Интегральные схемы (ИС): компактные мощные чипы, питающие современную электронику

---

Основы

Интегральная схема (ИС) — микроскопический массив электронных схем и компонентов, диффундированных или имплантированных на поверхность единого кристалла (кристалла) полупроводникового материала, обычно кремния. Называется интегральной, потому что компоненты, схемы и база изготовлены вместе, из единого куска кремния, в отличие от дискретной схемы, где элементы делаются отдельно из разных материалов и собираются позже. Сложность ИС варьируется от простых логических модулей и усилителей до полных микрокомпьютеров с миллионами элементов.

Влияние ИС на нашу жизнь колоссально. Они стали главными компонентами практически всех электронных устройств. Эти миниатюрные схемы демонстрируют низкую стоимость, высокую надежность, низкое потребление и высокую скорость по сравнению с предшествовавшими электронными лампами и транзисторами. Микрокомпьютеры на ИС теперь используются как контроллеры в станках, бортовой электронике авто и других применениях, где раньше стояли гидро-, пневмо- или механические регуляторы. Благодаря компактности и универсальности они позволяют оборудованию реагировать на ширее входы и выдавать шире выходы. Их можно перепрограммировать без перепроектирования схемы. ИС-микрокомпьютеры настолько дешевы, что находятся даже в детских электронных игрушках.

Первые ИС создали в конце 1950-х по военному заказу на миниатюризированную электронику для систем управления ракетами. Тогда транзисторы и печатные платы были вершиной техники. Хотя транзисторы открыли новые приложения, инженеры не могли уложить огромное число компонентов сложных устройств — усовершенствованных систем управления, карманных программируемых калькуляторов — в достаточно малый корпус. Несколько компаний соревновались за прорыв в миниатюризации, разработки были настолько близки, что доспусто, кто именно произвел первую ИС. Фактически, когда ИС запатентовали в 1959 г., патент присудили совместно двум инженерам, работавшим раздельно в разных компаниях.

После изобретения ИС в 1959 г. число компонентов на кристалле удваивалось ежегодно несколько лет. Первые ИС содержали до дюжины элементов. Процесс назывался малая степень интеграции (SSI). К середине 1960-х средняя степень (MSI) давала сотни компонентов. Следовала большая степень (LSI) — тысячи компонентов, ставшие основой первых микрокомпьютеров.

Первый микрокомпьютерный чип (микропроцессор) разработала Intel в 1969 г., в 1971 г. пошел в серию как Intel 4004. В 1979 г. — 8088, затем 80286, 80386, 80486. В конце 1980-х – начале 1990-х обозначения 286, 386, 486 были известны каждому пользователю ПК как маркеры растущей мощности и скорости. Pentium — последнее в этом ряду, отражающее еще более высокий уровень.

Как формируются компоненты ИС

В ИС электронные компоненты — резисторы, конденсаторы, диоды, транзисторы — формируются прямо на поверхности кремниевого кристалла. Понимание основ этого процесса делает технологию производства ИС более прозрачной.

Еще до первой ИС знали, что обычные компоненты можно сделать из кремния. Вопрос был — как сделать их и соединительные цепи из одного куска кремния? Решение — изменять (легировать) химический состав крошечных участков на поверхности кристалла добавлением других химикатов — легирующих примесей (допантов). Некоторые допанты связываются с кремнием, образуя зоны, где атомы допанта имеют лишний электрон, который могут отдать. Это N-области. Другие создают зоны с дефицитом электрона — P-области. Когда P-область граничит с N-областью, граница между ними называется p-n-переход. Эта граница шириной всего 0.000004 дюйма (0.0001 см) критична для работы компонентов ИС.

В p-n-переходе атомы двух областей связываются так, что образуется третья зона — зона истощения, где P-атомы захватывают все лишние электроны N-атомов, истощая их. Один из феноменов: положительное напряжение на P-области может вызвать ток через переход в N-область, но такое же напряжение на N-области даст малый или нулевой обратный ток. Эта способность p-n-перехода проводить или изолировать в зависимости от полярности напряжения используется для создания компонентов ИС, направляющих и контролирующих ток так же, как диоды и транзисторы. Диод — это просто единичный p-n-переход. Варируя количество и типы допантов, формы и относительное расположение P- и N-зон, можно формировать компоненты, эмулирующие резисторы и конденсаторы.

