Размеры интегральных схем. Что такое интегральная микросхема (ИМС)

Коняев Иван Сергеевич,студент 3 курса Армавирского механикотехнологического института(филиала) ФГБОУ ВПО КубГТУ, г. Армавир[email protected]

Моногаров Сергей Иванович,кандидат технических наук, доцент кафедры внутризаводского электрооборудования и автоматики Армавирского механикотехнологического института(филиала) ФГБОУ ВПО КубГТУ, г. Армавир[email protected]

Принципыпостроения больших интегральных схем

Аннотация. Данная статья посвящена вопросампринципов построения больших интегральных схем(БИС). Ключевые слова: БИС,большая интегральная микросхема, базовые матричные кристаллы, программируемые логические устройства.

В настоящее время в микроэлектронной аппаратуре используются как специализированные, так и универсальные микросхемы различной степени интеграции. В то же время наблюдается определённая тенденция широкого применения интегральных микросхем высокой степени интеграции –больших интегральных микросхем (БИС), о которых и пойдёт речь в данной статье.Универсальные микросхемы выпускаются большими тиражами и применяются в широком диапазоне электронных устройств, в то время как специализированные микросхемы выпускаются ограниченными тиражами и имеют строго определённую область применения.Специализированные БИС, выполненные на базовых матричных кристаллах(БМК)и программируемых логических устройствах(ПЛУ)имеют особенно широкое применение. Столь широкое применение обусловлено тем, что автоматизированное проектирование таких БИС занимает относительно короткий промежуток времени: порядка нескольких недель для БИС на основе БМК, нескольких дней –для БИС на основе ПЛУ.Рассмотрим принципы построения и параметры базовых матричных кристаллов. В состав БМК входят заранее сформированная матрица базовых ячеек (располагается в центральной части), а так же группу буферных ячеек, которые располагаются по периферии кристалла (рис. 1).В свою очередь в состав ячеек входят группы нескоммутированных элементов (транзисторов, конденсаторов, резисторов) и отрезков полупроводниковых шин, предназначенных для реализации пересекающихся электрических связей.Из элементов ячеек с помощью электрических связей в виде металлических (проводниковых) и полупроводниковых шин формируются различные функциональные элементы (триггеры, счетчики, регистры и др.), буферные элементы, а так жесоединения между ними.

А) б) в)Рисунок 1 –Типовые структуры БМК: а) со сплошным массивом однородных ячеек; б) с массивом однородных ячеек или макроячеек, разделённых вертикальными и горизонтальными каналами для проводников; в) с массивом неоднородных ячеек, разделённых горизонтальными каналами; 1 –матрица базовых ячеек; 2 –матрица буферных ячеек; 3,5,8 –ячейки матриц, 4,7,10 –буферные ячейки, 6,9 –макроячейки; 11,12 –горизонтальные каналы; 13 –вертикальные каналы

