Интегральная схема первого уровня что это

ИНТЕГРАЛЬНАЯ СХЕМА

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

Также по теме:

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

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

Легирующие примеси вводят в кремний двумя методами. Для сильного легирования или в тех случаях, когда точное регулирование количества вводимой примеси необязательно, обычно пользуются методом диффузии. Диффузию фосфора или бора выполняют, как правило, в атмосфере легирующей примеси при температурах между 1000 и 1150° С в течение от получаса до нескольких часов. При ионной имплантации кремний бомбардируют высокоскоростными ионами легирующей примеси. Количество имплантируемой примеси можно регулировать с точностью до нескольких процентов; точность в ряде случаев важна, поскольку коэффициент усиления транзистора зависит от числа примесных атомов, имплантированных на 1 см 2 базы (см. ниже).

Производство.

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

Процесс обработки чипов начинается с изготовления масок каждого слоя ИС. Выполняется крупномасштабный трафарет, имеющий форму квадрата площадью ок. 0,1 м 2 . На комплекте таких масок содержатся все составляющие части ИС: уровни диффузии, уровни межсоединений и т.п. Вся полученная структура фотографически уменьшается до размера кристаллика и воспроизводится послойно на стеклянной пластине. На поверхности кремниевой пластины выращивается тонкий слой двуокиси кремния. Каждая пластина покрывается светочувствительным материалом (фоторезистом) и экспонируется светом, пропускаемым через маски. Неэкспонированные участки светочувствительного покрытия удаляют растворителем, а с помощью другого химического реагента, растворяющего двуокись кремния, последний вытравливается с тех участков, где он теперь не защищен светочувствительным покрытием. Варианты этого базового технологического процесса используются в изготовлении двух основных типов транзисторных структур: биполярных и полевых (МОП).

Биполярный транзистор.

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

МОП-транзистор.

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

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

Надежность.

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

Микропроцессоры и миникомпьютеры.

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

Компьютерные запоминающие устройства.

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

У ЗУПВ время доступа к любой ячейке памяти, находящейся на кристалле, одинаково. Такие устройства могут запоминать 65 536 бит (двоичных единиц, обычно 0 и 1), по одному биту на ячейку, и представляют собой широко используемый тип электронной памяти; на каждом чипе у них насчитывается ок. 150 тыс. компонентов. Выпускаются ЗУПВ емкостью 256 Кбит (К = 2 10 = 1024; 256 К = 262 144). В устройствах памяти с последовательной выборкой циркуляция запомненных битов происходит как бы по замкнутому конвейеру (в ПЗС используется именно такой тип выборки). В ПЗС, представляющем собой ИС специальной конфигурации, пакеты электрических зарядов могут размещаться под расположенными на малых расстояниях друг от друга крошечными металлическими пластинками, электрически изолированными от чипа. Заряд (или его отсутствие) может, таким образом, перемещаться по полупроводниковому устройству от одной ячейки к другой. В результате появляется возможность запоминания информации в виде последовательности единиц и нулей (двоичного кода), а также доступа к ней, когда это требуется. Хотя ПЗС не могут конкурировать с ЗУПВ по быстродействию, они способны обрабатывать большие объемы информации при меньших затратах, и их используют там, где память с произвольной выборкой не требуется. ЗУПВ, выполненное на такой ИС, является энергозависимым, и записанная в нем информация теряется при отключении питания. В ПЗУ информация заносится в ходе производственного процесса и хранится постоянно.

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

Также по теме:
Литература:

Мейзда Ф. Интегральные схемы: технология и применения. М., 1981
Зи С. Физика полупроводниковых приборов. М., 1984
Технология СБИС. М., 1986
Маллер Р., Кеймин С. Элементы интегральных схем. М., 1989
Шур М.С. Физика полупроводниковых приборов. М., 1992

Интегральная схема

Интегра́льная схе́ма (микросхема, чип, кристалл), функционально законченное микроэлектронное изделие, представляющее собой совокупность электрически связанных между собой элементов ( транзисторов и др.), сформированных в полупроводниковой (ПП) монокристаллической пластине. Интегральные схемы (ИС) являются элементной базой всех современных радиоэлектронных устройств, устройств вычислительной техники , информационных и телекоммуникационных систем.

