Классификация интегральных схем

По конструктивно-технологическому исполнению различают полу-проводниковые, пленочные и гибридные ИС.

К полупроводниковым относят ПМС (полупроводниковые интег-ральные микросхемы), все элементы и межэлементные,соединения которой выполнены в объеме или на поверхности полупроводника. В зависимости от способов изоляции отдельных элементов различают ПМС с изоляцией p-n-переходами и микросхемы с диэлектрической (оксидной) изоляцией. ПМС можно изготовить и на подложке из ди-электрического материала на основе как биполярных, так и поле-вых транзисторов. Обычно в этих схемах транзисторы выполнены в виде трехслойных структур с двумя р-n-переходами (n-p-n-типа), а диоды — в виде двухслойных структур с одним р-л-переходом. Иног-да вместо диодов используют транзисторы в диодном включении. Резисторы ПМС, представленные участками легированного полу-проводника с двумя выводами, имеют сопротивление несколько ки-лоомов. В качестве высокоомных резисторов иногда используют об-ратное сопротивление р-n-перехода или входные сопротивления эмнт-терных повторителей. Роль конденсаторов в ПМС выполняют обратно смещенные p-rt-переходы. Емкость таких конденсаторов составляет 50 — 200 пФ. Дроссели в ПМС создавать трудно, поэтому большинство устройств проектируют без индуктивных элементов. Все элементы ПМС полу-чают в едином технологическом цикле в кристалле полупроводника. Соединения элементов таких схем осуществляются с помощью алю-миниевых или золотых пленок, получаемых методом вакуумного на-пыления. Соединение схемы с внешними выводами производят алю-миниевыми или золотыми проводниками диаметром около 10 мкм, которые методом термокомпрессии присоединяют к пленкам, а за-тем приваривают к внешним выводам микросхемы. Полупроводниковые микросхемы могут рассеивать мощность 50 — 100 мВт, работать на частотах до 20 — 100 МГц, обеспечивать время задержки до 5 не. Плотность монтажа электронных устройств на ПМС — до 500 элементов на 1 см3. Современный групповой технологический цикл позволяет обра-батывать одновременно десятки полупроводниковых пластин, каж-дая из которых содержит сотни ПМС с сотнями элементов в кристал-ле, связанных в заданные электронные цепи. При такой технологии обеспечивается высокая идентичность электрических характеристик микросхем.

Пленочными интегральными (или просто пленочными схемами ПС) называют ИС, все элементы и межэлементные соединения кото-рой выполнены только в виде пленок. Интегральные схемы подраз-деляют, на тонко- и толстопленочные. Эти схемы могут иметь коли-чественное и качественное различие. К тонкопленочным условно от-носят ИС с толщиной пленок до 1 мкм, а к толстопленочным — ИС с толщиной пленок выше 1 мкм. Качественное различие определяется технологией изготовления пленок. Элементы тонкопленочной ИС наносят на подложку с помощью термовакуумного осаждения и катод-ного распыления. Элементы толстопленочных ИС изготовляют преи-мущественно методом шелкографии с последующим вжиганием.

Гибридные интегральные микросхемы (ГИС) представляют со-бой сочетание навесных активных радиоэлементов (микротранзисто-ров, диодов) и пленочных пассивных элементов и их соединений. Обычно ГИС содержат: изоляционные основания из стекла или. ке-, рамики, на поверхности которых сформированы пленочные проводни-ки, резисторы, конденсаторы небольшой емкости; навесные бескор-пусные активные элементы (диоды, транзисторы); навесные пассив-ные элементы в миниатюрном исполнении (дроссели, трансформато-ры, конденсаторы большой емкости), которые не могут быть выпол-нены в виде пленок. Такую изготовленную ГИС герметизируют в пластмассовом или металлическом корпусе. Резисторы сопротивлением от тысячных долей ома до десятков килоомов в ГИС изготовляют в виде тонкой пленки нихрома или тантала. Пленки наносят на изоляционную основу (подложку) и под-вергают термическому отжигу. Для получения резисторов с сопро-тивлением в десятки мегаомов используют металлодиэлектрическив смеси (хрома, монооксида кремния и др.). Средние размеры пленоч-ных резисторов-(1 — 2)Х10~3 см2. Конденсаторы в ГИС выполняют из тонких пленок меди, сереб-ра, алюминия или золота. Напыление этих металлов производят с подслоем хрома, титана, молибдена, обеспечивая хорошую адгезию с изоляционным материалом подложки. В качестве диэлектрика в конденсаторах используют пленку из оксида кремния, бериллия, двуоксида титана и т. д. Пленочные конденсаторы изготовляют ем-костью от десятых долей пикофарады до десятков тысяч пикофарад размером от 10~3 до 1 см2. Проводники ГИС, с помощью которых осуществляют межэле-ментные соединения -и подключение к выводным зажимам, выпол-няют в виде тонкой пленки золота, меди или алюминия с подслоем никеля, хрома, титана, обеспечивающем высокую адгезию к изоля-ционному основанию. Гибридные интегральные схемы, у которых толщина пленок, образующихся при изготовлении пассивных эле-ментов, до 1 мкм с шириной 100 — 200 мкм,-относят к тонкопленоч-ным. Такие пленки получают методом термического напыления на поверхности подложек в вакууме с использованием трафаретов, ма-сок. Гибридные интегральные схемы с толщиной 1 мкм и более от-носят к толстопленочным и изготовляют путем напыления на подложки токопроводящих или диэлектрических паст через сетчатые трафареты с последующим их вжиганием в подложки при высокой температуре. Эти схемы имеют большие размеры и массу пассивных элементов. Навесные активные элементы состоят из гибких или жест-ких «шариковых» выводов, которые пайкой или сваркой присоединя-, ют к пленочной микросхеме.

