Интегральные схемы: миниатюризация и революция в электронике

Введение

Электронная схема, сформированная на небольшом плоском куске полупроводникового материала.

Интегральная схема (ИС), также известная как микрочип, компьютерный чип или просто чип, представляет собой небольшое электронное устройство, состоящее из множества взаимосвязанных электронных компонентов, таких как транзисторы, резисторы и конденсаторы. Эти компоненты наносятся на небольшой кусок полупроводникового материала, обычно кремния. Интегральные схемы используются в широком спектре электронных устройств, включая компьютеры, смартфоны и телевизоры, для выполнения различных функций, таких как обработка и хранение информации. Они оказали огромное влияние на область электроники, обеспечив миниатюризацию устройств и повышение их функциональности. Интегральные схемы на порядки меньше, быстрее и дешевле, чем схемы, построенные из дискретных компонентов, что позволяет размещать большое количество транзисторов. Возможность массового производства, надежность и модульный подход к проектированию интегральных схем обеспечили быстрое внедрение стандартизированных ИС вместо схем, использующих дискретные транзисторы. В настоящее время ИС используются практически во всем электронном оборудовании и совершили революцию в мире электроники. Компьютеры, мобильные телефоны и другие бытовые приборы стали неотъемлемой частью структуры современных обществ, что стало возможным благодаря небольшому размеру и низкой стоимости ИС, таких как современные компьютерные процессоры и микроконтроллеры. Сверхбольшая интеграция стала практичной благодаря технологическому прогрессу в производстве полупроводниковых приборов. С момента их появления в 1960-х годах размер, скорость и емкость чипов значительно возросли благодаря техническим достижениям, позволяющим размещать все больше и больше транзисторов на чипах одного размера – современный чип может содержать миллиарды транзисторов на площади, равной человеческому ногтю. Эти достижения, примерно соответствующие закону Мура, делают современные компьютерные чипы в миллионы раз более емкими и в тысячи раз более быстрыми, чем компьютерные чипы начала 1970-х годов. ИС имеют три основных преимущества перед схемами, построенными из дискретных компонентов: размер, стоимость и производительность. Небольшой размер и стоимость обусловлены тем, что чипы со всеми своими компонентами изготавливаются как единое целое с помощью фотолитографии, а не собираются по одному транзистору. Кроме того, корпусированные ИС используют гораздо меньше материала, чем дискретные схемы. Высокая производительность достигается благодаря быстрой работе компонентов ИС и их сравнительно низкому энергопотреблению из-за небольшого размера и близости расположения. Основным недостатком ИС является высокая первоначальная стоимость их разработки и огромные капитальные затраты на строительство завода. Эта высокая первоначальная стоимость означает, что ИС коммерчески целесообразны только при ожидаемых больших объемах производства.

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

Интегральная схема определяется как схема, в которой все или некоторые элементы схемы неразрывно связаны и электрически соединены между собой, в результате чего она считается неделимой для целей производства и коммерции. В строгом смысле, интегральная схема относится к конструкции схемы, выполненной как единое целое, первоначально известной как монолитная интегральная схема, созданная на одном кристалле кремния. В широком смысле, схемы, не соответствующие этому строгому определению, иногда также называют интегральными схемами, которые изготавливаются с использованием различных технологий, таких как 3D IC, 2.5D IC, MCM, тонкопленочные транзисторы, технологии толстых пленок или гибридные интегральные схемы. Вопрос выбора терминологии часто возникает в дискуссиях о том, актуален ли закон Мура.

История

Ранней попыткой объединить несколько компонентов в одном устройстве (как и современные ИС) была вакуумная лампа Loewe 3NF, впервые созданная в 1926 году. В отличие от ИС, она была разработана с целью уклонения от уплаты налогов, поскольку в Германии на радиоприемники взимался налог, зависящий от количества гнезд для ламп в радиоприемнике. Это позволило радиоприемникам иметь одно гнездо для лампы. Было произведено миллион экземпляров, и это был «первый шаг в интеграции радиоэлектронных устройств». Устройство содержало усилитель, состоящий из трех триодов, двух конденсаторов и четырех резисторов в шестивыводном корпусе. Первые концепции интегральной схемы относятся к 1949 году, когда немецкий инженер Вернер Якоби (Siemens AG) подал заявку на патент на полупроводниковое усиливающее устройство, подобное интегральной схеме, демонстрирующее пять транзисторов на общей подложке в трехкаскадной усилительной схеме. Якоби указал небольшие и недорогие слуховые аппараты как типичные промышленные применения своего патента. О немедленном коммерческом использовании его патента не сообщалось. Другим ранним сторонником этой концепции был Джеффри Даммер (1909–2002), ученый-радиолокатор, работавший в Королевском радиолокационном заведении Министерства обороны Великобритании. Даммер представил эту идею публике на симпозиуме «Прогресс в области качественных электронных компонентов» в Вашингтоне, округ Колумбия, 7 мая 1952 года. Он публично выступал на многих симпозиумах, чтобы продвигать свои идеи, и безуспешно пытался создать такую схему в 1956 году. В период с 1953 по 1957 год Сидни Дарлингтон и Ясуо Таруи (Электротехническая лаборатория) предложили аналогичные конструкции чипов, в которых несколько транзисторов могли использовать общую активную область, но не было электрической изоляции для их разделения.

Первые интегральные схемы

Предшественником интегральной схемы (ИС) было создание небольших керамических подложек (так называемых микромодулей). Однако, по мере развития проекта, Килби предложил новый, революционный дизайн: ИС. Недавно принятый на работу в Texas Instruments, Килби записал свои первые идеи, касающиеся интегральной схемы, в июле 1958 года и успешно продемонстрировал первый рабочий образец 12 сентября 1958 года. В своей заявке на патент от 6 февраля 1959 года Килби описал свое новое устройство как "тело полупроводникового материала, в котором все компоненты электронной схемы полностью интегрированы". Первым заказчиком нового изобретения стали ВВС США. Килби был удостоен Нобелевской премии по физике в 2000 году за вклад в изобретение интегральной схемы. Однако изобретение Килби не являлось полноценной монолитной интегральной микросхемой, поскольку имело внешние соединения золотой проволокой, что затрудняло массовое производство. Спустя полгода после Килби, Роберт Нойс из Fairchild Semiconductor изобрел первую настоящую монолитную микросхему.

