/ем2, пробивное
напряжение — 500 В. Сопротивление изоляции более 1012 Ом при
постоянном напряжении 100 В. Для изоляции многослойной
сложной разводки межсоединений используется кристаллизующееся
стекло.
В целях удобства сортировки различных микросхем на
операциях сборки применяются разноцветные защитные пасты.
Параметры паст для толстопленочных конденсаторов и
межслойной изоляции приведены в табл. П. 13.
3.2. Пленочные резисторы
Пленочные резисторы являются наиболее распространенными
элементами ГИС и МСБ. Кроме того, в связи с развитием
микропроцессорной техники они все более широко применяются в
полупроводниковых программируемых ПЗУ (ППЗУ), где выполняют
роль пережигаемых перемычек с заданным сопротивлением (см.
§ 2.3).
Исходными данными для расчета пленочных резисторов служат
номинальное сопротивление Р, рассеиваемая мощность Р,
допустимая погрешность сопротивления у%. В качестве дополнительных
ограничений могут быть заданы рабочее напряжение £/рао, частота
/раб И Др.
Расчет резисторов начинают с выбора резистнвного материала.
При этом необходимо учитывать, что коэффициент формы тонко-
92

пленочного резистора простой прямоугольной конфигурации (рис.
3.1, а), изготавливаемого по масочной технологии, как правило,
должен находиться в пределах 0,5^/еф^Ю. Нижний предел этого
неравенства связан с возможностью возникновения значительных
погрешностей сопротивления при &ф<0,5 вследствие погрешностей
совмещения масок для резистивных и проводниковых пленок
(контактных площадок). Верхний предел неравенства ограничен
необходимостью сохранения жесткости маски. Применение фотолитогра-

Рис. 3.1. Конструкции пленочных резисторов:
а— простой прямоугольной формы; б—сложной формы с проводящими перемычками; в—типа
меандр; г—змеевидной формы; /—резистивная пленка; 2—контактные площадки,
фии позволяет расширить указанные пределы, однако и в этом
случае верхний предел коэффициента формы рекомендуется
ограничить £ф=^50, поскольку слишком длинные прямолинейные
резисторы в дальнейшем создают неудобства при разработке топологии
платы. Верхний предел кф тонкопленочных резисторов сложной
формы (рис. 3.1, б—г) практически не ограничивается.
Необходимо также иметь в виду, что при расчете группы
тонкопленочных резисторов, входящих в состав одной ИМС и
располагаемых на одной плате, крайне нежелательно использовать
различные резистивные материалы или пленки из одного и того же мате-
93

риала, но различной толщины. Нарушение этого требования ведет
к усложнению технологии. Напротив, при использовании
толстопленочной технологии рекомендуется изготавливать резисторы на
одной плате из различных паст, если отношение номиналов
максимального и минимального сопротивлений резисторов ГИС или МСБ
#max/#min>5. Однако толстопленочные резисторы применяются, как
правило, только в форме прямоугольных прямолинейных полосок.
Резисторы сложной формы не изготавливаются вследствие
особенностей толстопленочной технологии, в частности в связи с
возможностью применения на одной плате различных паст, а также
вследствие образующейся неравномерности толщины слоя пасты при
нанесении се вдоль короткой стороны резистивной полоски.
Зная удельное сопротивление ркп выбранного резистивного
материала, можно определить коэффициент формы каждого
резистора, входящего в состав конструируемой ГИС пли МСБ, согласно
соотношению кф=Я/рш, Затем необходимо определить
геометрические размеры каждого резистора. Для резисторов, у которых
&Ф^1» расчет начинается с определения их ширины Ь, поскольку в
данном случае ширина является наименьшим геометрическим
размером, т. е. наиболее критичным к тепловым нагрузкам и
погрешностям изготовления. Резисторы с /е§<1 рассчитывают поэтому
начиная с определения их длины /.
Расчет ширины резистора, имеющего £ф>1, по условию
рассеиваемой мощности ведется с использованием соотношения (1.17),
причем значения максимально допустимой удельной мощности
рассеяния Р0 определяются по табличным данным для выбранного
материала.
Для расчета длины резисторов с /еф<1 формула (1.17)
преобразуется к виду

нимается максимальное из трех полученных значений,
определяемое формулой (1.23) или при расчете длины формулой

Полученные значения окончательно округляются в большую
сторону.
Резисторам с /гф>10 целесообразно придавать форму меандра
или так называемую змеевидную форму.
Резистор типа меандр с проводящими перемычками (см. рис..
3.1, б) рассчитывается следующим образом. Ширину резпстивной
полоски определяют исходя из вышеизложенных соображений для
расчета резисторов простой прямоугольной формы. Для
размещения целого числа резистивных полосок одинаковой длины на,.
участке площади подложки с размерами L и В ширина полоски
должна отвечать соотношению

щек резистор типа меандр, имеет квадратную форму, то количество
Z-образных звеньев п может быть найдено по формуле

реально обеспечиваемой технологическим процессом
(технологическая подгонка), а также для целенаправленной корректировки
электрических параметров микросхем (функциональная подгонка).
В частности, подгонке могут подвергаться резисторы резистивных
матриц для токозадающих цепей прецизионных цифро-аналоговых
преобразователей (ЦАП).
Технологическая подгонка сопротивления резистора
необходима, когда |7лтсхн|>|унрасч| (см. формулы (1.20) п (1.21)). Как
правило, подгонка осуществляется
в сторону увеличения
сопротивления резисторов. Это означает, что у
резистора, дискретно подгоняемого
по длине (рис. 3.5, а), перерезаются
проводящие перемычки, а у
резистора, подгоняемого по ширине
(рис. 3.5, б), перерезается резис-
тивная пленка подгоночных
секций.

ление последовательно включенных нерегулируемой и всех
подгоночных секций, а для резистора, подгоняемого по ширине,—
сопротивление нерегулируемой секции.
Получение заданного сопротивления резистора с помощью
подгонки ВОЗМОЖНО, еСЛИ ВЫПОЛНЯЮТСЯ УСЛОВИЯ: /?ИСхтах^Ятах И
А пред min^Amiib ГД€

Тогда исходное и предельное сопротивления резистора будут
связаны соотношением

Аналогичным образом рассчитываются сопротивления
остальных подгоночных секций.
Пример. Рассчитать пленочный резистор с параметрами: номинальное
сопротивление R = 10 кОм; допустимая погрешность у^ = 3%; рассеиваемая мощность
Р г - 4 мВт; диапазон рабочих температур Т ±= 20 — 80°G; материал резистора —
сплав типа МЛТ-ЗМ с удельным сопротивлением ркв = 500 Ом/кв; допустимая
удельная рассеиваемая мощность Р0 = 20 мВт/мм2, температурный коэффициент
сопротивления an =0,6-Ю-4 град"1, погрешность в результате процесса
старения у© ст = 0,5%; погрешность воспроизведения удельного сопротивления
материала в процессе нанесения уп =4%; абсолютные среднеквадратичные
отклонив
нения геометрических размеров резистивной полоски А/ = АЬ = 0,01 мм.
Решение. Найдем коэффициент формы резистора

Ширина резистивной полоски из условия допустимой удельной рассеиваемой
мощности равна

Суммарное сопротивление секций подгонки составляет

Рассчитаем количество подгоночных секций

Длина резистора составляет

: Относительная технологическая погрешность

Ширина секции подгонки

Поскольку технология позволяет изготавливать полоски шириной не менее
0,1 мм, принимаем окончательно Ьс. ш=0Д мм.

При расчете ширины толстопленочных резисторов, которые
обычно подгоняются путем создания шлица (реза) лазерным
лучом, как показано на рис. 3.7, необходимо предусматривать
ослабление ширины резистора в
результате подгонки. Расчет при
этом ведется по формуле


деленных диэлектриком (рис. 3.8, а—г), рассчитывается по
формуле C=C0S, где С0—удельная емкость; 5 — площадь перекрытия
обкладок.
Удельная емкость зависит от толщины и свойств диэлектрика;

Если необходимо обеспечить заданную погрешность емкости,
удельная емкость конденсатора определяется из соотношения

Размеры нижней обкладки:

Размеры диэлектрика:

щей приближенной формуле:

где 2а — расстояние между «обкладками»; Ь — ширина пленки,
образующей «обкладку».
Добротность пленочных конденсаторов представляет собой
величину, обратную тангенсу угла потерь:

где х — текущее значение координаты вдоль направления
протекания тока через резиртор /?С-элемента. Использование неоднородных
/?С-элементов позволяет улучшить электрические характеристики
устройств на их основе.
Конструкция однородного /?С-элемента показана на рис. 3.9,
Расчет подобного элемента выполняется следующим образом.
Располагая известными из
электрического расчета значениями R
и С, выбирают материалы
резистора и обкладки конденсатора. Далее
рассчитывают ширину резистивной
полоски, принимая во внимание, что
площади, занимаемые резистором и
конденсатором, одинаковы, т. е.

где I — индуктивность, мкГн; D — диаметр по средней линии, см;
Ь — ширина пленки, см; d — толщина пленки, см.
Индуктивность квадратной петли (рис. ЗЛО, б)

Для круглой многовитковой спирали (рис. 3.10, в)
индуктивность рассчитывается по формуле

3.6. Компоненты ГИС и МСБ
В ГИС и МСБ в качестве навесных компонентов широко
применяются бескорпусные транзисторы и наборы транзисторов
(транзисторные матрицы), диоды и наборы диодов, полупроводниковые
микросхемы, миниатюрные резисторы, конденсаторы и наборы из
них, миниатюрные трансформаторы. Кроме того, в МСБ могут
применяться транзисторы, диоды и полупроводниковые ИМС в
миниатюрных корпусах. Входит в практику применение миниатюрных

Рис. 3.11. Бескорпусные транзисторы для ГИС и МСБ:
а—с гибкими выводами; б—с шариковыми выводами; в—с балочными выводами.
подстроечных конденсаторов и резисторов с изменяемыми
емкостями и сопротивлениями.
Конструктивное выполнение навесных миниатюрных
компонентов в корпусах или бескорпусных чрезвычайно многообразно.
Поэтому ограничимся лишь характерными примерами.
Варианты конструктивного выполнения бескорпусных
транзисторов с гибкими (проволочными) и жесткими (шариковыми и
балочными) выводами приведены на рис. 3.11. Наиболее широкое
использование в ГИС и МСБ находят транзисторы с гибкими
выводами. Однако они не обеспечивают возможности
автоматизации процесса сборки. Поэтому в больших гибридных
интегральных схемах (БГИС) более целесообразно применять
компоненты с жесткими выводами. При этом необходимо иметь в виду,
что компоненты с шариковыми выводами создают трудности при
совмещении выводов с контактными площадками на плате
микросхемы, поскольку монтажные места закрываются от оператора
кристаллом. Компоненты с жесткими выводами обеспечивают
112

большую надежность ГИС по отношению к механическим
воздействиям.
В конструкции Б ГИС входят бескорпусные полупроводниковые
ИМС малой и средней степеней интеграции. На рис. 3.12 показан
вариант конструктивного выполнения бескорпусной полупроводни-

Рис. 3.12. Конструкция бескорпусной полупроводниковой
ИМС с гибкими выводами.

щади платы ГИС или МСБ, целесообразно использовать диодные
матрицы даже в тех случаях, когда не все диоды матрицы
включаются в схему. Эти рекомендации не относятся к диодам
специальных типов (туннельным и т. п.).
Бескорпусные навесные резисторы в тонкопленочных ГИС и
МСБ применяются, если диапазон номиналов резисторов в составе
микросхемы настолько широк, что на основе пленок из одного ре-
зистивного материала все резисторы не могут быть изготовлены в
виде элементов. Поскольку использование нескольких резистивных
материалов усложняет технологию и удорожает производство,
наиболее многочисленную группу резисторов с относительно близкими
номиналами целесообразно изготовлять в виде элементов, а
резисторы с крайними значениями номиналов (очень малыми или
большими сопротивлениями) выполнять в виде навесных компонентов.
Кроме того, миниатюрные навесные резисторы следует применять
лри повышенных требованиях к погрешности номинала (менее
10%) без подгонки, к температурным изменениям сопротивления
(менее 10~4 град™1)) при повышенной рассеиваемой мощности
(единицы ватт)> а также как специальные резисторы (переменные под-
-строечные, фоторезисторы и т.п.). Вариант конструктивного
выполнения навесного резистора таблеточного типа и его установки
на плату показан на рис. 3.13, а.
На рис. 3.13, б представлена одна из конструкций бескорпусного
конденсатора. Конденсаторы в виде навесных компонентов
применяются в ГИС и МСБ очень широко, так как обладают более
высокой, чем пленочные, электрической надежностью (надежность по
•отношению к механическим воздействиям при применении
навесных конденсаторов не повышается). Кроме того, навесные
конденсаторы следует применять в случаях необходимости обеспечения
большой емкости (до 105 пФ), большого рабочего напряжения (до
250 В).
Помимо стандартных навесных компонентов, в ряде случаев
целесообразно изготавливать их специально на том же
предприятии, где производятся ГИС или МСБ. В частности, резисторы с
очень большими или малыми значениями номиналов сопротивлений
. (о чем говорилось выше) можно изготавливать для разделения
технологического процесса в виде отдельных конструкций (чипов)
л затем монтировать их на плате ГИС или МСБ.

4. КОНСТРУКЦИИ ГИС, БГИС, МСБ И ОСНОВЫ
ИХ РАЗРАБОТКИ
4.1. Общие характеристики
Обусловленная стандартами классификация гибридных
микросхем и микросборок на тонкоплеиочные и толстопленочные
дополняется в инженерной практике, как правило, еще рядом признаков,
позволяющих уточнить конструктивно-технологическое исполнение
и функциональные характеристики данных микроэлектронных
изделий. Так, например, принимаются во внимание существенные
различия в технологии тонкопленочных и толстопленочных микросхем,
что оказывает влияние на конструктивные ограничения при
разработке.
Важной характеристикой ГИС, БГИС и МСБ является также
тип корпуса, в котором они размещены. При этом большое
значение имеют материалы, из которых выполнен корпус (металлостек-
лянный, полимерный и т. п.). Кроме того, необходимо иметь в виду,
что керамические микросхемы, классифицируемые стандартом как
«прочие», в инженерной практике и в технической литературе
обычно также включаются в группу гибридных.
По степени интеграции, помимо классификации на микросхемы
1-й, 2-й, ... степеней интеграции, рассматриваемая группа
микроэлектронных изделий подразделяется на микросхемы малой,
средней, большой (БГИС) и сверхбольшой (СБГИС) степеней
интеграции. К гибридным микросхемам БГИС относятся микросхемы с
количеством элементов и компонентов более 100. СБГИС имеют
более 1000 элементов и компонентов. Гибридные микросхемы и
микросборки могут обладать очень высокой степенью интеграции,
поскольку в них в качестве навесных компонентов применяются
полупроводниковые БИС, содержащие в свою очередь сотни и
тысячи элементов.
По значению рассеиваемой мощности принято разделять ГИС и
МСБ на маломощные (менее 50 мВт на микросхему), средней
мощности (от 50 до 500 мВт) и большой мощности (более 500 мВт).
Гибридные микросхемы превосходят полупроводниковые по уровню
рассеиваемой мощности. Они могут быть рассчитаны на мощность
в сотни ватт, вплоть до киловатта. Такие возможности ГИС и МСБ
обеспечиваются применением в них специальных мощных
транзисторов и других активных элементов, сильнонагруженных
резисторов, а также специальных конструкций охлаждаемых корпусов.
По диапазону рабочих частот ГИС, БГИС и МСБ принято раз*
делять на низкочастотные (до 500 кГц), высокочастотные (до
500 МГц), сверхвысокочастотные (от 500 МГц до десятков
гигагерц). По частотному диапазону гибридные микросхемы также
8* 115

превосходят полупроводниковые. Это достигается применением в
ГИС и МСБ специальных активных компонентов: мощных СВЧ
транзисторов, СВЧ полупроводниковых диодов, диодов Ганна и т. п.
Кроме того, в гибридных микросхемах в качестве основания
используются диэлектрические подложки, что позволяет изготавливать
микрополосковые линии (аналоги волноводов) с малыми потерями
энергии.
Несмотря на достоинства гибридных микросхем, они уступают
полупроводниковым микросхемам по ряду важных показателей,
например по устойчивости к механическим воздействиям, т. е. по
надежности, а также по степени интеграции элементов на единицу
площади, по плотности упаковки.
4.2. Подложки и платы
Подложкой называется основание в виде заготовки,
предназначенной для расположения на ней пленочных элементов, навесных
компонентов, межэлементных или межкомпонентных соединений и
контактных площадок гибридных микросхем. Часть подложки, на
которой располагается одна микросхема, называется платой.
Подложка является важным конструктивным элементом ГИС, БГИС и
МСБ, в значительной мере определяющим электрические и
механические характеристики микросхем, их стабильность и надежность.
Подложка должна обладать высокими электрическим
сопротивлением и электрической прочностью, обеспечивать малые потери
энергии на высоких частотах (малый тангенс угла диэлектрических
потерь), иметь высокую механическую прочность при малой
толщине, хорошую теплопроводность, а также обеспечивать возможность
проведения технологических процессов, т. е. обработки поверхности
до высокого класса чистоты, нагревания до температуры 500—600 °С
при напылении пленок и т. д.
Наиболее широко применяемыми материалами для подложек
являются керамика, ситалл и стекло. Керамикой называются
материалы, получаемые спеканием порошков окислов алюминия,
бериллия и других элементов. Основной минералогической фазой
керамики на основе оксида алюминия является корунд (кристаллофаза
а — АЬОз). Корундовая керамика обладает способностью
образовывать вакуумплотные спаи с металлами и сплавами, что позволяет
использовать ее не только в качестве материала для подложек и
плат, но и для изготовления металлокерамических корпусов
микросхем.
Свойства корундовой керамики зависят от содержания в ней
основной фазы, т. е. А1203. Чем выше содержание А1203, тем
лучшими характеристиками обладает керамика, однако при этом
повышается ее стоимость. Наиболее широкое применение находит
керамика типа В К 94-1 (прежнее наименование 22ХС). При
удовлетворительных свойствах затраты на ее получение относительно
невелики. Керамика с содержанием корунда 99,8% (например, типа
В К 100-1) носит название поликор. В отличие от керамики ВК 94-1
Пб