Историческая справка

ИС изобретена в 1958 г. 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 т. н. планарную кремниевую ИС, в которой при каждой области биполярных транзисторов (эмиттере, базе и коллекторе) на поверхности кремниевой пластины создавались металлизированные участки (т. н. контактные площадки), а соединения между ними осуществлялись тонкоплёночными проводниками. В 1959 г. в США начался промышленный выпуск кремниевых ИС. Массовое производство ИС в СССР организовано в середине 1960-х гг. в г. Зеленоград под руководством К. А. Валиева .

Технология изготовления

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 (SiO₂ 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 диэлектрических, ПП и металлических 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. Т. о., технология ИС к 2000 г. преодолела рубеж 100 нм (МР) и стала нанотехнологией .

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 г. 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 тыс.), сверхбольшая (СБИС – до 1 млн), ультрабольшая ИС (УБИС – до 1 млрд) и гигантская БИС (ГБИС – более 1 млрд).

Различают цифровые ИС на биполярных (Би) и на МОП ( металл – оксид – полупроводник) транзисторах, в том числе в конфигурации КМОП (комплементарные МОП, т. е. взаимодополняющие p-МОП и n-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 г. быстродействие ИС улучшилось на 4 порядка и достигло долей наносекунды, число транзисторов на одном чипе составило до 100 млн штук.

Основную долю (до 90 %) в мировом производстве с 1980 г. 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_выкл. Это означает, что, если I_выкл пренебрежимо мал, ток от источника питания потребляется только в режиме переключения, а потребляемая мощность пропорциональна частоте переключения и может быть оценена соотношением P_Σ≈C_Σ·N·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_выкл 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 (т. н. 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, т. к. 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.

Орликовский Александр Александрович . Первая публикация: Большая российская энциклопедия, 2008.

Опубликовано 21 февраля 2023 г. в 09:59 (GMT+3). Последнее обновление 17 июля 2023 г. в 13:11 (GMT+3). Связаться с редакцией

Интегральная схема

Поскольку размер активной части современной интегральной схемы очень мал и составляет от нескольких квадратных миллиметров до нескольких квадратных сантиметров, за ней закрепилось название интегральная микросхема или просто микросхема. В дальнейшем эти термины стали употребляться в технической литературе как синонимы.

Микросхемы также часто называют словом чип (от англ. chip — «тонкая пластинка» ). Первоначально термин относился к пластинке кристалла микросхемы.

Бо́льшая часть полупроводниковых микросхем изготавливается в корпусах для поверхностного монтажа или для монтажа в отверстиях под пайку, кристаллы в бескорпусном исполнении предназначены для монтажа в качестве компонентов микросборок .

Сегодня интегральные микросхемы используются практически во всём электронном оборудовании — в компьютерах, системах управления, мобильных телефонах и другой электронной технике, являющейся неотъемлемой частью современного общества.

История разработки [ править ]

С развитием вычислительной техники перед инженерами возникла задача найти более технологичные способы соединения тысяч используемых в компьютерах диодов, транзисторов и других электронных компонентов. Переход от навесного монтажа на печатные платы позволил частично решить эту проблему, но нужно было и далее сводить к минимуму количество паяных соединений, снижающих надёжность, а также длину соединительных проводников, снижающую быстродействие за счёт паразитных ёмкостей и индуктивностей [2] .

Гибридные интегральные схемы [ править ]

К гибридным относятся ИС, в производстве которых сочетается интегральная технология изготовления пассивных элементов с индивидуальной (ручной или автоматизированной) технологией установки и монтажа активных элементов.

В конце 1940-х годов в американской фирме Centralab были разработаны основные принципы изготовления толстоплёночных печатных плат на керамической основе, развитые затем другими фирмами. В основу были положены уже известные технологии изготовления печатных плат и керамических конденсаторов. От печатных плат взяли интегральную технологию формирования топологии соединительных проводников — шелкографию, от конденсаторов — материал подложки (керамика, чаще ситалл), а также материалы паст и термическую технологию их закрепления на подложке.