Интегрированные схемы TTL

Транзистор-транзисторная логика (ТТЛ) была разработана Джеймсом Л. Буи в начале 1960-х годов в компании TRW Inc. ТТЛ стала доминирующей технологией интегральных схем в 1970-х – начале 1980-х годов. Десятки интегральных схем ТТЛ являлись стандартным методом построения процессоров миникомпьютеров и мейнфреймов. Компьютеры, такие как мейнфреймы IBM 360, миникомпьютеры PDP 11 и настольный компьютер Datapoint 2200, были созданы на основе биполярных интегральных схем. MOSFET (также известный как МОП-транзистор), изобретенный Мохамедом М. Аталлой и Давоном Кангом в Bell Labs в 1959 году, позволил создавать интегральные схемы высокой плотности. В отличие от биполярных транзисторов, для изоляции p–n-переходов транзисторов на кристалле требовалось несколько этапов, МОП-транзисторы не нуждались в таких этапах, но их можно было легко изолировать друг от друга. Давон Канг указал на это преимущество для интегральных схем в 1961 году. В список вех IEEE входят первая интегральная схема Килби (1958 год), планарный процесс Хоерни и планарная интегральная схема Нойса (1959 год), а также МОП-транзистор Аталлы и Кангом (1959 год). Самой ранней экспериментальной микросхемой МОП являлся 16-транзисторный чип, созданный Фредом Хейманом и Стивеном Хофштейном в RCA в 1962 году. General Microelectronics позже представила первую коммерческую интегральную схему МОП в 1964 году – 120-транзисторный сдвиговый регистр, разработанный Робертом Норманом. После разработки МОП-транзистора с самовыравнивающимся затвором (кремниевым затвором) Робертом Кервином, Дональдом Клейном и Джоном Сарасом в Bell Labs в 1967 году, первая технология МОП-интегральных схем с кремниевым затвором и самовыравнивающимися затворами, лежащая в основе всех современных КМОП-интегральных схем, была разработана Федерико Фаггином в Fairchild Semiconductor в 1968 году. Применение чипов МОП LSI в вычислительной технике стало основой для первых микропроцессоров, поскольку инженеры осознали, что полный компьютерный процессор может быть размещен на одном чипе МОП LSI. Это привело к изобретению микропроцессора и микроконтроллера в начале 1970-х годов. Первоначально компьютеры на основе МОП имели смысл только там, где требовалась высокая плотность, например, в аэрокосмической отрасли и карманных калькуляторах. Компьютеры, полностью построенные на ТТЛ, такие как Datapoint 2200 1970 года, были намного быстрее и мощнее, чем однокристальные микропроцессоры МОП, такие как Intel 8008 1972 года, до начала 1980-х годов. Усовершенствования в технологии ИС, главным образом уменьшение размеров элементов и увеличение размеров чипов, позволили удвоить количество МОП-транзисторов в интегральной схеме каждые два года – тенденция, известная как закон Мура. Первоначально Мур утверждал, что количество транзисторов будет удваиваться каждый год, но в 1975 году он изменил это утверждение на каждые два года. Эта возросшая емкость использовалась для снижения стоимости и повышения функциональности. В целом, по мере уменьшения размеров элементов почти каждый аспект работы ИС улучшается. Стоимость транзистора и потребляемая мощность переключения транзистора снижаются, а емкость памяти и скорость увеличиваются благодаря соотношениям, определяемым масштабированием Деннарда (масштабированием МОП-транзисторов). Поскольку увеличение скорости, емкости и снижение энергопотребления очевидны для конечного пользователя, производители остро конкурируют за использование более тонких геометрических размеров. За эти годы размеры транзисторов уменьшились с десятков микрон в начале 1970-х годов до 10 нанометров в 2017 году, что соответствует миллионкратному увеличению количества транзисторов на единицу площади. По состоянию на 2016 год типичные площади чипов варьируются от нескольких квадратных миллиметров до примерно 600 мм², с плотностью до 25 миллионов транзисторов на мм². Ожидаемое уменьшение размеров элементов и необходимый прогресс в смежных областях на протяжении многих лет прогнозировался Международной технологической дорожной картой для полупроводников (ITRS). Последняя ITRS была выпущена в 2016 году и заменяется Международной дорожной картой для устройств и систем. Первоначально ИС были исключительно электронными устройствами. Успех ИС привел к интеграции других технологий в попытке получить те же преимущества – малый размер и низкая стоимость. Эти технологии включают механические устройства, оптику и датчики. Приборы с зарядовой связью и тесно связанные с ними активные пиксельные датчики – это чипы, чувствительные к свету. Они во многом заменили фотопленку в научных, медицинских и потребительских приложениях. Каждый год производятся миллиарды этих устройств для таких применений, как мобильные телефоны, планшеты и цифровые камеры. Это направление в области ИС было отмечено Нобелевской премией в 2009 году. Очень маленькие механические устройства, приводимые в действие электричеством, могут быть интегрированы на чипы – технология, известная как микроэлектромеханические системы (MEMS). Эти устройства были разработаны в конце 1980-х годов и используются в различных коммерческих и военных приложениях. Примеры включают DLP-проекторы, струйные принтеры, акселерометры и гироскопы MEMS, используемые для развертывания автомобильных подушек безопасности. С начала 2000-х годов активно ведутся исследования по интеграции оптической функциональности (оптических вычислений) в кремниевые чипы как в академических кругах, так и в промышленности, что привело к успешной коммерциализации интегральных оптических трансиверов на основе кремния, объединяющих оптические устройства (модуляторы, детекторы, маршрутизаторы) с КМОП-электроникой. Разрабатываются и фотонные интегральные схемы, использующие свет, такие как PACE (Photonic Arithmetic Computing Engine) компании Lightelligence, использующие развивающуюся область физики, известную как фотоника. Интегральные схемы также разрабатываются для применения датчиков в медицинских имплантатах или других биоэлектронных устройствах. В таких биогенных средах необходимо применять специальные методы герметизации, чтобы избежать коррозии или биоразложения открытых полупроводниковых материалов. По состоянию на 2018 год подавляющее большинство всех транзисторов – это МОП-транзисторы, изготовленные на одном слое на одной стороне кремниевого чипа в плоском двухмерном планарном процессе. Исследователи создали прототипы нескольких перспективных альтернатив, таких как: различные подходы к укладке нескольких слоев транзисторов для создания трехмерной интегральной схемы (3DIC), такие как через кремниевые переходные отверстия, "монолитная 3D", укладка проволочных соединений и другие методики; транзисторы, изготовленные из других материалов: графеновые транзисторы, молибденитовые транзисторы, полевые транзисторы на основе углеродных нанотрубок, нитрид-галлиевые транзисторы, транзистоподобные нанопроволочные электронные устройства, органические полевые транзисторы и т. д.; изготовление транзисторов на всей поверхности маленькой сферы из кремния; модификации подложки, обычно для создания "гибких транзисторов" для гибкого дисплея или другой гибкой электроники, возможно, приводящие к созданию компьютера, который можно свернуть. Поскольку производство все меньших и меньших транзисторов становится все более сложным, компании используют многочиповые модули, трехмерные интегральные схемы, упаковку на упаковку, память с высокой пропускной способностью и через кремниевые переходные отверстия со штабелированием кристаллов для повышения производительности и уменьшения размера без необходимости уменьшения размера транзисторов. Эти методы в совокупности известны как передовая упаковка. Передовая упаковка в основном делится на 2,5D и 3D упаковку. 2,5D описывает подходы, такие как многочиповые модули, а 3D описывает подходы, при которых кристаллы укладываются тем или иным образом, такие как упаковка на упаковку и память с высокой пропускной способностью. Все подходы включают 2 или более кристалла в одной упаковке. В качестве альтернативы, такие подходы, как 3D NAND, укладывают несколько слоев на одном кристалле. Была продемонстрирована технология включения микрофлюидного охлаждения в интегральные схемы для повышения эффективности охлаждения, а также пельтьеровские термоэлектрические охладители на выводах припоя или тепловые выводы припоя, используемые исключительно для рассеивания тепла, используемые в перевернутом монтаже чипа.

