Кіріспе
Жартылай өткізгіш материалдың кішкентай, жалпақ бөлігінде құрылған электрондық тізбек. Интегралды схема (IC), сондай-ақ микрочип, компьютерлік чип немесе жай ғана чип деп те аталады, – бұл транзисторлар, резисторлар және конденсаторлар сияқты бір-бірімен байланысқан көптеген электрондық компоненттерден тұратын кішкентай электрондық құрылғы. Бұл компоненттер әдетте кремнийден жасалған жартылай өткізгіш материалдың кішкентай бөлігіне жасалады. Интегралды схемалар компьютерлер, смартфондар және теледидарлар сияқты көптеген электрондық құрылғыларда ақпаратты өңдеу және сақтау сияқты әртүрлі функцияларды орындау үшін қолданылады. Олар құрылғыларды кішірейтуге және функционалдық мүмкіндіктерін арттыруға мүмкіндік бергендіктен электроника саласына үлкен әсер етті. Интегралды схемалар дискретті компоненттерден жасалғандарға қарағанда әлдеқайда кішкентай, жылдам және арзан, бұл үлкен транзисторлар санына мүмкіндік береді. IC-тің жаппай өндіріс қабілеті, сенімділігі және интегралды схемаларды жобалауға қатысты тәсіл дискретті транзисторларды пайдаланатын жобалардың орнына стандартталған IC-тің жылдам қабылдануын қамтамасыз етті. Бүгінде интегралды схемалар барлық электрондық жабдықтарда қолданылады және электроника әлемінде революция жасады. Компьютерлер, ұялы телефондар және басқа да үй шаруалық техникалары қазіргі заманғы қоғамдардың құрылымының маңызды бөлігі болып табылады, бұл қазіргі заманғы компьютер процессорлары мен микроконтроллерлер сияқты IC-тің кішкентай өлшемдері мен төмен құнының арқасында мүмкін болды. Өте кең ауқымды интеграция жартылай өткізгіш құрылғыларды жасаудағы технологиялық жетістіктердің нәтижесінде іске асырылды. 1960 жылдардан бері чиптердің өлшемі, жылдамдығы және сыйымдылығы үлкен прогресс жасады, бұл техникалық жетістіктерге байланысты, бірдей өлшемдегі чиптерге көбірек және көбірек транзисторларды орналастыруға мүмкіндік берді – қазіргі чипте адам тырнағының көлеміне тең ауданда миллиардтаған транзисторлар болуы мүмкін. Бұл жетістіктер, шамамен Мур заңына сәйкес келеді, бүгінгі компьютерлік чиптердің 1970 жылдардың басындағы компьютерлік чиптерге қарағанда миллион есе артық сыйымдылығы мен мың есе жылдамдығы бар екенін көрсетеді. IC дискретті компоненттерден жасалған тізбектерге қарағанда үш негізгі артықшылыққа ие: өлшемі, құны және өнімділігі. Оның кішкентай өлшемі мен төмен құны себебі, чиптердегі барлық компоненттері фотолитография арқылы бірлік ретінде басылады, олар бір-бірлеп транзисторлар құрастырылмайды. Сонымен қатар, жиналған IC дискретті тізбектерге қарағанда әлдеқайда аз материалды пайдаланады. Өнімділігі жоғары, себебі IC компоненттері шағын өлшемдері мен жақын орналасуының арқасында жылдам қосылып, салыстырмалы түрде аз қуатты тұтынады. IC-тің негізгі кемшілігі – оларды жобалаудың жоғары бастапқы құны және зауыт салудың үлкен капиталы. Бұл жоғары бастапқы құн IC-тің тек өндіріс көлемі жоғары болған жағдайда ғана коммерциялық тұрғыдан тиімді болуын білдіреді.
An integrated circuit (IC), also known as a microchip, computer chip, or simply chip, is a small electronic device made up of multiple interconnected electronic components such as transistors, resistors, and capacitors. These components are etched onto a small piece of semiconductor material, usually silicon. Integrated circuits are used in a wide range of electronic devices, including computers, smartphones, and televisions, to perform various functions such as processing and storing information. They have greatly impacted the field of electronics by enabling device miniaturization and enhanced functionality. Integrated circuits are orders of magnitude smaller, faster, and less expensive than those constructed of discrete components, allowing a large transistor count. The IC's mass production capability, reliability, and building block approach to integrated circuit design have ensured the rapid adoption of standardized ICs in place of designs using discrete transistors. ICs are now used in virtually all electronic equipment and have revolutionized the world of electronics. Computers, mobile phones, and other home appliances are now essential parts of the structure of modern societies, made possible by the small size and low cost of ICs such as modern computer processors and microcontrollers. Very large scale integration was made practical by technological advancements in semiconductor device fabrication. Since their origins in the 1960s, the size, speed, and capacity of chips have progressed enormously, driven by technical advances that fit more and more transistors on chips of the same size – a modern chip may have many billions of transistors in an area the size of a human fingernail. These advances, roughly following Moore's law, make the computer chips of today possess millions of times the capacity and thousands of times the speed of the computer chips of the early 1970s. ICs have three main advantages over circuits constructed out of discrete components: size, cost and performance. The size and cost is low because the chips, with all their components, are printed as a unit by photolithography rather than being constructed one transistor at a time. Furthermore, packaged ICs use much less material than discrete circuits. Performance is high because the IC's components switch quickly and consume comparatively little power because of their small size and proximity. The main disadvantage of ICs is the high initial cost of designing them and the enormous capital cost of factory construction. This high initial cost means ICs are only commercially viable when high production volumes are anticipated.
