книги / Микроэлектроника. Гибридные интегральные микросхемы

ПРЕДИСЛОВИЕ

Реализация принципов, идей, методов полупроводнико­ вой микроэлектроники, которые были рассмотрены в книгах 1—3 данной серии учебных пособий, привела к блестящим результатам: в настоящее время созданы БИС и СБИС, представляющие собой целые устройства и даже системы, размещенные в одном полупроводниковом кристалле. Одна­ ко не все устройства можно изготовить с помощью полу­ проводниковой технологии, так как ее возможности по фор­ мированию стабильных пассивных элементов с широким диапазоном номиналов ограничены.

Параллельно с полупроводниковым развивается и со­ вершенствуется другой конструктивно-технологический вариант создания микроэлектронных устройств, основан­ ный на технологии тонких (до 1 мкм) и сравнительно тол­ стых (10—50 мкм) пленок. Чисто пассивные пленочные ИМС не получили широкого распространения из-за ограниченных возможностей по выполнению ими функций обработки сигна­ лов, а реализация пленочных активных элементов на данном этапе развития науки, техники и технологии оказалась не­ возможной из-за низкой воспроизводимости их характери­ стик. Сочетание полупроводниковых микросхем, активных полупроводниковых приборов с пассивными пленочными эле­ ментами и пленочной коммутацией позволило создать микро­ электронные устройства с широким набором функциональ­ ных возможностей, которые разрабатывают как для серий­ ного производства, так и в качестве устройств частного при­ менения, необходимых для изготовления одного определен­ ного вида микроэлектронной аппаратуры. Интегральные микросхемы, в которых наряду с пленочными элементами, сформированными по групповой тонкоили толстоплено^- ной технологии, содержатся имеющие самостоятельное кон­ структивное исполнение полупроводниковые активные ком­ поненты (ИМС, транзисторы, диоды), изготовленные по по­ лупроводниковой технологии, называют гибридными интег­ ральными микросхемами (ГИС).

ГИС нашли широкое применение в радиоэлектронике, приборостроении, автоматике, в микроэлектронных устрой­ ствах автомобильной электроники и т.д. Все большее число микроэлектронных устройств, ранее выпускаемых в виде ячеек и блоков МЭА, разрабатываются в настоящее время в виде ГИС или больших гибридных интегральных микро­ схем (Б ГИС).

Знакомство с этим направлением микроэлектронной тех­ ники и технологии необходимо специалистам в области электроники, вычислительной техники, приборостроения и автоматики.

В данном учебном пособии рассмотрены элементы и ком­ поненты, технологические маршруты формирования конст­ рукции ГИС, операции нанесения тонких и толстых пленок и методы формирования конфигураций элементов ГИС; опи­ саны основные направления применения серийно выпуска­ емых отечественных ГЙС в аппаратуре различного назначе­ ния. Эта тематика находит свое развитие в последующих книгах данной серии: надежность ГИС анализируется в книге 5, конструкции и технология изготовления сверх­ больших ГИС, микросборок, гибридных интегральных функ­ циональных устройств, методы монтажа и сборки ГИС —

— в книге 6, СВЧ ГИС — в книге 7.

Л. А. Коледов

ВВЕДЕНИЕ

Гибридные интегральные микросхемы по сравнению с по­ лупроводниковыми имеют ряд преимуществ, с точки зре­ ния разработчика МЭА: обеспечивают широкий диапазон номиналов, меньшие пределы допусков и лучшие электриче­ ские характеристики пассивных элементов (более высокая добротность, температурная и временная стабильность, меньшее число и менее заметное влияние паразитных эле­ ментов); позволяют использовать любые дискретные ком­ поненты, в том числе полупроводниковые БИС и СБИС. В качестве навесных компонентов в ГИС применяют миниа­ тюрные дискретные резисторы, конденсаторы, индуктивные катушки, дроссели, трансформаторы. При мелкосерийном производстве ГИС дешевле полупроводниковых (примерно одной и той же функциональной сложности) ИМС. Подго­ товка персонала для производства ГИС сравнительно про­ ста.

В большинстве случаев микросхему можно реализовать любым из существующих конструктивно-технологических способов, но ее изготовление наиболее целесообразно и эко­ номично при использовании какого-то определенного вари­ анта.

Если для создания микроэлектронного изделия необхо­ димы пассивные элементы и компоненты высокого качества, предпочтительнее выполнить его в виде ГИС.

Одна из основных характеристик микроэлектронного из­ делия — рассеиваемая мощность. При гибридном исполне­ нии можно обеспечить изготовление изделий достаточно большой мощности, что важно при создании аналоговых уст­ ройств, управляющих мощными выходными цепями.

Наличие большого числа контактных узлов, сварных сое­ динений обусловливает меньшую надежность ГИС по срав­ нению с полупроводниковыми ИМС. Однако возможность проведения предварительных испытаний и отбора навесных активных и пассивных компонентов позволяет создавать ГИС достаточно высокой надежности.

Материалы подложки и нанесенных на ней пленок долж­ ны иметь незначительно различающиеся температурные коэффициенты линейного расширения (ТКЛР) для обеспе­ чения достаточно малых механических напряжений в плен­ ках* вызывающих их отслаивание и растрескивание.

