Автор: Гусев В.А.  

Теги: электротехника   электроника  

ISBN: 966-7473-70-8

Год: 2004

Текст
                    



Министерство образования и науки Украины Севастопольский национальный технический университет В.А. Гусев oc~~,Vo TBEPДOTr:t ~9/:, ОНИКИ . ~/i l/J( ~ ~~ / :и~j!:~вом~;:~~:о ян науки Украины в качестве учебн го п собия G . 1 для сту де нто в высших уч н направления «Электр Севастополь 2004 х заведений ика>>
2 32.85 ББК Г96 621.382 УДК Рецензенты: А. В. Борисов, кандидат технических наук, профессор кафедры «Микроэлектро­ ника» национального технического университете Украины- «Киевский политехнический институт»; - И.М. Викулин, доктор физика математических наук, профессор, заведующий кафедрой физики оптической связи Одесской национальной Академии связи. Гус€в В.О. Г96 Основи твердотiльно! електронiки: Навч. посiб. Видавництво СевНТУ, 2004-635 1 В.О. Гусев. Гусев В.А. Г96 Основы твердотельной электроники: Учеб. пособие 2004- 635 . ISBN 966-7473-70-8 с.: ил . Изд-во СевНТУ, - Севастополь: - Севастополь: с.: ил. 1 В.А. Гусев. Гриф учебного пособия присвоен решением Министерства образования и науки Украины ,t{~J4/J8.2-736 ОТ 13.04.04. В навчальному посiбнику розглянутi фiзика процесiв в напiвпровiдникових пристроях базових логiчних цифрових iнтегральних схемах; конструктивно-технологiчнi основи проектування i виготовлення елементiв i пристроi'в твердотiльно! електронiки, включаючи технологiю монолiтних, гiбридних iнтегральних схем галузi застосування активних приборiв i iнтегральних i поверхоного монтажу; основнi схем. Для студентiв i аспiрантiв вищих нанчальних закладiв за напрямом «Електронiка>>, а також може бути корисний широкому колу фахiвцiв у галузi твердотiльноi' електронiки. В учебном приборах и пособии базовых технологические рассмотрены логических основы физические цифровых проектирования и процессы интегральных изготовления в полупроводниковых схемах; конструктивно­ элементов и устройств твердотельной.электроники, включая технологию монолитных, гибридных интегральных схем и поверхностного монтажа; основные области применения активных приборов и интегральных схем. Для студентов и аспирантов высших учебных заведений по направлению «Электроника», а также может быть полезно широкому кругу специалистов в области твердотельной электроники. ББК ISBN 966-7473-70-8 ©Издательство СевНТУ, 32.85 2004
3 Содержание ~ые обозначения .................................................................................... .9 J1,..-e.IИC.lOBИe .........•...•....................•...........••.............•..•.................•...........•... Г.:uва _ :. . ! ...3. 2.2. Приборы твердотельной электроники- элементная база микроэлектроники ............................... ............................................ 12 Основные этапы развития твердотельной электроники ...................................... 12 К..1ассификация элементов твердотельной электроники по физическим процессам и явлениям ................................................................... 16 18 \.3.1. Термины и определения ...................................................................... 18 1.3.2. Конструктивно- технологические типы интегральных схем ....................... 20 Основные цели и содержание микроэлектроники ............................................. Г.1ава : :. 1. 11 2. Технологические основы твердотельной электроники и микроэлектроники .................................................. ..... 25 Базовые операции технологического процесса изготовления твердотельных приборов и интегральных схем (ИС) ............................................. 25 2.1.1. Эпитаксия монокристаллических слоев ................................................... 26 2.1.2. Окисление кремния ............................................................................. 28 2.1.3. Литография ...................................................................................... 31 2.1.4. Легирование полупроводников .................................. : .......................... 38. 2.1.4.1. Диффузия примесей .................................................................. 39 2.1.4.2. Ионная имплантация примесей .................................................... 41 2.1.4.3. Нейтронное легирование кремния ................................................ 43 2.1.5. Травление ....................................................................................... 44 2.1.6. Нанесение тонких пленок .................................................................... 46 2.1.7. Методы электрической изоляции элементов полупроводниковых ИС. ............ 49 2.1.8. Материалы для межсоединений ............................................................. 55 2.1.9. Технологический маршрут изготовления монолитных интегральных схем .................................................................................................. 57 Технологические основы производства гибридных интегральных схем (ГИС) ................................................................................................... 2.2.1. 2.2.2. 2.2.3. Типовые схемы технологических процессов изготовления ГИС ................................................................................................... Особенности технологии толстопленочных ГИС ........................................ Технологические особенности изготовления многослойных 59 63 66 ....................................... 68 Сборка и герметизация ГИС ................................................................ 71 2.3. Основы технологии поверхностного монтажа ................................................. 77 2.3 .1. Элементная база для поверхностного монтажа электронных компонентов ...................................................................................... 78 2.3.2. Коммутационные платы ..................................................................... 84 2.3.3. Физические характеристики и выбор материалов коммутационных плат ............................................................................................ 88 2.3.4. Аддитивная и субтрактивная технологии изготовления коммут~ционных плат ....................................................................... 95 2.2.4. 2.2.5. керамических подложек ............................................................ ·......... 58 Особенности технологии тонкопленочных ГИС
