книги из ГПНТБ / Гутников, В. С. Интегральная электроника в измерительных приборах

В. С. ГУТНИКОВ

ИНТЕГРАЛЬНАЯ

ЭЛЕКТРОНИКА В ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ПРИБОРАХ

«ЭНЕРГИЯ» Ленинградское отделение 1974

6П2.15 Г 97

УДК 53.08: 621.38

F 0 C 7 W

НАУЧНО-1 !_*' БИ Б ЛИОТ,.-.

Гутников В. С.

Г97 Интегральная электроника в измерительных приборах.

Л., «Энергия», 1974

144 с. ил.

Книга посвящена применению интегральных схем (ИС) в измерительных уст­ ройствах. В ней описаны разновидности логических ИС и триггеров в интеграль­ ном исполнении, приведены схемы комбинационных логических цепей, регистров и счетчиков на основе ИС и пояснен порядок их синтеза. Кратко рассматриваются вспомогательные узлы (формирователи импульсов, цепи индикации и т. п.), а также свойства и применения основных типов линейных ИС, в частности опера­ ционных усилителей.

Книга предназначена для широкого круга специалистов и студентов, занятых разработкой и изучением электронной измерительной аппаратуры.

© Издательство « Э н е р г и я » , 1974

Глава первая

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ ИНТЕГРАЛЬНЫХ СХЕМАХ

1. История появления и особенности интегральных схем

Возникновение микроэлектроники. Развитие электроники характеризуется постоянным увеличением сложности электронных устройств — в среднем на по­ рядок за десятилетие. Так, если в 1920 г. телеграфный передатчик имел 10—20 деталей, радиоприемник в 1930 г.— 100—200 деталей, осциллограф в 1940 г.— 1000—2000 деталей, то для послевоенных лет в качестве примеров можно при­ вести аппаратуру телевизионной передачи (1950 г.)—10000—20000 деталей и сложные электронные вычислительные машины (1960 г.) — 100000—200000 дета­ лей [43]. В настоящее время проектируются и находят применение большие многомашинные вычислительные комплексы, содержащие соответственно еще на порядок больше элементов.

Для упрощения сборки и ремонта, а также для увеличения надежности уже при проектировании небольших вычислительных машин нашли применение модули, представляющие собой отдельные конструктивные узлы и содержа­ щие типовые электронные цепи (функциональные узлы).

С ростом числа элементов в устройстве снижается его надежность, возра­ стают габариты и масса, что значительно усложняет его изготовление и эксплу­ атацию. Особенно нежелательно увеличение объема и массы аппаратуры, уста­ навливаемой на движущихся объектах. Для того чтобы приостановить так называемую тиранию количества [7], были разработаны микромодули. Микромо­ дули, так же как и модули, выполняются в виде отдельных конструктивных уз­ лов, содержащих типовые электронные цепи, но в отличие от модулей они со­ браны из специальных миниатюрных деталей. Широко известны, например, этажерочные микромодули, составленные из отдельных диэлектрических пластинок с укрепленными на них деталями.

Со временем возникло целое научно-техническое направление в электро­ нике, названное микроэлектроникой. Микроэлектроника ставит своей целью с помощью применения новейших достижений науки и техники проектировать и создавать надежные миниатюрные электронные детали, узлы и устройства. Ос­ новным достижением микроэлектроники явилось создание интегральных схем.

Интегральная схема ( ИС) — это помещенная в единый герметизирующий корпус электронная цепь, в которой функции отдельных электронных элементов или их совокупностей выполняют области из проводящих, полупроводниковых и диэлектрических материалов. По-английски «интегрейшен» — это объединение в одно целое. Соответственно целостность, неделимость — это основное отличие ИС от модулей и микромодулей. Если при производстве модулей и микромоду­ лей используется набор деталей, из которых можно строить различные элект­ ронные цепи, то для ИС существенным является как раз отсутствие набора та­ ких отдельных, самостоятельных деталей. Транзисторы и резисторы, диоды и соединительные проводники в ИС формируются, как правило, в течение одной

5

последовательности технологических операций и не могут быть конструктивно отделены друг от друга.

