2.1. Концептуальная диаграмма полупроводниковой электроники

2.2. Концептуальная диаграмма микроэлектроники

2.3. Концептуальная диаграмма физической микроэлектроники

2.4. Концептуальная диаграмма физических основ

технологии микроэлектроники

Анализируя приведенные концептуальные диаграммы, следует подчеркнуть, что все они отражают одну из сторон соответствующей области электроники. Так, например, концептуальная диаграмма полупроводниковой электроники по существу представляет собой алгоритм промышленной полупроводниковой электроники на дискретных элементах.

Отличительной чертой концептуальной диаграммы физической микроэлектроники является то, что она акцентирует внимание на тех физических закономерностях, которые лежат в основе функционирования изделий микроэлектроники, без понимания которых немыслим прогресс в этой области.

Аналогично можно построить концептуальные диаграммы и для других разновидностей электроники: оптоэлектроники, акустоэлектроники и функциональной электроники в целом.

3. ФИЗИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ И ПРОЦЕССЫ,

ЛЕЖАЩИЕ В ОСНОВЕ РАБОТЫ ИЗДЕЛИЙ МИКРОЭЛЕКТРОНИКИ

3.1. Материалы микроэлектроники;

связь между свойствами материалов

и параметрами интегральных схем

Основными факторами, определяющими прогресс в развитии микроэлектроники, являются: качество исходных материалов, уровень технологии производства и квалификация специалистов. Все три перечисленные фактора находятся в тесной взаимосвязи между собой, и ни один из них не может быть доминирующим без учета остальных.

Рассмотрим первый из них: материалы микроэлектроники. Для изготовления активных и пассивных элементов интегральных схем используется широкая гамма материалов: полупроводников, диэлектриков и металлов, насчитывающая десятки наименований. Среди них простые и сложные полупроводники в виде монокристаллических пластин, а также в аморфном и поликристаллическом состоянии с заданной степенью легирования; диэлектрические соединения, металлы и их сплавы, светочувствительные фоторезисты, жидкие и газообразные среды и др. Между полупроводниками, металлами и диэлектриками не существует резких границ по электропроводности. Величина перекрытия по этому параметру зависит от степени легирования полупроводника.

По механизму электропроводности нет принципиальной разницы между полупроводниками и диэлектриками.

От металлов полупроводники отличаются противоположной зависимостью электропроводности от температуры: для полупроводников она увеличивается с ростом температуры, а для металлов уменьшается.

3.2. Полупроводниковые материалы

С позиции физической природы электропроводности у полупроводников существует два отличительных фактора:

1) подвижные носители заряда в полупроводниках при любой отличной от нуля температуре существуют в двух видах, различных по знаку заряда – электроны (n) и дырки (p);

2) возможность изменения величины и вида проводимости полупроводников путем введения в них примесных атомов является наиболее характерным свойством этих материалов, лежащих в основе работы любых микроэлектронных устройств.

Полупроводники являются базисным, т. е. основным материалом современной микроэлектроники. Основные элементы полупроводников расположены в III – V группах таблицы Менделеева (табл. 3.1).

Таблица 3.1

Исторически первым широко используемым полупроводниковым материалом был германий. Его существование было предсказано Менделеевым и названо экасилицием. Открыт германий был Винклером в 1886 г. На базе Германия был создан ряд дискретных приборов, включая диоды, точечные и сплавные транзисторы. Однако вскоре германий был вытеснен кремнием, обладающим таким важным свойством, как возможность образования на его поверхности тонкого, прочного и влагостойкого слоя двуокиси кремния (SiO2), используемой в качестве защитного покрытия в процессе локальной диффузии, подзатворного диэлектрика и изоляции схемных элементов ИС. Кремний был открыт Берцелиусом в 1824 г. и является одним из самых распространенных элементов в природе (25 %). Распространенность Германия гораздо меньшая, всего 2,104 %, и в природе он встречается в виде GeO2.

Кремний обладает рядом преимуществ по сравнению с германием. Он имеет большую ширину запрещенной зоны (1,12 эВ против 0,7 эВ у Ge), что повышает рабочую температуру изделий до 14О оС. У кремниевых р–n-переходов меньшие обратные токи, что уменьшает паразитную связь между элементами и позволяет создавать ИС с меньшим уровнем рабочих токов (меньше 1 мкА). Кремниевые МОП транзисторы имеют более высокое пороговое напряжение, что обеспечивает большую помехоустойчивость логических схем. Кремний обладает меньшей диэлектрической проницаемостью (12),что снижает барьерную емкость переходов и увеличивает быстродействие ИС. Наконец, кремний как полупроводниковый материал более технологичен, в частности, при создании диэлектрических пленок SiO2 и Si3N4 с хорошей адгезией к кремниевым пластинам. Эти диэлектрические слои используются, как отмечалось выше, в качестве подзатворного диэлектрика, маски при локальной диффузии, при защите и планаризации поверхности, в качестве диэлектрика пленочных конденсаторов. Перечисленные выше преимущества обеспечивают кремнию в настоящее время лидирующее положение в современной микроэлектронике.