она имеет лучшие электрические характеристики, более высокую
теплопроводность, поддается полированию, но обладает более
высокой стоимостью.
Для подложек мощных микросхем и микросборок используется
керамика на основе окиси бериллия ВеО, называемая также бро-
керитом. Ее основное достоинство — высокий коэффициент
теплопроводности, составляющий примерно 2 Вт/(см-град). Однако
подобная керамика с трудом обрабатывается, а пыль, образующаяся
при ее обработке, токсична.
Ситаллы представляют собой аморфно-кристаллические стекла.
Они допускают обработку поверхности до высокого класса
чистоты, обладают высокой механической прочностью,
удовлетворительной теплопроводностью. Ситаллы очень широко используются в
качестве подложек для тонкопленочных микросхем. Некоторые
свойства корундовой керамики и ситаллов наиболее употребительных
марок приведены в табл. 4.1.
Бесщелочные стекла марок С41-1, С48-3 и другие иногда
применяются в качестве подложек микросхем там, где не требуется
хорошей теплопроводности и значительной механической прочности.
Теплопроводность стекол несколько ниже теплопроводности
ситаллов, а прочность па изгиб — меньше приблизительно в два раза.
Однако стекла легко обрабатываются до получения качественной
гладкой поверхности и довольно дешевы.
Помимо описанных основных материалов, подложки могут
изготавливаться из металлов и полимеров. Стальные и медные
подложки, покрытые эмалью, иногда находят применение для мощных
низкочастотных микросхем. Использование полимерных
материалов (чаще всего тонких лент из полиимида) целесообразно с точки
зрения автоматизации технологического процесса. Кроме того,
подобным микросхемам может быть придана более удобная, чем
плоская, форма. Например, полиимндиая пленка с нанесенными на нее
элементами может быть свернута в плотную цилиндрическую
спираль и т. п.
При изготовлении тонкоплеиочиых микросхем плохо
поддающаяся полировке керамика (например, В К 94-1) для улучшения
качества поверхности покрывается глазурью, т. е. тонкой (0,1—
0,2 мм) стекловидной пленкой, прочно сплавляющейся с керамикой.
Кроме того, для изготовления толстопленочных микросхем поверх-
Табл. 4.1. Свойства корундовой керамики и ситаллов
„ Коэффициент п
Марки керамики Содержание Плотность, теплопровод- tg6 на часто- Днэлектричес-
и ситалла A1*03 B «JPH г/см3 ноети, те 1 МГц кая пР°ница-
мике, % Вт/(см-град) емость е
ВК 100-1 99,8 3,96 0,32 Ы0-* 10
ВК 94-1 94,4 3,65 0,14 1010~* 9,5
СТ 50-1 — 2,65 0,014 35-Ю-* 8
СТ 38-1 — 2,9 0,013 4-1G-* 7
117

ность подложек должна сохранять определенную шероховатость
для улучшения адгезии пленок.
Размеры подложек и плат ограничиваются стандартами.
Наиболее употребительные размеры подложек и плат из керамики и си-
талла приведены ниже.
Длина, мм 60 48 30 24 20 16 16 12 10
Ширина, мм 48 30 24 20 16 12 10 10 8
Кроме того, для крупногабаритных МСБ изготавливаются
подложки с размерами 120X96 и 96X60 мм. Возможно также
использование плат с размерами, меньшими, чем 10X8 мм, в частности,
для производства навесных компонентов (чипов) с нестандартными
параметрами (резисторов и т. п.).
Заметим, что платы нз епталлов изготавливаются путем
разрезания подложек с исходными размерами 60X48 мм, а платы из
керамики — сразу с необходимыми размерами, поскольку керамика
плохо поддается размерному разделению.
Толщина подложки и плат из керамики и ситалла составляет
0,2—1,6 мм. Наиболее часто используются платы толщиной 0,6 мм.
4.3. Типовые конструкции
На рис. 4.1 представлена конструкция тоикопленочной ГИС в
металлостеклянном корпусе. На плате из керамики, ситалла или
стекла размещены тонкопленочные резисторы R1 и R3—R8, навесной
резистор R2, навесные конденсаторы С1—СЗ, а также навесная
бескорпусная полупроводниковая микросхема AL Тонкопленочные
элементы соединены между собой токопроводящими дорожками
межсоединений. К внутренним контактным площадкам
присоединяются гибкие проволочные и жесткие выводы навесных компонентов,
а к внешним — проволочные соединения для обеспечения
электрического контакта схемы с выводами корпуса.
Плата закреплена на основании корпуса клеем, таким же
образом крепятся навесные компоненты на плате. Корпус
герметизируется крышкой, закрепленной на основании с помощью контактной
сварки ее фланца с фланцем основания корпуса. Подобная
конструкция обеспечивает хорошую герметизацию микросхемы и тепло-
отвод от нее благодаря применению металлостеклянного корпуса.
В то же время использование навесных компонентов с гибкими
выводами снижает механическую прочность.
Варианты крепления навесных компонентов к плате ГИС или
МСБ показаны на рис. 4.2, При этом необходимо отметить, что
жесткие выводы навесных компонентов, повышая механическую
прочность, могут ухудшать условия теплоотдачи от компонента к
плате. Например, для вариантов II и III между навесным
компонентом и платой остается воздушный зазор, играющий роль тепло-
изолятора.
На рис. 4.3 изображена конструкция толстопленочной ГИС,
герметизация которой обеспечивается путем опрессовки в пластмассу.
118

Здесь же показано размещение элементов и компонентов с обеих
сторон платы. Как видно из рисунка, микросхема состоит из
керамической платы с отверстиями по двум сторонам, армированной
выводами. Часть пленочных резисторов и четыре навесных бескор-
пусиых транзистора со столбиковыми выводами находятся на одной
стороне платы, остальные пленочные резисторы и конденсаторы

Рис. 4.1. Конструкция тонкопленочной ГИС в металло-
стекляином корпусе (размеры даны в миллиметрах).
размещены на обратной стороне. Места контактов дорожек
межсоединений с внешними выводами микросхемы паяются. Некоторые
возможные варианты закрепления внешних выводов в керамической
плате показаны на рис. 4.4.
Конструкция микросхемы, изображенная на рис. 4.3, обладает
достаточно высокой механической прочностью вследствие отсутст-
119

паяное (сварное) соединение
клеевое соединение


вия проволочных соединений. Однако опрессовка пластмассой
обеспечивает недостаточно надежную защиту от воздействия внешней
атмосферы. Кроме того, пластмасса ухудшает условия теплоотвода
от теплонагруженных элементов и компонентов микросхемы в
окружающую среду.
Конструкция большой многокристальной гибридной микросхемы
в керамическом корпусе (керамическая БГИС) показана на рис. 4.5.

Рис. 4.4. Варианты закрепления в плате внешних выводов
толстопленочных ГИС. ;

с каждой стороны. Количество внешних выводов составляет 24 шт.,
в зависимости от размеров плат оно может быть различным.
Платы керамических БГИС могут быть многослойными. В этом
случае они представляют собой пакеты, состоящие из отдельных
плат-заготовок, на которых методами толстопленочной технологии
выполняется разводка межсоединений, а через отверстия,
расположенные в соответствующих местах на площади платы, теми же
методами создаются переходные соединения от слоя к слою. Пакет
образуется путем спекания плат-заготовок с одновременным вжи-
ганием толстопленочных дорожек межсоединений. Дистанциониру-
ющее кольцо между пакетами плат закреплено с помощью пайки,
для чего само кольцо и периферийные участки плат предварительно
металлизируются.
Керамическая БГИС имеет высокую степень интеграции,
обладает хорошей герметизацией, обеспечивает хороший теплоотвод от
элементов и компонентов в окружающую среду.
Платы БГИС и МСБ могут быть не защищены корпусом. Такие
бескорпусные БГИС и МСБ покрываются пленками защитных
компаундов и монтируются в конструкцию микроблока, который в свою
очередь помещается в корпус.
4.4. Разработка топологии ГИС, БГИС и МСБ
Топология ГИС, БГИС и МСБ разрабатывается на основании
следующих исходных данных: принципиальной электрической схемы
микроэлектронного изделия с перечнем элементов и компонентов,
а также технических требований к электрическим параметрам,
конструктивному выполнению, технологическим процессам
изготовления изделия. Требования к электрическим параметрам включают,
например, данные о напряжении (диапазоне напряжений) питания,
рабочей частоте (диапазоне частот) и т. п. В требованиях
конструктивного характера могут быть указаны ограничения на размеры
платы или микросхемы в корпусе, на порядок размещения внешних
контактных площадок на плате, на тип корпуса и т. п. Требования
технологического характера ограничивают, например, тонко- или
толстопленочный вариант технологии, применяемое технологическое
оборудование (в частности, фотолитографическое или масочное).
Процесс разработки топологии включает следующие основные
этапы: 1) анализ электрической принципиальной схемы и
составление схемы расположения (коммутационной); 2) расчет
геометрических размеров и определение конфигурации пленочных
элементов; 3) размещение на площади платы элементов, компонентов,
контактных площадок и межсоединений микросхемы, т. е. разработку
топологического чертежа; 4) оценку качества разработанной
топологии.
На первом этапе путем анализа электрической принципиальной
схемы оценивается возможность реализации изделия в виде ГИС
или МСБ. Выделяются элементы схемы, изготовление которых в
составе ГИС или МСБ невозможно (например, конденсаторы или
123

индуктивности очень больших номиналов) и которые необходимо
располагать за пределами конструкции микросхемы. Определяются
элементы электрической схемы, которые могут быть реализованы
в виде пленочных элементов микросхемы, а также те элементы,
которые будут размещены на плате в виде навесных компонентов.
Далее на данном этапе составляется схема расположения,
называемая также коммутационной. При ее составлении за основу прини-

Рис. 4.6. Электрическая принципиальная схема генератора (а) и
схема расположения (б) элементов и компонентов гибридной ИМС.
мается принципиальная электрическая схема, преобразованная с
учетом конструктивных особенностей элементов, компонентов и
межсоединений. Так, в частности, сокращается по возможности
количество пересечений проводников, в соответствии с техническими
требованиями к топологии располагаются внешние контактные
площадки, указываются места расположения навесных компонентов,
а для присоединения их выводов предусматриваются внутренние
контактные площадки. Одновременно предусматриваются
предварительные меры по предотвращению паразитных взаимодействий.
На рис. 4.6 показаны принципиальная электрическая схема
микросхемы генератора и схема расположения. Одной из особенностей
данной схемы расположения является размещение внешних
контактных площадок 1—4 на одной стороне платы микросхемы.
Кроме того, внутренняя контактная площадка 5 обеспечивает
возможность независимого контроля параметров в процессе изготовления
124

конденсатора С1 и резистора R2, (остальные внутренние контактные
площадки 6—16 служат для присоединения выводов навесных
компонентов). Пунктиром на схеме обозначены места расположения
навесных бескорпусных транзисторов и кварцевого резонатора.
На втором этапе разработки топологии выполняются расчеты
параметров пленочных элементов (см. гл. 3).
На третьем этапе первоначально составляется эскиз топологии,
выполняемый обычно на миллиметровой бумаге в масштабе 10: 1,
20 : 1 или 50 : 1. Эскиз топологии впоследствии оформляется в виде
чертежа платы. Для составления эскиза топологии прежде всего
оценивается необходимая площадь платы

где S#., Sc.f Sl., Sn., Sp. — соответственно площади j-го резис-
тора, конденсатора, спирали индуктивности, навесного компонента
и контактной площадки; k, I, m, n, p — соответственно количество
резисторов, конденсаторов, спиралей индуктивности, навесных
компонентов и контактных площадок; /С=2—3 — коэффициент запаса
площади платы, учитывающий свободную площадь, не занятую
элементами и компонентами, а также площадь, необходимую для
размещения межсоединений.
В соответствии с полученной величиной площади выбираются
стандартные размеры платы, в пределах которых и производится
размещение элементов, компонентов и т. д. (см. § 4.2).
При разработке эскиза топологии учитываются конструктивные
и технологические ограничения, обусловливающие размещение на
плате пленочных элементов и навесных компонентов, а также
контактных площадок, пленочных межсоединений, проволочных пере-
мычек и внешних выводов ГИС и МСБ. Так, допускается установка
навесных компонентов на пленочные проводники и резисторы,
защищенные пленкой диэлектрика (напыленной пленкой стекла,
нанесенной на поверхность платы пленкой фоторезиста и т. п.), но не
следует их устанавливать на пленочные конденсаторы и пересечения
межсоединений. По периферии платы предусматривается
технологическое свободное поле размером не менее 0,5 мм. В левом нижнем
углу платы необходимо расположить ключ (знак для ориентации),
для чего несколько увеличивают размеры нижней левой
периферийной контактной площадки. Ключ может быть выполнен также
в виде какой-либо фигуры, например треугольника, нанесенной на
свободное поле платы. Расположение компонентов с гибкими
выводами на плате рекомендуется указывать знаками, выполняемыми
одновременно с нанесением пленочных элементов.
Шаг расположения внешних контактных площадок должен
составлять 0,625; 1,25 или 2,5 мм. Внутренние контактные площадки
для монтажа навесных компонентов с гибкими выводами способом
пайки, а также для контроля электрических параметров должны
иметь размеры не менее 0,4X0,4 мм. Если гибкие выводы присоеди-
125

няются методом термокомпрессии или привариваются, то размеры
должны быть не менее 0,2X0,2 мм. Для компонентов с шариковыми
(столбиковыми) выводами эти размеры составляют 0,25X0,25 мм.
Минимальное расстояние между навесными компонентами с
гибкими выводами ограничено величиной 0,3 мм, а с шариковыми
(столбиковыми) выводами — 1 мм. Максимальная длина гибкого
вывода компонента или проволочной перемычки без
дополнительного крепления составляет 3 мм. При их длине от 3 до 4,5 мм
требуется дополнительное закрепление каплей клея в одном месте, а
при длине 4,5—8 мм — в двух местах.
При разработке эскиза топологии толстопленочных ГИС и МСБ
руководствуются также следующими
конструктивно-технологическими нормами. Проводники, а также другие пленочные элементы:
резисторы, конденсаторы могут располагаться на обеих сторонах
платы. Соединения между элементами, расположенными на разных
сторонах платы, осуществляются через отверстия. Проводники,
расположенные в нижнем слое при многослойной разводке
межсоединений, не должны находится под резисторами, подгоняемыми
лучом лазера.
Навесные компоненты рекомендуется располагать рядами на
одной стороне платы. Места расположения навесных компонентов
целесообразно обозначать метками, выполненными с помощью ре-
зистивных или диэлектрических паст. Для унификации в
однотипных микросхемах необходимо применять навесные компоненты с
одинаковым диаметром гибких выводов.
Количество резистивиых слоев на одной стороне подложки,
выполненных с помощью паст с различным удельным сопротивлением,
может составлять не более трех. Целесообразно ориентировать
резисторы на плате одинаково, т. е. располагать их длинными (или
короткими) сторонами параллельно друг другу. На одной стороне
платы рекомендуется размещать резисторы, близкие по
номинальным значениям сопротивлений. Изготавливать толстоплеиочные
резисторы в виде меандра не следует. Бели принципиальная
электрическая схема не предусматривает внешних контактов для каждого
подгоняемого резистора, то для обеспечения контроля сопротивле-
. ния в процессе лазерной подгонки необходимо при разработке
топологии создавать временные проволочные перемычки или даже
временные выводы, которые после подгонки резисторов удаляются.
Пленочные конденсаторы не должны располагаться на той стороне
платы, которая при герметизации заливается компаундом.
Круглые отверстия в межслойной изоляции, служащие для
контакта между проводниками различных уровней, должны иметь
диаметр не менее 0,6 мм. Квадратные отверстия выполняются
размером не менее 0,5 мм. Между пленочными элементами,
находящимися в разных слоях при многослойной разводке, обеспечивается
расстояние не менее 0,2 мм.
На четвертом этапе оценивается качество разработанной
топологии. Прежде всего контролируется соответствие топологии и
исходной электрической принципиальной схемы. Для такого
контроле

ля электрическая принципиальная схема воспроизводится с эскиза
топологии, т, е. решается задача, обратная задаче разработки
топологии. Далее при необходимости рассчитываются сопротивления
токопроводящих дорожек межсоединений, включая сопротивления
контактных переходов, а также электрические и магнитные
паразитные связи. Производится оценка теплового режима элементов,
компонентов и микросхемы в целом. Рассчитываются параметры
надежности.

При необходимости создания пересечений проводников изоляция
их между собой осуществляется с помощью пленочных
диэлектриков (см. § 3.1). Часто пересечение проводников создается также с
помощью проволочных перемычек, соединяющих специально
созданные контактные площадки на концах «разорванной» дорожки и
проходящих поверх пересекаемой дорожки.
Конструкции контактных переходов между резистивными и
проводниковыми пленками показаны на рис. 4.7. Сопротивление подоб-

Рис. 4.7. Конструкции пленочных контактов, формируемых различными
технологическими методами:
а, б—напылением через маски или нанесением через сетчатые трафареты; в—напылением с
последующей фотолитографией; /—резистивная пленка; 2—проводящая пленка.
ных контактов определяется следующим образом:

#
Для определения длины 1К можно также воспользоваться
номограммой, представленной на рис. 4.8.
Если конфигурации тонкопленочных элементов создаются с
помощью фотолитографии, то вопроса о длине контакта не возникает,
поскольку в данном случае в технологическом процессе
первоначально напыляется на подложку сплошная резистивная пленка,
затем сплошная проводящая, после чего фотолитографией ненужные

Рис. 4.8. Номограмма дли определении минимальной длины /к пленочного
контакта в зависимости от величины удельного сопротивления рКв резистивной
пленки и различных значений удельного переходного сопротивления контакта
ркв, Ом-мм2:
/—0,01; 2—0,05; 3—0,1; 4—0,5; 5—1,0; 5—5.0.
участки пленок удаляются. Вследствие этого под всеми
проводящими дорожками существуют резистивные пленки (см. рис. 4.7, в).
Ширина проводника В в контактном соединении, полученном с
помощью масок или трафаретов, принимается равной В^Ь+2Л,
гдей = 0,1—0,2 мм.
Для оценки паразитных электрических и магнитных связей
можно воспользоваться следующими соотношениями. Если два
параллельных пленочных проводника или резистора одинаковой ширины
расположены в одной плоскости, то их емкость оценивается
приближенными формулами

если а/(а+Ь)^0,3, где 2а — расстояние между полосами; Ь —
ширина полосок; I — длина полосок;

если 0,3<а/(а+6)<0,9.
При определении относительной диэлектрической проницаемости
е необходимо руководствоваться соображениями, изложенными
выше (см. соотношение (3.22)).
Для уменьшения емкостной связи между проводниками или
резисторами увеличивают расстояние между ними или прибегают к
экранированию. В частности, экранирующим действием в системе
двух плоских проводников обладает заземленный третий плоский
проводник, расположенный между ними. В микросхемах
экранирующее действие оказывают также элементы конструкций металло-
стеклянных корпусов.
Индуктивность одиночной прямолинейной проводниковой или
резистивной полоски из неферромагнитного материала (р,= 1)
определяется согласно соотношению

Уменьшить магнитную связь можно путем увеличения
расстояния между взаимодействующими дорожками или расположения их
под углом либо перпендикулярно друг к другу.
Особенности автоматизированного конструирования топологии
БГИС л МСБ связаны с тем, что их элементы и компоненты
обладают большим разнообразием конструкций, размеров, способов
монтажа на плате. Это значительно затрудняет алгоритмизацию
задач размещения и трассировки. Процесс автоматизированного
конструирования ведется в интерактивном режиме диалога человек —
машина. В этом случае ЭВМ решает поддающиеся формализации
трудоемкие задачи, а конструктор разрешает неформализуемые
ситуации.
4.5. Особенности конструкций СВЧ ГИС
Отличия конструктивных решений при разработке СВЧ ГИС
заключаются в выборе материалов подложек и плат, в специфичности
конструкций применяемых навесных активных компонентов,
геометрии пленочных элементов и в их компоновке на плате. Поскольку
основными областями применения СВЧ ИМС являются
радиолокация и связь, важнейшую проблему представляет здесь повышение
уровня мощности при одновременном увеличении частоты
колебаний, расширение полосы усиления и снижение коэффициента шума.
До частот 1—2 ГГц при производстве СВЧ ГИС может
использоваться толстопленочная технология. Выше этих частот
необходимо применять тоикопленочную технологию, поскольку она
обеспечивает более высокую степень разрешения геометрических размеров
и удовлетворяет требованиям к допускам в диапазоне частот до
30 ГГц и выше.
В качестве активных компонентов в СВЧ ГИС используются
биполярные кремниевые СВЧ транзисторы (до частот 10 ГГц),
полевые транзисторы с затворами Шотки на основе арсенида галлия
(до частот 10—30 ГГц), диоды Ганна (до 100 ГГц), лавинно-про-
летные диоды (до 100 ГГц). Пассивные элементы СВЧ ГИС
создаются на основе передающих линий с распределенными параметрами
(микрополосковых линий) или в виде элементов с сосредоточенными
параметрами, как и для ГИС, работающих в диапазоне более низких
частот. В последнем случае размеры элементов должны быть во
много раз меньше длины волны, на которой работает устройство (для
частот до 10 ГГц).
Основным конструктивным элементом СВЧ ГИС с
распределенными параметрами является микрополосковая линия (МПЛ). Она
является плоским аналогом объемной коаксиальной линии и
представляет собой узкую металлическую пленочную полоску на
диэлектрической плате с экранированной обратной стороной (рис. 4.9).
Основными электрическими параметрами МПЛ являются
волновое сопротивление г, длина волны % и затухание а. Эти
параметры могут быть рассчитаны по формулам:
2
9* 131

где z0, Яо, а0— параметры МПЛ для свободного пространства (воз-
Духа); вэф—эффективная диэлектрическая проницаемость МПЛ.
Величина еЭф рассчитывается в соответствии с соотношением

где 8 — диэлектрическая проницаемость материала платы (обычно
применяются материалы с е^Ю).