Проектирование

Некоторые ИС можно считать стандартными, готовыми к использованию. После проектирования дальнейшая работа не требуется. Примеры: стабилизаторы напряжения, усилители, аналоговые ключи, АЦП/ЦАП. Их продают другим компаниям для монтажа в печатные платы разной электроники.

Другие ИС уникальны и требуют обширной R&D. Пример — новый микропроцессор для компьютеров. Может потребоваться разработка новых материалов и технологий для достижения целевого дизайна.

Сырье

Основа большинства ИС — чистый кремний. Он дает подложку для всего кристалла и химически легируется для создания N- и P-областей, образующих компоненты. Кремний должен быть настолько чист, что только один атом из десяти миллиардов может быть примесью — эквивалент одного зерна сахара в десяти ведрах песка. Диоксид кремния используется как изолятор и диэлектрик в конденсаторах ИС.

Типичные N-допанты — фосфор и мышьяк. P-допанты — бор и галлий. Алюминий — распространенный контакт между компонентами ИС. Тонкие выводы от кристалла к корпусу — алюминий или золото. Корпус монтажа — керамика или пластик.

Производственный процесс

Сотни ИС одновременно изготавливают на одной тонкой пластине кремния, затем разделяют на отдельные кристаллы. Процесс происходит в строго контролируемой среде — чистой комнате, где воздух фильтруется от посторонних частиц. Малое число операторов в безворсовой одежде, перчатках, прикрытиях головы и ног. Поскольку некоторые компоненты чувствительны к определенным частотам света, даже источники света фильтруют. Хотя процессы могут варироваться в зависимости от типа ИС, типичный цикл следующий.

Подготовка кремниевой пластины

• 1. Цилиндрический слиток кремния диаметром 1.5–4.0 дюйма (3.8–10.2 см) вертикально удерживают в вакуумной камере с высокотемпературной катушкой нагрева вокруг. Начиная с верха, нагревают кремний до точки плавления ~2550°F (1400°C). Для избежания загрязнения расплавленная зона удерживается только поверхностным натяжением расплава. По мере плавления примеси становятся подвижными. Катушку медленно опускают вдоль слитка, примеси уносятся с расплавленной зоной. Когда катушка достигает дна, почти все примеси сосредоточены там. Дно срезвают, оставляя очищенный слиток.
• 2. Тонкий круглый вефер отрезают от слитка точной резальной машиной (wafer slicer). Толщина каждого среза ~0.01–0.025 дюйма (0.004–0.01 см). Поверхность для формирования ИС полируют.
• 3. Поверхности вефера покрывают слоем диоксида кремния для изоляционной базы и предотвращения окисления кремния (примеси). SiO2 образуют воздействием перегретого пара ~1830°F (1000°C) под несколькими атмосферами давления — кислород водяного пара реагирует с кремнием. Температуру и время экспозиции контролируют для заданной толщины оксидного слоя.

Маскирование (фотолитография)

• 4. Сложный взаимосвязанный дизайн схем и компонентов готовят процессом, похожим на печатные платы. Для ИС размеры на порядки меньше, и слоев много, накладываемых друг на друга. Дизайн каждого слоя готовят на САПР, образ оптически уменьшают и переносят на поверхность вефера. Маска непрозрачна в некоторых зонах и прозрачна в других. Она содержит образы для всех нескольких сотен ИС, формируемых на вефере.
• 5. Каплю фоторезиста кладут в центр вефера, быстро вращают для равномерного распределения. Фоторезист выпекают для удаления растворителя.
• 6. Покрытый вефер выставляют под первый слой маски и облучают светом. Поскольку зазоры между цепями и компонентами микроскопичны, используют ультрафиолет с очень короткой длиной волны, чтобы проникнуть через крошечные прозрачные участки маски. Иногда используют электронные пучки или рентгеновское излучение.
• 7. Маску снимают, растворяют части фоторезиста. Если использовали позитивный фоторезист, облученные зоны растворяются. Если негативный — облученные остаются. Открытые зоны либо химически травят для открытия слоя, либо подвергают химическому легированию для создания слоя P- или N-областей.

