Технология микроэлектроники и микроэлектронные полупроводниковые приборы

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