Терминология
Интегралды схема деп мынадай анықтама беріледі: схеманың барлық немесе бір бөлігінің элементтері ажырамас түрде байланысқан және электрлік тұрғыдан өзара байланыстырылған, сондықтан құрылыс және сауда мақсатында оны бөліп қарастыруға болмайды. Нақты мағынасында интегралды схема дегеніміз – бастапқыда монолитті интегралды схема деп аталған, кремнийдің бір данасынан жасалған бір бөліктен тұратын схема құрылымы. Көптеген жағдайларда бұл қатаң анықтамаға сай келмейтін схемалар да IC (интегралды схема) деп аталады, олар әртүрлі технологиялар қолданылып жасалады, мысалы, 3D IC, 2.5D IC, MCM, жұқа пленкалық транзисторлар, қалың пленкалық технологиялар немесе гибридтік интегралды схемалар. Терминологияны таңдау жиі Мур заңының қолдануын тоқтатқандығы туралы пікірталас тудырады.
Тарих
Бір құрылғыда бірнеше компонентті біріктіруге жасалған алғашқы әрекет (қазіргі IC-лер сияқты) 1926 жылы жасалған Loewe 3NF вакуумдық түтігі болды. IC-лерден өзгеше, ол салықтан қашу мақсатымен жасалды, себебі Германияда радиоқабылдағыштарға олардың қанша түтік ұстағышы бар екеніне байланысты салық салынатын. Бұл радиоқабылдағыштарға бір түтік ұстағышына ие болуға мүмкіндік берді. Бір миллион дана өндірілді және бұл «радиоэлектрондық құрылғыларды интеграциялаудың алғашқы қадамы» болды. Құрылғыда үш триодтан, екі конденсатордан және алты қосқыштағы төрт резистордан тұратын күшейткіш болды. Интегралды схема туралы алғашқы идеялар 1949 жылы неміс инженері Вернер Якоби (Siemens AG) үш сатылы күшейткіш схемасында жалпы негізде бес транзисторды көрсеткен, жартылай өткізгіш күшейткіш құрылғысы сияқты интегралды схемаға патент алғанда пайда болды. Якоби өзінің патентінің өнеркәсіптік қолданысы ретінде кішкентай және арзан есту аппараттарын атады. Оның патенті коммерциялық тұрғыдан қолданылғаны туралы мәлімдемелер жоқ. Осы идеяны қолдаушылардың бірі – Джеффри Даммер (1909–2002), Ұлыбритания Қорғаныс министрлігінің Корольдік радиолокациялық мекемесіндегі ғалым. Даммер бұл идеяны 1952 жылғы 7 мамырда Вашингтонда өткен «Электрондық компоненттер сапасының артуы» симпозиумында таныстырды. Ол өз идеяларын тарату үшін көптеген симпозиумдарда сөз сөйледі және 1956 жылы мұндай схеманы жасауға сәтсіз тырысты. 1953 және 1957 жылдар аралығында Сидни Дарлингтон мен Ясуо Таруи (Электротехникалық зертхана) бірнеше транзисторлардың ортақ активті аймақты бөлісетін, бірақ оларды бір-бірінен оқшаулайтын электрлік оқшаулауы жоқ ұқсас чип дизайнын ұсынды.
Бірінші интегралды схемалар
IC-дің бастапқы идеясы шағын керамикалық негіздер (микромодульдер деп аталады) жасау болды. Бірақ жоба күш алып келе жатқанда, Килби жаңа, революциялық конструкция ұсынды: IC. Texas Instruments компаниясына жаңадан жұмысқа орналасқан Килби интегралды схемаға қатысты алғашқы ойларын 1958 жылдың шілдесінде жазды және 1958 жылдың 12 қыркүйегінде интегралды схеманың жұмыс істейтін алғашқы үлгісін сәтті көрсетті. 1959 жылдың 6 ақпанындағы патент өтінімінде Килби өзінің жаңа құрылғысын "электрондық тізбектегі барлық компоненттер толыққанды біріктірілген жартылай өткізгіш материалдан жасалған дене" деп сипаттады. Жаңа өнертабыстың алғашқы тұтынушысы – АҚШ Әуе күштері. Килби интегралды схеманы ойлап табуы үшін 2000 жылы физика саласындағы Нобель сыйлығына ие болды. Дегенмен, Килбидің өнертабысы толыққанды монолитті интегралды схема чипі емес еді, себебі оның сыртқы алтын сымдармен қосылыстары болды, бұл оны жаппай өндіруді қиындатты. Килбиден жарты жыл кейін Fairchild Semiconductor компаниясындағы Роберт Нойс алғашқы толыққанды монолитті IC чипін ойлап тапты.
