ИНТЕГРАЛЬНАЯ СХЕМА

Содержание статьи

• Производство.
• Биполярный транзистор.
• МОП-транзистор.
• Надежность.
• Микропроцессоры и миникомпьютеры.
• Компьютерные запоминающие устройства.

ИНТЕГРАЛЬНАЯ СХЕМА (ИС), микроэлектронная схема, сформированная на крошечной пластинке (кристаллике, или «чипе») полупроводникового материала, обычно кремния, которая используется для управления электрическим током и его усиления. Типичная ИС состоит из множества соединенных между собой микроэлектронных компонентов, таких, как транзисторы, резисторы, конденсаторы и диоды, изготовленные в поверхностном слое кристалла. Размеры кремниевых кристаллов лежат в пределах от примерно 1,3ґ1,3 мм до 13ґ13 мм. Прогресс в области интегральных схем привел к разработке технологий больших и сверхбольших интегральных схем (БИС и СБИС). Эти технологии позволяют получать ИС, каждая из которых содержит многие тысячи схем: в одном чипе может насчитываться более 1 млн. компонентов. См. также ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ.

Интегральные схемы обладают целым рядом преимуществ перед своими предшественниками – схемами, которые собирались из отдельных компонентов, монтируемых на шасси. ИС имеют меньшие размеры, более высокие быстродействие и надежность; они, кроме того, дешевле и в меньшей степени подвержены отказам, вызываемым воздействиями вибраций, влаги и старения.

Миниатюризация электронных схем оказалась возможной благодаря особым свойствам полупроводников. Полупроводник – это материал, обладающий гораздо большей электропроводностью (проводимостью), чем такой диэлектрик, как стекло, но существенно меньшей, чем проводники, например, медь. В кристаллической решетке такого полупроводникового материала, как кремний, при комнатной температуре имеется слишком мало свободных электронов, чтобы обеспечить значительную проводимость. Поэтому чистые полупроводники обладают низкой проводимостью. Однако введение в кремний соответствующей примеси увеличивает его электрическую проводимость. См. также ТРАНЗИСТОР.

Легирующие примеси вводят в кремний двумя методами. Для сильного легирования или в тех случаях, когда точное регулирование количества вводимой примеси необязательно, обычно пользуются методом диффузии. Диффузию фосфора или бора выполняют, как правило, в атмосфере легирующей примеси при температурах между 1000 и 1150° С в течение от получаса до нескольких часов. При ионной имплантации кремний бомбардируют высокоскоростными ионами легирующей примеси. Количество имплантируемой примеси можно регулировать с точностью до нескольких процентов; точность в ряде случаев важна, поскольку коэффициент усиления транзистора зависит от числа примесных атомов, имплантированных на 1 см² базы (см. ниже).

Производство.

Изготовление интегральной схемы может занимать до двух месяцев, поскольку некоторые области полупроводника нужно легировать с высокой точностью. В ходе процесса, называемого выращиванием, или вытягиванием, кристалла, сначала получают цилиндрическую заготовку кремния высокой чистоты. Из этого цилиндра нарезают пластины толщиной, например, 0,5 мм. Пластину в конечном счете режут на сотни маленьких кусочков, называемых чипами, каждый из которых в результате проведения описываемого ниже технологического процесса превращается в интегральную схему.

Процесс обработки чипов начинается с изготовления масок каждого слоя ИС. Выполняется крупномасштабный трафарет, имеющий форму квадрата площадью ок. 0,1 м². На комплекте таких масок содержатся все составляющие части ИС: уровни диффузии, уровни межсоединений и т.п. Вся полученная структура фотографически уменьшается до размера кристаллика и воспроизводится послойно на стеклянной пластине. На поверхности кремниевой пластины выращивается тонкий слой двуокиси кремния. Каждая пластина покрывается светочувствительным материалом (фоторезистом) и экспонируется светом, пропускаемым через маски. Неэкспонированные участки светочувствительного покрытия удаляют растворителем, а с помощью другого химического реагента, растворяющего двуокись кремния, последний вытравливается с тех участков, где он теперь не защищен светочувствительным покрытием. Варианты этого базового технологического процесса используются в изготовлении двух основных типов транзисторных структур: биполярных и полевых (МОП).

