«Интегральная схема»

интегральная микросхема, микроминиатюрное электронное устройство, все или часть элементов которого нераздельно связаны конструктивно и соединены между собой электрически. Различают 2 основных типа И. с.: полупроводниковые (ПП) и плёночные.

ПП И. с. (рис. 1) изготавливают из особо чистых ПП материалов (обычно кремний, германий), в которых перестраивают саму решётку кристаллов так, что отдельные области кристалла становятся элементами сложной схемы. Маленькая пластинка из кристаллического материала размерами Интегральная схема1 мм² превращается в сложнейший электронный прибор, эквивалентный радиотехническому блоку из 50—100 и более обычных деталей. Он способен усиливать или генерировать сигналы и выполнять многие другие радиотехнические функции.

Технология изготовления ПП И. с. обеспечивает одновременную групповую обработку сразу большого количества схем. Это определяет в значительной степени идентичность схем по характеристикам. ПП И. с. имеют высокую надёжность за счёт использования планарного процесса (См. Планарный процесс)изготовления и значительного сокращения числа микросоединений элементов в процессе создания схем.

ПП И. с. развиваются в направлении всё большей концентрации элементов в одном и том же объёме ПП кристалла, т. е. в направлении повышения степени интеграции И. с. Разработаны И. с., содержащие в одном кристалле сотни и тысячи элементов. В этом случае И. с. превращается в большую интегральную систему (БИС), которую невозможно разрабатывать и изготовлять без использования электронных вычислительных машин (См. Электронная вычислительная машина) высокой производительности.

Плёночные И. с. создаются путём осаждения при низком давлении (порядка 1․10^-5 мм рт. ст.) различных материалов в виде тонких (толщиною мкм) или толстых (толщиной > 1 мкм) плёнок на нагретую до определённой температуры полированную подложку (обычно из керамики). В качестве материалов применяют алюминий, золото, титан, нихром, окись тантала, моноокись кремния, титанат бария, окись олова и др. Для получения И. с. с определёнными функциями создаются тонкоплёночные многослойные структуры осаждением на подложку через различные маски (трафареты) материалов с необходимыми свойствами. В таких структурах один из слоев содержит микрорезисторы, другой — микроконденсаторы, несколько следующих — соединительные проводники тока и другие элементы. Все элементы в слоях имеют между собой связи, характерные для конкретных радиотехнических устройств.

Плёночные элементы распространены в гибридных И. с. (рис. 2). В этих схемах на подложку сначала наносятся в виде тонких или толстых плёнок пассивные элементы (резисторы, конденсаторы, проводники тока), а затем с помощью микроманипуляторов монтируют активные элементы — бескорпусные ПП микроэлементы (транзисторы и диоды).

По своим конструктивным и электрическим характеристикам ПП и гибридные И. с. дополняют друг друга и могут одновременно применяться в одних и тех же радиоэлектронных комплексах. В целях защиты от внешних воздействий И. с. выпускают в защитных корпусах (рис. 3). По количеству элементов различают И. с.: 1-й степени интеграции (до 10 элементов), 2-й степени интеграции (от 10 до 100) и т. д.

Размеры отдельных элементов И. с. очень малы (порядка 0,5—10 мкм) и подчас соизмеримы с размерами пылинок (1—100 мкм). Поэтому производство И. с. осуществляется в особо чистых условиях. О технологических процессах изготовления И. с. см. в ст. Микроэлектроника.

Создание И. с. развивается по нескольким направлениям: гибридные И. с. с дискретными активными элементами; ПП И. с., выполненные в монолитном блоке ПП материала; совмещенные И. с., в которых активные элементы выполнены в монолитном блоке ПП материала, а пассивные элементы нанесены в виде тонких плёнок; плёночные И. с., в которых активные и пассивные элементы нанесены на подложку в виде тонких плёнок. О применении И. с. см. в ст. Интегральная электроника.

Лит.: Колосов Д. А., Горбунов Ю. И., Наумов Ю. Е., Полупроводниковые твердые схемы, М., 1965; Интегральные схемы. Принципы конструирования и производства, пер, с англ., под ред. А. А. Колосова, М., 1968; Интегральные схемы. Основы проектирования и технологии, пер. с англ., под ред. К. И. Мартюшова, М., 1970.

И. Е. Ефимов.

