1.3. Основные направления развития микроэлектроники

Для современной интегральной электроники (рис.1.2) характерны два направления: полупроводниковое и пле-ночное. В основе тех­нологического метода производ-ства полупроводниковых интегральных микросхем лежит планарный процесс, обеспечивающий одновременное групповое создание большого количества микросхем на пластине, что в свою очередь определяет высокую идентичность получаемых микросхем по параметрам и характеристикам. Суще­ственным достоинством полупро-водниковых интегральных микросхем является высокая плотность упаковки их элементов (до нес­кольких тысяч) и сравнительно невысокая стоимость прежде всего за счет сохранения объема сборочных операций, причем эти преиму­щества становятся более значительными по мере усложнения интег­ральных микросхем и возрастания в них количества элементов.

Достигнутые успехи в технологии полупроводниковых ИС позволяют изготавливать сложные функциональные схемы для ЭВМ: диодные матрицы, ячейки памяти, регистры сдвига и т.д. В настоящее время ЭВМ может быть изготовлена на одной монокристаллической пластине. Перспективным направлением в создании полупроводнико­вых ИС является получение транзисторов со структурой металл-диэлектрик-полупроводник (МДП). МДП-структура может играть роль как активного, так и пассивного элемента. При этом элементы на осно­ве МДП-структур занимают гораздо меньшую площадь, что позволяет получать значительно большие плотности упаковки (степень интегра­ции) в одном и том же объеме. Простая технология МДП-структур дает возможность увеличить процент выхода годных микросхем и снизить их стоимость. Кроме того, схемы на МДП-структурах потребляют меньшую мощность. Особенно перспективны МДП-структуры для соз­дания элементов вычислительной среды (однородных вычислительных структур) совершенно нового класса вычислительных устройств, состоящих из

Рис.1.2. Основные направления развития твердотельной

электроники и микроэлектроники

одинаковых элементов, настроенных на выполнение тех или иных функций.

МДП-транзисторы обладают высоким входным сопротив­лением и малыми размерами, что позволяет создавать на их основе малошумящие усилители звуковой частоты.

Гибридные интегральные микросхемы изготавли-ваются, главным образом, с использованием двух базовых технологи­ческих процессов:

– получения толстых пленок методом шелкографии;

– получения тонких пленок методом термического осаждения в вакууме или распыления ионной бомбар-дировкой в среде разре­женного инертного газа.

Для получения гибридных ИС активные элементы разме­щаются непосредственно на плате с пассивными элементами, представляющей собой либо тонкопленочную ИС, либо толстопленочную. В качестве активных элементов в гибридных ИС применяют как дис­кретные полупровод-никовые миниатюрные элементы, так и диодные и транзисторные матрицы, бескорпусные ИС.

Основным достоинством гибридных ИС является возмож­ность создания широкого класса микросхем для дискретной и линей­ной техники при сравнительно коротком цикле их разработки; возмож­ность получения пассивных элементов широкой номенклатуры с жест­кими допусками; универсальность метода конструирования микросхем.

Рассматривая перспективы развития микроэлектроники на ближайшее десятилетие, специалисты полагают, что основные усилия будут сосредоточены, прежде всего, на развитии интегральной электро­ники как в ее традиционном аспекте (внесение усовершенствований в уже сложившиеся принципы создания ИС), так и в нетрадиционном (с попыткой создания ИС на основе новых физических явлений).

Известно, что стоимость одного базового кристалла полупроводниковой ИС упрощенно можно представить выражением

,

где А – затраты на технологическое оборудование, оснастку, помещение и т.д.; В – затраты на НИОКР; С – текущие расходы на материалы, энергию, заработную плату в пересчете на одну полу­проводниковую пластину ИС; V – количество пластин, изготовленных до окончания амортизации соответствующих основных производствен-ных фондов; W – количество базовых кристаллов на одной пластине; Y – коэффициент выхода годных ИС.

Видно, что при увеличении W, т.е. уменьшении площади одного базового кристалла, увеличивается количество базовых кристаллов, которые можно изготовить из одной полупроводниковой пластины при тех же затратах на их производство.