Для маломощных ГИС применяют бесщелочные бороси­ ликатные стекла С41-1 и С48-3, а также ситаллы. Химиче­ ский состав некоторых стекол для подложек приведен в табл. 1.1. По сравнению с ситаллами стекла имеют меньшую теплопроводность, что не позволяет использовать их при повышенных уровнях мощности.

Таблица 1.1

Ситаллы имеют ряд преимуществ перед стеклами. Они хорошо обрабатываются, выдерживают резкие перепады температуры, обладают высоким электрическим сопротивле­ нием, газонепроницаемы, а по механической прочности в 2—3 раза прочнее стекол. Для мощных ГИС применяют ке­ рамику «поликор», а для особо мощных ГИС — бериллиевую керамику, имеющую очень высокую теплопроводность.

Структура материала подложки и состояние ее поверхно­ сти влияют на параметры пленочных элементов. Большая шероховатость поверхности подложки снижает надежность тонкопленочных резисторов и конденсаторов, так как мик­ ронеровности уменьшают толщину резистивных и диэлект­ рических пленок. При толщине пленок около 100 нм до­ пускается высота микронеровностей примерно 25 нм. Сле­ довательно, обработка поверхности подложки для тонко­ пленочных микросхем должна соответствовать 14-му классу чистоты. Толстые пленки имеют толщину 10—50 мкм, по­ этому подложки для тостопленочных ИМС могут иметь мик­ ронеровности до 1—2 мкм, что соответствует 8—10-му клас­ сам чистоты. Для обеспечения хорошей адгезии пасты к под­ ложке высота микронеровностей должна быть 50—200 нм.

Недостатком наиболее распространенной дешевой кера­ мики 22ХС является большая шероховатость поверхности,

Рис. 1.1. Конструкция пленочных резисторов:

в них отсутствуют линии-, пересекающиеся не под прямым углом, и криволинейные контуры. Пленочные резисторы должны обладать высокой стабильностью сопротивления во времени и интервале температур, низким уровнем шумов, малыми значениями паразитных параметров, требуемой мощностью рассеяния и минимальным значением занимае­ мой площади.

Сопротивление пленочного резистора прямоугольной формы, имеющего длину /, ширину b и толщину б, с учетом переходного сопротивления областей контактов резистив­ ной и проводящей пленок R K

где pv — удельное объемное сопротивление резистивного

материала.

На практике сопротивлением областей контактов можно пренебречь, так как оно значительно меньше сопротивления резистивной пленки. Кроме того, учитывая, что удельное сопротивление пленки зависит от ее толщины, для расчетов целесообразно использовать не удельное объемное сопро­ тивление ру, а удельное сопротивление квадрата пленки оп­ ределенной толщины или удельное поверхностное сопротив­ ление ps:

Тогда выражение (1.1) можно представить в виде

(1-3)

где Кф = 1/Ь — коэффициент формы или число квадратов.

я

; Заметим, что сопротивление квадрата пленки ps измер я ется в омах на квадрат (Ом/Ш) и от размеров квадрата не за­ висит.

Использование удельного поверхностного сопротивления удобно для расчета сопротивления R пленочных элементов произвольной формы. Сопротивление полоскового резистора вдоль длины полоски / можно определить путем умножения удельного поверхностного сопротивления на число квадра­ тов со стороной Ьу укладывающейся на длине этой полоски; оно равно ИЬ (рис. 1.2).

Удельное поверхностное сопротивление тонких пленок для наиболее широко применяемых материалов составляет 100 — 10 000 Ом/□ , толстых пленок толщиной 15—25 мкм соответственно ЮОм/П — 1 МОм/О.

Коэффициент формы прямоугольных резисторов /Сф = = 0,1 -г-100. Для высокоомных резисторов необходимы боль­ шие значения /СфПовышение /Сф возможно при уменьше­ нии Ь и увеличении /. Минимальные значения b ограничены возможностями технологии, требованиями, к точности сопро­ тивления и рассеиваемой мощностью, а максимальные зна­ чения I — как возможностями технологии, так и габарит­ ными размерами резисторов. Например, при формировании тонкопленочных резисторов с помощью масок не рекомен­ дуется /Сф > Ю, так как длинные щели в маске снижают же­ сткость ее конструкции. Низкие значения /Сф в основном ли­ митируются технологическими ограничениями на минималь­ ные расстояния между контактными площадками резисто­ ров.

Размеры контактной области должны выбираться таки­ ми, чтобы при наихудших сочетаниях геометрических раз­ меров резистивного слоя и контактных площадок резистив­ ная и проводящая пленки перекрывались, обеспечивая ма­ лое переходное сопротивление контакта в низкоомных резисто­

рах.

Температурный коэффициент сопротивления ТКR пленочного резистора определяется в основ­ ном нестабильностью удельного поверхностного сопротивления. Отношение ИЬ = /Сф с изменени­ ем температуры меняется очень мало в силу того, что резистив­ ный слой жестко сцеплен с под­ ложкой, имеющей малый ТКЛР