диод, конструктивно выполненный в виде навесного компонента,
два фильтра низкой частоты и полосовой фильтр, изготовленные
в виде элементов с распределенными параметрами. Умножитель-
ный диод представляет собой варикап, т. е. диод, действие
которого основано на использовании зависимости емкости от обратного
напряжения.
Герметизация СВЧ ГИС осуществляется с помощью корпусов.
Иногда микросхемы СВЧ не помещают в индивидуальные корпуса,
а герметизируют с йомощыо лаков и компаундов с последующей
групповой защитой от внешних воздействий в составе
микроэлектронной аппаратуры кожухом и т. п. Корпуса СВЧ ГИС
выполняются обычно в виде массивных металлических конструкций, имеющих
высокочастотные коаксиалыю-полисковые соединители, служащие
для подачи и отвода СВЧ сигнала. Помимо герметизации, корпус
обеспечивает механическую прочность, отвод выделяющегося
тепла и экранирование СВЧ электромагнитного поля.

5. ОБЩИЕ ВОПРОСЫ КОНСТРУИРОВАНИЯ
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ И ГИБРИДНЫХ ИМС
5.1. Корпуса ИМС
Корпусом называется часть конструкции интегральной
микросхемы, предназначенная для защиты ИМС от внешних воздействий
и соединения с внешними электрическими цепями с помощью
выводов. Помимо указанных функций корпуса, его назначением
является создание теплоотвода от кристалла или платы микросхемы, а
также поддержание необходимого газового состава атмосферы или
вакуума в полости корпуса для обеспечения временной
стабильности параметров ИМС.
Часть корпуса без выводов называется телом корпуса. Тело
корпуса может быть цельным или состоять из основания и крышки, а
также иметь более сложную конструкцию. Корпус может быть
самостоятельным изделием, а также конструктивно неотделимой частью
микросхемы. В зависимости от применяемых в конструкциях
корпусов материалов их называют металлостеклянными, металлокера-
мическими, керамическими, полимерными и т. п.
Металлостеклянные корпуса состоят из металлического
основания, в отверстиях которого с помощью стеклянных
бусинок-изоляторов, обеспечивающих создание металлостеклянных спаев,
закреплены выводы. После монтажа микросхемы корпус закрывается
металлической крышкой, которая соединяется с основанием с
помощью вакуумно-плотной сварки или пайки.
Основание металлокерамических корпусов может состоять из
керамики, в которую запрессованы выводы, а также иметь
комбинированную конструкцию. В частности, в основание металлокерами-
ческого корпуса может быть запрессована металлическая
пластинка — дно корпуса, служащее для обеспечения закрепления
микросхемы (например, путем припайки кристалла полупроводниковой
ИМС), а также для лучшего теплоотвода. Крышка металлокера-
мического корпуса, как правило, металлическая.
Для температурного согласования металлостеклянных спаев и
металлокерамических соединений для изготовления основания и
выводов корпусов применяют сплавы, имеющие температурный
коэффициент линейного расширения (ТКЛР), близкий к ТКЛР стекла
или керамики. Наиболее часто используется сплав типа «Ковар»
(сплав 29НК, плотность 8,2 г/см3, ТКЛР 5-10~~б град™1). Крышки
подобных корпусов могут выполняться из различных материалов,
например из стали.
Керамические корпуса полностью, за исключением выводов,
изготавливаются из керамики. Герметизация подобного корпуса осу-
135

ществляется путем припайки предварительно металлизированных
сочленяемых поверхностей или с помощью стеклокристаллических
цементов. Выводы закрепляются в отверстиях и также
припаиваются к металлизированным участкам керамики.
Полимерные корпуса являются наиболее дешевыми, но наименее
надежными. Они обладают худшими возможностями теплоотвода и
обеспечивают менее надежную герметизацию микросхем по
сравнению с другими конструкциями корпусов. Тем не менее эти корпуса
часто применяются для изготовления микросхем широкого
применения.
Бескорпусные полупроводниковые микросхемы герметизируются
путем заливки кристалла компаундами на основе эпоксидных,
кремнийоргапических, полиуретаповых, полиэфирных и других смол.
Платы гибридных тонкопленочных микросхем со
сформированными на них элементами до монтажа в корпус покрываются
защитными диэлектрическими пленками, чаще всего — фоторезистом.
После монтажа в корпусе плата вместе с навесными компонентами
заливается каким-либо из упомянутых компаундов, после чего
корпус герметизируется.
Платы толстопленочных гибридных микросхем с элементами
покрываются диэлектрическими пастами, а затем помещаются в
корпус и герметизируются
По конструктивному исполнению корпуса разделяются на 5
типов и 12 подтипов. Типы корпусов, согласно стандарту, различаются
по форме проекции тела корпуса на плоскость основания и по
расположению выводов (табл. 5.1). Подтипы корпусов различаются
расположением выводов относительно плоскости основания
(перпендикулярно, параллельно) и относительно друг друга (в 1, 2,
3, ... ряда; по окружности и т. д.).
В пределах каждого подтипа стандартом установлены
типоразмеры корпусов, различающихся габаритными и
присоединительными размерами, при этом в размерах учитывается толщина пленок
защитных покрытий корпуса. Таким образом, стандартом
регламентированы лишь основные конструктивные признаки и размеры, де-
Табл. 5.1. Основные типы корпусов ИМС
Форма проекции тела кор- Расположение проекций выводов
Тпп пуса на плоскость основания (выводных- площадок) на плос- Номер рисунка
кости основания
1 Прямоугольная В пределах проекции тела 5.1 (I)
корпуса
2 Прямоугольная За пределами проекции тела 5.1 (И)
корпуса
3 Круглая или овальная В пределах или за предела- 5.1 (III)
ми проекции тела корпуса
4 Прямоугольная За пределами проекции тела 5.1 (IV)
корпуса
5 Прямоугольная В пределах проекции тела 5.1 (V)
корпуса
136

тальные особенности конструкций могут определяться
разработчиком корпуса.
Шаг расположения выводов корпуса устанавливается
следующим:
Тип корпуса * 2 I 3 I 4 5
Шаг выводов 2,5 мм 2,5 и 1,25 мм под углом 1,25 и 1,25 мм
| | 1 360°//г I 0,625 мм |
Каждому выводу присваивается помер его позиции, т. -е. номер
местоположения вывода на выходе из тела корпуса. Позиция
может быть занята или не занята выводом, при этом номер позиции
вывода сохраняется.
Конструктивная особенность корпуса, которая определяет
позицию вывода с первым порядковым номером, называется ключом:
Ключ располагается в заштрихованной области, указанной на
рис. 5.1 (заштрихованная область показана со стороны плоскости
основания корпуса). Ключом может служить знак на крышке
корпуса (например, точка на крышках корпусов I, II и IV типов),
выступ на основании корпуса (например, у корпусов III типа) и т. п.
Несимметричное расположение вывода заземления корпусов типа
I также служит целям ориентации при сборке микросхемы в корпус
и при монтаже ее на печатную плату. Ключ должен выполняться
таким образом, чтобы после установки микросхемы на плату можно
было определить позицию вывода.
Для герметизации полупроводниковых ИМС чаще всего
используются корпуса типа II, III, IV и V. Полупроводниковые БИС
помещаются обычно в металлокерамические корпуса типа 4.
Для гибридных ИМС применяются преимущественно корпуса
типов 1 и 4. БГИС и MCD помещаются часто в керамические
корпуса типа 4.
Условное обозначение корпуса при записи в конструкторской
документации должно состоять из слова «Корпус», условного
обозначения типоразмера корпуса (включающего две цифры подтипа
корпуса и две цифры, от 01 до 99, порядкового номера
типоразмера), цифрового индекса, определяющего действительное
количество выводов, порядкового регистрационного номера и обозначения
государственного стандарта.
Пример условного обозначения корпуса
Корпус 2101.8-5 ГОСТ 17467—79
Корпус подтипа 21, с порядковым номером типоразмера в данном подтипе
01, количеством выводов 8, порядковым регистрационным номером 5.
В практике находят также применение (как правило, для
гибридных микросхем) нестандартные корпуса, разработанные иг
внедренные в промышленность ранее. Среди них имеются, в
частности, корпуса, металлостеклянные, основания которых
выполняют одновременно функцию платы гибридной микросхемы.
137

При выборе или конструировании корпуса в процессе
разработки микросхемы принимаются во внимание многие факторы.
Размеры корпуса определяются в основном размерами
кристалла или платы, которые подлежат размещению в корпусе.
Количество выводов корпуса должно быть согласовано с количеством
внешних выводов от кристалла или платы. Кроме того, размеры
корпуса обусловливают мощность, отдаваемую микросхемой в
окружающую среду.
Требования к надежности обеспечиваются выбором
конструктивного исполнения корпуса и применяемыми в нем материалами.
Как уже указывалось выше, стеклянные, металлостеклянные и ме-
таллокерамическис корпуса, например, обеспечивают повышенную
герметичность по сравнению с полимерными или металлополимер-
ными. Металлостеклянные и металлокерамические корпуса могут
играть роль экранов от внешних магнитных полей там, где это
необходимо. Они же обеспечивают некоторое повышение
радиационной стойкости, лучшие условия теплоотвода.
При разработке или выборе конструкции корпуса необходимо
учитывать также предполагаемый способ монтажа микросхем или
микросборок на печатных платах пли ячейках аппаратуры.
5.2. Расчет тепловых режимов ИМС
5.2.1. Общие положения
При разработке топологии кристалла полупроводниковой или
платы гибридной ИМС, а также в процессе разработки
конструкции ИМС в целом, например при выборе корпуса, необходимо
предусматривать меры, обеспечивающие рациональный тепловой
режим микросхемы и ее элементов. Температурное поле кристалла
или платы — результат наложения температурных полей
отдельных источников тепла, которыми являются активные и пассивные
элементы и компоненты ИМС. Температурное поле имеет сложный
рельеф, зависящий от выделяемой мощности и взаимного
расположения элементов и компонентов, а также от теплофизических
свойств материалов микросхемы и геометрических размеров
деталей конструкции. Каждый источник тепла повышает уровень
температуры подложки в целом и, кроме того, создает локальное
повышение температуры в месте своего расположения.
От температурного режима зависят электрические параметры
элементов и компонентов и, следовательно, всей микросхемы.
Следует заметить, что температурная стабильность электрических
параметров пленочных элементов и компонентов выше
стабильности параметров полупроводниковых элементов и компонентов. Это
связано с хорошо известной сильной зависимостью свойств
полупроводников от температуры. Поэтому можно было бы ожидать,
что гибридные ИМС, БГИС и МСБ должны обладать большей
температурной стабильностью электрических параметров. Однако*
на практике существенных преимуществ в этом отношении гибрид-
139

ные ИМС, БГИС и МСБ не имеют, что объясняегся несколькими
причинами. Во-первых, разработаны схемотехнические способы
стабилизации параметров полупроводниковых микросхем. Хотя
они требуют усложнения электрической принципиальной схемы и
введения дополнительного количества элементов, это не имеет
большого значения для полупроводниковых ИМС и БИС,
поскольку размеры элементов очень малы, а затраты на изготовление
«дополнительных» элементов по интегральной технологии
несущественны. Во-вторых, элементы полупроводниковых микросхем
расположены в полупроводниковом кристалле, обладающем по
сравнению с диэлектрической подложкой ГИС хорошей
теплопроводностью. Очень часто кристалл припаивается к основанию корпуса
ИМС, а не приклеивается, как это имеет место в ГИС и МСБ.
Поэтому в полупроводниковых ИМС обеспечивается очень
хороший отвод тепла от кристалла. В-третьих, элементы
полупроводниковых ИМС располагаются очень близко друг к другу, что создает
минимальную неоднородность температурного поля на площади
кристалла. Это в свою очередь способствует температурной
стабильности отношений электрических параметров элементов
(выполненных из одного полупроводникового материала), что очень
важно для многих схем РЭА и ЭВА. Пленочные гибридные ИМС и
МСБ, не содержащие полупроводниковых компонентов,
работоспособны при более высоких, чем полупроводниковые ИМС,
температурах. Необходимо только обеспечить правильный выбор
материалов и технологии, т. е. не применять легкоплавких припоев,
разлагающихся при повышенной температуре органических пленок
и т. п.
Сложные конструкции микросхем, произвольное расположение
тепловыделяющих источников не дают возможности получить
удовлетворительные, т. е. универсальные и удобные для
инженерного расчета аналитические модели для описания температурных
полей ИМС. Поэтому оценка теплового режима ИМС ведется
обычно приближенными методами. При этрм полагают, что перенос
тепловой энергии от тепловыделяющих элементов ИМС к» ее корпусу
осуществляется исключительно с помощью теплопроводности.
. Переносом тепла путем конвекции внутри корпуса, а также путем
излучения в целях упрощения расчетов пренебрегают. Делается
также допущение, что температура корпуса, имеющего
металлическое основание, равна температуре окружающей среды. Считается
также, что коэффициенты теплопроводности применяемых
материалов не зависят от температуры. Расчеты делаются для
стационарного, установившегося во времени теплового режима.
5.2.2. Расчет теплового режима ГИС и МСБ
Расчет температуры элементов и компонентов. При расчете
определяются температуры элементов и компонентов ГИС и МСБ,
а также находятся размеры зон теплового влияния элементов и
компонентов.
140

Температура навесного компонента (транзистора, диода,
полупроводниковой схемы) рассчитывается по формуле

Для вариантов II и III

где б„ и Як — толщина и коэффициент теплопроводности клея
(компаунда). v
Для варианта IV

диодов и полупроводниковых микросхем указываются в
справочниках и составляют обычно 80—125 °С.
Если рассчитанные температуры превышают допустимые,
необходимо заменить навесные компоненты на другие, имеющие более
высокий температурный предел работы. Допустимые температуры
пленочных элементов зависят от применяемых материалов и
требований к стабильности параметров.
Расчет размеров зон
теплового влияния. Зоной теплового
влияния называется окружающий
тепловыделяющий элемент или
компонент участок площади
платы ГИС или МСБ, за пределами
которого отсутствует локальное
повышение температуры платы,
обусловленное данным
элементом или компонентом. При этом
предполагается, что форма зоны
теплового влияния подобна фор

ме контактной плоскости
элемента или компонента с платой
(рис. 5.3).
Размер Я зоны теплового влияния рассчитывается по формуле

Температурный фактор

где THtRtC и TlltRtC доп — расчетные и допустимые температуры
навесных компонентов и пленочных резисторов и конденсаторов, j .,x j
Геометрический фактор представляет собой отношение а=Л/6,
где А — меньший размер контура тепловыделяющего элемента или
компонента (см. рис. 5.3).
В зоне теплового влияния элемента или компонента не
рекомендуется размещать другие элементы или компоненты. Если это
требование невозможно выполнить, то при расчете следует учитывать
соответствующее повышение температуры вследствие влияния
соседнего элемента или компонента.
5.2.3. Оценка теплового режима
полупроводников ИМС
Поскольку кремний имеет сравнительно высокий коэффициент
теплопроводности, размеры кристаллов невелики, а элементы
полупроводниковых ИМС расположены на очень малых расстояниях
друг от друга, с достаточной для инженерной практики точностью
можно считать, что «рабочая» поверхность кристалла ИМС со
стороны расположения элементов имеет одинаковую температуру
во всех точках.
Тепловое сопротивление кристалл — корпус зависит от вида
монтажа кристалла на основании корпуса. Например, при посадке
кристалла на металлическое (коваровое) основание металлостек-
лянного корпуса с помощью пайки эвтектическим сплавом
кремний — золото тепловое сопротивление незначительно. В то же
время при монтаже кристалла с помощью клея тепловое
сопротивление определяется в основном клеевой прослойкой и может
составлять заметную величину. Таким образом,, тепловые сопротивления
структур «рабочая» поверхность кристалла — корпус могут быть
оценены аналогично оценке тепловых сопротивлений структур гиб-
• ридных микросхем для вариантов I и II па рис. 5.1. При этом
толщина платы и ее коэффициент теплопроводности заменяются на
толщину.и коэффициент теплопроводности кристалла. Подобным
путем может быть произведена также оценка теплового
сопротивления корпуса.
Для расчета температуры элементов выделяемая ими мощность
суммируется, т. е. «рабочая» поверхность кристалла
представляется как единый источник тепла. Температура элементов
рассчитывается по формуле

«рабочая» поверхность кристалла (элементы) — наружная
поверхность корпуса; 51ф — площадь кристалла.
Практически, однако, кристаллы ' полупроводниковых ИМС
размещаются в стандартных корпусах, возможности которых
передавать определенную мощность от кристалла в окружающую
среду определяются эмпирическим путем. Каждый типоразмер
выпускаемого промышленностью корпуса для полупроводниковых
ИМС рассчитан, таким образом, на конкретную максимально
допустимую мощность. Поэтому тепловой режим в данном случае
обеспечивается подбором корпуса исходя из суммарной мощности,
выделяемой микросхемой.
В настоящее время уровень рассеиваемой мощности^МДП БИС
на одном кристалле достиг 1,5 Вт, а биполярных логических БИС и
БИС памяти — 4 Вт. Разрабатываются полупроводниковые БИС
мощностью 5 Вт и более.
5.3. Расчет параметров надежности ИМС
5.3.1. Причины отказов и показатели надежности
Отказом называется событие, заключающееся в нарушении
работоспособности изделия. Причинами отказов ИМС могут быть
ошибки, допущенные при конструировании или разработке
технологического процесса изготовления, дефекты процесса производства,
нарушения норм эксплуатации и хранения, а также естественные
процессы старения. Основными причинами отказов являются
дефекты, вносимые в процессе производства (~90%) и в результате
нарушений правил эксплуатации (~10%).
В группе дефектов, возникающих в процессе производства,
примерно 50% составляют некачественные соединения, в том числе
пленочные, контактные (на границе проводников, выполненных из
различных материалов или различающихся конструктивно), а
также проволочные и др. Наиболее часто дефекты образуются в местах
контактных соединений в результате, например, некачественно
проведенных технологических операций термокомпрессии, пайки или
сварки. Эти виды дефектов присущи как полупроводниковым, так
и гибридным ИМС и МСБ. Помимо некачественных соединений,
наиболее характерными для ГИС и МСБ являются дефекты,
обусловленные присутствием навесных компонентов. Это объясняется
не только дополнительным количеством вносимых ими контактных
соединений, но и дефектами, связанными с их некачественным
закреплением на платах ГИС и МСБ.
Значительное количество отказов полупроводниковых ИМС
связано с дефектами, образующимися в результате некачественного
проведения фотолитографических процессов. Например, удаление окис-
ной пленки там, где этого не должно быть, приводит к
образованию излишних легированных областей и смыканию р—n-переходов
при последующем диффузионном процессе, образованию короткого
замыкания металлизации с поверхностью полупроводника и т. п.
10. Э. А. Матсон 145