TTL интегралдық схемалар
Транзисторлы-транзисторлық логика (ТТЛ) 1960 жылдардың басында Джеймс Л. Буи TRW Inc компаниясында әзірлеген. ТТЛ 1970-1980 жылдар аралығында интегралды схемалардың басым технологиясы болды. ТТЛ интегралдық схемаларының ондаған түрі миникомпьютерлер мен мейнфреймдердің процессорларын жасаудың стандартты әдісі болды. IBM 360 мейнфреймдері, PDP 11 миникомпьютерлері және Datapoint 2200 үстел компьютері биполярлы интегралдық схемалардан жасалды. 1959 жылы Bell Labs-те Мохамед М. Атала мен Давон Канг ойлап тапқан MOSFET (MOS транзисторы деп те аталады) жоғары тығыздықты интегралдық схемаларды жасауға мүмкіндік берді. Биполярлы транзисторлар, чипте транзисторларды p-n тораптары арқылы оқшаулау үшін бірнеше қадамдарды қажет етсе, MOSFET-терге мұндай қадамдар қажет болмады, бірақ оларды бір-бірінен оңай оқшаулауға болады. Давон Канг 1961 жылы оның интегралды схемалардағы артықшылығын атап көрсетті. IEEE-нің маңызды кезеңдерінің тізіміне 1958 жылы Килбидің алғашқы интегралды схемасы, 1959 жылы Хоернидің жазықтық процесі және Нойстың жазықтық IC, сондай-ақ 1959 жылы Аталла мен Кангтың MOSFET кіреді. Ең алғашқы тәжірибелік MOS IC - бұл Фред Хайман мен Стивен Хофштейн RCA компаниясында 1962 жылы жасаған 16 транзисторлы микросхема. Кейіннен General Microelectronics компаниясы 1964 жылы алғашқы коммерциялық MOS интегралды схемасын енгізді, ол Роберт Норман әзірлеген 120 транзисторлы ауысу тізімі болды. 1967 жылы Bell Labs-те Роберт Кервин, Дональд Клейн және Джон Сарас өздігінен сәйкестендірілген қақпаны (силикон қақпасы) MOSFET-ті жасағаннан кейін, барлық қазіргі заманғы CMOS интегралдық схемаларының негізі болып табылатын, өздігінен сәйкестендірілген қақпалары бар алғашқы кремний қақпасы MOS IC технологиясы 1968 жылы Федерико Фаггиннің Fairchild Semiconductor-те жасақталды. MOS LSI чиптерін есептеу техникасына қолдану алғашқы микропроцессорлардың негізі болды, өйткені инженерлер толық компьютер процессорын бір MOS LSI чипінде ұстауға болатынын түсінді. Бұл 1970-ші жылдардың басында микропроцессор мен микроконтроллерлердің тууына әкелді. Бастапқыда MOS-қа негізделген компьютерлер тек жоғары тығыздық қажет болған жағдайларда ғана мағыналы болды, мысалы, аэроғарыш және қалталық калькуляторлар. 1970 жылғы Datapoint 2200 сияқты TTL-ден толығымен жасалған компьютерлер 1972 жылғы Intel 8008 сияқты бір чипті MOS микропроцессорларына қарағанда 1980 жылдардың басына дейін әлдеқайда жылдам және қуатты болды. IC технологиясының жетістіктері, негізінен кішірек ерекшеліктер мен үлкен чиптер, интегралдық схемадағы MOS транзисторларының санын екі жылда бір рет екі есеге көбейтуге мүмкіндік берді, бұл Мура заңы деп аталады. Мур бастапқыда ол жыл сайын екі есеге артатынын айтқан, бірақ ол 1975 жылы бұл талапты екі жылда бір рет өзгертті. Бұл артқан сыйымдылық шығынды азайту және функционалдылықты арттыру үшін пайдаланылды. Жалпы, функция көлемі қысқарған сайын, ИК-тің барлық аспектілері жақсарады. Деннард масштабтау (MOSFET масштабтау) арқылы анықталатын қатынастар арқылы транзистордың құны және транзистордың коммутациялық қуат тұтынуы төмендейді, ал жад сыйымдылығы мен жылдамдығы өседі. Жылдамдық, сыйымдылық және қуат тұтынудың өсуі соңғы пайдаланушыға айқын көрінетіндіктен, өндірушілер арасында нәзік геометрияны пайдалану үшін қатал бәсекелестік бар. Жылдар бойы транзисторлардың көлемі 1970 жылдардың басында ондаған микроннан 2017 жылы 10 нанометрге дейін азайды, бұл бірлік ауданы бойынша транзисторлардың миллион есе өсуіне сәйкес келеді. 2016 жылы типтік чиптер ауданы бірнеше шаршы миллиметрден 600 мм2-ге дейін, әр мм2-ге 25 миллионға дейін транзисторлар бар. Жабдықтардың көлемінің қысқаруы және осыған байланысты салалардағы қажетті ілгерілеу ұзақ жылдар бойы жартылай өткізгіштердің халықаралық технологиялық жол картасында (ITRS) болжанып отырды. Ақырғы ITRS 2016 жылы шығарылды және оның орнына құрылғылар мен жүйелер жөніндегі халықаралық жол картасы шығарылды. Бастапқыда, интегралдық схемалар тек электронды құрылғылар болатын. ИК-тің табыстылығы басқа технологияларды интеграциялауға әкелді, бұл кішігірім көлем мен арзан бағаның бірдей артықшылықтарын алуға тырысу. Бұл технологияларға механикалық құрылғылар, оптика және сенсорлар жатады. Зарядталатын құрылғылар және тығыз байланысты белсенді пиксельдік сенсорлар - жарыққа сезімтал микросхемалар. Олар ғылыми, медициналық және тұтынушылық салаларда фотопленканың орнын басты дәрежеде алып отыр. Жыл сайын миллиардтаған осындай құрылғылар ұялы телефондар, планшеттер және цифрлық камералар үшін өндіріледі. ИК-тің осы саласы 2009 жылы Нобель сыйлығына ие болды. Электр қуатымен басқарылатын өте кішкентай механикалық құрылғыларды чиптерге интеграциялауға болады, бұл технология микроэлектромеханикалық жүйелер (MEMS) деп белгілі. Бұл құрылғылар 1980-ші жылдардың соңында әзірленді және әртүрлі коммерциялық және әскери салаларда қолданылады. Мысалдарға DLP проекторлары, қапталды қаламсап принтерлері, акселерометрлер және автомобильдік қауіпсіздік қаптарын іске қосу үшін қолданылатын MEMS гироскоптары жатады. 