- •Ю.Ф. Адамов, а.М. Грушевский, с.П. Тимошенков Современные проблемы проектирования и технологии микроэлектронных систем
- •Часть 1
- •Оглавление
- •Введение
- •1. Технология микроэлектроники и микроэлектронные полупроводниковые приборы
- •1.1. Типовые структуры и характеристики кремниевых биполярных транзисторов
- •1.2. Пределы миниатюризации кремниевых биполярных транзисторов
- •1.3. Типовые структуры и характеристики кремниевых
- •1.4. Тиристорный эффект в комплементарных моп - схемах
- •1.5. Ударная ионизация в канале и обусловленный ею ток подложки
- •1.6. Размерные эффекты в моп - транзисторах
- •1.7. Физические ограничения размеров моп - транзисторов
- •1.8. Прогноз предельных параметров моп-транзисторов
- •1.9. Прогноз развития элементной базы микроэлектроники
- •2. Единство интегральной технологии и схемотехники
- •2.1. Интегральная схемотехника – продукт развития технологии
- •2.2. Принципы интегральной схемотехники
- •2.3. Правила масштабирования моп - транзисторов
- •Закономерности масштабирования согласно трем различным методам
- •2.4. Топологическое проектирование масштабируемых микросхем
- •2.5. Влияние сложности логических схем на характеристики системы металлизации
- •2.6. Немасштабируемые элементы структуры
- •3. Проблемы развития интегральной схемотехники для нанометровых технологий
- •3.1. Кризис схемотехники нанометровых микросхем
- •3.2. Пути унификации схемотехнических решений
- •3.3. Характеризация библиотек транзисторов, логических элементов и простых функциональных блоков
- •4. Литография
- •4.1. Основные определения
- •4.2. Фотолитография – ключевой процесс планарной технологии
- •4.3. Электронно-лучевая литография
- •4.4. Резисты – полимеры, чувствительные к облучению
- •5. Эпитаксия полупроводниковых слоев
- •5.1. Основные определения
- •5.2. Эпитаксиальное выращивание слоев кремния из парогазовой фазы
- •5.3. Молекулярно - лучевая эпитаксия
- •5.4. Развитие эпитаксиальной технологии
- •Основные характеристики диэлектрических подложек, используемых при гетероэпитаксии кремния
- •6. Процессы нанесения диэлектрических покрытий
- •6.1. Назначение диэлектрических слоев и требования к ним
- •6.2. Методы получения диэлектрических покрытий
- •6.3. Термическое окисление кремния
- •6.4. Осаждение диэлектрических пленок
- •6.5. Перспективы развития методов осаждения диэлектрических пленок
- •7. Легирование полупроводников
- •7.1. Назначение процесса легирования
- •7.2. Модели диффузии в твердом теле
- •Предельная растворимость примесей в кремнии
- •7.3 Диффузионные процессы легирования
- •8. Ионная имплантация – основной метод легирования полупроводников
- •8.1. Преимущества процесса имплантации
- •8.2. Оборудование для ионного легирования
- •8.3. Распределение пробегов ионов при имплантации
- •Значения критического угла каналирования в кремнии
- •8.4. Дефекты структуры в полупроводниках при ионном легировании
- •8.5. Отжиг дефектов и активация примеси
- •9. Плазмохимическое травление полупроводников, диэлектриков и металлов
- •9.1. Классификация процессов плазмохимического травления
- •9.2. Особенности плазмохимического травления
- •9.3. Травление кремния и металлов
- •9.4. Травление двуокиси и нитрида кремния
- •9.5. Плазмохимическое травление органических материалов
- •9.6. Производительность и управляемость процессом плазмохимического травления
- •10. Металлизированные соединения и омические контакты
- •10.1. Требования к металлизации
- •10.2. Материалы для электрических соединений
- •10.3. Омические контакты
- •10.4. Оборудование для нанесения металлических пленок
- •10.5. Методы осаждения металлов
- •10.6. Интеграция процессов металлизации
- •Характеристики металлов, применяемых для создания ок к GaAs
- •11. Интеграция технологических процессов в производственный маршрут изготовления микросхем
- •11.1. Взаимосвязь технологических процессов
- •11.2. Интеграция приборов в структуре микросхемы
- •11.3. Спецификация производственного маршрута
- •11.4. Принципы построения маршрута
- •11.5. Иерархическое построение маршрута
- •11.6. Цикличность маршрута
- •11.7. Управляемость и воспроизводимость
- •11.8. Электровакуумная гигиена
- •12. Маршрут производства и физические структуры кмоп - микросхем.
