МИКРОЭЛЕКТРО́НИКА

  • рубрика
  • родственные статьи
  • image description

    В книжной версии

    Том 20. Москва, 2012, стр. 285-288

  • image description

    Скопировать библиографическую ссылку:




Авторы: А. А. Орликовский

МИКРОЭЛЕКТРО́НИКА, на­прав­ле­ние элек­тро­ни­ки, обес­пе­чи­ваю­щее ми­ниа­тю­ри­за­цию элек­трон­ных при­бо­ров и уст­ройств по­сред­ст­вом ин­те­гра­ции боль­шо­го чис­ла тран­зи­сто­ров и др. элек­трон­ных ком­по­нен­тов на од­ном кри­стал­ле (чи­пе) и/или в од­ном кор­пу­се, что, в свою оче­редь, при­во­дит к умень­ше­нию стои­мо­сти, мас­сы, га­ба­рит­ных раз­ме­ров и по­вы­ше­нию бы­ст­ро­дей­ст­вия и на­дёж­но­сти элек­трон­ной ап­па­ра­ту­ры, в т. ч. уст­ройств вы­чис­лит. тех­ни­ки, ин­фор­ма­ци­он­ных и те­ле­ком­му­ни­ка­ци­он­ных сис­тем.

Элементная база

На­ча­лом раз­ви­тия М. счи­та­ет­ся изо­бре­те­ние в 1958 Дж. Кил­би ин­те­граль­ной схе­мы (ИС). Осн. ма­те­риа­лом М. яв­ля­ет­ся крем­ний. ИС со­зда­ют­ся в тон­ком при­по­верх­но­ст­ном слое крем­ние­вой пла­сти­ны боль­шо­го диа­мет­ра. На од­ной пла­сти­не раз­ме­ща­ет­ся боль­шое ко­ли­че­ст­во иден­тич­ных ИС, из­го­тав­ли­вае­мых од­но­вре­мен­но в еди­ном тех­но­ло­гич. про­цес­се. За­тем пла­сти­на раз­де­ля­ет­ся на чи­пы, ка­ж­дый из ко­то­рых со­дер­жит од­ну ИС. Уве­ли­че­ние слож­но­сти (чис­ла тран­зи­сто­ров, ин­тег­ри­ро­ван­ных на чи­пе) крем­ние­вых ИС под­чи­ня­ет­ся за­ко­ну Му­ра (сфор­му­ли­ро­ван амер. учё­ным Г. Му­ром в 1965), со­глас­но ко­то­ро­му чис­ло тран­зи­сто­ров в ИС уд­ваи­ва­ет­ся за оп­ре­де­лён­ный пе­ри­од вре­ме­ни. Так, с 1960 по 1970 этот пе­ри­од со­ста­вил один год, а с 1970 – 1,5 и 2 го­да для ИС па­мя­ти и про­цес­со­ров со­от­вет­ст­вен­но. В 2010 чис­ло тран­зи­сто­ров в од­ной ИС про­цес­со­ра воз­рос­ло до 109. По ме­ре раз­ви­тия тех­но­ло­гии М. од­но­вре­мен­но уве­ли­чи­ва­ет­ся диа­метр пла­стин крем­ния (от 75 мм в 1960 до 300 мм в 2001, в пер­спек­ти­ве – до 450 и 675 мм), на ко­то­рых раз­ме­ща­ет­ся всё боль­шее чис­ло ИС. Благода­ря умень­ше­нию раз­ме­ров тран­зи­сто­ров бы­ст­ро­дей­ст­вие ИС с 1960 уве­ли­чи­лось бо­лее чем в 104 раз, а энер­гия, за­тра­чи­вае­мая на 1 пе­ре­клю­че­ние 1 ло­гич. эле­мен­та, умень­ши­лась бо­лее чем на 6 по­ряд­ков. Та­кое бур­ное раз­ви­тие М. обу­слов­ле­но умень­ше­ни­ем стои­мо­сти отд. тран­зи­сто­ра (до 10–9 цен­тов США в 2010). Хо­тя стои­мость за­во­дов для про­из-ва ИС не­пре­рыв­но воз­рас­та­ет, рас­тёт и их про­из­во­ди­тель­ность бла­го­да­ря ав­то­ма­ти­за­ции про­из-ва, уве­ли­че­нию диа­мет­ра пла­стин и умень­ше­нию раз­ме­ров тран­зи­сто­ров. В 2010 стои­мость вы­со­ко­про­из­во­дит. по­лу­про­вод­ни­ко­во­го за­во­да (об­ра­бот­ка 20–30 тыс. крем­ние­вых пла­стин в ме­сяц) со­ста­ви­ла 3,5 млрд. долл. США, к 2015 про­гно­зи­ру­ет­ся её уве­ли­че­ние до 5 млрд. Ми­ро­вой объ­ём про­даж ИС в 2010 вы­рос до 3 трлн. долл. США.

На­ря­ду с крем­ние­вы­ми ИС по­лу­чи­ли раз­ви­тие сверх­ско­ро­ст­ные ге­те­ро­пе­ре­ход­ные мик­ро­схе­мы на со­еди­не­ни­ях АIIIВV и др. с от­но­си­тель­но не­боль­шой сте­пе­нью ин­те­гра­ции на чи­пах (103–105 тран­зи­сто­ров). При­ори­тет в этой об­лас­ти при­над­ле­жит Ж. И. Ал­фё­ро­ву, удо­сто­ен­но­му в 2000 Но­бе­лев­ской пр. по фи­зи­ке за раз­ра­бот­ку по­лу­про­вод­ни­ко­вых ге­те­ро­ст­рук­тур и соз­да­ние бы­ст­ро­дей­ст­вую­щих оп­то- и мик­ро­элек­трон­ных ком­по­нен­тов.

