БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ФАКУЛЬТЕТ РАДИОФИЗИКИ И ЭЛЕКТРОНИКИ

Кафедра физической электроники

А. А. Лабуда, Н. Н. Никифоренко

ФИЗИЧЕСКАЯ

МИКРОЭЛЕКТРОНИКА

УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ

Для студентов специальности Н.02.03.00

«Физическая электроника»

МИНСК

БГУ

2001

УДК 621.38(075.8) + 533.9(075.8)

ББК 32.844.1я73 + 22.333я73

Л12

Рецензенты:

доктор физико-математических наук

кандидат физико-математических наук

Научный редактор

член-корреспондент НАН Беларуси,

доктор физико-математических наук

Л12 Физическая микроэлектроника: Учеб. пособие /

, – Мн.: БГУ, 2001. – 132 с.: ил., табл.

Учебное пособие по курсу лекций, читаемых студентам специальности Н.02.03.00 «Физическая электроника». В нем изложены физические закономерности, лежащие в основе функционирования элементов интегральных схем, физические основы планарной технологии микроэлектроники, а также способы оперативного спектрального контроля и управления вакуумно-плазменными технологическими процессами нанесения и травления тонких пленок.

УДК 621.38(075.8) + 533.9(075.8)

ББК 32.844.1я73 + 22.333я73

ã БГУ, 2001

ОГЛАВЛЕНИЕ

ПРЕДИСЛОВИЕ

В основу учебного пособия положен лекционный курс, читаемый для студентов, обучающихся по специальности Н.02.03.00 «Физическая электроника» в Белорусском государственном университете. В нем кратко изложены основные аспекты современной микроэлектроники с позиции физических закономерностей, лежащих в основе технологии производства и функционирования элементов интегральных схем. Поэтому эта книга не является учебником по микроэлектронике в традиционном понимании [1, 2], или узкопрофильным учебным пособием, в котором рассматриваются технологические или схемотехнические вопросы производства изделий микроэлектроники [3 – 7]. В ней мы попытались обратить внимание читателя на задачи и проблемы современной микроэлектроники с позиции физики. Следует отметить, что такой подход к изложению материала частично используется в ряде книг и учебных пособий [8 – 11] и является весьма эффективным, позволяющим обобщенно оценить роль фундаментальных исследований и открытий в этой области и видеть перспективу ее развития. С этих позиций во введении изложена история развития электроники, а в заключении проанализированы физические ограничения миниатюризации и предположительно указаны пути дальнейшего развития микроэлектроники.

Для наглядности структуры содержания и последовательности изложения материала использованы концептуальные диаграммы, идея которых предложена в работе [9].

Изложение фактического материала начинается с сопоставления основных характеристик различных полупроводниковых материалов с соответствующими параметрами интегральных схем, что позволяет оптимальным образом сочетать их при создании приборов с заданными параметрами. Подчеркивается перспективность использования алмаза в качестве широкозонного полупроводника.

Для целостности содержания кратко изложены статические и кинетические закономерности распределения и переноса зарядов в полупроводниковых структурах, физические и математические модели зонной энергетической структуры. Более подробно рассмотрены контактные явления, лежащие в основе функционирования активных и пассивных элементов интегральных схем.

При рассмотрении физических основ технологии в микроэлектронике использован физический принцип классификации отдельных операций [1], согласно которому все множество технологических способов обработки поверхности можно разбить на три группы: нанесение тонких слоев, удаление тонких слоев и модификация проводимости приповерхностного слоя путем диффузии и ионной имплантации. То же можно сказать и о классификации различных способов вакуумно-плазменного травления, соотнося их к одной из двух групп: физическое распыление и плазмохимическое травление.

С позиции физики изложены возможные методы контроля и оперативного управления технологическими процессами и более подробно – широко используемый метод спектрального контроля.

В заключительной части рассмотрены перспективные направления совершенствования технологических процессов, как например, радиационное стимулирование и пути развития микроэлектроники в целом.

Изложенный в пособии материал может быть полезным специалистам, работающим в области микроэлектроники, желающим более углубленно изучить отдельные аспекты этой области.

А. А. Лабуда,

Н. Н. Никифоренко

1. КРАТКАЯ ИСТОРИЯ ЗАРОЖДЕНИЯ

И РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОНИКИ И МИКРОЭЛЕКТРОНИКИ

Современную микроэлектронику можно рассматривать как область науки и техники, в которой на базе интеграции схемотехнических, конструкторских и технологических решений создаются высоконадежные микроминиатюрные электронные схемы и устройства, основными элементами которых являются интегральные микросхемы (ИМС). Дальнейший прогресс в этой стремительно развивающейся области во многом зависит от глубины понимания физических процессов, лежащих в основе функционирования изделий микроэлектроники. Рассмотрение этих вопросов следует отнести к компетенции физической микроэлектроники, которую можно трактовать как область науки, изучающую физические принципы создания и функционирования интегральных микроэлектронных структур.

Таким образом, содержанием данного учебного пособия являются вопросы, связанные с электронной структурой материалов микроэлектроники, их физическими и математическими моделями структур, статистикой распределения и переноса электрических зарядов в реальных полупроводниковых структурах интегральных схем с присущими им естественными и искусственными неоднородностями и с процессами в контактах. Рассматриваются также особенности активных и пассивных элементов в интегральном исполнении, физико-химические аспекты технологии изготовления ИС, критически оценивается состояние и перспективы дальнейшего развития микроэлектроники с учетом физических ограничений и новых возможностей.

