Monolityczne układy scalone
Układ scalony (
ang.
integrated circuit, chip, potocznie kość) – zminiaturyzowany
układ elektroniczny
zawierający w swym wnętrzu od kilku do setek milionów podstawowych elementów elektronicznych, takich jak
tranzystory
,
diody
,
rezystory
,
kondensatory
.
Historia
Prekursorem współczesnych układów scalonych była wyprodukowana w 1926
lampa próżniowa
Loewe 3NF
zawierająca wewnątrz jednej bańki trzy
triody
(dwie sygnałowe i jedną głośnikową), dwa
kondensatory
i cztery
rezystory
, całość była przeznaczona do pracy jako jednoobwodowy
radioodbiornik
reakcyjny.
Pierwszą osobą która opracowała teoretyczne podstawy układu scalonego był angielski naukowiec Geoffrey Dummer, nie udało mu się jednak zbudować pracującego układu. W
1958
Jack Kilby
z
Texas Instruments
i
Robert Noyce
z Fairchild Semiconductor niezależnie od siebie zaprojektowali i zbudowali działające modele układów scalonych. Kilby zademonstrował swój
wynalazek
12 września
1958
[1] (za co otrzymał
Nagrodę Nobla z fizyki
w
2000
), Noyce zbudował swój pierwszy układ scalony około pół roku później.
Budowa
Zwykle zamknięty w hermetycznej obudowie –
szklanej
,
metalowej
,
ceramicznej
lub wykonanej z
tworzywa sztucznego
.
Ze względu na sposób wykonania układy scalone dzieli się na główne grupy:
- hybrydowe – na płytki wykonane z
izolatora
nanoszone są warstwy
przewodnika
oraz materiału rezystywnego, które następnie są wytrawiane, tworząc układ połączeń elektrycznych oraz
rezystory
. Do tak utworzonych połączeń dołącza się indywidualne, miniaturowe elementy elektroniczne (w tym układy monolityczne). Ze względu na grubość warstw rozróżnia się układy:
- cienkowarstwowe (warstwy ok. 2 mikrometrów)
- grubowarstwowe (warstwy od 5 do 50 mikrometrów)
Pomieszczenie wysokiej czystości w fabryce układów scalonych
Większość stosowanych obecnie układów scalonych jest wykonana w technologii monolitycznej.
Ze względu na stopień scalenia występuje, w zasadzie historyczny, podział na układy:
- małej skali integracji (SSI – small scale of integration)
- średniej skali integracji (MSI – medium scale of integration)
- dużej skali integracji (LSI – large scale of integration)
- wielkiej skali integracji (VLSI – very large scale of integration)
- ultrawielkiej skali integracji (ULSI – ultra large scale of integration)
Ponieważ w układach monolitycznych praktycznie wszystkie elementy wykonuje się jako
tranzystory
, odpowiednio tylko przyłączając ich końcówki, dlatego też często mówi się o gęstości upakowania tranzystorów na mm².
Układ AMD AM9080ADC / C8080A CPU
8080
W dominującej obecnie technologii wytwarzania monolitycznych układów scalonych (technologia
CMOS
) często używanym wskaźnikiem technicznego zaawansowania procesu oraz gęstości upakowania elementów układów scalonych jest minimalna długość kanału tranzystora (patrz
Tranzystor polowy
) wyrażona w
mikrometrach
lub
nanometrach
– długość kanału jest nazywana rozmiarem charakterystycznym i im jest on mniejszy, tym upakowanie tranzystorów oraz ich szybkość działania są większe. W najnowszych technologiach, w których między innymi produkowane są procesory firm
Intel
i
AMD
, minimalna długość bramki wynosi 90
nm
. W roku
2005
wdrożono do masowej produkcji układy wykonane w technologii 65
nm
, w
2008
r.
Intel
wyprodukował pierwszy procesor w technologii 45
nm
, a w
2009
w ofercie Intela pojawiły się procesory w technologii 32
nm
(mikroarchitektury Westmere oraz Sandy Bridge). Na kolejne lata Intel zapowiada przełamanie kolejnych barier miniaturyzacji. W
2012
roku oczekiwana jest premiera 22
nm
mikroarchitektury Haswell.
