Создание транзистора и становление научно-технических основ микроэлектроники

Введение

Электроника прошла несколько этапов разработки, в ходе которых изменилось несколько поколений элементной базы: дискретная электроника вакуумных устройств, дискретная электроника полупроводниковых приборов, встроенная электроника микросхем (микроэлектроника), интегрированная электроника функциональных микроэлектронных устройств (функциональная микроэлектроника).
Электроника элементарных элементов развивается все более быстро. Каждое поколение, появляющееся в определенный момент времени, продолжает улучшаться в наиболее оправданных направлениях. Разработка электронных продуктов из поколения в поколение идет в направлении их функционального усложнения, повышения надежности и срока службы, уменьшения габаритных размеров, массы, стоимости и потребляемой энергии, упрощения технологий и улучшения параметров электронного оборудования.
Развитие микроэлектроники как самостоятельной науки стало возможным благодаря использованию богатого опыта и базы промышленности, которая производит дискретные полупроводниковые приборы. Однако с развитием полупроводниковой электроники возникли серьезные ограничения использования электронных явлений и систем на их основе.
Поэтому микроэлектроника продолжает стремительно развиваться как в направлении совершенствования полупроводниковой интегрированной технологии, так и в направлении использования новых физических явлений.
Продукция микроэлектроники: интегральные схемы различной степени интеграции, микросборки, микропроцессоры, мини-микропроцессоры - позволила спроектировать и промышленное производство функционально сложного радио- и компьютерного оборудования, отличающееся от предыдущего оборудования с лучшими параметрами, более высокой надежностью и более длительный срок службы. потребляемой энергии и стоимости. Оборудование на основе микроэлектроники широко используется во всех сферах человеческой деятельности.
Микроэлектроника способствует созданию автоматизированных систем проектирования, промышленных роботов, автоматических и автоматических производственных линий, оборудования связи и многого другого.
Цель работы – изучить становление научно-технических основ микроэлектроники и создание транзистора.
Задачи работы:
- анализ понятия микроэлектроника и изучение исторических аспектов ее развития;
- проследить создание и развитие транзисторов.


1.Микроэлектроника: понятие и исторический аспект

1.1 Основные положения и принципы микроэлектроники

Особенностью микроэлектронных устройств является наивысшая степень сложности выполняемых ими функций. Для решения сложных задач создаются схемы, в которых число компонентов может достигать 107 ... 108. Очевидно, что при таком количестве элементов невозможно обеспечить правильность связей между ними и надежность вручную. Отсюда следует ключевое требование максимальной автоматизации производства микроэлектронного оборудования.
Принципиально важным моментом является то, что при производстве чипов используется групповой метод производства. Суть его заключается в том, что большое количество интегральных схем одновременно производится на одной пластине полупроводникового материала. Кроме того, если этот процесс позволяет, в то же время работает несколько десятков таких пластин. В конце основного технологического цикла пластина разрезается на кристаллы, каждая из которых представляет собой отдельную микросхему. На заключительном этапе выполняется размещение кристалла в корпусе и соединение контактных площадок с выводами (ногами) интегральной схемы [15, c.38].
Групповой метод производства и необходимость создания большого количества электрических соединений делают планку (из английской плоскости) технологией производства чипов оптимальной и неоспоримой. В этом случае все элементы и их компоненты, а также необходимые соединения формируются в интегральной схеме через плоскость.
Основой развития микроэлектроники является непрерывное усложнение функций, выполняемых электронным оборудованием, и расширение круга задач, решаемых с помощью этого оборудования. Это приводит к тому, что на определенном этапе становится невозможным решать новые задачи на основе старой элементной базы.
В результате работы ученых, инженеров и технологов появилось все больше новых электронных устройств, которые имеют более высокие характеристики по сравнению с их предшественниками. В этом случае факторами, лежащими в основе изменения элементарной базы электронных компонентов и устройств, являются надежность, стоимость и мощность, а также габаритные размеры и вес [17, c.58].
Факторы, определяющие развитие микроэлектроники, можно разделить на три одинаково важных аспекта: физический, технологический и схемный. Прекращение развития любого из этих аспектов неизбежно препятствует прогрессу в области микроэлектроники в целом.