4 2.3.5. 2.3.6. Глава 3. Варианты выполнения поверхностного монтажа ....................................... 97 104 2.3.6.1. Пайка волной припоя .............................................................. 104 2.3.6.2. Пайка двойной волной припоя .................................................. 105 2.3.6.3. Пайкарасплавлением дозированного припоя в парегазовой фазе .................................................................................... 106 2.3.6.4. Пайкарасплавлением дозированного припоя с инфракрасным и конвекционным нагревом ................................. 108 2.3.6.5. Другие методы пайки .............................................................. 110 Пайка электронных компонентов ......................................................... Элементы физики полупроводников .................................................. 112 3 .1. Классификация материалов твердотельной электроники ................................... 112 3.2. Элементы зонной теории твердого тела ........................................................ 113 3.3. Генерация и рекомбинация носителей заряда ................................................ 114 3.4. Равновесная концентрация носителей заряда в полупроводнике ......................... 119 3.5. Собственный и примесный полупроводники .................................................. 121 3.6. Время жизни неравновесных носителей заряда ............................................... 125 3.7. Токи в полупроводниках ........................................................................... 126 3.8. Эффекты сильных электрических полей ........................................................ 132 3.9. Оптические и фотоэлектрические свойства ................................................... 135 3.10. Элементы физики поверхности полупроводников .......................................... 144 3.10.1. Поверхностные уровни, поверхностная рекомбинация ............................ 144 3.1 0.2. Концентрация носителей и область пространствеиного заряда на поверхности ...................................................................... 147 3.11. Фундаментальные уравнения физики полупроводников .................................. 151 Контакт металл- полупроводник ...................................................... 154 Термеэлектронная эмиссия, термодинамическая работа выхода ......................... 154 Глава 4.1. 4.2. 4.3. 4. Система металл -вакуум- полупроводник, контактная разность потенциалов .................................................................................................... 157 Запорный (барьер Шоттки) и антизапорный контакты металл-полупроводник (МП) ..................................................................... 4.4. 4.5. Предельные случаи контакта МП ................................................................ 4.6. Барьер Шоттки внеравновесных условиях .................................................... Распределение объемного заряда, концентрации носителей, поля и потенциала в барьере Шоттки ........................................................... 15& 161 162 163 4.6.1. Прямое смещение ............................................................................ 164 4.6.2. Обратное смещение ........................................................................ 166 4. 7. Вольтамперная характеристика барьера Шоттки ............................................. 167 4.7.1. Диффузионная теория выпрямления ..................................................... 167 4.7.2. Диодная теория выпрямления ............................................................ 170 4.7.3. Сравнение диффузионной и диодной моделей ........................................ 171 4.7.4. Температурная зависимость параметров ВАХ запорного контакта .............................................................................................. 171 4.8. Реальный контакт металл- полупроводник ........................... : ....................... 173 4.9. Емкость запорного контакта металл- полупроводник ...................................... 1}5 4.1 О. Эквивалентная схема барьера Шоттки на персменном сигнале ......................... 177 4.11. Омический контакт ................................................................................ 178 4.12. Применение барьера Шоттки в электронике................................................. 179
5 Глава 5.1. 5.2. 5.3. 5. P-n переход .................................................................................... 181 p-n переходов ............................................................... 181 p-n перехода, контактная разность потенциалов ............................ 182 Методы получения Образование Распределение заряда, концентрации носителей, поля и потенциала в p-n переходе ............................................................................................. 186 5.3.1. Ступенчатый p-n переход ................................................. : ................ 186 5.3.2. Плавный p-n переход ........................................................................ 188 5.4. P-n переходвнеравновесных условиях ......................................................... 190 5.4.1. Прямое смещение ........................................................................... 190 5.4.2. Обратное смещение ......................................................................... 193 5.5. Диодная теория выпрямления по Шокли ...................................................... 195 5.6. Р-i-п переход .......................................................................................... 202 5.7. Токи рекомбинации- генерации в p-n переходе ............................................. 204 5.7.1. Токи рекомбинации- генерации в объеме пространствеиного заряда .................................................................................... 204 5.7.2. Токи рекомбинации- генерации на поверхности области пространствеиного заряда .................................................................. 207 5.7.3. Токи рекомбинации- генерации на квазинейтральной поверхности .......................................................................................................... 207 5.7.4. Ток поверхностных каналов ............................................................... 208 5.8. P-n переход с ограниченной базой ............................................................... 211 5.9. Р-п переход на больших уровнях инжекции ................................................... 215 5.9.1. Увеличение проводимости базы ......................................................... 215 5.9.2. Диффузионное поле и дрейфовые токи неосновных носителей заряда ................................................................................................... 216 5.9.3. Изменение времени жизни носителей в базе .......................................... 217 5.9.4. Амбиполярные подвижность и коэффициент диффузии, . рассеяние носителей друг на друге .............................................................. 218 5.9.5. Ослабление потенциальной зависимости тока через p-n переход .......................................................................................................... 220 5.9.6. Снижение эффективности несимметричного p-n перехода ........................ 222 5.9.7. Изменение температурной зависимости прямого падения напряжения ............................................................................................. 224 5.10. Суммарный ток p-n перехода ................................................................... 224 5 .11. Реактивные свойства p-n перехода ............................................................ 