Перейти на початок

Очень долгое время основное количество микросхем изготавливалось по биполярной технологии, но сейчас ее место заняла униполярная технология, а из-за гор выглядывает технология кремний на изоляторе.

 Сегодня мы продолжим наш разговор о  современных технологиях получения микросхем.

Униполярная МОП технология

Униполярная МОП (металл-окисел-полупроводник) технология относится к классу “полевых”, так как принцип работы основного конструктивного элемента (транзистора) основан на эффекте действия электрического поля на полупроводник. Так как в транзисторах изготовленных по этой технологии ток течет по области одного типа проводимости, эта технология носит название “униполярная” (от слова “уно” – один).

рис.1

На рис 1 представлен p-канальный МОП транзистор. Коротко рассмотрим принцип его работы. К истоку и стоку прикладывается напряжение, но так как на пути тока находятся два встречено включенные p⁺-n-переходы, из-за которых, при любой полярности приложенного напряжения, ток не потечет. Если на затвор подать отрицательное напряжение, то электроны (отрицательно заряженные частицы) будут отталкиваться от затвора и уходить в глубь полупроводника, а дырки (положительно зараженные частицы) будут наоборот притягиваться к затвору (рис 2). В результате под затвором возникает инверсная (с обратным типом проводимости) область (по научному – “канал”) с дырочной (p-типа) проводимостью, в результате чего исчезает p-n-переход и начинает течь ток.

рис.2

Кроме p-канальных транзисторов широко используются также n-канальные (рис 1), которые отличаются лишь тем, что для возникновения канала на затвор необходимо вместо отрицательного подать положительное напряжение.  

КМОП технология

Для достижения более высокого коэффициента усиления объединяют p- и n-канальный транзистор. Эта технология называется комплиментарная МОП, или как ее еще называют – CMOS (complementary-metal-oxide-semiconductor).

Хочу заметить, что большинство современных микросхем изготавливаются именно по этой технологии, благодаря высокой экономичности – ведь управление транзистором происходит за счет потенциала на затворе, в отличие от биполярной технологии, где управление происходит за счет тока через базу, поэтому цифровые КМОП микросхемы потребляют ток лишь в момент изменения состояния (например переключения с “0” на “1”). В статическом состоянии (когда изменений состояний не происходит) текут лишь незначительные (доли мкА) токи утечки.

Преимущество МОП технологичности очевидно – для того, чтобы получить законченный транзистор,  необходимо как минимум четыре раза провести процесс литографии (у биполярной технологии этот минимум находится на уровне шести литографий), кроме того МОП транзисторы совершенно не требуют изолирования друг от друга, все это позволяет на несколько порядков повысить степень интеграции, по сравнению с биполярной технологией.

Но и у этой технологии есть свои недостатки - значительная часть мощности подаваемой на КМОП (МОП) микросхемы израсходуется на перезарядку паразитных емкостей. Они возникают везде, где рядом расположены два проводника или области, причем, чем больше площадь проводников (областей) и чем меньше расстояние между ними – тем больше эта емкость. С возрастанием частоты, возрастает и ток через паразитные емкости (токи утечки).

Еще одним “тормозом” является паразитная индуктивность – чем тоньше и длиннее проводник, тем выше его собственная индуктивность. С повышением частоты сопротивление индуктивности возрастает. А если учесть, что в современных КМОП микросхемах на 1мм² расположено сотни и даже тысячи элементов, то влияние паразитных емкостей и индуктивностей очень сильно сказывается на предельной рабочей частоте, прежде всего из-за появления задержки распространения сигнала от входа к выходу.

Чтобы снизить влияние паразитных емкостей и индуктивностей стараются по возможности снизить рабочие напряжения и токи, а также уменьшить размеры самих элементов и зазоров между ними.

Иногда, паразитная емкость превращается из недостатков в преимущества – это микросхемы памяти, в которых заряд на затворе (паразитная емкость) служит для хранения информации. 

Кремний на изоляторе

Следующим шагом в развитии микроэлектроники стало появление технологии КНИ – кремний на изоляторе (SOI – silicon-on-insulator). Суть этой технологии лежит в получении монокристаллического кремния на поверхности диэлектрической подложки, в отличие от рассмотренных выше технологий, где все элементы получают внутри кристалла полупроводника.

Основной проблемой в развитии этой технологии стала проблема получения на поверхности поликристаллического материала (практически все диэлектрические материалы имеют поликристаллическую структуру) слоя монокристаллического  полупроводника.

Решением этой проблемы стало применения в качестве подложки сапфира. Этот материал представляет собой оксид алюминия (Al₂O₃), с монокристаллической(!) структурой. Но в этой технологии скрылись и недостатки – это очень высокая концентрация дефектов в строении кристаллической решетки, что сделало практически невозможным использование биполярной технологии. По технологии кремний на сапфире (КНС) сейчас рационально изготавливать только МОП и КМОП микросхемы.

Так как с технологии кремний на сапфире ученые не смогли выжать большеJ, они решили идти другим путем. На диэлектрическую поликристаллическую подложку (оксид кремния, на поверхности кристалла кремния) необходимо нанести слой кремния (он будет поликристаллическим), и произвести рекристаллизацию нанесенного слоя. Если использовать монокристаллическую затравку, то нанесенный слой станет также монокристаллическим. Хоть и в этой технологии имеет место большое количество дефектов кристаллической решетки, но их все же меньше, чем в технологии кремний на сапфире.

рис 3.

Разработка новых микросхем по этой технологии позволяет создать на поверхности подложки несколько слоев полупроводниковых элементов, а значит, эта технология может стать основой для появления микросхем нового поколения – трехмерных интегральных микросхем.

На сегодня все. Жду от вас писем и до встречи на страницах МК.  

Продолжение тута J  

Использование материала без разрешения автора ЗАПРЕЩЕННО!