Этапы развития электроники

Содержание


Введение

Начало использования полупроводников 1940-50-е годы

Появление и использование первых интегральных схем

Появление БИС микропроцессоров в 1970-е годы

Распространение архитектуры intel в 1980-е годы

Развитие технологий литорафии 1990-е

Усложнение техпроцесса в 2000-е годы

Заключение

Список использованной литературы


Введение


Электроника прошла несколько этапов развития, за время которых сменилось несколько поколений элементной базы дискретная электроника электровакуумных приборов, дискретная электроника полупроводниковых приборов, интегральная электроника микросхем микроэлектроника, интегральная электроника функциональных микроэлектронных устройств функциональная микроэлектроника.

Элементная база электроники развивается непрерывно возрастающими темпами. Каждое из приведенных поколений, появившись в определенный момент времени, продолжает совершенствоваться в наиболее оправданных направлениях. Развитие изделий электроники от поколения к поколению идет в направлении их функционального усложнения, повышения надежности и срока службы, уменьшения габаритных размеров, массы, стоимости и потребляемой энергии, упрощения технологии и улучшения параметров электронной аппаратуры. Современный этап развития электроники характеризуется широким применением интегральных микросхем ИМС.

Это связано со значительным усложнением требований и задач, решаемых электронной аппаратурой, что привело к росту числа элементов в ней. Число элементов постоянно увеличивается. Разрабатываемые сейчас сложные системы содержат десятки миллионов элементов. В этих условиях исключительно важное значение приобретают проблемы повышения надежности аппаратуры и ее элементов, микроминиатюризация электронных компонентов и комплексной миниатюризации аппаратуры.


Начало использования полупроводников 1940-50-е годы


В 1945 г. - когда вычислительная техника уже была электронной, но ещё релейно-ламповой (хотя британцы уже во Второй Мировой Войне использовали германиевые диоды) - руководство американской компании Bell Labs основало группу под руководством Уильяма Шокли по исследованию полупроводниковой замены вакуумным лампам, что и произошло через 2 года с изобретением транзистора[1,c. 24]. А в 1948 г. «transistron» был независимо изобретён работающими во Франции двумя немецкими физиками - Хэрбертом Матаре и Хайнрихом Велкером.

Правда, оба прибора были с неудобным в производстве точечным контактом к полупроводнику. В 1951 г. Шокли изобрёл биполярный транзистор с двумя p-n-переходами, полностью заменивший точечные уже к середине 50-х. К 1954 г. транзисторы уже стали обязательными компонентами в телефонных станциях и аппаратах фирмы Bell. Мудрейшим шагом компании было решение 1952 г. о продаже (за 25 000 долларов) лицензий на выпуск биполярных транзисторов 26 другим фирмам. Уже через 2 года появились транзисторные радиоприёмники, на время ставшие сутью самого слова «транзистор» в массовом сознании. В 1956 г. за открытие транзисторного эффекта Уильям Шокли и его помощники Джон Бэрдин и Уолтер Брэттэйн получили нобелевскую премию по физике.

После изобретения транзистора Шокли в 1956 г. основал компанию Shockley Semiconductor Laboratory, где изобрёл ещё один полупроводниковый прибор, названный им «диод Шокли». В отличие от транзистора, тут не 3, а 4 слоя полупроводника, что дало возможность блокировать прибор в открытом или закрытом состоянии без поддерживающего напряжения. Шокли был уверен, что это открытие не менее важно, чем транзистор, но на этот раз держал всё в секрете даже от своих сотрудников, что привело его к почти параноидальному поведению. В довесок, нерешительность Шокли при управлении проектами не давала возможность немедленно пустить идею в производство. Это так расстроило его коллег, что 8 наиболее молодых из них потребовали сменить главу компании. Когда стало ясно, что навстречу им не пойдут, «вероломная восьмёрка», как прозвала их жена Шокли, сама покинула компанию и в 1957 г. основала Fairchild Semiconductor для производства полупроводниковых транзисторов.На тот момент под полупроводником электронщики понимали прежде всего германий. Транзисторы из него получались хорошие, но p-n-переходы были термически нестабильны (при том, что прибор заметно грелся), а дороговизна затрудняла распространение. Однако в 1952 г. впервые получен кристаллический кремний, а через 2 года Texas Instruments (TI) применила его в транзисторе. В 1955 г. всё в той же Bell Labs изобрели (точнее, впервые использовали для производственных целей) почти все основные технологические операции микроэлектроники: осаждение изолятора, фотолитографию с масками (для деталей аж в 200 микрон), травление и диффузию. Тогда же сделали и первый полевой транзистор - именно такие (в миллиардных количествах) находятся в современных чипах. И ещё одно малоизвестное, но совершенно революционное открытие: в 1954 г. Чарлз Ли из Bell Labs изготовил транзистор с базой толщиной всего в 1 микрон и обнаружил, что он может работать на частоте до 170 МГц, что вдесятеро быстрее тогдашних аналогов [2,c. 31]. В 1952 г. британский электронщик Джэффри Даммер опубликовал идею об интегральной схеме (ИС) как о «твёрдом бруске без соединяющих проводов». В 1956 г. Даммер попытался сделать первую микросхему, но неудачно. Через 2 года недавно принятый в TI молодой инженер Джэк Килби почти в одиночку сидел всё лето в лаборатории миниатюризации, т. к. компания не отпустила его в пока ещё не заработанный отпуск. 24 июля 1958 г. Килби написал в своей записной книжке, что если элементы электрической схемы (резисторы, конденсаторы и транзисторы) сделать из одного материала, то они могут быть помещены на общую пластинку (на сленге - «вафлю», причём в оригинале говорится только так: wafer). А 12 сентября Килби построил первую ИС из пяти элементов, выполняющую роль генератора - хотя она ещё не была однокристальной. Странно, что «нобелевки» за это достижение надо было ждать до 2000 г.Изобретение Килби имело большой недостаток - компоненты схемы соединялись золотыми проводками, что делало технологию малопригодной к дальнейшему уменьшению, усложнению и массовому производству. Однако к концу этого же 1958 г. Жан Эрни из Fairchild продемонстрировал размещение в кремнии областей с избытком электронов и дырок, вместе составляющих p-n-переход, над которым располагался изолятор из диоксида кремния. В изоляторе протравлено отверстие, которое заполняется алюминием, образующим контакт. А чешский физик Курт Леховец из калифорнийской компании Sprague Electric догадался использовать p-n-переход как изолятор [3]. Наконец, в 1959 г. Роберт Нойс из Fairchild объединил обе идеи с возможностью напылять тонкий слой металла на схему. Этот слой потом выборочно вытравливался, получая одновременно все необходимые межсоединения, что сделало возможным изготовление более сложной схемы за несколько шагов. Так был изобретён планарный технологический процесс.