Роль подобных дефектов возрастает по мере повышения степени
интеграции и увеличения размеров кристаллов полупроводниковых
БИС и СБИС. Дефекты, связанные с фотолитографическими
процессами, имеют место также в гибридных микросхемах и
микросборках, например местное уменьшение ширины резистивной
полоски, приводящее к локальному перегреву резистора.
По характеру изменения одного или нескольких параметров
ИМС в результате отказов последние разделяются на внезапные и
постепенные. Причинами внезапных отказов являются, например,
нарушения контактных соединений, пробой диэлектрической
пленки в МДП-структуре и пр. Причины постепенных отказов
заключаются в протекании физико-химических процессов, изменяющих
свойства материалов, контактных соединений, p—n-переходов.
Например, проникновение влаги в корпус микросхемы вызывает
изменение состояния поверхности полупроводникового кристалла и
приводит к повышению токов утечки. К подобным процессам
относится также электромиграция ионов на поверхности кристалла,
приводящая к возникновению коротких замыканий и других
нарушений.
Иногда в ИМС наблюдаются отказы перемежающегося
характера, т. е. многократно возникающие и исчезающие. Причинами их
могут быть, например, посторонние частицы, попавшие в полость
корпуса изделия.
Наиболее часто используемым показателем надежности ИМС
является интенсивность отказов X, представляющая собой
отношение числа отказавших ИМС за единицу времени к числу исправных
ИМС на определенный момент времени. Обычно она измеряется
относительным числом отказов в час. Как правило, для периода
нормальной эксплуатации или хранения интенсивность отказов
принимается постоянной, т. е. Я = const.
Вероятность того, что за время t не произойдет отказа ИМС,
называется вероятностью безотказной работы р, которая связана с
интенсивностью отказов соотношением р = ехр(—Kt). Физический
смысл вероятности безотказной работы сводится к ожидаемому
количеству ИМС, которые могут безотказно работать в течение
. времени /. Средняя наработка до отказа представляет собой
величину, обратную интенсивности отказов: ^Ср=1Д-
Если микросхема проработает время t = tCp, то вероятность ее
безотказной работы составит лишь р»0,37. Другими словами,
средняя наработка до отказа должна быть намного больше
заданного времени безотказной работы микросхемы. Например, для
полупроводниковой ИМС с заданным временем безотказной работы
/=105 ч (~10 лет) и интенсивностью отказов Х=Ю~7 ч~х среднее
время наработки на отказ составляет ^ср=107 ч, а вероятность
безотказной работы р = 0,99. Интенсивность отказов ИМС в
настоящее время составляет Я = 10-7—10™8 ч*"1. Для полупроводниковых
биполярных и МДП-микросхем она приблизительно одинакова.
Такова же надежность совмещенных микросхем.
Гибридные микросхемы по сравнению с полупроводниковыми
146

имеют меньшую надежность, в особенности БГИС с навесными
компонентами, снабженными гибкими проволочными выводами.
Несколько выше надежность БГИС, содержащих компоненты с
шариковыми (столбиковыми) или балочными выводами.
5.3.2. Оценка интенсивности отказов
Общие положения. Для создания математических моделей,
обеспечивающих количественную оценку надежности ИМС по
интенсивности отказов, используются данные, получаемые как в
результате статистических испытаний, так и в результате изучения
механизмов возникновения отказов. Методы, устанавливающие
причинную связь между физико-химическими процессами в
структуре ИМС и интенсивностью отказов, потенциально являются
более информативными. Использование таких методов позволяет с
высокой точностью прогнозировать надежность ИМС, а также
целенаправленно повышать ее. Однако ввиду многообразия и
сложности протекающих процессов построение математических моделей
надежности на основе причинного подхода затруднительно.
Поэтому для оценки надежности полупроводниковых микросхем,
изготавливаемых по типовым технологическим процессам и обладающих
высокой повторяемостью элементов структуры (р—n-переходы,
диэлектрические пленки, металлизация), возможно использование
комбинированных физико-статистических моделей.
Для гибридных ИМС и МСБ, изготавливаемых на основе
большего разнообразия материалов, технологических процессов и с
применением самых различных навесных компонентов, в настоящее
время возможно применение лишь статистических моделей.
Оценка интенсивности отказов полупроводниковых ИМС.
Суммарная интенсивность отказов Кпимс складывается из интенсивно-
стей отказов основных конструктивных элементов
полупроводниковых ИМС:

где Якр1 — базовая интенсивность отказов; ак1 — коэффициент,
учитывающий жесткость технологического контроля в процессе
производства; аК2 — коэффициент ненадежности корпуса; аи —
коэффициент освоенности производства; ас — коэффициент сложности
кристалла; аш — коэффициент, учитывающий характер и
интенсивность механической нагрузки в процессе эксплуатации ИМС; ат —
температурный коэффициент.
Базовая интенсивность отказов составляет величину примерно
Я1ф1 = 10-9ч-1.
Коэффициент жесткости технологического контроля
определяется по табл. 5.2.
Табл. 5.2. Значения коэффициента аК1
Категории контроля аК1
Сплошной непрерывный контроль (входной,
пооперационный, приемочный) материалов, полуфабрикатов, готовых
изделий 1
Выборочный непрерывный контроль 15
Выборочный периодический контроль 30
Надежность корпуса оценивается в зависимости от его
конструкции. Для металлостеклянных и металлокерамических корпусов
при дополнительной индивидуальной герметизации кристаллов
лк2 ==1-1-0,05 (N—10), где N — количество выводов корпуса.
Если кристаллы, установленные на основание корпуса, не
подвергаются индивидуальной дополнительной герметизации, то аК2 =
= 4+0,05 (N—10). Для полимерных корпусов ак2 = 6 + 0,05 (N—10).
Влияние освоенности производства учитывается коэффициентом
ат который для первого года производства принимается равным 10,
а для последующих лет снижается до ап= 1.

Коэффициент ат определяется в зависимости от температуры
элементов кристалла Гэл согласно следующим данным:
Температура элементов Tmt °C 25 60 80 100 125
Коэффициент ат 12 3 4 6

Как видно из табл. 5.6, пленочные конденсаторы имеют
пониженную надежность при высокой температуре. Это объясняется
ускорением процессов миграции атомов материалов обкладок по
микродефектам в диэлектрике, что приводит к повышению токов
утечки или к пробою.
5.4. Технико-экономические показатели
Экономическим критерием конструктивно-технологического
совершенства БИС и СБИС является удельная стоимость,
исчисляемая на один конструктивный или функциональный элемент
(например, на один транзистор или на один триггер).
Формула для расчета удельной стоимости полупроводниковой
БИС имеет вид

второго уровней. Выход годных при двухуровневой металлизации
составляет

где йСОщ — средняя плотность дефектов в диэлектрической пленке,
разделяющей межсоединения двух уровней.

ции элементов должны обеспечивать их минимальную
чувствительность к дефектам типа проколов в окисле. Площадь, занимаемая
дорожками межсоединений, а также количество внутренних
контактных соединений дорожек с элементами и количество внешних
контактных площадок должны быть минимальными.
На рис. 5.4 представлены расчетные зависимости удельной
стоимости полупроводниковой БИС от количества элементов и их
выхода годных при постоянной площади кристалла SKp=const. Как
видно из рисунка, существуют интервалы оптимальных значений
количества элементов для определенных величин выхода годных,
при которых удельная стоимость БИС минимальна.
Удельная стоимость БГИС может быть определена по формуле

толстопленочных микросхем относятся соответственно как 100 : 10 :
1. Примерно также соотносятся затраты на разработку
микросхем. Соответственно минимальное экономически оправданное
количество изделий находится в обратном соотношении. Полагая,,
например, что минимальное количество выпускаемых
толстопленочных микросхем или микросборок составляет 1000 шт., для
тонкопленочных оно будет составлять 10 000 шт., а для
полупроводниковых микросхем — 100 000 шт.
Необходимо иметь в виду, что приведенные оценки носят
приближенный характер. В конкретных условиях следует учитывать
многочисленные другие факторы. В частности, при повышенных
требованиях к надежности могут разрабатываться и выпускаться в
серийном производстве небольшие партии полупроводниковых
микросхем.
5.5. Выполнение конструкторской документации
5.5.1. Комплектность конструкторской
документации
Конструкторские документы на ИМС выполняются в
соответствии с требованиями стандартов Единой системы конструкторской
документации (ЕСКД) и дополнительными требованиями
отраслевых стандартов. Установлены следующие стадии разработки
конструкторской документации: техническое задание, техническое
предложение, эскизный проект, технический проект, рабочая
документация. В зависимости от конкретных условий некоторые
стадии могут быть опущены, однако техническое задание и рабочая
документация разрабатываются во всех случаях.
Комплектность конструкторской документации включает
следующие виды документов, приведенные в табл. 5.7.
Табл. 5,7. Комплектность рабочей конструкторской
документации на микросхему.
„ . »,* , Обязательность
Документ Шифр выпуска
Схема электрическая функциональная 32 —
Схема электрическая принципиальная ЭЗ +
Схема электрическая подключения Э5 —-*
Схема электрическая расположения Э7 —
Чертеж детали — ~г
Сборочный чертеж СБ -)-
Габаритный чертеж ГЧ +
Спецификакия — +
Ведомость спецификаций ВС —
Ведомость ссылочных документов ВД" —
Ведомость покупных изделий ВП —
Ведомость держателей подлинников ДП ~ —
Технические условия ТУ -f-
Карта технического уровня и качества КУ +
Таблицы ТБ
154

Окончание табл. 5.7
Документ Шифр Обязательность
I выпуска
Патентный формуляр ПФ -f-
Сиравочный лист Д1 -j-
Этикетка ЭТ +
Условные обозначения: «-)-»—документ обязательный; «—»— документ
составляется по усмотрению разработчика.
Помимо указанной в табл. 5. 7 обязательности выпуска того или
иного документа, допускается не составлять габаритные чертежи,
технические условия, справочный лист, патентный формуляр и
этикетку на микросхемы, не подлежащие поставке, т. е. микросхемы
частного применения.
Схемы электрические подключения составляются на кристаллы
полупроводниковых микросхем, входящих в серию, на которую
выпущен групповой сборочный чертеж.
Схемы электрические расположения составляются на
кристаллы полупроводниковых микросхем, разрабатываемых на основе
базового кристалла.
5.5.2. Схема электрическая принципиальная
Схема электрическая принципиальная — документ,
определяющий полный состав электрических элементов и компонентов, а
также электрические связи между ними. Каждый элемент или
компонент микросхемы на электрической'принципиальной схеме
изображается с помощью условного графического обозначения, которое
устанавливается стандартами ЕСКД. Кроме того, каждый элемент
или компонент снабжается буквенно-цифровым позиционным
обозначением, причем цифры соответствуют порядковому номеру
элемента или компонента и начинаются с единицы в пределах каждой
группы элементов и компонентов.
Нумерация элементов и компонентов производится в
определенном порядке: сверху вниз и слева направо («змейкой»).
Расчетные номиналы, допуски, а также другие данные элементов
полупроводниковой или совмещенной микросхемы указываются около
условных графических и буквешю-позиционных обозначений на
электрической принципиальной схеме или на поле схемы.
Все элементы и компоненты пленочных и гибридных микросхем,
а также микросборок должны быть записаны в перечень элементов
и компонентов. Перечень размещается или на поле схемы, или
выполняется в виде отдельного документа на листах формата 11.
При записи в перечень сведений о резисторах указываются
расчетные номиналы сопротивлений и допуски, а также величина
максимальной мощности рассеяния. Для конденсаторов приводятся также
максимальные рабочие напряжения. Если требования к элементам
и компонентам установлены в самостоятельном документе, то ука-
155

зываются их наименования в соответствии с этим документом, а
также обозначение (номер) документа. Пример записи в перечне
элементов и компонентов приведен в табл. 5.8.
Табл. 5.8. Пример записи в перечне элементов и компонентов
Позиционное _, Коли- _
обозначение Наименование чество Примечание
R1 Резистор 1 кОм + 5%; 0,05 мВт 1
R2 Резистор 9,1 кОм + 5%; 0,5 мВт 1 R2/RJ == 9 I 0,005
С1 Конденсатор 1,5 пФ + 20%; 30 В 1
С2 Конденсатор АБО.010.012 1
На электрической принципиальной схеме должны быть
указаны обозначения внешних выводов (контактных площадок)
микросхемы. Кроме того, на поле схемы допускается помещать
функциональную схему микросхемы в виде условных графических
обозначений, установленных соответствующими стандартами ЕСКД.
Основная надпись на электрической принципиальной схеме
заполняется следующим образом. Вначале пишется слово
«Микросхема» или «Микросборка», после чего следует условное
обозначение или наименование микросхемы или микросборки по
функциональному признаку. Затем указывается: «Схема электрическая
принципиальная». Децимальный номер в основной надписи
электрической принципиальной схемы полупроводниковой ИМС имеет
вид «АБЗ.402.001 ЭЗ» (для первого варианта ИМС; для
последующих вариантов — «АБЗ.402.002 ЭЗ» и т. д.).
5.5.3. Топологический чертеж
К топологическим чертежам относятся чертежи,
устанавливающие требования к форме, размерам и взаимному расположению
элементов и компонентов, а также соединений микросхемы.
Топологические чертежи являются чертежами деталей, например
кристалла полупроводниковой или платы гибридной микросхемы.
Топологический чертеж, как правило, выполняется на
нескольких листах, причем на первом листе изображается плата или
кристалл микросхемы со всеми элементами и компонентами с
указанием позиционных обозначений в соответствии с электрической
принципиальной схемой. На изображениях периферийных
контактных площадок или возле них на первом листе топологического
чертежа проставляются их порядковые номера. Нумерация
начинается, как правило, от левого нижнего угла платы или кристалла и
продолжается по направлению против часовой стрелки по
внешнему контуру платы или кристалла. Внутренние контактные
площадки, предназначенные для контроля параметров элементов или для
присоединения выводов навесных компонентов, также нумеруются,
причем продолжается сквозная нумерация после периферийных
контактных площадок. Порядковые номера внутренних контактных
156

площадок располагаются сверху вниз и слева направо («змейкой»).
На поле первого листа топологического чертежа размещается текст
технических требований, который может быть оформлен также в
виде отдельного документа.
Технические требования излагаются в определенной
последовательности и включают следующие пункты: указание о размерах для
справок (допуски на такие размеры не приводятся); епециальные
требования к изготовлению платы и указания о возможной замене
ее материала; требования к точности выполнения размеров
элементов; ссылка на соответствующие таблицы координат; данные о
площади нанесенных драгоценных металлов; требования к внешне- •
му виду платы или кристалла; ссылка на таблицу, в которой
приведены данные по изготовлению отдельных слоев и пленок; ссылка
на таблицу, в которой содержатся указания по контролю
электрических параметров элементов микросхемы, в том числе требования к
классу точности приборов, которыми должен осуществляться
контроль параметров; указание о том, что обозначения контактных
площадок, элементов и компонентов являются условными.
На первом листе топологического чертежа полупроводниковой
ИМС помещается вид структуры кристалла и приводятся основные
данные ее слоев, помещенные в таблицу.
Таблица, в которой приводятся данные по изготовлению
отдельных слоев структуры полупроводниковой микросхемы, содержит,
как правило, следующие графы: «Элементы структуры,
наименование, обозначение», «Толщина», «Тип проводимости»,
«Используемый материал», «Поверхностное сопротивление, Ом/кв», «Номер
листа чертежа слоя».
Данные об электрических параметрах кристалла
полупроводниковой микросхемы помещают в отдельный документ, который
имеет вид таблицы, озаглавленной: «Кристалл. Таблица норм
электрических параметров». В данную таблицу включаются следующие
графы: «Наименование параметра», «Обозначение», «Значение
параметра», «Погрешность измерения», «Режим измерения»,
«Примечания».
Для изображения структуры полупроводникового кристалла с
целью задания размеров толщин слоев выполняется сложный
ступенчатый разрез, где секущие плоскости, проходящие через
различные элементы кристалла, условно совмещаются в одну плоскость.
Линии сечения этого разреза на топологическом чертеже не
показывают.
На топологическом чертеже приводятся также фигуры
совмещения фотошаблонов и другие технологические знаки.
В графе наименования изделия основной надписи
топологического чертежа полупроводниковой микросхемы указывается:
«Кристалл». Чертежу присваивается децимальный номер «АБ7.344.001»
(для первого варианта кристалла; для последующих вариантов
номер изменяется на «АБ7.344.002» и т. д.).
Масштабы выполнения топологических чертежей
полупроводниковых ИМС составляют 100:1, 200:1 и другие, кратные ста. Пример
157

выполнения топологического чертежа кристалла
полупроводниковой ИМС показан на рис. 5.5.
Таблица слоев на топологическом чертеже гибридной
микросхемы содержит следующие графы; «Условное обозначение слоя»,,
«Наименование слоя», «Материал слоя», «Электрические
характеристики», «Метод нанесения», «Номер листа чертежа слоя».
Вторая таблица, располагаемая на первом листе
топологического чертежа гибридной микросхемы, содержит данные об
электрических параметрах элементов микросхемы. В нее вводятся графы:
«Точки измерения», «Проверяемая величина и предельные
отклонения», «Позиционное обозначение», «Рабочее напряжение»,
«Коэффициент электрической нагрузки».
Элементы каждого слоя на первых листах
топологических.чертежей гибридных ИМС следует, как правило, штриховать. Вид
штриховки (условное обозначение слоя) расшифровывают в
таблице слоев. При штриховке нижней обкладки конденсатора
заштриховываются только те ее участки, которые выступают за край
верхней обкладки (направление штриховки обкладок должно быть
разным). Диэлектрик конденсаторов обозначается штрихпунктирной
линией без штриховки площади, занимаемой диэлектриком,
защитный слой — пунктирной. Резисторы толстопленочных ИМС
выделяются жирными сплошными линиями.
В графе наименования изделия основной надписи
топологического чертежа гибридной ИМС или МСБ указывается: «Плата».
Чертежу присваивается децимальный номер «АБ7.100.001» или
«АБ7.107.001». Масштабы выполнения топологических чертежей
ГИС и МСБ составляют 5:1, 10:1, 20:1, 50:1 и другие, кратные
десяти.
На последующих (после первого) листах топологических
чертежей полупроводниковых п гибридных ИМС, а также микросборок
помещаются послойные изображения элементов, в том числе
соединительных пленочных проводников и контактных площадок. Для
задания размеров используются прямоугольные координаты.
Числовые величины координат указываются в таблицах» Отсчет
координат производится от точки пересечения линий, проходящих через
стороны контуров крайнего левого и самого нижнего элемента.
Вершины контуров нумеруются арабскими цифрами начиная с
левого нижнего угла и далее по часовой стрелке. Таблица координат
располагается на чертеже слоя или оформляется в виде отдельного
документа.
При автоматизированном изготовлении конструкторских
документов допускаются отступления от указанных в настоящем
параграфе правил оформления топологических чертежей.
5.5.4. Сборочный чертеж и спецификация
Сборочный чертеж полупроводниковой или гибридной ИМС или
МСБ содержит изображение кристалла или платы, установленных
в корпус или загерметизированных другим способом. На чертеже
159