Наряду с простыми полупроводниками (Ge и Si), широко используются сложные, типа AIIIBV (GaAs) и др. Арсенид галлия находит применение при создании быстродействующих ИС, а также туннельных диодов, фотодиодов, генераторов Ганна, полупроводниковых лазеров. Однако технология изготовления ИС на базе GaAs более сложна. Не следует также забывать о токсичности мышьяка, образующего в соединении с водородом сильное отравляющее вещество арсин (AsH3).

Потенциально в качестве самого перспективного полупроводникового материала следует считать алмаз. Его большая ширина запрещенной зоны (5,5 эВ), фантастическая теплопроводность (на порядок выше, чем у кремния), прозрачность в видимой и ИК области, инертность к внешним воздействиям делает его наиболее перспективным полупроводниковым материалом. Однако высокая стоимость природных алмазов, сложность технологии получения искусственных алмазов для целей микроэлектроники вынуждают считать алмаз полупроводниковым материалом будущего.

Для оптимального выбора полупроводникового материала при изготовлении ИС необходимо сопоставить его основные свойства с параметрами ИС, изготовленной на его основе. Такое сопоставление представлено в табл. 3.2, где перечислены основные характеристики полупроводниковых материалов и параметры современных ИС, изготовленных на их основе.

Таблица 3.2

Сравнительные характеристики полупроводниковых материалов и параметров интегральных схем

Таким образом, приведенные в табл. 3.2 сравнительные данные наглядно демонстрируют преимущества кремния по сравнению с германием, арсенида галлия по сравнению с кремнием и особую перспективность алмаза как полупроводника. Таблица позволяет также выбирать оптимальный полупроводниковый материал при создании ИС определенного назначения.

3.3. Диэлектрические материалы

В планарной технологии микроэлектроники, кроме полупроводниковых материалов, широко используются диэлектрики в виде тонких защитных и изолирующих слоев. Это, в первую очередь, диоксид кремния (SiO2), затем стехиометрический нитрид кремния (Si3N4) и просто нитрид кремния (SiN), поликристаллический и аморфный кремний и другие однокомпонентные и многокомпонентные диэлектрические слои.

Требования к диэлектрическим материалам, используемым в технологии микроэлектроники, определяются их функциональной ролью. Так, подзатворный диэлектрик должен обладать высокой электрической прочностью и малыми зарядовыми состояниями. В интегральных конденсаторах большой емкости изолирующая прослойка между обкладками должна обладать большим значением диэлектрической постоянной. Защитная маска при локальной диффузии должна быть непроницаемой для основных диффузантов. Фоторезист должен быть химически стойким к травителям и т. д. Кроме всего прочего, диэлектрик должен обладать технологичностью нанесения и удаления, хорошей адгезией к подложке и рядом других свойств.

Одним из важных параметров диэлектрических слоев является электросопротивление. Применительно к тонкопленочным диэлектрикам можно говорить об удельном поверхностном сопротивлении, которое понимается как сопротивление квадрата, мысленно выделенного на поверхности материала, если ток проходит через противоположные стороны этого квадрата.

В общем случае при измерении электросопротивления тонких слоев диэлектриков следует учитывать как поверхностное (Rп), так и объемное (Rо) сопротивление, с учетом которого суммарное сопротивление RS будет равно

RS = Ro.Rп / (Ro+Rп), (3.1)

что видно из приведенной эквивалентной схемы (рис. 3.1).

Рис. 3.1

Рассмотрим вкратце основные свойства и области использования диэлектрических материалов – окисла (SiO2) и нитрида (Si3N4) кремния.

Окисел кремния можно получать термическим, пиролитическим и вакуумно-плазменными методами [3]. Термическое окисление поверхности кремниевых пластин в среде кислорода является наиболее простым и экономичным способом получения. Попутно отметим, что чистая поверхность монокристаллического кремния в атмосфере воздуха уже при комнатной температуре самопроизвольно покрывается тонким слоем SiO2 толщиной в 2 – 5 нм.

Пленки окисла кремния, как отмечалось выше, используются в качестве подзатворного диэлектрика, маскирующего слоя в процессе локальной диффузии или ионной имплантации полупроводников, изолирующей пленки между многоуровневой металлизацией, барьера от автодиффузии в процессе термообработки, пассивирующего покрытия на поверхности сформированных схем и в ряде других случаев. При легировании бором, фосфором или мышьяком окисел кремния используется в качестве диффузионного источника. После легирования бором и фосфором, окисел кремния, именуемый как боро-, фосфоро- или борофосфоросиликатное стекло (БСС, ФСС и БФСС соответственно), применяется для планаризации рельефа поверхности интегральных схем при многоуровневой металлизации. Диэлектрические, прочностные и другие свойства окисла кремния зависят от способа его получения.

Диэлектрические слои нитрида кремния (Si3N4) также получили широкое применение в микроэлектронике, благодаря освоению низкотемпературной плазменной технологии его получения. По ряду параметров Si3N4 превосходит SiO2.

В микроэлектронике нитрид кремния применяется в качестве барьера от диффузии примесных щелочных металлов; он почти непроницаем для влаги и обладает низкой скоростью окисления. Стехиометрический нитрид кремния (Si3N4) используется как защитная маска при травлении окисла, и в качестве подзатворного диэлектрика в МОП-структурах совместно с диоксидом кремния. Плазмохимический нитрид кремния (SiN) используется в качестве пассивирующего слоя, а также как защитный слой от механических повреждений.

Из за большого объема этот материал размещен на нескольких страницах: 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12