Биполярный транзистор.

Такой транзистор имеет структуру типа n-p-n или, намного реже, типа p-n-p. Обычно технологический процесс начинается с пластины (подложки) сильно легированного материала p-типа. На поверхности этой пластины эпитаксиально выращивается тонкий слой слабо легированного кремния n-типа; таким образом, выращенный слой имеет ту же самую кристаллическую структуру, что и подложка. Этот слой должен содержать активную часть транзистора – в нем будут сформированы индивидуальные коллекторы. Пластина сначала помещается в печь с парами бора. Диффузия бора в кремниевую пластину происходит только там, где ее поверхность подверглась обработке травлением. В результате формируются области и окна из материала n-типа. Второй высокотемпературный процесс, в котором используются пары фосфора и другая маска, служит для формирования контакта с коллекторным слоем. Проведением последовательных диффузий бора и фосфора формируются соответственно база и эмиттер. Толщина базы обычно составляет несколько микрон. Эти крошечные островки проводимостей n- и p-типа соединяются в общую схему посредством межсоединений, выполненных из алюминия, осаждаемого из паровой фазы или наносимого напылением в вакууме. Иногда для этих целей используются такие благородные металлы, как платина и золото. Транзисторы и другие схемные элементы, например резисторы, конденсаторы и индуктивности, вместе с соответствующими межсоединениями могут формироваться в пластине методами диффузии в ходе последовательности операций, создавая в итоге законченную электронную схему. См. также ТРАНЗИСТОР.

МОП-транзистор.

Наибольшее распространение получила МОП (металл-окисел-полупроводник) – структура, состоящая из двух близко расположенных областей кремния n-типа, реализованных на подложке p-типа. На поверхности кремния наращивается слой его двуокиси, а поверх этого слоя (между областями n-типа и слегка захватывая их) формируется локализованный слой металла, выполняющий роль затвора. Две упомянутые выше области n-типа, называемые истоком и стоком, служат соединительными элементами для входа и выхода соответственно. Через окна, предусмотренные в двуокиси кремния, выполняются металлические соединения с истоком и стоком. Узкий поверхностный канал из материала n-типа соединяет исток и сток; в других случаях канал может быть индуцированным – создаваемым под действием напряжения, приложенного к затвору. Когда на затвор транзистора с индуцированным каналом подается положительное напряжение, расположенный под затвором слой p-типа превращается в слой n-типа, и ток, управляемый и модулируемый сигналом, поступающим на затвор, течет от истока к стоку. МОП-транзистор потребляет очень небольшую мощность; он имеет высокое входное сопротивление, отличается низким током цепи стока и очень низким уровнем шумов. Поскольку затвор, оксид и кремний образуют конденсатор, такое устройство широко используется в системах компьютерной памяти (см. ниже). В комплементарных, или КМОП-схемах, МОП-структуры применяются в качестве нагрузок и не потребляют мощности, когда основной МОП-транзистор находится в неактивном состоянии.

После завершения обработки пластины разрезают на части. Операция резки выполняется дисковой пилой с алмазными кромками. Каждый кристаллик (чип, или ИС) заключается затем в корпус одного из нескольких типов. Для подсоединения компонентов ИС к рамке выводов корпуса используется золотая проволока толщиной 25 мкм. Более толстые выводы рамки позволяют подсоединить ИС к электронному устройству, в котором она будет работать.

Надежность.

Надежность интегральной схемы примерно такая же, как у отдельного кремниевого транзистора, эквивалентного по форме и размеру. Теоретически транзисторы могут безотказно служить тысячи лет – один из важнейших факторов для таких областей применения, как ракетная и космическая техника, где единственный отказ может означать полный провал осуществляемого проекта.

