Тенденції розвитку мікроелектронних інтегральних схем.

Мікроелектроніка – науково-технічний напрям, який базується на досягненні у області фізики твердого тіла, технології, мікросхемотехніки і системотехніки, що динамічно розвивається. Знання основ мікросхемотехніки необхідне інженеру електронної техніки для раціонального вибору і вживання елементної бази при створенні радіоелектронної апаратури, а також обгрунтованого завдання технічних вимог на розробку радіоелектронної апаратури і виробів мікроелектроніки.

Мікроелектроніка це розділ електроніки, який включає дослідження, конструювання і виробництво інтегральних мікросхем і радіоелектронної апаратури на їх основі.

Інтегральна мікросхема (ІМС) – мікроелектронний виріб, що виконує певні функції перетворення, обробки сигналу і (або) накопичення інформації і що має високу густину упаковки електрично сполучених елементів (або компонентів), котрі з погляду вимог до випробувань, прийманню, поставці і експлуатації розглядається як єдине ціле.

Мікросхемотехніка – (інтегральна схемотехніка) як одна з основ мікроелектроніки охоплює дослідження і розробку оптимальних схем. Багато хто сучасні ІМС є складними електронними пристроями, тому при їх описі використовуються принаймні лише два рівні уявлення схемотехніки. Перший, найдетальніший, – це електрична схема. Другий, структурна схема, яка визначає функціональне з'єднання окремих каскадів.

Мікроелектроніка – порівняльно нова галузь, початок її розвитку обчислюється небагато чим більше 40 років. Це напрям електроніки, пов'язаний із створенням електронних функціональних вузлів в мікроелектронному виконанні. Технологічні методи мікроелектроніки, як і методи інших, традиційних галузей машинобудування. Засновані на формуванні і модифікації властивостей конструкційних матеріалів і поєднання деталей пристроїв (збірці). У теж час мікроелектроніку відрізняють 3 основні особливості:

1. Розміри елементів мікроелектронних приладів лежать в мікронній області, а допуски на їх розміри обчислюються десятими і сотими частками мікрон.

2. Мікроелектронні прилади не мають рухомих частин, а їх функціонування забезпечується електричними струмами в напівпровідниках і провідникових матеріалах, а також зарядами в діелектрику.

3. Виготовлення деталей і збірка мікроелектронних приладів поєднуються в єдиний технологічний процес, результатом якого є інтегральна мікросхема.

Особливість технології мікроелектроніки полягає в доведенні зразка кремнію до надвисокої чистоти і досконалості кристалічних решіток, подальшому локальному легуванні окремих областей поверхні кремнію електрично активними домішками в заданій концентрації і з'єднанні цих областей провідниками. Як діелектрик використовується найчастіше двоокис кремнію або алюмінію, а як провідник – плівка алюмінію, його сплавів, плівки полікрісталевого кремнію, з'єднань кремнію з металами (силіциди металів).

Технологія виготовлення ІМС дуже складна, її маршрут включає часто більше 100 технологічних операцій:

дифузії,

нанесення і труять провідникових і діелектричних шарів,

фотолітографія,

нанесення фоторезиста,

розпайка,

герметизація,

вимірювання параметрів.

Продуктом мікроелектроніки є ІМС, побудовані з транзисторів. Транзистори формуються в поверхневому шарі напівпровідникової пластини завтовшки 5-10 мкм. Решта частини (близько 300-500 мкм) служить теплопровідною платформою. Широко застосовуються два типи транзисторів: польові транзистори, в яких електричний струм від витоку до стоку управляється електричним полем на управляючому електроді, – затворі і біполярні транзистори, в яких електричний струм від колектора до емітера управляється струмом від базового контакту. Розміри елементів транзисторів обчислюються одиницями і частками мікрон.

Як приклад на рис.7.1. показаний поперечний розріз структури осередку n-МОП транзистора.

Рис.7.1.

Фізичні обмеження в мікроелектронних приладах

Вплив розмірів елементів транзисторів і займаної ними на поверхні пластини площі є важливим значенням при проектуванні ІС. Зменшення цих розмірів супроводжується їх якісними характеристиками: збільшенням швидкодії, зменшенням споживаної потужності. Аналіз показує, що зменшення лінійних розмірів польового транзистора в К раз при Е=const приводить до збільшення швидкодії в К раз, потужність розсіювання енергії зменшується в К² раз, а робота на одне перемикання зменшується в К³ раз. Проте густина потужності, що виділяється, тобто тепла, що відводиться, залишається постійною. Густина струму в провідникових доріжках збільшується в К раз, що знижує їх надійність через деградацію, викликану процесами масопереносу. При цьому отримання оптимальних умов, що забезпечують необхідну швидкодію, в рівній мірі залежить як від параметрів СБІС, так від оптимального розміщення елементів МС на пластині.

Аналіз показує, що максимальне значення ступеня інтеграції N і площі кристала А експоненціальне зростають в часі протягом всього періоду розвитку мікроелектроніки. Тоді як мінімальний розмір l малюнка СБІС експоненціальне зменшується.

Емпіричні формули:

де t – рік числення.

Тому стратегія однакового зменшення розмірів з метою підвищення ступеня інтеграції в СБІС не є оптимальною, оскільки це вимагає зменшення живлячої напруги. Радикальним є метод масштабування при постійній живлячій напрузі, а також вдосконалення технологічного процесу, наприклад створення ІМС за допомогою КНС- структур (кремній на сапфірі).