- •12.1. Применение, достоинства и недостатки кмоп - микросхем
- •12.2. Требования к структуре кмоп - микросхем
- •Параметры кмоп - структур
- •12.3. Физическая структура и маршрут изготовления быстродействующих цифровых микросхем
- •12.4. Изоляция приборов
- •12.5. Области истока, стока и контакты к «карманам»
- •12.6. Подзатворный диэлектрик
- •12.7. Затворы субмикронных моп - транзисторов
- •12.8. Контакты к поликремниевым затворам, истокам и стокам
- •12.9. Металлизация
- •13. Физические структуры и технология биполярных микросхем
- •13.1. Области применения и особенности технологии биполярных микросхем
- •13.2. Высокочастотные биполярные транзисторы
- •13.3. Высоковольтные биполярные транзисторы
- •13.5. Биполярные транзисторы в кмоп - микросхемах
- •14. Структуры и процессы формирования пассивных элементов микросхем.
- •14.1. Требования к пассивным элементам микросхем и их состав.
- •14.2. Интегральные резисторы
- •14.3. Интегральные конденсаторы
- •14.4. Интегральные индукторы
- •14.5. Пассивные элементы на основе волноводов
- •14.6. Варакторы
- •14.7. Диоды Шоттки
- •Высота барьера Шоттки б
- •15. Физические структуры микросхем на основе гетеропереходов соединений a3b5 и кремний - германий
- •15.1. Свойства гетеропереходов
- •15.2. Технология гетероструктурных микросхем
- •15.3. Биполярные транзисторы на подложках арсенида галлия
- •15.4. Полевые транзисторы с высокой подвижностью электронов
- •15.5. Гетероструктурные полевые транзисторы на основе широкозонных полупроводников
- •15.6. Микросхемы на основе гетероструктур кремний - германий
- •16. Функциональные приборы и устройства
- •16.1. Основные определения
- •16.2. Оптоэлектронные приборы
- •16.3. Акустоэлектронные приборы
- •Параметры основных пьезоэлектрических материалов
- •16.4. Микроэлектронные электромеханические устройства
- •Важнейшие свойства Si, SiC, AlN
- •Технология поверхностной микромеханики
- •Технология объемной микромеханики
- •Технология корпускулярно - лучевого формообразования
- •Химическое травление кремния при получении многослойных структур
- •Плазмохимическое травление кремниевых структур.
- •Сращивание подложек с использованием промежуточных слоев
- •Перспективы применения структур кремний – на - изоляторе в микро- , наноэлектронике и микросистемной технике
- •Методы производства кни - структур
- •Специфика технологии микроэлектромеханических устройств
- •Компоненты нано- и микросистемной техники Микроакселерометр на поверхностных акустических волнах
- •Принцип действия и основы проектирования микроакселерометра
- •Полевой датчик Холла на основе структур «кремний – на - изоляторе»
- •Микрозеркала в кремниевом кристалле
- •Биосенсоры и биомолекулярная электроника
- •16.5. Магниточувствительные устройства
- •17. Процессы сборки и герметизации микросхем
- •17.1. Разделение пластин на кристаллы
- •Скрайбирование
- •Резка диском с наружной алмазной режущей кромкой
- •Резка ультразвуком
- •Резка пластин термоударом
- •Резка лучом лазера
- •17.2. Корпуса для интегральных микросхем
- •Корпусная элементная база
- •Динамика развития основных исходных конструкторских параметров кристаллов по годам
- •17.3. Монтаж кристаллов в корпуса
- •17.4. Бескорпусная элементная база
- •Сравнительные характеристики корпусированных 64-выводных бис и их бескорпусных аналогов
- •Кристаллы с балочными выводами
- •17.5. Многокристальные модули в трехмерном исполнении
- •Анализ состояния возможностей 3d проектирования
- •Тенденции эволюции микропроцессоров
- •17.6. Герметизация микросхем
- •Защита от альфа-частиц
- •Многокристальные модули, бескорпусные и гибридные микросхемы
- •17.7. Тенденции и перспективы развития сборочной технологии
- •Глава 18. Многоуровневые коммутационные платы. Конструктивно-технологические ограничения при проектировании.
- •18.1. Общие сведения о печатных платах. Конструктивные исполнения.
