Микроэлектроника - область электроники, охватывающая проблемы создания электронных устройств в микроминиатюрном интегральном
исполнении. Осн. практич. продукция M. - интегральные схемы (ИС), к-рые
служат элементами ЭВМ (и техн. средств искусств, интеллекта), автоматизации,
систем управления и связи.
В ИС нелинейные твердотельные приборы, детали
структуры к-рых имеют микронные размеры (микроприборы), и линии связи между
ними формируются в едином технол. процессе на общей пластине - подложке (интегральная
технология). Важнейшие приборы, входящие в состав PIC: транзисторы (биполярные,
полевые), их комплементарные пары (п-р-п - - р-п-р; n-канальные
и р-канальные); энергозависимые транзисторы (напр., с плавающим затвором);
диоды твердотельные (на p - n - переходах, диоды Шоттки);
приборы с зарядовой связью (передача заряда в цепях из тысяч МДП-элементов,
см. МДП-структура ),на цилиндрических магнитных доменах (ЦМД),
на доменных стенках и линиях. Разрабатываются новые типы
транзисторов: с баллистич. пролётом электронов (без рассеяния на дефектах и
фононах), с двумерным электронным газом, с проницаемой базой (внутри базы расположена
металлич. решётка, играющая роль сетки) и др.
Внутр. линии связи ИС (электрич., оптич., в т.
ч. волоконные, магн., акустические) обеспечивают обмен сигналами и согласованное
протекание множества процессов, локализованных в объёме кристалла. T. о., наряду
с интеграцией элементов в M. достигается интеграция нелинейных физ. явлений.
Системы микроприборов и связей между ними образуют единое устройство - информац.
автомат, к-рый выполняет функции хранения, обработки и обмена данными с внеш.
миром (человеком, др. автоматами, техн. объектами, включая роботов и исполнит,
механизмы), моделирование физ. и др. процессов, вывод сигналов, управляющих
разл. устройствами.
Степень интеграции N - число транзисторов
или их функциональных групп (т. н. логич. "вентилей", ячеек памяти
и др.) в одной ИС - показатель её сложности. С возникновением M. (50-60-е гг.
20 в.) N непрерывно растёт:
(для крупносерийных логич. ИС) и
(для лучших образцов схем памяти), где-
"возраст" M. (с 1960). Тридцатидвухразрядные микропроцессоры, т.
н. транспьютеры, и др. суперкристаллы имеюти
реализуют центр, часть ЭВМ с производительностью
~107 операций в 1 с, устройства самодиагностики и даже "саморемонта".
Ультрабольшие ИС памяти имеют ёмкость до 224 бит (16 мегабит).
Уровень миниатюризации. Мин. размер l0
"деталей" внутр. геометрии ИС (ширина проводников, длина канала
полевого транзистора и т. п.) - осн. показатель уровня миниатюризации. Уменьшение
l0, связанное с возможностями микролитографии, на к-рой
основано формирование внутр. геометрии ИС, происходит со CD. скоростью, определяемой
соотношением l0 = (50-
. В пром. ИС l0 = 1,5-2,5 мкм, в лучших ИСмкм
(1987). С уменьшением l0 увеличивается
быстродействие и снижается энергопотребление элементов, но усложняются физ.
процессы, их тео-ретич. анализ, проектирование и оптимизация. В нач. период
развития M. (при
мкм) нелинейные электронные процессы локализовались
в активных областях отд. транзисторов (напр., в базе биполярных транзисторов).
Оптимизация при этом была основана на одномерных моделях (приближение бесконечных
плоских r - n-переходов), и проектирование И С "наследовало"
осн. принципы проектирования электронных схем на дискретных приборах. При
мкм нелинейные явления внутри транзисторов
и активные связи между ними ("паразитные" транзисторы) осложнили
применение этой модели, а при
мкм "лавинное" нарастание этих явлений, влияние сильного электрич.
