Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное агенство по образованию
Московский государственный институт электронной техники
(технический университет)
Ю.Ф. Адамов, а.М. Грушевский, с.П. Тимошенков Современные проблемы проектирования и технологии микроэлектронных систем
Учебное пособие
Проектирование систем на печатных платах на САПР Mentor Graphics
Часть 1
Под ред. д.т.н., проф. С.П. Тимошенкова
Москва 2008
УДК 621.284
313
Рецензенты: докт. техн. наук, проф. В.П. Лаврищев
докт. техн. наук, проф. М.Г.Путря
Ю.Ф. Адамов, А. М. Грушевский, С.П. Тимошенков
Современные проблемы проектирования и технологии микроэлектронных систем: Уч. пособие. Проектирование систем на печатных платах на САПР Mentor Graphics Под ред. д.т.н., проф. Тимошенкова С.П., Часть 1 – М.: МИЭТ, 2008. – 327 с.: ил.
ISBN 5-7256-
Настоящее учебное пособие – это попытка обобщить и представить в систематизированном виде накопленный научно-технический опыт в решении современных проблем проектирования и технологии микроэлектронных устройств. Актуальность пособия определена все возрастающей перспективностью САПР компании Mentor Graphics.
В пособии систематизированы основные конструктивно-технологические ограничения при проектировании элементной базы и изделий микросистемной техники в условиях перехода к нанометровым технологиям и при проектировании печатных плат в условиях реализации высокоплотного поверхностного монтажа многовыводных микросхем.
Предназначено для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению 551100 «Проектирование и технология электронных средств», а также для слушателей курсов повышения квалификации и специалистов, занимающихся созданием перспективных высокоинтегрированных изделий современной электронной техники и микроэлектроники.
Выполнено в рамках инновационной образовательной программы МИЭТ «Современное профессиональное образование для российской инновационной системы в области электроники».
МИЭТ, 2008
Оглавление
|
Введение……………………………………………………………………………………………….…7 |
|
1. Технология микроэлектроники и микроэлектронные полупроводниковые приборы……………………………………………………………………………………………….….8 |
|
1.1. Типовые структуры и характеристики кремниевых биполярных транзисторов…………………………………………………………………………………………...…8 |
|
1.2. Пределы миниатюризации кремниевых биполярных транзисторов……………………………12 |
|
1.3. Типовые структуры и характеристики кремниевых МОП - транзисторов...………………..…13 |
|
1.4. Тиристорный эффект в комплементарных МОП - схемах………………………………………15 |
|
1.5. Ударная ионизация в канале и обусловленный ею ток подложки………………………….…..17 |
|
1.6. Размерные эффекты в МОП - транзисторах………………………………………………….…..18 |
|
1.7. Физические ограничения размеров МОП - транзисторов………………………………….……23 |
|
1.8. Прогноз предельных параметров МОП - транзисторов…………………………………………24 |
|
1.9. Прогноз развития элементной базы микроэлектроники………………………………………...24 |
|
2. Единство интегральной технологии и схемотехники………………………………………….25 |
|
2.1. Интегральная схемотехника – продукт развития технологии…………………………………..25 |
|
2.2. Принципы интегральной схемотехники………………………………………………………….26 |
|
2.3.Правила масштабирования МОП - транзисторов………………………………………………...27 |
|
2.4. Топологическое проектирование масштабируемых микросхем………………………………..30 |
|
2.5. Влияние сложности логических схем на характеристики системы металлизации……………………………………………………………………………………………31 |
|
2.6. Немасштабируемые элементы структуры………………………………………………………..33 |
|
3. Проблемы развития интегральной схемотехники для нанометровых технологий……………………………………………………………………………………………...35 |
|
3.1. Кризис схемотехники нанометровых микросхем………………………………………………..35 |
|
3.2. Пути унификации схемотехнических решений………………………………………………….36 |
|
3.3. Характеризация библиотек транзисторов, логических элементов и простых функциональных блоков……………………………………………………………………………………………………38 |
|
4. Литография………………………………………………………………………………………….43 |