227 5.11.1. Зарядная емкость p-n перехода ............................................... : ......... 227 5.11.2. Диффузионная емкость p-n перехода ................................................. 227 5.11.3. P-n переход на малом переменнам сигнале .......................................... 230 5.11.4. Индуi<тивность p-n перехода ............................................................ 233 5 .12. Пробой p-n перехода .............................................................................. 235 5.12.1. Тепловой пробой .......................................................................... 235 5.12.2. Лавинный пробой ......................................................................... 239 5.12.3. Туннельный пробой ....................................................................... 245 5.12.4. Инжекционный или токовый пробой .................................................. 247 5.12.5. Влияние конструкции и структурных несовершенств p-n перехода на лавинный пробой ..................................................... 247 5.12.6. Пути повышения пробивнога напряжения p-n перехода ......................... 251 5.13. Гетеропереходы .................................................................................... 258
б Глава 6.1. 6.2. 6. Полупроводниковые диоды .............................................. ·............... 2б2 Выпрямительные диоды ........................................................................... Импульсные диоды ................................................................................. 6.2.1. 6.2.2. Переходвые процессы в диодах с p-n 263 264 переходом ..................................... 2б4 269 6.3. Диоды с накоплением заряда ..................................................................... 273 6.4. Параметрические диоды и варикапы ............................................................ 275 6.5. Стабилитроны ....................................................................................... 280 6.6. Сверхвысокочастотные диоды ................................................................... 284 6.7. Туннельные диоды ................................................................................. 290 6.8. Диоды Ганна .............. о.; .......................................................................... 293 6.9. Лавинно-пролетные диоды ..................................................................... 301 б.10. Инжекционно- пролетные диоды ............................................................. 307 Биполярный транзистор .................................................................. 313 Принцип действия биполярного транзистора ................................................. 314 31 б Глава 7.1. 7 .2. 7.3. 7. Пути повышения быстродействия импульсных диодов ............................. Схемы включения транзистора как усилительного элемента .............................. 7.2.1. 7.2.2. 7.2.3. Схема с общей базой ........................................................................ 31б Схема с общим эмиттером ................................................................. Коэффициент передачи тока биполярного 7.3 .1. 318 318 транзистора .................................... 319 Эмиттервый повторитель .................................................................. Распределение концентрации носителей заряда в структуре :rранзистора ........................................................................................ 319 7.3.2. Диффузионные токи в транзисторе ...................................................... 321 73.3. Коэффициент передачи тока эмиттера .................................................. 323 7.3.4. Коэффициент передачи тока базы ........................................................ 324 7.3.5. Влияние высокого уровня легирования эмиттера на его эффективность ............................................................................................ 325 7.4. Зависимость коэффициента передачи тока от режимов работы ........................... 326 7.4.1. Эффекты малых и больших уровней инжекции в базе транзистора ................................................................................................ 326 7.4.2. Зависимость коэффициента усиления от тока коллектора ........... ··'·........... 335 7.4.3. Зависимость коэффициента усиления от напряжения на коллекторе ....................................................................................................... 337 7.4.4. Зависимость коэффициента усиления от температуры .............................. 338 7.5. Статические характеристики биполярного транзистора .................................... 340 7.5.1. Схема с общей базой ........................................................................ 341 7.5.2. Схема с общим эмиттером ................................................................. 344 7.6. Стационарные режимы j'>аботы транзистора .................................................. 348 7.7. Дрейфовый транзистор и другие разновидности биполярных транзисторов .................................................................................................................... 356 7. 7 .1. Дрейфовый транзистор ..................................................................... 356 7.7.2. P-n-p транзисторы интегральных схем .................................................. 359 7.7.3. Составные транзисторы .................................................................... 361 7.7.4. Лавинный транзистор ....................................................................... 364 7.7.5. Однопереходвый транзистор или двухбазовый диод ................. ; .............. 366 7.8. Частотные свойства биполярного транзистора ................................................ 368 7 .8.1. Работа транзистора на малом переменнам сигнале .................................. 368 7.8.2. Зависимость коэффициента передачи тока эмиттера от частоты .................. 371 7.8.3. Зависимость от частоты коэффициента передачи тока базы ....................... 376
