2020-04-12
535
Ю.Ф. Адамов, А.М. Грушевский, С.П. Тимошенков
Современные проблемы проектирования и технологии микроэлектронных систем
Учебное пособие
Проектирование систем на печатных платах на САПР Mentor Graphics
Часть 1
Под ред. д.т.н., проф. С.П. Тимошенкова
 |
УДК 621.284
313
Рецензенты: докт. техн. наук, проф. В.П. Лаврищев
докт. техн. наук, проф. М.Г.Путря
Ю.Ф. Адамов, А. М. Грушевский, С.П. Тимошенков
Современные проблемы проектирования и технологии микроэлектронных систем: Уч. пособие. Проектирование систем на печатных платах на САПР Mentor Graphics Под ред. д.т.н., проф. Тимошенкова С.П., Часть 1 – М.: МИЭТ, 2008. – 327 с.: ил.
ISBN 5-7256-
Настоящее учебное пособие – это попытка обобщить и представить в систематизированном виде накопленный научно-технический опыт в решении современных проблем проектирования и технологии микроэлектронных устройств. Актуальность пособия определена все возрастающей перспективностью САПР компании Mentor Graphics.
В пособии систематизированы основные конструктивно-технологические ограничения при проектировании элементной базы и изделий микросистемной техники в условиях перехода к нанометровым технологиям и при проектировании печатных плат в условиях реализации высокоплотного поверхностного монтажа многовыводных микросхем.
Предназначено для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению 551100 «Проектирование и технология электронных средств», а также для слушателей курсов повышения квалификации и специалистов, занимающихся созданием перспективных высокоинтегрированных изделий современной электронной техники и микроэлектроники.
Выполнено в рамках инновационной образовательной программы МИЭТ «Современное профессиональное образование для российской инновационной системы в области электроники».
МИЭТ, 2008
ОГЛАВЛЕНИЕ
| Введение……………………………………………………………………………………………….…7 |
| 1. Технология микроэлектроники и микроэлектронные полупроводниковые приборы……………………………………………………………………………………………….….8 |
| 1.1. Типовые структуры и характеристики кремниевых биполярных транзисторов…………………………………………………………………………………………...…8 |
| 1.2. Пределы миниатюризации кремниевых биполярных транзисторов……………………………12 |
| 1.3. Типовые структуры и характеристики кремниевых МОП - транзисторов...………………..…13 |
| 1.4. Тиристорный эффект в комплементарных МОП - схемах………………………………………15 |
| 1.5. Ударная ионизация в канале и обусловленный ею ток подложки………………………….…..17 |
| 1.6. Размерные эффекты в МОП - транзисторах………………………………………………….…..18 |
| 1.7. Физические ограничения размеров МОП - транзисторов………………………………….……23 |
| 1.8. Прогноз предельных параметров МОП - транзисторов…………………………………………24 |
| 1.9. Прогноз развития элементной базы микроэлектроники………………………………………...24 |
| 2. Единство интегральной технологии и схемотехники………………………………………….25 |
| 2.1. Интегральная схемотехника – продукт развития технологии…………………………………..25 |
| 2.2. Принципы интегральной схемотехники………………………………………………………….26 |
| 2.3.Правила масштабирования МОП - транзисторов………………………………………………...27 |
| 2.4. Топологическое проектирование масштабируемых микросхем………………………………..30 |
| 2.5. Влияние сложности логических схем на характеристики системы металлизации……………………………………………………………………………………………31 |
| 2.6. Немасштабируемые элементы структуры………………………………………………………..33 |
| 3. Проблемы развития интегральной схемотехники для нанометровых технологий……………………………………………………………………………………………...35 |
| 3.1. Кризис схемотехники нанометровых микросхем………………………………………………..35 |
| 3.2. Пути унификации схемотехнических решений………………………………………………….36 |
| 3.3. Характеризация библиотек транзисторов, логических элементов и простых функциональных блоков……………………………………………………………………………………………………38 |
| 4. Литография………………………………………………………………………………………….43 |
| 4.1. Основные определения…………………………………………………………………………….43 |
