PDF-лекции, страница 2

Окисление – соединение вещества с кислородом. SiO2– окись кремния – кварц. Кварц – очень прочный материал, который почти не поддаетсятравлению. Чтобы кремний окислялся нужно иметь кислород, который не долженсодержать примесей потому, что неконтролируемая примесь – это плохо. Нам нужно иметьчистый кислород или чистую воду, которая при высокой температуре разлагается накислород и водород. Для того чтобы происходила реакция кислорода с кремнием, нужна,как правило, высокая температура.SiO2 – прозрачный материал. Нужно наносить какие-то тонкие слои этого материала.Встает вопрос контроля толщины наносимого слоя. Это важный момент потому, что кварциспользуется как в технологическом процессе, так и для того, чтобы изолироватьотдельные элементы друг от друга. Очень хороший изолятор.

Если пленку освещать белымсветом, то по интерференционной картине можно точно контролировать толщину.SiO2 можно получить по-другому – осаждением (конденсацией) из пара. Если мы имеемпар какого-то вещества, то, вообще говоря, он может конденсироваться на подложке,поскольку она более холодная, чем пар, и покрывать эту подложку. Например. Можнополучить пары металла алюминий. Для этого нужно взять алюминий, нагреть его, онрасплавится и будет испаряться. И если мы имеем какую-то подложку, более холодную,чем этот металл, то пары алюминия будут осаждаться, и мы тем самым производимметаллизацию, т.е. нанесение металла на кремний.

Аналогично можно взять пары другихвеществ и таким образом осадить их на подложку. При осаждении паров на поверхностькремния качество слоя очень сильно зависит от той температуры, при которой идет этотпроцесс. Например, если мы возьмем газ, содержащий Si, мы можем на кремний нанестиеще слой того же кремния.

Если температура подложки низкая, то кремний на подложкуосаждается не в виде монокристалла, а в виде поликристалла, т.е. мелких кристалликов,которые ориентированны хаотически. Если же мы имеем высокую температуру подложки,то мы имеем так называемый эпитаксиальный рост. Т.е. слой кремния, нанесенный такимобразом, является монокристаллическим, и повторят ту структуру, на которую оннапыляется.Мы перечислили основные процессы, которые применяются при изготовленииинтегральных схем.А как же производить обработку не всей подложки, а какой-то вполне определеннойобласти кристалла? Фотолитография – процесс изготовления фотошаблона.

Нужно какимто образом нарисовать картинку с изображением области, над которой будетпроизводиться операция, а все остальные области полупроводника закрыть. Есть такназываемый фоторезист – это органическое вещество, которое обладает следующимсвойством: Фоторезист растворяется водой, но если его облучить светом, то та часть,которая подверглась облучению, становится нерастворимой в воде. Если спроецировать накремний како-то рисунок, то если смыть, все освещенные области будут покрытырезистом, а все остальное – нет. Если далее мы используем процесс нанесения на кремнийSiO2 за счет осаждения из пара, то наносится слой SiO2 на все области. Если далее мырезист смоем, допустим, кислотой какой-нибудь, то вместе с резистом смоется тот слой,который напылен на резист, а тот слой, который напылен на чистый кремний, остается.Фотошаблон дает возможность выделить вполне определенную область, котораяподвергается обработке.Если производится введение примеси, обрабатывается вся поверхность.

Тогда передтем, как его проводить, нужно все области, на которые не надо проводить введение,покрыть SiO2 , и в незащищенные области происходит диффузия или имплантацияпримеси. Процесс изготовления происходит послойно. Схема растет, как бы, вверх.Каждый слой обрабатывается своим образом. Поэтому, если мы хотим сделатьинтегральную схему, сначала нужно придумать схему, потом в соответствие с этимразработать послойную топологию, и далее начать изготовление.Топологический размер:ddТопологический размер – минимальный размер полупроводника, который может бытьподвергнут обработке. Чем определяется этот минимальный размер? Нужна безусадочнаяпленка – это первое.

Диаметр образца, над которым будет проводиться операция, скажем,30 см., то, как правило, топология, т.е. этот слой, рисуется очень больших масштабов (метрна метр). Далее за счет того, что у нас есть оптика, которая позволяет очень точнопроецировать, это уменьшается. Второй момент, который необходимо иметь в виду, нужнысистемы, которые позволили бы очень точно совмещать эти шаблоны, потому что есливторой шаблон сместить относительно первого, то все пойдет насмарку. Когда речь шла озаконе Мура, вставал вопрос: а где принципиальное ограничение? Топологические размерыв первых микросхемах были порядка несколько мкм.Как сформировать на фотошаблоне какой-то объект размером в 1 мкм? Это можносделать оптикой.