Плотность пассивных и активных элементов при их многослой-ном расположении в ГИС, выполненной по тонкопленочной техноло-гии, достигает 300 — 500 элементов на 1 см3, а плотность монтажа электронных устройств на ГИС — 60 — 100 элементов на 1 см3. При такой плотности монтажа объем устройства, содержащего-107 эле-ментов, составляет 0,1 — 0,5 м3, а время безотказной работы — 103 — 104 ч. -

Основным преимуществом ГИС является возможность частичной интеграции элементов, выполненных по различной технологии (бипо-лярной, тонко- и толстопленочной и др.) с широким диапазоном электрических параметров (маломощные, мощные, активные, пассив-ные, быстродействующие и др.).

В настоящее время перспективна гибридизация различных типов интегральных схем. При малых геометрических размерах пленочных элементов и большой площади пассивных подложек на их поверхно-сти можно разместить десятки — сотни ИС и других компонентов. Та-ким путем создают многокристальные гибридные ИС с большим чис-лом (несколько тысяч) диодов, транзисторов в неделимом элементе. В комбинированных микросхемах можно разместить функциональ-ные узлы, обладающие различными электрическими характеристи-ками.

Сравнение ПМС и ГИС. Полупроводниковые микросхемы со сте-пенью интеграции до тысяч и более элементов в одном кристалле получили преимущественное. распространение. Объем производства ПМС на порядок превышает объем выпуска ГИС. В некоторых уст-ройствах целесообразно применять ГИС по ряду причин.

Технология ГИС сравнительно проста и требует меньших перво-начальных затрат на оборудование, чем полупроводниковая техно-логия, что упрощает создание нетиповых, нестандартных изделий и аппаратуры.

Пассивная часть ГИС изготовляется на отдельной подложке, что позволяет получать пассивные элементы высокого качества и создавать высокочастотные ИС.

Технология ГИС дает возможность заменять существующие ме-тоды многослойного печатного монтажа при размещении на подлож-ках бескорпусных ИС и БИС и других полупроводниковых компо-нентов. Технология ГИС предпочтительна для выполнения силовых ИС на большие мощности. Предпочтительно также гибридное испол-нение интегральных схем линейных устройств, обеспечивающих про-порциональную зависимость между входными и выходными сигна-лами. В этих устройствах сигналы изменяются в широком интерва-ле частот и мощностей, поэтому их ИС должны обладать широким диапазоном номиналов, не совместимых в едином процессе изготов-ления пассивных и активных элементов. Большие интегральные схе-мы БИС допускают объединение различных функциональных узлов, в связи с чем они получили широкое распространение в линейных устройствах.

Преимущества и недостатки интегральных схем.

• Преимуществом ИС являются высокая надежность, малые размеры и масса. Плот-ность активных элементов в БИС достигает 103 — 104 на 1 см3. При установке микросхем в печатные платы и соединении их в блоки плотность элементов составляет 100 — 500 на 1 см3, что в 10 — 50 раз выше, чем при использовании отдельных транзисторов, диодов, ре-зисторов в микромодульных устройствах.
• Интегральные схемы безынерционны в работе. Благодаря не-большим, размерам в микросхемах снижаются междуэлектродные емкости и индуктивности соединительных проводов, что позволяет использовать их на сверхвысоких частотах (до 3 ГГц) и в логичес-ких схемах с малым временем задержки (до 0,1 не).
• Микросхемы экономичны (от 10 до 200 мВт) и уменьшают рас-ход электроэнергии и массу источников питания.

Основным недостатком ИС является малая выходная мощность (50 — 100 мВт).

В зависимости от функционального назначения ИС делят на две основные категории — аналоговые (или линейно-импульсные) и цифровые (или логические).

Аналоговые интегральные схемы АИС используются в радио-технических устройствах и служат для генерирования и линейного усиления сигналов, изменяющихся по закону непрерывной функции в широком диапазоне мощностей и частот. Вследствие этого анало-говые ИМС должны содержать различные по номиналам пассивные и по параметрам активные элементы, что усложняет их разработку. Гибридные микросхемы уменьшают трудности изготовления аналого-вых устройств в микроминиатюрном исполнении. Интегральные мик-росхемы становятся основной элементной базой для радиоэлектрон-ной аппаратуры.

Цифровые интегральные схемы ЦИС применяются в ЭВМ, уст-ройствах дискретной обработки информации и автоматики. С по-мощью ЦИС преобразуются и обрабатываются цифровые коды. Ва-риантом этих схем являются логические микросхемы, выполняющие операции над двоичными кодами в большинстве современных ЭВМ и цифровых устройств.

Аналоговые и цифровые ИС выпускаются сериями. В серию входят ИС, которые могут выполнять различные функции, но имеют единое конструктивно-технологическое исполнение и предназначают-ся для совместного применения. Каждая серия содержит несколько различающихся типов, которые могут делиться на типономиналы, имеющие конкретное функциональное назначение и условное обозна-чение. Совокупность типономиналов образует тип ИС.

Большие интегральные схемы

Одним из важнейших путей совершенствования вычислительной техники является широкое применение в ней достижений современной микроэлектроники. Успехи полупроводниковой интегральной электроники привели к созданию нового класса сложных функциональных электронных изделий - больших интегральных схем, которые стали основной элементной базой ЭВМ четвертого поколения (конец 70-х годов).

