микроэлектроника

МИКРОЭЛЕКТРОНИКА - область электроники, охватывающая проблемы создания электронных устройств в микроминиатюрном интегральном исполнении. Осн. практич. продукция M. - интегральные схемы (ИС), к-рые служат элементами ЭВМ (и техн. средств искусств, интеллекта), автоматизации, систем управления и связи.

В ИС нелинейные твердотельные приборы, детали структуры к-рых имеют микронные размеры (микроприборы), и линии связи между ними формируются в едином технол. процессе на общей пластине - подложке (интегральная технология). Важнейшие приборы, входящие в состав PIC: транзисторы (биполярные, полевые), их комплементарные пары (п-р-п - - р-п-р; n-канальные и р-канальные); энергозависимые транзисторы (напр., с плавающим затвором); диоды твердотельные (на p - n - переходах, диоды Шоттки); приборы с зарядовой связью (передача заряда в цепях из тысяч МДП-элементов, см. МДП-структура ),на цилиндрических магнитных доменах (ЦМД), на доменных стенках и линиях. Разрабатываются новые типы транзисторов: с баллистич. пролётом электронов (без рассеяния на дефектах и фононах), с двумерным электронным газом, с проницаемой базой (внутри базы расположена металлич. решётка, играющая роль сетки) и др.

Внутр. линии связи ИС (электрич., оптич., в т. ч. волоконные, магн., акустические) обеспечивают обмен сигналами и согласованное протекание множества процессов, локализованных в объёме кристалла. T. о., наряду с интеграцией элементов в M. достигается интеграция нелинейных физ. явлений. Системы микроприборов и связей между ними образуют единое устройство - информац. автомат, к-рый выполняет функции хранения, обработки и обмена данными с внеш. миром (человеком, др. автоматами, техн. объектами, включая роботов и исполнит, механизмы), моделирование физ. и др. процессов, вывод сигналов, управляющих разл. устройствами.

Степень интеграции N - число транзисторов или их функциональных групп (т. н. логич. "вентилей", ячеек памяти и др.) в одной ИС - показатель её сложности. С возникновением M. (50-60-е гг. 20 в.) N непрерывно растёт: (для крупносерийных логич. ИС) и (для лучших образцов схем памяти), где- "возраст" M. (с 1960). Тридцатидвухразрядные микропроцессоры, т. н. транспьютеры, и др. суперкристаллы имеюти реализуют центр, часть ЭВМ с производительностью ~10⁷ операций в 1 с, устройства самодиагностики и даже "саморемонта". Ультрабольшие ИС памяти имеют ёмкость до 2²⁴ бит (16 мегабит).

Уровень миниатюризации. Мин. размер l₀ "деталей" внутр. геометрии ИС (ширина проводников, длина канала полевого транзистора и т. п.) - осн. показатель уровня миниатюризации. Уменьшение l₀, связанное с возможностями микролитографии, на к-рой основано формирование внутр. геометрии ИС, происходит со CD. скоростью, определяемой соотношением l₀ = (50- . В пром. ИС l₀ = 1,5-2,5 мкм, в лучших ИСмкм (1987). С уменьшением l₀ увеличивается быстродействие и снижается энергопотребление элементов, но усложняются физ. процессы, их тео-ретич. анализ, проектирование и оптимизация. В нач. период развития M. (при мкм) нелинейные электронные процессы локализовались в активных областях отд. транзисторов (напр., в базе биполярных транзисторов). Оптимизация при этом была основана на одномерных моделях (приближение бесконечных плоских r - n-переходов), и проектирование И С "наследовало" осн. принципы проектирования электронных схем на дискретных приборах. При мкм нелинейные явления внутри транзисторов и активные связи между ними ("паразитные" транзисторы) осложнили применение этой модели, а при мкм "лавинное" нарастание этих явлений, влияние сильного электрич. поля и горячих электронов потребовали перехода к нелинейным двумерным, а затем трёхмерным моделям, аналитически не разрешимым и требующим расчёта на ЭВМ. Нелинейным становится и поведение внутр. связей. Абс. величина тока снижается, а сечений линий плотность тока возрастает, и разогрев проводников в сочетании с сильным электрич. полем и высокой плотностью тока вызывает перенос ионов и атомов прямым дрейфом или электронным ветром. При мкм достигается оптимум, ниже к-рого быстродействие перестаёт возрастать, а энергопотребление транзисторов перестаёт снижаться. Их др. характеристики также ухудшаются. Кроме того, начинают развиваться нежелательные коллективные электронные процессы. T. о.,мкм - нижний физ. предел M., основанный на классич. принципах синтеза схем. Теоретич. предел быстродействия ~10^-12 с (системные ограничения обусловлены процессами внутрисхемной передачи сигналов, задержки сигналов, согласованием линии связи и их помехозащищённостью и др.).

