кристаллы интегральной схемы

Кристаллы интегральных схем: история, принцип работы и применение

Интегральные схемы (ИС) — это функционально законченные микроэлектронные изделия, состоящие из электрически связанных элементов (транзисторов и других компонентов), сформированных в полупроводниковой монокристаллической пластине. Они являются основой всех современных радиоэлектронных устройств, вычислительной техники, информационных и телекоммуникационных систем.

История интегральных схем началась в 1958 году, когда Дж. Килби изобрёл первую ИС, не разделяя германиевую монокристаллическую пластину на отдельные транзисторы. В 1959 году Р. Нойс разработал планарную кремниевую ИС, а в середине 1960-х годов массовое производство интегральных схем началось в СССР.

Структура полупроводниковой ИС состоит из транзисторов, диодов, резисторов и других элементов, сформированных в тонком приповерхностном слое кремниевой пластины. Сверху создаётся многоуровневая система межэлементных соединений. Количество уровней растёт с увеличением числа элементов ИС и может достигать 10 и более.

Технологический цикл изготовления ИС включает несколько сотен операций, важнейшая из которых — фотолитография (ФЛ). Транзистор содержит десятки деталей, контуры которых формируются в результате ФЛ, определяющей также конфигурацию межсоединений в каждом слое и положение проводящих областей (контактов) между слоями.

С развитием технологий минимальный размер (МР) отдельных деталей интегральных схем постоянно уменьшается. Изначально использовались ртутные лампы с длинами волн 436 и 365 нм, затем их заменили эксимерные лазеры на молекулах KrF (248 нм) и ArF (193 нм). Сегодня МР составляет около 30 нм и менее, что позволяет размещать на одном кристалле до нескольких сотен миллионов транзисторов.

Интегральные схемы делятся на биполярные и МОП-транзисторы, а также на различные конфигурации, такие как КМОП и БиКМОП. Увеличение степени интеграции достигается уменьшением размеров транзисторов и увеличением размеров чипа, что приводит к уменьшению времени переключения логического элемента и снижению потребляемой мощности.

В настоящее время основная доля мирового производства интегральных схем приходится на цифровые КМОП-схемы, обладающие преимуществами в энергоэффективности и быстродействии. Развитие технологий позволит создавать ещё более компактные и производительные интегральные схемы, открывая новые горизонты для развития электроники и информационных технологий.