В одной такой схеме объёмом всего лишь в доли кубического сантиметра размещается блок, занимавший в ЭВМ первого поколения целый шкаф. В результате достигнуто существенное повышение производительности ЭВМ.

Если в ЭВМ третьего поколения быстродействие достигает 20-30 млн операций в секунду, то в машинах четвёртого поколения производительность достигает сотен миллионов операций в секунду. Соответственно возрастает и объём памяти. Наряду с усовершенствованием традиционных устройств памяти на магнитных дисках и лентах создаётся память без движущихся частей. Общий объём внешней памяти в крупных машинах четвёртого поколения превосходит 10 14 символов, что эквивалентно библиотеке, состоящей из нескольких миллионов объёмистых томов.

БИС созданы в результате естественного развития интегральных схем. Предпосылкой их появления является освоение электронной промышленностью планарной технологии изготовления кремниевых полупроводниковых приборов. Принципиальная новизна этой технологии состоит в том, что она позволила заменить обычные дискретные компоненты диффузионными или тонкоплёночными компонентами.

Высокая надежность ЭВМ закладывается в процессе ее производства. Переход на новую элементную базу - сверхбольшие интегральные схемы (СБИС) - резко сокращает число используемых интегральных схем, а значит, и число их соединений друг с другом. Хорошо продуманы компоновка компьютера и обеспечение требуемых режимов работы (охлаждение, защита от пыли).

Все современные вычислительные машины строятся на комплексах (системах) интегральных микросхем (ИС). Электронная микросхема называется интегральной, если ее компоненты и соединения между ними выполнены в едином технологическом цикле, на едином основании и имеют общую герметизацию и защиту от механических воздействий. Каждая микросхема представляет собой миниатюрную электронную схему, сформированную послойно в кристалле полупроводника: кремния, германия и т.д. В состав микропроцессорных наборов включаются различные типы микросхем, но все они должны иметь единый тип межмодульных связей, основанный на стандартизации параметров сигналов взаимодействия (амплитуда, полярность, длительность импульсов и т.п.). Основу набора обычно составляют большие интегральные схемы (БИС) и сверхбольшие интегральные схемы (СБИС). В ближайшем будущем следует ожидать появления ультрабольших ИС (УБИС). Кроме них обычно используются микросхемы с малой и средней степенью интеграции (СИС). Функционально микросхемы могут соответствовать устройству, узлу или блоку, но каждая из них состоит из комбинации простейших логических элементов, реализующих функции формирования, преобразования, запоминания сигналов и т.д.

Все современные ЭВМ строятся на микропроцессорных наборах, основу которых составляют большие (БИС) и сверхбольшие интегральные схемы (СБИС). Технологический принцип разработки и производства интегральных схем действует уже более четверти века. Он заключается в послойном изготовлении частей электронных схем по циклу "программа - рисунок - схема". По программам на запыленный фоторезисторный слой наносится рисунок будущего слоя микросхемы. Затем рисунок протравливается, фиксируется, закрепляется и изолируется от новых слоев.

На основе этого создается пространственная твердотельная структура. Например, СБИС типа Pentium включает около трех с половиной миллионов транзисторов, размещаемых в пятислойной структуре. Степень микроминиатюризации, размер кристалла ИС, производительность и стоимость технологии напрямую определяются типом литографии. До настоящего времени доминирующей оставалась оптическая литография, т.е. послойные рисунки на фоторезисторе микросхем наносились световым лучом. В настоящее время ведущие компании, производящие микросхемы, реализуют кристаллы с размерами примерно 400-600 мм2 для процессоров (например, Pentium) и 200-400 мм2 - для схем памяти. Минимальный топологический размер (толщина линий) при этом составляет 0,25-0,135 мкм. Для сравнения можно привести такой пример. Толщина человеческого волоса составляет примерно 100 мкм. Значит, при таком разрешении на толщине 100 мкм требуется вычерчивать более двухсот линий.

Дальнейшие успехи микроэлектроники связываются с электронной (лазерной), ионной и рентгеновской литографией. Это позволяет выйти на размеры 0,13; 0,10 и даже 0,08 мкм. Вместо ранее используемых алюминиевых проводников в микросхемах повсеместно начинают применять медные соединения, что позволяет повысить частоту работы.

Такие высокие технологии порождают целый ряд проблем. Микроскопическая толщина линий, сравнимая с диаметром молекул, требует высокой чистоты используемых и напыляемых материалов, применения вакуумных установок и снижения рабочих температур. Действительно, достаточно попадания мельчайшей пылинки при изготовлении микросхемы - и она попадает в брак. Поэтому новые заводы по производству микросхем представляют собой уникальное оборудование, размещаемое в "чистых помещениях класса 1", микросхемы в которых транспортируются от оборудования к оборудованию в замкнутых сверхчистых мини-атмосферах класса 1000. Мини-атмосфеpa создается, например, сверхчистым азотом или другим инертным газом при давлении КГ4 Торр.

В настоящее время основой построения всех микросхем была и остается КМоп-технология (комплементарные схемы, т.е. совместно использующие п- и р-переходы в транзисторах со структурой "металл - окисел - полупроводник").

Однако появление БИС породило очень серьезную проблему-"что положить на подложку" или, другими словами, каким образом реализовать устройство на схемах с таким колоссальным количеством элементов.

Первым и довольно естественным решением этой проблемы явилось изготовление так называемых заказных схем, разрабатываемых каждый раз специально для использования в конкретной аппаратуре. В то же время проектирование заказных БИС - весьма длительный и трудоемкий процесс, использующий сложные человеко-машинные системы автоматизированного проектирования. Поэтому разработка и изготовление заказных БИС могут быть экономически оправданы только при массовом производстве аппаратуры, в которой эти схемы применяются.