изображаются все составные части микросхемы, т. е. навесные
компоненты, соединительные проводники от внешних контактных
площадок кристалла или платы к выводам корпуса, клеевые
соединения и т. д.
Для наглядности изображения микросхема на основном виде
сборочного чертежа показывается, как правило, без крышки
корпуса. Отдельные детали и сборочные единицы нумеруются, номера
позиций располагают на полках линий-выносок, идущих от
изображений соответствующих деталей и сборочных единиц.
Виды соединений деталей и способы их осуществления
(термокомпрессия, пайка, склеивание и т. п.) также указываются на
сборочном чертеже. Каждый вид соединения, помимо условного
обозначения, нумеруется и описывается в соответствующих пунктах
технических требований. Технические требования располагаются
на поле чертежа и содержат указания на способы закрепления
кристалла или платы на основании корпуса, на варианты установки и
закрепления навесных компонентов и др.
Для упрощения изображения кристалла или платы на
сборочном чертеже защитные слои (покрытия фоторезистом, лаком и т. п.)1
допускается показывать как непрозрачные. Децимальный номер
сборочного чертежа соответствует номеру электрической
принципиальной схемы изделия с заменой шифра документа на «СБ».
Спецификация является основным конструкторским документом
микросхемы или микросборки. Она содержит следующие разделы:
«Документация», «Сборочные единицы», «Детали», «Стандартные
изделия», «Прочие изделия», «Материалы», «Комплекты».
В разделе «Документация» перечисляются технические условия,
сборочный и габаритный чертежи, патентный формуляр, карта тех
нического уровня, этикетка. В раздел «Сборочные единицы»
вносятся данные о корпусе. В разделе «Детали» указываются данные
о кристалле полупроводниковой ИМС или плате гибридной ИМС
или МСБ. В раздел «Стандартные изделия» записывают изделия,
изготавливаемые по государственным, республиканским,
отраслевым стандартам и стандартам предприятий, например стандартные
навесные компоненты. В раздел «Прочие изделия» вносят изделия,
применяемые по техническим условиям, прейскурантам и пр. В
раздел «Материалы» записывают, например, данные о проволоке,
служащей для изготовления соединений внешних контактных
площадок кристалла или платы с выводами корпуса, о полимерных
материалах для герметизации микросхемы и пр. В раздел
«Комплекты» вносят указания об упаковке.
Децимальный номер спецификации соответствует номеру
сборочного чертежа.
5.5.5. Автоматизированное выполнение
конструкторской документации
Процесс комплексной автоматизации конструирования ИМС
охватывает и заключительный этап — разработку конструкторской
документации. Конструкторская документация (КД) на микросхе-
160

мы, разработанная автоматизированным способом, в принципе
может не отличаться от обычной «ручной» КД. Современные
графопостроители и устройства печати ЭВМ обеспечивают получение
любых графических и текстовых КД в формах, регламентируемых
стандартами. Исключение составляют непринципиальные различия
в шрифтах, интервалах, начертаниях некоторых условных
графических обозначений.
Необходимо учитывать следующие тенденции: в производстве
интегральных микросхем наблюдается снижение информационной
роли чертежей и возрастание роли управляющих программ для
автоматизированного изготовления оригиналов и фотошаблонов
слоев; графопостроители и координатографы хорошо приспособлены к
воспроизведению графической информации и менее эффективны
при воспроизведении путем «рисования» на поле чертежа больших
объемов текстовой информации; вследствие автоматизации
процессов изготовления фотошаблонов отпадает необходимость в
таблицах координат, изображающих слои ИМС, информация
автоматически заносится на машинный носитель, т. е. перфоленту,
магнитную ленту, магнитный диск. Поэтому существуют особенности
оформления конструкторской документации на ИМС: включение в
состав КД машинных носителей (перфолент, магнитных лент,
содержащих управляющие программы координатографов и
генераторов изображений); ликвидация чертежей слоев БИС; устранение
обширных текстов с поля чертежа на отдельные форматы.
С помощью аппаратурно-программных средств можно получать
несколько видов графических и текстовых КД. Схемы
электрические принципиальные, чертежи кристалла, платы, слоев, сборочные
чертежи вычерчиваются на графопостроителях в соответствии с
информацией, сформированной в процессе автоматизированного
конструирования ИМС. Если необходимо микрофильмировать
графические КД, можно воспользоваться устройствами вывода
графической информации на микрофильм.. Управляющие программы
координатографов и генераторов изображений формируются на ЭВМ
и записываются на машинные носители с помощью трансляторов.
Фотошаблоны изготавливаются на технологических автоматах
(координатографах, генераторах изображений) согласно информации
управляющих программ. Текстовые документы формируются в
автоматическом или полуавтоматическом режиме, печатаются на
устройствах быстрой печати ЭВМ или выводятся на микрофильм.
5.6. Система условных обозначений интегральных микросхем
В условном обозначении заключается краткая информация о
наиболее существенных характеристиках микросхемы. Условное
обозначение состоит из четырех элементов. Первый элемент —
цифра, соответствующая классификации по
конструктивно-технологическим признакам. Для обозначения каждой группы ИМС
определены следующие цифры; полупроводниковые — 1, 5, 7;
гибридные — 2, 4, б, 8; прочие — 3.
П. Э. А. Матсон 161

Второй элемент — две или три цифры (от 00 до 99 или от 000
до 999), обозначающие порядковый номер разработки серии
микросхемы. Таким образом, два первых элемента в виде набора трех
или четырех цифр составляют полный номер серии ИМС
Третий элемент — две буквы, обозначающие подгруппу и вид
микросхемы. Подгруппа и вид являются элементами
классификации микросхем по функциональному назначению. Четвертый
элемент — порядковый номер разработки конкретной ИМС в данной
серии, в которой может быть несколько одинаковых по
функциональным признакам ИМС.
Ниже приведен пример условного обозначения интегральной
полупроводниковой микропроцессорной микросхемы серии 1800.
Серия
! !
1 800 ВС _J
Порядковый номер разработки
микросхемы (по функциональному
признаку) в данной серии
Подгруппа и вид (по функциональному
назначению)
Порядковый номер разработки данной серии
Группа (по конструктивно-технологическому исполнению)
В конце условного обозначения может добавляться буква,
указывающая на отличие микросхем по электрическим
характеристикам в пределах данного типономинала. Могут быть использованы
все буквы русского алфавита,* за исключением букв 3, М, О, Т, Ш,
Ч, П, Ы, Ъ. Буква может быть заменена цветной точкой.
Для ИМС, используемых в устройствах широкого применения,
в начале обозначения указывается буква К. После буквы К, перед
• номером серии, может быть приведено условное обозначение
корпуса, в котором изготовлена ИМС. Например, буква Р обозначает
пластмассовый корпус, буква Б — бескорпусный вариант ИМС.
Для бескорпусной ИС в условное обозначение через дефис
вводится цифра, соответствующая конструктивному исполнению: с
гибкими выводами— 1; с паучковыми, в том числе на полиимидной
пленке, — 2; с жесткими выводами — 3; неразделенные на
пластине — 4; разделенные без потери ориентации (например,
наклеенные на пленку) — 5; без выводов (с контактными
площадками) — 6.

6. ОСНОВЫ ТЕХНОЛОГИИ ИМС
6.1. Технология полупроводниковых ИМС
Производственный процесс изготовления ИМС представляет
собой совокупность действий работников предприятия,
преобразующих исходные материалы и полуфабрикаты в готовые изделия—
интегральные микросхемы. Технологический процесс является
частью производственного процесса, непосредственно связанной с
последовательной сменой состояний предмета производства, т. е.
с обработкой материалов, полуфабрикатов, сборкой и контролем
изделий.
Технология производства ИМС включает совокупность
механических, физико-химических, электрофизических и других методов
обработки полупроводниковых, диэлектрических и прочих
материалов и полуфабрикатов, а также методов их контроля. Такие
методы являются специфическими, применяемыми в основном при
производстве микросхем. Своеобразие технологического процесса
изготовления микросхем заключается также в том, что вся
последовательность многочисленных (от ста до двухсот)
технологических операций относится в основном к одному и тому же объекту—
подложке с микросхемами. Лишь операции сборки и монтажа
выполняются применительно к каждой отдельной микросхеме.
Указанное своеобразие обусловливает чрезвычайно высокую
зависимость производства ИМС от качества проведения каждой
технологической операции, поскольку процент выхода годных изделий в
данном случае представляет собой произведение пооперационных
процентов выхода.
Последовательность изготовления плаиариого p—n-перехода
в эпитаксиальном слое на кремниевой подложке интегральной
микросхемы показана на рис. 6.1.

Нужный тип проводимости эпитакеиальиого слоя
обеспечивается путем подачи в реактор паров химических соединений,
содержащих легирующие элементы доноров или акцепторов, например
фосфина (РЩ) илидиборанаСВгНе). Р«мср
В целях создания окисной пленки на поверхности кремниевой
зпитаксиальной структуры (рис. 6.1, б) проводится процесс терми-
ческого окисления. Процесс осуществляется в термических
установках (печах), причем кремниевые, структуры (для простоты

Рис. 6.1. Основные этапы изготовления планарного р—/t-перехода в
зпитаксиальной структуре* полупроводниковой ИМС:
аТ^?л°^« ^1ЕуктРа; б~стРУктура с окисной пленкой на поверхности;, е-гэкепонирование
SSSa S™' рез Ф°тошабл°и; г—образование р—n-перехода в результате диффузии акцеп-
/ РД™Л£?, ~и через окно в окисле; д—создание дорожек межсоединений (металлизации);
i—эпитаксиальный слой; 2—подложка; 3—пленка двуокиси кремния; 4—фотошаблон;
5—фоторезист; б—диффузионная область; 7—металлизация. -

после чего .ощслитель путем диффузии проникает через
имеющуюся пленку окисла к поверхности чистого кремния, где вступает с
ним в химическую реакцию. Концентрация окислителя на
поверхности окисла зависит от температуры, скорости газового потока в
. кварцевой трубе окислительной установки, давления. Например,
при температуре Г= 1000 °С и атмосферном давлении концентра-,
ция молекул окислителя на поверхности окисной пленки состав-"
ляет i\fSOK=5-1016 молекул/см3 при окислении в сухом кислороде и
^sok=3-1019 мрлекул/см3 при окислении в парах воды.
Скорость, роста окисной пленки-зависит от количества молекул
окислителя, достигших поверхности чистого кремния.' Поскольку в
двуокиси 5 кремния Si02 содержится 2,2-10^2 молекул/см3, то для
образования единицы объема этого вещества необходимо
"обеспечить подачу-2,2-1022 молекул/см3 кислорода или 4,4-1022
молекул/см3 воды. ■■•.''■•;• ; : • '•
Поток Ft окислителя, проникающего путем диффузии через
' окисную пленку, может быть описан выражением ; ;

где Д — коэффициент диффузии, см2/с; Nor — концентрация
окислителя, проникшего через окисную пленку, молекул/см3; хок —
толщина.окисной пленки, см.
Поток F2 на границе окисной пленки и чистого кремния
зависит от старости протекания химической реакции окисления:
F2= iWok, где К — константа химической реакции. ,-■

Из выражения (6.1) можно определить толщину окисной
пленки:

фоторезист засвечивается, он полимеризуется и не поддается
удалению при последующей обработке специальным растворителем.
Незасвеченные участки фоторезиста вымываются растворителем
(процесс проявления). Затем через окна в фоторезисте
производится травление окисной пленки в смеси плавиковой кислоты HF
с фтористым аммонием NH4F. Остатки фоторезиста после
травления окисла удаляются в горячей концентрированной серной
кислоте или другими способами.
Описанный фотопроцесс называется негативным, так как в тех
местах, где на фотошаблоне существуют затемненные участки, в
окисной пленке образуются окна. В технологии ИМС используется
также позитивный фотопроцесс, при котором затемненные участки
фоторезиста полимеризуются и после процесса проявления не
удаляются. В результате травления окисной пленки ее участки в
этих местах не удаляются травителем. Через вскрытые с помощью
фотолитографии в окисной пленке окна в кремниевую структуру
вводятся примеси (см. рис. 6.1, г).
Основными методами введения примесей в процессе
изготовления ИМС являются диффузия и ионная имплантация. При этом
распределение концентрации примеси подчиняется определенным
физическим законам и, как показано ниже, описывается
аналитическими выражениями, позволяющими рассчитать профиль
распределения.
Технология диффузионных процессов заключается в
термической обработке кремниевых пластин в газовой атмосфере,
содержащей атомы нужных примесей. Пластины помещаются в
кварцевую трубу, подобно тому, как это делается при эпитаксиальном
наращивании. Кварцевая труба нагревается в печи до температур
900-—1200 °С. В трубу вместе с потоком газовой смеси (обычно
азота с кислородом) подаются пары диффузанта. Наиболее
широко используются жидкие диффузанты, например соединения ВВгз,
РОС13, которые в отдельных сосудах предварительно испаряются
перед подачей их в печь. В пространстве кварцевой трубы при
указанных высоких температурах протекают химические реакции,
например:
На поверхностикремниевой пластины пары борного ангидрида
"взаимодействуют с кремнием согласно следующей реакции:

воздействию высокой температуры без подачи диффузанта извне,
то атомы примеси из указанного тонкого слоя будут
диффундировать далее в глубь кремния.
Такой способ введения примесей называется диффузией из
ограниченного источника.
Технология введения примесей путем ионной имплантации
заключается во внедрении заряженных атомов примесей в кремний
с помощью ионно-лучевых ускорителей, где ионам сообщается
энергия от нескольких десятков до сотен килоэлектронвольт.
Генерация ионов осуществляется в плазме дугового разряда. В качестве
рабочих веществ применяются химические соединения ВВгз, РС1з
и др. Пары этих соединений подаются в газоразрядную камеру,
откуда из плазмы разряда с помощью ионно-оптической системы
вытягиваются ионы. На пути к мишени-подложке ионы проходят
магнитный анализатор, в котором в зависимости от массы и заряда
ионы разделяются на пучки. К полупроводниковой подложке
направляется только нужный изотопный пучок, что позволяет
понизить требования к чистоте исходных рабочих веществ.
Электрические параметры элементов полупроводниковых ИМС
полностью зависят от распределения концентрации примесей в
структурах. Профили концентраций определяются параметрами
исходных материалов и режимами технологических процессов.
Если введение примесей в полупроводниковый материал
осуществляется с помощью диффузионных процессов, то распределение
концентрации атомов примеси существенным образом зависит от
вида источника диффузанта, который может быть, как указывалось
выше, неограниченным или ограниченным.
В случае проведения дуффузии из неограниченного внешнего
источника распределение концентрации примесей описывается
функцией дополнения до единицы интеграла ошибок

Табл. 6.1. Коэффициенты диффузии и энергия активизации
примесей в кремнии
Элемент | D0> сы2/с | ДЯ» эВ 11 Элемент D0t ем2/с I &Е, эВ
В 11,5 3,7 Р 1400 4,4 .
А! 10 3,5 As 0,44 3,6
<3а 3,3 3,5 Sb 4,0 3,9
Jn 16 3,9 Au 9,5-Ю-з 1,1
Табл. 6\2. Коэффициент диффузии, энергия активации и
максимальная растворимость примесей в арсениде галлия
Эле- £>,», I _ I ^тах ПР" Эле- D0, Л _ _ Н^тах ПР"
мент ем-'/с At* эВ П50°С, ем~3 мент ем2/с At> эБ 1150°С, см~*
Те 2,6-10-5 2,00 — Cd 1,3.Ю-2 2,43 1021
S 4-Юз 2,80 —, Ge 310-5 1,8 2.1020
Se 3-103 4,16 — Au Ы0-« 1,1 —
Sn 610-4 2,50 2-1020
Zn 810-Q 1,50 Ю2» у
Величины £>о, АЕ и iVmax определяются экспериментально,
соответствующие данные для некоторых примесей в кремнии и
арсениде галлия приведены в табл. 6.1 и 6.2, а также на рис. 6.4 и 6.5.
Если диффузия донорных (акцепторных) примесей проводится в
полупроводник, в котором содержится исходная концентрация
акцепторных (донорных) примесей N0, то выражение (6.6)
принимает вид

Выражение (6.11) с достаточной точностью описывает характер
распределения примесей при условии* ]/"DT>3 tfDt..
Предэксионенциальный множитель в выражении (6.11)
представляет собой поверхностную концентрацию примеси (на единицу
объема), зависящую от условий и времени проведения процесса:
Соответственно глубиназалегания р—я-перехода может быть
рассчитана согласно выражению

Имплантация ионов в полупроводниковые кристаллы с
исходной концентрацией примеси N0 приводит к распределению
внедренных ионов, описываемому функцией Гаусса:

1. Внедрение ионов бора и фосфора с дозой iV=1014—10igcm_2
(iV=6,25-1012QcM~2, где Q — доза в мкКл/см2) в кремний с
исходной концентрацией примеси Л/о<1015см-3 и кристаллографической
ориентацией (111) и последующим отжигом для уменьшения
количества дефектов в течение 0,5—1 ч при температуре 700—800 °С:

Построение кривых, соответствующих профилям распределения
концентраций примесей в полупроводниковых структурах с
легированными слоями, может быть осуществлено с помощью ЭВМ, для
чего необходимо составить программу, содержащую нужные
соотношения, и вывести данные в виде таблиц или графиков. Для
оценочных расчетов и достижения возможно большей наглядности при
построении профиля распределения примесей можно применять
графоаналитический метод, используя нормализованные графики

Рис. 6.7. Распределение концентрации примеси в
результате ионной имплантации (а) и диффузии (б) через окно
в пленке двуокиси кремния.
функций дополнения интеграла ошибок или распределения
Гаусса.
Пример. Построить профиль распределения концентрации примесей в
структуре, содержащей три легированные области: равномерно легированная область с
исходной концентрацией донорной примеси (фосфор) N0 = В-Ю1ь см-3;
диффузионный слой, легированный акцепторной примесью (бором), с поверхностной
концентрацией NSa = 5-1018 см*-з и глубиной залеганияp—n-перехода х1~~2- 10~4см-г
второй диффузионный слой, легированный донорной примесью (фосфор), с
поверхностной концентрацией NSd= 1020 сш~п. и глубиной залегания р— n-перехода
х^ = 1,2-К)-4 см. Технологические параметры: температура процесса диффузии
бора Га=1453 К, температура процесса диффузии фосфора 7V=1373 К.
Решение. Примем гауссовскую аппроксимацию распределения
концентрации примесей в диффузионных слоях. В соответствии с этим нормализованные
кривые, описываемые соотношением