Микропроцессоры и миникомпьютеры.

Впервые представленные публично в 1971 микропроцессоры выполняли большинство основных функций компьютера на единственной кремниевой ИС, реализованной на кристалле размером 5ґ5 мм. Благодаря интегральным схемам стало возможным создание миникомпьютеров – малых ЭВМ, где все функции выполняются на одной или нескольких больших интегральных схемах. Такая впечатляющая миниатюризация привела к резкому снижению стоимости вычислений. Выпускаемые в настоящее время мини-ЭВМ ценой менее 1000 долл. по своей производительности не уступают первым очень большим вычислительным машинам, стоимость которых в начале 1960-х годов доходила до 20 млн. долл. Микропроцессоры находят применение в оборудовании для связи, карманных калькуляторах, наручных часах, селекторах телевизионных каналов, электронных играх, автоматизированном кухонном и банковском оборудовании, средствах автоматического регулирования подачи топлива и нейтрализации отработавших газов в легковых автомобилях, а также во многих других устройствах. Большая часть мировой электронной индустрии, оборот которой превышает 15 млрд. долл., так или иначе зависит от интегральных схем. В масштабах всего мира интегральные схемы находят применение в оборудовании, суммарная стоимость которого составляет многие десятки миллиардов долларов.

Компьютерные запоминающие устройства.

В электронике термин «память» обычно относится к какому-либо устройству, предназначенному для хранения информации в цифровой форме. Среди множества типов запоминающих устройств (ЗУ) рассмотрим ЗУ с произвольной выборкой (ЗУПВ), приборы с зарядовой связью (ПЗС) и постоянные ЗУ (ПЗУ).

У ЗУПВ время доступа к любой ячейке памяти, находящейся на кристалле, одинаково. Такие устройства могут запоминать 65 536 бит (двоичных единиц, обычно 0 и 1), по одному биту на ячейку, и представляют собой широко используемый тип электронной памяти; на каждом чипе у них насчитывается ок. 150 тыс. компонентов. Выпускаются ЗУПВ емкостью 256 Кбит (К = 2¹⁰ = 1024; 256 К = 262 144). В устройствах памяти с последовательной выборкой циркуляция запомненных битов происходит как бы по замкнутому конвейеру (в ПЗС используется именно такой тип выборки). В ПЗС, представляющем собой ИС специальной конфигурации, пакеты электрических зарядов могут размещаться под расположенными на малых расстояниях друг от друга крошечными металлическими пластинками, электрически изолированными от чипа. Заряд (или его отсутствие) может, таким образом, перемещаться по полупроводниковому устройству от одной ячейки к другой. В результате появляется возможность запоминания информации в виде последовательности единиц и нулей (двоичного кода), а также доступа к ней, когда это требуется. Хотя ПЗС не могут конкурировать с ЗУПВ по быстродействию, они способны обрабатывать большие объемы информации при меньших затратах, и их используют там, где память с произвольной выборкой не требуется. ЗУПВ, выполненное на такой ИС, является энергозависимым, и записанная в нем информация теряется при отключении питания. В ПЗУ информация заносится в ходе производственного процесса и хранится постоянно.

Разработки и выпуск ИС новых типов не прекращаются. В стираемых программируемых ПЗУ (СППЗУ) имеются два затвора, расположенные один над другим. При подаче напряжения на верхний затвор нижний может приобрести заряд, что соответствует 1 двоичного кода, а при переключении (реверсе) напряжения затвор может потерять свой заряд, что соответствует 0 двоичного кода. См. также ОРГТЕХНИКА И КАНЦЕЛЯРСКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ; КОМПЬЮТЕР; ЭЛЕКТРОННЫЕ СРЕДСТВА СВЯЗИ; ИНФОРМАЦИИ НАКОПЛЕНИЕ И ПОИСК.