Правда, пока этот процесс подходил лишь для изготовления отдельных кристаллов. Но уже тогда стало ясно, что микросхем понадобится не меньше, чем дискретных элементов, а значит их производство должно быть более массовым. К счастью, в 1958 г. Джэй Лэст и Роберт Нойс построили один из первых фотоповторителей, позволявших на одну пластину проецировать множество копий маски. А в 1961 г. выпущены первые промышленные фотоповторители с уменьшением изображения - теперь маску можно сделать в 5-10 раз больше, что упрощало процесс её подготовки. Маски изготавливались переносом выполненных на прозрачной плёнке чертежей на лист рубилита, в рубиновом слое которого координатограф полуручным способом гравировал оттиск. Сами чипы изготавливались из пластин диаметром всего 13? мм, введённых в 1960 г. Право называться первой коммерческой оспаривают микросхемы Fairchild и Texas Instruments. Кстати, Уильям Шокли также достиг массового производства своего диода, но так и не добился успеха - потому что появились микросхемы, где 3-6 транзисторов могли заменить такой диод. Впрочем, все микросхемы пока делались с биполярными транзисторами, и если бы так оставалось и впредь - не видать бы нам никаких персоналок и мобильников. Но в 1959 г. Джон Аталла и Дэвон Канг из Bell Labs изготовили полевой транзистор с изолированным затвором, чего не могли добиться с 1926 г., когда был открыт полевой эффект и указан его недостаток - поверхностные волны в металле не позволяли проникать полю затвора в канал. Получился всем сегодня известный «бутерброд»: металлический (Al) затвор, подзатворный оксид (SiO2) и канал-полупроводник (Si). И хотя первые два элемента уже давно делаются из других материалов, мы всё ещё называем это МОП-транзисторами. А в 1960 г. в Bell Labs изобрели ещё один нужный для массового производства процесс - эпитаксиальное осаждение тонкого слоя на кристаллической подложке, снова обнаружив, что малая толщина базы ускоряет биполярный транзистор. В 1958 г. инженер Сеймур Крэй (уже тогда прослывший экспертом по компьютерам) устроился в компанию Control Data Corporation (CDC) на должность главного разработчика и сразу попросил фирму General Transistor изготовить быстрый германиевый транзистор для своей машины CDC 1604, ставшей в 1960 г. одним из первых коммерчески успешных диодно-транзисторных компьютеров (после IBM-овских моделей 1401 и 7090). Далее Крэй задался целью построить самый быстрый в мире компьютер (будущий CDC 6600), для чего ему нужен был транзистор со временем переключения менее 3 нс и способностью выдержать перегрев (ибо высокоплотный монтаж в электронике - тоже не сегодняшнее изобретение). P-канальные полевые транзисторы (в большинстве из них канал между истоком и стоком открыт при отрицательном напряжении на затворе относительно истока) в то время получались медленнее биполярных, а производили их просто потому, что они получались дешевле. Более быстрые n-канальные (канал открыт при положительном напряжении на затворе) появились только в 1964 г. Крэй заплатил фирме Fairchild аж 500 000 долларов, и в 1961 г. Жан Эрни, используя легирование золотом и эпитаксиальное осаждение, получил кремниевый биполярный транзистор, работающий быстрее германиевых.


Появление и использование первых интегральных схем


апреля стало ясно, что СССР постоянно выигрывает у США в космической гонке. 15 апреля США начали операцию Pluto (более известную как Высадка в заливе Свиней) по свержению Фиделя Кастро, ставшую одним из самых больших провалов ЦРУ. Ещё помнился перехват Гэри Пауэрса под Свердловском, когда президент Эйзенхауэр загнал себя и страну в ловушку, пытаясь скрыть разведывательный характер полёта U-2.

Нужна была некая национальная идея - знакомо?… 25 мая только что избранный Джон Кеннеди во 2-й раз обратился к нации (что само по себе необычно - обращения являются ежегодными) и заявил: «Я хочу верить, что мы сможем доставить человека на Луну и вернуть обратно до конца этого десятилетия». В отличие от построения коммунизма к 1980 г., о чём в октябре того же 1961 г. заявил Никита Хрущёв, такая задача была не менее технической, чем идеологической. Помимо ракет и кораблей, надо было создать системы управления, которые сначала полетят на Луну в одиночку (в исследовательских миссиях), а затем будут отвечать за безопасность живых людей. А пока у США был лишь 15-минутный суборбитальный полёт и слабые ракеты. Поэтому программе выделили астрономические деньги (в сегодняшних ценах - 170 млрд. долларов) и присвоили высший приоритет.

По микроэлектронной части роль главного героя отводилась навигационному компьютеру для Аполлонов (Apollo Guidance Computer, AGC). До того момента первые чипы были относительно медленные и продавались по цене в несколько раз больше аналогичного набора дискретных элементов. И только в авиакосмических применениях миниатюрность и энергоэффективность оказались важнее недостатков, хотя ИС содержали лишь несколько компонентов. Уже в 1961 г. коллега Килби Харви Крэгон сделал демонстрационный Молекулярный электронный компьютер для ВВС США, в котором 587 ИС производства TI заменяли 8500 отдельных деталей. В этом же году чипы Fairchild уже применялись в простых компьютерах.оказался намного сложнее, требуя около 4000 логических вентилей по 20-30 долларов каждый. До 1965 г. AGC оставался самым большим потребителем чипов как по количеству (200 000), так и по общей цене. Боб Кук из TI изготовил первые экономные ИС для блока астронавигации. Одновременно (в 1962 г.) TI выиграла контракт на изготовление 22 видов заказных микросхем для системы наведения ракет Minuteman II. К этой же задаче присоединились и другие компании, так что в 1965 г. ракетчики стали главными заказчиками ИС в США. Кстати, ещё в 1961 г. британская Ferranti Semiconductor стала производить одно из первых в Европе семейств цифровой логики для миниатюризации бортовых систем в британских ВМС. В этом же году Стивен Хофстайн из RCA сделал самую сложную на тот момент 16-транзисторную ИС - но лишь для лабораторных исследований.

В 1963 г. вышли первые ТТЛ-чипы (транзисторно-транзисторная логика, самая популярная до конца 70-х), но главное - Фрэнк Уанласс из Fairchild показал, что симметричное спаривание p- и n-канальных МОП-транзисторов уменьшает потребление энергии при простое (когда транзисторы не переключаются) в миллион раз, назвав этот вид логики «комплементарная (структура) МОП» (КМОП). Впервые изготовленная через 2 года, она сразу стала использоваться в авиации и космосе, но быстро добралась и до коммерческих устройств. Из-за использования медленных p-МОП-транзисторов на рекорды скорости поначалу такая логика не претендовала.

Когда массовое производство ИС стало исчисляться уже миллионами, оказалось, что с применением пластин большего диаметра себестоимость чипов падает, а массовость растёт - и в 1964 г. введены 25 мм пластины, а через 2 года - на 38 мм. Однако уменьшать интегральные МОП-транзисторы оказалось труднее, чем биполярные, из-за производственных сложностей и падения надёжности. Причём эксперты чуть ли не соревновались по добавлению очередного аргумента в ряд «почему оно не будет работать» - так что это даже вылилось в пародию на известную индийскую притчу о слепцах, ощупывающих слона по частям, чтобы изучить его. В течение 1963-66 гг. специалисты из американских, европейских и японских компаний (в сотрудничестве и конкуренции) исследовали и решили бо?льшую часть вопросов надёжности МОП-схем [4].

В 1964 г. General Microelectronics выпустила первый коммерческий p-МОП-чип - 120-тразисторный 20-битный регистр сдвига. Через год сделаны ещё 23 заказных вида микросхем для первого настольного калькулятора на МОП-ИС (Victor Comptometer EC-3900), включая 600-тразисторный 100-битный регистр. К 1969 г. фирме Rockwell удалось сократить число калькуляторных чипов до 4, что позволило сделать портативные машины. В 1971 г. Mostek и TI представили однокристальные калькуляторные ИС (не считая внешнего контроллера экрана). До этого, в 1968 г. RCA показала чип статической памяти (СОЗУ) на 288 бит (почти 2000 транзисторов) и первое семейство простой КМОП-логики общего назначения. Таким образом, помимо военных заказов, во второй половине 60-х одним из локомотивов микроэлектроники стали простые настольные ЭВМ. Их было гораздо больше мэйнфреймов, хотя в последних ИС применялись тысячами.

