интегральная схема

ИНТЕГРАЛЬНАЯ СХЕМА - твердотельное устройство, содержащее группу приборов и их соединения (связи), выполненное на единой пластине (подложке). В И. с. интегрируются пассивные элементы (ёмкости, сопротивления) и активные элементы, действие к-рых основано на разл. физ. явлениях. Внутр. связи И. с. преобразуют множество приборов в функциональное устройство для целей информатики, преобразования разл. видов энергии и робототехники. Создание первых полупроводниковых И. с. (1958-59) и начало их серийного выпуска (1960-61) определили рождение микроэлектроники. Поскольку важнейшие И. с. формируются на монокристаллич. подложке, то электронное взаимодействие плотно упакованных микроприборов приводит к новым физ. явлениям. Развитие технологии И. с. позволило создать такие устройства, в к-рых электронное взаимодействие охватывает группы транзисторов (интегральная инжекционная логика); приборы с зарядовой связью (ПЗС), где осуществляется передача эл--статич. заряда в цепях из тысяч МДП-элементов (см. МДП-структура; )приборы на цилиндрических магнитных доменаx, где осуществляется передача "магн, заряда", и т. д. Типы И. с. Важнейшие И. с.- полупроводниковые, а среди них - кремниевые. Физ. и хим. свойства Si, его оксида и нитрида, а также разл. форм аморфного (см. Аморфные и стеклообразные полупроводники)и поликристаллич. Si создают оптимальную основу для интегральной технологии. Простота хим. состава обеспечивает стабильность и надёжность основанных на нём устройств. Свойства Si позволяют создавать разл. датчики, исполнительные микромеханизмы и др. неэлектронные устройства с электронными информационно-управляющими системами. Кроме Si полупроводниковые И. с. изготавливаются из GaAs и нек-рых др. полупроводников. Это повышает быстродействие И. с. (более высокая подвижность носителей заряда) и дополняет кремниевую электронику оптоэлектронными, в т. ч. лазерными, системами (см. Оптоэлектроника). И. с. на переходах Джозефсона (см. Джозефсона эффект)позволяют создавать устройства, потребляющие мин. количество энергии на единицу перерабатываемой информации. Благодаря этому элементы могут быть более плотно упакованы, сокращается длина связей между ними, повышается быстродействие устройства. И. с. на пьезоэлектрич. кристаллах (см. Поверхностные акустические волны)обеспечивают возможность параллельной быстрой обработки и преобразования нек-рых видов сигналов. Однако ни один из перечисл. видов интегральных устройств не обладает универсальностью Кремниевых И. с. И. с. интегрирует в одном кристалле не только множество идентичных приборов, но и приборы, действие к-рых основано на разл. принципах. Напр., И. с. для цифровой обработки данных могут содержать полевые и биполярные транзисторы, И. с. для управления различными объектами или анализа сигналов могут объединить электронные, оптоэлектронные, электромеханические, магнитные и др. микроприборы. Пленарная технология. Полупроводниковые И. с. формируются средствами Планерной технологии. В математике "планарность" означает геометрич. образ, к-рый можно нарисовать на плоскости без пересечения линий. Центр. идея пленарной технологии состоит в том, что проект И. с. представляется в виде комплекта