Белый свет можно сфокусировать с помощью линз. Какой минимальныйразмер точки, которую можно сфокусировать? Для белого света это будет очень большоепятно. Нужно использовать монохроматическое излучение, скажем, лазерное излучение.Тогда минимальный размер сфокусированной точки будет порядка λ, где λ – это длинаволны. Поэтому если лазер (красный) с длиной волны 0,63 мкм, значит это порядка 0,6мкм. Ультрафиолетовое излучение – излучение с длиной волны меньше 0,4 мкм..

Но естьеще гамма - излучение, у которых длина волны очень короткая. В конечном счете, естьэлектроны,спомощьюкоторыхможнозадаватьэтутопологию.Принципиально важно следующее: если говорить о первых интегральных схемах, то выходгодных интегральных схем был не очень большой - где-то порядка 10 %.

Контроль иисправления в процессе производства позволили резко увеличить выпуск годныхмикросхем. Все технологические проблемы рано или поздно могут быть решены.Фотошаблон не определяет топологический размер. В данный момент у выпускаемыхпроцессоров топологический размер 0,12 – 0,13 мкм.Каковы принципиальные ограничения топологического размера? Диффузия: Еслисоединить 2 материала. Если расстояния между ними малы, то будет происходитьдиффузия. Возьмем полупроводник.

p-n-переход. Это означает, что есть полупроводник ртипа и n типа. Толщина их очень маленькая. Через некоторое время произойдет диффузия,и транзистора как такового не будет. Не будет резкого p-n-перехода. Как это можнооценить? Есть температура, при которой работает микросхема. Она важна потому, что, чемвыше температура, тем выше скорость молекул и тем больше диффузия. Года полтора томуназад японцы сделали транзистор, у которого топологический размер 50 нм. (= 0,05 мкм.).Заставили его работать при высокой температуре, и он работал нормально. Поэтомупринципиальные ограничения есть и оценить их точно сложно.

Скорее всегопри 1 – 10 нм. Полупроводник будет еще работать.Насколько справедлив закон Мура?1981 IBM PC 29 тыс. транзисторов1982 80286130 тыс.1985 80386275 тыс.1989 486DX 1,2 млн.1993 Pent3,1 млн.1995 Pent Prо 5,5* 15,5 млн. (в том числе и кэш)Можно нарисовать график и посмотреть:ПотреблениеДо этого момента не используем новую технологиюКогда речь идет о полупроводниках, речь идет о следующем: Можно сделатьэлементную базу на так называемых биполярных полупроводниках – это полупроводники,которые состоят из полупроводника р типа и полупроводника n типа. С них всеначиналось. Их сейчас нет в вычислительной технике.

У них есть свои преимущества исвои недостатки. Кроме того, есть транзисторы КМОП (CMOS) . Это полупроводникпринципиально другого плана. Он характерен тем, что в отличие от биполярного :1) он требует на свое изготовление гораздо меньше площади2) статическая потребляемая мощность значительно меньшеНаивысший уровень интеграции наблюдается в микросхемах памяти.Технология, о которой мы говорили, сначала была развита для биполярныхтранзисторов, потом для CMOS транзисторов.Какие еще могут быть улучшения с точки зрения улучшения качества. Для того, чтобысделать топологический размер 50 нм.

берут не просто кремний, берут так называемыйнапряженный кремний – кремний, в котором уменьшают явление диффузии. С точкизрения скорости: Кремний не самый быстрый материал. Есть материалы с точки зрениябыстродействия на порядок выше кремния.Если посмотреть структуру ЭВМ. Был такой принцип построения – есть ЦП, есть шина,на которую все устройства повешены. Это имеет свои преимущества. Шина определяетбыстродействие. Доступ к шине долгий – в результате быстродействие падает в десяткираз. Можно ли от этого избавиться или нельзя? Вопрос в следующем: можно ли при томподходе, который есть ввести некую возможность соединения каждого с каждым? Гдесамое слабое место микросхемы? На слое, на котором миллион транзисторов, нужнокаким-то образом произвести соединение этих элементов.

Т.е. должны быть слои, которыеосуществляют связь. Количество слоев, которое может быть не большое, посколькуувеличение этих слоев приводит к очень плохому тепловому режиму микросхемы. А слоиметаллических соединений не могут пересекаться. Поэтому вопрос состоит в том, чтонужно переходить к устройствам, которые осуществляют связь другим способом. Этотолько оптика. Световые лучи могут распространяться, пересекаясь идоставляяинформацию туда, куда нужно. Вопрос состоит в том, что нужно внедрять некоторыеновые оптические элементы вместо тех, которые есть.Лекция 2В первую очередь мы рассмотрим твердые тела и физические базовые законы,которые определяют свойства проводимости в твердых телах.