Очевидно также, что для уменьшения площади кристаллов и одновременного увеличения емкости памяти на один базовый кристалл необходимо уменьшать размеры элементов ИС.

Таким образом, увеличение количества элементов в ИС связа­но с их миниатюризацией – уменьшением размеров каждого отдельно­го элемента (транзистора), хотя размеры самого кристалла могут воз­растать. В первых четырех поколениях ИС переход от каждого предыдущего к последующему поколению ограничивался технологичес-кими возможностями. В первую очередь это относится к фотолитографи­ческой обработке, определяющей размеры приборов на поверхности кристалла. Но большое значение имеют и возможности других технологических методов – окисления, диффузии, ионного легирования и эпитаксиального выращивания, определяющих размеры элементов, распределение легирующих примесей в направлении, перпендикуляр­ном поверхности кристалла. Для БИС характерны размеры, определяемые в глубь от поверхности кристалла, порядка десятых и сотых долей микрометра, а также размеры, определяемые параллельно его поверхности порядка нескольких микрометров или даже 1 мкм.

Дальнейшая миниатюризация приборов, входящих в ИС, сопряжена с колоссальными техническими и технологическими трудностями. Размеры элементов параллельно поверхности кристалла становятся сравнимы с длиной волны видимого и даже ультрафиолетового света, а в перпендикулярном направлении речь идет о десятках и даже единицах многоатомных слоев. Чтобы создать такие ИС, нужны особо точные устройства с высочайшей степенью автоматизации. Стоимость подобного устройства чрезвычайно высока (если, например, речь идет о синхронном источнике рентгеновских лучей для рентге-нолитографической обработки). При этом среднее время эксплуатации каждого поколения подобных установок непрерывно сокращается, и в настоящее время оно упало до 3–5 лет. Возникает вопрос: до каких пор будет экономически целесообразным движение в направлении уменьшения размеров активных приборов, входящих в ИС?

Однако на пути миниатюризации встают не только технологические и экономические ограничения. Они могут носить и более принципиальный физический характер.

Для нетрадиционного направления развития интегральной электроники характерен широкий круг физических исследований в области электронных, оптоэлектронных и других явлений с попыткой реализации полученных результатов в виде ИС, работа которых будет основана на использовании новых физических принципов. Для этой цели могут быть использованы полупровод-никовые приборы с отрицательным сопротивлением, электронные явления при фазовых переходах, явления сверхпроводимости, эффекты сильного поля, оптроны, полупроводниковые лазеры и др.

Таким образом, дальнейшего прогресса в микро-электронике следует ожидать в направлении функцио-нальной электроники.

Функциональная электроника – перспективное научно-техническое направление электроники по созданию приборов и устройств для обработки, передачи и хранения информации на основе сред с динамическими

неоднородностями, созданными путем исполь­зования новых физических явлений в конденсированных средах. Основные направления развития функциональной электроники схематично представлены на рис.1.3.

Рис.1.3 Основные направления развития функциональной

электроники

В функциональной электронике начинают исполь-зовать следующие физические явления и процессы.

1.Оптические явления. Свойства, отличающие их от электри­ческого тока, и связанные со свойствами светового потока, следующие:

– зарядовая нейтральность, однонаправленность, отсутствие гальванических связей и электрических контактов;

– двумерность светового потока, а следовательно, возможность осуществлять многоканальную обработку информации;

– высокая несущая частота.

Эти особенности стали основой бурно развивающее-гося направления функциональной электроники – опто-электроники.

2. Физические явления, связанные со взаимодействием потока электронов с акустическими волнами в твердом теле, обусловили появление нового направления функциональной электроники – акустоэлектроники.

3. Новые магнитные материалы, появление которых приве­ло к созданию нового направления магнито-электроники.

4. Различные электрические неоднородности в однород-ных полупроводниках, исследование которых стимули-ровало создание некоторых функциональных интеграль-ных ИС.

5. Явления живой природы, в частности на молеку-лярном уровне, позволяют использовать принципы хранения и обработки информации в живых системах для создания сверхсложных систем обработки информации, приближающихся по своим функциональным возможностям к человеческому мозгу (искусственный интеллект), а также решить проблему эффективной связи "человек-машина". Эти явления открывают новое направление – биоэлектронику.