Др. раз­ви­ваю­щее­ся на­прав­ле­ние М. – СВЧ-мик­ро­элек­тро­ни­ка. Для соз­да­ния СВЧ ИС ис­поль­зу­ют­ся как крем­ние­вые, так и ге­те­ро­пе­ре­ход­ные чи­пы и/или отд. тран­зи­сто­ры, мон­ти­руе­мые на ди­элек­трич. под­лож­ках, на ко­то­рых, в свою оче­редь, соз­да­ют­ся плё­ноч­ные пас­сив­ные ком­по­нен­ты – ре­зи­сто­ры, кон­ден­са­то­ры и ин­дук­тив­но­сти.

Отеч. М. воз­ник­ла и по­лу­чи­ла бы­строе раз­ви­тие в нач. 1960-х гг. во мно­гом бла­го­да­ря дея­тель­но­сти мин. элек­трон­ной пром-сти СССР А. И. Шо­ки­на и К. А. Ва­лие­ва, уси­ли­ям мн. учё­ных и ин­же­не­ров. В ко­рот­кие сро­ки в стра­не бы­ло не толь­ко ос­вое­но про­из-во ИС, но и раз­ви­то элек­трон­ное ма­те­риа­ло­ве­де­ние, элек­трон­ное ма­ши­но­строе­ние и др. В 2008 в Рос­сии соз­да­но но­вое мик­ро­элек­трон­ное про­из-во ИС с ми­ним. раз­ме­ра­ми (МР) 180–130 нм, а в 2010 – 90 нм. Боль­шая за­слу­га в раз­ра­бот­ке ИС суб­мик­рон­но­го диа­па­зо­на при­над­ле­жит Г. Я. Крас­ни­ко­ву. Фун­дам. ис­сле­до­ва­ния в об­лас­ти М. бы­ли раз­вёр­ну­ты в Ин-те фи­зи­ки по­лу­про­вод­ни­ков СО РАН (А. В. Ржа­нов, А. Л. Асе­ев, И. Г. Не­из­вест­ный), Фи­зи­ко-тех­но­ло­гич. ин-те РАН (К. А. Ва­ли­ев, А. А. Ор­ли­ков­ский), Фи­зи­ко-тех­нич. ин-те им. А. Ф. Иоф­фе РАН (Ж. И. Ал­фё­ров, И. В. Гре­хов, Р. А. Су­рис), Ин-те фи­зи­ки мик­ро­струк­тур РАН (С. В. Га­по­нов, Н. Н. Са­ла­щен­ко), Ин-те ра­дио­тех­ни­ки и элек­тро­ни­ки РАН (Ю. В. Гу­ля­ев) и др.

Научные основы. 

М. ис­поль­зу­ет дос­ти­же­ния фи­зи­ки твёр­до­го те­ла, фи­зи­ки фор­ми­ро­ва­ния элек­трон­ных и ион­ных пуч­ков, фи­зи­ки взаи­мо­дей­ст­вия бы­ст­рых элек­тро­нов, ио­нов и оп­ти­че­ско­го (в т. ч. рент­ге­нов­ско­го) из­лу­че­ния с ве­ще­ст­вом, фи­зи­ки плаз­мы, не­ор­га­нич. и ор­га­нич. хи­мии и др. С про­дви­же­ни­ем в об­ласть всё мень­ших МР зна­че­ние ис­сле­до­ва­ний фун­дам. ха­рак­те­ра не­пре­рыв­но воз­рас­та­ет. В 1999 М. пре­одо­ле­ла ру­беж МР 100 нм, т. е. мож­но го­во­рить о воз­ни­кно­ве­нии пром. на­но­элек­тро­ни­ки. На­ко­п­ле­ние ог­ром­но­го тех­но­ло­гич. опы­та при­ве­ло к ро­ж­де­нию це­ло­го ря­да на­уч. на­прав­ле­ний: на­но­элек­тро­ни­ки, мик­ро- и на­но­элек­тро­ме­ха­ни­ки, мо­ле­ку­ляр­ной элек­тро­ни­ки, маг­ни­то­на­но­элек­тро­ни­ки, оп­то­на­но­элек­тро­ни­ки, био­на­но­сен­со­ри­ки, по­ли­мер­ной на­но­элек­тро­ни­ки и др. В суб­сто­на­но­мет­ро­вом диа­па­зо­не МР важ­ное зна­че­ние при­об­ре­та­ет фи­зи­ка твер­до­тель­ных струк­тур по­ни­жен­ной раз­мер­но­сти (кван­то­вых то­чек, кван­то­вых про­во­дов и др.). Всё бо­лее су­ще­ст­вен­ны­ми в ра­бо­те тран­зи­сто­ров ста­но­вят­ся кван­то­вые эф­фек­ты.