| 4.2. Фотолитография – ключевой процесс планарной технологии………………………………….45 |
| 4.3. Электронно-лучевая литография………………………………………………………………….48 |
| 4.4. Резисты – полимеры чувствительные к облучению……………………………………………..50 |
| 5. Эпитаксия полупроводниковых слоев…………………………………………………………...54 |
| 5.1. Основные определения…………………………………………………………………………….54 |
| 5.2. Эпитаксиальное выращивание слоев кремния из парогазовой фазы………………………...…55 |
| 5.3. Молекулярно-лучевая эпитаксия………………………………………………………………….58 |
| 5.4. Развитие эпитаксиальной технологии…………………………………………………………….60 |
| Глава 6. Процессы нанесения диэлектрических покрытий……………………………………..63 |
| 6.1. Назначение диэлектрических слоев и требования к ним………………………………………..63 |
| 6.2. Методы получения диэлектрических покрытий…………………………………………………64 |
| 6.3. Термическое окисление кремния………………………………………………………………….65 |
| 6.4. Осаждение диэлектрических пленок…………………………………………………………...…73 |
| 6.5. Перспективы развития методов осаждения диэлектрических пленок………………………….78 |
| 7. Легирование полупроводников…………………………………………………………………...80 |
| 7.1. Назначение процесса легирования и основные определения…………………………………...80 |
| 7.2. Модели диффузии в твердом теле………………………………………………………………...81 |
| 7.3. Диффузионные процессы легирования…………………………………………………………...87 |
| 8. Ионная имплантация - основной метод легирования полупроводников……………………………………………………………………………………...93 |
| 8.1. Преимущества процесса имплантации…………………………………………………………...93 |
| 8.2. Оборудование для ионного легирования…………………………………………………….…...94 |
| 8.3. Распределение примеси при имплантации……………………………………………………….96 |
| 8.4. Дефекты структуры в полупроводниках при ионном легировании…………………………...102 |
| 8.5. Отжиг дефектов и активация примеси…………………………………………………………..104 |
| 9. Плазмохимическое травлени полупроводников, диэлектриков и металлов…………………………………………………………………………………..…………...108 |
| 9.1. Классификация процессов плазмохимического травления………………………………...….108 |
| 9.2. Особенности плазмохимического травления……………………………………………..…….109 |
| 9.3. Травление кремния и металлов…………………………………………………………………..114 |
| 9.4 Травление двуокиси и нитрида кремния………………………………………………………...118 |
| 9.5 Плазмохимическое травление органических материалов……………………………………....119 |
| 9.6. Производительность и управляемость процессом плазмохимического травления……………………………………………………………………………………...……….120 |
| 10. Металлизированные соединения и омические контакты………………………………….122 |
| 10.1. Требования к металлизации……………………………………………………………….……122 |
| 10.2. Материалы для электрических соединений…………………………………………………...123 |
| 10.3. Омические контакты………………………………………………………………………….....124 |
| 10.4 Оборудование для нанесения металлических пленок………………………………..………..126 |
| 10.5. Методы осаждения металлов…………………………………………………………….……..127 |
| 10.6. Интеграция процессов металлизации…………………………………………………….……130 |
| 11. Интеграция технологических процессов в производственный маршрут изготовления микросхем………………………………………………………………………………………...…...135 |
| 11.1. Взаимосвязь технологических процессов…………………………………………………..….135 |
| 11.2. Интеграция приборов в структуре микросхем………………………………………………...136 |
| 11.3. Спецификация производственного маршрута…………………………………………….…...137 |
| 11.4. Принципы построения маршрута……………………………………………………………....138 |
| 11.5. Иерархическое построение маршрута……………………………………………………..…...138 |
| 11.6. Цикличность маршрута………………………………………………………………………....140 |
| 11.7. Управляемость и воспроизводимость……………………………………………………..…...140 |
| 11.8. Элекровакуумная гигиена…………………………………………………………………..…..142 |
| 12. Маршрут производства и физические структуры КМОП-микросхем……………………………………………………………………………………144 |
| 12.1. Применение, достоинства и недостатки КМОП - микросхем…………………………...…...144 |
