- •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
2.6. Немасштабируемые элементы структуры
В составе интегральных микросхем, кроме цифровых элементов, присутствуют аналоговые блоки, интерфейсы к внешним цепям и специальные элементы типа сенсоров. Во всех элементах, которые характеризуются не цифровым кодом, а конкретными величинами электрических параметров, простое масштабирование топологии и физической структуры приведет к непредсказуемому изменению этих параметров. Возможно и нарушение функционирования блока.
Немасштабируемые элементы можно разделить на две группы: элементы, допускающие уменьшение размеров с учетом коррекции схемы и конструкции; элементы, не допускающие уменьшения размеров.
Большинство аналоговых блоков и сенсоров допускают уменьшение размеров транзисторов. Для этого требуется выполнить корректирующие расчеты схемы.
Не допускают уменьшения размеров такие элементы, в которых размеры влияют на основные параметры. Например, невозможно уменьшить площадь интегрального индуктора без изменения его индуктивности и добротности. Чувствительность фотоприемников пропорциональна их площади. Рабочие напряжения входных и выходных каскадов микросхем зависят от длины затвора МОП - транзистора. Элементы защиты от электростатических разрядов также должны выдерживать повышенное разрядное напряжение.
Таблица 2.2. Прогноз изменения основных приборных параметров МОП - транзисторов (при их масштабировании) вплоть до 2012 г. (по данным Roadmap’97(SIA))
|
Параметр |
Появление кристаллов в промышленном производстве |
||||||
|
1997 |
1999 |
2001 |
2003 |
2006 |
2009 |
2012 |
|
|
Поколение приборных структур МОП - транзисторов (минимальный характеристический размер, нм) |
250 |
180 |
150 |
130 |
100 |
70 |
50 |
|
Структура области стока |
Продленный участок обл. стока |
Продленный участок обл. стока |
Продленный участок обл. стока |
Продленный участок обл. стока |
Приподнятые област истока–стока |
Приподнятая область стока |
Приподнятая область стока |
|
Глубина контактной области Xj, нм |
100 - 200 |
70 - 140 |
60 - 120 |
50 - 100 |
40 - 80 |
15 - 30 |
10 - 20 |
|
Величина Xj у границы с каналом, нм |
50 - 100 |
36 - 72 |
30 - 60 |
26 - 52 |
20 - 40 |
15 - 30 |
10 - 20 |
|
Толщина стенок спейсера, нм |
100 - 200 |
72 - 144 |
60 - 120 |
52 - 104 |
20 - 40 |
7,5 - 15 |
5 - 10 |
|
Толщина слоя силицида, нм |
70 |
55 |
45 |
40 |
45 - 70 |
Новая структура |
Новая структура |
|
Удельное поверхностное сопротивлении слоя силицида RS, (Ом/□) |
2 |
2,7 |
3,3 |
3,8 |
2 |
2 |
2 |
|
Контактное удельное сопротивление границы раздела Si–силицид, (Омсм2) |
110-6 |
610-7 |
410-7 |
310-7 |
210-7 |
810-8 |
310-8 |
|
Общее последовательное сопротивление области истока–стока (доля от сопротив. каналаRch, %) |
10 |
10 |
10 |
10 |
10 |
10 |
10 |
|
Концентрация легирующей примеси в канале, см-3, при условии Wdepl (1/4)Leff |
11018 |
21018 |
2,51018 |
31018 |
41018 |
81018 |
141019 |
|
Концентрация примесей в равномерно легированной области канала, см-3 для случая Ut = 0,4В |
4 - 61017 |
6 - 101017 |
7 - 131017 |
1 - 21018 |
2 - 31018 |
3,51018 |
71018 |