- •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
16. Функциональные приборы и устройства
16.1. Основные определения
Функциональные блоки микроэлектронных устройств обычно представляют собой набор полупроводниковых приборов, соединенных металлическими проводниками. Информация представлена в форме токов и напряжений в проводниках. Основные функции достигаются построением и реализацией соответствующего алгоритма. Такие блоки и устройства называются схемотехническими.
Однако существуют электронные устройства, основные функции которых выполняются за счет свойств используемых материалов. Эти функции связаны с возникновением в твердых телах динамических неоднородностей. Динамическая неоднородность – локальный объем в непрерывной среде с отличными от окружения свойствами. Динамическая неоднородность не имеет внутри себя статических неоднородностей и возникает в результате определенных физических воздействий. При перемещении и взаимодействии динамических неоднородностей может происходить перенос и обработка информации. Приборы и устройства, основанные на процессах управления динамическими неоднородностями в твердых телах, называются функциональными.
Поскольку физические величины по своей природе являются аналоговыми, то в функциональных приборах происходит аналоговая обработка информации. Замечательным свойством функциональных приборов является возможность простой реализации функций высшего порядка. К функциям высшего порядка можно отнести преобразование Фурье, операции сверки, корреляции, фильтрации, задержки сигналов и др. Для замены таких устройств цифровыми вычислителями потребуется производительность до 1015 операций в секунду, что невозможно реализовать технически и бессмысленно с точки зрения экономики.
Типовая конструкция функционального прибора включает твердотельный элемент (активную среду), в котором формируются динамические неоднородности, а также генератор неоднородностей, устройство управления, детектор неоднородностей.
В функциональных приборах основные функции определяются формулами, описывающими физические процессы в твердых телах.
В сложных системах используются как функциональные, так и схемотехнические приборы и устройства. Номенклатура и возможности функциональных устройств постоянно расширяются. В зависимости от того, какие физические процессы в твердых телах используются для управления и преобразования информации, выделяются и основные направления функциональной электроники:
-
оптоэлектроника;
-
акустоэлектроника;
-
магнитоэлектроника;
-
микромеханика;
-
сверхпроводниковая электроника и др.
Номенклатура функциональных приборов очень велика. Ниже мы рассмотрим некоторые распространенные функциональные приборы и устройства на их основе.
16.2. Оптоэлектронные приборы
Оптические свойства полупроводников. По своим оптическим свойствам все полупроводниковые материалы подразделяются на два класса. В полупроводниках первого класса энергетические экстремумы в валентной зоне и зоне проводимости совпадают в пространстве квазиимпульса. В этих полупроводниках преобладает прямая оптическая рекомбинация электронов и дырок с излучением фотонов, а время жизни неосновных носителей сравнительно мало (10-610-7 с). К этому классу относятся арсенид галлия и многие другие соединения группы А3В5. В полупроводниках второго класса энергетические экстремумы не совпадают в пространстве квазиимпульса. Рекомбинация неосновных носителей требует передачи разности квазиимпульса третьему квантовому объекту – электрону или фонону. Вместе с квазиимпульсом передается и энергия, а фотоны появляются крайне редко. Время жизни неосновных носителей во много раз больше (10-210-4 с). К этому классу относятся кремний и германий. Полупроводники первого класса преимущественно используются для светоизлучающих приборов, а полупроводники второго класса – для светочувствительных приборов.
Светодиод. При протекании тока через любой p–n - переход в полупроводнике первого класса происходит спонтанная излучательная рекомбинация электронов и дырок. Энергия фотонов и соответствующая длина волны излучения определяются шириной запрещенной зоны полупроводника. Так, светодиоды на основе арсенида галлия излучают красный свет. Излучение происходит изотропно и некогерентно. В конструкции светодиода кроме полупроводникового кристалла присутствуют отражатель света и линза – коллиматор, концентрирующие излучение в заданном направлении. Недостаток светодиодов – относительно низкий коэффициент преобразования энергии. Основное достоинство – большой динамический диапазон излучаемой мощности (от единиц микроватт до сотен милливатт).