Хорошей альтернативой заказным БИС явились микропроцессорные наборы - совокупность больших интегральных схем, реализующих сложные функции цифровой аппаратуры. Из этих "кирпичей" достаточно просто строятся микрокомпьютеры (микро-ЭВМ), получившие исключительное развитие и нашедшие широкое применение в разнообразных системах управления.

Микропроцессор является универсальным устройством, способным реализовать любую логическую функцию. Однако программная реализация логики управления осуществляется сравнительно медленно, микропроцессор зачастую не способен обеспечить необходимое быстродействие. В связи с этим в настоящее время широкое распространение получили программируемые БИС с матричной структурой, среди которых особое место занимают программируемые логические матрицы (ПЛМ) - большие интегральные схемы, сочетающие регулярность структуры полупроводникового запоминающего устройства (ЗУ) с универсальностью микропроцессора. ПЛМ обладает существенными преимуществами перед микропроцессором при реализации сложных алгоритмов управления.

В качестве функциональных узлов БИС, ориентированных на реализацию булевых функций, широко используются так называемые матричные схемы.

Матричная схема представляет собой сетку ортогональных проводников, в местах пересечения которых могут быть установлены полупроводниковые элементы с односторонней проводимостью (ЭОП) - диоды или транзисторы.

Рассмотрим матрицы М1и М2 на рисунке №1. Способ включения ЭОП в местах пересечения шин матрицы М1 позволяет реализовать на любом из её выходов любую конъюнкцию её входных переменных, взятых со знаком либо без знака инверсии.

Рисунок №1

Матрица М2 имеет 4 вертикальных и 2 горизонтальных шины. Способ включения ЭОП в местах пересечения шин М2 позволяет реализовать на любом из её выходов любую дизъюнкцию её входных переменных.

Если соединить эти матрицы как показано на рисунке №2, то можно заметить, что любая система булевых функций у1. yn водных переменных x1. xn может быть реализована двухуровневой матричной схемой, на первом уровне которой образуются различные элементарные конъюнкции, а на втором - дизъюнкции соответствующих конъюнкций (y1…yn).

В итоге построение схем с матричной структурой сводится к определению точек пересечения шин, где должны быть включены ЭОП.

Рисунок №2

По способу программирования различают матрицы, настраиваемые (программируемые) на заводе-изготовителе, пользователем и репрограммируемые (многократно настраиваемые).

В матрицах первого типа соединение ЭОП с шинами осуществляется 1 раз с помощью специальных масок, используемых для металлизации определённых участков кристалла БИС. После изготовления БИС полученные соединения изменены быть не могут.

Матрицы второго типа поставляются потребителю не настроенными и содержащими ЭОП в каждой точке пересечения их шин. Настройка сводится к удалению (отключению) некоторых ненужных ЭОП. Физически процесс настройки осуществляется различными способами, например, путём пропускания серии импульсов тока достаточно большой амплитуды через соответствующий ЭОП и разрушения плавкой перемычки, включённой последовательно с этим ЭОП и соединяющей его с одной из шин в точке их пересечения.

Матрицы третьего типа позволяют осуществлять программирование неоднократно. Повторное программирование выполняется электрическим способом после стирания содержимого матриц под действием ультрафиолетового (иногда рентгеновского) облучения или электрическим способом отдельно для каждого ЭОП.

Так же необходимо сказать несколько слов о так называемых программируемых матрицах.

Программируемая логическая матрица (ПЛМ) представляет собой функциональный блок, созданный на базе полупроводниковой технологии и предназначенный для реализации логических схем цифровых систем. В зависимости от внутренней организации программируемые логические матрицы можно разделить на ПЛМ комбинационной логики и ПЛМ с памятью.

Следует отметить, что на кристалле БИС ПЛМ предусмотрена специальная система шин, позволяющая соединять выходы донной матрицы с входами другой. Выполнение разрезов шин и организация необходимых связей между входами и выходами различных матриц осуществляются на этапе настройки ПЛМ на заводе изготовителе.

Введение

В настоящее время главными задачами при создании радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) и электронно-вычислительных машин (ЭВМ) является увеличение скорости работы и уменьшение физических размеров. Для этого улучшаются характеристики и параметры элементов и интегральных микросхем, также происходит их оптимизация. Однако, при переходе работы устройств в наносекундный диапазон возникают новые проблемы, связанные с искажением сигналов в линиях связи. С повышением быстродействия логических схем скорость преобразования информации приближается к скорости её передачи, а при задержках логических элементов становится сравнимой с ней. В этом случае улучшение динамических характеристик самих элементов может не дать желаемого эффекта. Так как интегральные схемы как правильно, являются компонентами печатных плат, то необходим комплексный подход к проектированию печатных плат.

Следовательно при проектировании печатных узлов необходимо это учитывать, и искать методы которые позволяют существенно повысить помехоустойчивость аппаратуры. Также необходимо учитывать проблемы питания. целостность сигнал интегральный конденсатор

В данной работе мы проведем исследование, и покажем что при правильной разработке печатных плат мы можем значительно сократить возникающее помехи при передачи информации.

Интегральные схемы

История развития интегральных схем

Интегральная схема - электронная микросхема изготовленная на полупроводниковой подложке (пластине или плёнке) и помещённая в неразборный корпус, или без такового, в случае вхождения в состав микросборки. Большая часть микросхем изготавливается в корпусах для поверхностного монтажа.