1.2 Этапы развития микроэлектроники

Микроэлектроника является продолжением развития полупроводниковой электроники, которая началась 7 мая 1895 г., когда полупроводниковые свойства твердого тела были использованы А. С. Поповым для регистрации электромагнитных волн [11, c.201].
Дальнейшее развитие полупроводниковой электроники связано с развитием в 1948 году точечного транзистора (американские ученые Шокли, Бардин, Браттейн) в 1950 году из планарного биполярного транзистора, а в 1952 году - полевого (однополярного) транзистора. Наряду с транзисторами были разработаны и широко используются различные типы полупроводниковых приборов: диоды различных классов и типов, варисторы, варикапы, тиристоры, оптоэлектронные устройства (светоизлучающие диоды, фотодиоды, фототранзисторы, оптопары, светодиодные и фотодиодные массивы) [3,c.49].
Создание транзистора стало мощным стимулом для развития исследований в области физики полупроводников и технологии полупроводниковых приборов. Для практической реализации разработки полупроводниковой электроники требовались сверхчистые полупроводниковые и другие материалы, а также специальное технологическое и измерительное оборудование. Именно на этой основе начал развиваться микроэлектроника.
Следует отметить, что основные принципы метода группы микроэлектроники и планарной технологии были освоены при изготовлении транзисторов в конце 50-х годов.
Первые разработки интегральных схем (ИС) относятся к 1958 г. 1960 г.
В 1961, 1963 году ряд американских фирм начали выпускать простой IP-адрес. В то же время были разработаны пленочные микросхемы. Однако некоторые неудачи с развитием электрически стабильных пленочных активных элементов привели к преимущественному развитию гибридных ИС. Внутренний IP появился в 1962 году 1963 г. Первые отечественные интегральные схемы были разработаны в Центральном конструкторском бюро Воронежского завода полупроводниковых приборов (диаграммы диодно-транзисторной логики с использованием оксидно-изолированной карманной технологии). Согласно технологиям производства, эти схемы уступали 2 годам развития Запада [2, c.73].
В историческом плане существует 5 этапов развития микроэлектроники.
Первый этап, связанный с первой половиной 60-х годов, характеризуется степенью интеграции ИС с 100 элементами / кристаллом и минимальным размером элементов порядка 10 мкм.
Второй этап, относящийся ко второй половине 60-х и первой половине 70-х годов, характеризуется степенью интеграции IP от 100 до 1000 элементов / кристалла и минимальным размером элементов до 2 микрон.
Третий этап, начавшийся во второй половине 70-х годов, характеризуется степенью интеграции более 1000 элементов / кристаллов и минимальным размером элементов до 1 микрона.
Четвертый этап характеризуется развитием сверхбольших интегральных схем со степенью интеграции более 10000 элементов / кристалла и размером элементов 0,1-0,2 мкм.
Пятый, современный этап характеризуется широким использованием микропроцессоров и микрокомпьютеров, разработанных на основе больших и сверхбольших масштабных ИС. Исторически сложилось, что появление и развитие микроэлектроники было подготовлено быстрым ходом научно-технической революции, которая породила индустриальную кибернетику, вычислительную технику, радиоэлектронику и требовала полной микроминиатюризации всех элементов электронного оборудования. Создание в 1948 году транзистора на основе монокристаллического полупроводника и разработка в 1950 году 1951. Первые пассивные элементы электронного оборудования подготовили прочную основу для создания технологии микроэлектроники. Практически, рождение микроэлектроники связано с 1957 годом, когда его технологическая основа была впервые разработана, то есть запатентованы методы локальной диффузии через оксидную маску, профилированную фотолитографией. Таким образом, современная микроэлектроника исходит из планарной технологии на твердом (активные элементы полупроводниковых интегральных схем) и пленочной технологии (пассивные элементы и гибридные интегральные схемы) [5, c.38-41].
Наиболее важные процессы, используемые в технологии микроэлектроники, осаждение пленок и эпитаксиальных слоев, удаление (в растворах и парогазовых средах) веществ с поверхности твердой фазы, допинг и диффузионное перераспределение, по существу, физико-химические и имеют специфическую особенность с их потоком на поверхности или в объемной твердой фазе. Продукт (полуфабрикат) сложного набора технологических процессов (от 50 до 200 и более операций) представляет собой кусок монокристалла объемом от сотых до единиц кубического миллиметра в виде микрогетерогенного, очевидно метастабильного твердое тело, которое должно работать в очень сложных условиях и практически без ограничения срока службы. В связи с этим технолог-технолог-химик-химик должен обеспечить решение двух диаметрально противоположных задач:
1) создать микрогетерогенное метастабильное твердое вещество с максимальной дисперсией неравновесных объемов и
2) обеспечить долгосрочную стабильную работу всей схемы в целом, подавляя ее желание гомогенизировать и выравнивать состав. Размеры активных областей ИС постоянно уменьшаются, и в настоящее время планируется переход в субмикронную область [9, c.48].
Основным технологическим направлением в микроэлектронике является производство монолитных, тонких и толстопленочных ИС, а также микроминиатюрных функциональных дискретных устройств. Технология толстых пленок основана на трафаретной печати и горящих элементах и ​​проводниках в керамической подложке; в производстве монолитных ИС, диффузии, эпитаксии, окисления и т. д.; в производстве тонкопленочных микросхем доминирует конденсация из молекулярных пучков в вакууме. Основные задачи технологии микроэлектроники заключаются в следующем: создать в минимальном объеме (твердое тело или на его поверхности) максимальное количество строго определенных областей с заданной геометрией, составом, структурой и, следовательно, свойствами, способными выполнять определенные функции элементов или эквиваленты элементов электронных схем с высокой стабильностью конвертируемой информации, низкое энергопотребление и высокую надежность множества повторений всех задач, назначенных этому ИС