2000 жылдардың басынан бері кремний чиптеріне оптикалық функционалдықты (оптикалық есептеу) интеграциялау академиялық зерттеулерде де, өнеркәсіпте де белсенді түрде жүргізілуде, нәтижесінде CMOS-қа негізделген электроникамен біріктірілген оптикалық құрылғылар (модуляторлар, детекторлар, маршрутизаторлар) сияқты кремнийге негізделген интегралды оптикалық трансиверлердің сәтті коммерциялануына әкелді. Lightelligence-тің PACE (Photonic Arithmetic Computing Engine) сияқты жарықтан пайдаланатын фотондық интегралдық схемалар да, фотоника саласының дамуымен әзірленуде. Интегралдық схемалар медициналық имплантаттарда немесе басқа биоэлектрондық құрылғыларда сенсорлық қолданбалар үшін де әзірленуде. Мұндай биогендік ортада әрекет ететін жартылай өткізгіш материалдардың коррозияға немесе биодеградациясына жол бермеу үшін арнайы тығыздау техникаларын қолдану қажет. 2018 жылдың мәліметтері бойынша, барлық транзисторлардың басым көпшілігі кремний чипінің бір жағындағы бір қабатқа орналасқан MOSFET-тер болып табылады және жазық екі өлшемді жазықтық процесте жасалған. Зерттеушілер бірнеше перспективті баламаларды жасады, мысалы:
бірнеше транзистор қабаттарын үш өлшемді интегралдық схема (3DIC) жасау үшін жинаудың әртүрлі тәсілдері, мысалы, кремний арқылы, "монолиттік 3D", жиналған сым байланысы және басқа әдістемелер. басқа материалдардан жасалған транзисторлар: графен транзисторлары, молибденит транзисторлары, көміртекті наноқұбырлы өріс эффекті транзисторы, галлий нитрид транзисторы, транзистор сияқты наноқұбырлы электрондық құрылғылар, органикалық өріс эффекті транзисторы және т.б. кішкентай кремний шардың бүкіл бетіне транзисторларды орналастыру. икемді дисплей немесе басқа икемді электроника үшін "икемді транзисторлар" жасау үшін, мүмкін, оралып кететін компьютерге әкелетін субстратқа өзгерістер енгізу. Транзисторлардың көлемін одан әрі кішірету қиын болғандықтан, компаниялар мультичиптік модульдерді, үш өлшемді интегралдық схемаларды, пакетте пакет, жоғары өткізгіштік жады және чиптерді жинау арқылы өнімділікті арттыру және өлшемді кішірету үшін қолданып жатыр, транзисторлардың көлемін кішіретуге қажеттілік болмайды. Мұндай техникалар жиынтығы кеңейтілген қаптама деп белгілі. Кеңейтілген қаптама негізінен 2.5D және 3D қаптамаға бөлінеді. 2.5D мультичиптік модульдер сияқты тәсілдерді сипаттайды, ал 3D пакетте пакет және жоғары өткізгіштік жады сияқты бір жолмен немесе басқа жолмен чиптер жиналған тәсілдерді сипаттайды. Барлық тәсілдерде бір пакетте 2 немесе одан көп чиптер бар. Балама ретінде, 3D NAND сияқты тәсілдер бір чипте бірнеше қабаттарды жинайды. Интегралдық схемаларда салқындатуды жақсарту үшін микрофлюидтік салқындатуды қосу және сондай-ақ чиптерге тікелей жалғанатын салқындатуға арналған термоэлектрлік салқындатқыштарды немесе жылуды таратуға арналған терможұптамаларды қолдану сияқты техникалар көрсетілді.
various approaches to stacking several layers of transistors to make a three dimensional integrated circuit (3DIC), such as through silicon via, "monolithic 3D", stacked wire bonding, and other methodologies. transistors built from other materials: graphene transistors, molybdenite transistors, carbon nanotube field effect transistor, gallium nitride transistor, transistor like nanowire electronic devices, organic field effect transistor, etc. fabricating transistors over the entire surface of a small sphere of silicon. modifications to the substrate, typically to make "flexible transistors" for a flexible display or other flexible electronics, possibly leading to a roll away computer. As it becomes more difficult to manufacture ever smaller transistors, companies are using multi chip modules, three dimensional integrated circuits, package on package, High Bandwidth Memory and through silicon vias with die stacking to increase performance and reduce size, without having to reduce the size of the transistors. Such techniques are collectively known as advanced packaging. Advanced packaging is mainly divided into 2.5D and 3D packaging. 2.5D describes approaches such as multi chip modules while 3D describes approaches where dies are stacked in one way or another, such as package on package and high bandwidth memory. All approaches involve 2 or more dies in a single package. Alternatively, approaches such as 3D NAND stack multiple layers on a single die. A technique has been demonstrated to include microfluidic cooling on integrated circuits, to improve cooling performance as well as peltier thermoelectric coolers on solder bumps, or thermal solder bumps used exclusively for heat dissipation, used in flip chip.
Дизайн
Күрделі интегралды схеманы жобалау және әзірлеу құны өте жоғары, әдетте ондаған миллион долларға жетеді. Сондықтан, үлкен көлемде өндірілетін интегралды схемаларды жасау ғана экономикалық тұрғыдан тиімді, осылай қайталанбайтын инжинирингтік (NRE) шығындар миллиондаған өндіріс бірліктеріне таратылады. Қазіргі заманғы жартылай өткізгіш чиптері миллиардтаған компоненттерден тұрады және оларды қолмен жобалау мүмкін емес. Сондықтан, дизайнерге көмектесетін бағдарламалық құралдар қажет. Электрондық жобалауды автоматтандыру (EDA), сондай-ақ электрондық компьютерлік жобалау (ECAD) деп те аталады, – бұл интегралды схемаларды қоса алғанда, электрондық жүйелерді жобалауға арналған бағдарламалық құралдар жиынтығы. Бұл құралдар инженерлердің жартылай өткізгіш чиптерінің барлық бөліктерін жобалау, тексеру және талдау үшін қолданатын жобалау процесінде бірігіп жұмыс істейді. Жаңа EDA құралдарының кейбіреулері жасанды интеллектті (AI) пайдаланып, инженерлерге уақытты үнемдеуге және чиптің өнімділігін арттыруға көмектеседі.