7 7.8.4. 7.8.5. 7.9. Зависимость граничной частоты fт от режимов работы ............................. Особенности структур СВЧ биполярных транзисторов и области применения ...................................................................... Транзистор как элемент схемы ................................................................... 7. 9 .1. 7.9.2. 7.9.3. 7.9.4. 7.9.5. 7.9.6. 7.9.7. 378 381 384 Методы представления транзистора как элемента эл-ектрической схемы ............................................................................................. 384 384 Эквивалентная схема транзистора ....................................................... 388 Модель Эберса- Молла ................................................................... 392 Зарядауправляемая модель ................................................................ 397 Малосигнальная модель транзистора ................................................... 402 Представление транзистора четырехполюсником .................................... Модель биполярного транзистора для систем 406 7.10. Работа транзистора в импульсных схемах ................................................... 412 7.1 0.1. Насыщенный и неиасыщенный транзисторные ключи ............................ 412 7.1 0.2. Переходвые процессы и импульсные характеристики транзистора в схеме ключа ............................................................... 413 7.1 0.3. Расчет импульсных характеристик транзистора .................................... 416 7.1 0.4. Особенности работы импульсного ключа ·с реактивной нагрузкой ..................................................................................... 421 7.1 0.5. Пути повышения быстродействия импульсных транзисторов ................... 423 7.11. Область безопасной работы транзистора и пути её расширения ........................ 426 Глава 8. автоматизированного проектирования ................................. : ................ Приборы на основе p-n-p-n структур .................................................. 433 8.1. Назначение приборов на основе p-n-p-n структур ............................................ 433 8.2. Принцип действия тиристоров ................................................................... 438 8.3. Вольтамперная характеристика тиристора ......................... : .......................... 442 8.4. Статические параметры тиристора .............................................................. 446 8.5. Динамические параметры тиристора ............................................................ 449 8.6. Способы включения тиристора .................................................................. 450 8.7. Способы выключения тиристора ................................................................ 458 8.8. Запираемый тиристор .............................................................................. 463 8.9. Симисторы ...................................... : ..................................................... 467 8.9.1. Режимы включения триака ................................................................ 468 8.9.2. Особенности конструкции симистора ................................................... 469 8.9.3. Примеры применения симисторов ...................................................... 470 8.1 О. Эффекты dl/dt и dU/dt в тиристорах ............................................................. 471 8.10.1. Эффектdi/dt ................................................................................ 472 8.1 0.2. Эффект dU/dt ............................................................................... 473 8.11. Влияние температуры на параметры тиристора ............................................. 474 Глава 9 .1. 9.2. 9. Полевые транзисторы ..................................................................... Классификация и область применения ......................................................... 4 78 p-n переходом ..................................... 480 Структура и принцип действия ........................................................... 480 СтатическиеВАХ полевого транзистора с p-n переходом .......................... 483 Параметры и эквивалентная схема ...................................................... 486 Частотные свойства канального транзистора .......................................... 489 Температурные зависимости параметров канального транзистора ................ 491 Канальный транзистор с управляющим 9.2.1. 9.2.2. 9.2.3. 9.2.4. 9.2.5. 478
8 9.3. 9.4. 9.5. Канальный транзистор с управляющим барьером Шотгки ................................. Полевые транзисторы с изолированным затвором 9.5.1. 9.5.2. 9.5.3. 9.5.4. 9.5.5. 9.5.6. 9.5. 7. 9.5.8. 9.5.9. Структура и принцип действия МДП- транзистора с индуцированным каналом ............................................................... 498 501 Реальная МДП- структура ................................................................ 505 Пороговое напряжение ..................................................................... 509 Выходные и передаточные характеристики МДП-транзистора .................. 510 Крутизна передаточной характеристики ................................................ 514 МДП - транзистор со встроенным каналом ............................................ 516 Работа МДП- транзистора в схеме ключа ............................................. 518 Идеальная МДП- структура .............................................................. Предельные напряжения МДП- транзистора и защита от статического электричества ................................................................ 521 525 Короткоканальные эффекты в МДП- транзисторах ............................... 527 Масштабная миниатюризация МДП- транзисторов ............................... 529 9.5.1 О. 9.5.11. 9.5.12. 9.5.13. 9.6. 492 493 .......................................... 498 Гетераструктурный канальный транзистор с барьером Шотгки .......................... Влияние температуры на параметры МДП- транзистора ........................ Энергонезависимые элементы памяти на основе МДП- структур ................................................................................................. 531 534 Мощные МДП -транзисторы .................... ; ....................................... 534 Интеллектуальные МДП-ключи ............................................................................. 541 Полевые транзисторы со статической индукцией .................................... 544 Биполярный транзистор с изолированным затвором IGBT ........................ 549 Мощные полевые транзисторы .................................................................. 9.6.1. 9.6.2. 9.6.3. 9.6.4. Глава 10.1. 10.2. 10.3. 10. Б.азовые элементы цифровых логических интегральных схем .............. Основные логические элементы булевой алгебры ...... 555 559 Базовые элементы биполярных цифровых логических ИС .............................. 563 10.3.1. Инверторы на биполярных транзисторах ......... 563 10.3.2. Базовый элемент днодно-транзисторной логики ................................. 564 10.3.3. Базовый элемент транзисторно-транзисторной логики ......................... 565 10.3.4. Элементыэмиттерно-связанной логики ЭСЛ ..................................... 573 10.3.5. Интегральная инжекционная логика И 2 Л .................. оо оо оо 580 00 .................................. Основные характеристики и параметры логических элементов ......................... 00 .................................. ••• 10.4. 555 ••••••••••••• .... Базовые элементы цифровых логических ИС на полевых транзисторах ................................................................................................ 10.4.1. 10.4.2. 10.4.3. 10.4.4. 10.4.5. 10.4.6. 592 592 Инвертор на комплементарных МДП- транзисторах ............................. 599 Инвертирующие вентили на МДП- транзисторах ................................. 604 Аналоговые ключи и управляющие вентили ......... 611 Динамические и квазистатические логические ИС ................................. 615 Быстродействующие логические ИС на основе арсенида галлия ............... 624 Инверторы на МДП- транзисторах ................................................... 00 ............................ Предметный указатель ................................................................................... 631 Библиографический список ............................................................................ 633