. В то же время внимание уделяется повышению рентабельности при одновременном снижении потребления материалов, простоте и сложности технологического производства, максимальной продуктивности используемых продуктов с минимальным использованием ручного труда. Только максимальная автоматизация может обеспечить дальнейшее развитие микроэлектроники. В настоящее время технология микроэлектроники уже прошла основные этапы ее развития и формирования, и если учесть, что широкое распространение ИС и дискретных устройств с использованием технологий и технологических процессов микроэлектроники преодолело рубеж в 1012 млрд. Штук. в год становится ясно, что мы имеем дело с самым массовым современным производством высококонцентрированных продуктов. В то же время темпы развития микроэлектроники вне конкуренции с любыми другими отраслями современной промышленности. Это потребует использования новых материалов и их композиций, а также новых технологических процессов и их сочетаний.
Уже сейчас их разнообразие выходит за рамки конкуренции с любой другой технологией; поэтому особенно важно систематизировать и классифицировать процессы с использованием различных принципов с физико-химической основой.

1.3 Современный этап развития микроэлектроники. Основные тенденции

Основной тенденцией в развитии микроэлектроники является увеличение степени интеграции микросхем. Согласно знаменитому прогнозу, сделанному в 1965 году и известному с момента закона Мура, условное число транзисторов на самых высокоскоростных процессорах удваивается каждые полтора года. Конечно, эта тенденция не может продолжаться вечно, а с 90-х годов XX века. Различные специалисты периодически выражают мысль о том, что в своем развитии микроэлектроника вплотную подошла как к технологическому пределу увеличения размеров кристаллов СБИС, так и к УБИС, а также к дальнейшему увеличению «плотности» размещения компонентов на кристалле. Среди многих проектных и технологических проблем, которые необходимо решить при разработке и производстве микроэлектронных продуктов, существует пять основных [4, с.47].
Во-первых, проблема уменьшения размера элементов интегральных схем. Уже сейчас оборудование для производства процессоров Intel Pentium 4, использующее излучение с длиной волны 248 нм в процессе литографии, позволяет получать на кристалле элементы 130 нм. Согласно прогнозам Intel, в ближайшем будущем можно будет уменьшить размер отдельного транзистора до примерно 30 нм, что составляет всего несколько десятков атомных слоев. Nikon Corp. объявила о том, что она продвигает программу разработки проекционного литографического оборудования (Electron Projection Lithography EPL) с использованием технологии обработки 0,07 мкм. Сегодня EPL можно рассматривать как наиболее вероятную технологию литографии следующего поколения [4, с.68].
Эксперты связывают дальнейшие перспективы увеличения разрешения литографии с использованием мягких рентгеновских лучей с длиной волны ~ 1 нм при экспонировании, а также различными методами электронной литографии. В одном из вариантов метода электронной литографии технология резисторных масок вообще не используется, но обеспечивается прямое воздействие электронного пучка на слой оксида кремния. Оказывается, что обнаженные участки дополнительно отравляются в несколько раз быстрее, чем неэкспонированные.
По-видимому, естественный предел дальнейшего роста микроминиатюризации СБИС и УБИС будет зависеть от явлений разупорядочения структуры материалов за окнами в фоторезистах. На более фундаментальном уровне это может быть связано с ограничением чистоты применяемых полупроводников и статистическим характером распределения дефектов и примесей в них.
На втором месте в ряду актуальных проблем микроэлектроники стоит проблема внутренних соединений. Огромное количество элементов чипов, размещенных на подложке, должно переключаться между собой таким образом, чтобы обеспечить надежную и правильную работу определенных операций с сигналами.
Эта проблема решается с помощью многоуровневой проводки, когда логические ворота формируются на первом (нижнем) уровне, на вторых отдельных цифровых узлах, таких как триггеры, на третьих отдельных блоках (например, регистры) и далее путем увеличения степень функциональной сложности.
На третьем месте проблема радиатора. Увеличение степени интеграции обычно связано с уменьшением как размера самих элементов, так и расстояний между ними, что приводит к увеличению удельной мощности диссипации.
В естественном режиме (без дополнительного теплоотвода) допустимая рассеиваемая мощность современных микросхем не превышает 0,05 Вт / мм 2, что ограничивает плотность размещения элементов на подложке. Чтобы преодолеть это ограничение, вы можете использовать несколько способов: уменьшить напряжение питания, используя микромод транзисторов, переключиться на более экономичную базовую основу (например, комплементарную структуру CMCD из металлического изолятора и полупроводника) и, наконец, искусственное охлаждения. Однако каждый из этих методов имеет свои специфические трудности. Например, снижение напряжения питания неизбежно приводит к снижению помехоустойчивости.