| 12.2. Требования к структуре КМОП - микросхем………………………………………………….144 |
| 12.3. Физическая структура и маршрут изготовления быстродействующих цифровых микросхем………………………………………………………………………………….146 |
| 12.4. Изоляция приборов………………………………………………………………………….…..148 |
| 12.5. Области истока, стока и контакты к «карманам»………………………………………….….149 |
| 12.6. Подзатворный диэлектрик……………………………………………………………….……..150 |
| 12.7. Затворы субмикронных МОП - транзисторов…………………………………………...…….151 |
| 12.8. Контакты к поликремниевым затворам, истокам и стокам МОП - транзистора……………………………………………………………………………………153 |
| 12.9. Металлизация……………………………………………………………………………….…...155 |
| 13. Физические структуры и технология биполярных микросхем…………………………....157 |
| 13.1. Области применения и особенности технологии биполярных микросхем……………….…157 |
| 13.2. Высокочастотные биполярные транзисторы……………………………………………….….158 |
| 13.3. Высоковольтные биполярные транзисторы……………………………………………….…..161 |
| 13.4. p-n-p - транзисторы для усилителей низкочастотных сигналов…………………………..….163 |
| 13.5. Биполярные транзисторы в КМОП - микросхемах………………………………………..….164 |
| 14. Структуры и процессы формирования пассивных элементов микросхем……………………………………………………………………...………...166 |
| 14.1. Требования к пассивным элементам микросхем и их состав…………………………………………………………………………………………….……..166 |
| 14.2. Интегральные резисторы…………………………………….………………………………….166 |
| 14.3. Интегральные конденсаторы……………...……………………………………………….…...168 |
| 14.4. Интегральные индукторы……………………………………….………………………………170 |
| 14.5. Пассивные элементы на основе волноводов…………………………….…………………….172 |
| 14.6. Варакторы…………………………………………………………………….………………….173 |
| 14.7. Диоды Шоттки…………………………………………………………………...……………....174 |
| 15. Физические структуры микросхем на основе гетеропереходов соединений A3B5 и кремний - германий………………………………………………………………………………….177 |
| 15.1. Свойства гетеропереходов…………………………………………………………….………..177 |
| 15.2. Технология гетероструктурных микросхем…………………………………………….……..178 |
| 15.3. Биполярные транзисторы на подложках арсенида галлия…………………………………...179 |
| 15.4. Полевые транзисторы с высокой подвижностью электронов………………………….…….181 |
| 15.5. Гетероструктурные полевые транзисторы на основе широкозонных полупроводников………………………………………………………………………………...……183 |
| 15.6. Микросхемы на основе гетероструктур кремний - германий…………….………………...184 |
| 16. Функциональные приборы и устройства……………………………………………………..187 |
| 16.1. Основные определения……………………………………………………………………….…187 |
| 16.2. Оптоэлектронные приборы………………………………………………………………….….188 |
| 16.3. Акустоэлектронные приборы……………………………………………………………..…….191 |
| 16.4. Микроэлектронные электромеханические устройства……………………………195 |
| 16.5. Магниточувствительные устройства……………………………………………….242 |
| 17. Процессы сборки и герметизации микросхем……………………………..243 |
| 17.1. Разделение пластин на кристаллы………………………………………………….243 |
| 17.2. Корпуса для интегральных микросхем…………………………………………….249 |
| 17.3. Монтаж кристаллов в корпуса……………………………………………………...261 17.4. Бескорпусная элементная база……………………………………………………...267 17.5. Многокристальные модули в трехмерном исполнении…………………………..275 17.6. Герметизация микросхем …………………………………………………………..280 |
| 17.7. Тенденции и перспективы развития сборочной технологии……………………..283 |
| 18. Многоуровневые коммутационные платы. Конструктивно-технологические ограничения при проектировании…………………………………285 |
| 18.1. Общие сведения о печатных платах. Конструктивные исполнения……………..286 |
| 18.2. Материалы печатных плат………………………………………………………….297 |
| 18.3. Конструктивно-технологические ограничения при проектировании…………....299 |
| 18.4. Изготовление фотошаблонов печатных плат……………………………………...304 |