Рис. 1. Поперечное сечение и электрическая схема полупроводниковой интегральной схемы. На рис. сгущенными точками показаны слои проводников тока из алюминия; разреженными точками показаны слои полупроводника из двуокиси кремния; косыми линиями показаны слои кремния с проводимостью n, с повышенной проводимостью n+ и р — типов: участок полупроводника (подложка )с проводимостью р — типа а образует конденсатор б, транзистор в, резистор г; цифрами отмечены участки интегральной схемы, соответственно обозначенные на электрической схеме.

Рис. 2. Поперечное сечение и электрическая схема гибридной интегральной схемы. На рис. разреженными точками показаны слои полупроводника из окиси кремния; вертикальными разреженными линиями показан слой хрома; вертикальными сгущенными линиями показан слой из хромистого никеля (NiCr); горизонтальными линиями показаны слои проводников тока из золота или серебра; на керамической подложке а выполнены конденсатор б, транзистор в, резистор г; цифрами отмечены участки интегральной схемы, соответственно обозначенные на электрической схеме.

ИНТЕГРАЛЬНАЯ СХЕМА (ИС - интегральная микросхема, микросхема), микроминиатюрное электронное устройство, элементы которого неразрывно связаны (объединены) конструктивно, технологически и электрически. ИС подразделяются: по способу объединения (интеграции) элементов - на полупроводниковые, или монолитные (основной тип), пленочные и гибридные (в т. ч. многокристальные); по виду обрабатываемой информации - на цифровые и аналоговые; по степени интеграции элементов - на малые, ИС со средней степенью интеграции, большие (БИС) и сверхбольшие (СБИС).

ИНТЕГРАЛЬНАЯ СХЕМА (ИС, интегральная микросхема, микросхема), микроминиатюрное устройство с высокой плотностью упаковки элементов (диодов, транзисторов, резисторов, конденсаторов и др.), неразрывно связанных (объединенных) между собой конструктивно, технологически и электрически. Предназначена для приема, обработки информации, представленной обычно в виде непрерывных или дискретных электрических и оптических сигналов. ИС подразделяются: по способу объединения (интеграции) элементов - на монолитные (основной тип) и гибридные (с использованием навесных дискретных электронных приборов); по виду обрабатываемых сигналов - на цифровые и аналоговые; по числу содержащихся в ИС элементов N (степени интеграции) - на малые (N<102), средние (N=102-103), большие (БИС; N=103-104) и сверхбольшие (СБИС; N>104).

integrated circuit

integrated(-circuit) component, electronic chip, microcircuit chip, chip, integrated circuit, microelectronic circuit, IC element, micro, IC device, integrated microcircuit, microcircuit, integrated network

ИНТЕГРАЛЬНАЯ СХЕМА

- твердотельное устройство, содержащее группу приборов и их соединения (связи), выполненное на единой пластине (подложке). В И. с. интегрируются пассивные элементы (ёмкости, сопротивления) и активные элементы, действие к-рых основано на разл. физ. явлениях. Внутр. связи И. с. преобразуют множество приборов в функциональное устройство для целей информатики, преобразования разл. видов энергии и робототехники. Создание первых полупроводниковых И. с. (1958-59) и начало их серийного выпуска (1960-61) определили рождение микроэлектроники. Поскольку важнейшие И. с. формируются на монокристаллич. подложке, то электронное взаимодействие плотно упакованных микроприборов приводит к новым физ. явлениям. Развитие технологии И. с. позволило создать такие устройства, в к-рых электронное взаимодействие охватывает группы транзисторов (интегральная инжекционная логика); приборы с зарядовой связью (ПЗС), где осуществляется передача эл.-статич. заряда в цепях из тысяч МДП-элементов (см. МДП-структура); приборы на цилиндрических магнитных доменax, где осуществляется передача "магн, заряда", и т. д. <Типы И. с. Важнейшие И. с.- полупроводниковые, а среди них - кремниевые. Физ. и хим. свойства Si, его оксида и нитрида, а также разл. форм аморфного (см. Аморфные и стеклообразные полупроводники )и поликристаллич. Si создают оптимальную основу для интегральной технологии. Простота хим. состава обеспечиваетстабильность и надёжность основанных на нём устройств. Свойства Si позволяют создавать разл. датчики, исполнительные микромеханизмы и др. неэлектронные устройства с электронными информационно-управляющими системами. <Кроме Si полупроводниковые И. с. изготавливаются из GaAs и нек-рых др. полупроводников. Это повышает быстродействие И. с. (более высокая подвижность носителей заряда) и дополняет кремниевую электронику оптоэлектронными, в т. ч. лазерными, системами (см. Оптоэлектроника). И. с. на переходах Джозефсона (см. Джозефсона эффект )позволяют создавать устройства, потребляющие мин. количество энергии на единицу перерабатываемой информации. Благодаря этому элементы могут быть более плотно упакованы, сокращается длина связей между ними, повышается быстродействие устройства. И. с. на пьезоэлектрич. кристаллах (см. Поверхностные акустические волны )обеспечивают возможность параллельной быстрой обработки и преобразования нек-рых видов сигналов. Однако ни один из перечисл. видов интегральных устройств не обладает универсальностью Кремниевых И. с. <И. с. интегрирует в одном кристалле не только множество идентичных приборов, но и приборы, действие к-рых основано на разл. принципах. Напр., И. с. для цифровой обработки данных могут содержать полевые и биполярные транзисторы, И. с. для управления различными объектами или анализа сигналов могут объединить электронные, оптоэлектронные, электромеханические, магнитные и др. микроприборы. <Пленарная технология. Полупроводниковые И. с. формируются средствами Планерной технологии. В математике "планарность" означает геометрич. образ, к-рый можно нарисовать на плоскости без пересечения линий. Центр. идея пленарной технологии состоит в том, что проект И. с. представляется в виде комплекта