Өндiру
Химиялық элементтердің периодтық кестесіндегі жартылай өткізгіштер, қатты күйдегі вакуумдық түтік үшін ең мүмкін материалдар ретінде анықталды. 1940-1950 жылдар аралығында мыс оксидінен бастап, германийге, содан кейін кремнийге дейін материалдар жүйелі түрде зерттелді. Бүгінде, интегралды схемалар үшін (IC) монокристалл кремний негізгі субстрат болып табылады, бірақ светодиодтар (LED), лазерлер, күн батареялары және жоғары жылдамдықты интегралды схемалар сияқты арнайы қолданулар үшін галлий арсениді сияқты III-V тобының қосылыстары да қолданылады. Жартылай өткізгіш материалдардың кристалдық құрылымындағы кемшіліктері минималды болатын кристалдарды жасау әдістерін жетілдіруге ондаған жылдар кетті. Жартылай өткізгіш IC-лер фотолитография, жабынды жасау (мысалы, химиялық бумен жабынды жасау) және тегістеу сияқты үш негізгі процестік қадамдарды қамтитын жазық процесте жасалады. Негізгі процестер допинг және тазалаумен толықтырылады. Жақында жасалған немесе жоғары өнімділіктегі IC-лер, 22 нм (Intel) немесе 16/14 нм түйіндерінен басталатын жазық транзисторлардың орнына көп қақпалы FinFET немесе GAAFET транзисторларын қолдануы мүмкін. Көптеген қолдануларда монокристалл кремний пластиналары қолданылады (немесе арнайы қолданулар үшін галлий арсениді сияқты басқа жартылай өткізгіштер қолданылады). Пластина толығымен кремнийден жасалғаны міндетті емес. Фотолитография субстраттың әртүрлі аймақтарын допингтеу немесе поликремний, изоляторлар немесе металл (әдетте алюминий немесе мыс) жолдарының жабынуы үшін белгілеу үшін қолданылады. Допанттар – жартылай өткізгіштің электрондық қасиеттерін өзгерту үшін мақсатты түрде енгізілген қоспалар. Допинг – жартылай өткізгіш материалға допанттарды қосу процесі. Интегралды схемалар, әрқайсысы фотолитографиямен анықталатын және әдетте әртүрлі түстерде көрсетілетін көптеген бір-біріне жабысқан қабаттардан тұрады. Кейбір қабаттар әртүрлі допанттардың субстратқа таратылған жерін (диффузиялық қабаттар деп аталады) белгілейді, ал кейбіреулері қосымша иондардың имплантацияланған жерін (имплантациялық қабаттар) анықтайды, ал кейбіреулері өткізгіштерді (допталған полисилиций немесе металл қабаттары) анықтайды және кейбіреулері өткізгіш қабаттар арасындағы қосылыстарды (байланыс немесе өткізгіш қабаттар арқылы) анықтайды. Барлық компоненттер осы қабаттардың белгілі бір комбинациясынан құрастырылады. Өзін-өзі туралайтын CMOS процесінде, қақпа қабаты (полисилиций немесе металл) диффузиялық қабатты кесіп өткен жерде транзистор пайда болады (бұл «өзін-өзі туралайтын қақпа» деп аталады). Сыйымдылық құрылымдары, дәстүрлі электр сыйымдығының параллель өткізгіш пластиналарына ұқсас, «пластиналардың» ауданына сәйкес, пластиналар арасында оқшаулағыш материалмен жасалады. IC-лерде кең ауқымды өлшемдегі сыйымдықтар жиі кездеседі. Чиптегі резисторларды жасау үшін әр түрлі ұзындықтағы иректелген жолақтар кейде қолданылады, бірақ көптеген логикалық тізбектерге резисторлар қажет емес. Кедергілік құрылымның ұзындығы мен енінің арақатынасы, оның беттік кедергісімен бірге кедергіні анықтайды. Сирек жағдайларда, индуктивті құрылымдар кішкентай чиптегі орамдар ретінде жасалуы мүмкін немесе гираторлармен симуляциялануы мүмкін. CMOS құрылғысы тек логикалық күйлер арасындағы ауысу кезінде ток тартады, сондықтан CMOS құрылғылары биполярлы тоқ өткізгіш транзисторлық құрылғыларға қарағанда әлдеқайда аз ток тұтынады. Кездейсоқ кіру жады – интегралды схеманың ең реттелген түрі; ең жоғары тығыздықты құрылғылар осы жадтар болып табылады; бірақ тіпті микропроцессордың да чипінде жады болады. (Бірінші суреттің төменгі жағындағы реттелген массив құрылымын қараңыз.) Құрылымдары күрделі болғанымен – ендері ондаған жылдар бойы қысқарып келеді, қабаттар құрылғы енінен әлдеқайда жұқа болып қалады. Материалдың қабаттары фотографиялық процесс сияқты жасалады, бірақ көрінетін спектрдегі жарық толқындары материалдың қабаттарын «ашу» үшін қолданылмайды, өйткені олар ерекшеліктерге тым үлкен болады. Осылайша, әр қабаттың үлгілерін жасау үшін жоғары жиілікті фотондар (әдетте ультракүлгін) қолданылады. Әрбір элемент өте кішкентай болғандықтан, электронды микроскоптар өндіріс процесін жөндеуге тырысатын инженер үшін маңызды құрал болып табылады. Әрбір құрылғы, қаптамаға салу алдында автоматтандырылған сынақ жабдықтарын (ATE) қолданып, пластиналарды сынау немесе пластиналарды зерттеу деп аталатын процесспен сынақтан өткізіледі. Содан соң пластина тіктөртбұрышты блоктарға кесіледі, олардың әрқайсысы «кристалл» деп аталады. Әрбір жақсы кристалл (көпше түрінде