- •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
10.4. Оборудование для нанесения металлических пленок
Нанесение металлических пленок проводят в вакуумных камерах. Обычно пленки физически осаждаются на пластины из парогазовых смесей в процессе конденсации паров металлов. Изотропность осаждения на рельефе структуры определяется давлением газов и паров в камере. Для воздуха выполняется соотношение
P = const 0,7 смПа (10.2)
где P – давление газа; – длина свободного пробега молекул.
При вакуумном испарении давление в камере меньше 10-2 Па и 1 м. Молекулы металла движутся от источника к пластинам прямолинейно, осаждение металла анизотропное. На рельефе структуры возникает теневой эффект, при котором на ступенях толщина пленки уменьшается в несколько раз. Возможны и разрывы пленки. Для снижения теневого эффекта повышается температура подложек, увеличивающая подвижность осаждающихся атомов металла. С той же целью держатели подложек вращаются вокруг двух осей, непрерывно меняя угол падения атомов металла на пластину. Однако в высоковакуумных системах принципиально невозможно реализовать изотропное осаждение металлических пленок на рельеф структуры.
При химическом осаждении из парогазовой смеси и при ионном распылении мишени давление в камере выше 1 Па, а длина пробега менее 0,7 см. Атомы металла диффундируют к поверхности пластины и осаждаются на нее практически изотропно.
Вакуумное оборудование для изотропных и анизотропных процессов существенно отличается. Высоковакуумное оборудование (P 10-2 Па) имеет систему откачки из трех последовательно включенных насосов. В первом каскаде механический форвакуумный насос создает давление 0,51 Па. Во втором каскаде паромасляный или адсорбционный насос понижает давление до 10-2 Па. В третьем каскаде, как правило, используется криогенный насос. Если охлаждение ведется жидким азотом, то давление снижается еще на порядок. Для гелиевых насосов достигается вакуум 10-510-6 Па. В высоковакуумных системах натекания газа нет. Время откачки определяется дегазацией внутренних поверхностей вакуумной камеры. Для повышения производительности процессов загрузка пластин в установки ведется через промежуточные шлюзовые камеры. При этом требуется дегазация только поверхностей пластин и транспортной тары. Время подготовки процесса сокращается в несколько раз. Тем не менее, высоковакуумный процесс не может быть непрерывным. Криогенные и адсорбционные ловушки нуждаются в регенерации. Время непрерывной работы высоковакуумной системы около 1000 часов.
Технологические процессы при давлении около 1 Па не требуют многокаскадных вакуумных систем и шлюзовых камер. Однако такие процессы требуют точной установки рабочего давления при условии постоянного натекания расходуемых газов-реагентов. Для постоянной откачки газов - реагентов и побочных продуктов реакции требуются мощные форвакуумные насосы.
Важнейший параметр процесса осаждения металлической пленки – это ее толщина. Наиболее часто используются датчики контроля толщины пленок на основе кварцевого резонатора. Кварцевый резонатор – это пластина кристаллического кварца с нанесенными на обе поверхности металлическими электродами. Механические колебания пластины вызываются пьезоэлектрическим эффектом. Резонансная частота колебаний зависит от массы пластины. Дополнительная масса осажденной на резонатор пленки обуславливает изменение резонансной частоты, которое может быть точно измерено.