К 2010 году планируется увеличить диаметр пластин до 400 мм, уменьшить критический размер элемента микросхем (например: ширину затвора) до 70 нм. Уменьшить шаг разводки до 0,3 мкм. Оптическая литография сохраняет лидирующее положение в производстве СБИС (сверхбольших интегральных схем) вплоть до размеров 150 нм, которые прогнозируется достичь уже в 2003 г.
6. IV период развития электроники
6.1 Изобретение первой интегральной микросхемы
В 1960 году Роберт Нойс из фирмы Fairchild предложил и запатентовал идею монолитной интегральной схемы (Патент США 2981877) и применив планарную технологию изготовил первые кремниевые монолитные интегральные схемы. В монолитной интегральной схеме планарные диффузионные биполярные кремниевые транзисторы и резисторы соединены между собой тонкими и узкими полосками алюминия, лежащими на пассивирующем оксиде. Алюминиевые соединительные дорожки изготавливаются методом фотолитографии, путем травления слоя алюминия напыленного на всю поверхность оксида. Такая технология получила название – технология монолитных интегральных схем. Одновременно Килби из фирмы Texas Instruments изготовил триггер на одном кристалле германия, выполнив соединения золотыми проволочками. Такая технология получила название – технология гибридных интегральных схем. Апелляционный суд США отклонил заявку Килби и признал Нойса изобретателем монолитной технологии с оксидом на поверхности, изолированными переходами и соединительными дорожками на оксиде, вытравленными из осажденного слоя алюминия методом фотолитографии. Хотя очевидно, что и триггер Килби является аналогом монолитной ИМС.
Семейство монолитных транзисторно-транзисторных логических элементов с четырьмя и более биполярными транзисторами на одном кристалле кремния было выпущено фирмой Fairchild уже в феврале 1960 года и получило название "микрологика". Планарная технология Хорни и монолитная технология Нойса заложили в 1960 году фундамент развития интегральных микросхем, сначала на биполярных транзисторах, а затем 1965–85 гг. на полевых транзисторах и комбинациях тех и других. Малый разрыв во времени между идеей и серийным производством интегральных микросхем объясняется оперативностью разработчиков. Так в 1959 году Хорни проводя многочисленные опыты, сам отрабатывал технологию окисления и диффузии кремниевых пластин, чтобы найти оптимальную глубину диффузии бора и фосфора, и условия маскирования оксидом. Одновременно Нойс в темной комнате, по вечерам, в выходные дни упорно наносит и экспонирует фоторезист на множестве кремниевых пластин с оксидом и алюминием в поисках оптимальных режимов травления алюминия. Гринич лично работает с приборами, снимая характеристики транзисторов и интегральных микросхем. Когда нет прецедента и опытных данных кратчайших путь к практической реализации – "сделай сам". Путь, который и выбрала четверка пионеров – Гринич, Хорни, Мур, Нойс.
6.2 Развитие серийного производства интегральных микросхем.
6.2.1
Два директивных решения принятых в 1961–1962 гг. повлияли на развитие производства кремниевых транзисторов и ИС.
1) Решение фирмы IBM(Нью-Йорк) по разработке для перспективной ЭВМ не ферромагнитных запоминающих устройств, а электронных ЗУ(запоминающих устройств) на базе n-канальных полевых транзисторов(металл-окисел-полупроводник – МОП). Результатом успешного выполнения этого плана был выпуск в 1973 г. универсальной ЭВМ с МОП ЗУ – IBM- 370/158.
2) Директивные решения фирмы Fairchild предусматривающие расширение работ в полупроводниковой научно-исследовательской лаборатории по исследованию кремниевых приборов и материалов для них.
6.2.2
Мур, Нойс и Гринич из фирмы Fairchild привлекли в 1961 г. для вербовки молодых специалистов преподавателя Иллинойского университета – Са, который читал там курс физики полупроводников Бардина. Са завербовал специалистов, только что, закончивших асперантуру(см. Рис. 4.9). Это были Уэнлесс, Сноу – специалисты по физике твердого тела, Эндрю Гроув – химик, окончивший университет в Беркли, Дил – химик-практик.
Проект по физике приборов и материалам ввели Дил, Гроув и Сноу. Проект по схемным применениям ввел Уэнлесс. Результаты исследований этой четверки до сих пор используются в технологии СБИС.
В июле 1968 г. Гордон Мур и Роберт Нойс уходят из отделения полупроводников фирмы Fairchild и 28 июня 1968 года организуют крохотную фирму Intel из двенадцати человек, которые арендуют комнатку в Калифорнийском городе Маунтин Вью. Задача, которую поставили перед собой Мур, Нойс и примкнувший к ним специалист по химической технологии – Эндрю Гроув, использовать огромный потенциал интеграции большого числа электронных компонентов на одном полупроводниковом кристалле для создания новых видов электронных приборов.