рисунков, к-рые затем последовательно "переводятся" в кристалл с помощью различных физ.-хим. процессов (выращивание тонких плёнок металлов и полупроводников, их травление, введение легирующих примесей и т. п.). Планерная технология включает спец. методы проектирования И. с. в виде комплекта плоских рисунков, микролитографию, к-рая позволяет осуществитьих перенос на подложку, и методы, обеспечивающие изменение структуры или состава подложки по этим рисункам (рис.).С помощью планарной технологии можно одновременно формировать на подложке 10³-10⁸ транзисторов и осуществлять многостадийные процессы, а благодаря этому создавать И. с. со сложной структурой. Таковы, напр., микропроцессор - центр, часть ЭВМ, выполненная в одной или неск. И. с.; запоминающее устройство, содержащее св. 10⁶ ячеек памяти, и т. д. <На одной подложке обычно формируется множество И. с. Затем она разделяется на отд. кристаллики - "чипы" (англ, chip - отбитый кусок). Чип - это И. с. без корпуса и внеш. выводов. Его масса 0,5-50 мг, объём 0,2-50 мм ³. Т. о., на каждый мм ³ чипа и на каждый мг его массы приходится 10⁴ транзисторов. После установки чипа в корпус эти характеристики снижаются в сотни раз (из-за сравнительно больших габаритов и массы корпуса). Но чип может устанавливаться и без корпуса в аппаратуру и даже в организм человека (вживляемые кристаллы). С 80-х гг. интенсивно развивается технология твердотельных И. с. на целых пластинах. Гибридная технология объединяет принципы планарной технологии, с помощью к-рой предварительно формируются микроприборы, и плёночной технологии, средствами к-рой формируются пассивные элементы (сопротивления, конденсаторы, индуктивности) и сеть внутр. связей. В качестве подложки гибридной И. с., на к-рой устанавливаются бескорпусные чипы, используется диэлектрик, иногда металл или полупроводник, защищённые диэлектрич. слоем. Плёночная технология реализует принцип печатного монтажа в миниатюрном интегральном исполнении. Она расширяет диапазон параметров и повышает точность изготовления пассивных элементов. Поэтому она служит важным дополнением планарной технологии. Степень интеграции. Важнейшая характеристика И. с.- степень интеграции, т. е. число активных элементов (для определённости - транзисторов) в одной И. с. По этому показателю И. с. классифицируются на малые (МИС), содержащие до 2⁵ транзисторов, средние (СИС) - до 2¹⁰, большие (БИС) - до 2¹⁵ и сверхбольшие (СБИС) - 2²⁰ транзисторов. Для более высокой степени интеграции предложен термин "ультрабис". Но в действительности более сложные твердотельные структуры представляют не И. с., а интегральные системы. <Максимально возможная (при данном уровне технологии) степень интеграции определяется прежде всего мин. шириной линий рисунка И. с., ограниченной возможностью микролитографии. В совр. И. с. это 2-3 мкм, а в нек-рых И. с. достигается 1 мкм. В структурах, полученных с помощью острофокусированных электронных и ионных пучков, сформированы линии шириной до 2 нм. Оптимальный предел 0,1-0,2 мкм. Для его реализации необходимы коротковолновая фотолитография, рентгенолитографии, электронная и ионная микролитография. <Кроме ширины линии, существенна максимально возможная площадь чипа, к-рая определяется качеством подложек и совершенством планарной технологии. Важную роль играет обеспечение надёжности - резервирование, самодиагностика и саморемонт. Они позволяют создавать устройства на частично дефектных и не вполне надёжных элементах. Предельная степень интеграции пластины - системы порядка 10⁹.