9 Припятые обозначения В - статический коэффициент передачи тока базы транзистора. В N , В 1 - нормальный и инверсный коэффициент передачи тока базы транзистора Ь -удельная крутизна полевого транзистора С 3 , С 0 - зарядная и диффузионная емкости р~п перехода DE, D 8 , Dc -коэффициенты диффузии неосновных носителей заряда в эмиттере, базе и коллекторе D" , D Р Ее, - коэффициенты диффузии электронов и дырок Е;, Е, -энергетические уровни, соответствующие дну зоны проводимости, Ev, потолку валентной зоны, середине запрещенной зоны и залеганию рекомбинационно F", F Р - генерационных центров - энергия уровней Ферми электронов и дырок j - плотность тока q - заряд электрона 1Е, 1в, 1с - ток эмиттера, базы и коллектора 1сво, 1СЕО - неуправляемые токи в схемах с общей базой и общим эмиттером 1 в кл, 1спР, Iv - токи включения, спрямления и управления в тиристорах 1ПР.УТ, 1ОБР.УТ -токи прямой и обратной утечки тиристора, симистора k - постоянная Больцмана L", LP -диффузионная длина электронов и дырок l п - длина Дебая М - коэффициент лавинного размножения N 0 , N л - концентрация доноров и акцепторов n, р -· концентрация электронов и дырок N с, N v - эффективная концентрация разрешенных состояний в зоне проводимости и валентной зоне Qв, QE, Qc Q 1.. , Qu - -заряд неравновесных носителей в эмиттере, базе и коллекторе. зарядауправляемые переменвые для прямого и инверсного режимов Q 1 , Q 111 , Q;,, Q 0 - R - сопротивление S- площадь Т V и - плотности встроенного заряда, подвижного заряда ионов, заряда на быстрых состояниях, заряда в окисле температура темп рекомбинации напряжение и л, и в - напряжение Эрли для прямого и инверсного режима и u1 - напряжение плоских зон и пог, и с.нлс - пороговое напряжение и напряжение стока насыщения МДП -транзисторов и внsлт, и сЕsлт - напряжение база-эмиттер и коллектор-эмиттер в режиме насыщения и инв - пороговое напряжение инвертора W 1,, Wn, Wc -толщины базы, эмиттера и коллектора
10 Wк, Lк - ширина и длина канала полевого транзистора .fа' .f{3' .fт' .fmax .fs, .f.~ g"' - граничные частоты биполярного транзистора граничные частоты крутизны полевого транзистора -крутизна полевого транзистора r~ - омическое сопротивление базы гЕ, rc - дифференциальное сопротивление эмиттера, коллектора х, у, х z- пространствеиные координаты -глубина металлургического 1 - а p-n перехода коэффициент передачи тока базы {3 - коэффициент переноса базы у эффективность эмиттернога перехода 8 - толщина области пространствеиного заряда - Е - абсолютная диэлектрическая проницаемость вакуума Е" а относитедьная диэлектрическая проницаемость -удельная электропроводность /1 11 , J1" Л ш - подвижность электронов и дырок длина волны циклическая частота 1f1 - электростатический потенциал У 5 -изгиб зон, поверхностный потенциал Т 11 , тР t- vХ Ф Е - время жизни электронов и дырок время скорость - электронное сродство термодинамическая работа выхода - - напряженность электрического поля р -удельное сопротивление, плотность объемного заряда Р- периметр S- площадь И 8 - пробi-шное напряжение R7 - p-n тепловое сопротивление Р- мощность перехода
11 Предисловие Подготовка бакалавров, специалистов и магистров по направлению «Электроника» предусматривает изучение дисциплины «Твердотельная электроника», являющейся профессионально-профилирующим курсом по изучению принципа действия, физическому и математическому моделированию, проектированию, изготовлению и применению активных и пассивных приборов и интегральных схем, работа которых основана на эффектах физики твердого тела. В соответствии классификация с программой элементов этого твердотельной курса в учебном электроники по пособии физическим рассмотрены процессам и явлениям и сформулированы цели и содержание микроэлектроники как основного научно - технitческого направления электроники. Рассмотрены технологические основы изготов­ ления монолитных и гибридных интегральных схем, а также современная элементная база и технология поверхностного монтажа при производстве радиоэлектронных устройств. Основная часть содержания учебного пособия посвящена физике процессов в p-n переходах, биnолярных и nолевых транзисторах, тиристорах и интегральных схемах на их основе. Изложение материала построено по единой схеме, включающей в себя раскрытие физической природы явлений и процессов, происходящих. в приборах, анализ поведения параметров и характеристик в различных режимах эксплуатации, установление основных конструкторско - технологических направлений по повышению эффективности работы полупроводниковых приборов в наиболее широко используемых областях примснения. Основу учебного пособия составили лекционные курсы, читаемые автором в Севастопольском национальном техническом университете для студентов специальностей «Микроэлектроника и полупроводниковые приборьш и «Физическая- и биомедицинская электроника». В конце каждой главы приведсны вопросы, предназначенные для самостоятельной работы студентов, которые могут быть использованы при проведении практических занятий и лабораторных работ. Автор выражает глубокую признательность профессорско-преподавательскому составу кафедры «Электронной техники» СевНТУ, принимавшему участие в обсуждении содержания учебного пособия, а также рецензентам професеарам А. В. Борисову и И. М. Викулину за ценные советы и замечания.
Глава 1. 12 Приборы твердотельной электроники- элементная база микроэлектроники 1.1. Основные этапы развития твердотельной электроники - Твердотельная электроника (ТЭ) как научная дисциплина охватывает широкий круг вопросов по изучению принципа действия, физическому и математическому моделированию, проектированию, изготовлению и применению активных и пассивных приборов интегральных схем, работа которых основана на эффектах физики твердого тела. Условно эра ТЭ отсчитывается с момента появления биполярного транзистора в и 1948 г, изобретенного американскими учеными Дж. Бардином, В. Брэттейном и В. Шокли. Хронология основных этапов развития ТЭ отражена в таблице 1.1. Таблица Год 1938 1947-48 1948 1949 1951 1952 1954 1955 1956 1957 1958 1959 1960 \.