15. (3.4) Технологии цифровых интегральных схем. Классификация имс. Элементы интегральных микросхем.

Интегральная схема – это микроэлектронное изделие, выполняющее определенную функцию обработки электрических сигналов и имеющее высокую плотность упаковки элементов (и компонентов), размещенных на единой подложке и с точки зрения требований к испытаниям, приемке, поставки и эксплуатации рассматривается как единое целое. Синонимами термина “интегральная схема” являются термины “микросхема” и “интегральная микросхема”.

Основная особенность ИМС состоит в том, что она выполняет законченную, как правило, весьма сложную функцию и может быть усилителем, триггером, счетчиком или друг им устройством, тогда как для выполнения той же функции на электронных (дискретных) приборах требуется собрать соответствующую схему. ИМС содержит элементы и компоненты.

Элементом ИМС называют ее часть, которая выполняет функцию электронного элемента (диода, транзистора, конденсатора, резистора), конструктивно неотделимую от ИМС.

Компонентом ИМС называется та ее часть, которая выполняет функцию электронного элемента, но перед монтажом является самостоятельным изделием.

Под кристаллом в микроэлектронике понимают готовый полупроводниковый прибор и микросхему без внешних выводов и корпуса.

ИМС обладают высокой степенью надежности, что обеспечивается технологией их изготовления и малым числом внутренних соединений.

Стоимость ИМС значительно ниже стоимости аналогичных изделий на дискретных элементах, так как изготовление различных элементов производится в едином технологическом цикле и число операций не превышает числа операций при изготовлении одного дискретного элемента, например транзистора. ИМС имеют малые массу и размеры, а также малое потребление энергии.

Классификация имс

Классифицируют ИМС по различным признакам:

• по функциональному назначению - цифровые, аналоговые (линейные), аналого-цифровые;

• по характеру выполняемой функции - усилители, генераторы (мультивибраторы, блокинг-генераторы и др.), триггеры, логические элементы и другие;

• по принципу действия основных элементов -биполярные, МДП и комплементарные КМДП;

• по конструктивно-технологическим признакам - полупроводниковые, пленочные, гибридные и совмещенные.

Наиболее распространена классификация по двум последним признакам.

Полупроводниковая ИМС представляет собой полупроводник, в поверхностном слое и объеме которого сформированы области, эквивалентные элементам электрической схемы, изоляции и межсоединения. В качестве полупроводника обычно используют кремний, он является несущей частью конструкции и называется подложкой. Пример структуры полупроводниковой ИМС с омическими контактами 1-5 и ее эквивалентная схема показаны на рисунке 11.1 а, б.

Рис. 11.1

Изготовляют полупроводниковые ИМС групповым методом, при котором одновременно создается большое число микросхем. Так, на одной пластине диаметром 76 мм можно разместить до 5000 электронных микросхем, каждая из которых может содержать от 10 до 20000 электронных элементов. В перспективе диаметр пластин предполагают увеличить до 300 мм и разместить на них до нескольких десятков миллионов элементов.

Пленочные ИМС представляют собой изолирующую подложку (основание), на поверхности которой все элементы и межсоединения сформированы в виде послойно нанесенных пленок. Пленочные ИМС содержат только пассивные элементы, так как путем комбинации различных пленок получить активные элементы (диоды и транзисторы) еще не удалось. Поэтому применение пленочных ИМС ограничено.

Гибридные ИМС – это микросхемы, представляющие собой комбинацию пленочных микросхем, навесных дискретных (активных) компонентов и полупроводниковых ИМС, которые обычно располагают на диэлектрической подложке пленочной ИМС. Пример структуры гибридной ИМС и ее эквивалентная схема показаны на рисунке 11.2 а, б (1 – 6 омические контакты).

Рис. 11.2

Совмещенные ИМС - это микросхемы, у которых активные элементы выполнены гак же, как и у полупроводниковых ИМС, а пассивные - как у пленочных ИМС. При этом пассивные элементы выполняют на предварительно изолированной части той же подложки, что и активные элементы. Все ИМС помещают в герметичный корпус.

Функциональную сложность ИМС характеризуют степенью интеграции – числом содержащихся в ней элементов и компонентов. Количественную оценку степени интеграции производят по коэффициенту К= lg( N) , где N число элементов и компонентов схемы (таблица 11.1).

Табл.11.1

Ранее использовались также теперь устаревшие названия: ультрабольшая интегральная схема (УБИС) — до 1 млрд элементов в кристалле и гигабольшая интегральная схема (ГБИС) — более 1 млрд элементов в кристалле, но в настоящее время название УБИС и ГБИС практически не используется и все схемы с числом элементов, превышающим 10 тыс., относят к классу СБИС.

Примером простых ИМС могут служить логические элементы.

Средние ИМС - это сумматоры, счетчики, оперативные запоминающие устройства (ОЗУ), постоянные запоминающие устройства (ПЗУ) емкостью 256-1024 бит. Большие ИМС (БИС) – это арифметико-логические и управляющие устройства. В последние десятилетия разработаны ИМС 4-5-ой степени интеграции с числом элементов М=10⁴-10⁶ и минимальными размерами элементов 1,0-0,1 мкм и сверхбольшие ИМС (СБИС).

В качестве характеристики ИМС используют также плотность упаковки элементов - количество элементов (чаще всего транзисторов} на единицу площади кристалла. В настоящее время плотность упаковки ИМС составляет 500-1000 элементов/мм² и более.