Технология микроэлектроники

Пер­вые из­де­лия М. соз­да­ва­лись на би­по­ляр­ных тран­зи­сто­рах, т. к. в ра­бо­те по­ле­вых тран­зи­сто­ров со струк­ту­рой ме­талл – ди­элек­трик – по­лу­про­вод­ник (МДП) пер­во­сте­пен­ную роль иг­ра­ет ка­че­ст­во гра­ни­цы раз­де­ла «крем­ний – ди­элек­трик», и по­тре­бо­ва­лись зна­чит. уси­лия учё­ных и ин­же­не­ров для соз­да­ния тех­но­ло­гии под­го­тов­ки по­верх­но­сти крем­ния и ме­то­дов по­лу­че­ния вы­со­ко­ка­че­ст­вен­но­го тон­ко­го слоя ди­ок­си­да крем­ния (SiO2) на его по­верх­но­сти. В кон. 1980-х гг. в циф­ро­вых ИС мик­ро­про­цес­со­ров и па­мя­ти всё боль­шее рас­про­стра­не­ние по­лу­ча­ет тех­но­ло­гия МДП-тран­зи­сто­ров, хо­тя би­по­ляр­ные ИС про­дол­жа­ют при­ме­нять­ся в ана­ло­го­вых и бы­ст­ро­дей­ст­ву­ю­щих циф­ро­вых уст­рой­ст­вах. Обе тех­но­ло­гии об­ла­да­ют оп­ре­де­лён­ны­ми пре­иму­ще­ст­ва­ми. Би­по­ляр­ные мик­ро­схе­мы обес­пе­чи­ва­ют вы­со­кое бы­ст­ро­дей­ст­вие при ра­бо­те на боль­шую ём­ко­ст­ную на­груз­ку, а МДП ИС, в ча­ст­но­сти КМДП-схе­мы (ком­пле­мен­тар­ные МДП, т. е. взаи­мо­до­пол­няю­щие р-МДП- и п-МДП-тран­зи­сто­ры, вклю­чён­ные по­сле­до­ва­тель­но в це­пи «ис­точ­ник пи­та­ния – точ­ка с ну­ле­вым по­тен­циа­лом»), – низ­кую по­треб­ляе­мую мощ­ность в ста­тич. ре­жи­ме. В свя­зи с этим раз­ра­ба­ты­ва­ет­ся ещё од­на тех­но­ло­гия (т. н. БиК­МОП), обес­пе­чи­ваю­щая раз­ме­ще­ние на од­ном чи­пе и би­по­ляр­ных тран­зи­сто­ров, и тран­зи­сто­ров со струк­ту­рой ме­талл – ок­сид – по­лу­про­вод­ник (МОП-тран­зи­сто­ров) обо­их ти­пов про­во­ди­мо­сти и со­че­таю­щая в се­бе пре­иму­ще­ст­ва обе­их тех­но­ло­гий, ко­то­рая име­ет, од­на­ко, ог­ра­нич. при­ме­не­ние из-за вы­со­кой стои­мо­сти. Для со­з­да­ния из­де­лий М., ус­той­чи­вых к ра­диа­ции, раз­ра­бо­та­на тех­но­ло­гия ИС в «крем­нии-на-изо­ля­то­ре» (КНИ-тех­но­ло­гия), пер­во­на­чаль­но в крем­нии на сап­фи­ре, за­тем – в крем­нии со скры­тым сло­ем ди­элек­три­ка, как пра­ви­ло SiO2. Эта тех­но­ло­гия при­ме­ни­ма для соз­да­ния ИС с вы­со­кой ра­ди­ац. стой­ко­стью, а так­же для ИС с МР 32 нм и ме­нее, как не име­ю­щая аль­тер­на­ти­вы.

Тех­но­ло­гия МДП ИС раз­ви­ва­ет­ся в двух на­прав­ле­ни­ях. Од­но из них свя­за­но с дос­ти­же­ни­ем пре­дель­но вы­со­ко­го бы­ст­ро­дей­ст­вия, ко­то­рое ог­ра­ни­чи­ва­ет­ся воз­мож­но­стя­ми от­во­да те­п­ла, т. к. в КМОП-схе­мах по­треб­ляе­мая мощ­ность в ди­на­мич. ре­жи­ме про­пор­цио­наль­на ра­бо­чей час­то­те. По­это­му в про­цес­со­рах для пер­со­наль­ных ком­пь­ю­те­ров ра­бо­чая час­то­та ог­ра­ни­че­на ве­ли­чи­ной по­ряд­ка 1 ГГц при ис­поль­зо­ва­нии воз­душ­но­го ох­ла­ж­де­ния, по­зво­ляю­ще­го от­во­дить мощ­ность до 50–80 Вт с 1 см2 чи­па. В су­пер­ком­пь­ю­те­рах ме­то­ды струй­но­го ох­ла­ж­де­ния во­дой по­зво­ля­ют от­во­дить до 400 Вт/см2, и ра­бо­чая (так­то­вая) час­то­та ИС мо­жет быть уве­ли­че­на в 5–7 раз. По­вы­ше­ние про­из­во­ди­тель­но­сти про­цес­сор­ных ИС воз­мож­но так­же «ар­хи­тек­тур­ны­ми сред­ст­ва­ми», напр. соз­да­ни­ем т. н. мно­го­ядер­ных про­цес­со­ров, в ко­то­рых для оп­ре­де­лён­но­го клас­са за­дач ре­а­ли­зу­ют­ся па­рал­лель­ные вы­чис­ле­ния; та­кие про­цес­со­ры по­лу­ча­ют всё боль­шее при­ме­не­ние в вы­чис­лит. тех­ни­ке.