В начале 1950-х годов в компании RCA изобрели тонкоплёночную технологию: распыляя в вакууме различные материалы и осаждая их через маску на специальные подложки, научились одновременно изготавливать на единой керамической подложке множество миниатюрных плёночных соединительных проводников, резисторов и конденсаторов. Но диоды и транзисторы использовались ещё дискретные. Такие устройства получили название микромодулей.

Гибридной интегральной схемой микромодуль стал в тот момент, когда в нём применили бескорпусные транзисторы и диоды и герметизировали конструкцию в общем корпусе [3] . В дальнейшем в гибридных ИС в качестве компонентов стали применяться бескорпусные полупроводниковые интегральные схемы.

Полупроводниковые интегральные схемы [ править ]

7 мая 1952 года инженер британского исследовательского института телекоммуникаций Джеффри Даммер, известный как «пророк интегральных схем», выступил в Вашингтоне с публичной речью, в которой сформулировал идею интеграции [4] :

С появлением транзисторов и работ в области полупроводников в целом теперь кажется возможным представить электронное оборудование в виде цельного блока без соединительных проводов.

Однако осуществление этих предложений в те годы не могло состояться из-за недостаточного развития технологий.

В конце 1958 года и в первой половине 1959 года в полупроводниковой промышленности состоялся прорыв. В 1959 году Эдуард Кеонджян, советский (впоследствии американский) учёный-электротехник, разработал первый прототип интегральной схемы, выполнявшей функцию сумматора.

Памятная доска на здании Fairchild, где была изобретена первая интегральная схема, пригодная для коммерческого производства

В дальнейшем сотрудники американских корпораций Texas Instruments, Sprague Electric Company и Fairchild Semiconductor решили несколько фундаментальных технологических проблем, открыв тем самым дорогу практическому созданию полупроводниковых интегральных схем.

Американский физик Джек Килби из Texas Instruments запатентовал принцип объединения, создав устройство, содержащее транзистор, конденсатор и резистор на одном германиевом чипе. Следующим этапом было создание триггера на одном кусочке монолитного германия. В начале 1959 году схема была изготовлена и в марте 1960 года представлена на выставке американского института радиоинженеров (англ. Institute of Radio Engineers ). Килби подал заявку на выдачу патента;
Американский физик Курт Леговец из Sprague Electric Company изобрёл способ электрической изоляции компонентов, сформированных на одном кристалле полупроводника (изоляцию p-n-переходом)

Хорошо известно, что p-n-переходу свойственно высокое сопротивление, в особенности тогда, когда на переход подано запирающее напряжение. Курт Леговец, патент США 3029366 [5]

Роберт Нойс, 1959 год

Американский инженер Роберт Нойс из Fairchild Semiconductor изобрёл способ электрического соединения компонентов ИС (металлизацию алюминием) и предложил усовершенствованный вариант изоляции компонентов на базе новейшей планарной технологии, изобретённой американским инженером Жаном Эрни.

Заявка на патент Килби была подана раньше, чем заявка Нойса, но была удовлетворена позже. Это привело к судебной тяжбе, в результате которой производителям микросхем пришлось платить как Fairchild Semiconductor, так и Texas Instruments. Килби приписывают создание первой рабочей схемы, в которой все компоненты были изготовлены из полупроводникового материала, Нойсу приписывают соединение «металл с оксидом», создающее монолитную структуру.

Джек Килби в 2000 году за изобретение ИС стал одним из лауреатов Нобелевской премии. Роберт Нойс не дождался мирового признания, он скончался в 1990 году, а по положению Нобелевская премия не присваивается посмертно [6] .