поля и горячих электронов потребовали перехода к нелинейным двумерным,
а затем трёхмерным моделям, аналитически не разрешимым и требующим расчёта на
ЭВМ. Нелинейным становится и поведение внутр. связей. Абс. величина тока снижается,
а сечений линий
плотность тока возрастает, и разогрев проводников в сочетании с сильным электрич.
полем и высокой плотностью тока вызывает перенос ионов и атомов прямым дрейфом
или электронным ветром. При
мкм достигается оптимум, ниже к-рого быстродействие перестаёт возрастать, а
энергопотребление транзисторов перестаёт снижаться. Их др. характеристики также
ухудшаются. Кроме того, начинают развиваться нежелательные коллективные электронные
процессы. T. о.,мкм
- нижний физ. предел M., основанный на классич. принципах синтеза схем. Теоретич.
предел быстродействия ~10-12 с (системные ограничения обусловлены
процессами внутрисхемной передачи сигналов, задержки сигналов, согласованием
линии связи и их помехозащищённостью и др.).
Технология микроэлектроники и системы автоматизированного
проектирования (САПР). Технол. ограничения в M. определяются возможностями планарной
технологии - послойного синтеза структуры твердотельного устройства с помощью
многократно повторяющихся (до 10-16 раз; с развитием M. это число возрастает)
групп операций, причём каждая группа формирует на поверхности подложки двумерный
рисунок и преобразует его в объёмную внутр. геометрию ИС, а погрешность совмещения
каждого последующего рисунка с предыдущими
При проектировании конечная структура представляется в виде совокупности плоских
картин (напр., в виде шаблонов). Это осуществляется с помощью САПР. Спец. компьютерные
программы САПР основаны на функциональном и электрич. моделировании ИС и содержат
"библиотеки стандартных элементов", из к-рых формируется ИС, оптимизируются
геометрия её внутр. связен, проверка её устойчивости к помехам и т. д. Наиб,
совершенные САПР обеспечивают также оптимизацию внутр. структуры новых поколений
ИС. САПР новых поколений ИС основаны на наиб, мощных ЭВМ предыдущих поколений.
Принцип послойного синтеза определяет границы M., в частности степень связности
рисунка ИС при данном N. Системные ограничения пленарных структур (быстродействие
и мощность, степень связности и степень интеграции и т. д.) связаны предельными
соотношениями. Теоретич. предел N ~ 1010 для ИС на целой полупроводниковой
пластине с диам. 200-250 мм.
Физ. принципы действия ИС и технология их синтеза
взаимно согласованы. Когда геом. размер твёрдого тела (хотя бы в одном измерении)
становится достаточно малым, скорости протекания технол. процессов (диффузия,
структурная перестройка, рост, травление и др.) перестают лимитировать их применение.
Поэтому в технологии M. используются разнообразные явления, включая диффузию
и фазовые переходы в твёрдом теле, гетерогенные реакции, воздействие частиц
высоких энергий, сфокусированных электронных и ионных пучков и др. Используются
также процессы, селективные по отношению к разл. структурным и хим. состояниям
кристалла. Требования к чистоте веществ в M. нередко превышают разрешающую способность
методов их анализа.
Функциональная микроэлектроника. Ограничения,
вызванные нарастающей плотностью и сложностью внутр. связей, стимулируют развитие
т. н. функциональной M. - создание структур, функциональные свойства к-рых определяются
коллективными электронными процессами и не могут быть реализованы путём коммутации
отд. его областей; обработка информации осуществляется не схемотехн. путём,
а динамич. распределением зарядов и полей - эл--магн., тепловых, упругих. При
этом используются оптич. явления (см. Оптоэлектроника ),взаимодействие
электронов с акустич. волнами (см. Акустоэлектроника ).В связи с открытием
высокотемпературной сверхпроводимости особое значение приобретают криоэлектронные
приборы. Разрабатываются полностью оптические ("фотонные") вычислит,
машины. Функциональная M. позволяет достичь предельно высокой производительности
и мин. энергопотребления. Однако для каждого класса задач требуется создание
спец. структур или сложная настройка. Кроме того, "несхемотехн."
