9.2. Краткая история микроэлектронных устройств и технологий
Изобретение биполярного транзистора в 1947 году Дж. Бардином, В. Брэттеном, и У. Шокли в Bell Labs, было одним из основных этапов, которые сделали возможной революцию микроэлектроники. Хотя первый транзистор был сделан из германия, кремний быстро стал предпочтительным материалом, поскольку он может быть легко выращен как монокристаллический материал. Кроме того, кремний имеет слой оксида кремния высокого качества, который может быть использован как изолирующий слой (например, подзатворный слой оксида) и для целей пассивирования и маскирования, которые являются ключевыми шагами в изготовлении современной интегральной схемы.
Другим прорывом стало введение планарной технологии в Fairchild Semiconductor. Эта технология все ещё является основой изготовления современных интегральных схем. Она использует маскирующие свойства SiO2 , чтобы определить области, через которые, в ходе газофазной диффузии, могут проникать примеси, как показано на рисунке 9.1. Кроме того, кремний имеет превосходство над германием благодаря своей способности образовывать стабильный оксидный слой.
Следующее крупное изобретение было совершено в 1959 году, когда Дж Килби из Texas Instruments и Р. Нойс из Fairchild Semiconductor независимо друг от друга представили концепцию интегральной схемы.
Это сделало возможным изготовление множества устройств и их связь на одной пластине. Последующие усовершенствования материалов, приборов и планарной технологии позволили массовое производство миллионов транзисторов на одной микросхеме. Рисунок 9.2 изображает эволюцию технологии интегральной схемы, начиная с изобретения транзистора.
Другой рубеж был достигнут после успешного изготовления полевых транзисторов со структурой металл-оксид-полупроводник (MOS). Появление идеи MOS-транзистора датируется 1927 годом, когда Лилиенфельд запатентовал полевой транзистор, но это произошло не раньше начала 60-х, поэтому не представлялось возможным преодолеть технические трудности, связанные с изготовлением MOS-транзистора.6 Одной из основных проблем было качество взаимодействия кремний-оксид и связи граничных состояний и зарядов оксида. Преимуществом MOS-транзистора над биполярным транзистором является более простая структура его устройства, меньшее количество шагов в изготовлении, отсутствие постоянного входного тока и пригодность для использования в схемах смешанного режима.
Первые MOS-транзисторы были р-канальными устройствами (PMOS), в которых ток состоит из положительных носителей заряда. Введение n-канального MOS -транзистора (NMOS) было еще одним шагом вперед, так как электроны в NMOS-транзисторе двигаются быстрее, чем дырки в PMOS-транзисторе. Сочетание обоих NMOS и PMOS транзисторов на одной подложке привело к появлению комплементарной MOS или CMOS. Основным преимуществом CMOS над NMOS является то, что затворы CMOS не потребляют мощность в режиме ожидания, за исключением небольшого тока утечки (который может стать значительным в субмикронных и наноразмерных транзисторах). Передовая CMOS обеспечивает высокую производительность (скорость) при относительно малой мощности, что сделало его доминирующей технологией для изготовления больших интегральных схем с начала 80-х годов. Биполярные транзисторы в основном используются для высокоскоростных аналоговых и СВЧ приложений с низким уровнем шума. Плотность интеграции биполярных IC значительно ниже, чем у CMOS IC.
Многие последующие улучшения в производстве позволили реализацию сверхмалых характерных размеров транзистора. Сокращение размеров транзисторов (масштабирование) в сочетании с увеличением размеров чипов привело к появлению еще более сложных интегральных схем.
За последние 40 лет, число транзисторов на чипе удваивалось примерно каждые 18 месяцев, как это показано на рисунке 9.3. Эта тенденция была первоначально увидена Г. Муром из Intel Corp и была названа законом Мура.7,8 Это привело нас от SSI (малой), к MSI (средней), к VLSI (большой) и ULSI (сверхбольшой) итегральным схемам. Сегодня интегральные схемы содержат до нескольких десятков миллионов транзисторов, что даёт возможность появлению сложных систем на чипе.
Иной взгляд на закон Мура состоит в построении зависимости минимальных характерных размеров, используемых при изготовлении интегральных схем. Рисунок 9.4 иллюстрирует эту тенденцию в течение последних 40 лет.
Размеры сокращались на 12-14% в год. Как можно видеть, продолжение пропорционального уменьшения в этом темпе, в конечном счете, приведёт к устройствам на молекулярном и атомном уровне, которые работают на принципах, очень отличающихся от тех, что мы используем сегодня.
Уменьшение размеров транзисторов, увеличение чипа и пластины, и улучшение технологического процесса позволили стоимости функции опускаться на 25-32% в год. Рисунок 9.5 иллюстрирует эту тенденцию для средней цены реализации бита памяти DRAM, которая убывала по совокупной годовой ставке 32%. Эта замечательная тенденция является важной движущей силой в полупроводниковой промышленности.