Часто под интегральной схемой (ИС) понимают собственно кристалл или плёнку с электронной схемой, а под микросхемой -- ИС, заключённую в корпус.

История появления интегральных схем берет своё начало со второй половины двадцатого века. Их возникновение было обусловлено острой необходимостью повышения надёжности аппаратуры и автоматизации процессов изготовления и сборки электронных схем.

Другой причиной создания ИС стала технологическая возможность размещения и соединения между собой множества электронных компонентов - диодов, транзисторов и так далее, на одной пластине полупроводника. Дело в том, что созданные к тому времени меза- и планарные транзисторы и диоды изготавливались по технологии групповой обработки на одной пластине-заготовке одновременно.

Концепция ИС была предложена задолго до появления групповых методов изготовления полупроводниковых приборов. Первые в мире ИС были разработаны и созданы в 1959 году американцами Джеком Сент Клером Килби (фирма Texas Instruments) и Робертом Н. Нойсом (Fairchild Semiconductor) независимо друг от друга.

В мае 1958 г. Джек Килби перешёл в фирму Texas Instruments из фирмы Centralab - в ней он возглавлял программу по разработке слуховых аппаратов, для которых фирма создала небольшое предприятие по созданию германиевых транзисторов. Уже в июле 1958 г. Килби пришла в голову идея создания ИС. Из полупроводниковых материалов уже умели изготовлять резисторы, конденсаторы и транзисторы. Резисторы изготовляли, используя омические свойства "тела" полупроводника, а для создания конденсаторов использовались смещённые в обратном направлении p-n -переходы. Оставалось только научиться создавать такие переходы в монолите кремния.

Многие недостатки "твёрдых схем" были устранены позднее Робертом Нойсом. С января 1959 года, занимаясь в фирме Fairchild Semiconductor (FS) исследованием возможностей планарного транзистора, он вплотную занялся выдвинутой им идеей создания интегральных диффузионных или напылённых резисторов методом изоляции приборов с помощью смещённых в обратном направлении р-n -переходов и соединения элементов через отверстия в окисле путём напыления металла на поверхность. Вскоре была подана соответствующая заявка на патент, и разработчики элементов в тесном контакте со специалистами по фотолитографии начали работать над вопросами соединения диффузионных резисторов и транзисторов на кремниевых пластинах.

Разработки ИС стали продвигаться лихорадочными темпами. Фирма FS пригласила в качестве разработчика схем Роберта Нормана из фирмы Sperry. Норман был знаком с резисторно-транзисторной логикой, выбранной в качестве основы для будущей серии ИС - Micrologic... Это было начало новой эры.

Степень интеграции

В зависимости от степени интеграции применяются следующие названия интегральных схем:

• · малая интегральная схема (МИС) -- до 100 элементов в кристалле,
• · средняя интегральная схема (СИС) -- до 1000 элементов в кристалле,
• · большая интегральная схема (БИС) -- до 10 тыс. элементов в кристалле,
• · сверхбольшая интегральная схема (СБИС) -- более 10 тыс. элементов в кристалле.

Ранее использовались также теперь устаревшие названия: ультрабольшая интегральная схема (УБИС) -- от 1-10 млн до 1 млрд элементов в кристалле и, иногда, гигабольшая интегральная схема (ГБИС) -- более 1 млрд. элементов в кристалле. В настоящее время, в 2010-х, названия «УБИС» и «ГБИС» практически не используются, и все микросхемы с числом элементов более 10 тыс. относят к классу СБИС.

ИНТЕГРАЛЬНАЯ CXEMA (ИС, интегральная микросхема, микросхема), функционально законченное микроэлектронное изделие, представляющее собой совокупность электрически связанных между собой элементов (транзисторов и др.), сформированных в полупроводниковой монокристаллической пластине. ИС являются элементной базой всех современных радиоэлектронных устройств, устройств вычислительной техники, информационных и телекоммуникационных систем.

Историческая справка. ИС изобретена в 1958 Дж. Килби (Нобелевская премия, 2000), который, не разделяя германиевую монокристаллическую пластину на отдельные сформированные в ней транзисторы, соединил их между собой тончайшими проволоками, так что полученное устройство стало законченной радиоэлектронной схемой. Спустя полгода американский физик Р. Нойс реализовал так называемую планарную кремниевую ИС, в которой при каждой области биполярных транзисторов (эмиттере, базе и коллекторе) на поверхности кремниевой пластины создавались металлизированные участки (так называемые контактные площадки), а соединения между ними осуществлялись тонкоплёночными проводниками. В 1959 году в США начался промышленный выпуск кремниевых ИС; массовое производство ИС в СССР организовано в середине 1960-х годов в г. Зеленоград под руководством К. А. Валиева.

Технология ИС. Структура полупроводниковой ИС показана на рисунке. Транзисторы и другие элементы формируются в очень тонком (до нескольких мкм) приповерхностном слое кремниевой пластины; сверху создаётся многоуровневая система межэлементных соединений. С увеличением числа элементов ИС количество уровней растёт и может достигать 10 и более. Межэлементные соединения должны обладать низким электрическим сопротивлением. Этому требованию удовлетворяет, например, медь. Между слоями проводников размещаются изолирующие (диэлектрические) слои (SiO 2 и др.). На одной ПП пластине одновременно формируется до нескольких сотен ИС, после чего пластину разделяют на отдельные кристаллы (чипы).