В данном типе БИС, как правило, основные функциональные элементы потребляют малое количество энергии, достаточное для обеспечения необходимого быстродействия. В свою очередь, буферные элементы, которые осуществляют внешние связи матричное БИС, потребляют более высокую мощность, что обусловлено необходимостью для согласования по уровням логического напряжения определённой величины, нагрузочной способности и помехоустойчивости. В состав ячеек входит множестворазнообразных активных и пассивных элементов. При этом к параметрам пассивных элементов предъявляются требования достаточно высокой точности и стабильности. В состав БМК, предназначенных для изготовления аналогоцифровых БИС, входят обычно две матрицы ячеек, для формирования соответственно аналоговых и цифровых устройств. Базовые матричные кристаллы для цифровых и аналоговых БИС формируютсяна основе биполярных транзисторов и полевых транзисторов с изолированным затвором. В аналоговых БИС широкое применение получили биполярные транзисторы с высокой крутизной проходной вольтамперной характеристики.В свою очередь матрицы могут состоять из однородных или неоднородных ячеек. В БМК, предназначенныхдля реализации цифровых БИС с невысокой степенью интеграции (около 1000 логических элементов)используются однородные ячейки, в то время как для цифровых БИС с высокой степенью интеграции (около 10000 логических элементов) и цифроаналоговых БИС –матрицы с неоднородными ячейками. Применяются два способа организации ячеек матрицы БМК:1.На основе элементов ячейки может быть сформирован один базовый логический элемент, выполняющий элементарную функцию (НЕ, ИНЕ, ИЛИНЕ с разветвлениями по входам и выходам). Для реализации более сложных функций используют несколько ячеек. Число, разновидности и параметры элементов определяются электрической схемой базового логического элемента.2.На основе элементов ячейки может быть сформирован любой функциональный элемент библиотеки. Типы элементови их число определяются электрической схемой самого сложного функционального элемента.При первом способе построения ячеек можно получить достаточно высокие коэффициент их использования в составе матрицы, коэффициент использования площади БМК и, соответственно,повышенную степень интеграции БИС. При втором способе построения ячеек БМК упрощается система автоматизированного проектирования БИС, так как посадочные места одинаковых по форме и размерам ячеек заранее определены. Однако, если в проектируемой БИС используется достаточно много простых функциональных элементов библиотеки с низким коэффициентом использования элементов ячейки, снижается коэффициент использования площади кристалла, а значит истепень интеграции БИС.В матричных БИС электрические соединения выполняются с помощью металлических (проводниковых) и полупроводниковых (монои поликристаллических) шин. Шины цепей питания и заземления, как правило, выполняются из алюминия, который характеризуется низким удельным сопротивлением. Легированные полупроводниковые шины, имеющие повышенноеудельное сопротивление, в основном применяются для реализации коротких слаботочных сигнальных цепей.Для создания электрических связей между элементами используется однои многоуровневая металлизация. По окончании проектирования, набор параметров и характеристик БМК должен быть достаточно полным для потребителя. К типовым параметрам и характеристикам БМК относятся:1.технология изготовления;2.число ячеек в кристалле;3.структура (набор элементов) ячейки;4.наименование, типовые электрические параметры, схемы и фрагменты типовых функциональных элементов, формируемых на основе элементов ячеек;5.параметры элементов вводавывода;6.число периферийных контактных площадок;7.требования к источнику питания;8.указания по расположению и использованию контактных площадок для цепей питания и заземления и др.;БМК могут послужить основой для цифровых, аналоговых, цифроаналоговых и аналогоцифровых больших интегральных схем. В то же время, совокупность элементов БМК, предназначенных для применения в аналоговых БИС, позволяетформировать усилители, компараторы, аналоговые цифровые ключи и другие устройства.Не так давно основнымприменением БМК являлисьсредства вычислительной техники исистемы управления технологическими процессами. Некоторые БМК, например Т34ВГ1(КА1515ХМ1216), применялись в советских клонах компьютера ZX Spectrumв качестве контроллера внешних устройств. Аналог БМК -микросхема ULA в компьютерах Синклера. В настоящее время БМК в большинстве применений вытеснены ПЛИС(программируемая логическая интегральная схема–примечание автора), не требующими заводского производственного процесса для программирования и допускающими перепрограммирование. Далее рассмотрим программируемые логические матрицы.Программируемые логические устройства имеют матричную структуру и шинную организацию элементов (каждый элемент соединяется вертикальными и горизонтальными шинами). В ПЛУ используются программируемые матрицы И, ИЛИ и их комбинации:непрограммируемое И –программируемое ИЛИ;программируемое И –непрограммируемое ИЛИ;программируемое И –программируемое ИЛИ.Существует две разновидности программируемых логических устройств:

программируемые в условиях производства специализированных БИС на основе кристалловполуфабрикатов с помощью одного заказного фотошаблона по технологии, подобной технологии изготовления матричных БИС;