\. События Теория выпрямления на контакте металл-полупроводник. В. Шоттки. Изобретение биполярного транзистора. В. Шокли, Дж. Бардин, В. Брэттейн. Голография объектов с помощью когерентных излучений. Денис Гарбор. Теория плоскостного P-N перехода. В. Шокли. Канальный полевой транзистор. В. Шокли. Метод зонной очистки. Пфан. P-N-P-N динистор. В. Шокли. Лазерно-мазерный эффект. Н. Басов, А. Прохоров, Ч. Таунс. Кремниевый тиристор. Дж. Молл. Светодиод на основе GaAs. Р. Браунштейн. Разработка маскирования окислом. Разработка метода фотолитографии. Разработка интегральной микросхемы. Дж. Килби и Р. Нойс. Туннельный диод Эсаки. Разработка кремниевого планарного транзистора и РТЛ схемы. Кремниевый симистар или триак. Лавинно-пролетный диод. А. Тагер, В. Рид. Разработка эпитаксиального транзистора и ДТ Л - схемы. Пьезакерамические полосовые фильтры, резонаторы,трансформаторы. 1961 1962 1963 !964 1965 1966 Твердотельный лазер на рубине. Т. Мейман. Создание ЭСЛ- схемы. Фирма Моторола. Разработка ТСТЛ ИС. Инжекционный лазер на P-N переходе. Р. Холл. Джозефсонавекие переходы (сверхпроводимость). Выпуск ТТЛ ИС фирмой (фирма RCA). Sylvania и исследование МДП транзистора Хофстейном Диод Ганна. Разработка МДП ИС на Р-МДП транзисторах. Аналоговые линии задержки на поверхностных акустических волнах (ПАВ). Динамические МДП ИС. ТТЛИС с транзисторами Шоттки. Полевой канальный транзистор с барьером Шоттки. У. Таруи. 11967 1968 1969 1 Разработка КМОП И С. Гетеролазер. Жорес Алферов. Полосовые дисперсионные фильтры на ПАВ. Приборы с зарядавой связью (ПЗС). В. Бойл, Дж. Смит. 1 11969 11970 1971 Создание ИС памяти на цилиндрических магнитных доменах (ЦМД). А. Боубек (фирма Bell I"ab). Элементы криогенной логики и памяти. Световалокно « Корнинг глас». 4004, содержащего 2250 МОП- транзисторов. М. Стдание микропроцессора Хофф, М. Шима (Iпtel). 1 L ______ _ Bь~II_y~KJl~lJI':}tvf_IIЧ~~к!JX Q~Y_C!~~~I':I()_~t I !(б_ит (!f1te~). _ _ ___ ___ _
13 Продолжение таблицы 1.1 События Год Разработка инжекционной интегральной логики (И2 Л)- Фирмы IВМ и Philips. 1972 Ионная имплантация примесей. 1973 8080 (Intel). Разработка 8-разрядного микропроцессора Разработка энергонезависимой памяти на МДП транзисторах. Разработка технологии поверхностного монтажа. 1974 Разработка метода электронной литографии. Фирма микропроцессор на КМОП- структурах. Фирма о выпуске первого 1975-80 1976 1977 1979 первый объявила разрядного однокристального микропроцессора РАСЕ. Акустоэлектронные конвальверы и процессары аналоговых сигналов. Фото-ПЗС, твердотельный видикон. Разработано динамическое ОЗУ объемом Трансверсальные и Фирма Intel 16 К. рекурсивные фильтры на ПЗС, сигналов. Динамическое ОЗУ 1980 1982 1984 1990 1994 1998 1999 Ранее 16 - создала RCA National Semiconductor 64 К. создала 32-разрядный микропроцессор Одноэлектронный транзистор (SET). процессары аналоговых iAPX 432. Магиитооптические запоминающие устройства. Динамическое ОЗУ 1 М. СБИС с перепрограммируемой структурой, 128 Динамическое ОЗУ М, Hitachi. Технология Si-SiGe цифровых электронная промышленность Altera. СБИС и аналоговых ИС, IВМ. представляла собой отрасль техники, целиком основанную на операциях сборки и позволяющую реализовать весьма сложные функции путем объединения множества элементов в одном изделии. При этом значительная часть прироста стоимости изделий электронной техники была связана с процессом сборки. Для оценки развития последовательности от ИС к твердотельной БИС и далее электроники к СБИС и и УБИС микроэлектроники разработаны в некоторые теоретические положения, позволяющие осмыслить этот процесс с различных точек зрения. Исторически сложилось так, что первоначально внимание к ИС привлекли такие их особенности, скопоновать как на малые размеры поверхности и масса, а кристалла затем развитие значительное техники количество ИС, позволяющей элементов, включая межсоединения, постепенно привело к возможности создания БИС, то есть стало возможным не только «повышение экономичности "электронных схем", но и "улучшение их характеристик", и "повышение надёжности". Развитие электронной техники ИС обуславливает промышленности. межсоединения, весьма Появление существенные изделий, изменения содержащих привело к изменению стоимости производства за в также специфике и готовые счет использования новых средств аппаратного обеспечения, а также к сдвигу линии раздела между уровнем компонентов и уровнем систем. Кроме того, оно открыло путь для "экономичной" реализации более сложных устройств с более эффективными характеристиками. В связи с этим особое внимание привпекает скорость, с которой происходит научно­ техническая революция в области БИС и которая характеризуется законом Мура (ежегодное удвоение степени интеграции до обусловленные появлением 1980 БИС, г. и удвоение за оказывают 18 месяцев после настолько большое 1985 г.). Все эффекты, влияние, что даже сравнительно большие капиталовложения в научно-исследовательские работы (по отношению к производственным задачам) вполне окупаются. Кроме того, резко возрос объем производства ИС в с1с1язи .с увеличение~; сарсч:;а, сопровождающего научн\1-техничrскую ревоЛJ')ЦИЮ. H'l
14 рисунке 1.1 представлены данные об изменениях уровня интеграции минимальной ширины их соединительных проводников в период 1.1 [5]. надежности и экономичности БИС на рисунке они также улучшаются с ростом интеграции БИС, 1970 - 2000 а также гг. Данные по не приведены, однако, как показывает опыт, В качестве факторов, обусловливающих научно-техническую революцию, можно назвать совершенствование технологии процесса изготовления ИС и совершенствование методов их проектирования. Типичным микротехнологии. фактором Уменьшение первой размеров группы является полупроводниковых совершенствование приборов позволяет одновременно добиться как улучшения характеристик ИС, формально определяемого законом пропорциональности размеров, так и улучшения их экономических показателей, связанных с уменьшением площади кристалла. / ... " :i :Е 100М 100 1.0 g" е~ "= .о ii "' 10М о. u 10 1М " g. :Е ~ о. 100К '":;; 0: .о 10К ~ ~ 0.1 :2 2000 Годы 1К 1960 Рисунок :Е о. с ;:.., "' "'~ .; 1970 1980 1.1 - Динамика развития техники БИС. 1990 1-степень интеграции; 2- минимальные размеры Основная масса СБИС предназначена для обработки цифровых, а не аналоговых сигналов. Это обстоятельство обусловлено тем, что СБИС более пригодны для обработки именно цифровых сигналов. Хотя для обработки цифрового сигнала требуются большее количество функциональных узлов и более широкая полоса пропускания сигнала, чем в случае аналогового сигнала, которых цифровые относятся: 1) схемы обладают возможность рядом построения схемы возможность создания схем с универсальными функциями; преимуществ, на 3) однотипных к числу устройствах; 2) простотазапоминания сигнала и т. п. В случае аналоговых сигналов, напротив, схему приходится строить в соетветствии с требуемыми от неё функциями и видом обрабатываемого сигнала. Такие признаки СБИС, как характерная для них ориентация на массовое производство, возможность размещеюrя множества элементов на одном кристалле при хороших экономических показателях, использование универсальных функций за счет органической связи со средствами программнога обеспечения, типичной, например, для микропроцессоров, говорят об их выраженной qлизости к цифровым ИС. Исходя из требования ориентации на массовое производство СБИС, представляется желательным, чтобы СБИС были по мере возможности универсальными и собственно затраты на их производство составляли значительную часть их стоимости. С другой стороны, если размеры схемы, размещенной на одном кристалле, возрастают и её сложность увеличивается, то кристалл становится структурной единицей, почти равнозначной системе в целом, а систему желательно проектировать по специальным требованиям. Другими словами, требования к СБИС противоречиВ!~!: она должна быть и универсальной и сПециализированной, и способы её реализации зависят от того, какое из этих качеств превалирует. В качестве СБИС преимущественно универсального характера можно назвать микропроцессоры и ЗУ. В этих СБИС в пределах одного кристалла реализуются функции, общие для различных систем, или же функцИи, которые могут быть сделаны общими. Методы пnоектирuвания и производ;:;тва в большей степени определяются тсхноliог;rей СБИС. гт;""С