Технологический цикл изготовления ИС включает несколько сотен операций, важнейшей из которых является фотолитография (ФЛ). Транзистор содержит десятки деталей, контуры которых формируются в результате ФЛ, определяющей также конфигурацию межсоединений в каждом слое и положение проводящих областей (контактов) между слоями. В технологическом цикле ФЛ повторяется несколько десятков раз. За каждой операцией ФЛ следуют операции изготовления деталей транзисторов, например осаждение диэлектрической, ПП и металлической тонких плёнок, травление, легирование методом имплантации ионов в кремний и др. Фотолитография определяет минимальный размер (МР) отдельных деталей. Главным инструментом ФЛ являются оптические проекционные степперы-сканеры, с помощью которых выполняется пошаговое (от чипа к чипу) экспонирование изображения (освещение чипа, на поверхность которого нанесён фоточувствительный слой - фоторезист, через маску, называемую фотошаблоном) с уменьшением (4:1) размеров изображения по отношению к размерам маски и со сканированием светового пятна в пределах одного чипа. МР прямо пропорционален длине волны источника излучения. Первоначально в установках ФЛ использовались g- и i-линии (436 и 365 нм соответственно) спектра излучения ртутной лампы. На смену ртутной лампе пришли эксимерные лазеры на молекулах KrF (248 нм) и ArF (193 нм). Совершенствование оптической системы, применение фоторезистов с высокими контрастом и чувствительностью, а также специальной техники высокого разрешения при проектировании фотошаблонов и степперов-сканеров с источником света длиной волны 193 нм позволяют достичь МР, равных 30 нм и менее, на больших чипах (площадью 1-4 см 2) с производительностью до 100 пластин (диаметром 300 мм) в час. Продвижение в область меньших (30-10 нм) МР возможно при использовании мягкого рентгеновского излучения или экстремального ультрафиолета (ЭУФ) с длиной волны 13,5 нм. Из-за интенсивного поглощения излучения материалами на этой длине волны не может быть применена преломляющая оптика. Поэтому в ЭУФ-степперах используют отражающую оптику на рентгеновских зеркалах. Шаблоны также должны быть отражающими. ЭУФ-литография является аналогом проекционной оптической, не требует создания новой инфраструктуры и обеспечивает высокую производительность. Таким образом, технология ИС к 2000 преодолела рубеж 100 нм (МР) и стала нанотехнологией.

Структура интегральной схемы: 1- пассивирующий (защитный) слой; 2 - верхний слой проводника; 3 - слой диэлектрика; 4 - межуровневые соединения; 5 - контактная площадка; 6 - МОП-транзисторы; 7 - кремниевая пластина (подложка).

Направления развития. ИС разделяют на цифровые и аналоговые. Основную долю цифровых (логических) микросхем составляют ИС процессоров и ИС памяти, которые могут объединяться на одном кристалле (чипе), образуя «систему-на-кристалле». Сложность ИС характеризуется степенью интеграции, определяемой числом транзисторов на чипе. До 1970 степень интеграции цифровых ИС увеличивалась вдвое каждые 12 месяцев. Эта закономерность (на неё впервые обратил внимание американский учёный Г. Мур в 1965) получила название закона Мура. Позднее Мур уточнил свой закон: удвоение сложности схем памяти происходит через каждые 18 месяцев, а процессорных схем - через 24 месяца. По мере увеличения степени интеграции ИС вводились новые термины: большая ИС (БИС, с числом транзисторов до 10 тысяч), сверх-большая (СБИС - до 1 миллиона), ультрабольшая ИС (УБИС - до 1 миллиарда) и гигантская БИС (ГБИС - более 1 миллиарда).

Различают цифровые ИС на биполярных (Би) и на МОП (металл - оксид - полупроводник) транзисторах, в том числе в конфигурации КМОП (комплементарные МОП, т. е. взаимодополняющие р-МОП и w-МОП транзисторы, включённые последовательно в цепи «источник питания - точка с нулевым потенциалом»), а также БиКМОП (на биполярных транзисторах и КМОП-транзисторах в одном чипе).

Увеличение степени интеграции достигается уменьшением размеров транзисторов и увеличением размеров чипа; при этом уменьшается время переключения логического элемента. По мере уменьшения размеров уменьшались потребляемая мощность и энергия (произведение мощности на время переключения), затраченная на каждую операцию переключения. К 2005 году быстродействие ИС улучшилось на 4 порядка и достигло долей наносекунды; число транзисторов на одном чипе составило до 100 миллионов штук.

Основную долю (до 90%) в мировом производстве с 1980 составляют цифровые КМОП ИС. Преимущество таких схем заключается в том, что в любом из двух статических состояний («0» или «1») один из транзисторов закрыт, и ток в цепи определяется током транзистора в выключенном состоянии I BЫKЛ. Это означает, что, если I BЫKЛ пренебрежимо мал, ток от источника питания потребляется только в режиме переключения, а потребляемая мощность пропорциональна частоте переключения и может быть оценена соотношением Ρ Σ ≈C Σ ·Ν·f·U 2 , где C Σ - суммарная ёмкость нагрузки на выходе логического элемента, N - число логических элементов на чипе, f - частота переключения, U - напряжение питания. Практически вся потребляемая мощность выделяется в виде джоулева тепла, которое должно быть отведено от кристалла. При этом к мощности, потребляемой в режиме переключения, добавляется мощность, потребляемая в статическом режиме (определяется токами I BЫKЛ и токами утечки). С уменьшением размеров транзисторов статическая мощность может стать сравнимой с динамической и достигать по порядку величины 1 кВт на 1 см 2 кристалла. Проблема большого энерговыделения вынуждает ограничивать максимальную частоту переключений высокопроизводительных КМОП ИС диапазоном 1-10 ГГц. Поэтому для увеличения производительности «систем-на-кристалле» используют дополнительно архитектурные (так называемые многоядерные процессоры) и алгоритмические методы.