Гл. цель др. на­прав­ле­ния – дос­ти­же­ние пре­дель­но низ­кой по­треб­ляе­мой мощ­но­сти, что дик­ту­ет­ся со­от­вет­ст­вую­щи­ми при­ме­не­ния­ми (напр., в бор­то­вой ап­па­ра­ту­ре). Не­пре­рыв­ное уве­ли­че­ние чис­ла тран­зи­сто­ров на чи­пе (при дли­не ка­на­лов 6–7 нм это чис­ло дос­тиг­нет 1 трлн.) вы­ну­ж­да­ет раз­ра­бот­чи­ков ИС для вы­чис­лит. тех­ни­ки на­хо­дить ре­ше­ния для сни­же­ния по­треб­ляе­мой мощ­но­сти и обес­пе­че­ния вы­со­кой про­из­во­ди­тель­но­сти (св. 100 Гфлоп). В про­тив­ном слу­чае для ка­ж­до­го вы­чис­лит. цен­тра с су­пер­ком­пь­ю­те­ром по­тре­бу­ет­ся атом­ная элек­тро­стан­ция. Од­но из воз­мож­ных ре­ше­ний этой про­бле­мы – соз­да­ние чи­пов с очень низ­кой по­треб­ляе­мой мощ­но­стью за счёт по­ни­же­ния на­пря­же­ния пи­та­ния (напр., до 0,4 В при по­ро­го­вом на­пря­же­нии 0,3 В) и со­от­вет­ст­вен­но су­ще­ст­вен­но­го сни­же­ния ра­бо­чих час­тот, но обес­пе­че­ния при этом вы­со­кой про­из­во­ди­тель­но­сти за счёт мно­го­ядер­ной ар­хи­тек­ту­ры про­цес­со­ра (до со­тен ядер в ка­ж­дом). Наи­бо­лее от­вет­ст­вен­ные за про­из­во­ди­тель­ность яд­ра мо­гут про­ек­ти­ро­вать­ся бы­ст­ро­дей­ст­ву­ю­щи­ми.

Рис. 1. Структура 3D-сборки интегральной схемы: 1 – диэлектрические слои с размещёнными в них медными соединениями; 2 – утоньшённые кремниевые чипы; 3 – кремниевая подложка.

Сни­же­ние по­треб­ляе­мой мощ­но­сти и, сле­до­ва­тель­но, вы­де­ляе­мо­го ИС те­п­ла от­кры­ва­ет путь к но­вым тех­но­ло­ги­ям сбор­ки чи­пов. В ча­ст­но­сти, ста­но­вят­ся воз­мож­ны­ми трёх­мер­ные сбор­ки чи­пов (т. н. 3D-сбор­ки), в ко­то­рых утонь­шён­ные чи­пы раз­ме­ща­ют­ся один над дру­гим (рис. 1), а в изо­ли­рую­щих сло­ях ме­ж­ду ни­ми из­го­тов­ля­ют­ся т. н. гло­баль­ные со­еди­не­ния. Та­кая тех­но­ло­гия по­зво­ля­ет раз­де­лить ин­тег­ри­ро­ван­ную сис­те­му на чи­пы и оп­ти­ми­зи­ро­вать со­еди­не­ния.

Осо­бую ни­шу в тех­но­ло­гии М. за­ни­ма­ет по­лу­про­вод­ни­ко­вая па­мять. Раз­ли­ча­ют сверх­опе­ра­тив­ную (кэш), опе­ра­тив­ную, по­сто­ян­ную и пе­ре­про­грам­ми­руе­мую (флэш) па­мять. Кэш-па­мять (КП) вы­пол­ня­ет­ся в ви­де бы­ст­ро­дей­ст­вую­щей ста­тич. па­мя­ти с про­из­воль­ной вы­бор­кой. Для со­хра­не­ния ин­фор­ма­ции эле­мен­ты па­мя­ти (как пра­ви­ло, на ос­но­ве КМОП-тех­но­ло­гии) долж­ны быть по­сто­ян­но под­клю­че­ны к ис­точ­ни­ку пи­та­ния. Мик­ро­про­цес­со­ры име­ют встро­ен­ную КП от­но­си­тель­но не­боль­шой ём­ко­сти (8–32 Кбайт), хо­тя на сис­тем­ной пла­те ком­пь­ю­те­ра мо­жет быть ус­та­нов­ле­на до­пол­нит. КП боль­шей ём­ко­сти (по­ряд­ка 1 Мбайт). По­сто­ян­ная па­мять (ПП) – энер­го­не­за­ви­си­мая па­мять, пред­на­зна­чен­ная толь­ко для чте­ния, хра­нит не­из­ме­няе­мые дан­ные, ко­то­рые за­пи­сы­ва­ют­ся еди­но­жды при из­го­тов­ле­нии. Для соз­да­ния ПП, как пра­ви­ло, ис­поль­зу­ет­ся КМОП-тех­но­ло­гия. Од­на­ко тех­но­ло­гия ус­лож­ня­ет­ся для элек­три­че­ски про­грам­ми­руе­мых и элек­три­че­ски пе­ре­про­грам­ми­руе­мых уст­ройств. По­след­ние, напр., встраи­ва­ют­ся в чи­пы для иден­ти­фи­ка­ци­он­ных до­ку­мен­тов в ви­де пла­сти­ко­вых карт.

Опе­ра­тив­ная па­мять (ОП) – па­мять боль­шо­го объ­ё­ма (1 Гбайт и вы­ше), вы­пол­няе­мая на отд. чи­пах. По­сколь­ку в уст­рой­ст­вах ОП ин­фор­ма­ция со­хра­ня­ет­ся в ви­де за­ря­дов на кон­ден­са­то­рах в ка­ж­дом эле­мен­те па­мя­ти, а из-за на­ли­чия то­ков утеч­ки кон­ден­са­тор по­сте­пен­но раз­ря­жа­ет­ся и ин­фор­ма­ция долж­на быть ре­гу­ляр­но ре­ге­не­ри­ро­ва­на, та­кая па­мять на­зы­ва­ет­ся ди­на­ми­че­ской. В тех­но­ло­гию ОП (по­ми­мо КМОП-тех­но­ло­гии) до­бав­ля­ют­ся про­цес­сы соз­да­ния кон­ден­са­то­ров, ко­то­рые долж­ны иметь ми­ни­маль­но воз­мож­ные раз­ме­ры в плос­ко­сти чи­па.