Transistor–transistor logic (TTL) was developed by James L. Buie in the early 1960s at TRW Inc. TTL became the dominant integrated circuit technology during the 1970s to early 1980s. Dozens of TTL integrated circuits were a standard method of construction for the processors of minicomputers and mainframe computers. Computers such as IBM 360 mainframes, PDP 11 minicomputers and the desktop Datapoint 2200 were built from bipolar integrated circuits, The MOSFET (also known as the MOS transistor), which was invented by Mohamed M. Atalla and Dawon Kahng at Bell Labs in 1959, made it possible to build high density integrated circuits. In contrast to bipolar transistors which required a number of steps for the p–n junction isolation of transistors on a chip, MOSFETs required no such steps but could be easily isolated from each other. Its advantage for integrated circuits was pointed out by Dawon Kahng in 1961. The list of IEEE milestones includes the first integrated circuit by Kilby in 1958, Hoerni's planar process and Noyce's planar IC in 1959, and the MOSFET by Atalla and Kahng in 1959. The earliest experimental MOS IC to be fabricated was a 16 transistor chip built by Fred Heiman and Steven Hofstein at RCA in 1962. General Microelectronics later introduced the first commercial MOS integrated circuit in 1964, a 120 transistor shift register developed by Robert Norman. Following the development of the self aligned gate (silicon gate) MOSFET by Robert Kerwin, Donald Klein and John Sarace at Bell Labs in 1967, the first silicon gate MOS IC technology with self aligned gates, the basis of all modern CMOS integrated circuits, was developed at Fairchild Semiconductor by Federico Faggin in 1968. The application of MOS LSI chips to computing was the basis for the first microprocessors, as engineers began recognizing that a complete computer processor could be contained on a single MOS LSI chip. This led to the inventions of the microprocessor and the microcontroller by the early 1970s. At first, MOS based computers only made sense when high density was required, such as aerospace and pocket calculators. Computers built entirely from TTL, such as the 1970 Datapoint 2200, were much faster and more powerful than single chip MOS microprocessors such as the 1972 Intel 8008 until the early 1980s. Advances in IC technology, primarily smaller features and larger chips, have allowed the number of MOS transistors in an integrated circuit to double every two years, a trend known as Moore's law. Moore originally stated it would double every year, but he went on to change the claim to every two years in 1975. This increased capacity has been used to decrease cost and increase functionality. In general, as the feature size shrinks, almost every aspect of an IC's operation improves. The cost per transistor and the switching power consumption per transistor goes down, while the memory capacity and speed go up, through the relationships defined by Dennard scaling (MOSFET scaling). Because speed, capacity, and power consumption gains are apparent to the end user, there is fierce competition among the manufacturers to use finer geometries. Over the years, transistor sizes have decreased from tens of microns in the early 1970s to 10 nanometers in 2017 with a corresponding million fold increase in transistors per unit area. As of 2016, typical chip areas range from a few square millimeters to around 600 mm2, with up to 25 million transistors per mm2. The expected shrinking of feature sizes and the needed progress in related areas was forecast for many years by the International Technology Roadmap for Semiconductors (ITRS). The final ITRS was issued in 2016, and it is being replaced by the International Roadmap for Devices and Systems. Initially, ICs were strictly electronic devices. The success of ICs has led to the integration of other technologies, in an attempt to obtain the same advantages of small size and low cost. These technologies include mechanical devices, optics, and sensors. Charge coupled devices, and the closely related active pixel sensors, are chips that are sensitive to light. They have largely replaced photographic film in scientific, medical, and consumer applications. Billions of these devices are now produced each year for applications such as cellphones, tablets, and digital cameras. This sub field of ICs won the Nobel Prize in 2009. Very small mechanical devices driven by electricity can be integrated onto chips, a technology known as microelectromechanical systems (MEMS). These devices were developed in the late 1980s and are used in a variety of commercial and military applications. Examples include DLP projectors, inkjet printers, and accelerometers and MEMS gyroscopes used to deploy automobile airbags. Since the early 2000s, the integration of optical functionality (optical computing) into silicon chips has been actively pursued in both academic research and in industry resulting in the successful commercialization of silicon based integrated optical transceivers combining optical devices (modulators, detectors, routing) with CMOS based electronics. Photonic integrated circuits that use light such as Lightelligence's PACE (Photonic Arithmetic Computing Engine) also being developed, using the emerging field of physics known as photonics. Integrated circuits are also being developed for sensor applications in medical implants or other bioelectronic devices. Special sealing techniques have to be applied in such biogenic environments to avoid corrosion or biodegradation of the exposed semiconductor materials. as of 2018, the vast majority of all transistors are MOSFETs fabricated in a single layer on one side of a chip of silicon in a flat two dimensional planar process. Researchers have produced prototypes of several promising alternatives, such as:
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