Степень интеграции можно увеличить последовательным формированием в одной И. с. неск. активных слоев (транзисторы и связи), разделённых диэлектрич. слоями. При этом для каждого активного слоя Si наносится в виде тонкой поликристаллич. плёнки и подвергается рекристаллизационному отжигу. Трёхмерная интеграция позволяет повысить степень интеграции ещё на 1-2 порядка. <Степень интеграции и функциональные возможности И. с. ограничены сложностью их внутр. организации и потребляемой мощностью. Планарный принцип синтеза ограничивает число внутр. связей между элементами И. с. Это ограничение влияет на "архитектуру" интегральных устройств. Напр., в едином устройстве можно осуществить только простейшие системы. В более сложных случаях требуется иерархич. организация структуры (в случае ЭВМ - многопроцессорная система с распределённой памятью).Локальная плотность потребляемой мощности, несмотря на низкое энергопотребление каждого транзистора, велика (иногда превышает плотность мощности на поверхности Солнца). Кроме того, при высоких плотностях тока из-за нестабильности тонкоплёночных проводников происходит увлечение ионов металла электронами или электрическим полем. Наиб, экономичны И. с. на парах МОП-транзисторов, почти не потребляющие мощности между циклами переключения, а также на МДП-транзисторах с двухслойным диэлектриком (металл - нитрид - оксид - полупроводник), с плавающим затвором и др., к-рые не потребляют мощности в режиме хранения информации. Развитие интегральной электроники. Уже первые МИС изменили принцип проектирования радиоэлектронной аппаратуры, особенно ЭВМ. Вместо конструирования устройств, измерения характеристик приборов и их взаимного согласования синтез стал осуществляться на логич. уровне. Согласование характеристик транзисторов перешло к технологии. Поскольку И. с. (независимо от степени интеграции) стоят примерно столько же, сколько транзисторы домикроэлектронного периода, то стоимость ЭВМ снижается (в среднем) пропорц. степени интеграции. <Однако в МИС интеграция распространилась в основном на цифровые логич. схемы. Практически все МИС выполнялись на основе биполярных транзисторов (см. Транзистор). С переходом к БИС (60-70-е гг.) доминирующее место заняли полевые транзисторы с МДП-структурой. Они потребляют меньше энергии на каждый бит перерабатываемой информации и обладают более простой структурой, что позволило создать интегральные запоминающие устройства. <Переход от БИС к СБИС (2-я пол. 70-х гг.) привёл к созданию 8-, 16- и 32-разрядных микропроцессоров и И. с. с ёмкостью памяти 10⁴-10⁶ бит. Выпускаются также БИС и СБИС для управления автомобильными двигателями, телевизорами (неск. кристаллов заменяют всю низковольтную аппаратуру телеприёмника) и т. д. Интенсивно развиваются аналоговые и цифроаналоговые БИС и СБИС, а также интегральная схемотехника СВЧ-диапазона. И. с. позволяют упростить и усовершенствовать и механич. системы (печатающие устройства, швейные машины, фотоаппараты и др.), в к-рых большинство механич. узлов, выполняющих управляющие ф-ции, могут быть заменены на БИС или СБИС. <Проектирование самих И. с. стало осуществляться с помощью систем автоматич. проектирования (САПР), позволяющих формировать СБИС для конкретной задачи из базовых кристаллов, "библиотек" стандартных элементов, а также спец. сети внутр. связей. Кроме того, СБИС дают возможность создавать персональные ЭВМ. СБИС - одновременно и почти готовое вычислит, устройство, и элемент многопроцессорной ЭВМ. позволяющей достичь производительности в 10¹⁰-10¹¹ операций в 1 с и осуществлять моделирование фпз. явлений. Лит.: Дорфман В. Ф., Твердотельные интегральные структуры и их синтез, М., 1981; Мурога С., Системное проектирование сверхбольших интегральных схем, пер. с англ., т. 1-2, М., 1985; см. также лит. при ст. Микроэлектроника. В. Ф. Дорфлган.