| 18.5. Перспективы проектирования для техники поверхностного монтажа…………..308 |
19. Сборка электронных устройств на печатных платах …………………......319
| 19.1. Методы выполнения электрических соединений…………………………………320 |
| 19.2. Технология создания микросварных соединений………………………………..321 |
| 19.3. Особенности микромонтажа бескорпусных микросхем………………………....330 |
| 19.4. Технология создания микроконтактов методами пайки………………………...337 |
| 19.5. Конструктивные варианты монтажа на печатной плате…………………………363 Заключение……………………………………………………………………………...367 Литература……………………………………………………………………………...368 |
Введение
Настоящее учебное пособие направлено на подготовку высококвалифицированных специалистов в области проектирования систем на печатных платах интегрированно с маршрутом проектирования ПЛИС на основе инструментальных возможностей программных модулей САПР компании Mentor Graphics. При этом в пособии комплексно как единое целое рассмотрены современные проблемы схемотехнических решений, проектирования и технологии как элементной базы, так и систем на печатных платах при создании электронных средств.
Учебное пособие подготовлено на основе инновационных курсов, читаемых в МИЭТ на базе вновь организованного Центра проектирования Mentor Graphics –МИЭТ.
Диапазон средств, предлагаемых Mentor Graphics, охватывает все основные этапы проектирования и верификации интегральных схем, печатных плат и систем – от концептуального уровня до подготовки производства изделий. Направлениями, в которых Mentor Graphics занимает доминирующее положение на мировом рынке, являются проектирование систем на печатных платах (включая проектирование ПЛИС); проектирование и функциональная верификация систем на кристалле (включая встроенное программное обеспечение); физическая верификация топологии СБИС в субмикронном диапазоне и методы повышения разрешающей способности и выхода годных; тестирование и диагностика; проектирование кабельных соединений. Положительными качествами средств проектирования Mentor Graphics являются поддержка всех без исключения пакетов на платформе PC (Windows или Linux), поставка специальных утилит для выпуска документации в соответствии с отечественными стандартами, высокий уровень локальной и корпоративной технической поддержки пользователей.
Данное пособие включает три тематических раздела по изучению конструктивно-технологических ограничений для обеспечения проектирования современных высокоинтегрированных электронных средств: полупроводниковая элементная база в условиях нанотехнологии, печатные платы в условиях многоуровневых коммутационных структур и электронные устройства в условиях высокоплотного поверхностного монтажа.
При рассмотрении проектно-технологических проблем элементной базы подробно рассмотрены пути миниатюризации, физические ограничения и прогноз предельных параметров кремниевых структур на основе гетеропереходов соединений A3B5 и кремний - германий. Раскрыты вопросы масштабирования как базового принципа проектирования. Отдельно рассмотрены проблемы развития интегральной схемотехники для нанометровых технологий.
Исследованы конструктивно-технологические особенности при проектировании функциональных приборов и изделий микросистемной техники.
С учетом того факта, что печатные платы остаются основным конструктивным носителем и средством межсоединения микроэлектронных компонентов, подробно изучены конструктивно-технологические ограничения при проектировании многоуровневых коммутационных структур на их основе.
Отдельно проанализированы перспективы проектирования печатных плат для техники поверхностного монтажа.
Изучены пути развития перспективы технологии сборочно-монтажного производства в условиях проектирования высокоинтегрированных электронных средств.
Технология микроэлектроники и микроэлектронные полупроводниковые приборы
