6

СРС №2 Архитектура компьютера

Имс на полупроводниках

ИМС этого типа могут содержать биполярные или полевые транзисторы.

ИМС на биполярных транзисторах:

- ИМС на основе транзисторно-транзисторной логики (TTL). Были одними из наиболее массовых в 60-70-е годы было изготовление Позволяли реализовывать ИМС низкой степени интеграции при среднем быстродействии (десятки наносекунд) и высоком энергопотреблении (десятки мВт).

- Усовершенствованные биполярные ИМС с применением диодов Шоттки (STTL). Позволяют в десятки раз повысить быстродействие и уменьшить энергопотребление.

Вместе с тем, из-за невозможности существенно повысить степень интеграции и добиться высоких показателей биполярные структуры применяются лишь для создания логических ИМС окружения.

ИМС на полевых транзисторах:

- ИМС технологии металл окисел полупроводник (МОП) — MOS (Metal Oxide Semiconductor). Используются для производства микропроцессоров, оперативного запоминающего (ОЗУ) на динамической памяти и контроллеров. МОП-транзисторах служит слой двуокиси кремния SiO₂.

По температурным, шумовым и радиационным свойствам МОП-транзисторы значительно превосходят элементы на биполярных транзисторах. ИМС, созданные на основе МОП-транзисторов, имеют очень высокую степень интеграции, нагрузочную способность и помехоустойчивость, высокий частотный диапазон (сотни мегагерц) и большую максимально допустимую мощность (десятки ватт).

Однако, МОП-транзисторы обладают и рядом существенных недостатков. В ключевом режиме, который используется для работы в компьютерной технике, на переход из состояния "включено" в состояние "выключено" и наоборот расходуется время, за которое должны рассосаться неосновные носители зарядов, накапливающиеся в паразитных емкостях ИМС. Это обуславливает время задержки, сдерживающее увеличение такого важнейшего параметра ключа, как частота переключений и быстродействие прибора в целом. Кроме того, МОП-транзистор имеет большие токи утечки и высокие рабочие токи, что приводит к высокому потреблению тока.

- Для минимизации этих факторов был создан комплиментарный МОП (КМОП)-транзистор — CMOS (Complementary MOS).

Тестовые вопросы:

1. Какие есть ИМС на биполярных транзисторах?

2. Какие есть ИМС на полевых транзисторах?

3. ИМС какой технологи применяются лишь для создания логических ИМС окружения?

4. Какие ИМС используются для производства ИМС микропроцессоров, ОЗУ?

5. Каковы достоинства МОп транзисторов по стравнению с биполярними?

Технология производства интегральных микросхем

1. Изготовление подложки

Производство ИМС с высокой степенью интеграции, например, микропроцессоров (МП), которые содержит десятки миллионов элементарных транзисторов, осуществляется на заводах, напоминающих лаборатории с очень высокими требованиями к чистоте.

Большая часть операций по производству интегральных микросхем из кремниевых пластин выполняется робототехникой в автоматическом программном режиме.

Из очищенного кремния "выращивается" большой монокристалл цилиндрической формы. Цилиндр монокристалла режется на очень тонкие пластины, которые затем используются в качестве подложки для изготовления кристаллов ИМС

Кремниевая пластина – подложка для изготовления микросхем

На большинстве кремниевых фабрик для изготовления микропроцессоров исполь­зуются подложки диаметром 8 дюймов (около 20 см). В настоящий период осуществ­лен переход на изготовление ИМС по технологическим нормам 0,13 мкм из пластин диаметром 12 дюймов (порядка 300 мм).

Технологические проектные нормы (конструктивные нормы или топологические размеры) выражаются в долях микрона (мкм) и показывают, каковы ми­нимально-допустимые размеры элементов топологии микросхемы. Например, норма 0,25 мкм означает, что эффективная длина канала связи между вентилями кристалла составляет 0,25 мкм — такова дистанция пробега тока между двумя транзисторами. Чем короче канал, тем выше быстродействие, меньше потребление тока и нагрев элементов (выделение тепла). Чем меньше норма, тем плотнее набивка микросхемы элементами и меньше паразитные емкости.

Изготовление ИМС неразрывно связано с фотолитографией — автоматическим про­цессом экспонирования и травления участков пластин, подготовленных под воздействием ультрафиолетового света. Современная фотолитографическая машина способна обработать за один час несколько десятков 8-дюймовых полупроводниковых пластин.

На одном из начальных этапов изготовления ИМС на кремниевой подложке под воздействием высокой температуры и кислорода выращивается первый, очень тонкий слой двуокиси кремния. Он служит прекрасным изолятором и защищает поверхность пластины при фотолитографии.

Затем подложка покрывается защитным фотослоем (фоторезистом}. Фоторезист — светочувствительное вещество, которое под воздействием облучения ультрафиолетовым светом становится растворимым. Впоследствии ненужные участки фоторезиста и пленки окислов можно удалить (вытравить) с поверхности пластины в незащищенных от облу­чения ультрафиолетом местах. При этом обнажаются участки чистого кремния.