На рисунке 9.6 схематически показана разбивка факторов, способствующих снижению затрат. Около 12-14% от снижения затрат стало возможным из-за уменьшения минимальных размеров, 4% из-за увеличения размера пластин, 2% является результатом увеличения объёмов производства, а остальные 7-19% из-за других инноваций в технологии и эффективности конструкции. На уменьшение характерных размеров приходится почти 50% от снижения затрат.
В то время как стоимость функции снижалась, производительность устройств экспоненциально возросла. Это можно пронаблюдать через зависимость тактовой частоты микропроцессоров, которая возрастала в среднем на 29% в год, как показано на рис. 7.
9.1. ОСНОВЫ ФИЗИКИ ПОЛУПРОВОДНИКОВ
9.3.1. Модель полупроводника и зонная структура энергетических уровней
Большинство микроэлектронных устройств и схем изготовлены из кремния (Si). Приборы для специализированных применений иногда изготавливаются из германия (Ge), арсенида галлия (GaAs) и других III-V или II-VI соединений. Как видно из таблицы Менделеева на рисунке 9.8, эти атомы принадлежат либо к IV группе (элементарные полупроводники Si и Ge), или к группам III и IV (полупроводниковые соединения из Ga и As). Для атомов IV группы общим свойством является то, что они имеют 4 электрона в их внешней оболочке, в то время как атомы в колонках III и V имеют 3 и 5 электронов, соответственно. Электроны на наружной орбите являются валентными электронами и в значительной степени определяют химические и электрические свойства материала.
Мы будем использовать кремний в качестве примера для рассмотрения свойств полупроводников. Кремний имеет в общей сложности 14 электронов, как схематически показано на рисунке 9.9.10,11,12 Эти электроны вращаются вокруг ядра атома. Чем ближе электроны к ядру атома, тем больше сила притяжения, и тем крепче они связаны с ядром.
Это можно удобно выразить через величину энергии каждого электрона. В противоположность макроскопическому миру, здесь разрешены только определенные уровни энергии. В 1913 году Нильс Бор предсказал, что электроны распределены по определённым орбитам или что энергия электронов квантуется. Это является результатом квантово-механических свойств, которые действуют в системах атомарных масштабов.
Заметим, что на рисунке 9.9 только два электрона занимают один энергетический уровень. Это является следствием из принципа Паули, который гласит, что каждый уровень энергии может вместить только два электрона, соответствующих двум энергетическим состояниям. Внешняя оболочка (валентная оболочка) имеет 4 уровня энергии, из которых самые низкие оккупированы двумя валентными электронами каждый. Аналогичная картина справедлива и для других атомов IV группы периодической системы, так как все эти атомы имеют 4 валентных электрона. Вскоре мы выясним, что квантование энергии и принцип Паули имеют важные последствия для электронной структуры материалов.
Рассмотрим теперь кремниевый кристалл, состоящий из множества атомов кремния. Кремний может быть в форме монокристалла, поликристалла или в аморфной форме. Для изготовления полупроводниковых приборов используются монокристаллические полупроводники высокой степени чистоты, в которой каждый атом имеет точное месторасположение. Кремниевый кристалл имеет алмазную решетку, в которой каждый атом кремния имеет четырех соседей, как показано на рисунке 9.10. В этой конфигурации каждый атом кремния делит валентный электрон со своими четырьмя соседями. В результате электронного обмена, восемь разрешенных энергетических состояний в наружной оболочке атома кремния оказываются заполненными электронами. Соседние атомы образуют ковалентные связи путем обмена своих валентных электронов, что приводит к образованию стабильной структуры. При повторении конструкции, показанной на 9.10a, можно создать кристалл кремния. Это схематически проиллюстрировано на двумерной модели связей на рисунке 9.10b.
В результате непосредственной близости атомов кремния, энергетические состояния атомов в кристалле будет немного отличаться от энергетических состояний одного атома. Предположим, что существуют N атомов кремния, которые дают 4N валентных электронов, так как каждый атом в кристалле даёт четыре валентных электрона. В соответствии с принципом Паули, только два электрона могут занимать один и тот же уровень энергии. Для того, чтобы разместить 4N электронов, энергетические уровни одного атома должны немного измениться так, что будет в общей сложности 4N энергетических уровней разделённых на две энергетические зоны, показанные на рисунке 9.11. Нижняя энергетическая зона содержит 2N близко расположенных энергетических уровней, и верхняя зона содержит оставшиеся 2N энергетических уровней. Поскольку существуют 4N валентных электронов, нижняя энергетическая зона сможет вместить все электроны. В результате, при температуре от 0 K, нижняя зона будет полностью заполнена, а верхняя будет пустой. Мы называем нижнюю зону валентной, а верхнюю - зоной проводимости. Разница в энергии между двумя зонами называется запрещенной зоной EG. В кремнии ширина запрещённой зоны составляет 1,12 эВ при комнатной температуре.