Четвертый в списке должен указывать на проблему дефектов в субстрате. Степень интеграции может быть увеличена путем простого увеличения площади кристалла, однако это пропорционально увеличит вероятность того, что кристаллическая структура (в первую очередь, дислокации) попадет в рабочую зону, которые неизбежны на поверхности подложки, если только по термодинамическим соображениям. Дефект подложки может привести к нарушениям технологического процесса изготовления микросхемы и, соответственно, к браку. Единственный способ решить эту проблему - улучшить технологию изготовления подложек.
Последний в списке, но, возможно, первый по важности должен быть назван проблемой контрольных параметров. Хорошо известно, что электроника проникла буквально во все сферы человеческой деятельности. Сегодня автоматизированные системы управляют самыми сложными (а иногда и потенциально опасными) технологическими процессами, огромными потоками трафика и т. Д. Неудача в такой системе может привести к катастрофическим последствиям. В этих условиях первостепенное значение имеют проблемы надежности и качества оборудования, а следовательно, и контроля параметров продукции, производимой электронной промышленностью [17, c.63].
Из-за большой сложности выполняемых функций количество внешних информационных данных современного СБИС колеблется от нескольких десятков до двухсот сотен. Если мы возьмем для оценки количество информационных выходов, равных 50, и учтем, что цифровой сигнал на каждом из них может принимать два значения («0» или «1»), то для полной проверки правильности функционирования один VБИС и только в статическом режиме потребуется 250 измерений. При длительности каждого измерения 0,1 мкс (с типичной частотой дискретизации 10 МГц, типичной для текущего уровня технологии), этот процесс займет более двух лет. Оценки показывают, что для реальной организации контроля, измерения, если необходимо, должны быть избирательными. Поэтому тщательное изучение методологии тестирования (выбор контролируемых параметров, разработка эффективных алгоритмов тестирования, а также разработка соответствующего измерительного оборудования и программного обеспечения) - очень важная и очень сложная задача.
В настоящее время был достигнут определенный прогресс в решении каждой группы перечисленных проблем. Разработка и практическая реализация проектных и технологических решений, которые позволяют выйти на качественно новый уровень развития, имеют решающее значение для повышения степени интеграции СБИС и УБИС. В качестве типичного примера таких решений можно использовать в современных функционально интегрированных элементах СБИС, которые объединяют функции нескольких элементарных элементов в одной области полупроводника (например, сборная нагрузка и сам коллектор могут быть объединены с транзистором). Другим примером является трехмерное интегрирование, когда элементы IC формируются в разных слоях, например, двухслойная CMD-структура, состоящая из двух комплементарных MDP-транзисторов (металл-электрический полупроводник) с общими затворами.
Нанотехнологии, основанные на использовании туннельной микроскопии, в настоящее время перспективны.
Рабочим органом нанотехнологического устройства является электрический зонд, выполненный из карбидного материала, который является своего рода иглой, кончик которой ионно вытравлен до размера атома.
Кончик зонда расположен на очень небольшом расстоянии (~ 10-10 м) от поверхности, полированной проводящей подложкой, и между подложкой и зондом прикладывается некоторое напряжение. Из-за малости зазора даже при очень низких напряжениях напряженность поля в зазоре может достигать огромных значений около 10-8 ... 10-9 В / м, что приводит к появлению туннельного тока. Измеряя этот туннельный ток, с помощью пьезопреобразователей можно поддерживать размер зазора с погрешностью около 10-11 м. В то же время диаметр пучка туннельных электронов имеет значение ~ 10-10 м. Увеличивая энергию пучка до уровня энергии межатомных связей, можно разрывать отдельный атом с подложки и, перемещая субстрат с помощью пьезоманипуляторов, передавать его вместе с зондом в новое положение [20, c.46].
Уменьшая энергию пучка, атом может быть осажден на подложку в этом новом положении. Введя молекулы технологического газа в активную область под зондом, в условиях резко неоднородного электрического поля можно добиться их ионизации и, захватив желаемый ион с зондом, отложить его на подложку вправо место.
Таким образом, на подложке образуются точечные или линейные структуры с характерными размерами порядка т. При заполнении рабочей области установки газовой ловушкой инициируются химические реакции, ведущие к удалению отдельных цепей атомов с поверхности, что позволяет создавать канавки нанометровой глубины. Нанотехнологии открывают практически неограниченные возможности для построения как плоских, так и объемных структур, которые позволяют создавать электронные элементы на подложке с размерами порядка атомных