集積回路。発明と生産の歴史

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集積回路。発明と生産の歴史

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集積（マイクロ）回路（IC、IC、m / s、英語の集積回路、IC、マイクロサーキット）、チップ、マイクロチップ（英語のマイクロチップ、シリコンチップ、チップ - 薄い板 - この用語は元々はマイクロ回路結晶の板を指しました）） - マイクロ電子デバイス - 半導体基板（プレートまたはフィルム）上に作成され、分離不可能なケース内に配置される、またはマイクロアセンブリに含まれる場合はそれなしで配置される、任意の複雑さ（結晶）の電子回路。

集積回路

マイクロエレクトロニクスは、現代における最も重要な科学技術の成果であり、多くの人が信じているように、最も重要な科学的および技術的成果です。これは、XNUMX 世紀の印刷技術の発明、XNUMX 世紀の蒸気機関の発明、XNUMX 世紀の電気工学の発展といった技術史の転換点と比較することができます。今日、科学的および技術的革命に関して言えば、主にマイクロエレクトロニクスが意図されています。私たちの時代の他の技術的成果とは異なり、それは生活のすべての領域に浸透し、昨日は想像もできなかったものを現実にします. これを確信するには、ポケット電卓、小型ラジオ、家庭用電化製品の電子制御装置、時計、コンピューター、およびプログラム可能なコンピューターについて考えるだけで十分です。そして、これはその範囲のほんの一部です!

マイクロエレクトロニクスは、その起源と存在そのものが、新しい超小型電子要素である統合マイクロ回路の作成に負うところがあります。実際、これらの回路の出現は、ある種の根本的に新しい発明ではありませんでした。それは、半導体デバイスの開発の論理から直接続いたものです。当初、半導体素子が誕生したばかりの頃は、トランジスタ、抵抗、ダイオードを別々に使用していました。つまり、個別のケースに入れて、個別の接点を使って回路に組み込んでいました。これは、同じ要素から多くの同様の回路を組み立てる必要がある場合でも行われました。

徐々に、そのようなデバイスを別々の要素から組み立てるのではなく、XNUMXつの共通チップ上ですぐに製造する方が合理的であることが理解されました。特に、半導体エレクトロニクスがこのためのすべての前提条件を作成したためです。実際、すべての半導体素子は、それらの構造が互いに非常に類似しており、同じ動作原理を持ち、pn領域の相互配置のみが異なります。

これらのpn領域は、私たちが覚えているように、同じタイプの不純物を半導体結晶の表面層に導入することによって作成されます。さらに、信頼性が高く、あらゆる観点から、半導体素子の大部分の満足のいく動作は、1分の99ミリメートルの表面作業層の厚さで提供されます。最小のトランジスタは通常、半導体結晶の最上層のみを使用します。これは、その厚さのわずかXNUMX％です。残りのXNUMX％は、キャリアまたは基板として機能します。これは、基板がないと、トランジスタがわずかなタッチで簡単に崩壊する可能性があるためです。したがって、個々の電子部品の製造に使用される技術を使用して、XNUMXつのチップ上に数十、数百、さらには数千ものそのような部品から完全な回路を即座に作成することが可能です。

これによる恩恵は非常に大きいでしょう。第一に、コストはすぐに減少します（通常、マイクロ回路のコストは、そのコンポーネントのすべての電子要素の総コストの数百分のXNUMXです）。第二に、そのようなデバイスははるかに信頼性が高くなります（経験が示すように、数千回および数万回）。これは、数万または数十万の電子部品の回路でのトラブルシューティングが非常に困難な問題になるため、非常に重要です。 . 第三に、集積回路のすべての電子素子が従来の複合回路の対応するものよりも数百倍も数千倍も小さいという事実により、それらの消費電力ははるかに少なく、速度ははるかに高速です。

エレクトロニクスへの統合の到来を告げた重要な出来事は、Texas Instruments のアメリカ人エンジニア J. Kilby の提案でした。レジスタ、コンデンサ、トランジスタ、ダイオードなどの回路全体に相当する要素を、純粋なシリコンのモノリシック片に収めることです。キルビーは、1958 年の夏に最初の集積半導体回路を作成しました。そしてすでに 1961 年に、フェアチャイルドセミコンダクター社は、コンピューター用の最初のシリアルマイクロ回路を製造しました。それは、一致回路、セミシフトレジスタ、およびフリップフロップです。同年、半導体集積論理回路の生産はテキサスによってマスターされました。