Первые шаги в области интегральных схем относятся к 1958 г., когда спе­ циалисты американской фирмы «Тексас Инструменте» предложили создавать в одном кристалле кремния различные области, выполняющие роль отдельных элементов электронной цепи [37]. В продаже первая интегральная схема поя­ вилась в США в 1960 г. [17]. Это было начало настоящей технической револю­ ции в электронике, приведшей со временем к повсеместному вытеснению из электронной аппаратуры традиционных деталей, таких, как отдельные тран­ зисторы, конденсаторы, резисторы.

Классификация ИС по выполняемым функциям основывается на их деле­ нии на логические (цифровые) ИС и линейные (аналоговые) ИС. Логические ИС предназначены для реализации логических функций и характеризуются ко­ нечным числом различимых значений выходного напряжения, в частности для них характерны два уровня выходного напряжения, соответствующие двум зна­ чениям двоичной переменной, 0 и 1. Линейные ИС предназначены для генерирова "ияц,усиления, формирования электрических сигналов, для них существенны непрерывные изменения выходных и входных напряжений и тюков. Иногда вы­ деляют разновидность импульсных ИС, которые предназначены для генериро­ вания, усиления и формирования импульсов.

2. Технология производства интегральных схем

Классификация ИС по технологическому признаку поясняется рис. 1. В со­ ответствии с этой классификацией ИС делятся на два класса: ИС на полу­

Рис. 1. Классификация ИС по технологическому признаку

цепи ИС): К ИС на полупроводниковой подложке относятся монолитные и совмещенные ИС. Пленочные и гибридно-пленочные ИС изготавливаются на изолирующей подложке. Кроме того, выпускаются также составные ИС, в ко­ торых используют как полупроводниковые, так и изолирующие подложки.

Полупроводниковые монолитные ИС изготавливаются, как правило, на кремниевой подложке с использованием планарно-эпитаксиальной технологии [39] («планарная» означает «плоскостная», «поверхностная»). Подложки в виде тонких (0,1—0,2 мм) круглых пластин нарезаются из монокристаллического кремниевого цилиндра, выращенного путем постепенного вытягивания затрав­ ки из расплавленного чистого поликристаллического кремния. Для получения соответствующей проводимости полупроводниковой подложки в расплав крем­

6

ния при выращивании монокристалла могут быть добавлены примеси п- или р-типа.

Пластинки шлифуются и полируются до получения оптической чистоты по­ верхности. С одного края пластинок делают сегментообразный срез, служащий в дальнейшем в качестве базы для точной установки ориентации.

высокой температуре кремния, образующегося при восстановлении водородом четыреххлористого кремния. При этом кристаллическая решетка выращенного слоя является точным продолжением кристаллической решетки подложки. До­ бавка в основную смесь газов

или водяного пара, на поверх­ Рис. 2. Структуры диффузионного рези­

вой пластинке отдельных участков разных типов проводимости производят с по­ мощью диффузии примесей через окна, образованные в пленке двуокиси кремния. Для образования таких окон, как правило, применяется метод фотолитографии, включающий в себя нанесение на поверхность кристалла тонкого слоя светочувствительного полимера — фоторезиста. На фоторезист затем проектируется нужный рисунок, и полученное таким образом изображе­ ние проявляется. В результате одни участки фоторезиста полимеризуются и прочно сцепляются с основанием, другие — неполимеризованные — удаляются. Через окна, полученные таким образом в слое фоторезиста, производится травление пленки двуокиси кремния.

Отверстия в двуокиси кремния используются для диффузии в эпитаксиаль­ ный слой примесей р- или /г-типов. Наиболее широкое применение для этих целей получили бор и фосфор, так как они хорошо диффундируют в кремнии

иплохо — в двуокиси кремния.

Врезультате последовательного проведения нескольких циклов окисления, фотолитографии и' диффузии в эпитаксиальном слое образуются участки, эк­ вивалентные по своим свойствам резисторам, диодам и транзисторам. На рис. 2

схематически показаны диффузионный резистор и планарный транзистор. Ре­ зистор отделен от коллекторной области транзистора двумя слоями полупро­ водника, однако гальванического соединения между ними нет, так как при любой полярности приложенного напряжения один из образующихся р — «-пе­ реходов включен в прямом направлении, а второй — в обратном.