кристалдар, кристалдар немесе кристалл) алюминий (немесе алтын) байланыс сымдары арқылы пакетке қосылады, олар әдетте кристаллдың шетіне орналасқан төсемдерге термосоникалық байланыс арқылы бекітіледі. Термосоникалық байланыс А. Кукуласпен енгізілген, бұл сыртқы әлемге осы маңызды электрлік байланыстарды жасаудың сенімді тәсілін қамтамасыз етті. Қаптамадан кейін құрылғылар пластиналарды зерттеу кезінде қолданылған сол немесе ұқсас ATE-де соңғы сынақтан өтеді. Өнеркәсіптік КТ сканилеуі де қолданылуы мүмкін. Төмен құнмен өндірілетін өнімдерде сынақ құны өндіріс құнының 25% астам құрауы мүмкін, бірақ төмен өнімділіктегі, үлкен немесе жоғары құнды құрылғыларда бұл көрсеткіш мардымсыз болуы мүмкін. 2022 жылғы деректер бойынша, өндіріс орнатылысы (әдетте жартылай өткізгіш фабрикасы деп белгілі) құрылысына 12 миллиард АҚШ долларынан астам қаражат жұмсалуы мүмкін. Жаңа өнімдердің күрделілігінің артуына байланысты өндіріс орнатылысының құны уақыт өте келе артады; бұл Рокстің заңы деп белгілі. Мұндай орнатылымда:
300 мм диаметрге дейін пластиналар (әдеттегі ас табақтан кеңрек). 2022 жылғы деректер бойынша, 5 нм транзисторлар. Металл қосылыстарда мыс сымдары алюминийдің орнына қолданылады. Төмен κ диэлектрлік изоляторлар. Кремний изоляторда (SOI). IBM-мен қолданылатын Strained silicon directly on insulator (SSDOI) процесінде кернеулі кремний. Үш қақпалы транзисторлар сияқты көп қақпалы құрылғылар. IC-лер, интеграцияланған құрылғы өндірушілері (IDM) тарапынан үй ішінде немесе фабрика моделін пайдаланып өндіріледі. IDM – тік интеграцияланған компаниялар (Intel және Samsung сияқты), өз IC-лерін жобалайтын, өндіретін және сататын компаниялар, сондай-ақ басқа компанияларға жобалау және/немесе өндіріс (фабрика) қызметтерін ұсына алады (соңғысы көбінесе фабрикасыз компанияларға). Фабрика моделінде, фабрикасыз компаниялар (Nvidia сияқты) тек IC-лерді жобалайды және сатады және өндірістің барлығын TSMC сияқты таза фабрикаларға тапсырады. Бұл фабрикалар IC жобалау қызметтерін де ұсына алады.
The wafers up to 300 mm in diameter (wider than a common dinner plate). as of 2022, 5 nm transistors. Copper interconnects where copper wiring replaces aluminum for interconnects. Low κ dielectric insulators. Silicon on insulator (SOI). Strained silicon in a process used by IBM known as Strained silicon directly on insulator (SSDOI). Multigate devices such as tri gate transistors. ICs can be manufactured either in house by integrated device manufacturers (IDMs) or using the foundry model. IDMs are vertically integrated companies (like Intel and Samsung) that design, manufacture and sell their own ICs, and may offer design and/or manufacturing (foundry) services to other companies (the latter often to fabless companies). In the foundry model, fabless companies (like Nvidia) only design and sell ICs and outsource all manufacturing to pure play foundries such as TSMC. These foundries may offer IC design services.
Қаптама
Ең алғашқы интегралдық тізбектер керамикалық қаптамаларда жасалған, оларды әскерилер көптеген жылдар бойы сенімділігі мен кішігірім өлшемі үшін пайдаланған. Коммерциялық тізбек қаптамалары тез арада қос қатарлы тізбектерге (DIP) көшті, бастапқыда керамикадан, кейін пластиктен жасалған, көбінесе крезоль-формальдегид новолактан. 1980 жылдары VLSI тізбектерінің қосылымдары DIP қаптамасының практикалық шегінен асып, тігізгіш тізбек массиві (PGA) және қорғасынсыз чип тасымалдағышы (LCC) қаптамаларына әкелді. Беттік монтаж қаптамасы 1980 жылдардың басында пайда болды және 1980 жылдардың соңында танымал болды, оның ішінде жіңішке қорғасын қадамы қолданылды, ал қорғасындары құс қанаты немесе J-тәрізді болып жасалған, мысалы, кішкентай контурлы интегралдық тізбек (SOIC) қаптамасы – эквивалентті DIP-тен шамамен 30-50% аз аумақты алып, әдетте 70% жұқа тасымалдағыш. Бұл қаптамада екі ұзын жағынан шығып тұрған "құс қанаты" қорғасындары және 0,050 дюймдік аралық бар. 1990 жылдардың соңында пластикалық төрт қатарлы қаптамалар (PQFP) және жұқа кішкентай контурлы қаптамалар (TSOP) жоғары қосылымды құрылғылар үшін ең көп таралған болды, бірақ PGA қаптамалары әлі де жоғары сапалы микропроцессорлар үшін қолданылады. Доптық тізбек массиві (BGA) қаптамалары 1970 жылдардан бері қолданыста. Flip-chip Ball Grid Array қаптамалары, басқа қаптама түрлеріне қарағанда әлдеқайда көп қосылымдарға мүмкіндік береді, 1990 жылдары әзірленді. FCBGA қаптамасында кристал кері (артқа бұрылып) орнатылады және сымдармен емес, баспалы схема тақтасына ұқсас қаптамалық субстрат арқылы қаптама доптарына қосылады. FCBGA қаптамалары кіріс-шығыс сигналдарының массивін (Аймақтық I/O деп аталады) кристалдың бүкіл ауданына таратуға мүмкіндік береді, ол кристалдың шетімен шектелмейді. BGA құрылғыларының артықшылығы арнайы ұя қажет емес, бірақ құрылғы істен шыққан жағдайда оларды ауыстыру әлдеқайда қиын. Intel 2004 жылы PGA-дан жерлік тізбек массивіне (LGA) және BGA-ға көшті, соңғы PGA ұясы 2014 жылы мобильді платформалар үшін шығарылды. 