В 1997 году Эндрю Гроув стал "человеком года", а возглавляемая им компания Intel, ставшая одной из ведущих в силиконовой долине в Калифорнии, стала производить микропроцессоры для 90% всех персональных компьютеров планеты. По состоянию на 1 января 1998 г. стоимость фирмы – 15 млрд.$, ежегодный доход – 5,1 млрд.$. Гроув исполняет обязанности председателя совета директоров. В 1999 г. ежемесячно фирма производит – 4 квадриллиона транзисторов т.е. более полумиллиона на каждого жителя планеты. Умельцы с Intel создают знаменитые чипы Pemtium I, II, III.
Андрю Гроув родился 2 сентября 1936 года в Венгрии, его тогда звали Андрош Гроф. Когда советские танки вошли в 1956 г. в Будапешт, Андрош бежал в Австрию и от туда в Нью-Йорк. Закончил с отличием Сити-колледж, защитил докторскую диссертацию в калифорнийском университете Беркли. Многие крупные корпорации хотели заполучить молодого ученого специалиста и инженера. Гроув достался, благодаря Са, фирме Fairchild.( "Современные технологии автоматизации(СТА)" 1/99г. – статья о фирме Intel.)
6.2.3
История создания электронных запоминающих устройств берет начало с изобретения в 1967 г. Диннардом из IBM однотранзисторной динамической запоминающей ячейки для ЗУ с произвольной выборкой(ДЗУПВ). Это изобретение оказало сильное и длительное влияние на электронную промышленность текущего времени и отдаленного будущего. Его влияние по общему признанию сравнимо с изобретением самого транзистора. В ячейке объединены один ключ на МОППТ и один конденсатор. МОППТ служит переключателем для заряда(записи) и разряда(считывания). К 1988 г. выпуск таких ячеек занял первое место по количеству из всех искусственных объектов на нашей планете. Са прогнозировал на начало XXI века годовой выпуск этих ячеек 1020 шт.
На Рис. 6.1 показано поперечное сечение ячейки одного из первых серийных ДЗУПВ(Динамическое Запоминающее Устройство Произвольной Выборки) (емкость 256 кбит). Накопительный конденсатор имеет двухслойный диэлектрик из нитрида кремния на тонком слое термически выращенного оксида кремния. Диэлектрическая постоянная у нитрида ε = 7,5 больше, чем у оксида ε = 3,9 , что обеспечивает получение большей емкости на единицу площади. Накопление большего заряда на меньшей площади и более высокую плотность информации. На Рис. 6.1:
1 – алюминиевая разрядная шина
2 – словарные шины из силицида тугоплавкого металла
3 – обкладка конденсатора из поликремния
4 – подзатворный диэлектрик из диоксида кремния
Записанная на эту ячейку информация теряется при отключении источника питания(энергозависимая ПЗУ). В 1971 году сотрудник фирмы Intel Фроман-Бенчковски предложил и запустил в серийное производство энергонезависимое стираемое программируемое постоянное запоминающее устройство. Снятие заряда на плавающих затворах этих ПЗУ производилось ультрафиолетовым светом. Позже инженеры фирмы Intel предложили быстродействующие электрические стираемые ПЗУ.
Появление интегральных микросхем сыграла решающую роль в развитие электроники положив начало новому этапу микроэлектроники. Микроэлектронику четвертого периода называют схематической, потому что в составе основных базовых элементов можно выделить элементы эквивалентные дискретным электро-радиоэлементам и каждой интегральной микросхеме соответствует определенная принципиальная электрическая схема, как и для электронных узлов аппаратуры предыдущих поколений.
6.2.4
Особое значение для массового производства микросхем представляет метод проектирования микросхем, разработанный Деннардом из фирмы IBM. В 1973 г. Деннард и его коллеги показали, что размеры транзистора можно уменьшать без ухудшения его ВАХ(вольт-амперных характеристик). Этот метод проектирования получил название закон масштабирования.
6.3 Этапы развития микроэлектроники
6.3.1
Интегральные микросхемы стали называться микроэлектронные устройства, рассматриваемые как единое изделие, имеющее высокую плотность расположения элементов эквивалентных элементам обычной схемы. Усложнение, выполняемых микросхемами функций, достигается повышением степени интеграции.
6.3.2
Развитие серийного производства интегральных микросхем шло ступенями:
1) 1960 – 1969гг. – интегральные схемы малой степени интеграции, 102 транзисторов на кристалле размером 0,25 x 0,5 мм (МИС).