|
4.1. Основные определения…………………………………………………………………………….43 |
|
4.2. Фотолитография – ключевой процесс планарной технологии………………………………….45 |
|
4.3. Электронно-лучевая литография………………………………………………………………….48 |
|
4.4. Резисты – полимеры чувствительные к облучению……………………………………………..50 |
|
5. Эпитаксия полупроводниковых слоев…………………………………………………………...54 |
|
5.1. Основные определения…………………………………………………………………………….54 |
|
5.2. Эпитаксиальное выращивание слоев кремния из парогазовой фазы………………………...…55 |
|
5.3. Молекулярно-лучевая эпитаксия………………………………………………………………….58 |
|
5.4. Развитие эпитаксиальной технологии…………………………………………………………….60 |
|
Глава 6. Процессы нанесения диэлектрических покрытий……………………………………..63 |
|
6.1. Назначение диэлектрических слоев и требования к ним………………………………………..63 |
|
6.2. Методы получения диэлектрических покрытий…………………………………………………64 |
|
6.3. Термическое окисление кремния………………………………………………………………….65 |
|
6.4. Осаждение диэлектрических пленок…………………………………………………………...…73 |
|
6.5. Перспективы развития методов осаждения диэлектрических пленок………………………….78 |
|
7. Легирование полупроводников…………………………………………………………………...80 |
|
7.1. Назначение процесса легирования и основные определения…………………………………...80 |
|
7.2. Модели диффузии в твердом теле………………………………………………………………...81 |
|
7.3. Диффузионные процессы легирования…………………………………………………………...87 |
|
8. Ионная имплантация - основной метод легирования полупроводников……………………………………………………………………………………...93 |
|
8.1. Преимущества процесса имплантации…………………………………………………………...93 |
|
8.2. Оборудование для ионного легирования…………………………………………………….…...94 |
|
8.3. Распределение примеси при имплантации……………………………………………………….96 |
|
8.4. Дефекты структуры в полупроводниках при ионном легировании…………………………...102 |
|
8.5. Отжиг дефектов и активация примеси…………………………………………………………..104 |
|
9. Плазмохимическое травлени полупроводников, диэлектриков и металлов…………………………………………………………………………………..…………...108 |
|
9.1. Классификация процессов плазмохимического травления………………………………...….108 |
|
9.2. Особенности плазмохимического травления……………………………………………..…….109 |
|
9.3. Травление кремния и металлов…………………………………………………………………..114 |
|
9.4 Травление двуокиси и нитрида кремния………………………………………………………...118 |
|
9.5 Плазмохимическое травление органических материалов……………………………………....119 |
|
9.6. Производительность и управляемость процессом плазмохимического травления……………………………………………………………………………………...……….120 |
|
10. Металлизированные соединения и омические контакты………………………………….122 |
|
10.1. Требования к металлизации……………………………………………………………….……122 |
|
10.2. Материалы для электрических соединений…………………………………………………...123 |
|
10.3. Омические контакты………………………………………………………………………….....124 |
|
10.4 Оборудование для нанесения металлических пленок………………………………..………..126 |
|
10.5. Методы осаждения металлов…………………………………………………………….……..127 |
|
10.6. Интеграция процессов металлизации…………………………………………………….……130 |
|
11. Интеграция технологических процессов в производственный маршрут изготовления микросхем………………………………………………………………………………………...…...135 |
|
11.1. Взаимосвязь технологических процессов…………………………………………………..….135 |
|
11.2. Интеграция приборов в структуре микросхем………………………………………………...136 |
|
11.3. Спецификация производственного маршрута…………………………………………….…...137 |
|
11.4. Принципы построения маршрута……………………………………………………………....138 |
|
11.5. Иерархическое построение маршрута……………………………………………………..…...138 |
|
11.6. Цикличность маршрута………………………………………………………………………....140 |
|
11.7. Управляемость и воспроизводимость……………………………………………………..…...140 |
|
11.8. Элекровакуумная гигиена…………………………………………………………………..…..142 |
|
12. Маршрут производства и физические структуры КМОП-микросхем……………………………………………………………………………………144 |
|
12.1. Применение, достоинства и недостатки КМОП - микросхем…………………………...…...144 |
|
12.2. Требования к структуре КМОП - микросхем………………………………………………….144 |