Но главное - в течение 60-х гг. улучшения литографии позволяли увеличивать число транзисторов экспоненциальными темпами. Это заметил химик Гордон Мур, работавший тогда директором по НИОКР в Fairchild. В 1965 г. он написал внутренний доклад «Будущее интегральной электроники» с графиком, соединяющим 5 точек и связывающим число компонентов ИС и их минимальную цену для периода 1959-1964, и предсказанием развития на следующие 10 лет. Последнее основывалось на том, что число компонентов на чипе будет продолжать удваиваться каждый год. Чуть позже отредактированная версия появилась в виде статьи в журнале Electronics 19 апреля 1965 г.

Интересно, что в 1975 г. на ежегодной встрече Международной Организации Инженеров-Электронщиков (IEEE) Мур (уже как президент и исполнительный директор Intel) указал, что увеличение диаметра пластин, успехи в технологических процессах и поумнение схем и устройств позволило продолжиться прогнозу. Впрочем, Мур скорректировал свою закономерность до удвоения каждые 2 года, добавив в последние данные большую долю микропроцессоров как наиболее сложных логических (т. е. нерегулярных) схем. Предсказание оказалось самоподдерживающимся: теперь Гордон Мур уже не наносит на свой график очередные достижения, зато многочисленные фирмы (и, конечно, сама Intel) до сих пор стараются идти в ногу с прогрессией. Кстати, титул закона ей дал известный информатик Карвер Мид в 1980 г. Ещё раз публично проверяя своё предсказание в 1995 г., Мур сделал вывод, что оно не скоро остановится.

Поясним, почему делается разделение между регулярными и нерегулярными дизайнами (чаще всего под ними понимают память и процессоры, соответственно). Регулярный чип имеет в 5-10 раз бо?льшую плотность размещения транзисторов, чем в логических схемах, где относительно мало повторяющихся элементов. Однако прогресс последних более сложен и приносит больше пользы. Проще говоря, если вам мало памяти, то можно её набрать большим числом микросхем имеющегося объёма. А вот с недостатком производительности ЦП так просто не сделаешь.

В 1963 г. Роберт Нормэн из Fairchild запатентовал то, что позже получило название статического ОЗУ (СОЗУ). Через 2 года кооперация фирм Scientific Data Systems и Signetics изготовила первый 8-битный биполярный чип памяти. В 1966 г. команда Тома Лонго из Transitron сделала свою версию 16-битного ОЗУ для миниЭВМ Honeywell Model 4200, что стало первым применением интегральной полупроводниковой памяти в коммерческих компьютерах. 64-битные чипы появились в 1968 г. в IBM (для первого в мире кэша), Fairchild, Intel и TI. В 1969 г. IBM представила 128-битную схему уже для основного ОЗУ выпущенного через 2 года компьютера System/370 модели 145 [5]. В 1970 г. 256-битный чип Fairchild использован в машине Burroughs Illiac IV. Ну а суперкомпьютер Cray 1 в 1976 г. имел 65 536 килобитных ИС от Fairchild. Из этой прогрессии ясно, почему Муру поначалу казалось, что удвоение транзисторов будет ежегодным - для памяти это оказалось проще.

В 1968 г. сделан настолько важный прорыв, что за следующие 35 лет ничего подобного с транзистором не случалось: Роберт Кервин, Доналд Кляйн и Джон Сэрэс из Bell Labs сменили материал затвора с алюминия на поликремний (поликристаллическая форма кремния, сильно легированная проводящими примесями). Не смотря на то, что его сопротивление больше, чем у металла (и потому контакт к затвору по-прежнему металлический), осаждение и выборочное вытравливание кремния для затвора позволило использовать его в качестве маски для формирования истока и стока, идеально подогнанных к его краям, поэтому поликремневый затвор называется самосовмещённым (self-aligned). Это резко снижает разброс характеристик, вызванный неидеальным наложением масок при литографическом формировании истока и стока. Меньший разброс улучшает надёжность работы, а расположенные тесней части транзистора увеличивают скорость и плотность размещения самих транзисторов.

Некоторые микроэлектронные фабрики («фабы») до сих пор готовят чипы с почти тем же вариантом МОП-транзистора, что был изобретён в конце 60-х. В том же 1968 г. Федерико Фэггин и Том Кляйн из Fairchild переделали имеющуюся микросхему (8-канальный аналоговый мультиплексор) под новые транзисторы. Как часто бывает, не обошлось без обиженных: в 1965 г. Бойд Ваткинс представил почти такую же структуру на конференции General Microelectronics, но регистрация его патента почему-то задержалась до 1969 г.

Конец 60-х родил ещё две «революции», одна из которых вам наверняка нравится, а вторая - наверняка нет… Восьмёрка «молодых и дерзких» в 1968 г. ушла из Fairchild, и каждый основал свою компанию. В частности, Гордон Мур и Роберт Нойс основали Intel, а через год ещё 5 «fairchildren» («прекрасных детей», ещё одна кличка) основали AMD. Вообще, за 20 лет перебежчики из Fairchild зачали аж 65 разных компаний, но далеко не все оказались известными. После основания Intel сразу занялась производством - угадайте чего? Памяти - оказалось, что поликремниевый затвор ускоряет доступ в 3-5 раз и уполовинивает площадь по сравнению с обычным МОП-чипом той же ёмкости. Так что первой микросхемой Intel была i1101 - 256-битное ОЗУ (1969 г.).


Появление БИС микропроцессоров в 1970-е годы


Это десятилетие ознаменовалось прежде всего взлётом микропроцессоров. Конечно, активно продвигалась и память - в частности, динамическое ОЗУ (ДОЗУ, DRAM) стало не только ёмче и надёжней, но и дешевле памяти на магнитных кольцах. Но именно в дизайне логических микросхем произошёл прорыв: за 10 лет процессоры из 4-битных стали 32-битными, и для многих применений этого хватает до сих пор. «Центральный обработчик (компьютер) аэроданных» (Central Air Data Computer, CADC) - интегрированная система управления полётом для первых версий истребителя F-14 Tomcat. Её МОП-ИС MP944 - первый в мире многокристальный процессор. Система конструировалась командой Стива Геллера и Рэя Холта из Garrett AiResearch с 1968 по 1970 гг. CADC состоит из 20-битного аналого-цифрового преобразователя, ЦП и ещё нескольких отдельных деталей. Процессор состоял из микросхем шести разных видов: параллельный умножитель, параллельный делитель, логика спецфункций, логика управления (до 3 штук), ОЗУ (до 3) и ПЗУ (до 19). Холт написал об этом ЦП в журнале Computer Design в 1971 г., но ВВС США засекретило статью аж до 1998 г. Фото чипов недоступны до сих пор…

В 1967 г. Ли Бойсел из Fairchild высказал идею, что весь компьютер может быть сделан на микросхемах. Компания наградила его должностью главы отдела разработки МОП-ИС, чтобы его идея стала явью. Но в 1968 г. Бойсел (с двумя коллегами) покинул Fairchild и основал фирму Four-Phase Systems. Их компьютер с первым в мире коммерческим однокристальным микропроцессором был показан в 1970 г. на конференции Fall Joint (сам ЦП был готов годом ранее). За год удалось продать 4 системы, ещё за два - 347. Постоянно наращивая продажи, компания в конце концов была куплена корпорацией Motorola за 253 млн. долларов в 1982 г.