15 этого типа изготавливаются крупными сериями, имеют низкую стоимость (в пересчете на одну функцию), и их сбыт происходит в условиях жесткой конкуренции. Вместе с тем требования к универсальным изделиям не всегда совпадают с требованием к системе и во многих случаях необходимо использовать изделия, специально спроектированные для данной системы. Такие СБИС называются специальными, или заказными. В зависимости от способа реализации заказные СБИС делятся на собственно заказные и полузаказные. Проектирование собственно заказных СБИС каждый раз производится заново. Следовательно, можно ожидать, что· затраты на производство таких СБИС, компонуемых на кристаллах малой площади, обладающих хорошими характеристиками и вполне отвечающих системным требованиям, проектирования и окажутся вполне экспериментального удовлетворительными. изготовления Однако характеризуются этапы очень их большой трудоёмкостью и соответственно большими затратами времени. Полузаказные СБИС более просты в изготовлении; начальные этапы их технологии являются общими, а последующие - этапы различными. К числу СБИС этой группы относятся вентильные матрицы, ПЛМ (программируемые логические матрицы), ПЗУ (постоянные запоминающие устройства) и т. п. ПЗУ реализуют функцию долговременной памяти и в сочетании с микропроцессором могут реализовать функции, требуемые от системы вцелом. ПЛМ, как известно, несколько напоминают ПЗУ, но в ней производят специализацию исходной структуры с регулярным расположением соединительных логических вентилей. проводников, а Структуры затем ПЗУ производят и ПЛМ формируют надлежащие соединения вплоть в до точках пересечения этих проводников. С другой стороны, изготовление вентильных и транзисторных матриц предусматривает проведение общих технологических процессов вплоть до этапа формирования полупроводниковых приборов на кристалле, а затем формирование надлежащих соединений между ними. В любом случае проектирование подобных полузаказных СБИС, хотя и характеризуется первоначальные небольшим числом капиталовложения, и степеней период от свободы, предполагает завершения процесса незначительные проектирования до получения готовых изделий сравнительно невелик. Ввиду регулярного характера структуры её проектирование может вестись машинными методами, т.е. с применением ЭВМ. С другой стороны, проектирование заказных СБИС позволяет получить гораздо .лучшие результаты, чем проектирование полузаказных, в первую очередь в отношении электрических характеристик схемы, площади кристалла и т.п. Однако время проектирования при этом возрастает и к методам машинного проектирования таблице 1.2 указаны СБИС предъявляются более высокие требования. В некоторые особенности СБИС, обусловленные их специализацией. Таблица 1.2 - Методы специализации СБИС Возможность ИСПОЛЬЗОВЗ!IИЯ Классы Метод специа- существующих СБИС лизации приборов, Стоимость Технические характеристики длительность периода проектировапия Возможно Универса- в использование ЛЬНЬJе микропроцессорах существующих СБИС с использованием полупроводниковых (микропро- средств приборов. Средства цессоры и программного программ но го т. д.) обеспечения обеспечения - индивидуальные Низкая стоимость средств аппаратного обеспечения Значительные затраты на средства программного обеспечения На уровне средних
16 п1родолжение Первоначаль- Стоимость ные затраты производства та б л ицы 1.2 Общий процессПолузаказ- до уровня ныеПЗУ, соединительных ПЛМ проводников Специализация- за счет соединений в точках Возможность пересечения Транзистор -ные Размещение быстрого транзисторов- изготовления стандартное матрицы Вентильны Специализация Средние Низкая Высокие - межсоединений Перепрограммируе рируемые СБИС Средняя на уровне е матрицы Реконфигу- Низкие мая структура системы Специализация Заказные - Длительный период с уровня проектирования и размещения создания оnытных транзисторов образцов Высокие Способ реализации СБИС обычно выбирают в соответствии с назначением устройства, в котором она будет применена. Исходя лишь из соображений стоимости, можно считать, что при больших объемах производства этого устройства наиболее эффективно проектировать собственно заказные БИС с малой площадью кристалла, при средних объемах - полузаказные БИС, J.(арактеризующиеся низкими первоначальными затратами, а при малых объемах более низкие стоимостные показателя будут получены при использовании стандартных потребительских БИС. Однако это чисто теоретические соображения, и на практике решение примимается в целом с учетом и других показателей, а не только стоимости. Так, например, один из методов организация производства предполагает использование на первом этапе производства данного изделия (в целях ускорения его создания) стандартных БИС, а затем по достижении заданного объема производства - полузаказных и заказных БИС. Такой подход, видимо, можно считать вполне целесообразным с точки зрения как стоимости, так и времени проектирования 1.2. Классификация элементов твердотельной электроники по физическим процессам и явлениям В связи с более низкой температурой протекания процессов в приборах твердотельной электроники, по сравнению с вакуумной электроникой, долговременная надежность и ресурс первых существенно выше вторых. У словно можно выделить основные физические явления и процессы, на основе которых функционирует основная масса твердотельных приборов и интегральных схем. 1. Термоэлектронпая эмиссия в твердом теле. Используется в приборах на основе контакта метал полупроводник и гетеропереходах. Отличительная особенность: проводимость определяется основными носителями заряда, высокое быстродействие. К приборам данного типа относятся: детекторные и смесительные ДИОДЫ СВЧ- диапазона, импульсные диоды повышенного параметрические усилители и умножители частоты, быстродействИя (10" 11 с). быстродействующие выпрямительные диоды с малыми потерями мощности, полевые транзисторы с барьером Шоттки, ИС на основе биполярных транзисторов со встроенным барьером Шоттки (ТТЛШ, И 2 ЛШ, и так далее), юсr:овочьт~ые стабилитроны. Фотоприемники на оснпве барьера Ulотткv.