программируемые потребителемизготовителем аппаратуры ©загрузкойª (введением информации) внутренних регистров или физическим воздействием на отдельные элементы матриц (пережигание перемычек, пробой диодов, изменение режимов работы полупроводниковых приборов).Логические устройства, программируемые потребителем, являются универсальными микроэлектронными устройствами, которые ©настраиваютсяª на заданную функцию с помощью автоматических программаторов.В практике широко используются такие разновидности ПЛУ, как программируемые логические матрицы (ПЛМ) и программируемые постоянные запоминающие устройства (ППЗУ).Применение ПЛМ позволяет уменьшить количество логических элементов и связей в логических устройствах, что особенно важно для регулярных структур, реализуемых на кристаллах БИС.Разработаны и применяются однократно программируемые ПЛМ и многократно программируемые –репрограммируемые ПЛМ (РПЛМ). Развиваются методы проектирования и производства матричных БИС с реконструируемыми соединениями (МаБИСРС) и с программируемой архитектурой (МаБИСПА) –субсистемына пластинах.Программирование с использованием масок (фотошаблонов) металлизации или контактных окон в оксиде широко применяется в ПЛМ на основе биполярных транзисторов и диодов. На рис.2 показана схема соединений элементов в диодной ПЛМ. Входные сигналы положительной полярности подаются на входы а –е, произведения М0 –М2 снимаются с нагрузочных резисторов R. Преимуществами диодных матриц являются простота и малая занимаемая на кристалле площадь, а недостатком –значительные токи, потребляемые по входам матрицы.Использование многоэмиттерных транзисторов вместо диодов позволяет существенно уменьшить входные токи (в BN раз, BN –нормальный коэффициент передачи тока транзистора) и повысить быстродействие ПЛМ. На рис.3 представлена схема фрагмента ПЛМ на биполярных многоэмиттерных транзисторах.Матрицы на основе МОПтранзисторов обеспечивают наиболее высокую плотность компоновки элементов, имеют минимальную потребляемую мощность, однако уступают по быстродействию матрицам на биполярных транзисторах.Достоинством ПЛМ с масочным программированием являются малая площадь и высокая надежность, что обусловило их широкое применение в составе специализированных и микропроцессорных БИС. Такие ПЛМ однократно программируются изготовителем в процессе производствамикросхемы, что сужает область их применения.Большей гибкостью, особенно при использовании в периферийных устройствах, обладают электрически программируемые ПЛМ, “настройка” которых на реализацию заданных функций выполняется пользователем.

Рисунок 2 –Фрагмент диодной ПЛМ

Рисунок 3 –Фрагмент ПЛМ на БТ

На рис.4 показанынаиболее распространенные элементы матрицс электрическим программированием. Программирование осуществляется расплавлением перемычек (обычно нихромовых или поликремниевых) или пробоем диодов (pn переходов или барьеров Шотки).

Рисунок 4 –Элементы ПЛМ с электрическим программированием

Перемычки имеют сопротивление около 10 Ом и расплавляются (размыкаются) при пропускании через них импульса тока, амплитуда которого значительно больше амплитуды тока считывания. Для разрушения нихромовых или поликремниевых перемычек достаточно тока 20…50 мА; время расплавления составляет 10…200 мс.Диоды пробиваются (закорачиваются) при подаче импульса обратного напряжения от источника с небольшим внутренним сопротивлением, дающим достаточный ток (200…300 мА). Это вызывает лавинный и термический пробой pn переходов (барьера Шотки) и миграцию частиц металла внутрь полупроводника с образованием надежного низкоомного контакта (штриховые линии на рис.4). Время образования цепи 0,02…0,05 мс.Для электрического программирования и контроля ПЛМ используются специальные установки, управляемые ЭВМ. Исходной информацией для программирования и контроля являются:таблица истинности;признак пережигания (пробоя) лог. единиц или нулей (в зависимости от начальной информации незапрограммированной ПЛМ);параметры программирующих импульсов.Управляющая программа делает перебор адресов на входах от 00…0 до 11…1. На ПЛМ подаются питающие напряжения, а при наличии в исходной информации признаков программирования –импульс пережигания (пробоя). После программирования выполняется контроль и результат проверки с указанием совпадения (несовпадения) с таблицей истинности выводится на печать.ПЛМ применяются в современных периферийных и основных компьютерных устройствах платы расширения в системе Plug and Play, которые и имеют специальную микросхему -ПЛИС. Она позволяет плате сообщать свой идентификатор и список требуемых и поддерживаемых ресурсов.Для создания СБИС(сверх больших интегральных схем)и субсистем на пластинах применяют регулярные структуры (рис.5) с матрицей ячеек достаточно большой степени интеграции. Программирование элементов соединений выполняется их созданием или нарушением.