ЦП компьютера являлся 24-битным и состоял из трёх чипов AL1, обрабатывающих по 8 бит с учётом переноса, являясь таким образом ещё и первым наращиваемым или «бит-слайсовым» ЦП. Сам AL1 имел лишь АЛУ и 8 регистров, на что ушло, предположительно, более 4000 транзисторов. Впрочем, AL1 не называли микропроцессором и не продавали отдельно от «родного» компьютера. Однако когда в 1990 г. TI заявила, что именно она запатентовала 1-кристальный ЦП, Ли Бойсел собрал плату с одним AL1 (а не тремя) и принёс её прямо в зал суда для демонстрации работы.

-битный ЦП Intel i4004.

Всемирно известный Intel i4004 являлся первым 1-кристальным коммерчески доступным ЦП, продававшимся в т. ч. отдельно (в отличие от AL1), хотя разработан был для конкретной модели калькулятора. Дизайнеры чипа - Федерико Фэггин и Тед Хофф из Intel и Масатоши Шима из Busicom. Этот 4-битный ЦП не умел наращивать разрядность, зато обошёлся всего в 2300 транзисторов. Тем не менее, Фэггину пришлось применить разнообразные ухищрения, чтобы уместить чип в размерах, приемлемых для рентабельного производства и узкого 16-выводного корпуса. Пока десяток фирм упражнялись в попытках уместить на микросхеме всё большее, IBM ещё с 1970 г. пыталась решить не менее важную проблему - уменьшение удельной цены чипов памяти (на каждый бит), чтобы они вытеснили магнитную память. Первая микросхема динамического ОЗУ Intel i1102 в 1970 г. стоила 21 доллар (позже подешевев вдвое), а ёмкость имела всего 1 килобит. Группа Дэйла Критчлоу в IBM пыталась достичь цены в 1 миллицент/бит. Для этого другой группе под руководством Боба Деннара (изобретателя самой компактной и до сих пор применяемой во всех чипах ДОЗУ 1-транзисторной ячейки) поручили сделать исследование, из которого оказалось, что самый верный способ - уменьшить площадь ячейки уменьшением не числа транзисторов, как было до сих пор (ДОЗУ начинались с 3 транзисторов/бит), а самих транзисторов. Ведь ещё в 1962 г. Томас Стэнли из RCA опубликовал аналитический доклад о том, что уменьшение особенно благотворно для МОП-структур, т. к. затвор, длина которого ограничивает скорость, лежит вдоль прибора, а не поперёк.

На тот момент самый передовой техпроцесс имел технорму 5 мк. Критчлоу и Деннар пропорционально уменьшили все части транзисторов в 5 раз, обнаружив почти линейную зависимость основных параметров - скорости и потребления (помимо очевидного уменьшения площади). Результаты этих опытов были представлены на IEDM (International Electron Devices Meeting - международная встреча [разработчиков] электронных устройств, крупнейшая ежегодная конференция электронщиков) в 1972 г.; в этом же году похожую работу опубликовали Карвэр Мид и Брюс Хёнейсен из Калифорнийского Института Технологий.

В течение ещё двух лет были проведены дополнительные исследования, и в 1974 г. родилась ставшая классикой работа Устройство ионно-имплантированных МОП-транзисторов очень малых физических размеров. Хотя тогда это ещё не все поняли, но предложенная теория масштабирования (по сути - научное подтверждение до тех пор эмпирической закономерности Мура) поставила окончательный крест на биполярных транзисторах, всё ещё применявшихся в самых быстрых логических чипах типа ЭСЛ (эмиттерно-связанная логика) - так что в 80-е уже и суперкомпьютеры перешли на МОП-ИС. А всё потому, что биполярные транзисторы не масштабируют свои параметры также хорошо как полевые с уменьшением своих размеров.Но чтобы всемирная борьба за микроны (а позже - и нанометры) началась, не хватало ещё одного: надо соответственно улучшить и параметры производящего оборудования. Ведь до тех пор все микросхемы делались контактным способом, когда маска буквально впечатывались в пластину и только после этого облучалась. Это порождало большое число осколков и пыли, выбиваемых с поверхности и загрязнявших пластину. Но в 1973 г. фирма Perkin Elmer (теперь это SVG Lithography) представила проекционный принтер - первый пример массовой фотолитографии. Применяя его с положительным фоторезистом (фоточувствительным материалом, растворяющимся после освещения), удалось добиться революционного прорыва в выходе годных (доля рабочих чипов среди изготовленных - важная характеристика реализации техпроцесса на конкретном фабе): плотность дефектов на единицу площади резко уменьшилась, т. к. физического контакта маски с пластиной больше нет. Сама маска теперь - кварцевая пластина с хромовым слоем, содержащим нужный рисунок.

Дополнительно к этому фабрики не забывали ещё одну гонку - по уменьшению себестоимости пластины, что достигалось увеличением их массовости и диаметра. Последний вторую половину 60-х был на уровне 38 мм, но в 1970 г. внедрены пластины на 57 мм, в 1973 - на 76, в 1975 - на 100, а в 1979 - на 125 мм. Т. е. за 10 лет площадь пластин увеличилась в 5-7 раз, что сказалось и на числе производимых микросхем (как всё это время росла средняя площадь самих чипов, покажем чуть позже). Таким образом, у мировой микроэлектронной промышленности появилась возможность следовать закону Мура не в ущерб себе, а как раз наоборот - с коммерческой выгодой.

Из других достижений 70-х:

·появление программируемых пользователем ПЗУ: сначала однократных (1970 г.), потом стираемых ультрафиолетом (1971, придумал Дов Фроман из Intel);

·первые цифровые сигнальные процессоры: сначала - как сопроцессоры для ЦП (1978, хотя идея предложена в 1972), а затем и самостоятельные, с собственным ПЗУ и ОЗУ (1979);

·первые микроконтроллеры (TI TMS1000 в 1974 г. и Intel i8048 в 1975 г.), т. е. 1-кристальные компьютеры, которые в ещё более интегрированной форме ныне зовутся системами-на-чипе (SoC);

·первый фотолитографический степпер (1978) - этот аппарат экспонирует пластину по частям, что позволило далее расти её диаметру и увеличивать детализацию масок без побочных краевых эффектов.


Распространение архитектуры intel в 1980-е годы


Наверное, одно из самых больших событий в мировой микроэлектронике произошло в 1980 г., когда IBM, рассматривая ЦП Motorola и Intel, выбрала i8088 для выходящего через год IBM PC. Возможно, конкурент - 32-битный MC68000 - был слишком дорог (имея около 70 000 транзисторов против 29 300) или не был приспособлен для относительно дешёвых систем (имея 16-битную шину данных). Intel же к тому времени переделала 16-битный i8086 для 8-битных чипсетов в виде i8088. В 1982 г. Motorola также выпустила урезанную версию с 8-битной шиной (MC68008), но было уже поздно. Неясно, как бы развивалась микроэлекторника, если бы IBM не стала экономить и выбрала куда более прогрессивную архитектуру MC68000. Тем более, что Apple в 1984 г. выбрала её же для своих первых Макинтошей. Возможно, Intel по прежнему бы выпускала микросхемы памяти и простые 8-битные контроллеры. Особенно после провала своего первого (и заранее широко разрекламированного) 32-битного ЦП iAPX432, который должен был заменить архитектуру x86 [6].Однако ажиотажный успех первых PC (неожиданный даже для самой IBM, где к проекту относились с сомнением и считали его экспериментальным) поставил всё на свои места: в Intel поняли, что миру будет нужно много «персональных процессоров», причём с регулярной сменой поколений. Непрофильные микросхемы постепенно отходили в сторону, уступая место процессорам x86. Интересно, что ещё до успеха PC Intel успела продать несколько лицензий на производство аналогов i8086 другим компаниям; AMD свою получила уже в 1982 г., по распространённому заблуждению - из-за политики IBM иметь нескольких поставщиков каждого важного компонента, чему Intel якобы вынужденно подчинилась. Так или иначе, потребовалось быстро обойти собственноручно созданных конкурентов, для чего выбрали улучшение не только микроархитектур ЦП, но и технологических процессов для их выпуска. Для Intel это не менее важно до сих пор, хотя большинство компаний (включая главного конкурента) давно перешли на модель «fabless + foundry», т. е. бесфабричного разработчика и контрактного завода-производителя.