Флэш-па­мять яв­ля­ет­ся по­сто­ян­ной пе­ре­про­грам­ми­руе­мой энер­го­не­за­ви­си­мой па­мя­тью, до­пус­каю­щей мно­го­крат­ную пе­ре­за­пись ин­фор­ма­ции. Ём­кость та­ких уст­ройств к 2010 дос­тиг­ла 16 Гбайт, что эк­ви­ва­лент­но раз­ме­ще­нию св. 108 тран­зи­сто­ров на чи­пе. Флэш-па­мять соз­да­ёт­ся на МОП-тран­зи­сто­рах с пла­ваю­щим за­тво­ром, в ко­то­ром под управ­ляю­щим за­тво­ром раз­ме­ща­ет­ся пол­но­стью изо­ли­ро­ван­ный «пла­ваю­щий» элек­трод, спо­соб­ный удер­жи­вать за­ряд дли­тель­ное вре­мя (неск. де­сят­ков лет). За­пись ин­фор­ма­ции в эле­мен­ты па­мя­ти осу­ще­ст­в­ля­ет­ся под дей­ст­ви­ем им­пуль­сов на­пря­же­ния, по­да­вае­мых на управ­ляю­щий за­твор.

Тех­но­ло­гии уст­ройств энер­го­не­за­ви­си­мой па­мя­ти с про­из­воль­ной вы­бор­кой и воз­мож­но­стью мно­го­крат­ной пе­ре­за­пи­си не­пре­рыв­но раз­ви­ва­ют­ся. По от­но­ше­нию к КМОП-тех­но­ло­гии они тре­бу­ют до­пол­нит. опе­ра­ций и/или при­ме­не­ния но­вых ма­те­риа­лов (напр., с управ­ляе­мым из­ме­не­ни­ем фа­зы, фер­ро­элек­трич. или маг­ни­то­ре­зи­стив­ных ма­те­риа­лов, мно­го­слой­ных ди­элек­трич. струк­тур с по­лу­про­вод­ни­ко­вы­ми или ме­тал­лич. на­но­кри­стал­ла­ми, дей­ст­вую­щи­ми как ло­вуш­ки для за­хва­та под­виж­ных но­си­те­лей за­ря­да, и др.). Боль­шие воз­мож­но­сти для соз­да­ния па­мя­ти от­кры­ва­ют ме­то­ды на­но­элек­тро­ме­ха­ни­ки, при­ме­не­ние по­ли­мер­ных ма­те­риа­лов, про­яв­ляю­щих свой­ст­ва па­мя­ти, мо­ле­ку­ляр­ных сис­тем и др.

Умень­ше­ние раз­ме­ров тран­зи­сто­ров так­же при­во­дит к не­об­хо­ди­мо­сти при­ме­не­ния но­вых ма­те­риа­лов в тех­но­ло­гии М. Это соз­да­ние на­пря­жён­ных сло­ёв $\ce{Si}$, со­еди­не­ний $\ce{Ge–Si}$ в ка­на­лах тран­зи­сто­ров для уве­ли­че­ния под­виж­но­сти элек­тро­нов и ды­рок, «под­за­твор­ных» ди­элек­три­ков с вы­со­кой ди­элек­трич. про­ни­цае­мо­стью (напр., $\ce{HfO_2}$ вме­сто $\ce{SiO2}$), ме­тал­лич. за­тво­ров вме­сто ле­ги­ро­ван­ных по­ли­крем­ние­вых, ульт­ра­тон­ких (3–5 нм) не­ле­ги­ро­ван­ных сло­ёв $\ce{Si на изо­ля­то­ре в ка­на­лах МДП-тран­зи­сто­ров с дли­на­ми ме­нее 30 нм и т. д.

Во всех пе­ре­чис­лен­ных вы­ше тех­но­ло­ги­ях М. ис­поль­зу­ют­ся фо­то­ли­то­гра­фия и др. про­цес­сы (см. Ин­те­граль­ная схе­ма). Осн. тен­ден­ция­ми в раз­ви­тии мик­ро­элек­трон­ной тех­но­ло­гии яв­ля­ют­ся: од­но­вре­мен­ная об­ра­бот­ка с вы­со­кой рав­но­мер­но­стью (не ме­нее 98%) од­ной пла­сти­ны боль­шо­го диа­мет­ра (300, 475 и 625 мм) в тех­но­ло­гич. мо­ду­лях ав­то­ма­ти­зир. про­из­водств. ли­ний; пре­иму­ще­ст­вен­ное при­ме­не­ние «су­хих» низ­ко­тем­пе­ра­тур­ных про­цес­сов, дос­ти­гае­мых ис­поль­зо­ва­ни­ем ши­ро­ко­апер­тур­ных ис­точ­ни­ков плот­ной плаз­мы, ион­ных ис­точ­ни­ков и ис­точ­ни­ков ва­ку­ум­но­го ульт­ра­фио­ле­та; пол­ный от­каз от меж­опе­ра­ци­он­но­го кон­тро­ля и вне­дре­ние кон­тро­ля в те­че­ние про­цес­са (in situ), а так­же де­тек­то­ров мо­мен­та окон­ча­ния про­цес­са; су­щест­вен­ное сни­же­ние уров­ня за­гряз­не­ний пла­стин ато­ма­ми тя­жё­лых ме­тал­лов и ор­га­нич. со­еди­не­ния­ми; уве­ли­че­ние чис­ла уров­ней со­еди­не­ний на кри­стал­ле (до 10 и бо­лее); уве­ли­че­ние слож­но­сти ИС за счёт не толь­ко умень­ше­ния раз­ме­ров тран­зи­сто­ра и уве­ли­че­ния диа­мет­ра пла­стин, но и уве­ли­че­ния пло­ща­ди кри­стал­ла до 103 мм2. Совр. тех­но­ло­гии М. по­зво­ля­ют соз­да­вать слож­ные функ­цио­наль­но за­кон­чен­ные циф­ро­вые и циф­роа­на­ло­го­вые уст­рой­ст­ва об­ра­бот­ки ин­фор­ма­ции, по­лу­чив­шие назв. «сис­те­мы-на-кри­стал­ле» (СНК).