При длинах канала МОП-транзисторов порядка 10 нм на характеристики транзистора начинают влиять квантовые эффекты, такие как продольное квантование (электрон распространяется в канале как волна де Бройля) и поперечное квантование (в силу узости канала), прямое туннелирование электронов через канал. Последний эффект ограничивает возможности применения КМОП-элементов в ИС, так как вносит большой вклад в суммарный ток утечки. Это становится существенным при длине канала 5 нм. На смену КМОП ИС придут квантовые приборы, молекулярные электронные приборы и др.

Аналоговые ИС составляют широкий класс схем, выполняющих функции усилителей, генераторов, аттенюаторов, цифроаналоговых и аналого-цифровых преобразователей, компараторов, фазовращателей и т.д., в том числе низкочастотные (НЧ), высокочастотные (ВЧ) и сверхвысокочастотные (СВЧ) ИС. СВЧ ИС - схемы относительно небольшой степени интеграции, которые могут включать не только транзисторы, но и плёночные катушки индуктивности, конденсаторы, резисторы. Для создания СВЧ ИС используется не только ставшая традиционной кремниевая технология, но и технология гетеропереходных ИС на твёрдых растворах Si - Ge, соединениях A III B V (например, арсениде и нитриде галлия, фосфиде индия) и др. Это позволяет достичь рабочих частот 10-20 ГГц для Si - Ge и 10-50 ГГц и выше для СВЧ ИС на соединениях A III B V . Аналоговые ИС часто используют вместе с сенсорными и микромеханическими устройствами, биочипами и др., которые обеспечивают взаимодействие микроэлектронных устройств с человеком и окружающей средой, и могут быть заключены с ними в один корпус. Такие конструкции называются многокристальными или «системами-в-корпусе».

В будущем развитие ИС приведёт к слиянию двух направлений и созданию микроэлектронных устройств большой сложности, содержащих мощные вычислительные устройства, системы контроля окружающей среды и средства общения с человеком.

Лит. смотри при ст. Микроэлектроника.

А. А. Орликовский.

1 Интегральные микросхемы (ИС)

Основной базой современной дискретной механики является интегральная микроэлектроника. Переход к ИС существенно изменил способы построения электронной аппаратуры, поскольку изделия микросхематехники представляют собой законченные функциональные узлы, будь то логические элементы для выполнения простейших операций или процессоры вычислительных машин, состоящие из многих тысяч элементов.

1.Терминология

В соответствии с ГОСТ17021-88 «Микросхемы интегральные. Термины и определения».

Интегральная микросхема (ИС ) – микроэлектронное изделие, выполняющее определенную функцию преобразования и обработки сигнала и имеющее высокую плотность упаковки электрически соединенных элементов (или элементов и компонентов) и (или) кристаллов, которое с точки зрения требований к испытаниям, приемке, поставке и эксплуатации рассматривается как единое целое.

Полупроводниковая интегральная микросхема – интегральная микросхема, все элементы и межэлементные соединения которой выполнены в объеме и на поверхности полупроводника.

Пленочная интегральная микросхема – интегральная микросхема, все элементы и межэлементные соединения которой выполнены в виде пленок (частным случаем, пленочных ИС являются толстопленочные и тонкопленочные ИС).

Гибридная интегральная микросхема – интегральная микросхема, содержащая кроме элементов компоненты и (или) кристаллы (частным случаем гибридной ИС является многокристальная ИС).

Тонкопленочная технология – основные материалы:

Подложка - для нанесения и создания рисунка схемы (ситалл, керамика);

Проводящая пленка – медь, алюминий, золото;

Резистивный материал – металлы и их сплавы, оксид олова, диэлектрики, смеси.

Толстопленочные – в основном качестве коммутационных, плат.

В настоящее время существуют интегральные микросхемы 6-ти степеней интеграции (таблица 1).

Малая интегральная микросхема (МИС) - ИС, содержащая до 100 элементов и (или) компонентов включительно (1..2 степень).

Средняя интегральная микросхема (СИС ) - ИС, содержащая свыше 100 до 1000 элементов и (или) компонентов для цифровых ИС и свыше 100 до 500 – для аналоговых (2..3 степень).

Большая интегральная микросхема (БИС) - ИС, содержащая свыше 1000 элементов и (или) компонентов для цифровых ИС и свыше 500 – для аналоговых ИС (3..4 степень).

Сверхбольшая интегральная микросхема (СБИС) - ИС, содержащая свыше 100000 элементов и (или) компонентов для цифровых ИС с регулярной структурой построения, свыше 50000 – для цифровых ИС с нерегулярной структурой построения, и свыше 10000 – для аналоговых ИС (5..7 степень).

Примечание: К цифровым ИС с регулярной структурой построения относят схемы запоминающих устройств и схемы на основе базовых матричных сигналов, с нерегулярной структурой построения схемы вычислительных средств.

Сверхскоростная интегральная микросхема (ССИС ) – цифровая ИС, функциональное быстродействие которой не менее 1*10 13 Гц/см 3 на один логический элемент.

Под функциональным быстродействием понимают произведение рабочей частоты логического элемента, равно обратному учетверенному значению максимальному среднего времени задержки распространения сигнала на число логических элементов, приходящихся на 1 квадратный сантиметр площади кристалла.

3 Классификация интегральных схем по уровням интеграции.