Стоимость проектирования и разработки сложной интегральной схемы весьма высока, обычно исчисляется десятками миллионов долларов. Поэтому экономически оправдано производить интегральные схемы только при больших объемах выпуска, чтобы распределить затраты на невозвратные инженерные работы (NRE) на миллионы производимых изделий. Современные полупроводниковые чипы содержат миллиарды компонентов и настолько сложны, что их невозможно спроектировать вручную. Программные средства, помогающие разработчику, абсолютно необходимы. Автоматизация проектирования электронных устройств (EDA), также известная как автоматизированное компьютерное проектирование электроники (ECAD), представляет собой категорию программных инструментов для проектирования электронных систем, включая интегральные схемы. Эти инструменты взаимодействуют в рамках технологического процесса проектирования, который инженеры используют для разработки, верификации и анализа целых полупроводниковых чипов. Некоторые новейшие инструменты EDA используют искусственный интеллект (ИИ) для экономии времени инженеров и повышения производительности чипов.

Изготовление

Полупроводники периодической таблицы химических элементов были определены как наиболее вероятные материалы для создания твердотельной вакуумной лампы. Начиная с оксида меди, затем германия и, наконец, кремния, эти материалы систематически изучались в 1940-х и 1950-х годах. Сегодня монокристаллический кремний является основным материалом подложки для интегральных схем (ИС), хотя некоторые соединения элементов III–V группы, такие как арсенид галлия, используются в специализированных областях, например, в светодиодах, лазерах, солнечных элементах и высокоскоростных интегральных схемах. Потребовались десятилетия, чтобы отработать методы создания кристаллов с минимальным количеством дефектов в кристаллической структуре полупроводников. Полупроводниковые ИС изготавливаются в планарном процессе, включающем три основных этапа: фотолитографию, нанесение покрытий (например, химическое осаждение из газовой фазы) и травление. Основные этапы процесса дополняются легированием и очисткой. В более современных или высокопроизводительных ИС вместо планарных транзисторов могут использоваться многозатворные транзисторы FinFET или GAAFET, начиная с технологического узла 22 нм (Intel) или 16/14 нм. Монокристаллические кремниевые пластины используются в большинстве применений (или для специальных применений используются другие полупроводники, такие как арсенид галлия). Пластина не обязательно должна быть полностью кремниевой. Фотолитография используется для нанесения разметки на различные участки подложки для легирования или нанесения на них поликремния, изоляторов или металлических (обычно алюминиевых или медных) проводников. Легирующие примеси – это преднамеренно вводимые в полупроводник примеси для изменения его электронных свойств. Легирование – это процесс добавления легирующих примесей в полупроводниковый материал. Интегральные схемы состоят из множества перекрывающихся слоев, каждый из которых формируется с помощью фотолитографии и обычно отображается разными цветами. Некоторые слои показывают места диффузии различных легирующих примесей в подложку (диффузионные слои), некоторые определяют места имплантации дополнительных ионов (имплантационные слои), некоторые формируют проводники (легированный поликремний или металлические слои), а некоторые определяют соединения между проводящими слоями (переходные или контактные слои). Все компоненты создаются из определенной комбинации этих слоев. В процессе самовыравнивания CMOS транзистор формируется там, где слой затвора (поликремний или металл) пересекает диффузионный слой (это называется «самовыравнивающийся затвор»). Емкостные структуры, по форме очень похожие на параллельные проводящие пластины традиционного электрического конденсатора, формируются в соответствии с площадью «пластин» с изолирующим материалом между ними. Конденсаторы широкого диапазона размеров широко используются в ИС. Иногда для создания резисторов на чипе используются извилистые полосы различной длины, хотя большинству логических схем резисторы не требуются. Сопротивление определяется отношением длины сопротивляющей структуры к ее ширине в сочетании с ее поверхностным сопротивлением. Реже индуктивные структуры могут быть созданы в виде крошечных на чипе катушек или смоделированы гираторами. Поскольку CMOS-устройство потребляет ток только при переключении между логическими состояниями, CMOS-устройства потребляют гораздо меньше тока, чем транзисторы с биполярным переходом. Память произвольного доступа является наиболее распространенным типом интегральной схемы; устройства с наибольшей плотностью, следовательно, являются памятью; но даже микропроцессор содержит память на чипе. (См. регулярную структуру массива внизу первого изображения.) Хотя структуры сложны – с шириной, которая уменьшается на протяжении десятилетий – слои остаются намного тоньше, чем ширина устройств. Слои материала создаются аналогично фотографическому процессу, хотя световые волны видимого спектра не могут быть использованы для «экспонирования» слоя материала, поскольку они были бы слишком велики для элементов. Поэтому для создания шаблонов для каждого слоя используются фотоны более высокой частоты (обычно ультрафиолетовые). Поскольку каждый элемент настолько мал, электронные микроскопы являются важными инструментами для инженера, отлаживающего производственный процесс. Каждое устройство тестируется перед упаковкой с помощью автоматизированного тестового оборудования (ATE) в процессе, известном как тестирование пластин или зондирование пластин. Затем пластина разрезается на прямоугольные блоки, каждый из которых называется кристалом (die). Каждый исправный кристалл (множественное число: кристаллы, dies или die) затем подключается к корпусу с помощью алюминиевых (или золотых) соединительных проводов, которые термозвуковым способом припаиваются к площадкам, обычно расположенным по краю кристалла. Термозвуковая сварка была впервые представлена А. Кукуласом, что обеспечило надежный способ формирования этих важных электрических соединений с внешним миром. После упаковки устройства проходят окончательное тестирование на том же или аналогичном ATE, которое использовалось при зондировании пластин. Также может использоваться промышленная компьютерная томография. Стоимость тестирования может составлять более 25% от стоимости изготовления продукции с низкой стоимостью, но может быть незначительной для продукции с низкой производительностью, большей или более высокой стоимостью. По состоянию на 2022 год строительство производственного предприятия (обычно называемого полупроводниковым заводом) может стоить более 12 миллиардов долларов США. Стоимость производственного предприятия со временем растет из-за увеличения сложности новых продуктов; это известно как закон Рока. Такое предприятие включает в себя:
Пластины диаметром до 300 мм (шире обычной обеденной тарелки). По состоянию на 2022 год – транзисторы с размером 5 нм. Медные соединения, в которых медная проводка заменяет алюминий для соединений. Диэлектрические изоляторы с низкой диэлектрической проницаемостью (low-κ). Кремний на изоляторе (SOI). Напряженный кремний в процессе, используемом IBM, известном как напряженный кремний непосредственно на изоляторе (SSDOI). Многозатворные устройства, такие как трехзатворные транзисторы. ИС могут производиться либо собственными силами интегрированными производителями устройств (IDM), либо с использованием фаундри-модели. IDM – это вертикально интегрированные компании (например, Intel и Samsung), которые разрабатывают, производят и продают свои собственные ИС и могут предлагать услуги проектирования и/или производства (фаундри) другим компаниям (последнее часто для fabless-компаний). В фаундри-модели fabless-компании (например, Nvidia) только разрабатывают и продают ИС и передают все производство на аутсорсинг специализированным фаундри, таким как TSMC. Эти фаундри могут предлагать услуги проектирования ИС.