翌年、他社の集積回路が登場。短期間で、さまざまなタイプのアンプが統合設計で作成されました。 1962 年、RCA はコンピュータ記憶装置用のメモリアレイ集積回路を開発しました。徐々に、すべての国でマイクロ回路の生産が確立され、マイクロエレクトロニクスの時代が始まりました。

通常、集積回路の出発材料は未加工のシリコンウェーハです。同じタイプのマイクロ回路が一度に数百個同時に製造されるため、比較的大きなサイズです。最初の操作は、1000 度の温度で酸素の影響下で、二酸化ケイ素の層がこのプレートの表面に形成されることです。酸化ケイ素は、優れた化学的および機械的耐性を特徴とし、優れた誘電体の特性を持ち、その下にあるシリコンに信頼性の高い絶縁を提供します。

次のステップは、pまたはn伝導ゾーンを作成するための不純物の導入です。これを行うには、個々の電子部品に対応するプレート上の場所から酸化膜を取り除きます。所望の領域の選択は、フォトリソグラフィーと呼ばれるプロセスを使用して行われます。まず、酸化物層全体が感光性化合物（フォトレジスト）で覆われています。これは写真フィルムの役割を果たします。これを照射して現像することができます。その後、半導体結晶の表面パターンを含む特殊なフォトマスクを通して、プレートに紫外線を照射します。

光の影響下で、酸化物層に平らなパターンが形成され、照明されていない領域は明るく残り、残りはすべて暗くなります。フォトレジスターが光にさらされた場所では、酸に耐性のあるフィルムの不溶性領域が形成されます。次に、ウェハは、露光領域からフォトレジストを除去する溶剤で処理されます。開いた場所から（そしてそれらからのみ）、酸化ケイ素の層が酸でエッチングされます。

その結果、酸化シリコンが適切な場所で溶解し、純粋なシリコンの「窓」が開き、不純物の導入 (ライゲーション) の準備が整います。これを行うには、基板の表面を 900 ～ 1200 度の温度で、リンや砒素などの所望の不純物にさらして、n 型の導電性を取得します。不純物原子は純粋なシリコンに深く浸透しますが、その酸化物によって反発されます。あるタイプの不純物でプレートを処理した後、別のタイプのライゲーションの準備が整います。プレートの表面は再び酸化物層で覆われ、新しいフォトリソグラフィとエッチングが実行され、その結果、新しい「窓」が形成されます。シリコンオープン。

これに続いて、例えばホウ素を用いた新たなライゲーションが行われ、p型導電性が得られます。これにより、結晶全面にp領域とn領域が適所に形成されます。個々の要素間の絶縁はいくつかの方法で作成できます。酸化シリコンの層がそのような絶縁として機能したり、適切な場所にブロック pn 接合を作成したりすることもできます。

処理の次の段階は、集積回路の要素間、およびこれらの要素と外部回路を接続するための接点との間の導電接続（導電線）の適用に関連しています。これを行うために、アルミニウムの薄い層が基板上に吹き付けられ、非常に薄いフィルムの形で堆積されます。上記と同様のフォトリソ加工、エッチング加工を行う。その結果、金属層全体から薄い導電線とパッドだけが残ります。

最後に、半導体結晶の表面全体が保護層（ほとんどの場合、ケイ酸塩ガラス）で覆われ、パッドから取り除かれます。製造されたすべてのマイクロ回路は、制御およびテストスタンドで最も厳しいチェックを受けます。欠陥のある回路は赤い点でマークされています。最後に、水晶は個別のマイクロ回路プレートに切断され、それぞれが外部回路への接続用のリード付きの堅牢なケースに入れられます。

集積回路の複雑さは、集積度と呼ばれる指標によって特徴付けられます。 100 を超える要素を持つ集積回路は、集積度の低いマイクロ回路と呼ばれます。最大1000個の要素を含む回路 - 平均集積度の集積回路。最大数万の要素を含む回路 - 大規模な集積回路。すでにXNUMX万個の要素を含む回路が作られています（それらは超大型と呼ばれます）。集積度が徐々に向上したことで、回路は年々小型化し、それに応じてますます複雑になっています。

以前は大きな寸法を持っていた膨大な数の電子機器が、今では小さなシリコンプレートに収まります。この道に沿った非常に重要な出来事は、1971年にアメリカの会社Intelが算術演算と論理演算を実行するための単一の集積回路、つまりマイクロプロセッサを作成したことでした。これは、コンピュータ技術の分野におけるマイクロエレクトロニクスの壮大なブレークスルーにつながりました。

著者：Ryzhov K.V.

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