Соединения между элементами ИС производят с помощью напыления алюминия на слой двуокиси кремния с вытравленными в нем окнами для об­ разования контактов. После напыления выполняют фотолитографическое тра­ вление алюминия и вплавление образовавшихся таким образом контактных площадок и соединительных дорожек [7].

Диаметр исходной пластины — подложки может составлять несколько сан­ тиметров, в то время как площадь кристалла, необходимая для создания одной ИС, не превышает нескольких квадратных миллиметров (поверхностная плот­ ность размещения составляет 10—50 элементов на 1 мм2). Поэтому на одной подложке формируют сразу большое количество схем. После того как все эле­ менты образованы, пластину разрезают с помощью алмазного резца на отдель­ ные схемы. Каждую схему затем помещают в собственный герметизирующий

7

корпус. Соединение выводов корпуса со схемой производят золотыми проводни­ ками диаметром 0,01—0,03 мм.

Описанный здесь технологический процесс является самым распространен­

Рассмотрим свойства типичных элементов, получаемых посредством полу­ проводниковой технологии.

Диффузионные резисторы в полупроводниковых ИС могут иметь сопротив­ ление от 10 ом до 50 ком с допусками от ±10 до ±20% [7].'Причем высокоом­ ные резисторы создают в процессе диффузии базовых областей, а низкоомные— в процессе диффузии эмиттерных областей, когда вводятся более высокие кон­ центрации примеси.

Температурные коэффициенты сопротивления высокоомных диффузионных резисторов лежат в диапазоне (1—5) • 10~3 \/град, для низкоомных резисторов эта величина на порядок меньше. Падение напряжения на резисторе ограничи­ вается сверху величиной порядка 20 в, так как при больших напряжениях мо­ жет произойти пробой изолирующих р — «-переходов.

Конденсаторы в полупроводниковых ИС обычно отсутствуют. Однако иногда в качестве конденсаторов используют запертые р—«-переходы. Барьер­ ные емкости запертых переходов не превышают по величине нескольких сотен пикофард, имеют допуск ±20% и зависят от приложенного напряжения.

Диоды в полупроводниковых ИС, как правило, создаются на основе тран­ зисторных структур. Чаще всего используют переход база—эмиттер транзи­ стора, при этом коллектор соединяется накоротко с базой. Получаемый таким образом диод обладает максимальным быстродействием и низким прямым па­ дением напряжения (примерно 0,85 в). Если же нужно получить большое время восстановления обратного сопротивления диода, то используют параллельное включение переходов база—коллектор и база—эмиттер [7].

Транзисторы в полупроводниковых ИС могут быть биполярными и унипо­ лярными (канальными).

Для улучшения характеристик планарных биполярных транзисторов часто применяют шунтирование коллекторного перехода скрытым п+-слоем (рис. 2). При этом сопротивление коллектора уменьшается от нескольких сотен до не­ скольких десятков или единиц ом. Для образования скрытого слоя производят

ласть «-типа. Этот же прием может быть использован для уменьшения кон­ тактного сопротивления при присоединении элементов ИС к алюминиевым сое­ динительным дорожкам.

Униполярные (канальные, или полевые) транзисторы в полупроводниковых ИС могут быть диффузионными и типа МДП. В обоих случаях проводимость

ния, приложенного к затвору (соответствует базе), изолированному от канала. В случае диффузионного транзистора изоляция полупроводникового затвора от канала производится запертым р — «-переходом. В случае МДП-транзистора ме­

Поскольку в интегральной технологии в качестве диэлектрика чаще всего ис­ пользуется двуокись кремния, широко применяют и другое название подобных канальных транзисторов: металл — окисел — полупроводник (МОП).