The semiconductors of the periodic table of the chemical elements were identified as the most likely materials for a solid state vacuum tube. Starting with copper oxide, proceeding to germanium, then silicon, the materials were systematically studied in the 1940s and 1950s. Today, monocrystalline silicon is the main substrate used for ICs although some III V compounds of the periodic table such as gallium arsenide are used for specialized applications like LEDs, lasers, solar cells and the highest speed integrated circuits. It took decades to perfect methods of creating crystals with minimal defects in semiconducting materials' crystal structure. Semiconductor ICs are fabricated in a planar process which includes three key process steps photolithography, deposition (such as chemical vapor deposition), and etching. The main process steps are supplemented by doping and cleaning. More recent or high performance ICs may instead use multi gate FinFET or GAAFET transistors instead of planar ones, starting at the 22 nm node (Intel) or 16/14 nm nodes. Mono crystal silicon wafers are used in most applications (or for special applications, other semiconductors such as gallium arsenide are used). The wafer need not be entirely silicon. Photolithography is used to mark different areas of the substrate to be doped or to have polysilicon, insulators or metal (typically aluminium or copper) tracks deposited on them. Dopants are impurities intentionally introduced to a semiconductor to modulate its electronic properties. Doping is the process of adding dopants to a semiconductor material. Integrated circuits are composed of many overlapping layers, each defined by photolithography, and normally shown in different colors. Some layers mark where various dopants are diffused into the substrate (called diffusion layers), some define where additional ions are implanted (implant layers), some define the conductors (doped polysilicon or metal layers), and some define the connections between the conducting layers (via or contact layers). All components are constructed from a specific combination of these layers. In a self aligned CMOS process, a transistor is formed wherever the gate layer (polysilicon or metal) crosses a diffusion layer (this is called "the self aligned gate"). Capacitive structures, in form very much like the parallel conducting plates of a traditional electrical capacitor, are formed according to the area of the "plates", with insulating material between the plates. Capacitors of a wide range of sizes are common on ICs. Meandering stripes of varying lengths are sometimes used to form on chip resistors, though most logic circuits do not need any resistors. The ratio of the length of the resistive structure to its width, combined with its sheet resistivity, determines the resistance. More rarely, inductive structures can be built as tiny on chip coils, or simulated by gyrators. Since a CMOS device only draws current on the transition between logic states, CMOS devices consume much less current than bipolar junction transistor devices. A random access memory is the most regular type of integrated circuit; the highest density devices are thus memories; but even a microprocessor will have memory on the chip. (See the regular array structure at the bottom of the first image.) Although the structures are intricate – with widths which have been shrinking for decades – the layers remain much thinner than the device widths. The layers of material are fabricated much like a photographic process, although light waves in the visible spectrum cannot be used to "expose" a layer of material, as they would be too large for the features. Thus photons of higher frequencies (typically ultraviolet) are used to create the patterns for each layer. Because each feature is so small, electron microscopes are essential tools for a process engineer who might be debugging a fabrication process. Each device is tested before packaging using automated test equipment (ATE), in a process known as wafer testing, or wafer probing. The wafer is then cut into rectangular blocks, each of which is called a die. Each good die (plural dice, dies, or die) is then connected into a package using aluminium (or gold) bond wires which are thermosonically bonded to pads, usually found around the edge of the die. Thermosonic bonding was first introduced by A. Coucoulas which provided a reliable means of forming these vital electrical connections to the outside world. After packaging, the devices go through final testing on the same or similar ATE used during wafer probing. Industrial CT scanning can also be used. Test cost can account for over 25% of the cost of fabrication on lower cost products, but can be negligible on low yielding, larger, or higher cost devices. as of 2022, a fabrication facility (commonly known as a semiconductor fab) can cost over US$12 billion to construct. The cost of a fabrication facility rises over time because of increased complexity of new products; this is known as Rock's law. Such a facility features:
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.