Легирование — атомная диффузия

• 8. Один метод добавления допантов для создания слоя P/N-областей — атомная диффузия. Партию веферов помещают в печь из кварцевой трубы с нагревательным элементом. Нагревают до рабочей температуры ~1500–2200°F (816–1205°C), допант вводят на инертном газе. Проходя над веферами, допант оседает на горячих открытых маскированием поверхностях. Метод хорош для больших площадей, но неточен для мелких. Повторные высокотемпературные циклы при наложении последующих слоев создают проблемы.

Легирование — ионная имплантация

• 9. Второй метод — ионная имплантация. Допантный газ (фосфин, трихлорид бора) ионизируют, получая пучок высокоэнергетичных ионов допанта, который наводят на конкретные участки вефера. Ионы проникают в вефер и остаются имплантированными. Глубину проникновения контролируют энергией пучка, дозировку — током и временем экспозиции. Схематично процесс напоминает пучок в изогнутом кинескопе. Метод настолько точен, что не требует маскировки — просто наводят и «стреляют» допантом куда нужно. Но он значительно медленнее атомной диффузии.

Формирование последовательных слоев

• 10. Процесс маскирования и травления/легирования повторяют для каждого последующего слоя в зависимости от используемого метода легирования до завершения всех ИС на вефере. Иногда наносят слой SiO2 для изоляции между слоями/компонентами. Это делают химическим осаждением из паровой фазы (CVD): поверхность вефера нагревают до ~752°F (400°C), реакция газилов силан и кислород осаждает слой SiO2. Финальный слой SiO2 герметизирует поверхность, финальное травление открывает контактные площадки, наносят слой алюминия для контактных падов. На этом этапе отдельные ИС тестируют на электрическую функциональность.

Разделение на отдельные ИС

• 11. Тонкий вефер похож на стекло. Сотни кристаллов разделяют, нанося алмазным резаком сетку линий, затем нагружают вефер, вызывая разлом по линиям. ИС, провалившие электрический тест, утилизируют. Микроскопический осмотр выявляет поврежденные при разделении кристаллы — их тоже отбраковывают.
• 12. Хорошие ИС индивидуально монтируют в корпус монтажа, тонкие выводы соединяют ультразвуковой термокомпрессионной или термокомпрессионной пайкой. Корпус маркируют номером детали и прочей информацией.
• 13. Готовые ИС упаковывают в антистатические пакеты для хранения или отгрузки конечному пользователю.

Контроль качества

Несмотря на контролируемую среду и инструменты высокой точности, высокий процент кристаллов ИС отбраковывается. Хотя процент брака стабильно снижался за годы, задача создания переплетенной решетки микроскопических схем и компонентов остается сложной, определенное количество брака неизбежно.

Опасные материалы и утилизация

Допанты галлий и мышьяк, среди прочих, токсичны — их хранение, использование и утилизация должны быть строго контролируемыми.

Благодаря универсальности ИС возникла значительная индустрия переработки. Многие ИС и электронные компоненты извлекают из устаревшего оборудования, тестируют и перепродают для повторного использования в других устройствах.

Будущее

Трудно предсказать будущее ИС с уверенностью. Изменения технологий с момента изобретения были быстрыми, но эволюционными. Много изменений в архитектуре (топологии схем на кристалле), но ИС остается кремниевым дизайном.

Следующий качественный скачок в электронике, если он состоится, может задействовать принципиально новую схемотехнику. Устройства лучше лучших микропроцессоров всегда известны как возможные. Человеческий мозг, например, обрабатывает информацию гораздо эффективнее любого компьютера, и некоторые футурологи предполагают, что следующее поколение процессоров будет биологическим, а не минеральным. На данный момент это область фантастики. Нет признаков, что ИС находится под угрозой вымиrania.