Рисунок 5 –Фрагмент БИС с реконструируемымисоединениями

Матричные БИС с реконструируемыми соединениями обычно создают на основе КМОПтранзисторов, характеризующихся минимальной потребляемой мощностью. Для таких транзисторов применимы все типы перемычек.Перспективным является использование матричных БИС с реконструируемыми соединениями для построения многопроцессорных субсистем. Контакты между соединительными проводниками различных уровней программируются лучом лазера (расплавляется диэлектрик), некоторые связи разрезаются.Лазерное реконструирование при управлении от ЭВМ длится около 1 ч. Такие микросистемы могут содержать до 100 миллионов транзисторов.Плотность компоновки для СБИС при минимальном размере элементов 0,5…2 мкм достигает 20 тысяч транзисторов на квадратный миллиметр.Внастоящее время существуютэлементыпамяти, сохраняющие информацию при отключении напряжения питания, что позволяет создавать ПЛМ со стиранием и перезаписью реализуемых функций –репрограммируемые логические матрицы (РПЛМ).Значительное распространение в РПЛМ получили МОПтранзисторы с плавающим затвором и лавинной инжекцией (рис.6). Структура такого транзистора аналогична обычному МОПтранзистору с поликремниевым затвором, который гальванически не связан с остальной схемой. В исходном состоянии транзистор не проводит ток (см. рис.6,а). Для перехода в проводящее состояние (запись) между истоком и стоком транзистора прикладывается достаточно большое напряжение (около 50 В) в течение примерно 5 мс. Это вызывает лавинный пробой истокового (стокового) pn перехода и инжекцию электронов в поликремниевый затвор. Заряд, примерно равный 107 Кл/см2,захваченный затвором (см. рис.6,б), индуцирует канал, соединяющий исток и сток, и может сохраняться длительное время (10…100 лет) после снятия напряжения, так как затвор окружен оксидным слоем, имеющим очень малую проводимость.Стирание информации осуществляется при облучении ультрафиолетовыми лучами сэнергией, достаточной для выбивания электронов из затвораи переноса их в подложку (рис.6). Стирание можно также осуществить, используя ионизирующее, например рентгеновское излучение.Считывание информации из матрицы выполняется при подаче напряжения питания 5…15 В и контроле тока, протекающего через транзистор.Для организации выборки определенных ячеек вматрицу (см. рис.6,в) последовательно с транзисторами с плавающими затворами включают обычные МОПтранзисторы.

Рис.6. ПЛМ на МОПтранзисторах с плавающим затвором:а) выключенный (стертый) запоминающий транзистор;б)включенный запоминающий транзистор;в) фрагмент матрицы (транзистор выборки Тв, запоминающий транзистор Тз);1 –исток; 2 –плавающий затвор из поликристаллического кремния; 3 –сток; 4 –инжектированный заряд; 5 –область обеднения

Наряду с БИСс реконструируемыми соединениями развивается направление, связанное с созданием БИС и СБИС с программируемой архитектурой и выполняемых в виде субсистем на пластинах. Перестройка архитектуры субсистемы осуществляется с помощью встроенных элементов коммутации с памятью. Причем элементы памяти могут выполняться как на типовых МОПили КМОПтранзисторах, так и на транзисторах с лавинной инжекцией.На рис.7представлена структурная схема матричной БИС с программируемой архитектурой. Шина управления (ШУ) служит для записи в блоки распределенной памяти (П) кодов настройки (программирования) архитектуры субсистемы на определенную задачу. Решающие блоки матрицы (М) соединяются между собой распределенными коммутаторами (К) через коммутационную шину (ШК).