решения характеризуются меньшей точностью и устойчивостью вычислений и моделирования.
При достаточно высоком уровне развития технологии
становится возможным создание гибридных устройств, объединяющих цифровые схемотехнические
и функциональные процессоры, автоматически распределяющих между ними информац.
потоки на каждом этапе решений задач. Существуют устройства, интегрирующие в
едином твёрдом теле электронные и неэлектронные (в т. ч. синтезаторы речи) микромеханич.
элементы (датчики, анализаторы, исполнительные микромеханизмы,
микродвигатели и т. п.). T. о., принципы M. распространяются на всю сферу устройств,
функциональное назначение к-рых допускает миниатюризацию хотя бы в одном из
трёх пространственных измерений.
Предполагается, что одна из новых ветвей развития
M. пойдёт в направлении копирования процессов в живой клетке, ей присвоены термины
"молекулярная электроника" или "бноэлсктроника". Достигнутый
уровень развития M. сделал возможным постановку исследований и разработку систем
искусств, интеллекта.
Деградация микроэлектронных устройств. С термодинамич.
точки зрения ИС - неравновесная система, закрытая для массообмена со средой,
но открытая энергетически в процессе своего функционирования (см. Открытая
система). Энергетич. обмен со средой ускоряет процесс релаксации системы
к равновесному состоянию. Этот процесс наз. деградацией. Многообразие механизмов
деградации породило новую область M., исследующую надёжность микроэлектронных
устройств. Осн. особенность механизмов деградации в M. состоит в том, что они
протекают при высоких плотностях тока (св. 106 А/см2),
высоких напряжён-ностях электрич. поля (св. 106 В/см) и поверхностных
плотностях мощности (105 Вт/см2). В таких условиях становятся
неустойчивыми не только распределения тока и поля, но и атомная структура кристалла.
Нек-рые механизмы деградации могут быть использованы, напр, разрушение пли перестройка
внутрисхемных связей и переброс "пакетов" носителей зарядов в глубокие
ловушки.
Роль микроэлектроники в науке и технике. M. образует
фундамент совр. средств автоматизации, связи, кнформац--вычислит, техники. Парк
последней в миро к сер. 80-х гг. достиг ок. 108 ЭВМ с производительностью
от 105 до 108, а в отд. ЭВМ до 1010 операций
в 1c. Для физики особенно важны 3 класса проблем, решаемых с помощью ЭВМ: 1)
автоматизация эксперимента, включая его планирование, управление, анализ и обработку
результатов (в осн. с помощью профессиональных персональных ЭВМ); 2) численное
решение на супер-ЭВМ сложных задач, не разрешимых аналитически (квантовомеханических,
задачи Изинга с учётом границ кристалла и т. д.); 3) моделирование многочастичных
систем и сплошных сред на многопроцессорных ЭВМ (до 6,5-104 процессоров;
проектируются - до 10е); при этом организация внутр. информац. обмена
топологически подобна организации физ. связей в моделируемых объектах.
M. стала источником новых идей и методов в физике твёрдого тела и материаловедении. В связи с задачами M. созданы, напр., устройства с управляемыми электронными и ионными пучками диаметром в неск. атомов, ионные источники (от протонов до тяжёлых ионов) широкого диапазона энергий (с диаметром пучка, близким к размерам отд. попов), аппаратура для выращивания монокристаллов и многослойных структур, где толщина, состав и строение каждого слоя контролируются с точностью до параметра решётки (см. Гетеро-структура, Эпитаксия), и т. д. Созданы новые пьезоэлектрические материалы ,феррогранаты, материалы с высокой чувствительностью к действию света, рентг. излучения, электронных и ионных пучков и т. д. Одно из достижений микроэлектронного материаловедения - сверхрешётки на основе множества чередующихся сверхтонких слоев полупроводников типа АIII - ВV.
В. Ф. Дорфмаи