2. Классификация интегральных схем

ИС классифицируют по конструктивно-технологическому исполнению, степени интеграции, функциональному назначению, частотному диапазону и по др. признакам [2-4].

В зависимости от технологии изготовления ИС подразделяются на полупроводниковые (монолитные) и гибридные. Иногда в классификации такого рода особо выделяют пленочные и совмещенные ИС.

Полупроводниковые ИС состоят из активных и пассивных элементов, изготовленных в одном монокристалле полупроводника. Часть соединений в такой схеме может быть осуществлена в объеме, а часть – на защитном слое кристалла. Технологической базой развития данного направления послужила разработка и освоение групповых методов изготовления планарных и планарно-эпитаксиальных транзисторных структур. Использование групповых методов позволяет в едином технологическом цикле обрабатывать несколько десятков полупроводниковых пластин диаметром до 300 мм. В каждой из пластин формируется одновременно несколько десятков – сотен ИС, которые содержат до 10⁶ и более элементов, связанных в заданные электрические цепи. Групповая технология изготовления ИС обеспечивает идентичность их характеристик.

Полупроводниковые ИС обладают высокой надежностью, что обусловлено уменьшением числа сварных контактов за счет системы межэлементных соединений на поверхности полупроводникового кристалла. Недостатки полупроводниковых ИС связаны с тем, что в полупроводниковом материале трудно получать пассивные элементы с заданными номинальными значениями. Кроме того, они имеют низкую температурную стабильность, что усложняет конструирование, и сильные паразитные связи между элементами, вызывающие ухудшение качества схем.

Несмотря на отмеченные недостатки, полупроводниковые ИС уже длительное время относятся к числу наиболее перспективных изделий микроэлектроники, т. к. позволяют создавать надежные малогабаритные и сложные в функциональном отношении устройства. При использовании хорошо отработанных технологических методов изготовления полупроводниковые ИС оказываются значительно надежнее и дешевле схем из навесных элементов. Полупроводниковые ИС выпускаются промышленностью на основе биполярных структур и структур металл – диэлектрик - полупроводник (МДП).

Технология изготовления гибридных ИС основана на последовательном нанесении пленочных пассивных элементов (резисторов, конденсаторов, катушек индуктивности, внутрисхемных соединений) на единую изолирующую подложку с последующим подсоединением компонентов - бескорпусных полупроводниковых приборов или ИС в виде отдельных навесных деталей. Технология гибридных ИС сравнительно проста и требует меньших, чем полупроводниковая технология, начальных затрат на оборудование, помещения, подсобные службы. При мелкосерийном производстве гибридные ИС дешевле полупроводниковых (при одной и той же функциональной сложности). Весьма важным достоинствами гибридных ИС является возможность создания высококачественных и стабильных пассивных элементов.

По технологическому принципу изготовления гибридные ИС подразделяются на толсто- и тонкопленочные². Элементы тонкопленочных ИС (толщина пленок до 1 мкм) изготавливаются преимущественно вакуумными методами, толстопленочных (с толщиной пленок 10 – 70 мкм) - методами трафаретной печати (сеткографии).

В так называемых совмещенных ИС все активные элементы изготовляют в объеме монокристалла полупроводника, а пассивные элементы и межэлементные соединения - на его поверхности. Технология совмещенных микросхем позволяет создавать высококачественные и активные, и пассивные элементы, т. к. объединяет достоинства методов, применяемых при изготовлении пленочных и полупроводниковых ИС.

Второй признак классификации - степень интеграции ИС - характеризуется числом содержащихся в ней элементов и компонентов: K = lgN, где K – коэффициент, округляемый до ближайшего (большего) целого числа; N – число элементов и компонентов, входящих в микросхему. По степени интеграции ИС подразделяются на обычные (K = 1÷3), большие (БИС, K = 3÷4), сверхбольшие интегральные схемы (СБИС, K = 4÷6) и интегральные системы, например микропроцессоры (5ּ10⁵ приборов и более на одном кристалле). Наибольшей степенью интеграции обладают полупроводниковые ИС, затем тонкопленочные и, наконец, толстопленочные. Полупроводниковые ИС на биполярных транзисторах по степени интеграции уступают ИС на МДП - транзисторах.

По частотному диапазону ИС делятся на низкочастотные (до 300 кГц), высокочастотные (до 300 МГц), сверхвысокочастотные (свыше 300 МГц). В последние годы появились сверхскоростные СБИС (С²БИС). Критериями быстродействия таких ИС являются: время задержки распространения сигнала для цифровых микросхем не более 2,5 нс на логический элемент, нижняя граница диапазона рабочих частот для аналоговых микросхем свыше 300 МГц. Отметим, что сверхвысокочастотная микроэлектроника по темпам развития, широте охвата и разнообразию приложения технологических методов резко выделяется среди др. направлений, а по возможностям практического использования сравнима только с разработкой ИС для ЭВМ.

По функциональному назначению ИС подразделяются на аналоговые и цифровые. Кроме того, различают микросхемы общего и специального назначения.

В 80-х годах прошлого века совершенствование методов получения полупроводниковых слоев и формирования «рисунка» ИС позволило перейти от микронных толщин слоев и линейных размеров отдельных элементов к нанометровым. По мере приближения размеров твердотельных структур к нанометровой области, все больше проявляются квантовые (волновые) свойства электрона. С одной стороны, это приводит к нарушению работоспособности классических транзисторов и др. активных элементов, использующих закономерности поведения электрона как классической частицы, а с другой - открывает перспективы создания новых уникальных переключающих, запоминающих и усиливающих элементов [5, 6]. Последние являются основным объектом исследований и разработок нового этапа развития микроэлектроники - наноэлектроники.

Приборы и структуры наноэлектроники, сопоставимые по размерам с электронной длиной волны де Бройля, получили название мезоскопических³. Они могут быть реализованы как на основе полупроводников, так и на основе металлов и сверхпроводников. Исследования в этой области в настоящее время носят, главным образом, фундаментальный характер. Вместе с тем, уже существует большое число перспективных приборов нового поколения, принцип действия которых (в отличие от традиционных приборов микроэлектроники) основан на волновой природе электрона (резонансные туннельные диоды и транзисторы и др.). Обсуждаются проблемы создания квантовых ИС, основными элементами которых могут быть транзисторные структуры на основе квантовых размерных эффектов и управляемой интерференции электронов [5-7].