Построим кривую распределения концентрации примеси в координатах Ма(х).
Для этого, задаваясь значениями xlf рассчитаем величины уг и по графику рис.
6.8 найдем соответствующие значения отношения Ма (#» 0/^sa*

Кривую распределения Л^(лг, t)/MSa получим, используя рис. 6,8, путем
смещения кривой NSa (x, t)/NSa по оси ординат на величину

Располагая полученным на рис. 6.8 отношением концентраций Na(x, t)/NSa=
= 1,0- Ю-1 при t/i:i= 1,5, найдем концентрацию примесей на глубине р—я-пе«
рехода х2:

ной формы, каждый из которых содержит одну микросхему.
Процесс разделения называется скрайбированием. Он заключается в
предварительном нанесении с помощью алмазного резца рисок, по
которым затем осуществляется разламывание пластины.
Кристаллы монтируются в корпуса (см. § 5.1).
Соединение внешних контактных площадок микросхемы на
кристалле с контактными площадками выводов корпуса
обеспечивается с помощью термокомпрессии. Этот процесс представляет

Рис. 6.10. Профиль распределения концентрации атомов примесей в
трехслойной структуре, полученной диффузией:
/—диффузионный слой /г-типа; //—диффузионный слой р-типа; ///—равномерно
легированный исходный материал «-типа.
собой вид сварки давлением при относительно небольшой
температуре (около 300 °С). Золотая или алюминиевая проволока
диаметром 10—50 мкм с помощью специально заточенной иглы,
закрепленной в термокомпрессионной головке с подогревом, прижимается
к контактным площадкам, причем обеспечивается давление
примерно 108 Па. Взаимное проникновение материалов обеспечивает
прочное соединение.
При 'изготовлении бескорпусных полупроводниковых
микросхем сначала к кристаллам с помощью термокомпрессии
присоединяются проволочные выводы, после чего кристалл герметизируется
компаундом. Жесткие выводы бескорпусно-й микросхемы
изготавливаются путем гальванического наращивания на внешние
контактные площадки кристалла металлических многослойных
структур в виде полусфер (шариковые выводы) или прямоугольных
полосок (балочные выводы).
178

6.2. Технология тонкопленочных ГИС и МСБ
Пассивные элементы, в том числе межсоединения ГИС и МСБ,
создаются вакуумным напылением тонких пленок металлов,
сплавов, композиционных материалов и диэлектриков на
диэлектрические подложки из керамики, ситалла или стекла (см. § 3.1 и 4.2).
Необходимая конфигурация элементов и межсоединений
обеспечивается или путем напыления пленок на подложки через маски, или
с помощью фотолитографических процессов.
_________ 1 1
I Напыление резистивных пленок I I Напыление диэлектрических пленок ]
I I или нанесение пленки фоторезиста I
, * ■ [ для защиты пассивной платы 1
| Напыление проводниковых пленок | I
I для межсоединений и нижних I „ I
1 обкладок конденсаторов j J Монтаж навесных компонентов на 1
1——— I плате и платы в корпусе I
, I ' ^Х '
I I I Ш
I Напыление диэлектрических пленок j . Т
Г I Герметизация микросхемы 1
я 1 I
? 1 в корпусе I
I Напыление проводниковых пленок
I для межсоединений и верхних |
•> I обкладок конденсаторов I I
Рис. 6.11. Основные этапы изготовления тонкопленочных
гибридных ИМС с помощью масок.

Рис. 6.12. Биметаллическая маска, используемая при напылении на подложку
тонких пленок (разрез):
/—бронзовая фольга; 2—пленка никеля.
Основные этапы технологического процесса получения ГИС и
МСБ при напылении пленок через маски показаны на рис. 6.11.
Биметаллическая маска представляет собой двухслойную
структуру из бериллиевой бронзовой фольги толщиной 0,1—0,15 мм,
на которую гальваническим путем нанесена тонкая (примерно
10 мкм) пленка никеля (рис. 6.12). Бронзовая фольга играет роль
несущей подложки, а пленка никеля обеспечивает необходимые
размеры окон с минимально возможной погрешностью.
Подобная конструкция масок обусловлена технологическими
особенностями их получения. Маску изготавливают с помощью
процессов фотолитографии. Отверстия в ней протравливаются
через окна в фоторезисте, который наносится на ее поверхность,
затем засвечивается-через фотошаблон с соответствующим
рисунком, проявляется и подвергается температурной обработке (за-
12* 179

дубл'ивается). Вытравливание через окно в фоторезисте отверстия
в сравнительно толстой бронзовой фольге связано с одновременным
сильным боковым растравливанием материала. Этот процесс не
поддается контролю и не позволяет обеспечить точные размеры
отверстий. В то же время вытравливание отверстий,
соответствующих заданному топологическому рисунку какого-либо слоя
микросхемы, в тонкой пленке никеля может быть осуществлено с высокой
точностью. Заметим, однако, что при изготовлении микросхем
напыление материалов происходит не только в отверстия в 'маске,
но и на поверхность самой маски. В результате размеры отверстий
со временем перестают отвечать заданным, маску приходится
заменять.
Как видно из рис. 6.11, после напыления резистивных,
проводящих и диэлектрических пленок полученная пассивная плата (без
навесных компонентов) покрывается защитной пленкой
диэлектрика, роль которого может играть фоторезист или гюлппмидиый лак
(см. табл. П.12). Применение фоторезиста позволяет с помощью
фотолитографических процессов получить защитную пленку с
любым топологическим рисунком. В частности, в нужных местах
могут быть оставлены открытые участки платы, например, для
приклеивания навесных компонентов и для присоединения их выводов
к контактным площадкам. Применение полиимидного лака,
который наносят на поверхность платы пульверизацией через маску
(трафарет), не позволяет оставлять открытые участки, окруженные
со всех сторон защитной пленкой. Кроме того, плата может
покрываться для защиты пленками неорганических диэлектриков,
напыляемых через маски в вакууме, например пленкой SiO и др. В этом
случае использование масок также не позволяет оставлять
открытые участки в центре платы, окруженные со всех сторон защитной
пленкой.
Разрезание подложек, изготовленных из ситалла или стекла, на
платы с отдельными микросхемами осуществляется путем скрай-
бирования, т. е. так же, как и в случае разделения
полупроводниковых пластин на кристаллы. Применение скрайбирования
возможно и при разделении керамических подложек, однако точность
обеспечения размеров при этом невелика. Поэтому керамические
платы значительной толщины часто сразу изготавливают нужных
размеров.
Монтаж навесных компонентов заключается в их закреплении
на платах ГИС и МСБ с помощью различных клеев, смол,
компаундов и последующем создании соединений их выводов с
контактными площадками платы путем термокомпрессии, пайки или
сварки (см. § 3.6).
Для закрепления компонентов на платах используются клеи
марок ТКЛ-1, ВК-9 и др. Процесс пайки припоями хорошо известен,
процесс термокомпрессии осуществляется так же, как и при
монтаже полупроводниковых ИМС. Создание электрических
соединений и прочное закрепление гибких выводов компонентов на
пленочных контактных площадках платы часто осуществляется путем
180

электрической контактной сварки. Для этого используется
расщепленный электрод. Он представляет собой две миниатюрные рядом
расположенные электрически изолированные друг от друга
половинки электрода, закрепленные в сварочной головке. Обе части
расщепленного электрода одновременно прижимают гибкий вывод
к контактной площадке. Через расщепленный электрод
пропускают ток, который проходит последовательно через одну половину
электрода, затем через участок прижатого к плате гибкого вывода
и через вторую половину электрода. При этом часть гибкого
вывода, через которую протекает ток, нагревается до значительной
температуры и создается сварное контактное соединение.
Если необходимо осуществить соединение без значительного
нагрева, применяют контактную сварку с наложением на рабочую
головку ультразвуковых колебаний, интенсифицирующих процесс
сварки.
Компоненты (бескорпусные транзисторы и микросхемы) с
шариковыми (столбиковыми) выводами монтируются методом
«перевернутого кристалла» (см. рис. 4.2, б). Покрытые припоем шарики
соединяются с контактными площадками платы при подогреве
сварочным инструментом кристалла навесного компонента и
наложении ультразвуковых колебаний. Установка компонентов с
шариковыми выводами, диаметр которых составляет примерно 50 мкм,
на контактные площадки платы связана со значительными
трудностями их взаимного совмещения.
Навесные компоненты с балочными выводами более удобны.
Они представляют собой расположенные на поверхности кристалла
бескорпусного транзистора или полупроводниковой микросхемы
металлические миниатюрные балки толщиной примерно 20 мкм и
шириной 200 мкм. Через контактные окна в двуокиси кремния
балки контактируют с полупроводниковыми областями навесного
бескорпусного транзистора или микросхемы и, проходя поверх
двуокиси кремния, образуют выступы длиной примерно 500 мкм
за пределами кристалла, «нависая» над его краями. Подобные
выводы создают из полосок фольги, приваренных к контактным
площадкам кристалла, или гальваническим осаждением металлов.
Компоненты с балочными выводами монтируются на платы ГИС и
МСБ также методом перевернутого кристалла, т. е. контактными
площадками и балочными выводами вниз, к плате, и закрепляются
клеем. Выводы привариваются к контактным площадкам .платы с
наложением ультразвуковых колебаний. Поскольку балочные
выводы выступают за пределы кристалла, их совмещение с
контактными площадками платы осуществляется более легко, чем у
компонентов с шариковыми выводами.
Способ монтажа плат тонкопленочных ГИС и МСБ в корпусе
зависит от типа применяемого корпуса (см. § 5.1). При монтаже в
металлостеклянном, металлокерамическом или металлополимер-
ном корпусе плата приклеивается к основанию корпуса клеями,
смолами, компаундами, например клеями марок МПФ-1, КВК,
ВК-9. Соединение внешних контактных площадок платы с вызода-
181

ми корпуса осуществляется, как правило, теми же методами,
какими создаются соединения выводов навесных компонентов с
контактными площадками платы. Например, если при монтаже
навесных компонентов применялась термокомпрессия, то и при монтаже
платы в корпусе для унификации технологического процесса
должна использоваться также термокомпрессия.
Герметизация корпусов осуществляется сваркой (например,
аргонно-дуговой), пайкой припоями. Иногда крышку корпуса
приклеивают к основанию эпоксидными смолами.
^„„„„^^^.^^^^.^^^^.^ 1 i j
| Напыление резистивной пленки I I Напыление проводниковой пленки I
}| через маску I
, „ ,
] Напыление проводниковой пленки I ?
I I ] Напыление диэлектрической пленки I
и- * ■ 1 ИЛИ I
I Фотолитография резистивной j . I нанесение фоторезиста для защиты I
и проводниковой пленок j I пассивной платы I ^
Г Т ^
I Фотолитография проводнико- j j Монтаж навесных компонентов на
1 вой пленки I I плате и платы в корпусе I
t Г
1 Напыление диэлектрической I j Герметизация микросхемы I
I пленки через маску II в К0РпУсе I
Рис. 6.13. Основные этапы изготовления тонкопленочных
гибридных ИМС с помощью фотолитографии.
Поверхностная конфигурация элементов ГИС и МСБ может
создаваться с помощью фотолитографических процессов (рис. 6.13).
В этом случае иа плату первоначально напыляется сплошная
пленка резистивного материала, а поверх нее сплошная пленка
проводникового материала. Затем наносится фоторезист, который экспо.
. нируется через фотошаблон, проявляется и задубливается. Через
окна в фоторезисте травителем удаляются участки одновременно
проводниковой и резистивной пленки там, где в соответствии с
топологическим чертежом поверхность платы остается свободной.
Далее проводится вторая фотолитография, в результате которой
селективным травителем с поверхности резистивной пленки
удаляется проводниковая пленка в тех местах, где должны быть
резисторы. Заметим, что при получении элементов данным методом под
всеми токопроводящнми дорожками платы остаются дорожки из
резистивной пленки, что, однако, не ухудшает свойств
межсоединений. Более того, резистивные пленки, как правило, играют роль
подслоя для улучшения адгезии токопроводящих пленок к плате.
Если изготавливаемые с помощью фотолитографии ГИС или
МСБ должны содержать в своем составе конденсаторы, то они
182

обычно монтируются в виде навесных компонентов. При
необходимости могут быть получены и пленочные конденсаторы, однако
применение фотолитографических процессов при этом исключается.
Это объясняется отсутствием надежных селективных травителей,
которые воздействовали бы только на диэлектрические пленки, не
повреждая нижележащие проводниковые. Поэтому диэлектрики
пленочных конденсаторов и проводниковые пленки верхних
обкладок напыляются через маски (см. рис. 6.13). Остальные
технологические процессы проводятся уже описанными методами.
6.3. Технология толстопленочных микросхем
Нанесение паст на подложки в технологическом процессе сетко-
графии осуществляется, как правило, с помощью
полуавтоматических установок. Основными узлами подобной установки являются:
вакуумный или механический держатель подложек с механизмом
для их подачи и удаления, рамка с трафаретом и ракель с
механизмом для его перемещения. Установки содержат также
приспособления для юстировки трафаретов в плоскости подложки, для
юстировки расстояния между трафаретом и подложкой, а также для
регулирования силы давления ракеля.
Существуют две разновидности трафаретов — нитяные и фоль-
„ говые. В соответствии с двумя типами трафаретов различают два
вида трафаретной печати — бесконтактную и контактную. В
первом случае трафарет касается подложки только лишь под ракелем,
в другом — по всей поверхности подложки.
Трафарет для бесконтактной печати изготавливается в виде
натянутой на алюминиевую рамку сетки из стальных проволочек или
капроновых нитей. Сетка покрывается фоторезистом или
специальной светочувствительной бумагой. Рисунок соответствующего слоя
микросхемы фотографически наносится (экспонируется) на
фоторезист или бумагу, причем в процессе проявления в них
вскрываются окна, обнажающие сетку в тех местах, где через нее должна
продавливаться паста (рис. 6.14, а).
Сетки характеризуются количеством проволочек или нитей на
единицу длины. Единицей разрешающей способности сетки
является меш, соответствующий количеству проволочек на один дюйм.
Например, сетка 200 меш имеет 8 проволочек на 1 мм. При
диаметре проволоки 25 мкм размер ячейки сетки в свету составляет
примерно 100 мкм-. Обычно для толстопленочиой печати применяются
сетки от 105 до 325 меш, т. е. от 4 до 12 проволочек на 1 мм. Более
грубые сетки используются для получения более толстых пленок.
Между сетчатым трафаретом и подложкой оставляется
расстояние от 0,25 до 1,5 мм в зависимости от размеров ячеек сетки.
Ракели изготавливаются из резины или полиуретана. Давление
ракеля на трафарет устанавливается примерно 100 Н на 1 мм его
длины, скорость движения по трафарету составляет 50—200 мм/с.
Фольговый трафарет для контактной печати представляет
собой триметаллическую структуру из бронзовой фольги, покрытой с
183

обеих сторон тонкими слоями никеля. В бронзе путем травления
создается сетка-растр, имеющая то же назначение, что и сетка
трафарета для бесконтактной печати, т. е. выравнивание слоя
пасты при нанесении на подложку. В слоях никеля вытравливаются
окна, соответствующие рисунку нужного слоя микросхемы
(рис. 6.14, б). Контактная печать обеспечивает повышенную
точность получения рисунка слоя.
После нанесения слоя пасты на подложку последняя в течение
нескольких минут выдерживается при комнатной температуре. При
этом отдельные островки
пасты, образовавшиеся
после продавливания ее через
ячейки сетки трафарета,
растекаются и создают
ровную поверхность слоя.
Затем слой пасты подвергается
сушке в течение 15—20 мин J
при температуре 80—125 °CJ
Во время сушки из пасты
медленно удаляются
орга нические растворители. В
случае ускорения этого
процесса при последующем
вжигании в пленке могут
появиться трещины и
пузыри. Для сушки
применяются инфракрасные лампы.
В процессе вжигания нелетучая составляющая органического
связующего выгорает, стеклянная фритта размягчается,
растекается по керамической подложке (или межслойному диэлектрику)
и создает прочную связь между частицами металлов и окислов.
Высокотемпературная обработка паст производится в
многозонных конвейерных печах в воздушной атмосфере. Скорость
воздушного потока в печи 5—12 см/с. Скорость конвейерной ленты от
12 до 150 мм/мин. Скорость нарастания температуры до макси-
* мальной устанавливается на уровне 30—70 °С с точностью
±2°С/мин. Максимальная
температура в печи поддерживается с
точностью ±10°С для
проводниковых и ±1 °С для резистивных паст.
Пример температурно-временно-
го режима вжигания проводниковой
пасты приведен на рис. 6.15.