Технология микроэлектроники и системы автоматизированного проектирования (САПР). Технол. ограничения в M. определяются возможностями планарной технологии - послойного синтеза структуры твердотельного устройства с помощью многократно повторяющихся (до 10-16 раз; с развитием M. это число возрастает) групп операций, причём каждая группа формирует на поверхности подложки двумерный рисунок и преобразует его в объёмную внутр. геометрию ИС, а погрешность совмещения каждого последующего рисунка с предыдущими При проектировании конечная структура представляется в виде совокупности плоских картин (напр., в виде шаблонов). Это осуществляется с помощью САПР. Спец. компьютерные программы САПР основаны на функциональном и электрич. моделировании ИС и содержат "библиотеки стандартных элементов", из к-рых формируется ИС, оптимизируются геометрия её внутр. связен, проверка её устойчивости к помехам и т. д. Наиб, совершенные САПР обеспечивают также оптимизацию внутр. структуры новых поколений ИС. САПР новых поколений ИС основаны на наиб, мощных ЭВМ предыдущих поколений. Принцип послойного синтеза определяет границы M., в частности степень связности рисунка ИС при данном N. Системные ограничения пленарных структур (быстродействие и мощность, степень связности и степень интеграции и т. д.) связаны предельными соотношениями. Теоретич. предел N ~ 10¹⁰ для ИС на целой полупроводниковой пластине с диам. 200-250 мм.

Физ. принципы действия ИС и технология их синтеза взаимно согласованы. Когда геом. размер твёрдого тела (хотя бы в одном измерении) становится достаточно малым, скорости протекания технол. процессов (диффузия, структурная перестройка, рост, травление и др.) перестают лимитировать их применение. Поэтому в технологии M. используются разнообразные явления, включая диффузию и фазовые переходы в твёрдом теле, гетерогенные реакции, воздействие частиц высоких энергий, сфокусированных электронных и ионных пучков и др. Используются также процессы, селективные по отношению к разл. структурным и хим. состояниям кристалла. Требования к чистоте веществ в M. нередко превышают разрешающую способность методов их анализа.

Функциональная микроэлектроника. Ограничения, вызванные нарастающей плотностью и сложностью внутр. связей, стимулируют развитие т. н. функциональной M. - создание структур, функциональные свойства к-рых определяются коллективными электронными процессами и не могут быть реализованы путём коммутации отд. его областей; обработка информации осуществляется не схемотехн. путём, а динамич. распределением зарядов и полей - эл--магн., тепловых, упругих. При этом используются оптич. явления (см. Оптоэлектроника ),взаимодействие электронов с акустич. волнами (см. Акустоэлектроника ).В связи с открытием высокотемпературной сверхпроводимости особое значение приобретают криоэлектронные приборы. Разрабатываются полностью оптические ("фотонные") вычислит, машины. Функциональная M. позволяет достичь предельно высокой производительности и мин. энергопотребления. Однако для каждого класса задач требуется создание спец. структур или сложная настройка. Кроме того, "несхемотехн." решения характеризуются меньшей точностью и устойчивостью вычислений и моделирования.