Сформировать в полупроводниковой ИС канальные транзисторы проще, чем биполярные. Особенно это относится к МДП-транзисторам. МДП-тран- зисторы могут работать как в режиме обеднения, так и в режиме обогаще­ ния капала носителями под действием напряжения на затворе. В первом случае канал формируют при производстве ИС в виде области полупровод­ ника того же типа проводимости, что исток и сток, но концентрация примесей в канале делается гораздо меньшей. Во втором случае при производстве ИС канал вообще никак не формируется, он образуется при приложении к за­

8

твору напряжения соответствующей полярности. При приложении соответ­ ствующего напряжения к затвору МДП-транзистор с обеднением канала переходит из открытого состояния в закрытое, а МДП-транзистор с обога­ щением канала — наоборот, из закрытого в открытое.

Пленочные И С могут быть изготовлены по тонкопленочной или толстопленочной технологии. В качестве подложки в пленочных ИС обычно при­ меняются полированные пластинки из специального стекла или керамики (окиси алюминия, окиси бериллия и т. п.) [2].

Тонкие пленки (толщиной не более 1 мкм) получают методом вакуум­ ного или катодного распыления, осаждением из газовой среды, термическим разложением [22]. Необходимый рисунок пленки обеспечивается применением металлической маски, которая открывает доступ только к отдельным участ­ кам подложки, либо пленкой покрывают всю подложку, а затем применяют метод фотолитографского травления. Плотность размещения элементов на поверхности подложки в тонкопленочных схемах равна примерно 10—20 эле­ ментам на 1 см2 [43]. По тонкопленочной технологии могут быть доста­ точно просто произведены резисторы, конденсаторы и соединительные про­ водники.

Тонкопленочные резисторы обычно выполняют из нихрома (80% Ni и 20% Сг), тантала или соединения моноокиси кремния с хромом. Если тол­ щина резистивной пленки постоянна, то сопротивление резистора определя­ ется только его геометрической формой и не зависит от размеров. В част­ ности, сопротивление квадратного резистивного участка не зависит от раз­ мера стороны квадрата, а определяется только удельным сопротивлением материала и толщиной пленки. Поэтому сопротивление резистивных пленок измеряют обычно в омах на квадрат (ом/ □ ). Сопротивление тонкопленоч­ ного резистора при заданной толщине резистивной пленки определяется тем, сколько квадратов может уместиться по его длине. Чем меньше ширина резистора и больше длина, тем больше его сопротивление. Однако возмож­ ности технологического процесса ограничивают минимальную ширину ре­

2000 ом/П. Соответственно тонкопленочные резисторы могут иметь сопро­ тивление от десятков ом до единиц мегаом с допуском до ± 5%. Температур­ ный коэффициент сопротивления пленочных резисторов может составлять

(1-т-З) ■10-4 1/град.

Тонкопленочные конденсаторы представляют собой обычно трехслойную структуру: два металлических слоя, разделенные пленкой диэлектрика. В ка­ честве диэлектрика используется моноокись или двуокись кремния, окись тантала, окись алюминия [7]. Максимальная емкость пленочного конденса­ тора не превышает нескольких тысяч пикофарад. Температурный коэффи­ циент емкости пленочного конденсатора может составлять величину от 5- ■10~6 до 2-10~4 1/град в зависимости от типа диэлектрика [7, 36].

Толстопленочная технология характеризуется толщиной пленок 5—10 мкм, которые получают, нанося через трафарет пасту соответствующего состава на керамическую подложку с последующим вжиганием пасты. Поверхностная

планарно-эпитаксиальной технологии сформированы активные элементы (ди­ оды и транзисторы), а также те резисторы, к точности сопротивления кото­ рых не предъявляется высоких требований. Пассивные же элементы — рези­ сторы, конденсаторы, а также соединения между элементами — выполняются по тонкопленочной технологии на поверхности окисленного кристалла. При этом надежность и компактность активных элементов, характерные для по­ лупроводниковых схем, сочетаются с большим диапазоном возможных номи­ налов и точностью пассивных элементов, характерных для пленочных схем.

Полупроводниковые составные (многокристальные) ИС содержат не­ сколько полупроводниковых кристаллов со сформированными в них по

9