цифровых микросхем………………………………………………………………………………….146 |
|
12.4. Изоляция приборов………………………………………………………………………….…..148 |
|
12.5. Области истока, стока и контакты к «карманам»………………………………………….….149 |
|
12.6. Подзатворный диэлектрик……………………………………………………………….……..150 |
|
12.7. Затворы субмикронных МОП - транзисторов…………………………………………...…….151 |
|
12.8. Контакты к поликремниевым затворам, истокам и стокам МОП - транзистора……………………………………………………………………………………153 |
|
12.9. Металлизация……………………………………………………………………………….…...155 |
|
13. Физические структуры и технология биполярных микросхем…………………………....157 |
|
13.1. Области применения и особенности технологии биполярных микросхем……………….…157 |
|
13.2. Высокочастотные биполярные транзисторы……………………………………………….….158 |
|
13.3. Высоковольтные биполярные транзисторы……………………………………………….…..161 |
|
13.4. p-n-p - транзисторы для усилителей низкочастотных сигналов…………………………..….163 |
|
13.5. Биполярные транзисторы в КМОП - микросхемах………………………………………..….164 |
|
14. Структуры и процессы формирования пассивных элементов микросхем……………………………………………………………………...………...166 |
|
14.1. Требования к пассивным элементам микросхем и их состав…………………………………………………………………………………………….……..166 |
|
14.2. Интегральные резисторы…………………………………….………………………………….166 |
|
14.3. Интегральные конденсаторы……………...……………………………………………….…...168 |
|
14.4. Интегральные индукторы……………………………………….………………………………170 |
|
14.5. Пассивные элементы на основе волноводов…………………………….…………………….172 |
|
14.6. Варакторы…………………………………………………………………….………………….173 |
|
14.7. Диоды Шоттки…………………………………………………………………...……………....174 |
|
15. Физические структуры микросхем на основе гетеропереходов соединений A3B5 и кремний - германий………………………………………………………………………………….177 |
|
15.1. Свойства гетеропереходов…………………………………………………………….………..177 |
|
15.2. Технология гетероструктурных микросхем…………………………………………….……..178 |
|
15.3. Биполярные транзисторы на подложках арсенида галлия…………………………………...179 |
|
15.4. Полевые транзисторы с высокой подвижностью электронов………………………….…….181 |
|
15.5. Гетероструктурные полевые транзисторы на основе широкозонных полупроводников………………………………………………………………………………...……183 |
|
15.6. Микросхемы на основе гетероструктур кремний - германий…………….………………...184 |
|
16. Функциональные приборы и устройства……………………………………………………..187 |
|
16.1. Основные определения……………………………………………………………………….…187 |
|
16.2. Оптоэлектронные приборы………………………………………………………………….….188 |
|
16.3. Акустоэлектронные приборы……………………………………………………………..…….191 |
|
16.4. Микроэлектронные электромеханические устройства……………………………195 |
|
16.5. Магниточувствительные устройства……………………………………………….242 |
|
17. Процессы сборки и герметизации микросхем……………………………..243 |
|
17.1. Разделение пластин на кристаллы………………………………………………….243 |
|
17.2. Корпуса для интегральных микросхем…………………………………………….249 |
|
|
17.7. Тенденции и перспективы развития сборочной технологии……………………..283 |
|
18. Многоуровневые коммутационные платы. Конструктивно-технологические ограничения при проектировании…………………………………285 |
|
18.1. Общие сведения о печатных платах. Конструктивные исполнения……………..286 |
|
18.2. Материалы печатных плат………………………………………………………….297 |
|
18.3. Конструктивно-технологические ограничения при проектировании…………....299 |
|
18.4. Изготовление фотошаблонов печатных плат……………………………………...304 |
|
18.5. Перспективы проектирования для техники поверхностного монтажа…………..308 |
19. Сборка электронных устройств на печатных платах…………………......319
|
19.1. Методы выполнения электрических соединений…………………………………320 |
|
19.2. Технология создания микросварных соединений………………………………..321 |
|
19.3. Особенности микромонтажа бескорпусных микросхем………………………....330 |
|
19.4. Технология создания микроконтактов методами пайки………………………...337 |
Заключение……………………………………………………………………………...367 Литература……………………………………………………………………………...368 |