Практически в это же время и в СССР велись работы по освоению технологии изготовления полупроводниковых интегральных микросхем. Первая отечественная микросхема была создана на основе планарной технологии, разработанной в начале 1960 года в НИИ-35 (затем переименованном в НИИ «Пульсар») коллективом, который в дальнейшем был переведён в АО НИИМЭ («Микрон»). Параллельно работа по разработке интегральной схемы проводилась в центральном конструкторском бюро при Воронежском заводе полупроводниковых приборов (ныне — АО «НИИЭТ») [7] .

Микропроцессор «Intel 4004»

В 1962 году работник КБ Рижского завода полупроводниковых приборов Юрий Валентинович Осокин разработал и внедрил в производство «твёрдую схему» (так тогда ещё называли интегральные МС) на основе германия, выполняющую логическую функцию «2ИЛИ-НЕ» [3] .

В 1971 году происходит событие, положившее начало «цифровой революции»: фирма Intel выпускает первый микропроцессор «Intel 4004». Эта интегральная схема содержала все компоненты, необходимые для создания компьютера.

В настоящее время интегральные микросхемы содержат миллионы транзисторов и других электронных компонентов, позволяя создавать всё более сложные и совершенные устройства обработки и хранения информации.

Классификация микросхем [ править ]

Микросхемы классифицируются по приведенным ниже признакам.

По степени интеграции [ править ]

Степень интеграции для интегральной схемы — это показатель степени сложности, характеризующийся числом содержащихся в ней элементов. В зависимости от степени интеграции применяются следующие названия типов микросхем [8] :

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.

Для интегральных схем с бо́льшим количеством элементов ранее применялись названия:

ультрабольшая интегральная схема (УБИС), с количеством элементов в диапазоне от 1 млн до 1 млрд.
гигабольшая интегральная схема (ГБИС), количество элементов в которой превышало 1 млрд.

В настоящее время эти названия не применяются. Типы, которые раньше относили к УБИС и ГБИС, сейчас определяются как СБИС. Это позволило сократить количество делений на группы, поскольку СБИС с количеством элементов свыше 1 млн обычно используются в специфических компьютерных системах, мощность которых измеряется в десятках и сотнях терабайт, и которыми, как правило, оснащены лишь большие научно-исследовательские центры.

По способу изготовления [ править ]

Полупроводниковая микросхема — все элементы и межэлементные соединения выполнены на одном полупроводниковом кристалле (например, кремния, германия или арсенида галлия).
Плёночная интегральная микросхема — все элементы и межэлементные соединения выполнены в виде плёнок:
- толстоплёночная интегральная схема;
- тонкоплёночная интегральная схема.
Гибридная микросборка HP 1813-0091
- Микросборка (гибридная микросхема) — содержит бескорпусные диоды, транзисторы, в том числе и бескорпусные интегральные микросхемы. Пассивные компоненты (резисторы, конденсаторы, катушки индуктивности) обычно изготавливаются методами тонкоплёночной или толстоплёночной технологий на общей (как правило, керамической) подложке гибридной микросхемы. Вся подложка с компонентами помещается в единый герметизированный корпус.
- В ряду гибридных микросхем можно выделить совмещённые микросхемы, которые кроме полупроводникового кристалла содержат тонкоплёночные (толстоплёночные) пассивные элементы, размещённые на поверхности кристалла. Совмещённые микросхемы изготавливают в том случае, когда необходимы высокие номиналы и высокая стабильность резисторов и ёмкостей. Эти требования легче обеспечить посредством пленочных элементов, чем полупроводниковых.
По виду обрабатываемого сигнала [ править ]
- аналоговые;
- цифровые;
- аналого-цифровые.
Аналоговые микросхемы делятся на две группы. К первой группе относятся микросхемы универсального назначения: операционные усилители, матрицы транзисторов, диодов и так далее, ко второй — специализированные аналоговые ИС.

Цифровые микросхемы предназначены для реализации логических функций и выполнения вычислительных операций. Входные и выходные сигналы таких микросхем имеют два значения: логический ноль или логическая единица, каждому из которых соответствует определённый уровень напряжения.