Zarejestrowane
topografie układów scalonych
podlegają ochronie, przy czym według prawa
własności przemysłowej
układem scalonym jest wytwór przestrzenny, utworzony z elementów z materiału półprzewodnikowego tworzącego ciągłą warstwę, ich wzajemnych połączeń przewodzących i obszarów izolujących, nierozdzielnie ze sobą sprzężonych, w celu spełniania funkcji elektronicznych.
Technologia planarna
W procesie produkcji monolitycznego układu scalonego można wyróżnić ok. 350 operacji technologicznych, poniżej zostanie przedstawiony tylko zarys czynności koniecznych do wyprodukowania układu.
Przybliżone wymiary pręta półprzewodnikowego oraz podłoża
- Wytworzenie podłoża:
- Z pręta (walca) monokrystalicznego półprzewodnika wycinane są piłą diamentową plastry (dyski) o grubości kilkuset mikrometrów.
- Krawędź plastra jest ścinana, by możliwe było określenie jego orientacji w dalszych etapach.
- Plaster następnie podlega szlifowaniu oraz polerowaniu stając się podłożem dla układów scalonych.
-
Proces epitaksji
- Na podłożu wytwarzana jest cienka warstwa epitaksjalna półprzewodnika o przeciwnym typie przewodnictwa niż podłoże. Warstwa ta ma grubość kilka-kilkadziesiąt
mikrometrów
i charakteryzuje się dużą jednorodnością i gładkością powierzchni.
- Maskowanie – celem tego etapu jest wytworzenie maski, która umożliwi selektywne
domieszkowanie
warstwy epitaksjalnej
- Warstwa epitaksjalną jest
utleniana
– na jej powierzchni wytwarza się cienka warstwa dwutlenku krzemu – warstwa maskująca; jej grubość wynosi
mikrometr
lub mniej, nawet kilka warstw
atomów
. Dwutlenek krzemu charakteryzuje się dużą wytrzymałością mechaniczną oraz chemiczną, a także dużą rezystancją.
- W warstwie maskującej wykonywane są otwory. Istnieją dwie techniki:
- Fotolitografia:
- na warstwę maskującą nakładana jest emulsja światłoczuła
- nakładana jest maska fotograficzna
- następuje naświetlenie światłem
ultrafioletowym
(wysoka częstotliwość ultrafioletu pozwala uzyskać wysoką rozdzielczość)
- emulsja w miejscach naświetlonych podlega
polimeryzacji
- emulsja niespolimeryzowana zostaje wypłukana
- dwutlenek krzemu w miejscach odsłoniętych jest wytrawiany, odsłaniając fragmenty warstwy epitaksjalnej
- na końcu pozostała emulsja jest usuwana (chemicznie albo mechanicznie)
- Wycinanie wiązką elektronową
- Precyzyjnie sterowana wiązka elektronów wycina w dwutlenku krzemu otwory. Jest to technika bardziej precyzyjna, ale droższa niż fotolitografia.
-
Domieszkowanie
- Odsłonięte części warstwy epitaksjalnej są domieszkowane. Robi się to dwiema metodami:
- Dyfuzja domieszek – w wysokiej temperaturze (ok. 1200 stopni) domieszki niesione przez
gaz szlachetny
dyfundują
w odsłonięte miejsca półprzewodnika; można bardzo precyzyjnie określić koncentrację nośników i głębokość domieszkowania. Dyfuzja domieszek jest powolnym procesem.
- Implantacja jonów – zjonizowane domieszki są przyspieszane i "wbijane" w półprzewodnik. Proces jest szybki i precyzyjny, ale drogi.
- Wykonanie połączeń
- Całość jest ponownie maskowana dwutlenkiem
krzemu
.
- W tlenku wykonywane są niezbędne otwory połączeniowe.
- Napylane są warstwy przewodzące. Jako przewodnik stosuje się
aluminium
lub
miedź
.
- Montaż
- Cięcie podłoża na indywidualne układy piłą
diamentową
lub
laserem
.
- Indywidualne układy są testowane testerem ostrzowym.
- Wykonywane są połączenia struktury z wyprowadzeniami zewnętrznymi za pomocą cienkich drucików
aluminiowych
lub
złotych
.
Producenci
Zgodnie z badaniami w 2007 roku[2], największym producentem układów scalonych jest firma
Intel
. Kolejne miejsca zajmują:
Samsung
,
Toshiba
i
Texas Instruments
.
Zobacz też
Przypisy