Вроде бы, всё это должно было дать новый поток принципиальных достижений, продвигающих интегральную технику. Однако за следующие 10 лет таковых оказалось гораздо меньше, чем даже за 70-е, хотя количественный прогресс, диктуемый законом Мура, продолжался. Возможно, уже открытого хватало, чтобы двигаться вперёд с обновлениями, прежде всего, технормы и числа слоёв межсоединений. Помимо этого, промышленность не забывала наращивать и диаметр пластин: в 1981 г. - 150 мм, в 1985 - 200 (до сих пор используемые на не самых крутых фабах) и в 1996 - 300. Переход на пластины 450 мм сильно затянулся из-за чрезвычайной дороговизны оборудования, покупку которого до 2020 г. смогут осуществить лишь небольшое количество компаний в мире, вследствие большой его дороговизны.

Развитие технологий литорафии 1990-е


До 90-х гг. фотолитография использовала ртутные газоразрядные лампы, отсекая из их света всё, кроме нужной частоты, совпадающей с одним из пиков («линий») - G (436 нм), H (405) или I (365). После того, как мощности ламп стало не хватать для требуемой производительности, потребовалось внедрить эксимерный лазер, что сделали в 1982 г. в IBM (сам такой лазер изобретён в СССР в 1971 г.). В зависимости от газа он даёт длину волны 248 (KrF), 193 (ArF) и 157 нм (F2). От фторовых лазеров, правда, отказались из-за чрезвычайных технических проблем, решение которых не окупится преимуществами - дело в том, что сам воздух начинает поглощать излучение с длиной волны меньше 186 нм, так что весь литограф надо переделать под вакуум. Это его усложняет и удорожает с 40 до 50 млн. долларов, а сканеров фабу требуется несколько. Поэтому даже самые современные техпроцессы с технормами менее 30 нм всё ещё используют аргон-фторовый лазер. При этом переход на так называемый экстремальный ультрафиолет (ЭУФ, EUV) с длинами волн 13,5 нм и менее рано или поздно всё равно состоится - и без вакуума тут точно не обойтись.

Тут надо сказать, почему формирование рисунка на поверхности приобретает большие сложности, когда его размер оказывается меньше длины волны экспонирующего света. Строго говоря, законы волновой оптики не запрещают формирование деталей с таким разрешением. Но начиная с этих размеров линейная оптика заменяется на куда более сложную дифракционную, требующую большую точность при всех операциях - с соответствующим влиянием на цены установок. С точки зрения теории стоит познакомиться с эмпирическим критерием разрешения Рэлея (о минимальном угловом расстоянии между точками), числовой апертурой (NA) и технологическим параметром k1. Тут укажем лишь, что этот k1 в идеале может опускаться до 0,25, но насколько конкретная установка и техпроцесс приближены к идеалу - зависит от их продвинутости.

Одна из таких продвинутых методик - вычислительная литография: использование масок, рисунок которых вычислен с учётом волновых свойств света с целью добиться большего разрешения или меньших искажений при данной длине волны. Первые подобные программы были написаны в начале 80-х и использовались лишь для оптимизации рисунка маски, т. к. недостаток вычислительной мощности позволял моделировать площадь всего в несколько квадратных микрон. К 1998 г., когда замаячил переход на 180 нм (первый техпроцесс с технормой меньше длины волны), мощность компьютеров уже сильно возросла, что позволило использовать более точные алгоритмы и модели. Для современных технорм требуются уже тысячи процессоров и недели расчётов, чтобы вычислить рисунки для десятков масок, необходимых самых сложным ИС [7].

К основным методам вычислительной литографии относятся фазосдвигающие маски (PSM) и оптическая коррекция близости (OPC). Используемая с 90-нанометрового процесса (2006 г.) технология PSM - это коррекция толщины отдельных «пикселей» маски для изменения их прозрачности, что меняет фазу проходящего сквозь них света. Учитывая волновые свойства, это позволит (не считаясь с длиной волны) экспонировать на фоторезисте рисунок, отдельные элементы которого либо усилены синфазным наложением волновых пиков, либо удалены противофазным - это увеличивает разрешение, приближая тот самый параметр k1 к идеалу. Более современная OPC искажает рисунок маски для компенсации ошибок получаемого изображения из-за дифракции падающих волн. OPC нужна уже не для увеличения разрешения, а для исправления искажений одиночных структур, форма которых при таких размерах получается куда хуже, чем если бы элементы были регулярными.: требуется вычислить такую маску (зелёный контур), чтобы получаемый ею символ (красный) оказался как можно ближе к требуемому (синий).

Без коррекции толщина линий символа окажется больше или меньше в разных частях, в т. ч. за счёт влияния соседних линий. Это может привести как к разрыву дорожки, так и к замыканию пары дорожек. Микроэлектронщики давно хотели использовать медные межсоединения вместо алюминиевых, т. к. удельное сопротивление меди меньше. Это значит, что «медные» чипы меньше выделяют тепла и быстрее работают, т. к. меньшая часть коммутируемого транзисторами тока уйдёт в нагрев, а не в переключение других транзисторов. Однако если в линиях электропередач и прочих проводах медь применяется давно, то микроэлектроника не могла внедрить столь полезный металл десятки лет. Причина в том, что после осаждения меди при дальнейших процессах нагрева она диффундирует (внедряется) в подлежащие элементы, особенно в кремний, что даже получило термин «медное отравление».

В 1997 г. IBM наконец-то решила задачу. Сначала медь надо осадить. Но из-за её химической стойкости её нельзя протравить плазмой сквозь окна в фоторезисте (не удалив при этом оставшуюся, т. е. маскирующую часть самого резиста), как это делается для алюминия. Вместо этого применяется «дамасская работа» (damascene): процесс, похожий на изготовление булатной стали с мелким орнаментом. Сначала в изоляторе протравливаются канавки для дорожек. Далее вся поверхность выстилается барьерным металлом (который чаще всего оказывается нитридом титана или вольфрама, что, строго говоря, относится к керамике), не допускающим диффузии, но пропускающим ток. Его толщина должна быть небольшой, т. к. его сопротивление всё же меньше, чем даже у алюминия.