При достаточно высоком уровне развития технологии становится возможным создание гибридных устройств, объединяющих цифровые схемотехнические и функциональные процессоры, автоматически распределяющих между ними информац. потоки на каждом этапе решений задач. Существуют устройства, интегрирующие в едином твёрдом теле электронные и неэлектронные (в т. ч. синтезаторы речи) микромеханич. элементы (датчики, анализаторы, исполнительные микромеханизмы, микродвигатели и т. п.). T. о., принципы M. распространяются на всю сферу устройств, функциональное назначение к-рых допускает миниатюризацию хотя бы в одном из трёх пространственных измерений.

Предполагается, что одна из новых ветвей развития M. пойдёт в направлении копирования процессов в живой клетке, ей присвоены термины "молекулярная электроника" или "бноэлсктроника". Достигнутый уровень развития M. сделал возможным постановку исследований и разработку систем искусств, интеллекта.

Деградация микроэлектронных устройств. С термодинамич. точки зрения ИС - неравновесная система, закрытая для массообмена со средой, но открытая энергетически в процессе своего функционирования (см. Открытая система). Энергетич. обмен со средой ускоряет процесс релаксации системы к равновесному состоянию. Этот процесс наз. деградацией. Многообразие механизмов деградации породило новую область M., исследующую надёжность микроэлектронных устройств. Осн. особенность механизмов деградации в M. состоит в том, что они протекают при высоких плотностях тока (св. 10⁶ А/см²), высоких напряжён-ностях электрич. поля (св. 10⁶ В/см) и поверхностных плотностях мощности (10⁵ Вт/см²). В таких условиях становятся неустойчивыми не только распределения тока и поля, но и атомная структура кристалла. Нек-рые механизмы деградации могут быть использованы, напр, разрушение пли перестройка внутрисхемных связей и переброс "пакетов" носителей зарядов в глубокие ловушки.

Роль микроэлектроники в науке и технике. M. образует фундамент совр. средств автоматизации, связи, кнформац--вычислит, техники. Парк последней в миро к сер. 80-х гг. достиг ок. 10⁸ ЭВМ с производительностью от 10⁵ до 10⁸, а в отд. ЭВМ до 10¹⁰ операций в 1c. Для физики особенно важны 3 класса проблем, решаемых с помощью ЭВМ: 1) автоматизация эксперимента, включая его планирование, управление, анализ и обработку результатов (в осн. с помощью профессиональных персональных ЭВМ); 2) численное решение на супер-ЭВМ сложных задач, не разрешимых аналитически (квантовомеханических, задачи Изинга с учётом границ кристалла и т. д.); 3) моделирование многочастичных систем и сплошных сред на многопроцессорных ЭВМ (до 6,5-10⁴ процессоров; проектируются - до 10^е); при этом организация внутр. информац. обмена топологически подобна организации физ. связей в моделируемых объектах.

M. стала источником новых идей и методов в физике твёрдого тела и материаловедении. В связи с задачами M. созданы, напр., устройства с управляемыми электронными и ионными пучками диаметром в неск. атомов, ионные источники (от протонов до тяжёлых ионов) широкого диапазона энергий (с диаметром пучка, близким к размерам отд. попов), аппаратура для выращивания монокристаллов и многослойных структур, где толщина, состав и строение каждого слоя контролируются с точностью до параметра решётки (см. Гетеро-структура, Эпитаксия), и т. д. Созданы новые пьезоэлектрические материалы ,феррогранаты, материалы с высокой чувствительностью к действию света, рентг. излучения, электронных и ионных пучков и т. д. Одно из достижений микроэлектронного материаловедения - сверхрешётки на основе множества чередующихся сверхтонких слоев полупроводников типа А^III - В^V.

Лит.: Новиков В. В., Теоретические основы микроэлектроники, M., 1972; Секен К., Tомсет M., Приборы с переносом заряда, пер. с англ., M., 1978; Чистяков Ю. Д., Райнова Ю. П., Физико-химические основы технологии микроэлектроники, M., 1979; Mейндл Д ж., Элементы мпк-роолектронных схем, пер. с англ., "УФИ", 1979, т. 127, с. 297.

В. Ф. Дорфмаи.

   <<      Предметный указатель      >>