жению проводников; удельной емкости диэлектриков; удельного
сопротивления, ТКС и шумов резисторов; временной стабильности
всех элементов.
Особое значение имеет порядок нанесения и вжигания пленок.
Первоначально печатаются и вжигаются проводники, поскольку
проводниковые пасты могут выдерживать многократные последующие
термообработки. Затем наносятся диэлектрические пленки для
конденсаторов и пересечений проводников.
. Если толщина сырой диэлектрической пленки составляет,
например, 35 м*см, то после сушки — 25 мкм, а после вжигания —•
20 мкм.
Для повышения надежности конденсаторов и пересечений
проводников диэлектрические пасты накладываются дважды.
Резиетивные пасты наносятся и вжигаются в последнюю
очередь. Послр них могут наноситься только защитные
диэлектрические пленки, которые вжигаются одновременно с резистивными или
после них при пониженной до 500 °С температуре.
Если толщина сырой резистивной пленки составляет, например,
50 мкм, то после сушки — 25 мкм, а после вжигания — 17 мкм.
Изменение порядка нанесения и вжигания паст приводит к
остекловыванию резистивных пленок при многократных
термообработках, к резкому-неконтролируемому возрастанию их удельного
.сопротивления и к увеличению сопротивления контактов с
проводниковыми элементами.
В состав проводниковых и резистивных паст входят редкие и
благородные металлы, что заставляет учитывать расход этих
материалов. Чем меньше площадь пленочных проводников и
резисторов, тем экономичнее производство микросхемы. Разумеется,
размеры подложки и расход диэлектрических паст также влияют
на стоимость.
Сборка микросхем начинается с армирования выводами плат с
нанесенными на них пленочными элементами и покрытыми в
нужных местах защитным диэлектрическим слоем. Затем платы
подвергаются лужению, после чего производится подгонка резисторов.
Активные и другие навесные компоненты закрепляются на платах
с помощью клеев холодного отвердения на основе эпоксидных смол,
например марки ЭД-6 и др.
Присоединение выводов навесных компонентов к контактным
площадкам микросхем может осуществляться обычной пайкой
различного рода припоями. Проводники и контактные площадки,
изготовленные из паст, состоящих в основном из золота и серебра,
склонны к растворению в обычных свинцово-оловянных припоях.
Поэтому присоединение выводов к ним создается
термокомпрессией или ультразвуковой сваркой; Иногда в этих случаях
используют пайку эвтектическими сплавами • золота с германием или
кремнием, а также сплавом серебро—медь. ;
Герметизация микросхем осуществляется путем установки плат
под колпачок корпуса и последующей заливки с наружной стороны
герметизирующим компаундом, который изготавливается на основе
18Б

эпоксидных смол. После герметизации микросхемы маркируются
и покрываются прозрачным лаком. Если элементы и компоненты
расположены только с одной стороны платы^ то микросхемы могут
устанавливаться в стандартные металлостеклянные или металло-
полимерные корпуса.
Схема процесса производства толстопленочных микросхем
представлена на рис. 6.16.
Масштабы производства толстопленочных микросхем
неуклонно расширяются. Основные усилия разработчиков направлены на
j Ц .
I II! Армирование платы внешними I
I Нанесение проводников I I j I
I III выводами I
.♦ ' . i
I I i Лужение проводников и I
I Вжигание проводников II I
| II контактов платы I
ш t JL
1' Нанесение диэлектриков для I | J I
| II Подгонка резисторов I
I конденсаторов и пересечений { 1 I
i ' 1 | *
J 11 Контроль резисторов и 1
I Вжигание диэлектриков ] I I
sj II конденсаторов 1
i
, i | ■ * — .
j Нанесение верхних обкладок и I I Формовка выводов навесных I
1 проводников I I ! I компонентсв I
ржигание проводников и верхних Лужение выводов навесных
j обкладок II компонентов I
1 г ' *- j ! ■
, I |
з п | 1
«Контроль на короткие замыкания. I 1 Контроль навесных компонентов t
I -'j И), f
, r_ I '" —] ;
i i
j III Монтаж навесных компонентов!
i Нанесение резисторов II I
I j I на плате I
1 I
j Нанесение защитного покрытия j I I функциональный контроль платы I
1 ^
IЗжигание резисторов и защитного j I j
j покрытия Герметизация
f . 1 . .
I Термотреиировка резисторов и I
I Конденсаторов I
* J
Рис. 6Л6. Основные этапы изготовления
толстопленочных гибридных ИМС.
186

получение пает, обеспечивающих повышенную разрешающую
способность рисунка, улучшенные температурную и временную
стабильности элементов, на изготовление паст, в которых благородные
металлы заменены на более доступные — никель, медь, алюминий,
вольфрам. Помимо снижения затрат иаг материалы, данные пасты
способны обеспечивать улучшение ряда параметров элементов.
Так, например, достигается улучшение температурной
стабильности. Поскольку при вжигании таких паст не образуются окислы
металлов, проявляющие полупроводниковые свойства, резисторы на
основе неблагородных металлов обладают меньшими собственными
шумами, большей линейностью вольт-амперных характеристик,
повышенной электрической прочностью.
Снижение затрат на материалы, однако, сопровождается
увеличением сложности и стоимости технологического процесса. Пасты
на основе неблагородных металлов требуют высокотемпературных
режимов термообработки в контролируемых газовых средах.
Большинство из них не обеспечивает возможности обычной пайки,
поэтому проводники необходимо делать двухслойными. Возникают
трудности совмещения проводящих и резистивных паст.
Разрабатываются также пасты, обеспечивающие возможность
применения фотолитографического процесса. Они позволяют
повысить разрешающую способность рисунка микросхемы и таким об-
«разом увеличить степень интеграции. Ширина проводниковых
дорожек может быть снижена до 50 мкм. Диэлектрические пасты
для многослойной изоляции схем с высокой степенью интеграции
позволяют создавать окна с поперечным размером 125 мкм в
пленках толщиной 25 мкм, а в пленках толщиной 15 мкм размеры окон
могут быть уменьшены до 75 мкм. Пасты содержат компонент,
чувствительный к ультрафиолетовому облучению. Облученные участки
паст не удаляются растворителем в процессе проявления рисунка
(негативный фотопроцесс). Пасты наносятся сплошным слоем на
керамическую подложку через трафарет при освещении желтым
светом, затем в течение 30 мин подсушиваются в потоке воздуха,
нагретого до 60 °С. Сравнительно низкая температура сушки
объясняется необходимостью сохранения в пасте фоточувствительного
компонента от испарения.
Экспонирование ведется через стеклянный или пленочный
фотошаблон, совмещение производится под микроскопом. Для
получения ультрафиолетового излучения используются ртутные лампы.
Поскольку фоточувствительный компонент пасты изменяет свои
свойства при контакте с кислородом воздуха, экспонирование
проводится в вакууме примерно 150—300 Па или в атмосфере азота.
Время экспонирования составляет 15—60 с. Если используется
лампа мощностью 250 Вт, оно зависит также от толщины
облучаемой пленки.
^ Растворителем при проявлении служит перхлорэтилен.
Удаление необлученных участков пасты осуществляется путем
пульверизации перхлорэтилена в течение 30 с. После сушки на воздухе
дальнейшие манипуляции с платами могут проводиться при освещении
187

белым светом. Термообработка паст ведется в воздушной
атмосфере в течение 35 мин с выдержкой 4 мин при 850—900 °С.
В настоящее время изготовление толстопленочных микросхем
является рентабельным как при мелкосерийном, так и при
массовом типе производства. Низкая стоимость, короткие сроки от
начала конструирования до выпуска готовых изделий, разнообразие
областей применения, высокая надежность и другие положительные
качества обеспечивают толстопленочным микросхемам большое
будущее.

7. ПРЕДЕЛЫ МИНИАТЮРИЗАЦИИ И ПЕРСПЕКТИВЫ
РАЗВИТИЯ МИКРОСХЕМ
7.1. Возможности повышения степени интеграции
Уменьшение размеров элементов микроэлектронных устройств
ограничено пределами, которые обусловлены рядом факторов.
В их числе ограничения физического характера, технологические
трудности, повышение роли дефектов и снижение надежности,
технико-экономические и другие факторы.
Одним из фундаментальных физических ограничений
минимальных размеров полупроводниковых элементов с электрическими
переходами является ширина области пространственного заряда
(ОПЗ). Для резкого р—n-перехода, если одна из областей
значительно более сильно легирована, чем другая (например, Nd>Na),
формула (1.2) преобразуется к виду
В этом выражении только два параметра поддаются
воздействию: Uполп и Mi- Чтобы уменьшать ширину ОПЗ, необходимо,
очевидно, уменьшать Unojm и увеличивать Na. Учитывая величину
контактной разности потенциалов для кремниевых p—n-переходов
Фк»0,8 В, будем считать приемлемым минимальное напряжение
Люлн»1,8 В (внешнее приложенное напряжение U=1 В).
Легирование примесями р-области перехода не должно быть при этом
выше, чем Afa = 2- 1G18 см™3, что необходимо для поддержания
напряжения пробоя на уровне £/цр = 1 В. Таким образом, минимальная
ширина ОПЗ составит d = 0,03 мкм. Принимая во внимание, что в
базе биполярного транзистора располагаются две ОПЗ, которые не
должны смыкаться, а также учитывая необходимость сохранения
нейтральной области базы не слишком высокого сопротивления,
получим минимальный размер толщины базы биполярного
транзистора WttO,l мкм. Планарный транзистор с указанной
толщиной базы занимает площадь примерно 2 мкм2 и объем 2 мкм3.
С учетом возможностей функциональной интеграции областей
биполярных элементов (например, совмещения р—п—р- и п—р—п-
транзисторов, введения диодов Шотки) будем считать, что для
создания одного логического элемента необходима площадь, вдвое
превышающая площадь одного транзистора. Это позволит получить
максимальную степень интеграции порядка 2,5-107 логических
элементов на квадратный сантиметр. Данная степени интеграции
приблизительно соответствует максимально достижимому пределу и
для МДП-микросхем, поскольку в этом случае пока еще нет
данных о возможности функциональной интеграции, и следует пола-
189

гать, что для каждого логического входа необходим один МДП-
транзистор. На рис. 7.1 показана динамика развития степени
интеграции полупроводниковых микросхем различного
функционального назначения.
Оценим предельное быстродействие биполярных транзисторов,
которое ограничено временем пролета носителей заряда через
ОПЗ эмиттерного и коллекторного p—n-переходов и временем их
диффузии через нейтральную (не занятую областями
пространственных зарядов) базу. Поскольку дрейфовая скорость насыщения
Рис. 7.1. Динамика повышения
степени интеграции полупроводниковых
микросхем;
/—запоминающие устройства (емкость
памяти в килобитах указана цифрами
вблизи соответствующих точек); 2—
микропроцессоры (разрядность слов указана
цифрами вблизи соответствующих точек);
3—логические схемы (количество
функциональных элементов указано цифрами
 вблизи соответствующих точек).
электронов через ОПЗ равна v^W см/с, время пролета ОПЗ
шириной d = 0y3 мкм составит t*=d/v = 3-Ю-13 с. Задержка на двух
ОПЗ в базе транзистора составит, таким образом, /опз =6- 10~~13 с.
В области нейтральной базы время диффузии носителей заряда
описывается следующим соотношением:

Таким образом, минимальное время переключения биполярного
транзистора составляет несколько пикосекунд.
Подобные соображения могут быть также положены в основу
оценки предельного быстродействия микросхем на МДП-транзи-
сторах минимальных размеров. Время пролета носителей заряда
через канал МДП-транзистора имеет тот же порядок, что и время
переноса через базу биполярного, т. е. 10~12с. Однако
сопротивление канала превышает сопротивление базы приблизительно в
10 раз, т. е. составляет примерно 10 кОм.
Полагая суммарную емкость затвора МДП-транзистора и токо-
ведущих дорожек такой же, как и для биполярного транзистора,
получим время задержки £нс = 23-10~12 с, т. е. на порядок больше.
Приведенные оценки основываются на диффузионно-дрейфовой
модели переноса тока в транзисторах. Исследования последних лет
показывают, что в транзисторах с очень малыми размерами может
происходить баллистический перенос носителей заряда. Он имеет
место тогда, когда длина свободного пробега носителей заряда
между столкновениями больше, чем размеры областей
полупроводникового элемента. При этом, в частности, время пролета через
базу биполярного транзистора связано с ее толщиной линейной
(а не квадратичной) зависимостью. Поэтому оценка
быстродействия может быть скорректирована в сторону уменьшения времени
пролета через транзисторную структуру приблизительно на
порядок величины.
Повышение степени интеграции влечет за собой повышение
мощности рассеивания на единицу площади кристалла. Работа
переключения (фактор качества)

где Р — мощность, затрачиваемая на производство переключения;
i — время переключения; С — емкость переключающего элемента;
U — напряжение.
Принимая полученные выше значения величин С=10~3 пФ и
17=1 В, получим минимальную работу переключения (?=10^3пДж.
Если конструкция, содержащая в своем составе микросхемы,
подвергается ПрИНудИтельн0Му воздушному охлаждению (что
является весьма распространенным современным способом
охлаждения), допустимая тепловая нагрузка составляет примерно 2 Вт/см2.
Используя полученное ранее максимальное значение степени
интеграции 2,5-107 логических элементов на квадратный сантиметр
площади кристалла, получим максимально допустимую мощность
рассеяния на один логический элемент порядка 8*10~8Вт. Считая
минимальной работой переключения (3=10~"3пДж, найдем
ограничение времени переключения из условия допустимой мощности
рассеяния:

В случае жидкостного охлаждения допустимая удельная
мощность рассеяния составляет примерно 20 Вт/см2, что позволяет
понизить время переключения до t=l не. Тем не менее эти значения
далеки от оценок, полученных ранее без учета тепловых
параметров (£ = 2,3 пс). Это означает, что максимальная степень
интеграции существенным образом ограничена рассеиваемой мощностью.
Расчеты показывают, что, снижая степень интеграции до значений
2,5-105 логических элементов на см2, при жидкостном охлаждении
можно получить оптимальное
значение времени переключения
примерно 10 пс.
Динамика повышения
быстродействия логических устройств,
реализованных на основе наиболее
скоростных
конструктивно-технологических вариантов
полупроводниковых микросхем иллюстрируется
рис. 7.2.
Полученные выше минимальные
значения размеров должны быть
сопоставлены с предельными
воз можностями технологии.
Действительно, несмотря на возможность
достаточно точной реализации
вертикальных размеров
полупроводниковых элементов с помощью
диффузии или ионной имплантации
примесей, горизонтальные размеры, получаемые с помощью фото-,
электроно- или рентгенолитографии, ограничены разрешающее
способностью этих методов. Оптическая фотолитография имеет предел
разрешающей способности примерно 0,5 мкм и, следовательно,
неприменима для получения транзисторов с указанными размерами.
Они могут быть реализованы лишь., с помощью электроно- и
рентгенолитографии (теоретическая разрешающая способность до
10™4 мкм).
Одним из наиболее эффективных путей приближения
параметров реальных микросхем к теоретическим пределам является
разработка принципиально новых конструктивно-технологических
решений, позволяющих снизить работу переключения логического
элемента. Достигнутое в настоящее время значение Q = 0,1 пДж
п,ля логических элементов микросхем типа И2Л еще на два порядка
превышает теоретический предел.
7.2. Устройства функциональной микроэлектроники
Функциональная микроэлектроника (ФМЭ) охватывает вопросы
создания устройств методом физической интеграции, т. е. путем
использования таких физических принципов и явлений, реализация
которых позволяет получить элементы со сложным
функциональным назначением (в отличие от функционально простых элементов
192
Рис. 7.2. Динамика повышения
быстродействия
полупроводниковых микросхем:
ЗСЛ — эмнттерпо-связанная логика;
КНС—кремиий-на-сапфире; ИШЛ—
интегральная Шотки-лошка.

типа транзисторов, диодов, резисторов и т. п.). К устройствам ФМЭ
относят, например, приборы с зарядовой связью (ПЗС), устройства
на основе цилиндрических магнитных доменов (ЦМД), акустоэлект-
ронные и оптоэлектронные устройства и др. Особенностью этих
устройств является то, что электрофизические процессы, на
основе которых происходит преобразование информации, протекают в
непрерывной среде с полупроводниковыми, магнитными,
оптическими и другими свойствами. Тем самым достигается значительное
повышение функциональной интеграции.

Рис. 7.3. Элемент микросхемы на ПЗС:
л—носители заряда в потенциальной яме пол одним из электродов; б—перетекание
носителей зар51да в более глубокую потенциальную яму.
В настоящее врехмя еще недостаточно четко выработаны
критерии, которые определяют принадлежность элементов и устройств
к ФМЭ. Во многих случаях вопрос о принадлежности того или
иного устройства к ФМЭ является дискуссионным. Ниже
рассматриваются несколько устройств ФМЭ, действие которых основано
на различных физических явлениях и которые уже достаточно
широко применяются на практике.
Приборы с зарядовой связью представляют собой цепочку МДП-
структур, находящихся на достаточно близком расстоянии
(примерно 2 мкм) друг от друга (рис. 7.3). Если на один из затворов
подать импульс достаточно высокого напряжения, порядка 10 В
(рис. 7.3, а), то под данным затвором образуется потенциальная
яма. В ней в течение определенного времени (до нескольких
секунд) могут храниться неосновные носители заряда, которые
подаются в нее с помощью инжектирующего p—n-перехода или
генерируются светом. При подаче на соседний затвор импульса более
высокого напряжения, порядка 15 В (рис. 7.3, б), заряды
перетекают в более глубокую потенциальную яму. Подавая
последовательность импульсов, можно перемещать зарядовый пакет вдоль
13. Э. А. Матсон 193

разование акустических сигналов в электрические и наоборот с
помощью взаимодействия акустических волн и электронных
потоков. При этом используются прямой и обратный
пьезоэлектрические эффекты. Примером акустоэлектронного устройства служит
линия задержки, состоящая из пьезоэлектрической пластинки

Рис. 7.5. Перемещение ЦМД под действием
магнитных полей.
(кварца, сернистого кадмия, ниобата лития) с расположенными на
ее концах системами электродов. Каждая система электродов
содержит гребенчатый и сплошной электроды (рис. 7.6). Одна из
систем генерирует акустическую волну, причем расстояние между
зубцами гребенки определяет длину возбуждаемой волны, а вторая
преобразует акустический сигнал снова в электрический. Расстоя-
13* ' 195

ние между системами электродов обусловливает время задержки
сигнала. Подобные линии задержки могут использоваться в
различных устройствах для работы на частотах до 1 ГГц. На основе
акустоэлектронных эффектов изготавливаются также другие
устройства, например усилители.
Оптоэлектронными, называются устройства, в которых при
обработке информации осуществляется преобразование электрических

Рис. 7.6. Акустоэлектронная линия задержки.

ПРИЛОЖЕНИЕ 1
Значения некоторых фЕязичсс.чих величин
, Заряд электрона qt 1\л 1,6* Ю-19
Электрическая постоянная е<ъ Ф/см 8,85• 10~14
Магнитная постоянная j.i0, Гн/см 1,26-10~s
Постоянная Больцмана к, эВ/К 8;б2-10™5
ПРИЛОЖЕНИЕ 2
Параметры кремния и арсежда галлия,
выпускаемых промышленностью /
Монскристаллическкй. кремний. Промышленностью выпускается для
производства интегральных микросхем и полупроводниковых приборов кремний,
получаемый различными методами.
Условное обозначение материала включает указание на группу марок или
марку кремния (первые цифра и буква), подгруппу марок (последующая цифра),
после чего следует набор букв и цифр, раскрывающих метод получения кремния,
тип электропроводности, легирующий элемент, номинал удельного сопротивления,
диаметр слитка.
Примеры условного обозначения
1А5 КДБ 7,5/0,1-60
Кремний, полученный методом Чохральского (индекс К), дырочного типа
электропроводности (индекс Д), легированный бором (индекс Б), с удельным
сопротивлением 7,5 Ом-см, диффузионной длиной носителей заряда 0,1 мм,
диаметр слитка 60 мм.
2Б2 БКЭФ 25/0,2 - 50
Кремний, полученный методом бестигсльной зонной плавки (индекс БК).
Кремниевые эпитаксиальные структуры. Для производства
полупроводниковых ИМС широко используются эпитаксиальные кремниевые структуры.
Кристаллическая структура эпитаксиальиого слоя представляет собой
высокосовершенный монокристалл. Номенклатура типономиналов одно- и двухслойных
кремниевых зпитаксиальных структур, выпускаемых промышленностью, приведена в
табл. П.1.
Табл. П.1. Параметры кремниевых зпитак шальных структур
| Нижний эпигаксиальный слой I * Верхний эпитаксиальный слой
Тип i j j j
проводи- Тип Диапазон т I п Диапазон
мости прово- Диапазон удельных *ип Диапазон удельных со-
под- димос- толщин, мм сопротивле- проводи- толщин, противлении,
ложки ти ■ ний, Ом-см мости мкм Ом-см
п+ п 0,5—6,5- 0,1—1,5 — — —
п+ п% 0,5—5 0,2—1 п 0,5—5 0,03—0,15
п+ п 0,5—5 0,1—0,5 р 0,5—5 0,2 —1
л+ п 5—30 0,1—40 я, р 1,5—75 0,03—10
п+ Р 5—80 0,1—20 /г, р 1,5—75 0,08—10
р+ п 5—80 0,1—20 /г, р 1,5—75 0,03—10
р+ P 5—80 0,1—10 л, р 1,5—75 0,03—10
197

