- •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
1.6. Размерные эффекты в моп - транзисторах
Структура МОП - транзистора существенно трехмерная и размерных эффектов много. Отметим наиболее важные:
Зависимость порогового напряжения от длины канала. Для создания инверсного слоя в транзисторе с длинным каналом на затвор надо подать напряжении Uп, а в подложке образуется пространственный заряд q Na d W L, где d – ширина ОПЗ в подложке. В транзисторе с коротким каналом значительную часть пространства под затвором уже занимает ОПЗ, образованная p–n - переходами истока и стока (рис 1.8). Для создания инверсного слоя потенциал затвора должен сформировать заряд в подложке меньшей величины q Na d W (L-), где – поправка на уменьшение эффективной длины затвора. Пороговое напряжение при этом уменьшается. Величина поправки зависит от емкости окисла, толщины легированных слоев истока и стока, концентрации примеси в подложке.
Рис. 1.8. Распределение зарядов в подложке короткоканального транзистора
Изменение порогового напряжения
Uп = –QL/CокSз , (1.20)
где QL – изменение заряда в подложке за счет влияния истока и стока, Sз – площадь затвора.
Зависимость порогового напряжения от ширины канала. В поперечном сечении МОП - транзистора толщина подзатворного окисла увеличивается до толщины изолирующего окисла (рис. 1.9). Периферийное поле затвора индуцирует в подложке дополнительный заряд QW. Для дополнительного заряда требуется дополнительное напряжение на затворе. Изменение порогового напряжения составляет
Uп = –QW/CокSз . (1.21.)
Эффекты узкого и короткого каналов действуют в противоположных направлениях и могут компенсировать друг друга для транзисторов с размерами, близкими к квадрату (W L).
Рис. 1.9. Распределение зарядов в поперечном сечении
МОП - транзистора
Ток в подложке, ограниченный пространственным зарядом. При анализе влияния размерных эффектов на пороговое напряжение предполагалось, что напряжение на стоке Uс мало ( 0,1 В). С увеличением Uс в субмикронных приборах ОПЗ стока смыкается с ОПЗ истока. Электрическое поле стока проникает в ОПЗ истока и снижает потенциальный барьер для электронов. В результате происходит увеличение инжекции электронов из истока в канал и рост подпорогового тока. Соответственно, происходит уменьшение порогового напряжения с ростом напряжения на стоке. Изменение порогового напряжения линейно зависит от напряжения на стоке
Uп = Uс , (1.22)
где – статический коэффициент обратной связи. Для субмикронных транзисторов ток, ограниченный пространственным зарядом, сильнее влияет на выходное сопротивление транзисторов, чем эффект уменьшения эффективной длины затвора см. формулу 1.16.
Ток утечки затвор - сток при высоком напряжении на стоке. Уменьшение толщины подзатворного диэлектрика необходимо при уменьшении длины затвора. При этом напряженность электрического поля под затвором на границе области стока возрастает настолько, что становится возможным туннелирование электронов из затвора в сток. Кроме того, легированная область стока обедняется электронами и обогащается дырками. Дырки также инжектируются в подзатворный диэлектрик и дают вклад в ток затвора. Туннельные свойства носителей таковы, что ток электронов многократно превышает ток дырок. Однако дырки остаются в окисле и создают в нем объемный положительный заряд. Этот заряд нестабильный, а времена нарастания заряда в окисле и его релаксации многократно превышают времена электрических процессов в схеме. Иными словами, параметры транзисторов меняются во времени, а работоспособность схемы при этом может нарушаться. Борьба с этими эффектами осуществляется путем введения в структуру дополнительных легированных областей с целью снижения напряженности поля под затвором вблизи стока.
Туннельный ток утечки сток - подложка. Для транзисторов с длиной канала менее 0,5 мкм применяют специальные профили легирования подложки с целью уменьшения влияния эффектов короткого канала. В стоковом p–n - переходе создается электрическое поле высокой напряженности. Перепад потенциала в 12 В происходит на расстоянии 1020 нм. При этих условиях возникает туннельная составляющая тока утечки. Оценки показывают, что предельная плотность туннельного тока 1 нА/мкм достигается при напряженности электрического поля в переходе сток - подложка 2106 В/см2.
Квантование энергии носителей в инверсном слое. В МОП - транзисторах с толщиной подзатворного диэлектрика в несколько нанометров электрическое поле локализует носители в инверсном слое толщиной также в несколько нанометров. По законам квантовой механики пространственное квантование элементарных частиц ведет к появлению квантования по энергии, причем самый низкий энергетический уровень для электронов не совпадает с дном зоны проводимости. Симметричная картина реализуется для дырок. Таким образом, квантовые эффекты влияют на поверхностную плотность заряда в инверсном слое (рис. 1.10). Эти эффекты препятствуют приближению электронов к границе окисел - кремний. Эффективная толщина окисла при электрических измерениях становится больше физической толщины
, (1.23)
где Тэф и Тфиз – эффективная и физическая толщины окисла, ок, Si – диэлектрические проницаемости окисла и кремния, Z – смещение пика концентрации носителей. Величина Z 1 нм сравнима с толщиной подзатворного диэлектрика (25 нм) для МОП - транзистора предельных размеров (Lз 20100 нм).
Соответственно уменьшаются удельная емкость затвора и расчетная крутизна транзистора. Пороговое напряжение при этом возрастает, а ток стока уменьшается.
Рис. 1.10. Распределение концентрации электронов в инверсном слое для классической (кривая 1) и квантовой (кривая 2) моделей