Технология изготовления [ править ]

Пластина монокристалла кремния

Можно выделить следующие основные технологические этапы при производстве полупроводниковых интегральных схем методом фотолитографии [9] :
- Изготовление монокристалла. Очень чистый кристаллический кремний (или другой полупроводниковый материал, необходимый для изготовления интегральных схем), выращивается в форме цилиндра, из которого затем нарезаются пластины диаметром 60 — 150 мм и толщиной 0,2 — 0,4 мм.
- После резки на пластинах образуются дефекты и неровности, для устранения которых пластины шлифуют и полируют. Неровности поверхности не должны быть больше 4 мкм.
Процесс фотолитографии
- Следующим этапом является формирование слоёв методом фотолитографии. На пластине сначала образуется слой оксида кремния, для чего в специальной герметичной камере при температуре около 1000 °C пластина с одной стороны обдувается потоком кислорода, что и приводит к образованию и наращиванию слоя оксида кремния. Далее наносится слой фоторезиста — специального материала, изменяющего свои свойства под действием ультрафиолетовых лучей. После нанесения фоторезиста его засвечивают через специальную маску, содержащую необходимый рисунок элементов микросхемы. Далее производится процесс проявления и закрепления засвеченного слоя фоторезиста методом тепловой полимеризации.
- Далее идет процесс травления, где под действием специальных веществ удаляются незасвеченные участки фоторезиста и оксида кремния. Пластины промываются.
- После промывки пластины направляют в диффузионную камеру, где на открытые участки кремния воздействуют потоком ионов вещества с другим типом проводимости. На кристалле формируются карманы с акцепторной или донорной примесью, что позволяет в соответствии со схемой сформировать нужные элементы (транзисторы, диоды и так далее).
- Дальнейшим этапом является разделение пластины с выращенными микросхемами на отдельные чипы и установка их в корпус.
Подавляющее большинство активных элементов современных цифровых микросхем изготавливается по технологии КМОП (комплементарная структура металл — оксид — полупроводник, англ. CMOS, complementary metal–oxide–semiconductor ), которая предусматривает использование полевых транзисторов с изолированным затвором с каналами разной проводимости. Отличительной особенностью схем КМОП по сравнению с биполярными технологиями (ТТЛ и др.) является очень малое энергопотребление в статическом режиме. В большинстве случаев можно считать, что энергия потребляется только во время переключения логических состояний.

Типы исполнения интегральных микросхем [ править ]

По типу исполнения интегральные микросхемы выпускаются в двух конструктивных вариантах — корпусном и бескорпусном. Бескорпусная микросхема (англ. unpackaged microcircuit ) представляет собой открытый кристалл, предназначенный для монтажа в гибридную микросхему или микросборку. Для защиты от внешних воздействий кристалл обычно покрывают лаком или заливают компаундом.

Типы корпусов микросхем [ править ]

Самые ранние интегральные схемы упаковывались в плоские керамические корпуса. Такой тип корпусов широко использовался из-за его надёжности и небольшого размера. В дальнейшем получили развитие корпуса DIP (англ. Dual In-line Package ), вначале изготавливавшиеся из керамики, а затем из пластика. Микросхемы в корпусах DIP предназначались для монтажа путём пайки в отверстия на плате. В 1980-х годах количество контактов СБИС превысило возможности DIP корпусов, что привело к созданию корпусов PGA (англ. Pin Grid Array ) и LCC (англ. Leadless Chip Carrier ).

В конце 80-х годов, с ростом популярности поверхностного монтажа, появляются корпуса SOIC (англ. Small-Outline Integrated Circuit ), а также корпуса PLCC (англ. Plastic Leaded Chip Carrier ). В 90-х годах начинается широкое использование корпусов типа PQFP (англ. Plastic Quad Flat Pack ) и TSOP (англ. Thin Small-Outline Package ) для интегральных схем с большим количеством выводов. Для сложных микропроцессоров, особенно для устанавливаемых в сокеты, используются PGA-корпуса. В настоящее время фирмы Intel и AMD перешли от корпусов PGA к LGA (англ. land grid array , разъём с матрицей контактных площадок).