Рисунок 7 –Структурная схема матричной БИС с программируемой архитектурой

Применение СБИС с программируемой архитектурой позволяет получить очень высокую плотность компоновки, автоматизировать процесс сборки.

Ссылки на источники1.Образовательный сайт www.studfiles.ruURL: http://www.studfiles.ru/dir/cat39/subj1381/file15398/view155035/page2.html2.Свободная энциклопедия Википедия URL: http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%91%D0%9C%D0%9A3.Свободная энциклопедия ВикипедияURL: http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9F%D0%9B%D0%98%D0%A1

Konyaev Ivan Sergeyevich,3rd year student of Armavir Institute of Mechanics and Technology (branch) Kuban State University of Technology, ArmavirMonogarov Sergey Ivanovich,Candidate of Technical Sciences, Associate Professor of inplant electrical equipment and automation, Armavir Institute of Mechanics and Technology (branch) Kuban State University of Technology, ArmavirPrinciples of building largescale integrated schemesAbstract:This article focuses on research of the principles of construction of largescale integrated circuits (LSIs).Keywords:BIS, a large integrated circuit, the base matrix crystals, programmable logic devices.

В ранних электрических компьютерах компонентами схемы, выполнявшими операции, были вакуумные трубки. Эти трубки, напоминавшие электрические лампочки, потребляли много электроэнергии и вьщеляли много тепла. Все изменилось в 1947 году с изобретением транзистора. В этом маленьком устройстве использовался полупроводниковый материал, названный так за способность как проводить, так и задерживать электрический ток, в зависимости от того, есть ли электрический ток в самом полупроводнике. Эта новая технология позволила строить все виды электрических переключателей на кремниевых микросхемах. Схемы на транзисторах занимали меньше места и потребляли меньше энергии. Для более мощных компьютеров были созданы интегральные схемы, или ИС.

В наше время транзисторы стали микроскопически малы, и вся цепь ИС помещается на кусочке полупроводника площадью 1 дюйм квадратный. Маленькие блоки, рядами смонтированные на печатной плате компьютера, и есть интегральные схемы, заключенные в пластиковые корпуса. Каждая микросхема содержит набор простейших элементов схемы, или устройств. Большую их часть занимают транзисторы. ИС может также включать диоды, которые позволяют электрическому току идти только в одном направлении, и резисторы, которые блокируют ток.
Неподвижные части. Во внутренних отделах компьютера ряды интегральных схем в защитных корпусах, как показано внизу, смонтированы на печатной плате компьютера (зеленый цвет). Каждая бледно-зеленая линия обозначает дорожку, по которой идет электрический ток; все вместе они образуют «магистрали», по которым от схемы к схеме проводится электрический ток.

Крошечные связные. По краю микросхемы сильно намагниченные проводки, напоминающие человеческие волоски, посылают электрические сигналы от электрической цепи (им. сверху). Эти золотые или алюминиевые проводки практически не подвержены коррозии и хорошо проводят электричество.

Анатомия транзистора
Транзисторы - основные микроскопические элементы электронной схемы - это переключатели, которые включают и выключают электрический ток. Маленькие металлические дорожки (серый цвет) проводят ток (красный и зеленый цвета) из этих устройств. Организованные в комбинацию, называемую логическими «воротами» (логической схемой), транзисторы реагируют на электрические импульсы разнообразными предустановленными способами, позволяя компьютеру выполнять широкий спектр задач.

Логическая схема. В случае если поступающий электрический ток (красные стрелки) активизирует базу каждого транзистора, питающий ток (зеленые стрелки) устремится к проводку вывода.

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.

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.

Большая интегральная схема

Современные интегральные микросхемы, предназначенные для поверхностного монтажа.

Советские и зарубежные цифровые микросхемы.