Пример условного обозначения однослойной
зпитаксиальной структуры
5КЭФ0.1
200КЭС0,01
Кремниевая эпитаксиальная структура диаметром 60 мм, с толщиной эпитак-
сиального слоя 5 мкм; материал эпитаксиального слоя—кремний марки КЭФ с
удельным сопротивлением 0,1 Ом«см; толщина подложки 200 мкм, подложка с
удельным сопротивлением 0,1 Ом «см.
Рис. П.1. Участок
кремниевой структуры со
скрытым слоем:
/—эпитаксиальный слой; 2—
 скрытый слой; 3—подложка.
Кремниевые эпитаксиальные структуры со скрытыми слоями. Поперечный
разрез кремниевой зпитаксиальной структуры со скрытым л+-слоем изображен на
рис. П.1. Параметры структур представлены в табл. П.2.
Пример условного обозначения
10КЭФ4,5/3,5КЭС25
60 320КДБ 10 (111)
Кремниевая эпитаксиальная структура диаметром 60 мм, с толщиной
эпитаксиального слоя 10 мкм; материал эпитаксиального слоя — кремний марки КЭФ
с удельным сопротивлением 4,5 Ом-см; толщина скрытого слоя 3,5 мкм; скрытый
слой представляет собой кремний марки КЭС (легирован сурьмой) с
поверхностным сопротивлением 25 Ом/кв; толщина эпитаксиалыюй структуры 320 мкм;
подложка из кремния марки КДБ с удельным сопротивлением 10 Ом*см и
кристаллографической ориентацией в плоскости (111).
Табл. П.2. Параметры кремниевых эпитаксиальных структур
со скрытыми слоями
Параметры структур Значение
Диаметр зпитаксиальной структуры, мм 60
Толщина зпитаксиальной структуры, мкм 350
Толщина эпитаксиального слоя, мкм 6,1—15
Отклонение толщины эпитаксиального слоя от
номинала, % +10
Удельное сопротивление эпитаксиального слоя,
Ом см 0,15—5
Толщина скрытого слоя, мкм 2,5; 3,5; 3,5; 5,0; 7; 10
Поверхностное сопротивление скрытого л+-елоя,
Ом/кв 15, 20, 25, 30, 40, 50
Номенклатура типономиналов кремниевых эпитаксиальных структур со
скрытыми слоями, выпускаемых промышленностью, представлена в табл. П.З.
Кремниевые структуры с диэлектрической изоляцией элементов (КСДИ).
Кремниевые структуры с диэлектрической изоляцией элементов микросхем
представляют собой подложку из поликристаллического кремния, в которой по
заданной топологии размещены области монокристаллического кремния /х-типа
проводимости, изолированные диэлектриком. Монокристаллические области могут иметь
ориентацию в плоскости (111) или (100) и содержать скрытый п+-слой, имеющий
198

Табл. П.З. Номенклатура кремниевых эпитаксиалышх структур
со скрытыми слоями
I I Эпитакснальный слой
Материал Легирующий j j
подложки элемент скрыто- легирующей удельное
го слоя элемент толщина, мкм сопротивление,
| Ом'СМ
As, Sb P 0,5—3,5 0,1—1,5
As, Sb P, A 2,5—6 0,1—1,5
КДБ 10 Sb P 6,1—15 0,15—5
As P 6—13 0,1—2
~ As, Sb Р 1—20 3,7
выход на поверхность структуры или расположенный только на дне
изолированной области. Возможные варианты структур изображены на рис. П.2. Параметры
структур приведены в табл. П.4.
Табл. ПА. Параметры кремниевых структур с диэлектрической
изоляцией
Параметры КСДИ Значение
Диаметр структуры 40, 60
Толщина структуры, мкм:
диаметром 40 мм 200+10
диаметром 60 мм и более 300+10
Толщина изолированной монокристаллической
области, мкм:
без д+.слоя 7—20; 10—15
с /г;--слоем, легированным фосфором 15—25
с п+ -слоем, легированным мышьяком 10—22; 15—25
Толщина п+-слоя, мкм:
легированного фосфором 85+1,5
легированного мышьяком 5+1
Толщина изолирующего окисла, мкм 1,5—3,5
Условное обозначение КСДИ выражается дробью, в числителе которой
первое двузначное число означает диаметр структуры в миллиметрах, а
последующее двузначное число указывает на толщину моиокристаллической области в
микрометрах, включая толщину я+-слоя, если он содержится в структуре.
Последующие буквенные обозначения в числителе определяют марку монокристал-
лнческого кремния и кристаллографическую ориентацию (в круглых скобках).

Рис. П.2. Участки кремниевых структур с диэлектрической изоляцией:
а—без скрытого слоя; б—со скрытым слоем, не выходящим на поверхность: е—со скрытым
слоем, выходящим иа поверхность; /—монокристаллический кремний; 2—окисиая пленка;
3—подложка из поликристаллического кремния,
199

В квадратных скобках указывается наличие скрытого я+-слоя, выходящего на
поверхность, и буквой Ф или М обозначается легирующая примесь (фосфор или
мышьяк). Если скрытый /г+-елой не имеет выхода на поверхность, эти данные
располагаются в круглых скобках.
В знаменателе дроби первое трехзначное число указывает значение толщины
структуры в микрометрах, затем общепринятыми химическими символами
обозначается вид диэлектрика и допустимые пределы его толщины в микрометрах.
Пример условного обозначения
25К,ЭФ4,5(111)1^.УИ]
300SiO2l,5 —3,5
Кремниевая структура с диэлектрической изоляцией элементов диаметром
60 мм, толщиной монокристаллических областей 25 мкм из кремния марки КЭФ
4,5 с ориентацией в плоскости (111), содержащая выходящий на поверхность
я+-слой, легированный мышьяком. Толщина структуры 300 мкм,
монокристаллические области изолированы двуокисью кремния толщиной 1,5—3,5 мкм.
ПРИЛОЖЕНИЕ 3
Некоторые свойства интеграла ошибок

Табл. П.5. Численные значения функции дополнения интеграла ошибок
} I ! I * I ч II
2 erfc z 2 erfc z 2 erfc 2 2 erfc 2
0 1,00000 1,00 0,15730 2,00 0,00468 3,00 0,00002209
0,10 0,88754 1,10 0,11980 2,10 0,00298 3,10 0,00001165
0,20 0,77730 1,20 0,08969 2,20 0,00186 3,20 0,00000603
0,30 0,67137 1,30 0,06599 2,30 0,00114 3,30 0,00000306
0,40 0,57161 1,40 0,04772 2,40 0,000689 3,40 0,00000152
0,50 0,47950 1,50 0,03390 2,50 0,000407 3,50 0,000000743
0,60 0,39614 1,60 0,02365 2,60 0,000236 3,60 0,000000356
0,70 0,32220 1,70 0,01621 2,70 0,000134 3,70 0,000000167
0,80 0,25790 1,80 0,01091 2,80 0,000075 3,80 0,000000077
0,90 0,20309 1,90 0,00721 2,90 0,000041 3,90 0,000000035
200

Табл. П.6. Свойства материалов для тонкопленочных резисторов
Необратимые
II | изменения
I Удельное Удельная допус- сопротивления
рпппотивле- n-iss- ~ -1 тимая мощность после 1000 ч
Материал ние Ом/кв ТКС, град 1 рассеяния, работы под
' Вт/см2 нагрузкой
1 Вт/см2 при
85 °С, %
Хром 50—500 (0,6—1,8)10-* 1 2
Тантал 25—100 —210~4 3 1
Нитрид тан
тала 50—500 ЬЮ-4 3 0,2
Нихром 25-300 ±Ы0~4 2 1
Рений 250—Ю4 —ЬЮ-4 3 —
Титан 100—2.103 (—11+30)10-* 3 —
Сплав МЛТ-
ЗМ 50—500 0,6-Ю-4 2 +0,5
КерметК-20С (1—3)108 0,5-Ю-4 ,2 +1
Кермет К-50С (3—10)10^ (—5...+3)10-* 2 +1
Сплавы:
РС4800 100—1000 2.10"4 5 1
РС3710 50—3000 —ЬЮ-4 5 0,5
РС3001 800—3000 —0,2-Ю-4 5 0,5
РС1004 3000—50 000 1,5-10-3 5 2
РС1714 300—500 2. Ю-4 5 1
РС4400 1000—5000 З-Ю"4 10 —
РС4206 1000 0,5-Ю-4 2 0,5
РС5402 5—100 0,5-Ю-4 2 1
РС5406К 10—500 0,5-Ю-4 2 1
РС5406Н 50—500 0,3.10~* 2 1
РС2005 (8—50)104 1,2-10-3 5 2
РС2310 (1—8)10* 1,2-Ю-з 5 2
РС5006 3—20 0,5. Ю-4 5 2
Табл. П.7'. Свойства паст для толстоплеиочных резисторов
Необратимые
изменения со-
Условное v. Удельная до- противления
обозначение сопротивление ТКС' 10Г* пятимая мощ- Уровень шу- после 100 ч
паст чш^ишдеиие, град-1 ность рассея- мов, мкВ/В работы под
им/кв ния, Вт/см2 нагрузкой
5 Вт/см2 при
85* С, %
4004 50 +3,5 5 1,0 +1,5 -
4005 100 —2+3,5 5 1,0 ±1,5
4006 500 —1+3,0 5 1,0 +1,5
4007 1000 4-1.5—2,5- 5 1,0 ±1,5
4008 3000 +3—2,0 5 1,5 +1,5
4009 6000 +3,5—1,0 5 2,0 +1,5
4010 20 000 4-5,5—2,0 5 3,0 ±1,5
4011 50 000 4-7,5—4,0 5 5Д) ±1,5
201

Табл. П.8. Свойства материалов для тонкопленочных
проводников и контактных площадок
Материалы пле- L. Удельное сопротив-
ночиой системы Толщина пленки, мкм ление, Ом/кв
Нихром 0,01—0,03 0,03—0,04
Золото 0,6—0,8
Нихром 0,01—0,03
Медь 0,6—0,8 0,02-0,04
Никель 0,05—0,06
Нихром 0,04—0,05
Алюминий 0,25—0,35 0,1—0,2
Никель 0,05
Табл. П.9. Свойства толстоплекочных паст на основе системы Ag—Pd
"Условные обозначения пасты
Свойство j j j j
I ПП-1 I ПП-2 I ПП-3 j ПП-4 ПП-5
Удельное сопротивление,
Ом/кв <0,05 <0,5 <0,05 <0,05 <0,G5
Прочность сцепления пленки
с керамикой, Па >5-106 — >5106 — >5-106
Растекаемость паст, мкм <150 <150 <50 <50 <20
Шероховатость поверхности
пленок, мкм <5 <5 — — <5
Табл. П. 10. Свойства паст ва основе золота
Условное обозначение пасты
^ Свойство J
J ПЗП-! I ПЗП-2
Удельное сопротивление, Ом/кв " <0,005 <0,05
Прочность сцепления пленки с керамикой 22ХС,
Па >10* —
Растекаемость паст, мкм <20 —
Шероховатость поверхности пленок, мкм <2 <2
202

Табл. П.11. Свойства диэлектрических материалов для товкопленочвых конденсаторов
8 на частоте Удельная емкость, Электрическая , „ ТКЕ в интервале
. Материал i Krir Пф/лм« прочность, tgo на частоте 1 кГц температур от —60
I Д J ; I МВ/см J I до +85° С, Г/град
Моноокись кремния 6—8 (5—10)10? 1—2 0,001—0,002 (1—2)10~4
Моноокись германия 10—12 (5—20)Ш3 0,5—0,8 0,005—0,007 3,5-Ю-4
Окись алюминия 10 (30—80)10? 9 0,0003—0,0015 (1,5—5)10-*
Пятиокись тантала 21—27 10s 5 0,01 (2—3)10~4
Двуокись титана 30—100 Ю4—10* 0.24 0,026 3-10-4
Халькогенидные стекла ^5—20 Ю4—3-104 0,2—2,0 0,001—0,0015 (2—5)10~5
Боросиликатное стекло 4 (2—10)103 3 0,002 (3—3,5)10~5
Трехсернистая сурьма. 18-21 (1—1,5)10» 0,3-0,5 0,004-0,01 5Л0"4
о

Табл. П. 12. Свойства диэлектрических материалов для защитной
изоляции тошоплегздчкых ГКС и МСБ
Сопротнв- Допустп-
.. Толщина Удельная ем- Ьапряже- леиие изо- мая тем-
матеркал пленки, мкм кость, пФ/см2 !"*е ПР°" ляцпи, пературь
бОЯ, В дЮм | оС
Фоторезист 3—3,5 (5—8)103 200 10* " 180
Лак полиимидный
электроизоляционный 4,5—5 (8—10)103 250 103 350
Табл. Л. 13. Параметры паст /тля тс^стсРлеЕс.ЧЕЬ'Х ксвдсксатсрсв
и меж слойкой изоляции
| Конденсаторы Межслойпая изоляция
Параметры Марки паст
| ПК-1000 J ПК-12 | ПД-1 | ПД-2 | ПД-3 | ПД-4
Толщина пленки, мкм 40—60 40—60 60—70 50—60 30—50 30—50
Минимальный размер, мм 1x1 1x1 — — — —
Диапазон номинальных
значений емкости, пФ 50—300 100—2500 — ____ _™ _
Удельная емкость, пФ/см2 3700 10 000 160 220 — —
Тангенс угла
диэлектрических потерь на частоте
1,5 кГц 0,02 0,02 20 30 20 30
Температурный
коэффициент емкости (Т= —60 . . .
+85° С), град-1 +4-Ю-4 150 — . — — —
Пробивное напряжение, В 150 500
Табл. П. 14. Коэффициенты теплопроводности материалов
ИМС и МСБ
I Коэффициент теп-
Матсриал лопроводности Я,»
J Вт/(см«град)
Кремний, сплав кремний— золото 1,5
Алюминий 2,06
Медь 3,85
Сплав 29НК (ковар) 0,15
Сталь 0,45
Керамика ВК94-1 (22ХС) 0,14
Керамика ВКШ0-1 (поликор) . 0,26
Керамика бериллиевая (брокерит) 2,2
Ситалл 0,03
Стекло *■ 0,01
Эпоксидные смолы, компаунды, клеи 0,003
204

ЛИТЕРАТУРА
Алексенко А. Г., Шагурии И. И. Микросхемотехника.— М.: Радио и связь,
1982,—416 с.
Березин А. С, Мочалкина О. Р. Технология и конструирование
интегральных микросхем.— М.: Радио п связь, 1983.— 232 с.
Достанко Л. П. Технология интегральных схем,— Мн.: Выш. шк., 1982.—
2С6 с.
Ермолаев Ю. П., Пономарев М. Ф., Крюков Ю. Г. Конструкции и
технология микросхем (ГИС и БГИС).— М: Сов. радио, 1980.— 256 с
Конструирование и расчет БГИС, микросборок и аппаратуры на их
основе / Г. В. Алексеев, В. Ф. Борисов, Т. Л. Воробьева и др.; Под ред. Б. Ф.
Высоцкого.— М.: Радио и связь, 1981.— 216 с.
Конструирование и технология микросхем / Л. А. Коледов, В. А. Волков,
Н. И. Докучаев и др.; Под ред. Л. А. Коледова.— М.: Высш. шк.. 1984.—
231 с.
Матсон Э. А., Крыжановский Д. В., Петкевиц В. И. Конструкции и расчет
микросхем и микроэлементов ЭВА.— Мн.: Выш. шк., 1979.— 192 с.
Матсон Э. А., Крыжановский Д. В. Справочное пособие по
конструированию микросхем.— Мн.: Выш. шк., 1982.— 224 с.
Пономарев М. Ф. Конструкции и расчет микросхем и микроэлементов
ЭВА.—М.: Радио и связь, 1982.—288 с.
Разработка и оформление конструкторской документации РЭА / Э. Т. Ро-
манычева, А. К. Иванова, А. С. Куликов, Т. П. Новикова.— М.: Радио и связь,
1984.—256 с.
Тилл У., Лаксон Дж, Интегральные схемы: Материалы, приборы,
изготовление. Пер. с англ.— М.: Мир, 1985.— 501 с.
Фомин А. В., Боченков Ю. И., Сорокопуд В. А. Технология, надежность и
автоматизация производства БГИС и микросборок.— М.: Радио и связь,
3981.—352 с.

ОГЛАВЛЕНИЕ
Предисловие 3
Список сокращений 5
Введение 7
1. Основы расчета элементов полупроводниковых ИМС и микропроцессоров 13
1.1. Характеристики основных материалов полупроводниковых ИМС 13
1.2. Расчет параметров р—n-переходов и контактов металл—полупроводник 17
1.3. Виды изоляции элементов полупроводниковых ИМС 22
1.4. Конденсаторы 24
1.5. Резисторы 27
1.6. Интегральные полевые транзисторы с р—n-переходом 36
1.7. Интегральные биполярные транзисторы и диоды 38
1.8. Интегральные полевые транзисторы типа МДП 45
2. Конструкции полупроводниковых микросхем и микропроцессоров и
основы их разработки 51
2.1. Общие положения 51
2.2. Логические ИМС 51
2.3. Микросхемы запоминающих устройств 60
2.4. Аналоговые микросхемы 69
2.5. Микросхемы микропроцессоров 71
2.6. Методы разработки топологии 75
2.7. Разработка топологии МИС и СИС 77
2.8. Разработка топологии БИС и СБИС 81
2.9. Автоматизация конструирования полупроводниковых БИС и СБИС 83
3. Основы расчета элементов и конструкции, компонентов гибридных ИМС
и МСБ 90
3.1. Материалы пленочных элементов 90
3.2. Пленочные резисторы 92
3.3. Пленочные конденсаторы 105
3.4. Распределенные RС-элементы 109
3.5. Пленочные индуктивности ПО
3.6. Компоненты ГИС и МСБ 112
4. Конструкции ГИС, БГИС, МСБ и основы их разработки 115
4.1. Общие характеристики 115
4.2. Подложки и платы 116
4.3. Типовые конструкции 118
4.4. Разработка топологии ГИС, БГИС и МСБ 123
4.5. Особенности конструкций СВЧ ГИС 131
5. Общие вопросы конструирования полупроводниковых и гибридных ИМС 135
5.1. Корпуса ИМС 135
206

5.2. Расчет тепловых режимов ИМС 139
5.3. Расчет параметров надежности ИМС 145
5.4. Технико-экономические показатели 151
5.5. Выполнение конструкторской документации 154
5.6. Система условных обозначений интегральных микросхем 161
6. Основы технологии ИМС 163
6.1. Технология полупроводниковых ИМС 163
6.2. Технология тонкопленочных ГИС и МСБ 179
6.3. Технология толстопленочных микросхем 183
7. Пределы миниатюризации и перспективы развития микросхем 189
7.1. Возможности повышения степени интеграции 189
7.2. Устройства функциональной микроэлектроники 192
Приложения 197
Литература 205

ЭДУАРД АЛЬФРЕДОВИЧ МАТСОН
конструкции И технология микросхем
Зав. редакцией Л. Д. Духвалов
Редактор С, С. Голод
Переплет И. М. Андрианова
Мл. редактор В. М. Кушилевич
Худож. редактор Ю. С, Сергачев
Техн. редактор М. Я. Кислякова
Корректор В. В. Неверко
ИБ № 2235
Сдано в набор 29.04.85. Подписано в печать 09.10.85. AT 18750. Формат
60X90 Бумага тип. № 2. Гарнитура "литературная. ' Высокая
печать. Усл. печ. л. 13. Усл. кр.-отт. 13,31. Уч.-изд. л. 13,65. Зак. 1038.
Тираж 8800 экз. Цена 65 к. .
Издательство «Вышэйшая школа» Государственного комитета БССР по
делам издательств, полиграфии и книжной торговли. 220048. Минск,
проспект Машерова, 11.
Типография им. Франциска (Георгия) Скорины издательства «Наука и
техника». 220600. Минск, Ленинский проспект, 68.