Теоретические основы микроэлектроники.

1.1. История развития микроэлектроники.

Микроэлектроника является продолжением развития полупроводниковой электроники, начало которой было положено 7 мая 1895 года, когда полупроводниковые свойства твердого тела были использованы А.С.Поповым для регистрации электромагнитных волн.

Дальнейшее развитие полупроводниковой электроники связанно с разработкой в 1948 году точечного транзистора (американские ученые Шокли, Бардин, Браттейн), в 1950 году – плоскостного биполярного транзистора, а в 1952 году полевого (униполярного) транзистора. Наряду с транзисторами были разработаны и стали широко использоваться другие различные виды полупроводниковых приборов: диоды различных классов и типов, варисторы, варикапы, тиристоры, оптоэлектронные приборы (светоизлучающие диоды, фотодиоды, фототранзисторы, оптроны, светодиодные и фотодиодные матрицы)[5].

Создание транзистора явилось мощным стимулом для развития исследований в области физики полупроводников и технологий полупроводниковых приборов. Для практической реализации развивающейся полупроводниковой электроники потребовались сверхчистые полупроводниковые и другие материалы и специальное технологическое и измерительное оборудование. Именно на этой базе стала развиваться микроэлектроника.

Следует отметить, что основные принципы микроэлектроники – групповой метод и планарная технология – были освоены при изготовлении транзисторов в конце 50 годов.

Первые разработки интегральных схем (ИС) относятся к 1958 – 1960г.г. В 1961 – 1963г.г. ряд американских фирм начали выпускать простейшие ИС. В то же время были разработаны пленочные ИС. Однако некоторые неудачи с разработками стабильных по электрическим характеристикам пленочных активных элементов привели к преимущественной разработке гибридных ИС. Отечественные ИС появились в 1962 – 1963г.г. Первые отечественные ИС были разработаны в ЦКБ Воронежского завода полупроводниковых приборов (схемы диодно-транзисторной логики по технологии с окисной изоляцией карманов). По технологии изготовления эти схемы уступали 2 года западным разработкам [5].

В историческом плане можно отметить 5 этапов развития микроэлектроники.

Первый этап, относящийся к первой половине 60-х годов, характеризуется степенью интеграции ИС до 100 элементов / кристалл и минимальным размером элементов порядка 10 мкм.

Второй этап, относящийся ко второй половине 60-х годов и первой половине 70-х годов, характеризуется степенью интеграции ИС от 100 до 1000 элементов/кристалл и минимальным размером элементов до 2 мкм.

Третий этап, начавшийся во второй половине 70-х годов, характеризуется степенью интеграции более 1000 элементов/кристалл и минимальным размером элементов до 1 мкм.

Четвертый этап, характеризуется разработкой сверхбольших ИС со степенью интеграции более 10000 элементов/кристалл и размерами элементов 0,1 – 0,2 мкм.

Пятый, современный, этап характеризуется широким использованием микропроцессоров и микро-ЭВМ, разработанных на базе больших и сверхбольших ИС.

Исторически возникновение и развитие микроэлект­роники было подготовлено бурным ходом научно-техни­ческой революции, давшей жизнь промышленной кибер­нетике, вычислительной технике, радиоэлектронике и потребовавшей тотальной микроминиатюризации всех элементов электронной техники. Создание в 1948 г. транзистора на основе монокристаллического полупро­водника и разработка в 1950—1951 гг. первых пленочных пассивных элементов электронной техники подготовили прочную базу для создания технологии микроэлектрони­ки. Практически рождение микроэлектроники относят к 1957 г., когда была впервые разработана ее технологи­ческая основа, т. е. запатентованы методы локальной диффузии через маску окисла, профилированную фото­литографией. Таким образом, современная микроэлект­роника берет начало от планарной технологии на твер­дом теле (активные элементы полупроводниковых инте­гральных схем) и пленочной технологии (пассивные элементы и гибридные интегральные схемы)[8].

Важнейшие процессы, используемые в технологии микроэлектроники нанесение пленок и эпитаксиальных слоев, удаление (в растворах и паро-газовых средах) вещества с поверхности твердой фазы, легирование и диффузионное перераспределение,— по существу явля­ются физико-химическими и имеют определенную осо­бенность, связанную с протеканием их на поверхности или в объеме твердой фазы. Продуктом (полуфабрика­том) сложной совокупности технологических процессов (от 50 до 200 и более операций) является кусочек мо­нокристалла объемом от сотых долей до единиц кубиче­ского миллиметра в виде микрогетерогенного, заведомо метастабильного твердого тела, обязанного работать в весьма сложных условиях и практически без ограничения срока службы. В этом отношении технолог физик химик должен обеспечить решение двух диаметрально противо­положных задач: 1) создать микрогетерогенное метастабильное твердое тело с максимальной дисперсностью неравновесных объемов и 2) обеспечить длительную ста­бильную работу всей схемы в целом, подавляя ее стрем­ление к гомогенизации—выравниванию состава. Разме­ры активных областей ИС постоянно уменьшаются, и в настоящее время намечается переход в субмикронную область.

Основным технологическим направлением в микро­электронике является производство монолитных, тонко- и толстопленочных ИС, а также микроминиатюрных функциональных дискретных приборов. В основе техно­логии толстых пленок лежит трафаретная печать и вжигание в керамическую подложку элементов и про­водников, при изготовлении монолитных ИС используют­ся процессы диффузии, эпитаксии, окисления и др., при изготовлении тонкопленочных микросхем доминирующими являют­ся процессы конденсации из молекулярных пучков в вакууме. Главные задачи техно­логии микроэлектроники следующие: создание в минимальном объеме (твердого тела или на его поверхности) максималь­ного количества строго определенных областей с заданными геометрией, составом, структурой, а следовательно, и свойст­вами, способных выполнять определенные функции эле­ментов или эквивалентов элементов электронных схем при высокой стабильности преобразуемой информации, малом расходе энергии и высокой надежности много­кратного повторения всех возложенных на данную ИС задач. При этом обращают внимание на повышение рентабельности при снижении расхода материалов, на простоту и комплексность технологического производст­ва, максимум выхода годных изделий при минимальном применении ручного труда. Только максимальная авто­матизация может обеспечить дальнейшее развитие микро­электроники. В настоящее время технология микроэлектроники прошла уже основные стадии своего развития и станов­ления, а если учесть, что широкое производство ИС и дискретных приборов с использованием приемов и тех­нологических процессов микроэлектроники перешагнуло рубеж 10—12 млрд. шт. в год, то становится ясным, что мы имеем дело с наиболее массовым современным производством весьма сложной продукции. При этом темпы развития микроэлектроники находятся 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 в настоящее время их многообразие вне конкуренции с любой другой от­раслью техники, поэтому особенно важным является систематизация и классифика­ция процессов с использова­нием различных принципов, имеющих физико-химическую основу[4].