Упаковка

Самые ранние интегральные схемы упаковывались в керамические плоские корпуса, которые продолжали использоваться военными в течение многих лет благодаря их надежности и небольшому размеру. Коммерческая упаковка схем быстро перешла к корпусу с двойным встроенным рядом выводов (DIP), сначала керамическому, а затем пластиковому, который обычно представляет собой крезолоформальдегидный новолак. В 1980-х годах количество выводов в схемах VLSI превысило практический предел для упаковки DIP, что привело к появлению корпусов с матрицей выводов (PGA) и бессвинцовых корпусов чипов (LCC). Упаковка для поверхностного монтажа появилась в начале 1980-х годов и стала популярной в конце 1980-х годов, используя более мелкий шаг выводов с выводами в виде "чайчьего крыла" или J-образных выводов, как это демонстривается в корпусе с малогабаритной интегральной схемой (SOIC) – корпусе, занимающем площадь примерно на 30–50% меньше, чем эквивалентный DIP, и обычно на 70% тоньше. Этот корпус имеет "чайчьи крылья", выступающие из двух длинных сторон, и расстояние между выводами 0,050 дюйма. В конце 1990-х годов пластиковые корпуса с четырьмя плоскими рядами выводов (PQFP) и тонкие корпуса с малогабаритной интегральной схемой (TSOP) стали наиболее распространенными для устройств с большим количеством выводов, хотя корпуса PGA все еще используются для высокопроизводительных микропроцессоров. Корпуса с шариковой матрицей выводов (BGA) существуют с 1970-х годов. Корпуса с шариковой матрицей выводов типа flip-chip, которые позволяют иметь гораздо большее количество выводов, чем другие типы корпусов, были разработаны в 1990-х годах. В корпусе FCBGA кристалл устанавливается перевернутым и соединяется с шариками корпуса через подложку корпуса, которая похожа на печатную плату, а не на проводники. Корпуса FCBGA позволяют распределить матрицу входных и выходных сигналов (называемую Area I/O) по всей площади кристалла, а не ограничиваться его периферией. Устройства BGA имеют преимущество в том, что не требуют специального сокета, но их гораздо сложнее заменить в случае отказа устройства. Intel перешла от PGA к сетчатым контактам (LGA) и BGA, начиная с 2004 года, а последний сокет PGA был выпущен в 2014 году для мобильных платформ. По состоянию на 2018 год AMD использует корпуса PGA для основных настольных процессоров, корпуса BGA для мобильных процессоров, а высокопроизводительные настольные и серверные микропроцессоры используют корпуса LGA. Электрические сигналы, покидающие кристалл, должны проходить через материал, электрически соединяющий кристалл с корпусом, через проводящие дорожки (трассы) в корпусе, через выводы, соединяющие корпус с проводящими дорожками на печатной плате. Материалы и структуры, используемые на пути, по которому проходят эти электрические сигналы, имеют очень разные электрические свойства по сравнению с теми, которые проходят к различным частям одного и того же кристалла. В результате они требуют специальных методов проектирования, чтобы гарантировать, что сигналы не искажаются, и потребляют гораздо больше электрической энергии, чем сигналы, ограниченные самим кристаллом. Когда несколько кристаллов помещаются в один корпус, результатом является система в корпусе, сокращенно SiP (System in Package). Многочиповой модуль (MCM) создается путем объединения нескольких кристаллов на небольшой подложке, часто изготовленной из керамики. Различие между большим MCM и маленькой печатной платой иногда размыто. Упакованные интегральные схемы обычно достаточно велики, чтобы включать в себя идентификационную информацию. Четыре общих раздела – это название или логотип производителя, номер детали, номер производственной партии и серийный номер, а также четырехзначный код даты, чтобы определить, когда чип был изготовлен. На очень маленьких деталях с технологией поверхностного монтажа часто указывается только номер, используемый в таблице поиска производителя для определения характеристик интегральной схемы. Дата изготовления обычно представлена двузначным годом, за которым следует двузначный код недели, так что деталь с кодом 8341 была изготовлена на 41-й неделе 1983 года, или примерно в октябре 1983 года.