Интегра́льная (engl. Integrated circuit, IC, microcircuit, microchip, silicon chip, or chip), (микро )схе́ма (ИС, ИМС, м/сх ), чип , микрочи́п (англ. chip - щепка, обломок, фишка) - микроэлектронное устройство - электронная схема произвольной сложности, изготовленная на полупроводниковом кристалле (или плёнке) и помещённая в неразборный корпус. Часто под интегральной схемой (ИС) понимают собственно кристалл или плёнку с электронной схемой, а под микросхемой (МС) - ИС, заключённую в корпус. В то же время выражение «чип компоненты» означает «компоненты для поверхностного монтажа» в отличие от компонентов для традиционной пайки в отверстия на плате. Поэтому правильнее говорить «чип микросхема», имея в виду микросхему для поверхностного монтажа. В настоящий момент ( год) большая часть микросхем изготавливается в корпусах для поверхностного монтажа.

История

Изобретение микросхем началось с изучения свойств тонких оксидных плёнок, проявляющихся в эффекте плохой электро-проводимости при небольших электрических напряжениях. Проблема заключалась в том, что в месте соприкосновения двух металлов не происходило электрического контакта или он имел полярные свойства. Глубокие изучения этого феномена привели к открытию диодов а позже транзисторов и интегральных микросхем.

Уровни проектирования

• Физический - методы реализации одного транзистора (или небольшой группы) в виде легированных зон на кристалле.
• Электрический - принципиальная электрическая схема (транзисторы , конденсаторы , резисторы и т. п.).
• Логический - логическая схема (логические инверторы , элементы ИЛИ-НЕ, И-НЕ и т. п.).
• Схемо- и системотехнический уровень - схемо- и системотехническая схемы (триггеры , компараторы , шифраторы , дешифраторы , АЛУ и т. п.).
• Топологический - топологические фотошаблоны для производства.
• Программный уровень (для микроконтроллеров и микропроцессоров) - команды ассемблера для программиста .

В настоящее время большая часть интегральных схем разрабатывается при помощи САПР , которые позволяют автоматизировать и значительно ускорить процесс получения топологических фотошаблонов.

Классификация

Степень интеграции

Назначение

Интегральная микросхема может обладать законченным, сколь угодно сложным, функционалом - вплоть до целого микрокомпьютера (однокристальный микрокомпьютер).

Аналоговые схемы

• Генераторы сигналов
• Аналоговые умножители
• Аналоговые аттенюаторы и регулируемые усилители
• Стабилизаторы источников питания
• Микросхемы управления импульсных блоков питания
• Преобразователи сигналов
• Схемы синхронизации
• Различные датчики (температуры и др.)

Цифровые схемы

• Логические элементы
• Буферные преобразователи
• Модули памяти
• (Микро)процессоры (в том числе ЦПУ в компьютере)
• Однокристальные микрокомпьютеры
• ПЛИС - программируемые логические интегральные схемы

Цифровые интегральные микросхемы имеют ряд преимуществ по сравнению с аналоговыми:

• Уменьшенное энергопотребление связано с применением в цифровой электронике импульсных электрических сигналов. При получении и преобразовании таких сигналов активные элементы электронных устройств (транзисторов) работают в «ключевом» режиме, то есть транзистор либо «открыт» - что соответствует сигналу высокого уровня (1), либо «закрыт» - (0), в первом случае на транзисторе нет падения напряжения, во втором - через него не идёт ток . В обоих случаях энергопотребление близко к 0, в отличие от аналоговых устройств, в которых большую часть времени транзисторы находятся в промежуточном (резистивном) состоянии.
• Высокая помехоустойчивость цифровых устройств связана с большим отличием сигналов высокого (например 2,5 - 5 В) и низкого (0 - 0,5 В) уровня. Ошибка возможна при таких помехах, когда высокий уровень воспринимается как низкий и наоборот, что мало вероятно. Кроме того, в цифровых устройствах возможно применение специальных кодов , позволяющих исправлять ошибки.
• Большое отличие сигналов высокого и низкого уровня и достаточно широкий интервал их допустимых изменений делает цифровую технику нечувствительной к неизбежному в интегральной технологии разбросу параметров элементов, избавляет от необходимости подбора и настройки цифровых устройств.