2018 жылдан бастап AMD негізгі үстел процессорларында PGA қаптамаларын, мобильді процессорларда BGA қаптамаларын, ал жоғары деңгейдегі үстел және сервер микропроцессорлары LGA қаптамаларын қолданады. Кристалдан шығатын электр сигналдары кристалды қаптамаға электрлік түрде жалғайтын материал арқылы, қаптамадағы өткізгіш жолдар (трассалар) арқылы, қаптаманы баспалы схемадағы өткізгіш жолдармен жалғайтын қосылымдар арқылы өтуі тиіс. Осы электр сигналдары жүретін жолдағы материалдар мен құрылымдар, сол кристалдың әртүрлі бөліктеріне баратын материалдармен салыстырғанда, өте әртүрлі электрлік қасиеттерге ие. Нәтижесінде, олар сигналдардың бұзылмауын қамтамасыз ету үшін арнайы дизайндық әдістерді және кристалдың өзіне шектелген сигналдарға қарағанда әлдеқайда көп электр қуатын қажет етеді. Егер бірнеше кристал бір қаптамаға орнатылса, нәтижесінде қаптамадағы жүйе (SiP – System in Package) пайда болады. Көп чипті модуль (MCM – multi chip module), көбінесе керамикадан жасалған кішкентай субстратқа бірнеше кристалды біріктіру арқылы жасалады. Үлкен MCM мен кішкентай баспалы схема тақтасының арасындағы айырмашылық кейде анық емес. Қапталған интегралдық тізбектер әдетте сәйкестендіру ақпаратын қамтитын жеткілікті өлшемде болады. Төрт негізгі бөлім – өндірушінің атауы немесе логотипі, бөлшектің нөмірі, бөлшектің өндіріс партиясының нөмірі мен сериялық нөмірі және чиптің қай жылы өндірілгенін анықтау үшін төрт таңбалы күндік код. Өте кішкентай беттік монтаж технологиялық бөлшектерінде көбінесе интегралдық тізбектің сипаттамаларын табу үшін өндірушінің анықтама кестесінде қолданылатын нөмір ғана болады. Өндіріс күні әдетте екі таңбалы жылмен, содан кейін екі таңбалы апталық кодпен көрсетіледі, сондықтан 8341 коды бар бөлшек 1983 жылдың 41-ші аптасында, яғни шамамен 1983 жылдың қазан айында өндірілген.
Зияткерлік меншік
Интегралды схеманың әрбір қабатын фотоға түсіру арқылы көшіру мүмкіндігі және алынған фотосуреттер негізінде оны өндіру үшін фотомаскаларды дайындау, макеттік дизайнды қорғау туралы заңнаманы енгізудің себебі болды. 1984 жылғы АҚШ Жартылай өткізгіш микросхемаларын қорғау туралы заңы интегралды схемаларды өндіруге қолданылатын фотомаскаларға зияткерлік меншік құқығын қорғауды белгіледі. 1989 жылы Вашингтон қаласында өткен дипломатиялық конференцияда Интегралды схемаларға қатысты Интеллектуалдық меншік туралы шарт қабылданды, ол Вашингтон шарты немесе IPIC шарты деп те аталады. Шарты қазіргі уақытта күшіне енбеген, бірақ ішінара ТРИПС келісіміне енгізілген. Интегралды схемаға байланысты бірнеше АҚШ патенттері бар, олардың ішінде Дж. С. Килби мен Р. Ф. Стюарттың патенттері бар. IC макетін қорғау жөніндегі ұлттық заңдар бірқатар елдерде, соның ішінде Жапонияда, ЕО-да, Ұлыбританияда, Австралияда және Кореяда қабылданды. Ұлыбритания 1988 жылғы Авторлық құқық, дизайн және патент туралы заңды, 48-баптың 213-тарауында қабылдады, бастапқыда өзінің авторлық құқық заңы микросхемалық топографияларды толық қорғайды деген позицияда болды. British Leyland Motor Corp. v. Armstrong Patents Co. ісін қараңыз. АҚШ чип индустриясы тарапынан Ұлыбританияның авторлық құқық тәсілінің жеткіліксіздігі туралы сын-пікірлер чип құқықтарының одан әрі дамуында жиынтықталған. Австралия 1989 жылғы схемалық құрылымдар туралы заңды чиптерді қорғаудың ерекше түрі ретінде қабылдады. Корея 1992 жылы Жартылай өткізгіштік интегралды схемалардың макеттік дизайны туралы заң қабылдады.
National laws protecting IC layout designs have been adopted in a number of countries, including Japan, the EC, the UK, Australia, and Korea. The UK enacted the Copyright, Designs and Patents Act, 1988, c. 48, § 213, after it initially took the position that its copyright law fully protected chip topographies. See British Leyland Motor Corp. v. Armstrong Patents Co. Criticisms of inadequacy of the UK copyright approach as perceived by the US chip industry are summarized in further chip rights developments. Australia passed the Circuit Layouts Act of 1989 as a sui generis form of chip protection. Korea passed the Act Concerning the Layout Design of Semiconductor Integrated Circuits in 1992.