The earliest integrated circuits were packaged in ceramic flat packs, which continued to be used by the military for their reliability and small size for many years. Commercial circuit packaging quickly moved to the dual in line package (DIP), first in ceramic and later in plastic, which is commonly cresol formaldehyde novolac. In the 1980s pin counts of VLSI circuits exceeded the practical limit for DIP packaging, leading to pin grid array (PGA) and leadless chip carrier (LCC) packages. Surface mount packaging appeared in the early 1980s and became popular in the late 1980s, using finer lead pitch with leads formed as either gull wing or J lead, as exemplified by the small outline integrated circuit (SOIC) package – a carrier which occupies an area about 30–50% less than an equivalent DIP and is typically 70% thinner. This package has "gull wing" leads protruding from the two long sides and a lead spacing of 0.050 inches. In the late 1990s, plastic quad flat pack (PQFP) and thin small outline package (TSOP) packages became the most common for high pin count devices, though PGA packages are still used for high end microprocessors. Ball grid array (BGA) packages have existed since the 1970s. Flip chip Ball Grid Array packages, which allow for a much higher pin count than other package types, were developed in the 1990s. In an FCBGA package, the die is mounted upside down (flipped) and connects to the package balls via a package substrate that is similar to a printed circuit board rather than by wires. FCBGA packages allow an array of input output signals (called Area I/O) to be distributed over the entire die rather than being confined to the die periphery. BGA devices have the advantage of not needing a dedicated socket but are much harder to replace in case of device failure. Intel transitioned away from PGA to land grid array (LGA) and BGA beginning in 2004, with the last PGA socket released in 2014 for mobile platforms. as of 2018, AMD uses PGA packages on mainstream desktop processors, BGA packages on mobile processors, and high end desktop and server microprocessors use LGA packages. Electrical signals leaving the die must pass through the material electrically connecting the die to the package, through the conductive traces (paths) in the package, through the leads connecting the package to the conductive traces on the printed circuit board. The materials and structures used in the path these electrical signals must travel have very different electrical properties, compared to those that travel to different parts of the same die. As a result, they require special design techniques to ensure the signals are not corrupted, and much more electric power than signals confined to the die itself. When multiple dies are put in one package, the result is a system in package, abbreviated SiP (System in Package). A multi chip module (MCM (multi chip module)), is created by combining multiple dies on a small substrate often made of ceramic. The distinction between a large MCM and a small printed circuit board is sometimes fuzzy. Packaged integrated circuits are usually large enough to include identifying information. Four common sections are the manufacturer's name or logo, the part number, a part production batch number and serial number, and a four digit date code to identify when the chip was manufactured. Extremely small surface mount technology parts often bear only a number used in a manufacturer's lookup table to find the integrated circuit's characteristics. The manufacturing date is commonly represented as a two digit year followed by a two digit week code, such that a part bearing the code 8341 was manufactured in week 41 of 1983, or approximately in October 1983.

Интеллектуальная собственность

Возможность копирования путем фотографирования каждого слоя интегральной схемы и подготовки фотомасок для ее производства на основе полученных фотографий послужила причиной для введения законодательства о защите схемных решений. Закон США о защите полупроводниковых микросхем 1984 года установил защиту интеллектуальной собственности для фотомасок, используемых при производстве интегральных схем. Дипломатическая конференция, состоявшаяся в Вашингтоне, округ Колумбия, в 1989 году, приняла Договор об интеллектуальной собственности в отношении интегральных схем, также известный как Вашингтонский договор или Договор IPIC. В настоящее время договор не вступил в силу, но его положения были частично включены в соглашение ТРИПС. Существует ряд патентов США, связанных с интегральными схемами, в том числе патенты Дж. С. Килби, и Р. Ф. Стюарта. Национальные законы, защищающие макеты интегральных схем, были приняты во многих странах, включая Японию, Европейское сообщество, Великобританию, Австралию и Корею. В Великобритании был принят Закон об авторском праве, дизайне и патентах 1988 года, гл. 48, § 213, после первоначальной позиции о том, что действующее законодательство об авторском праве в полной мере защищает топологии микросхем. См. дело British Leyland Motor Corp. против Armstrong Patents Co. Критика недостаточности британского подхода к авторскому праву, высказанная американской индустрией микросхем, изложена в материалах о дальнейшем развитии прав на микросхемы. Австралия приняла Закон о схемах 1989 года, представляющий собой sui generis форму защиты микросхем. В 1992 году Корея приняла Закон о конструкциях полупроводниковых интегральных схем.

Маломасштабная интеграция (ММИ)

Первые интегральные схемы содержали лишь несколько транзисторов. Ранние цифровые схемы, содержащие десятки транзисторов, обеспечивали несколько логических элементов, а ранние линейные интегральные схемы, такие как Plessey SL201 или Philips TAA320, имели всего два транзистора. С тех пор количество транзисторов в интегральной схеме значительно возросло. Термин «интеграция большого масштаба» (LSI) впервые был использован ученым IBM Рольфом Ландауэром при описании теоретической концепции; этот термин породил термины «интеграция малого масштаба» (SSI), «интеграция среднего масштаба» (MSI), «интеграция очень большого масштаба» (VLSI) и «интеграция сверхбольшого масштаба» (ULSI). Первыми интегральными схемами были SSI. Схемы SSI имели решающее значение для ранних аэрокосмических проектов, а аэрокосмические проекты способствовали развитию этой технологии. И ракета «Минутмен», и программа «Аполлон» нуждались в легких цифровых компьютерах для своих инерциальных систем наведения. Хотя компьютер управления программой «Аполлон» лидировал и стимулировал развитие технологии интегральных схем, именно ракета «Минутмен» обеспечила ее массовое производство. Программа ракет «Минутмен» и различные другие программы ВМС США составили общий рынок интегральных схем в размере 4 миллионов долларов в 1962 году, а к 1968 году государственные расходы США на космос и оборону по-прежнему составляли 37% от общего объема производства в 312 миллионов долларов. Спрос со стороны правительства США поддерживал зарождающийся рынок интегральных схем, пока затраты не снизились настолько, чтобы позволить компаниям, производящим интегральные схемы, выйти на промышленный рынок и, в конечном итоге, на потребительский рынок. Средняя цена за интегральную схему упала с 50,00 долларов в 1962 году до 2,33 доллара в 1968 году. Интегральные схемы начали появляться в потребительских товарах к началу 1970-х годов. Типичным применением была обработка несущей частоты FM в телевизионных приемниках. Первыми применяемыми чипами MOS были микросхемы интеграции малого масштаба (SSI). Самым ранним экспериментальным чипом MOS был 16-транзисторный чип, созданный Фредом Хейманом и Стивеном Хофштейном в RCA в 1962 году. В том же году компания General Microelectronics представила первый коммерческий чип с интегрированной схемой MOS, состоящий из 120 p-канальных транзисторов MOS. Чипы MOS продолжали увеличивать свою сложность темпом, предсказанным законом Мура, что привело к появлению чипов с сотнями MOSFET к концу 1960-х годов. Маски, используемые для обработки и изготовления SSI, MSI и ранних устройств LSI и VLSI (таких как микропроцессоры начала 1970-х годов), в основном создавались вручную, часто с использованием ленты Rubylith или аналогичной. Для больших или сложных интегральных схем (таких как памяти или процессоры) это часто выполнялось специально нанятыми специалистами, отвечающими за разработку компоновки схемы, находящимися под контролем команды инженеров, которые также вместе с разработчиками схемы проверяли правильность и полноту каждой маски. Интегральные схемы, такие как 1K-битная оперативная память, чипы калькуляторов и первые микропроцессоры, которые начали производиться в умеренных количествах в начале 1970-х годов, содержали менее 4000 транзисторов. Настоящие схемы LSI, приближающиеся к 10 000 транзисторов, начали производиться примерно в 1974 году для основной памяти компьютеров и микропроцессоров второго поколения.