- •Конструкторско-технологические характеристики печатных плат
- •Наименьшие номинальные значения основных размеров элементов печатного монтажа для узкого места в зависимости от классов точности
- •Линейные размеры пп
- •Электрические характеристики печатных плат
- •Допустимые рабочие напряжения между элементами проводящего рисунка, расположенными в соседних слоях
- •Допустимые рабочие напряжения между элементами проводящего рисунка на наружных слоях пп
- •Допустимые значения воздействующего фактора по группам жесткости
- •Классификация конструкций пп
- •Тонкопленочные платы
- •Тонкопленочные платы на основе анодированного алюминия
- •Толстопленочные платы
- •18.2. Материалы печатных плат
- •18.3. Конструктивно-технологические ограничения при проектировании
- •Рекомендации по проектированию кп (на стеклотекстолите) в тпм
- •18.4. Изготовление фотошаблонов печатных плат
- •Предельные отклонения размеров элементов топологии фш
- •Значения несовмещений по контактным площадкам
- •18.5. Перспективы проектирования для техники поверхностного монтажа
- •Типовые конструкции многоуровневых коммутационных плат (мкп) и технология их реализации
- •Глава 19. Сборка электронных устройств на печатных платах
- •19.1. Методы выполнения электрических соединений
- •19.2. Технология создания микросварных соединений
- •Физико-химические особенности сварки
- •Особенности соединений
- •Термокомпрессионная сварка
- •Сварка с косвенным импульсным нагревом
- •Сварка сдвоенным (расщепленным) электродом
- •Сварка взрывом
- •Ультразвуковая сварка
- •19.3. Особенности микромонтажа бескорпусных микросхем
- •Оценка структуры
- •Оценка напряжений в сварных соединениях
- •Конструктивное исполнение сварных узлов
- •Технологические рекомендации по выполнению сварных узлов
- •19.4. Технология создания микроконтактов методами пайки
- •Подготовка поверхностей
- •Механическая очистка поверхностей
- •Химическая очистка поверхностей
- •Предварительное облуживание поверхностей
- •Проверка подготовленных поверхностей
- •Особенности и способы пайки. Флюсы для пайки
- •Марки флюсов, их состав и назначение
- •Технология пайки
- •Перспективы бессвинцовых технологий в производстве электронных средств
- •Основные типы бессвинцовых припоев
- •Совместимость покрытий
- •Маркировка
- •Возможные дефекты
- •Способы пайки
- •Пайка расплавлением дозированного припоя лазером
- •Достоинства и недостатки методов пайки
- •19.5. Конструктивные варианты монтажа на печатной плате
- •Заключение
- •Литература
Закономерности масштабирования согласно трем различным методам
|
Физические параметры |
Постояноство напряженности электрического поля |
Обобщенный метод |
Обобщенный селективный метод |
|
Длина канала. (Толщина подзатворного диэлектрика) |
1/ |
1/ |
1/d |
|
Ширина линий межсоединений. (Ширина канала) |
1/ |
1/ |
1/w |
|
Напряженность электрического поля |
1 |
|
|
|
Напряжение |
1/ |
/ |
/d |
|
Концентрация легирующих примесей |
|
|
d |
|
Площадь |
1/2 |
1/2 |
1/w2 |
|
Емкости |
1/ |
1/ |
1/w |
|
Задержка на вентиль |
1/ |
1/ |
1/d |
|
Рассеиваемая мощность |
1/2 |
2/2 |
2/w d |
|
Плотность рассеиваемой мощности |
1 |
2 |
2w/ d |
Примечание: коэффициент масштабирования линейных размеров; коэффициент масштабирования напряженности электрического поля; d и w коэффициенты масштабирования линейных размеров при обобщенном селективном методе: d – при масштабировании вертикальных размеров и длины затвора; w – при масштабировании поперечных размеров и ширины линий межсоединений.
2.4. Топологическое проектирование масштабируемых микросхем
Принцип пропорциональной миниатюризации предполагает масштабное уменьшение активной части транзисторной МОП - структуры. Однако он не определяет конкретные размеры элементов. Для того чтобы структура микросхемы стала масштабируемой, все планарные размеры должны соотноситься между собой в установленных пропорциях.
В начале 1980-х годов К. Мид и Л. Конвей предложили новый метод топологического проектирования масштабируемых структур. В этом методе единицей измерения размера служит универсальная единица – . Для каждого конкретного технологического маршрута определяется как величина, строго превышающая максимально допустимое смещение границы любого топологического элемента. Величина должна быть кратной шагу координатной сетки системы топологического проектирования. Обычно используется сетка проектирования с шагом 1 нм.
Правила проектирования Мида и Конвей включают таблицу топологических ограничений для размеров элементов и зазоров между ними. Минимальный размер элемента не может быть меньше 2. Минимальный зазор также не может быть меньше 2. Допустимые размеры и зазоры увеличиваются в 1,5 раза для системы металлизации. Ограничения учитывают увеличение размеров диффузионных областей с учетом коэффициента масштабирования.
Ограничения размеров в соответствии с этими правилами не являются минимальными. Они универсальные и позволяют выполнять масштабное уменьшение размеров элементов без нарушения проектных норм. Однако в структуре любой микросхемы остаются элементы, которые нельзя уменьшать масштабно: цепи питания, контактные площадки и разделительные дорожки. Ширина проводников в цепях питания должна быть достаточной для предотвращения явления электромиграции. Предельная плотность тока в алюминиевом проводнике 105 А/см2 (1 мА/мкм2). При масштабировании ток схемы обычно сохраняется, а сечение проводников уменьшается. Система питания требует дополнительного расчета и перепроектирования. Размеры контактных площадок определяются технологией сборки в корпуса. Ширина разделительной дорожки также определена технологией резки пластин. Размеры площадок и разделительных дорожек уменьшаются медленнее, чем размеры транзисторов. Переход к новым проектным нормам путем масштабного преобразования топологии микросхемы возможен только для внутренней части микросхемы. Периферийная область требует повторного проектирования с учетом требований сборочных операций и надежности.