Полупроводниковый лазер. Принцип действия полупроводникового лазера основан на эффекте индуцированного излучения, при котором излучательная рекомбинация стимулируется оптическим излучением той же длины волны, причем вторичное и первичное излучения когерентны. Для того чтобы процесс излучения-рекомбинации самоподдерживался, требуется достаточно высокая концентрация неосновных носителей и их общее число на пути светового луча. Повышение концентрации неосновных носителей в полупроводниковом лазере достигается использованием гетероструктур, в которых совмещенные p–n - переход и гетеропереход создают тонкий слой с меньшей шириной запрещенной зоны. Неосновные носители концентрируются в этом тонком слое. Кристалл лазера имеет продолговатую форму. Излучение направлено параллельно поверхности кристалла вдоль длинной стороны и выходит с грани, образовавшейся при разделении пластины на кристаллы. Противоположная грань кристалла покрывается отражающей пленкой.
Достоинство лазера – высокий коэффициент преобразования энергии и концентрация света в узкий луч. Недостатки лазера – стоимость выше, чем светодиода, когерентное излучение начинается с порогового тока достаточно большой величины, диапазон интенсивности излучения меньше, чем у светодиода.
Фотодиоды и фототранзисторы. Фотоприемные устройства наиболее эффективно всего реализуются в кремнии. Весь диапазон видимого света и ближний диапазон инфракрасного света хорошо поглощаются в кремнии с образованием электрон-дырочных пар. Диффузионная длина неосновных носителей в кремнии в несколько раз больше глубины проникновения света в полупроводник. Следовательно, если в полупроводнике присутствует p–n - переход, то он собирает большую часть носителей. Один облучаемый светом диод может служить источником электропитания с напряжением 0,60,7 В. Если на диод подать обратное смещение, то он превратится в фотодиод – детектор излучения, ток которого пропорционален освещенности кристалла. В полупроводниковой структуре фотодиоды легко совмещаются с биполярными транзисторами. Если фотодиод включить между коллектором и базой биполярного транзистора параллельно коллекторному p–n - переходу, то ток коллектора будет в ВN раз больше тока фотодиода, где ВN – коэффициент усиления по току биполярного транзистора.
Оптроны и волоконно-оптические линии связи. Оптрон – это устройство передачи электрических сигналов между цепями, не имеющими гальванической связи. Оптрон состоит из светодиода и фотодиода (фототранзистора), наклеенных на тонкое стекло активными поверхностями друг к другу. Ток фотодиода пропорционален току светодиода в очень широких пределах. Коэффициент передачи тока – несколько процентов.
Логичным развитием технологии оптронов стали системы связи на основе оптических волокон. На один торцевой контакт волокна приклеивается полупроводниковый лазер, а на другой - чувствительный фотоприемник. В современных системах удается передать по оптическому волокну световой сигнал на 100 км без его регенерации.
Фотоприемные матрицы. Коэффициент поглощения света в полупроводнике сильно зависит от длины волны. Коротковолновое излучение поглощается вблизи поверхности, а инфракрасное проникает на несколько микрон в подложку. На этом эффекте основано цветоделение в современных матричных фотоприемниках изображения.
Цветной фотоприемник включает несколько p–n - переходов один под другим, образующих стопку включенных последовательно фотодиодов. Обычно используется четыре p–n - перехода для разделения спектральных составляющих: синей, зеленой, красной и инфракрасной (рис. 16.1). Инфракрасная составляющая спектра в формировании изображения не участвует. Фоточувствительные ячейки с размерами порядка 44 мкм2 объединяются в матрицы с числом фоточувствительных элементов (пикселей) до нескольких миллионов. Каждая ячейка содержит усилители фототока и схемы адресации и считывания.