АРХИВ СТАТЕЙ ЖУРНАЛА «МОЙ КОМПЬЮТЕР» ЗА 2003 ГОД

В недрах микросхем

• Все журналы \ Номер 5/228 `2003 от 03.02.2003 \ В недрах микросхем

Сергей КРУШНЕВИЧ insgas@svitonline.com

(Продолжение, начало см. в МК № 52 (223) за 2002 г. и МК № 1-2 (224-225))

Очень долгое время основное количество микросхем изготавливалось по биполярной технологии. Но сейчас ее место заняла униполярная технология, а на горизонте уже показалась технология кремний-на-изоляторе.

Униполярная МОП-технология

Униполярная МОП (металл-окисел-полупроводник) технология относится к классу «полевых», так как принцип работы основного конструктивного элемента (транзистора) основан на эффекте действия электрического поля на полупроводник. Так как в транзисторах, изготовленных по данной технологии, ток течет по области одного типа проводимости, она получила название «униполярной» (от слова «уно» — один).

На рисунке 1 представлен p-канальный МОП-транзистор. Кратко рассмотрим принцип его работы. К истоку и стоку прикладывается напряжение. Но так как на пути тока находятся два встречно включенных p+-n-перехода, поэтому при любой полярности приложенного напряжения ток не потечет. Если на затвор подать отрицательное напряжение, то электроны (отрицательно заряженные частицы) будут отталкиваться от затвора и уходить в глубь полупроводника, а дырки (положительно зараженные частицы), наоборот, начнут притягиваться к затвору (рис. 2). В результате под затвором возникает инверсная (с обратным типом проводимости) область (по научному — «канал») с дырочной (p-типа) проводимостью, в результате чего исчезает p-n-переход и начинает течь ток.

Кроме p-канальных транзисторов широко используются также n-канальные (рис. 1), которые отличаются лишь тем, что для возникновения канала на затвор необходимо вместо отрицательного подать положительное напряжение.

КМОП-технология

Для достижения более высокого коэффициента усиления объединяют p- и n-канальный транзистор. Эта технология называется комплиментарная МОП, или CMOS (complementary-metal-oxide-semiconductor).

Хочу заметить, что большинство современных микросхем изготавливаются именно по этой технологии, благодаря ее высокой экономичности: ведь управление транзистором осуществляется за счет потенциала на затворе, в отличие от биполярной технологии, где для этого используется ток через базу. Поэтому цифровые КМОП-микросхемы потребляют ток лишь в момент изменения состояния (например, переключения с «0» на «1»). В статическом положении (когда изменений состояний не происходит) текут лишь незначительные (доли мкА) токи утечки.

Преимущество МОП-технологичности очевидно — чтобы получить законченный транзистор, необходимо, как минимум, четыре раза провести процесс литографии (у биполярной технологии этот минимум находится на уровне шести литографий). Кроме того, МОП-транзисторы совершенно не нужно изолировать друг от друга. Все это позволяет на несколько порядков повысить степень их интеграции, по сравнению с биполярной технологией.

Но и у МОП есть свои недостатки — значительная часть мощности, подаваемой на КМОП (МОП) микросхемы, израсходуется на перезарядку паразитных емкостей. Они возникают везде, где рядом расположены два проводника или области. Причем, чем больше площадь проводников (областей) и меньше расстояние между ними, тем больше эта емкость. С возрастанием рабочей частоты, увеличивается и ток через паразитные емкости (ток утечки).

Еще одним «тормозом» является паразитная индуктивность — чем тоньше и длиннее проводник, тем выше его собственная индуктивность. С повышением частоты сопротивление индуктивности возрастает. Необходимо также учитывать, что в современных КМОП-микросхемах на одном квадратном миллиметре расположены сотни и даже тысячи элементов. В итоге влияние паразитных емкостей и индуктивностей очень сильно сказывается на предельной рабочей частоте схем, прежде всего из-за появления задержки распространения сигнала от входа к выходу.

Чтобы снизить влияние паразитных емкостей и индуктивностей, стараются по возможности понизить рабочие напряжения и токи в микросхемах, а также уменьшить размеры самих элементов и зазоров между ними.

Кстати, иногда паразитная емкость превращается из недостатка в преимущество — это справедливо в отношении микросхем памяти, в которых заряд на затворе (паразитная емкость) служит для хранения информации.

Кремний на изоляторе

Следующим шагом в развитии микроэлектроники стало появление технологии КНИ —кремний на изоляторе (SOI —silicon-on-insulator). Суть этой технологии состоит в получении монокристаллического кремния на поверхности диэлектрической подложки, в отличие от рассмотренных ранее технологий, где все элементы создают внутри кристалла полупроводника.

Основной проблемой в развитии этой технологии стала задача получения на поверхности поликристаллического материала (практически все диэлектрические материалы имеют поликристаллическую структуру) слоя монокристаллического полупроводника. Возникшая проблема была решена, когда в качестве подложки стали использовать сапфир. Данный материал представляет собой оксид алюминия (Al2O3) с монокристаллической (!) структурой.

Но в этой технологии вскрылись и недостатки — это очень высокая концентрация дефектов в строении кристаллической решетки, что сделало практически невозможным использование биполярной технологии. По технологии кремний-на-сапфире (КНС) сейчас рационально изготавливать только МОП- и КМОП-микросхемы.

Так как из технологии кремний-на-сапфире ученые не смогли выжать многого, они решили пойти другим путем. На диэлектрическую поликристаллическую подложку (оксид кремния на поверхности кристалла кремния) нанесли слой кремния (он будет поликристаллическим) и произвели рекристаллизацию нанесенного слоя. Если использовать монокристаллическую затравку, то нанесенный слой станет также монокристаллическим. Хоть и в этой технологии много дефектов кристаллической решетки, но их все же меньше, чем в технологии кремний-на-сапфире.

Разработка новых микросхем по этой технологии (рис. 3) позволяет создать на поверхности подложки несколько слоев полупроводниковых элементов. А значит, эта технология может стать основой для появления микросхем нового поколения —трехмерных интегральных микросхем.

На сегодня все. Жду от вас писем и до встречи на страницах МК.

(Продолжение следует)

Идёт загрузка...

Данную страницу никто не комментировал. Вы можете стать первым.

Ваше имя:
Ваша почта:
Комментарий:
Введите символы или вычислите пример: * Обновить