2 Развитие технологии производства изделий электроники

На начальных этапах развития электроники основными компонентами служили резисторы, конденсаторы, катушки индуктивности, реле, электронные лампы и соединяющие их проводники. В это время технология совершенствовала производство и обработку диэлектрических и проводящих материалов, их соединения между собой для создания конструкций приборов и устройств.

Технология электровакуумных приборов: стекольное производство, метало- стеклянные спаи, технология тугоплавких и редких материалов, сплавов, вакуумная технология, технология пластмасс, автоматическая сборка ламп.

Технология пассивных производства компонентов: технология диэлектриков, протяжки металлов, нанесения на металлы диэлектриков.

При сборке устройства важное место занимала технология создания контактов. Аппаратура собиралась из отдельных компонентов, которые механически укреплялись на металлических панелях и электрически соединялись между собой с использованием проволочного жгутового монтажа с помощью разъемов, пайки, сварки.

Позднее разработаны печатные платы.

Перед микросхемами выпускалась аппаратура на микромодулях.

Очень быстро развивалась, часто и резко менялась технология полупроводниковых приборов, особенно формирование p-n переходов.

Первые транзисторы имели точечно-контактные p-n переходы.

Рисунок 1 – Конструкция точечно-контактного p-n перехода

Недостатки: нестабильны, имели плохо воспроизводимые характеристики, а п/п имели низкую механическую прочность.

В 1949…1950 гг. были разработаны сплавные транзисторы. Достоинство – резкие p-n переходы. Недостаток – трудность точного регулирования глубины вплавления и соответственно толстые базовые области и низкие максимальные частоты до 10 МГц.

Рисунок 1.3 – Конструкция сплавного транзистора

Вначале изготовления для транзисторов применялся германий., но в 1954 году начали изготавливать кремниевые транзисторы.

Дальнейший успех в технологии полупроводниковых приборов принесло освоение двух важнейших технологических операций: диффузии и локального травления.

Д иффузия примесей в полупроводник – это метод легирования активными примесями областей полупроводника и формирования в нем p-n переходов.

Рисунок 1.4 – Конструкция диффузионно-сплавного транзистора

Достоинство диффузионных переходов:

– это медленный процесс, скорость которого зависит от температуры, он позволяет точнее (в 10 раз) регулировать глубину залегания p-n переходов подбором режимов: температура и длительность.

– возможность группового метода обработки.

Травление – это технологическая операция удаления части обрабатываемого материала путем ее растворения в травителе.

Локальное травление – это удаление материала с определенной заранее заданной части поверхности, соприкасающейся с раствором. Для защиты других частей полупроводника применяют воск, пицеин, асфальт, церезин. химически стойкий лак.

Дальнейшим развитием локального травления является метод фотолитографии, использующий в качестве защитного слоя фоторезист. Фоторезист меняет свою растворимость под действием света.

С помощью локального травления и диффузии получают меза-диффузионные полупроводниковые приборы.

Рис 1.7

В 1959 году была разработана планарная технология. Основные операции проводятся с одной стороны плоской полупроводниковой пластины. Она основана на операциях окисления кремния, фотолитографии, диффузии.

Рисунок 1.8 – Конструкция дискретного планарного транзистора

Модификацией планарной технологии стал планарно-эпитаксиальный процесс (1960 г.). Процесс позволил создавать транзисторы, характеристики которых не зависят от свойств подложки. На толстой подложке стало возможным получать транзисторы с тонкой базой и низким сопротивлением коллектора. Транзисторы изготавливались по групповой технологии.

Для создания ИС необходимо было решить два главных вопроса:

изоляции элементов в пределах одного полупроводникового кристалла;

получение диодов, резисторов, конденсаторов с заданными параметрами на основе структуры транзистора.

Технология производства полевых транзисторов прошла ряд этапов от сплавного транзистора с p-n переходом до планарного полевого транзистора со структурой металл – диэлектрик – полупроводник (МДП). В 1958 году был создан первый полевой германиевый транзистор p-n переходом технетрон.

Рисунок – Технетрон

Первые микросхемы начала 60-х годов содержали всего 6…8 транзисторов, диодов, резисторов. Они выполняли простую логическую функцию.

Рабочий образец первой ИС (линейный размер указан в дюймах)

Первая планарная интегральная микросхема (1961 г.).

В настоящее время основные усилия сосредоточены не только на развитии технологий формирования элементов со всё уменьшающимися размерами, но и на нахождения способов устранения конкретных причин мешающих масштабированию. Среди методов решения проблемы масштабирования следует назвать следующие:

1. использование новых полупроводниковых материалов для формирования канала транзистора (например, напряжённого Si (strained silicon));

2. дополнительное прецизионное ионное легирование истока, стока и области канала транзистора;

3. замена затвора из легированного поликристаллического Si на металлический затвор;

4. применение при формировании подзатворного диэлектрика материалов с высокой диэлектрической проницаемостью ε (high-k dielectric);

5. применение при формировании межуровневой изоляции материала с низкой диэлектрической проницаемостью ε (low-k dielectric);

6. замена алюминиевых проводников на медную межэлементную и межуровневую разводку.

Технологический маршрут изготовления кремниевых ИС обычно делится на две части. Первая часть маршрута называется front end processing или front end of line (FEOL) и включает процессы изготовления активных приборов (транзисторов). Вторая часть носит название back end processing или back end of line (BEOL) и включает в себя процессы формирования межэлементных соединений и межуровневой разводки. Визуальное представление деления маршрута на процессы FEOL и BEOL показано на рис.1.2. Согласно этому делению, первые четыре способа решения проблемы масштабирования относятся к процессам FEOL, а оставшиеся два – к процессам BEOL, при этом все они затрагивают базисные этапы формирования кристалла ИС в целом. В связи с вышесказанным, можно констатировать, что в настоящее время большая часть технологического маршрута изготовления ИС подвергается значительной модернизации.