Далее на всю поверхность осаждают толстый слой меди, переполняющий канавки. Т. к. плазмохимическое травление (оно же - реактивное ионное травление, RIE) не подходит, используется химико-механическая планаризация (ХМП или CMP). До 90-х гг. она считалась слишком грязной и дефектной для тонкого производства, т. к. абразивные частицы полировальной пасты создавали острые осколки стираемого слоя, да и сама паста неидеально чистая. Но для медного слоя ХМП оказалась лучше имеющихся способов, т. к. процесс полировки металла останавливается на границе с изолятором (точнее, с его невытравленными частями, находящимися выше дна канавок). В результате на чипе остаётся очень плоский слой с внедрёнными медными дорожками, не выходящими по высоте из окружающего изолятора. Более того, так называемое двойное воронение позволяет одновременно получить ещё и вертикальные проводящие окна, соединяющие текущий слой с предыдущим. Сверху всё покрывается ещё одним барьерным слоем, излишки которого вытравливаются над внутрислойным изолятором, но не над дорожками. После этого можно осаждать уже межслойный изолятор для следующего проводящего слоя. Ещё одно достижение изначально было связано с радиационно-стойкой электроникой, необходимой в авиакосмических и атомных отраслях. При уменьшении размера транзистора он оказывается всё более чувствителен к высокоэнергетическим частицам, способным вызвать ошибку в схеме. Чтобы усилить защиту, в 1963 г. придумали применять не кремниевую, а сапфировую пластину, на которую осаждён тонкий слой кремния - КНС (кремний на сапфире) или SOS. Оказалось, то такая конструкция сильно уменьшает подзатворные утечки, а значит - и потребление энергии, а также снижает паразитную ёмкость, что повышает частоту.

Однако выращивание сверхчистой сапфировой болванки оказываться куда дороже выращивания кремниевой, поэтому «в массах» такой вариант не прижился. Но в 1998 г. IBM анонсировала технологию кремния на изоляторе (КНИ, silicon on insulator, SOI): на кремниевой пластине формируется слой оксида кремния (изолятора), а поверх него - тонкий слой кремния. Строго говоря, КНС тоже относится к КНИ, т. к. сапфир (оксид алюминия Al2O3) также является изолятором. Но кремниевый КНС дешевле и лучше приспособлен к имеющемуся оборудованию. Учитывая преимущества, можно предположить, что за 13 лет вся полупроводниковая промышленность давно перешла на КНИ-пластины. Однако мировой лидер этой самой промышленности, компания Intel, будто в упор их не замечает и продолжает использовать «bulk silicon», т. е. чистые кремниевые пластины, т. к. они дешевле.


Усложнение техпроцесса в 2000-е годы


В 2001 г. IBM изобретает напряжённый кремний - формирование слоя кремния для канала, в котором расстояние между атомами (как минимум в направлении исток-сток) не равно естественному шагу кристаллической решётки (543 пм). Для большего шага сначала внедряется «посевной» слой кремния-германия. Кристалл германия имеет шаг атомов 566 пм (именно из-за большей подвижности носителей заряда его первым стали применять в электронике). Смешанный полупроводник сохраняет это значение, даже если доля германия всего 17% (это для 90 нм; а для 32 нм - уже 40%). Осаждаемые поверх атомы кремния межатомными силами крепятся к атомам широкой решётки и остаются с её шагом, формируя затвор. Разряжение атомов увеличивает подвижность электронов, что ускоряет транзистор на 20-30%.

Кремний до и после осаждения на кремний-германиевый слой.

В 2004 г. эту технологию применили Intel и AMD для техпроцесса 90 нм. Для 65 нм внедрена ионная имплантация германия и углерода в исток и сток. Германий раздувает концы транзистора, сжимая его канал, что увеличивает скорость дырок (т. е. основных носителей заряда в p-канальных транзисторах). Углерод, наоборот, сжимает исток и сток, что растягивает n-канал, увеличивая подвижность электронов. Также весь p-канальный транзистор покрывается сжимающим слоем нитрида кремния.

В 2006 г. только что внедрённый техпроцесс 65 нм уже не мог основываться лишь на вычислительной литографии, т. к. с длиной волны 193 нм её уже не хватало. Решение, основательно обновившее мировое чипостроение - множественное шаблонирование, более известное по своей простейшей реализации - двойное шаблонирование. Это семейство технологий снижает минимальный экспонируемый размер увеличением числа экспонирований. Как правило, в самых современных техпроцессах применяются несколько приёмов из этого арсенала.

Самосовмещёные распорки позволяют получить вдвое большее разрешение формируемого рисунка при той же технорме: вначале на боковые стенки фоторезиста налипает специальная химическая маска, используемая далее как финальный шаблон травления после удаления резиста. Разумеется, этот приём можно повторять и далее, используя вторичный шаблон для изготовления третичного с ещё вдвое большим разрешением - насколько это позволит химическая устойчивость материалов и повторяемость процессов. Второй случай, требующий применения нового резиста, - двойное (кратное) экспонирование: вторая маска экспонируется на тот же резист со смещением относительно первой на величину технормы, причём пластина даже не покидает литограф. Чтобы второй рисунок добавился к первому (а не частично наложился на него), требуется, чтобы оба раза формировались детали шириной меньше технормы. Таким образом, например, формируются линии металла и поликремния - сначала все «вдоль», потом все «поперёк». Замена двухмерного рисунка двумя одномерными упрощает его нанесение. Ещё один вариант двойного экспонирования (применяется начиная с 32 нм) использует два разных вида резиста. Второй наносится на рисунок, сформированный в первом, облучается через вторую маску, после чего удаляется незафиксированная часть второго резиста, но так, чтобы не повредить рисунок первого. И тут нужна продвинутая химия - новые резисты, боковое травление для уменьшения ширины и пр. Зато, теоретически, такая методика позволяют формировать сколь угодно мелкие детали. Например, 22-нанометровые элементы могут получаться перемежением двух масок на 45-нанометровом литографе, трёх масок на 65- или четырёх на 90-нанометровом. Т. е. текущий техпроцесс можно «разогнать» до следующего за счёт увеличения числа масок и производственных стадий - с очевидным удорожанием стоимости завода и внедрения производства новых микросхем. Но с недавних пор это всё равно оказывается дешевле «честного» уменьшения технормы через литографию. Очевидными недостатками кратного экспонирования является кратное увеличение числа масок и технологических операций для формирования каждого критического слоя, а также очень высокие требования по точности совмещения масок. Небольшое смещение между двумя экспозициями слоя может привести, например, к асимметрии истока и стока (относительно затвора) у всех транзисторов пластины.

В 2006 г. появилось ещё одно улучшение - погружённая литография. Впрочем, в крайне неустойчивой и неполной русскоязычной терминологии по странной традиции прижилась транслитерированная форма оригинала - иммерсионная литография. Суть оной в том, что пространство между последней линзой и экспонируемой пластиной заполняется не воздухом, а жидкостью (на данный момент - водой). Это улучшает разрешение на 30-40% ввиду большего преломления жидкости, которое влияет на вышеуказанный параметр NA, равный 1 для воздуха и 1,33 для воды. Intel внедрила иммерсионную литографию вместо «сухой» с техпроцесса 32 нм, а AMD - ещё с 45 нм. Интересно, что первые «водные» сканеры появились ещё в 2005 г., но техпроцессы с ними пришлось дорабатывать около года после внедрения на фабах до применения в массовом производстве. И вот почему: мало того, что вода должна быть сверхчистая (она и так требуется почти в половине технических процессов производства ИС) - в ней не должно быть пузырьков, температура должна быть равномерной, она не должна загрязняться и поглощаться фоторезистом (сверх меры) или растворять его. Более того, 193-нанометровый ультрафиолет ионизирует воду - а электроны могут среагировать с фоторезистом. Решить все эти вопросы удалось внесением специального оптически прозрачного гидрофобного защитного покрытия для фоторезиста перед экспонированием. Таким образом плотность дефектов осталась примерно та же.Не менее важная часть - производительность, ведь мало изготавливать чипы сложными и дешёвыми, их нужно много. Скорость пластины в литографическом сканере достигает 0,5 м/с, но держать её всю под слоем воды не выйдет - сверхточное позиционирование полагается на лазерные интерферометры, и малейшая рябь на поверхности воды всё испортит. Поэтому слой «привязали» к оптике. Чтобы пластина не уносила воду в сторону, вокруг оптики разместили водяные микросопла, половина из которых по ходу движения впрыскивают воду, а противоположные им - высасывают. Всё это происходит с очень точным контролем, чтобы не внести пузыри при впрыске и не оставить позади капли после отсоса, что особенно трудно с краю пластины. Теперь ясно, почему иммерсионный сканер гораздо дороже сухого.