The first integrated circuits contained only a few transistors. Early digital circuits containing tens of transistors provided a few logic gates, and early linear ICs such as the Plessey SL201 or the Philips TAA320 had as few as two transistors. The number of transistors in an integrated circuit has increased dramatically since then. The term "large scale integration" (LSI) was first used by IBM scientist Rolf Landauer when describing the theoretical concept; that term gave rise to the terms "small scale integration" (SSI), "medium scale integration" (MSI), "very large scale integration" (VLSI), and "ultra large scale integration" (ULSI). The early integrated circuits were SSI. SSI circuits were crucial to early aerospace projects, and aerospace projects helped inspire development of the technology. Both the Minuteman missile and Apollo program needed lightweight digital computers for their inertial guidance systems. Although the Apollo Guidance Computer led and motivated integrated circuit technology, it was the Minuteman missile that forced it into mass production. The Minuteman missile program and various other United States Navy programs accounted for the total $4 million integrated circuit market in 1962, and by 1968, U. S. Government spending on space and defense still accounted for 37% of the $312 million total production. The demand by the U. S. Government supported the nascent integrated circuit market until costs fell enough to allow IC firms to penetrate the industrial market and eventually the consumer market. The average price per integrated circuit dropped from $50.00 in 1962 to $2.33 in 1968. Integrated circuits began to appear in consumer products by the turn of the 1970s decade. A typical application was FM inter carrier sound processing in television receivers. The first application MOS chips were small scale integration (SSI) chips. the earliest experimental MOS chip to be fabricated was a 16 transistor chip built by Fred Heiman and Steven Hofstein at RCA in 1962. The same year, General Microelectronics introduced the first commercial MOS integrated circuit chip, consisting of 120 p channel MOS transistors. MOS chips further increased in complexity at a rate predicted by Moore's law, leading to chips with hundreds of MOSFETs on a chip by the late 1960s. The masks used to process and manufacture SSI, MSI and early LSI and VLSI devices (such as the microprocessors of the early 1970s) were mostly created by hand, often using Rubylith tape or similar. For large or complex ICs (such as memories or processors), this was often done by specially hired professionals in charge of circuit layout, placed under the supervision of a team of engineers, who would also, along with the circuit designers, inspect and verify the correctness and completeness of each mask. Integrated circuits such as 1K bit RAMs, calculator chips, and the first microprocessors, that began to be manufactured in moderate quantities in the early 1970s, had under 4,000 transistors. True LSI circuits, approaching 10,000 transistors, began to be produced around 1974, for computer main memories and second generation microprocessors.

Очень масштабная интеграция (VLSI)

"Очень большая интеграция" (VLSI) – это разработка, начавшаяся с сотен тысяч транзисторов в начале 1980-х годов, и по состоянию на 2023 год количество транзисторов продолжает расти, превышая 5,3 триллиона транзисторов на чип. Для достижения этой повышенной плотности потребовалось множество усовершенствований. Производители перешли к более строгим техпроцессам для MOSFET и более чистым помещениям для производства. Путь совершенствования технологических процессов был обобщен в Международной технологической дорожной карте для полупроводников (ITRS), которая впоследствии была заменена Международной дорожной картой для устройств и систем (IRDS). Инструменты электронного проектирования стали более совершенными, что сделало возможным завершение проектов в разумные сроки. Более энергоэффективная КМОП-технология (CMOS) заменила НМОП (NMOS) и ПМОП (PMOS), предотвратив недопустимый рост энергопотребления. Сложность и плотность современных устройств ВЛИ сделали невозможной проверку фотошаблонов или ручное создание исходного дизайна. Вместо этого инженеры используют инструменты СЭА (электронная автоматизация проектирования) для выполнения большей части работы по функциональной верификации. В 1986 году были представлены одномегабитные чипы памяти с произвольным доступом (RAM), содержащие более миллиона транзисторов. Чипы микропроцессоров преодолели рубеж в миллион транзисторов в 1989 году и в миллиард транзисторов в 2005 году. Эта тенденция в основном сохраняется, и чипы, представленные в 2007 году, содержат десятки миллиардов транзисторов памяти.

Кремниевая маркировка и граффити

Для идентификации в процессе производства большинство кремниевых чипов имеют серийный номер в одном из углов. Также часто добавляется логотип производителя. С момента создания интегральных схем некоторые разработчики чипов использовали площадь поверхности кремния для скрытых, нефункциональных изображений или слов. Эти изображения иногда называют чип-артом, силиконовым искусством, силиконовым граффити или рисунками на кремнии.