2) 1969 – 1975гг. – интегральные схемы средней степени интеграций, 103 транзисторов на кристалле (СИС).
3) 1975 – 1980гг. – интегральные схемы с большой степенью интеграции, 104 транзисторов на кристалле (БИС).
4) 1980 – 1985гг. – интегральные микросхемы со сверх большой степенью интеграции, 105 транзисторов на кристалле (СБИС).
5) С 1985г. – интегральные микросхемы с ультрабольшой степенью интеграции, 107 и более транзисторов на кристалле (УБИС).
6.3.3
Переход от МИС до УБИС происходил на протяжении четверти века. В качестве параметра количественно иллюстрирующего этот процесс используют ежегодное изменение числа элементов n размещаемых на одном кристалле, что соответствует степени интеграции. По закону Мура число элементов на одной ИС каждые три года возрастает в 4 раза. Наиболее популярны и прибыльны оказались логические кристаллы высокой плотности – микропроцессоры фирмы Intel и Motorolla.
В 1981– 1982 годах прогресс интегральных микросхем СБИС стимулировался наличием технологии литографии(электронно-лучевая, рентгеновская и на глубоком ультрафиолете от эксимерного лазера) и наличием производственного оборудования. Уже в 1983 г. как отметил Мур(на международной конференции) ввиду образования излишних производственных мощностей, как в США так и в Азии, прогресс в развитии микроэлектроники стал определяться только ситуацией на рынке. Так уже в 1985 – 1987 годах 80% всех ДЗУПВ в США поставляет уже Япония, так как им удалось усовершенствовать технологию и снизить цены.
6.4 История создания микроэлектроники в СССР ("Вестник Дальневосточного отделения РАН", 1993г., 1 номер)
По данным опубликованным в вестнике основателем микроэлектроники в СССР был Старос Филипп Георгиевич. Он родился в 1918 г. в пригорода Нью-Йорка, в семье выходца из Греции Саранта. Закончил в 1941 г. колледж, получил диплом инженера-электрика, работал в оборонных исследовательских центрах, а вечерами учился, чтобы сдать экзамен на степень магистра технических наук. В студенческие годы он участвовал в антифашистском движении, вступил в компартию США, был дружен с Розенбергами. Когда Розенбергов арестовали, ФБР вызвал и Саранта. После первого же допроса в ФБР Сарант иммигрировал в СССР сменив имя и фамилию. Так у нас появился специалист – Старос Ф.Г., которого коммандировали в Чехославакию главным конструктором военно-технического института. Когда в 1955 г. Хрущев взял курс на научно-техническую революцию, Староса пригласили в СССР и предложили возглавить специальную лабораторию, созданную в Ленинграде под эгидой комитета авиационной техники. Уже в 1958 году Старос выступил на закрытом совещании ведущих работников электронной промышленности с докладом, содержавшим предложение по развитию новой элементной базы, а фактически с программой создания новой отрасли науки и техники – микроэлектроники. Эти идеи нашли поддержку в верхних эшелонах власти, и уже в 1959 г. Старос получил возможность создать свое конструкторско-технологическое бюро (АКТБ). В начале 60-х годов там, под руководством Староса, была разработана цифровая управляющая машина (УМ–1) с быстродействием 8 тыс. опер/сек. и продолжительностью безотказной работы 250 часов. В ней еще не использовались микросхемы(т.к. их надежнось в то время была очень низкой) и активными элементами служили германиевые транзисторы П15. Однако благодаря страничному монтажу получилась компактная дешевая машина. В 1960 году за создание этой машины Старос получил государственную премию. Ближайший помощник Староса – Иосив Виниаминович Берг(в прошлом Джоэль Берр). Берг после внезапной иммиграции Саранта поехал искать его в Европу и нашел в Москве, когда тот готовился к отъезду в Прагу. Берр сделался Бергом.
В 1962 году АКТБ посетил Хрущев. Ему показали машины УМ–1 и Электроника-200. Позднее американские специалисты отмечали, что Электроника-200 была первым компьютером советского производства, который можно считать хорошо разработанным и удивительно современным. Эта машина, на первых советских интегральных схемах, была способна выполнять 40 тыс. операций в секунду. Хрущев остался доволен.
В это время уже существовал госкомитет электронной промышленности работавший на оборону и возглавлял его Александр Шокин – человек прогрессивных взглядов. Он предложил Старосу создать научно-технический центр электронного профиля в подмосковье (г. Зеленоград). Старос с жаром взялся за исполнение и в считанные недели подготовил детальный план организации комплекса из нескольких институтов и опытного завода. План получил одобрение в верхах и Старос был назначен научным руководителем будущего центра.