В 2007 г. (для техпроцесса 45 нм) в микроэлектронике появилось сокращение HKMG - High-k [dielectric] and Metal Gate, т. е. изолятор с высокой диэлектрической проницаемостью и металлический затвор [8]. Сначала о первой половине формулы. Параметр k означает относительную диэлектрическую проницаемость (безразмерную величину, разную для разных веществ. Настоящая же диэлектрическая константа (она же - электрическая постоянная, ?0), как и полагается, неизменна. В микроэлектронике «нормальным k» считается 3,9, что соответствует проницаемости диоксида кремния (SiO2), десятилетия использовавшегося в качестве боковых, межслойных и подзатворых изоляторов. Вещества с проницаемостью выше 3,9 относятся к классу high-k (высокопроницаемые), а ниже - к low-k (низкопроницаемые). Последние нужны для межслойных и боковых диэлектриков, т. к. таким образом можно лучше изолировать металлические дорожки межсоединений, избегая диэлектрического пробоя из-за слишком тонкого слоя изоляции между ними. Сама же изоляция должна быть тонкой, т. к. иначе невозможно подвести дорожки к всё время уменьшающимся транзисторам, кроме как сделав такими же малыми и проводники, и разделяющие их изоляторы. К низкопроницаемым материалам относятся диоксид кремния-углерода (органосиликатное стекло с k=3 - самый популярный диэлектрик, используемый с 90 нм), он же, но пористый (k=2,7), нанокластерный кварц (2,25) и некоторые органические полимеры (k<2,2). По идее, изолятор, разделяющий затвор и канал транзистора, должен подчиняться этим же требованиям, но на деле оказывается всё наоборот - тут нужен как раз высокопроницаемый диэлектрик.Всё дело в эффекте квантового туннелирования. К 90-нанометровому техпроцессу толщина затвора уменьшилась до величины от 1,2 (у Intel) до 1,9 нм (у Fujitsu; обе цифры - для n-каналов). А толщина кристаллической решётки кремния, напомним, равна 0,543 нм. При такой тонкости электроны начинают туннелировать сквозь изолятор, приводя к утечке тока. Дело обстояло настолько серьёзно, что для техпроцесса 65 нм уменьшились все параметры транзистора, кроме толщины затвора, т. к. если бы его сделали ещё тоньше, то ни о какой энергоэффективности не стоило бы и мечтать.

Высокопроницаемый диэлектрик позволяет электрическому полю затвора проникать на большую глубину или толщину, не снижая остальные электрические характеристики, влияющие на скорость переключения транзистора. Так что, заменив применявшийся с 90-х гг. оксинитрид кремния на новый оксинитрид кремния-гафния (HfSiON, k=20-40) толщиной в 3 нм, для процесса 45 нм удалось уменьшить утечки тока в 20-1000 раз. Для получения такой же скорости работы старый затвор пришлось бы делать толщиной в 1 нм, что было бы катастрофой. Встречающиеся сегодня цифры толщин подзатворных изоляторов менее чем в 1 нм являются как раз такими SiO2-эквивалентами и применяются только для вычисления частоты, но не утечки. Диоксид кремния, впрочем, до сих пор имеется в виде нижнего подзатворного слоя, но используется только как физический интерфейс для совместимости с текущими техпроцессами.

График толщины подзатворного изолятора в SiO2-эквиваленте и относительной утечки тока. Введение высокопроницаемых изоляторов для техпроцесса 45 нм позволило уменьшить эквивалентную толщину для улучшения скорости, увеличив физическую толщину для уменьшения утечек. Любопытно, что при анонсе нового материала Intel поблагодарила старого микроэлектронного соперника - IBM. Но не потому, что инженеры «синего гиганта» разработали для коллег с не менее синим логотипом новый материал - а потому, что детальное математическое моделирование, доказавшее, что именно гафний является оптимальным материалом, провели на суперкомпьютере IBM. Учитывать пришлось не только проницаемость, но и ширину запрещённой зоны (она должна быть согласована с кремнием), морфологию слоя, термостабильность, ненарушение высокой подвижности носителей заряда в канале и минимальность краевых дефектов.

Впрочем, одного недостатка избежать не удалось: гафниевый изолятор не совместим с поликремниевым затвором, так что пришлось менять и его - на металлический. Теперь ясно, почему эти две технологии идут парой. Однако новый затвор не алюминиевый, как это было в 60-х, а в виде сплава двух металлов. Его сопротивление ниже, что ускоряет переключение транзистора. Изначально было известно лишь то, что сплав отличается для p- и n-канальных транзисторов, причём Intel (которая первой всё это применила) держит оба состава в строгом секрете. Однако через год (в 2008-м) инженеры IBM (работа которых с тех пор используется в т. ч. на заводах GlobalFoundries, ранее принадлежавших AMD) сделали свою версию этой технологии, так что деталями пришлось делиться и Intel.

До сих пор использованию металлов мешал тот факт, что после имплантации примесей пластина проходит отжиг при температуре 900-1000 °C, что выше температуры плавления многих металлов (включая алюминий) и сплавов, но не поликремния. Хотя даже и без плавления при повышении температуры металл может диффундировать в подлежащие слои. Теперь ясно, почему точная формула сплавов держится в секрете - их действительно трудно подобрать. Не зря лично Гордон Мур назвал HKMG наибольшим достижением с момента изобретения поликремниевого затвора в 1969 г. До этого момента алюминиевые затворы никому не мешали, т. к. не было ни высокотемпературного отжига, ни формирования истоков и стоков впритык к затворам. Сегодня же приходится применять всё более экзотические материалы - например, Panasonic легирует сплав для n-каналов своих HKMG-транзисторов редкоземельным элементом лантаном. Не меньше вопросов возникает при обсуждении двух версий технологии. Intel сначала формирует обычный поликремниевый затвор, работающий лишь как маска для создания истока и стока, затем вытравливает его, осаждает сплав для p-каналов, удаляет его из n-транзисторов, осаждает сплав для n-каналов и добавляет ко всем затворам алюминиевый заполнитель - этот вариант называется Gate last, «затвор последним». IBM и GF используют Gate first, «затвор первым»: на подзатворный изолятор осаждается p-сплав, удаляется над n-каналами, осаждается n-сплав, удаляется над p-каналами, осаждается поликремний в качестве заполнителя и маски - а далее как обычно. Intel утверждает, что её версия лучше совместима с напряжённым кремнием (потому что ему не мешает металл затвора) и позволяет использовать большее разнообразие металлов (потому что они осаждаются после высокотемпературных обработок), тогда как у конкурентов сложнее получить разные виды транзисторов (по нагрузке, скорости, напряжению и пр.), и они всё равно окажутся чуть медленнее и с меньшим выходом годных. IBM и GF отвечают, что их способ дешевле и требует меньших ограничений на расположение транзисторов, что позволяет разместить их на 10-20% плотней, а в Intel приходится мириться с жёсткими ограничениями на размеры и расположение. Intel тут в меньшинстве, потому что «затвор первым» формируют и в Chartered, Freescale, Infineon и Samsung. Последняя, правда, недавно заявила, что для её 20-нанометрового процесса затвор всё же будет «последним».