Корпуса BGA (англ. Ball grid array ) существуют с 1970-х годов. В 1990-х годах были разработаны корпуса FCBGA (BGA, собранная методом перевернутого кристалла, англ. flip-chip ), допускающие намного большее количество выводов, чем другие типы корпусов. В FCBGA кристалл монтируется в перевёрнутом виде и соединяется с контактами корпуса через столбики (шарики) припоя. Монтаж методом перевёрнутого кристалла позволяет располагать контактные площадки по всей площади кристалла, а не только по краям [10] [11] .
С опозданием на год власти объяснили, что такое «российские микросхемы». Реакция рынка

У российских микросхем гражданского назначения появились официальные определения. Глава кабинета министров Дмитрий Медведев подписал соответствующее постановление Правительства от 9 августа 2016 г. № 719. Его текст появился на официальном интернет-портале правовой информации.

Напомним, что данный документ отрасль ждала очень давно, а Медведеву даже пришлось недавно повторно поднять вопрос необходимости появления определений после того, как его поручение на данную тему Минпромторгу совместно с Минэкономразвития, Минкомсвязи и ФСБ было просрочено почти на год.

Постановление вводит понятия «интегральной схемы первого уровня» и «интегральной схемы второго уровня». Примечательно, что в проекте данного документа, разработанного Минпромторгом, присутствовало слово «российская». Теперь оно исчезло.

Объяснение этому, по всей видимости, кроется в том, что в соответствии с финальным текстом постановления производители микросхем теперь могут иметь юрлица, являющиеся налоговыми резидентами не только России, но и стран, входящих в Евразийский экономический союз. А в него, помимо РФ, также входят Белоруссия, Казахстан, Армения и Киргизия.

У российских микросхем появились расплывчатые, но все же однозначно трактуемые рынком определения

И все же опрошенные CNews участники рынка восприняли новые формулировки именно как определения для «российских» микросхем, основывая свое мнение на ряде других фраз документа, касающихся локализации производства.

Определения микросхем

Производитель интегральных схем первого уровня должен обладать правами на конструкторскую документацию (включая документацию на используемые сложнофункциональные блоки, не являющиеся предметом собственной разработки) в объеме, достаточном для производства схемы в течение пяти лет.

При этом не допускается использование при проектировании и разработке схем готовых схемотехнических решений иностранного производства. На территории России в отношении микросхем должны осуществляться разработка структуры, логической и электрической составляющих, топологии.

Также в границах нашей страны должна происходить разработка ПО для микросхем, изготовление пластин по полному циклу (за исключением фотошаблонов) с кристаллами и их измерение, сборка кристаллов в корпусе, измерение и испытание микросхем.

Критерии отнесения к интегральным схемам второго уровня более мягкие. Их производитель может обладать только правами на топологию схем, а также на конструкторскую документацию. Прав на технологическую документацию у него может не быть, потому что допускается производство микросхем вне территории России.

В границах нашей страны в данном случае должны происходить только проектирование, разработка и испытания микросхем.

На военную электронику критерии не распространяются

Важно подчеркнуть, что вышеупомянутые определения не распространяются на интегральные схемы, предназначенные для использования в стратегически значимых системах военного, двойного и специального назначения. На эту тему в документе есть конкретное указание.

Первая реакция рынка

Генеральный директор «Байкал электроникс» (разработчик микропроцессоров «Байкал») Светлана Легостаева сообщила CNews, что считает постановление очень важным и долгожданным документом. «Как правило, при обсуждении мер поддержки отечественных разработчиков и их продукции в радиоэлектронной отрасли все разрабатываемые предложения «спотыкались» об отсутствие законодательно утвержденных критериев определения отечественного происхождения», — поясняет она.

Представитель акционерного общества «Ангстрем» (производитель собственных микросхем) Виталий Арышев также называет появление документа ожидаемым и долгожданным. «Работа над ним шла давно, — отмечает он. — Мы как отечественный производитель полупроводниковых изделий полного цикла удовлетворены этим решением. Оно является логическим продолжением государственной политики поддержки и развития отечественной микроэлектроники».