По­сколь­ку со­еди­не­ния на чи­пе яв­ля­ют­ся мно­го­уров­не­вы­ми, по­те­ри и за­держ­ки сиг­на­лов в них мо­гут быть су­ще­ст­вен­ны­ми. По этой при­чи­не Al, дол­гое вре­мя ис­поль­зо­вав­ший­ся для из­го­тов­ле­ния про­во­дя­щих ли­ний в ИС, был за­ме­нён на Cu, об­ла­даю­щую мень­шим объ­ём­ным элек­трич. со­про­тив­ле­ни­ем, а ди­ок­сид крем­ния, раз­де­ляв­ший разл. уров­ни со­еди­не­ний, – на ди­элек­три­ки с мень­шей ди­элек­трич. про­ни­цае­мо­стью. В СНК верх­ние уров­ни со­еди­не­ний, на­зы­вае­мые гло­баль­ны­ми, тем не ме­нее ос­та­ва­лись кри­ти­че­ски­ми да­же при ис­поль­зо­ва­нии ме­ди. Ве­ли­чи­на за­держ­ки сиг­на­ла в со­еди­не­ни­ях гло­баль­но­го уров­ня уве­ли­чи­ва­ет­ся при­мер­но на по­ря­док при умень­ше­нии МР от 100 до 20 нм. В свя­зи с этим про­из­во­ди­те­ли ИС ра­бо­та­ют над соз­да­ни­ем сис­те­мы оп­тич. свя­зей, напр. ме­ж­ду яд­ра­ми мно­го­ядер­ных про­цес­со­ров. Для этих це­лей соз­да­ны вол­но­во­ды, мо­ду­ля­то­ры и фо­то­при­ём­ни­ки, из­го­тов­ляе­мые по крем­ние­вой тех­но­ло­гии, с про­пу­ск­ной спо­соб­но­стью до 40 Гбит/с. Об­су­ж­да­ет­ся так­же воз­мож­ность при­ме­не­ния СВЧ бес­про­вод­ных со­еди­не­ний ме­ж­ду чи­па­ми в 3D-сбор­ках и ме­ж­ду 3D-бло­ка­ми с ис­поль­зо­ва­ни­ем ин­тег­ри­ро­ван­ных в чи­пы при­ём­ни­ков и пе­ре­дат­чи­ков на час­то­тах по­ряд­ка 10 ГГц.

Автоматизация проектирования интегральных схем

Рис. 2. Пример размещения «системы-на-кристалле».

С уве­ли­че­ни­ем слож­но­сти крем­ние­вых ИС всё боль­шее зна­че­ние об­ре­та­ет ав­то­ма­ти­за­ция про­ек­ти­ро­ва­ния мик­ро­схем. В ми­ро­вой прак­ти­ке соз­да­ют­ся ком­па­нии, спе­циа­ли­зи­рую­щи­е­ся ис­клю­чи­тель­но на про­ек­ти­ро­ва­нии ИС и об­ла­даю­щие со­вер­шен­ны­ми сис­те­ма­ми ав­то­ма­ти­зир. про­ек­ти­ро­ва­ния (САПР). Эти сис­те­мы вклю­ча­ют мо­де­ли тран­зи­сто­ров (т. н. SPICE-мо­де­ли), биб­лио­те­ки ло­гич. эле­мен­тов, чис­ло ко­то­рых мо­жет дос­ти­гать 50–200, кон­ст­рук­тив­но-тех­но­ло­гич. фай­лы, обес­пе­чи­ва­ю­щие кон­троль за со­блю­де­ни­ем со­от­вет­ст­вия тре­бо­ва­ни­ям к то­по­ло­гич. нор­мам, а так­же биб­лио­те­ки слож­ных функ­цио­наль­ных бло­ков (т. н. IP-бло­ков; IP – intellectual property), что по­зво­ля­ет про­ек­ти­ро­вать ИС лю­бой слож­но­сти, в т. ч. СНК (рис. 2).

IP-бло­ки пред­став­ля­ют со­бой го­то­вые мо­де­ли уст­ройств, реа­ли­зую­щих функ­ции про­цес­со­ров, мо­ду­лей па­мя­ти, тай­ме­ров, па­рал­лель­ных и по­сле­до­ват. пор­тов вво­да-вы­во­да, кон­трол­ле­ров ин­тер­фей­сов, циф­роа­на­ло­го­вых уст­ройств и др. Ис­поль­зуя биб­лио­теч­ный на­бор IP-бло­ков, мож­но про­ек­ти­ро­вать СНК, ори­ен­ти­ро­ван­ные на эф­фек­тив­ное вы­пол­не­ние вы­чис­лит. за­дач и за­дач управ­ле­ния объ­ек­та­ми в ре­жи­ме ре­аль­но­го вре­ме­ни. В ми­ро­вой элек­трон­ной пром-сти на­блю­да­ет­ся не­пре­рыв­ный рост объ­ё­ма про­даж из­де­лий в ви­де СНК, ко­то­рый уже к 2008 ис­чис­лял­ся де­сят­ка­ми млрд. долл. США.