Шағын ауқымды интеграция (SSI)
Алғашқы интегралды схемалар тек бірнеше транзистордан тұрды. Оннан астам транзистордан құралған алғашқы цифрлық схемалар бірнеше логикалық қақпаларды қамтамасыз етті, ал Plessey SL201 немесе Philips TAA320 сияқты алғашқы сызықтық интегралды схемаларда (IC) екі транзистор ғана болды. Содан бері интегралды схемадағы транзисторлардың саны күрт өсті. "Көп масштабты интеграция" (LSI) терминін алғаш рет IBM ғалымы Рольф Ландауэр теориялық ұғымды сипаттағанда қолданды; бұл термин "кішкентай масштабты интеграция" (SSI), "орта масштабты интеграция" (MSI), "өте көп масштабты интеграция" (VLSI) және "ғылыми-көп масштабты интеграция" (ULSI) терминдерін тудырды. Алғашқы интегралды схемалар SSI болды. SSI схемалары ертедегі ғарыш және әуе шаруашылығы жобаларында маңызды рөл атқарды, ал ғарыш және әуе шаруашылығы жобалары технологияны дамытуға түрткіс берді. Minuteman зымыраны мен Apollo бағдарламасына инерциялық басқару жүйелері үшін жеңіл цифрлық компьютерлер қажет болды. Apollo басқару компьютері интегралды схема технологиясын дамытуға жетекшілік етіп, ынталандырды, бірақ оны жаппай өндіріске Minuteman зымыраны енгізді. Minuteman зымыран бағдарламасы және АҚШ Әскери-теңіз күштерінің бірнеше бағдарламалары 1962 жылы интегралды схема нарығының жалпы көлемін 4 миллион долларға жеткізді, ал 1968 жылы АҚШ үкіметінің ғарыш және қорғанысқа жұмсаған шығындары жалпы өндірістің 37% құрады. АҚШ үкіметінің сұранысы интегралды схема нарығының дамуына қолдау көрсетті, содан кейін құн төмендегенде IC фирмалары өнеркәсіптік нарыққа және, әрі қарай, тұтынушылар нарығына енуге мүмкіндік алды. Интегралды схеманың орташа бағасы 1962 жылы 50 доллардан 1968 жылы 2,33 долларға дейін төмендеді. Интегралды схемалар 1970-ші жылдардың басында тұтыну тауарларында пайда бола бастады. Типик қолданылуы – теледидар қабылдағыштарындағы FM аралық тасымалдағыш дыбысын өңдеу. Алғашқы қолданылған MOS чиптері кішкентай масштабты интеграция (SSI) чиптері болды. Ең алғашқы тәжірибелік MOS чипі 1962 жылы RCA-да Фред Хайман мен Стивен Хофштейн жасаған 16 транзисторлы чип болды. Сол жылы General Microelectronics компаниясы 120 p-арналы MOS транзисторларынан тұратын алғашқы коммерциялық MOS интегралды схемалық чипін ұсынды. MOS чиптері Мур заңымен болжағандай жылдамдықпен күрделене берді, нәтижесінде 1960-шы жылдардың соңында чиптерде жүздеген MOSFET-тер пайда болды. SSI, MSI және ерте LSI және VLSI құрылғыларын өңдеу және өндіру үшін қолданылған маскалар (мысалы, 1970-ші жылдардың басындағы микропроцессорлар) көбінесе қолмен жасалды, көбінесе Rubylith таспасын немесе осыған ұқсас материалдарды пайдалана отырып. Үлкен немесе күрделі интегралды схемалар үшін (мысалы, жад немесе процессорлар) бұл көбінесе схемалық орналасуға жауапты арнайы жұмысқа алынған мамандар жасады, олар инженерлер тобының қадағалауында болды, ал олар схемалық дизайнерлермен бірге әрбір масканың дұрыстығы мен толықтығын тексеріп, растады. 1K бит RAM, калькуляторлық чиптер және алғашқы микропроцессорлар сияқты интегралды схемалар, 1970-ші жылдардың басында шамалы көлемде өндіріле бастады, оларда 4000-қа жуық транзистор болды. 10 000 транзисторға жуық шынайы LSI схемалары 1974 жыл шамасында компьютерлердің негізгі жады және екінші буын микропроцессорлары үшін өндіріле бастады.
Өте ауқымды интеграция (VLSI)
"Өте үлкен ауқымды интеграция" (VLSI) – 1980-ші жылдардың басында жүздеген мың транзисторлармен басталган даму. 2023 жылға қарай чиптердегі транзисторлар саны 5,3 триллионнан асып түсті және одан әрі өсуде. Бұл тығыздықты арттыру үшін көптеген жетістіктер қажет болды. Өндірушілер кішірек MOSFET ережелеріне және таза өндіріс орталарына көшті. Технологиялық жақсартулардың бағытын Жартылай өткізгіштерге арналған халықаралық технологиялық жол картасы (ITRS) анықтады, кейіннен оның орнына Құрылғылар мен жүйелерге арналған халықаралық жол картасы (IRDS) келді. Электрондық жобалау құралдары жетілдіріліп, жобаларды оңтайлы уақытта аяқтау мүмкін болды. Энергияны тиімді пайдаланатын CMOS, NMOS және PMOS-ты ығыстырып, электр тұтынудың артуын болдырмады. Қазіргі заманғы VLSI құрылғыларының күрделілігі мен тығыздығы маскаларды немесе бастапқы жобаны қолмен тексеруді мүмкін емес етті. Оның орнына инженерлер функционалдық тексеру жұмыстарының басым бөлігін орындау үшін ЭЖА (Электрондық жобалауды автоматтандыру) құралдарын пайдаланады. 1986 жылы бір мегабит кездейсоқ сәйкес жад (RAM) чиптері енгізілді, олар бір миллионнан астам транзистордан тұрды. Микропроцессорлық чиптер 1989 жылы миллион транзистордан, ал 2005 жылы миллиард транзистордан асты. Бұл тенденция жалғасуда, 2007 жылы ұсынылған чиптер ондаған миллиард жад транзисторын қамтиды.
Кремнийді таңбалау және граффити
Өндіріс кезінде анықтау үшін, көптеген кремнийлі микросхемалардың бір бұрышында сериялық нөмір болады. Көбінесе өндірушінің логотипі де қосылады. Интегралды схемалар (IC) жасалғаннан бері, кейбір чип дизайнерлері кремний бетін құпия, пайдалы емес суреттер немесе сөздер үшін пайдаланған. Бұлар кейде чип-арт, кремний өнері, кремний граффити немесе кремнийдегі сызу деп аталады.