Таблица 1 - Классификация ИС по уровням интеграции

Сте- Уровень Число элементов и компонентов в одной микросхеме

пень интег- Цифровые микросхемы Аналоговые

интег- рации на МОП- на биполярных микросхемы

рации транзисторах транзисторах

1..2 МИС <= 100 <= 100 <= 100

2..3 CИС > 100 <= 1000 > 100 <= 500 > 100 <= 500

3..4 БИС > 1000 <= 10000 > 500 <= 2000 > 500

4..5 СБИС > 100000 > 50000 > 10000

Аналоговая интегральная микросхема - интегральная микросхема, предназначенная для преобразования и обработки сигналов по закону непрерывной функции (частным случаем аналоговой ИС являются микросхема с линейной характеристикой - линейная ИС).

Цифровая ИС - интегральная микросхема, предназначенная для преобразования и обработки сигналов, изменяющихся по закону дискретной функции (частным случаем цифровой ИС является логическая микросхема)

Степень интеграции интегральной микросхемы – показатель степени сложности микросхемы, характеризуемый числом содержащихся в ней элементов и компонентов.

Определяется по формуле: k=lgN,

где k – коэффициент, определяющий степень интеграции, округляемый до ближайшего большего целого числа.

N – число элементов и компонентов, входящих в интегральную микросхему.

Серия интегральных микросхем - совокупность типов интегральных микросхем, которые могут выполнять различные функции, имеют единое конструктивно-технологическое исполнение и предназначены для совместного применения.

На низшем, нулевом уровне конструктивной иерархии ЭВА любого типа и назначения находятся ИС, выполняющие логические, вспомогательные, специальные функции, а также функции запоминания. В настоящее время промышленностью выпускается большое количество интегральных схем, которые можно классифицировать по ряду признаков.

2 Классификация микросхем и условные обозначения

В зависимости от технологии изготовления ИС делятся на 4 разновидности: полупроводниковые; пленочные; гибридные; совмещенные

Элементы электрической схемы полупроводниковых ИС формируют в объеме или на поверхности полупроводникового материала (подложки). Формирование активных и пассивных элементов введением определенным образом концентрации примесей с различным числом монокристаллической пластины.

Рисунок 1 – Классификация интегральных схем

В гибридных ИС пассивную часть выполняют в виде пленок, наносимых на поверхность диэлектрического материала (подложки), а активные элементы, имеющие самостоятельное конструктивное оформление, - крепят к поверхности подложки.

В зависимости от методов подсоединения активных бескорпусных элементов, активные ИС бывают с гибкими и жесткими выводами.

Разновидностью полупроводниковых ИС являются совмещенные ИС.

В совмещенных ИС активные элементы выполняются внутри полупроводниковой подложки, а пассивная часть – в виде металлических пленок на ее поверхность.

По функциональному назначению ИС можно разделить на:

1) цифровые; 2) аналоговые.

Цифровые ИС используют в ЦВМ, устройствах дискретной автоматики и т.д. К ним принадлежат микропроцессорные схемы, схемы памяти и ИС, выполняющие логические функции.

Линейные и линейно-импульсные ИС применяются в аналоговых вычислительных машинах и в устройствах преобразования информации.

К ним относятся различные операционные усилители, компараторы и другие схемы.

В основу классификации цифровых микросхем положены три признака:

1)вид компонентов логической схемы, на которых выполняются логические операции над входными переменными;

2)способ соединения полупроводниковых приборов в логическую схему;

3)вид связи между логическими схемами.

По этим признакам логические ИС можно классифицировать следующим образом:

1) схемы с непосредственными связями на МОП-структурах – НСТЛМ (МОП – металл – окисел - полупроводник или МДП металл-диэлектрик - полупроводник).

2)схемы с резисторно - емкостными связями – РТЛ; РЕТЛ – схемы, входная логика которых осуществляется на резисторных цепях. РЕТЛ и РТЛ – морально устарели и в новых разработках не используются;

3)схемы, входная логика которых осуществляется на диодах – ДТЛ;

4 схемы, входная логика которых выполняется многоэмитторным транзистором – ТТЛ;

5) схемы, со связанными эмиттерами – ЭСЛ, или ПТТЛ – логика на переключателях тока;

6) инжекционно-интегральная логика ИИЛ или И 2 Л – на ее основе создаются микросхемы большой степени интеграции высокого быстродействия и с малым потреблением энергии;

7) схемы, основанные на совместном включении пары транзисторов с каналами разных видов проводимости, так называемые комплиментарные структуры. (КМОП – структуры).

В условном обозначении ИС конструктивно-технологическое исполнение обозначаются цифрой:

1 ,5 ,6 ,7 – полупроводниковые; 2 ,4 ,8 – гибридные;

3 прочие – (пленочные, вакуумные и т.д.).

По характеру выполнения функций в РЭА ИС подразделяются на подгруппы (например, генераторы, усилители и т.д.) и виды (например, преобразователи частоты, фазы, напряжения) подгруппа обозначается соответствующими буквами, (например ГС-генератор (Г) гармонических сигналов (С), НД-набор (Н) диодов (Д))

4 Корпуса микросхем

В ГОСТ 17467-88 приведены термины, касающиеся конструктива ИС.

Тело корпуса – часть корпуса без выводов.

Позиция вывода – одно из нескольких равноотстоящих друг от друга место положений выводов на выходе из тела корпуса, расположенных по окружности или в ряду, которое может быть занято или не занято выводом. Каждая позиция вывода обозначается порядковым номером.

Установочная плоскость – плоскость, на которую устанавливается ИС.