Image004

w 1958 r. Seryjną produkcję, monolitycznych (półprzewodnikowych) układów scalonych podjęto w 1961 r., a już w 1968 r. wyprodukowano ich w Stanach Zjednoczonych ponad 100 milionów sztuk.

Proces wytwarzania monolitycznych układów scalonych składa się z szeregu autonomicznych procesów składowych, z których niektóre są kilka razy powtarzane. Wszystkie te procesy składowe można podzielić na dwa zasadnicze etapy. Pierwszy z nich obejmuje procesy związane z wytwarzaniem monokryształów krzemu, a następnie półprzewodnikowych płytek podłożowych. Drugi określa się jako proces planarny, w skład którego wchodzą takie procesy składowe, jak: epitaksja, utlenianie, fotolitografia, dyfuzja i metalizacja. Technologia wytwarzania układów scalonych jest skomplikowana i wymagająca wysokich kwalifikacji od pracowników i doskonałości urządzeń. Poza tym wszystkie procesy — począwszy od otrzymania krzemu monokrystalicznego, a skończywszy na hermetycznym zamknięciu układu scalonego w obudowie — wymagają niesłychanej czystości. Najdrobniejsze bowiem zanieczyszczenia mogą spowodować niezamierzone właściwości elementu lub też jego poważne defekty, prowadzące w obydwu przypadkach do otrzymania wyrobów złej jakości.

Półprzewodnikowy układ scalony (bez obudowy) ma postać prostopadłościanu, którego boki podstawy mają wymiary mieszczące się w przedziale 1 -i- 7 mm (rozmiar zależy od wielkości skali integracji), a wysokość wynosi 180 -f- 250 pm. Warto wyjaśnić, że wysokość owej płytki mogłaby być znacznie mniejsza, bowiem procesy planarne przebiegają w niej tylko do głębokości kilkunastu mikrometrów. Jednakże niemożliwe jest wykonanie tak cienkich płytek, ponieważ podczas obróbki uległyby zniszczeniu.

Układami, które maksymalnie wykorzystują zalety scalania, są układy cyfrowe. Zawierają one głównie tranzystory, rezystory, diody i — w znacznie mniejszej liczbie — kondensatory o małych pojemnościach, a więc elementy, które są łatwo realizowane w postaci scalonej w półprzewodniku. Układy cyfrowe działają przy dużych sygnałach z dużymi marginesami, a więc dopuszczają znaczne rozrzuty parametrów elementów. Do zbudowania urządzenia (systemu) cyfrowego potrzeba niewielkiej liczby różnych rodzajów układów podstawowych (funktorów), ale w bardzo dużych ilościach. Stwarza to dogodne warunki ekonomiczne do wytwarzania ich w postaci scalonej. Z tych powodów pierwszym praktycznym zastosowaniem idei integracji były układy cyfrowe. W chwili, gdy realizacja układów scalonych stała się możliwa z technologicznego punktu widzenia, znane już były różne typy funktorów logicznych (bramek) konstruowanych z elementów indywidualnych.

Ponieważ układy scalone mają wiele specyficznych właściwości różniących je w sposób zasadniczy od układów konwencjonalnych, zatem zwykła adaptacja układu konwencjonalnego nie jest najczęściej rozwiązaniem optymalnym. Zmianie uległy m.in. proporcje kosztów między elementami czynnymi i biernymi. Ponieważ elementy bierne zajmują względnie dużo miejsca w monolitycznych układach scalonych, a charakteryzują się niewielką stałością i dużymi rozrzutami parametrów, więc głównym postulatem przy projektowaniu schematowym tych układów jest stosowanie możliwie małej liczby elementów biernych, przy jednoczesnym poszerzeniu zakresu stosowania elementów czynnych.

Projektowanie i opracowanie modelu układu scalonego jest zadaniem znacznie bardziej złożonym i o wiele kosztowniejszym niż w przypadku układów montowanych z elementów indywidualnych. Główną przyczyną tego jest fakt, że w układzie scalonym nie jest możliwa wymiana żadnego elementu i aby uzyskać układ ze zmienionym elementem trzeba przeprowadzić cały cykl produkcyjny od początku, co jest bardzo kosztowne.

W przypadku monolitycznych układów scalonych zaprojektowanie układu nastręcza bardzo poważne trudności, związane ze sprzężeniami występującymi między elementami układu, które zniekształcają jego strukturę elektryczną, oraz z dużymi rozrzutami parametrów elementów. Gdy jednak model układu scalonego jest już opracowany, jednostkowe koszty produkcji są o wiele niższa _niż koszty układów montowanych z elementów indywidualnych.

Scalona postać układu elektronicznego daje olbrzymie korzyści, z których najistotniejsze to: zwiększenie niezawodności układów elektronicznych (co początkowo nie było w ogóle brane pod uwagę, a obecnie stanowi podstawową zaletę scalania), zmniejszenie kosztów, miniaturyzacja i możliwość uzyskania nowych rozwiązań technicznych nieosiągalnych przy stosowaniu układów konwencjonalnych, a w pewnych przypadkach także radykalna zmiana filozofii ich projektowania.

Dla ułatwienia korzystania z niniejszego opracowania, poniżej podano najważniejsze nazwy i określenia z dziedziny układów scalonych.

Mikroelektronika — dział elektroniki obejmujący kompleks zagadnień technologicznych i układowych związanych z projektowaniem, wytwarzaniem i stosowaniem układów scalonych.

Układ scalony (mikroukład) — mikroelektroniczny układ funkcjonalny, w którym elementy i przewody łączące wykonuje się jedną technologią na powierzchni lub w objętości materiału podłoża.

Półprzewodnikowy układ scalony —układ scalony, którego elementy są wykonane w objętości i na powierzchni podłoża krzemowego.

Struktura półprzewodnikowa — tranzystor, dioda lub półprzewodnikowy układ scalony bez obudowy.

1.2. Rodzaje i właściwości półprzewodnikowych scalonych układów cyfrowych

1.2.1. Nazwy i określenia

Działanie układów logicznych (cyfrowych) można sprowadzić do kilku podstawowych funkcji logicznych (przełączających) (patrz rozdz. 3). Funkcje te są realizowane przez układy elektroniczne zwane bramkami (funktorami, elementami) logicznymi. Podstawowymi funktorami są bramki realizujące funkcje logiczne: I (iloczyn logiczny), LUB (suma logiczna) oraz NIE (negacja), powszechnie zwane AND, OR oraz NOT. Inne funkcje wywodzą się z tych trzech funkcji podstawowych.

Do opisu zmiennych logicznych będą wykorzystywane cyfry: 0 i 1. Odpo-

11