Про­бле­мы и пер­спек­ти­вы даль­ней­ше­го раз­ви­тия. К 2020 умень­ше­ние МР в ИС при­ве­дёт к уве­ли­че­нию чис­ла тран­зи­сто­ров до 5·1010 в про­цес­сор­ных ИС и до 1012–1013 в схе­мах па­мя­ти. Дли­на ка­на­ла в та­ких тран­зи­сто­рах дос­тиг­нет 6 нм. В свя­зи с этим воз­ни­ка­ют серь­ёз­ные про­бле­мы. Во-пер­вых, даль­ней­шее умень­ше­ние дли­ны ка­на­ла тран­зи­сто­ра при­ве­дёт к экс­по­нен­ци­аль­но­му рос­ту то­ка ме­ж­ду ис­то­ком и сто­ком тран­зи­сто­ра в ста­тич. со­стоя­нии. Этот ток яв­ля­ет­ся то­ком пря­мо­го тун­не­ли­ро­ва­ния и при дли­не ка­на­ла 5 нм мо­жет дос­ти­гать 10–6 А/мкм ши­ри­ны ка­на­ла, то­гда как при­ем­ле­мой ве­ли­чи­ной то­ка ме­ж­ду ис­то­ком и сто­ком тран­зи­сто­ра в вы­клю­чен­ном со­стоя­нии яв­ля­ет­ся 10–9 А/мкм. В ре­зуль­та­те про­ис­хо­дит уве­ли­че­ние ста­тич. по­треб­ляе­мой мощ­но­сти поч­ти на 1 кВт, ко­то­рая вы­де­ля­ет­ся в ви­де джо­уле­ва те­п­ла и долж­на быть от­ве­де­на от чи­па.

Во-вто­рых, на ха­рак­те­ри­сти­ки тран­зи­сто­ра со столь ма­лы­ми раз­ме­ра­ми влия­ют кван­то­вые эф­фек­ты. Один из та­ких эф­фек­тов – про­доль­ное кван­то­вое дви­же­ние элек­тро­на вдоль ка­на­ла. Элек­трон рас­про­стра­ня­ет­ся в ка­на­ле как вол­на де Брой­ля, ко­то­рая ин­тер­фе­ри­ру­ет и рас­сеи­ва­ет­ся на ше­ро­хо­ва­то­стях гра­ниц ка­на­ла и на ато­мах слу­чай­ных при­ме­сей. На­ли­чие слу­чай­ных при­ме­сей и ше­ро­хо­ва­то­стей, так­же имею­щих слу­чай­ный ха­рак­тер, при­во­дит к раз­бро­су ха­рак­те­ри­стик тран­зи­сто­ра (ве­ли­чи­ны то­ка в от­кры­том со­стоя­нии), ко­то­рый, как по­ка­зы­ва­ет мо­де­ли­ро­ва­ние, при на­ли­чии толь­ко од­но­го ато­ма при­ме­си око­ло ис­то­ка мо­жет дос­ти­гать 20% (при­ем­ле­мым яв­ля­ет­ся раз­брос ок. 10%). Это предъ­яв­ля­ет очень серь­ёз­ные тре­бо­ва­ния к ка­че­ст­ву ис­ход­ных ма­те­риа­лов (в дан­ном слу­чае Si) и к тех­но­ло­гии их даль­ней­шей об­ра­бот­ки.

Впол­не ве­ро­ят­но, что для МР ме­нее 6–7 нм удов­ле­тво­ри­тель­ным по сво­им ха­рак­те­ри­сти­кам ока­жет­ся тун­нель­ный тран­зи­стор в ви­де тран­зи­сто­ра с кон­так­та­ми Шот­тки на не­ле­ги­ро­ван­ном крем­нии. На ос­но­ве тун­нель­ных тран­зи­сто­ров прин­ци­пи­аль­но воз­мож­на схе­мо­тех­ни­ка, ана­ло­гич­ная КМОП.

Ве­дут­ся ин­тен­сив­ные по­ис­ки и др. ти­пов тран­зи­сто­ров. Пре­ж­де все­го это при­бо­ры на ос­но­ве гра­фе­на (мо­но­слоя гра­фи­та) и уг­ле­род­ных на­нот­ру­бок (свёр­ну­тый в труб­ку гра­фен). Гл. мо­ти­вом при­ме­не­ния этих ма­те­риа­лов в ка­че­ст­ве ка­на­лов тран­зи­сто­ров яв­ля­ет­ся ог­ром­ная (по­ряд­ка 105 см2/В·с) под­виж­ность но­си­те­лей за­ря­да. Од­на­ко по­ка не уда­ёт­ся соз­дать по­ле­вые тран­зи­сто­ры с та­ки­ми ма­те­риа­ла­ми в ка­че­ст­ве ка­на­лов, спо­соб­ные кон­ку­ри­ро­вать с крем­ние­вы­ми по­ле­вы­ми тран­зи­сто­ра­ми. Об­су­ж­да­ет­ся так­же воз­мож­ность при­ме­не­ния на­нот­ру­бок, гра­фе­нов и т. н. гра­фе­но­вых рё­бер (уз­ких по­ло­сок гра­фе­на) в ка­че­ст­ве со­еди­не­ний в ИС.

Не ос­ла­бе­ва­ет ин­те­рес и к т. н. од­но­элек­трон­ным тран­зи­сто­рам, прин­цип дей­ст­вия ко­то­рых ос­но­ван на од­но­элек­трон­ном тун­не­ли­ро­ва­нии (впер­вые опи­сан К. К. Ли­ха­ре­вым) и эф­фек­те «ку­ло­нов­ской бло­ка­ды». Од­но­элек­трон­ные при­бо­ры об­ла­да­ют очень вы­со­ким бы­ст­ро­дей­ст­ви­ем (в пре­де­ле это вре­мя тун­не­ли­ро­ва­ния од­но­го элек­тро­на) и очень низ­ким энер­го­по­треб­ле­ни­ем (по­ряд­ка 10–8 Вт). Од­на­ко та­ких при­бо­ров, ра­бо­таю­щих при ком­нат­ных темп-рах, по­ка не соз­да­но из-за не­об­хо­ди­мо­сти при­ме­не­ния ли­то­гра­фии с про­стран­ст­вен­ным раз­ре­ше­ни­ем по­ряд­ка 1 нм.