Формирование широко применяемых в современных чипах тонких плёнок было бы невозможно без технологии молекулярного наслаивания, она же - послойное атомное осаждение (Atomic Layer Deposition, ALD). Её суть заключается в том, что за один цикл обработки, длящийся всего несколько секунд, образуется ровно один слой молекул, так что толщину откладываемой плёнки можно регулировать с максимальной возможной точностью (для самых простых веществ - ±10 пм) лишь числом циклов. Каждый цикл состоит из двух стадий осаждения из газовой фазы прекурсоров (химических предшественников осаждаемого вещества) и двух продувок для удаления излишков. Прекурсоры подбираются так, чтобы лишь один их слой мог прилипнуть к уже осаждённому материалу - к подложке для 1-го осаждения, к предыдущему слою для нечётных осаждений (после 1-го) или к первому прекурсору для чётных. Способ подходит не только для составных веществ, но и для некоторых чистых металлов.

Молекулярное наслаивание впервые опробовано в начале 60-х профессором Станиславом Кольцовым из Ленинградского Технологического Института имени Ленсовета (ныне - СПбГТИ), а сама идея предложена профессором Валентином Алесковским в 1952 г. в его докторской диссертации «Остовная гипотеза и опыт синтеза катализаторов». Во всём остальном мире наслаивание появилось лишь в 1977 г. под именем «Atomic Layer Epitaxy» (ALE). Однако до микроэлектронного применения дело дошло лишь в середине 90-х - до этого очень тонкие плёнки были не нужны. Сейчас же, когда отдельные части транзистора исчисляются единичными атомными слоями, без ALD не обойтись

Расскажем и о двух экзотических техниках, применяемых лишь некоторыми компаниями. Первую Toshiba и NEC используют с 2009 г. в своём 32-нанометровом процессе - структурированный свет, меняющий форму луча лазера. Его сечение при этом оказывается кольцевым, 4-полюсным или каким-то ещё, и это позволяет обойтись без дорогостоящего двойного шаблонирования (которое у этих фирм вызвало 25-процентное увеличение дефектности). Обычно на таких размерах одно экспонирование единственной маски на слой приводит к сильным искажениям прямых дорожек (не смотря на OPC). Но структурированный свет решает эту проблему и даже позволяет уменьшить шаг между элементами. Поэтому у Toshiba и NEC получилась самая маленькая (среди 32-нанометровых процессов всех фирм) ячейка СОЗУ - на 0,124 мк² (позже мы сравним эти цифры детальней), а плотность транзисторов в логике - 3,65 млн. вентилей/мм². И всё это по вдвое меньшей удельной цене, чем для своих же 45 нм, и на 9% дешевле, чем с применением двойного шаблонирования.

В том же 2009 г. IBM реализовала в массовом производстве технологию воздушных зазоров (Airgap) в качестве внутрислойных изоляторов, разделяющих медные проводники одного слоя. Состоит такой диэлектрик из тонкостенных пузырей размером в 20 нм, стенки которых собираются из полимера методом самосборки. Пузыри содержат, вопреки названию, не воздух, а вакуум - идеальный изолятор с проницаемостью, равной 1 (впрочем, у воздуха почти столько же). По заявлению IBM, с уменьшением межпроводной ёмкости чип потребляет на 35% меньше энергии или работает на 15% быстрее. Впрочем, почувствовать это могли лишь покупатели серверов IBM с ЦП архитектуры POWER. «Могли», потому что в 32-нанометровом процессе IBM воздушные зазоры исчезли - видимо, механическая прочность «дырявого» слоя оказалась слишком малой для его достаточно низкодефектной планаризации.

На одной 300-миллиметровой пластине умещается 568 процессоров Core 2 Duo с 6 МБ кэша L2, изготовленных по технорме 45 нм. Средний темп выхода пластин при производстве на фабах Intel - ?20 мин. на лот (25 пластин). Проверить пластину на сбойность менее чем за 50 секунд полностью не получится, поэтому применяется быстрая оценка состояния транзисторов. Для этого в свободных местах каждого будущего кристалла расположены десятки простейших осцилляторов (чёрные точки), транзисторы которых имеют те же параметры, что и для окружающей логики или кэшей. Замерив частоты каждого осциллятора и зная их расположение, для каждого процессора строится карта отклонений параметров транзисторов После разрезания пластины на отдельные кристаллы те, которые после оценочных тестов признаны хоть на что-то годными, отправляются на сборочный завод. Там они корпусируются, проходят программирование прошивки, детальное тестирование, отключение неработающих, медленных или слишком прожорливых частей (если требуется) и присваивание множителей и напряжений.

электроника полупроводник микропроцессор литография


Заключение


В настоящее время микроэлектроника переходит на качественно новый уровень - наноэлектронику. Наноэлектроника в первую очередь базируется на результатах фундаментальных исследований атомных процессов в полупроводниковых структурах пониженной размерности. Квантовые точки, или нульмерные системы, представляют собой предельный случай систем с пониженной размерностью, которые состоят из массива атомных кластеров или островков нанометровых размеров в полупроводниковой матрице, проявляющих самоорганизацию в эпитаксиальных гетероструктурах. Одним из возможных работ связанных с наноэлеткроникой является работы по созданию материалов и элементов ИК-техники. Они востребованы предприятиями отрасли и являются основой для создания в ближайшем будущем систем «искусственного» (технического) зрения с расширенным, по сравнению с биологическим зрением, спектральным диапазоном в ультрафиолетовой и инфракрасной областях спектра.

Системы технического зрения и фотонные компоненты на наноструктурах, способные получать и обрабатывать огромные массивы информации, станут основой принципиально новых телекоммуникационных устройств, систем экологического и космического мониторинга, тепловидения, нанодиагностики, робототехники, высокоточного оружия, средств борьбы с терроризмом и т.д. Применение полупроводниковых наноструктур значительно уменьшит габариты устройств наблюдения и регистрации, уменьшит энергопотребление, улучшит стоимостные характеристики и позволит использовать преимущества массового производства в микро- и наноэлектронике ближайшего будущего.


Список использованной литературы


1.William F. Brinkman, Douglas E. Haggan, William W. Troutman. A History of the Invention of the Transistor and Where it will lead us // IEEE Journal of Solid-State Circuits. Vol.32, No.12. December 1997.

2.Hugo Gernsback. A Sensational Radio Invention // Radio News. September 1924.

.Носов Ю. Парадоксы транзистора // Квант. 2006. № 1.

.Малютин А. Е., Филиппов И. В. История электроники М.: Электронный учебник - РГРТА, 2006 - 357 C.

5.Pugh, Emerson W.; Johnson, Lyle R.; Palmer, John H. (1991). IBM's 360 and early 370 systems. MIT Press. p. 34. ISBN 0-262-16123-0.

6.Veendrick, H.J.M. (2011). Bits on Chips. p. 253. ISBN 978-1-61627-947-9.

7.Грабовски Б. Краткий справочник по электронике - БХВ- Петербург. - Санкт-Петербург, 2002.- 108 с

.Роман Морозов Кремниевый оверлорд. Бренд Intel, часть 1 // Железо: журнал. - 2011. - № 2 (84). - С. 84-87.


Теги: Этапы развития электроники  Реферат  Информатика, ВТ, телекоммуникации
Просмотров: 45857
Найти в Wikkipedia статьи с фразой: Этапы развития электроники
Назад