Данное пособие подойдёт для студентов первых курсов, обучающихся по направлению "Электроника" и смежных с ним специальностей, а также для начинающих радиолюбителей и схемотехников.
В пособии будет представлена необходимая базовая теория и практические задачи для её закрепления.
Ссылки на полное оглавление пособия, на предыдущую на следующую главы.
Приятного чтения!
Планарная технология основана на последовательном создании на поверхности кремниевой основы тонких слоёв материала, из которого формируются отдельные элементы схемы с последующей обработкой этого слоя, то есть она работает по принципу «сверху-вниз».
Теперь же стоит рассказать о том, как развивалась планарная технология.
К концу 1958 г. Жан Эрни из Fairchild продемонстрировал размещение в кремнии областей с различным типом проводимости, составляющих p–n переход, над которым располагался изолятор из двуокиси кремния. В изоляторе протравлено отверстие, заполненное алюминием для создания электрического контакта. Чешский физик Курт Леховец из калифорнийской компании Sprague Electric предложил использовать p–n переход и как изолятор от кремниевой подложки. Наконец, в 1959 г. Роберт Нойс из Fairchild объединил обе идеи с возможностью напылять тонкий слой металла на схему. Этот слой потом выборочно вытравливался для получения одновременно всех необходимых межсоединений, что сделало возможным изготовление весьма сложной схемы всего за несколько шагов.
Таким образом был изобретен планарный технологический процесс — совокупность операций, позволяющих создавать в полупроводниковой пластине набор р–n переходов, границы которых выходят на одну и ту же плоскую поверхность. Такое расположение значительно упрощает их формирование, соединение в соответствии с заданной электрической схемой и защиту от внешних воздействий. Кроме того, планарная технология обеспечивает возможность одновременного изготовления в едином технологическом процессе большого числа однотипных дискретных элементов полупроводниковых приборов или интегральных схем на одной пластине. Групповая обработка обеспечивает хорошую воспроизводимость параметров приборов и высокую производительность при сравнительно низкой стоимости изделий.
Такая обработка стала применяться после того, как Джэй Лэст и Роберт Нойс в 1958 году создали один из первых фотоповторителей, позволявших проецировать множество копий маски на одну пластину. Через три года были выпущены первые промышленные фотоповторители с уменьшением изображения — теперь маску можно было сделать в 5–0 раз больше, что упрощало процесс ее подготовки. Маски изготавливались копированием выполненных на прозрачной пленке чертежей на листе рубилита, на котором координатограф полуручным способом гравировал оттиск. Сами чипы изготавливались из пластин диаметром всего 13⅓мм, введенных в 1960 году.
Первоначально все микросхемы делались с биполярными транзисторами, но в 1959 году Джон Аталла и Дэвон Канг из Bell Labs изготовили полевой транзистор с изолированным затвором, чего не могли добиться с 1926 года, когда был открыт полевой эффект. В 1960 году в Bell Labs изобрели еще один нужный для массового производства процесс —эпитаксиальное осаждение тонкого слоя полупроводника на кристаллическую подложку.
В 1963 году вышли первые ТТЛ–чипы (транзисторно–транзисторная логика, самая популярная до конца 70-х). Тогда же Фрэнк Уанласс (Frank Wanlass) из Fairchild показал, что симметричное спаривание p– и n–канальных МОП–транзисторов уменьшает потребление энергии в статическом режиме (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, а потом и в коммерческих устройствах, прежде всего, в настольных ЭВМ.
Когда массовое производство ИС стало исчисляться уже миллионами, оказалось, что с применением пластин большего диаметра себестоимость чипов падает, а массовость растет — и в 1964 году были введены 25 миллиметровые пластины, а через 2 года — 38 миллиметровые. Уменьшать размеры интегральных КМОП–структур оказалось труднее, чем в случае биполярных транзисторов, из-за производственных сложностей и уменьшения надежности. Однако в течение 1963–66 годов специалисты из американских, европейских и японских компаний (в сотрудничестве и конкуренции) исследовали и решили основную часть вопросов надежности КМОП–схем.
По указанным причинам поликремниевый затвор фактически был стандартом в течение нескольких десятилетий и только в самое последнее время, как будет разъяснено в следующих разделах, от него пришлось отказаться.