Ис­сле­ду­ют­ся так­же мо­ле­ку­ляр­ные (в т. ч. од­но­мо­ле­ку­ляр­ные) тран­зи­сто­ры, «при­вле­ка­тель­ность» ко­то­рых за­клю­ча­ет­ся пре­ж­де все­го в пол­ной иден­тич­но­сти раз­ме­ров мо­ле­кул оп­ре­де­лён­но­го ти­па (т. е. 100-про­цент­ная вос­про­из­во­ди­мость раз­ме­ров). Мо­ле­ку­ляр­ные тран­зи­сто­ры, как и тран­зи­сто­ры на уг­ле­род­ных ма­те­риа­лах, мо­гут в бли­жай­шие го­ды най­ти при­ме­не­ние в ка­че­ст­ве вы­со­ко­чув­ст­вит. сен­со­ров.

Ес­ли дей­ст­вие за­ко­на Му­ра про­длить вплоть до 2030, то дос­ти­жи­мый МР ста­нет рав­ным при­бли­зи­тель­но раз­ме­ру од­но­го ато­ма. Это оз­на­ча­ет, что по­лу­чит ре­аль­ное раз­ви­тие кван­то­вая ин­фор­ма­ти­ка (кван­то­вые ком­пь­ю­те­ры, кван­то­вая связь и др.). В про­из-во вой­дут мо­но­атом­ные тех­но­ло­гии. Вне­дре­ние кван­то­вых ком­пь­ю­те­ров в до­пол­не­ние к клас­сич. су­пер­ком­пь­ю­те­рам по­зво­лит ре­шать мно­го­час­тич­ные за­да­чи кван­то­вой фи­зи­ки и кван­то­вой хи­мии и мн. дру­гие, не­дос­туп­ные клас­сич. су­пер­ком­пь­ю­те­рам, что чрез­вы­чай­но важ­но для раз­ви­тия ци­ви­ли­за­ции.

Та­ким об­ра­зом, мик­ро­элек­трон­ная ре­во­лю­ция про­дол­жа­ет­ся и при­во­дит к гло­баль­ным из­ме­не­ни­ям в совр. об­ще­ст­ве. Эво­лю­ция М. вы­зва­ла бур­ное раз­ви­тие вы­чис­лит. тех­ни­ки, обу­сло­ви­ла соз­да­ние не толь­ко пер­со­наль­ных, но и мощ­ных су­пер­ком­пь­ю­те­ров, что зна­чи­тель­но ус­ко­ря­ет на­уч­но-тех­нич. про­гресс. Без из­де­лий М. не­мыс­лим и быт че­ло­ве­ка, об­ла­даю­ще­го боль­шим спек­тром бы­то­вых при­бо­ров, уст­рой­ст­ва­ми мо­биль­ной свя­зи, ав­то­мо­би­ля­ми и др. сред­ст­ва­ми пе­ре­дви­же­ния, снаб­жён­ны­ми мик­ро­про­цес­со­ра­ми, на­ви­га­то­ра­ми и бор­то­вы­ми ком­пь­ю­те­ра­ми; в бу­ду­щем – соз­да­ние и экс­плуа­та­ция бы­то­вых ро­бо­тов, «ум­ных до­мов» и т. п. Раз­ви­ваю­щие­ся два на­прав­ле­ния мик­ро­элек­трон­ных сис­тем («сис­те­мы-на-кри­стал­ле», соз­да­вае­мые, как пра­ви­ло, по КМОП-тех­но­ло­гии, и сис­те­мы в кор­пу­се, вклю­чаю­щие ана­ло­го­вые и ра­дио­час­тот­ные чи­пы, вы­со­ко­вольт­ные и мощ­ные чи­пы, сен­со­ры, мик­ро- и на­но­элек­тро­ме­ха­нич. уст­рой­ст­ва, био­чи­пы и др.), ви­ди­мо, бу­дут объ­еди­не­ны в ин­тег­ри­ро­ван­ные уст­рой­ст­ва разл. на­зна­че­ния, об­ла­даю­щие мощ­ны­ми вы­чис­лит. сред­ст­ва­ми и воз­мож­но­стя­ми взаи­мо­дей­ст­вия с че­ло­ве­ком и ок­ру­жаю­щей сре­дой. Это при­даст но­вый мощ­ный им­пульс раз­ви­тию не толь­ко тех­ни­ки, но и ме­ди­ци­ны (все­сто­рон­ний мо­ни­то­ринг здо­ро­вья че­ло­ве­ка), сис­тем ох­ра­ны ок­ру­жаю­щей сре­ды и др. об­лас­тей зна­ний.

Лит.: ULSI devices / Ed. by C. Y. Chang, S. M. Sze. N. Y., 2000; Wolf S. Deep-sub­mic­ron process technology. Sunset Beach, 2002; Кван­то­вые ком­пью­те­ры, ми­кро- и на­но­элек­тро­ни­ка / Под ред. А. А. Ор­ли­ков­ско­го. М., 2009; На­но­элек­тро­ни­ка / Под ред. А. А. Ор­ли­ков­ско­го. М., 2009. Ч. 1: Вве­де­ние в на­но­элек­тро­ни­ку.

Вернуться к началу