А вот гендиректор компании «Мультиклет» (разработчик одноименных чипов) Борис Зырянов воспринимает выход постановления более сдержанно. «В целом, конечно, любая определенность лучше правового вакуума, — говорит он. — Но не вполне удовлетворен формулировками, поскольку по первой категории есть и слишком жесткие, и слишком мягкие положения».

Денис Хадасков, HD Tech: В России исторически сложилось, что инновации появляются в финансовых компаниях

К каким категориям относят себя производители

Борис Зырянов отмечает, что продукция «Мультиклет» сегодня под первую категорию микросхем не подпадает, поскольку компания производит пластины в Малайзии. «При этом, стоит только заказчику захотеть, и можно локализовать производство в России, — рассуждает он. — Таким образом, пока подходим под формулировки второй категории».

В «Байкал электроникс» все свои разработки также относят к схемам второго уровня. «На сегодняшний день в мире существует две тенденции разработки сложных микроэлектронных изделий, — поясняют в компании. — Первая основана на разработке изделия “с нуля”. Однако в последние десятилетия попытки выйти на массовый рынок с собственной (проприетарной) процессорной архитектурой, пусть даже технически превосходящей традиционные, оказывались неудачными, поскольку требовали создания и поддержания собственной инфраструктуры программного обеспечения, к чему сообщество программистов не готово».

В этом смысле продукты «Байкал электроникс» базируются на признанной и поддержанной индустрией процессорной архитектуре (ARM и MIPS) и интерфейсах современных стандартов. «Такой подход, позволяющий существенно сократить сроки и ресурсы, необходимые для разработки, используется сегодня абсолютным большинством компаний, занимающихся разработкой интегральных схем», — заключают в компании.

Юрий Мацыгин, НОТА: Российские инхаус-решения не имеют аналогов на мировом рынке
Цифровизация

На этом фоне в «Ангстреме» настаивают на принадлежности своих изделий к первому уровню. По словам Виталия Арышева, продукция предприятия полностью подпадает под соответствующие определения, так как в «Ангстреме» присутствуют все стадии, начиная с проектирования и разработки и заканчивая дальнейшим освоением серийного производства микросхем, их испытанием и корпусированием.

«Мы не только являемся полностью отечественным производителем, но по некоторым компетенциям входим в узкий круг мировых производителей микроэлектроники, — заверяет он. — Одна из них это разработка и производство силовых транзисторов и диодов, а также модулей на их основе».

Отметим, что под первый уровень явно подпадают и процессоры «Эльбрус», однако их разработчик — компания МЦСТ — на момент выхода материала не смогла предоставить CNews развернутые комментарии.

Что дальше?

В «Ангстреме» считают, что постановление является первым шагом в начале большой работы по поддержке отрасли. «Следующем шагом должно стать законодательное закрепление определения “отечественного” для производителей электронной аппаратуры, — рассуждает Виталий Арышев. — Особенность микроэлектроники заключается в том, что мы не выпускаем готовые изделия. Нашу микросхему должны сначала установить в функциональный блок, а затем уже поставить на готовое изделие — автомобиль, терминал ГЛОНАСС, компьютер или сервер. Вот на этом этапе обычно и происходит сбой».

По заверению Арышева, сборщику конечной продукции не нужны как таковые микросхемы, а у производителей функциональных блоков уже есть выгодные контракты с азиатскими или европейскими компаниями. «В итоге сейчас в стране миллионы номинально российских электронных изделий, однако внутри у них нет ни одной отечественной микросхемы, и их цены почему-то очень зависимы от валютного курса», — заключает он.

В свою очередь, для Бориса Зырянова из «Мультиклета» эффект от выхода постановления не очевиден. «Пока это только чиновничьи игры, активность на бумаге — придумка, не понятно, на что влияющая, — говорит он. — Важно понять, как документ повлияет на отношение Минпромторга к теме микроэлектроники — что будет в реальности».
Похожие публикации: