Cтепаненко - Основы микроэлектроники (Основы Микроэлектроники (книга)), страница 5

Кроме того, они способствовали развитию техники радиовещания и телевидения, а впоследствии и компьютерной техники уже для более широкого применения. Было бы, однако, совершенно неправильным отдать полностью приоритет технологии в микроэлектронике, хотя, несомненно, именно в технологии было занято наибольшее количество сотрудников и вложены наибольшие капиталы. На самом деле понимание физических процессов в электронике начиналось с фундаментальных работ прошлого века, выполненных такими известными учеными как Фарадей и Максвелл в области эксперимента и теории электричества и магнетизма; Попов и Маркони по передаче сигналов через эфир; Флеэ1инг, получивший в начале нашего века патент на электронную лампу, и последующего широкого развития связи, радиовещания и телевидения.

Все эти работы подготовили появление новых отраслей промышленности и рынков сбыта для продуктов ее производства. Для понимания и развития работ в области физики твердого тела исключительную роль сыграли исследования Макса Планка, опубликовавшего в 1906 г. квантовую гипотезу, объяснявшую поведение электронов в твердом теле. Для количественного объяснения этого же явления послужило квантово-механическое уравнение Э. Шредингера, которое было им опубликовано в 1926 г.

Таким образом, теоретическое понимание электрических явлений и процессов в полупроводниках предшествовало конкретному применению этих процессов, воплощенных в приборы в виде интегральных схем. 23 ХЛ. Закэмчеаяе 1.5. Заключение Первые этапы развития микроэлектроники были характерны главным образом прогрессом в области технологии ИС. На этих этапах совершенствовались методы изоляции элементов, методы повышения степени интеграции, способы монтажа навесных компонентов и т.п. Что касается схемотехники (т.е. конфигурации схем, подлежащих интеграции), то на первых порах она занмствовалась из арсенала дискретной транзисторной электроники.

Однако вскоре стало ясно, что качественно новой технологической реализации, свойственной ИС, должны соответствовать адекватные схемные решения. Далеко не все схемы, считавшиеся типичными в дискретной транзисторной электронике, оказались приемлемыми в микроэлектронике. И наоборот, многие схемы, которые в дискретной транзисторной электронике считались зэкзотическимиь и не имели широкого распространения, в микроэлектронике оказались приемлемыми и даже оптимальными, Поэтому схемотехника ИС отнюдь не совпадает с обычной транзисторной схемотехникой. В процессе развития микроэлектроники появилось немало специфических элементов ИС, которые не имеют аналогов в транзисторной схемотехнике и не выпускаются в качестве дискретных полупроводниковых приборов (напрнмер, многоэмиттерный транзистор, приборы с зарядовой связью н др.).

Интегральные схемы, в которых используются такие специфические элементы, не могут быть даже промоделированы на дискретных компонентах. Все сказанное говорит о том, что микроэлектроника как область науки и техники ни в коем случае не сводится к технологии ИС. Она интегрирует в себе три равнозначных аспекта: физический, технологический и схемотехнический. Знание этих трех аспектов микроэлектроники позволяет разработчику ИС трезво оценивать как новые варианты элементной базы или схемных решений (е точки зрения их технологической реализации)„так и новые варианты технологических процессов (е точки зрения их пригодности для реализации данных элементов и данных схем).

24 Глава 1. Предмет мвкроелектроввкв Контрольные вопросы 1. Что такое интегральная схема? 2. В чем состоят основные преимущества приборов, выполненных на ИС, по сравнению с приборами, выполненными на дискретных схемах? 3. Поясните смысл понятия «микроэлектроника». 4. Дайте классификацию ИС. 5. Какие сложности возникают при применении полупроводниковых ИС? 6. Что такое совмещенная ИС? 7. Как характеризуется функциональная сложность ИС? 8.

Как характеризуют уровень технологии изготовления ИС? 9. Дайте определение понятия «биполярная ИС». 10. Дайте определение МДП ИС. 11. Что такое гибридная ИС? 12. Каким образом в ИС достигается высокая надежность? 13. Каковы особенности схемотехнических решений в микроэлектронике? 14. Что называют функциональной сложностью ИС? 15. Перечислите три главных аспекта развития микроэлектроники и покажите связь между ними.

16. В чем сущность группового метода производства? 17. Что достигается увеличением размера кристалла и пластины? 18. В чем заключаются недостатки планарной технологии? Полупроводники 2.1. Введение В первом приближении полупроводники выделяют из других веществ по значению удельного электрического сопротивления р.

Считают, что удельное сопротивление металлов менее 10 4 Ом. см, полупроводников — в диапазоне от 10 з до 10э Ом. см, диэлектриков — более 101е Ом см. Такая чисто количественная классификация весьма условна, особенно применительно к полупроводникам и диэлектрикам, между которыми по существу нет принципиальных различий. Что касается полупроводников и металлов, то главное различие между ними заключается в том, что у металлов удельное сопротивление возрастает с ростом температуры, а у полупроводников — падает.

Из числа полупроводников наиболее подходящим для изготовления интегральных схем оказался кремний. Он быстро вытеснил германий. Поэтому ниже в большинстве примеров и иллюстрациях будут использоваться электрофизические параметры кремния. В последнее время все большее количество ИС изготавливается из арсенида галлия.

2.2. Структура полупроводников Площадь современных ИС порядка 10-500 ммз, площади их элементов порядка 10 з — 10 4 ммз, а линейные размеры отдельных электродов доходят до 0,1 мкм. Ясно, что в пределах таких площадей и расстояний исходная полупроводниковая пластина должна быть достаточно однородной и обладать контролируемыми свойствами. Коли же имеются дефекты и неоднородности, то они должны быть локализованы и их должно быть достаточно мало. Тогда в брак уйдет ограниченное количество ИС, которые оказались расположенными на этих дефектных участках.

Поэтому однородности и бездефектности полупроводников в микроэлектронике уделяется весьма большое внимание. 26 Глава 2. Полупроводяякя Кристаллическая решетка. Полупроводники, как правило, — твердые тела с регулярной кристаллической структурой — монокристаллы. Их кристаллическая решетка состоит из множества повторяющихся и примыкающих друг к другу элементарных ячеек той или иной формы и размера. В случае простейшей кубической решетки (Ое, 5(аС1 и др.) ребро элементарной ячейки — куба — есть постоянная решетки а (0,4-0,6 нм). Кубическая решетка типа алмаза (Я, Ое) состоит из тетраэдров (рис.

2.1); расстояние между смежными ряс. 2л. структура крвстал- атомами около 0,25 нм. лкческой решетки типа Связь атомов в кристаллической алмаза решетке кремния и ряда других по- лупроводников обусловлена специфическими обменными силами, возникающими в результате по- парного объединения валентных электронов у смежных атомов. Такая связь (при которой каждый из атомов остается нейтральным) называется ковалентной или просто валентной. Регулярность (периодичность) структуры кристалла приводит к зависимости его свойств от направления в кристалличе- « ской решетке — к анизотропии. Оценивать направление, т.е. «ориентироваться» в кристаллической решетке принято с помощью кристаллографических плоскостей.

Эти плоскости обозначают трехзначными индексами Миллера. Для обозначения индексы Миллера заключают в круглые скобки: (111), (100) и т.п. Происхождение индексов Миллера показано на рнс. 2.2, а применнтельно к простейшей кубической решетке. Отрезки, отсекаемые данной плоскостью на осях координат, нзмеряют в единицах постоянной решетки: х = 1а, и = та, г = па, где й т, п — целые числа. Затем обратные величины й, т ', и приводят к общему наименьшему знаменателю н знаменатель отбрасывают; тогда числителя образуют нндексы Миллера для данной плоскости. Заметим„что каждой кристаллографической плоскости свойственна своя плотность атомов на единицу площади. Например, если «посмотреть» на кристалл с кубической решеткой перпендикулярно плоскостям (100), (110) и (111), то расположение атомов в поле зрения будет таким, как показано на 2.2.

Структура полупроводников б) Рне. 2.2. Крноталлографические плоскости: а — происхозкдение индексов Миллера; б — расположение атомов в крнсталлографичееких плоскостях рис. 2.2, б (для ясности узловые атомы пронумерованы). Наибольшая плотность атомов соответствует плоскости (111), наименьшая — плоскости (100). У кремния плоскость (111) является плоскостью слайности: по ней, как правило, распространяются трещины и происходит раскалывание кристалла. Для разных кристаллографических плоскостей оказываются разными многие свойства и параметры кристалла: оптические свойства, скорость травления и др. Поэтому пластины для изготовления ИС шлифуют точно по заранее заданной кристаллографической плоскости. Искажения кристаллической решетки.

Структура кристалла никогда не бывает идеальна — ни в объеме, ни тем более на поверхности. Всегда имеются дефекты решетки и дислокации. Дефекты решетки могут иметь вид пустого узла (дефект до Шоттки) или совокупности пустого узла и междуузельного атома (дефект ло Френкелю). Это — дефекты точечного типа (рис. 2.3, а, б). а) Рис.

2.3. Точечные дефекты кристаллической решетки: о — дефект по Шоттки; б — дефект по Френкелю; в — примеоиые дефекты Глава 2. Полуироволннкн 28 Любой реальный полупроводник содержит примеси — либо паразитные, от которых не удается избавиться при очистке, либо полезные, которые вводятся специально для получения нужных свойств кристалла. Каждый примесный (т.е. чужеродный) атом равносилен точечному дефекту решетки.