рисунков, к-рые затем последовательно "переводятся" в кристалл с помощью различных физ--хим. процессов (выращивание тонких плёнок металлов и полупроводников, их травление, введение легирующих примесей и т. п.). Планерная технология включает спец. методы проектирования И. с. в виде комплекта плоских рисунков, микролитографию, к-рая позволяет осуществить их перенос на подложку, и методы, обеспечивающие изменение структуры или состава подложки по этим рисункам (рис.). С помощью планарной технологии можно одновременно формировать на подложке 10³-10⁸ транзисторов и осуществлять многостадийные процессы, а благодаря этому создавать И. с. со сложной структурой. Таковы, напр., микропроцессор - центр, часть ЭВМ, выполненная в одной или неск. И. с.; запоминающее устройство, содержащее св. 10⁶ ячеек памяти, и т. д. На одной подложке обычно формируется множество И. с. Затем она разделяется на отд. кристаллики - "чипы" (англ, chip - отбитый кусок). Чип - это И. с. без корпуса и внеш. выводов. Его масса 0,5-50 мг, объём 0,2-50 мм³. Т. о., на каждый мм³ чипа и на каждый мг его массы приходится 10⁴ транзисторов. После установки чипа в корпус эти характеристики снижаются в сотни раз (из-за сравнительно больших габаритов и массы корпуса). Но чип может устанавливаться и без корпуса в аппаратуру и даже в организм человека (вживляемые кристаллы). С 80-х гг. интенсивно развивается технология твердотельных И. с. на целых пластинах. Гибридная технология объединяет принципы планарной технологии, с помощью к-рой предварительно формируются микроприборы, и плёночной технологии, средствами к-рой формируются пассивные элементы (сопротивления, конденсаторы, индуктивности) и сеть внутр. связей. В качестве подложки гибридной И. с., на к-рой устанавливаются бескорпусные чипы, используется диэлектрик, иногда металл или полупроводник, защищённые диэлектрич. слоем. Плёночная технология реализует принцип печатного монтажа в миниатюрном интегральном исполнении. Она расширяет диапазон параметров и повышает точность изготовления пассивных элементов. Поэтому она служит важным дополнением планарной технологии. Степень интеграции. Важнейшая характеристика И. с.- степень интеграции, т. е. число активных элементов (для определённости - транзисторов) в одной И. с. По этому показателю И. с. классифицируются на малые (МИС), содержащие до 2⁵ транзисторов, средние (СИС) - до 2¹⁰, большие (БИС) - до 2¹⁵ и сверхбольшие (СБИС) - 2²⁰ транзисторов. Для более высокой степени интеграции предложен термин "ультрабис". Но в действительности более сложные твердотельные структуры представляют не И. с., а интегральные системы. Максимально возможная (при данном уровне технологии) степень интеграции определяется прежде всего мин. шириной линий рисунка И. с., ограниченной возможностью микролитографии. В совр. И. с. это 2-3 мкм, а в нек-рых И. с. достигается 1 мкм. В структурах, полученных с помощью острофокусированных электронных и ионных пучков, сформированы линии шириной до 2 нм. Оптимальный предел 0,1-0,2 мкм. Для его реализации необходимы коротковолновая фотолитография, рентгенолитографии, электронная и ионная микролитография. Кроме ширины линии, существенна максимально возможная площадь чипа, к-рая определяется качеством подложек и совершенством планарной технологии. Важную роль играет обеспечение надёжности - резервирование, самодиагностика и саморемонт. Они позволяют создавать устройства на частично дефектных и не вполне надёжных элементах. Предельная степень интеграции пластины - системы порядка 10⁹. Степень интеграции можно увеличить последовательным формированием в одной И. с. неск. активных слоев (транзисторы и связи), разделённых диэлектрич. слоями. При этом для каждого активного слоя Si наносится в виде тонкой поликристаллич. плёнки и подвергается рекристаллизационному отжигу. Трёхмерная интеграция позволяет повысить степень интеграции ещё на 1-2 порядка. Степень интеграции и функциональные возможности И. с. ограничены сложностью их внутр. организации и потребляемой мощностью. Планарный принцип синтеза ограничивает число внутр. связей между элементами И. с. Это ограничение влияет на "архитектуру" интегральных устройств. Напр., в едином устройстве можно осуществить только простейшие системы. В более сложных случаях требуется иерархич. организация структуры (в случае ЭВМ - многопроцессорная система с распределённой памятью). Локальная плотность потребляемой мощности, несмотря на низкое энергопотребление каждого транзистора, велика (иногда превышает плотность мощности на поверхности Солнца). Кроме того, при высоких плотностях тока из-за нестабильности тонкоплёночных проводников происходит увлечение ионов металла электронами или электрическим полем. Наиб, экономичны И. с. на парах МОП-транзисторов, почти не потребляющие мощности между циклами переключения, а также на МДП-транзисторах с двухслойным диэлектриком (металл - нитрид - оксид - полупроводник), с плавающим затвором и др., к-рые не потребляют мощности в режиме хранения информации. Развитие интегральной электроники. Уже первые МИС изменили принцип проектирования радиоэлектронной аппаратуры, особенно ЭВМ. Вместо конструирования устройств, измерения характеристик приборов и их взаимного согласования синтез стал осуществляться на логич. уровне. Согласование характеристик транзисторов перешло к технологии. Поскольку И. с. (независимо от степени интеграции) стоят примерно столько же, сколько транзисторы домикроэлектронного периода, то стоимость ЭВМ снижается (в среднем) пропорц. степени интеграции. Однако в МИС интеграция распространилась в основном на цифровые логич. схемы. Практически все МИС выполнялись на основе биполярных транзисторов (см. Транзистор ).С переходом к БИС (60-70-е гг.) доминирующее место заняли полевые транзисторы с МДП-структурой. Они потребляют меньше энергии на каждый бит перерабатываемой информации и обладают более простой структурой, что позволило создать интегральные запоминающие устройства. Переход от БИС к СБИС (2-я пол. 70-х гг.) привёл к созданию 8-, 16- и 32-разрядных микропроцессоров и И. с. с ёмкостью памяти 10⁴-10⁶ бит. Выпускаются также БИС и СБИС для управления автомобильными двигателями, телевизорами (неск. кристаллов заменяют всю низковольтную аппаратуру телеприёмника) и т. д. Интенсивно развиваются аналоговые и цифроаналоговые БИС и СБИС, а также интегральная схемотехника СВЧ-диапазона. И. с. позволяют упростить и усовершенствовать и механич. системы (печатающие устройства, швейные машины, фотоаппараты и др.), в к-рых большинство механич. узлов, выполняющих управляющие ф-ции, могут быть заменены на БИС или СБИС. Проектирование самих И. с. стало осуществляться с помощью систем автоматич. проектирования (САПР), позволяющих формировать СБИС для конкретной задачи из базовых кристаллов, "библиотек" стандартных элементов, а также спец. сети внутр. связей. Кроме того, СБИС дают возможность создавать персональные ЭВМ. СБИС - одновременно и почти готовое вычислит, устройство, и элемент многопроцессорной ЭВМ. позволяющей достичь производительности в 10¹⁰-10¹¹ операций в 1 с и осуществлять моделирование фпз. явлений. Лит.: Дорфман В. Ф., Твердотельные интегральные структуры и их синтез, М., 1981; Мурога С., Системное проектирование сверхбольших интегральных схем, пер. с англ., т. 1-2, М., 1985; см. также лит. при ст. Микроэлектроника. В. Ф. Дорфлган.

   <<      Предметный указатель      >>