Физическая микроэлектроника не является составной частью микроэлектроник, а лишь взглядом на нее с позиции физики. Аналогично можно говорить об инженерной, схемотехнической и других сторонах микроэлектроники.

Теоретической базой зарождения и развития физической микроэлектроники, как и электроники в целом, были фундаментальные открытия Х1Х столетия, касающиеся изучения электронных свойств и переноса зарядов в твердых телах. Так, еще в 1833 г. Фарадей обнаружил отрицательную температурную зависимость электросопротивления у сульфида серебра. Последовавшие затем глобальные открытия, такие, как закон электромагнитной индукции, сформулированный Фарадеем в 1832 г. и теоретически обоснованный Максвеллом в 1864 г. (уравнения Максвелла); открытие термоэлектронной эмиссии Эдисоном в 1864 г. и электрона Томсоном в 1894 г.; создание вакуумного диода Флемингом в 1905 г. и триода Ли-де-Форестом в 1906 г. и, наконец, создание в 1948 г. полупроводникового биполярного транзистора Шокли, Бардиным и Брейтоном, получившими за это открытие в 1956 г. Нобелевскую премию, обусловили зарождение и доминирование сначала электровакуумной электроники (1900 – 1950 гг.), а затем с 1948 г. полупроводниковой электроники на дискретных элементах.

Переход от дискретной полупроводниковой электроники к интегральной микроэлектроники был менее продолжительным и длился всего 10 лет с 1948 по 1958 г. Основным стимулом появления в 1958 г. первых прототипов микроэлектронных изделий был нарастающий кризис в дискретной электронике, известный в литературе как «проблема межсоединений».

Увеличение объема обрабатываемой информации повлекло за собой увеличение числа элементов схемы, а следовательно и габаритов электронной аппаратуры, что неизбежно привело к снижению надежности ее функционирования, а заодно и быстродействия. Попытка первого этапа миниатюризации путем уменьшения габаритов дискретных элементов, применение печатного монтажа и некоторые другие приемы проблемы не решили. Огромное количество контактов и ручной способ их осуществления создали непреодолимую проблему на пути дальнейшего развития.

Преодоление этих трудностей виделось в дальнейшем уменьшении линейных размеров элементов и, что главное, переходе на новую технологию их изготовления. Выход был найден в создании так называемой планарной технологии при групповом способе изготовления как отдельных элементов, так и соединений их между собой в готовую интегральную микросхему. Так, в тонком приповерхностном слое (несколько микрон) полупроводникового кристалла (Ge, Si, GaAs) с использованием таких технологических операций, как эпитаксия, фотолитография, диффузия, нанесение и размерное травление тонких полупроводниковых, проводящих и диэлектрических слоев при высокой степени автоматизации, одновременно изготовляется сотни и тысячи активных и пассивных элементов и соединений между ними, что в итоге представляет собой множество однотипных интегральных микросхем.

Совершенствование технологии изготовления интегральных схем продолжается непрерывно, и только углубленное представление о протекающих в них физических процессах обеспечит, на наш взгляд, успешное продвижение в этом направлении. В этом состоит основная задача физической микроэлектроники.

Следует однако отметить, что полупроводниковая микроэлектроника с характерным для нее постоянным возрастанием степени интеграции и неизбежной в связи с этим дальнейшей миниатюризации, уже в настоящее время встречает ряд принципиальных ограничений на пути своего развития. Так, например, предельно минимальное значение мощности, способное обеспечить функционирование полупроводникового прибора при 300 оС 1 мкВт, и предельное значение показателя качества 10–14 Дж [1], ограничивают плотность упаковки элементов и быстродействие схемы. Связано это с тем, что в микроэлектронике, как и в дискретной электронике, сохраняется один и тот же принцип функционирования активных элементов: использование статических неоднородностей в твердых телах. В этом отношении дискретный полупроводниковый диод и биполярный транзистор ничем, кроме размеров, не отличаются от таковых в интегральном исполнении, то есть в микросхеме.

Выход видится в переходе на изделия, принцип функционирования которых основан на использовании так называемых динамических неоднородностей, где линейные размеры в данном случае не имеют принципиального значения. Таким образом, нынешняя полупроводниковая микроэлектроника сможет совершенствоваться и развиваться по пути функциональной микроэлектроники. Приборы, работающие на динамических неоднородностях, разрабатываются уже сейчас. Это системы памяти на приборах зарядовой связи (ПЗС), линии задержки на поверхностных акустических волнах (ПАВ) и другие. Изучение физических принципов функционирования таких электронных систем также является одной из задач физической микроэлектроники.

2. КОНЦЕПТУАЛЬНЫЕ ДИАГРАММЫ

ЭЛЕКТРОНИКИ, МИКРОЭЛЕКТРОНИКИ

И ФИЗИЧЕСКОЙ МИКРОЭЛЕКТРОНИКИ

Четкое представление о содержании отдельных разновидностей современной электроники и микроэлектроники дают концептуальные диаграммы [9], представляющие собой блочную взаимосвязанную структуру проблем, решаемых в данной области. Сравнение этих диаграмм позволяет наглядно представить различие в подходах к изучению по сути одной и той же задачи создания и совершенствования электронных устройств. Ниже представлены концептуальные диаграммы производства изделий полупроводниковой электроники и микроэлектроники, а также физической микроэлектроники, в том числе и физических основ технологии микроэлектроники. Приведенные диаграммы не требуют специальных пояснений и могут рассматриваться как графическое представление (алгоритм) содержания соответствующих дисциплин, позволяющие наглядно сопоставлять сходство и различия между ними.

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