17 2. Инжекция и экстракция неравновесных носителей заряда в полупроводниках. Используется в большинстве приборов с диоды, биполярный транзистор, P-N двухбазовый переходами. Выпрямительные и импульсные диод, тиристоры, симисторы, стабисторы, биполярныеле (ТТЛ, И 2 Л, ЭСЛ и другие). 3. Эксклюзия и аккумуляция основных носителей заряда в полупроводниках. Варикапы на основе умножители частоты, P-N перехода (управляемая ёмкость), параметрические усилители и полевые канальные транзисторы с управляющим барьером Шоттки, полевые транзисторы со статической индукцией (SIT), P-N переходом и полевые транзисторы с высокой подвижностью электронов (НЕМТ). 4. ЭФФект поля в полупроводниках. Стационарный (управляемая эффект емкость), поля используется RC распределенный в МДП транзисторах, фильтр, МДП (90% МДП ИС варактор СБИС), энергонезависимая память на основе МДОП- структур и структур с плавающим затвором. FLASH, EEPROM. Нестационарный эффект поля используется в приборах с зарядоной связью (ПЗС), аналоговые линии задержки, рекурсивные фильтры, аналоговые процессоры. 5. Ударная ионизация и эфФекты сильных полей. Стабилитроны, туннельные диоды, лавинно-пролетные диоды, диод Ганна, лавинный транзистор, варисторы. 6. Фотоэлектрические явления. Фоторезистор, фотодиод, фототранзистор, фотоМДП-транзистор, фототиристор, лавинный фотодиод, солнечные элементы, оптроны, фотоПЗС, оптические ЗУ, твердотельный видикон (ФПЗС). 7. Люминесценция. Светодиоды, лазеры на основе гетеропереходов, индикаторы: жидкокристаллические (ЖКИ), газоразрядные, пленочные, оптроны. 8. Термоэлектрические явления. Термоэлектрический генератор, термоэлектрический холодильник, терморезисторы, термопары, болометры (измерители СВЧ мощности), пираэлектрические датчики температуры и излучений. 9. Гальваномагнитные явления. Датчик ОЗУ на Холла, магниторезистор, цилиндрических магнитных магнитодиод, доменах магнитотранзистор, (ЦМД), магнита-тиристор, магиитооптические запоминающие устройства, ЗУ на блоховских линиях. 1О. Тензо- пьезо- акустоэлектронные эффекты. Тензорезисторы, тензодиод, тензотранзистор, полосовые пьезофильтры, трансформаторы, резонаторы, аналоговые линии задержки, усилители на поверхностных акустических волнах, конвольвер, дисперсионные фильтры, аналоговые процессоры. 11. Взаимодействие ядерных излучений с твёрдым телом. Датчики излучений нейтронов, электронов, протонов, альфа-частиц и гамма-излучений; атомные батареи. 12. Криогенные эффекты (сверхпроводимость). Криотрон, Джозефсона, транзистор переходы Джозефсона, сверхпроводящие (SET), фотоприемники. Явления 1-6, логические квантовые сверхпроводящие элементы интерферометры СВЧ- резонаторы и и память (СКВИД), фильтры, на элементах одноэлектронный криоэлектронные ИК­ используются в монолитных полупроводниковых интегральных схемах. Все перечисленные явления и приборы на их основе реализуются в гибридных ИС.
18 1.3. Основные цели и содержание микроэлектроники 1.3.1. Термины Динамично развивающийся рынок и определения интегральной микроэлектроники 2000 широкого назначения оценивалея годовым объёмом продаж к началу г. в и 220 электроники и 990 млрд. долларов. При этом рост объема продаж рынка универсальных сверхбольших и ультрабольших интегральных схем (СБИС, УБИС), представленных схемами динамического ОЗУ, микро­ контроллерами и микропроцессорами, СБИС с программируемой структурой, составляет 25%, что значительно превышает 8%-ный рост рынка электроники и прирост глобального мирового продукта (4,5%). Более того ожидается, что уже к 2020 г. объём продаЖ рынка микро- и 10% нанаэлектроники превысит триллион долларов и составит свыше продукта и далее произойдет прогнозируемое замедление темпов полного мирового роста. За короткий исторический срок современная микроэлектроника стала одним из важнейших направлений научно-технического прогресса. Общее развитие микроэлектроники основывается на фундаментальных достижениях в ряде смежных областей науки и техники, к которым в первую очередь относятся физика, химия, математика, кибернетика, информатика, точное приборестроение и другие. В этой связи формулировка определения микроэлектроники носит достаточно условный характер. Микроэлектроника - научно-техническое направление электроники, базирующееся на: элементной базе твердотельной электроники, использующей эффекты физики твердого тела; химии сверхчистых материалов; групповой технологии формирования микроэлементов основе монокристаллических, и рентгеновской и ионной литографий; автоматизации и твердотельных с применением аморфных диэлектриков изготовления металлов поликристаллических, и гибридных субмикронной слоев на полупроводников, оптической, электронной, интеграции групповой технологии интегральных схем; микросхематехнике и системотехнике, ориентированных на применение универсальных аппаратных и программных средств, решающее задачу создания: • • • • высоконадёжных, экономически выгодных, малогабаритных, низкоэнергоёмких электронных устройств и систем. На наш взгляд, это определение охватывает основное содержание и цели микроэлектроники. Научной задачей микроэлектроники является обеспечение возможности создания сложнейших кибернетических систем для использования в информационных технологиях, при освоении космоса, в области биологии, медицины и так далее. Экономическая задача микроэлектроники заключается в существенном сокращении потребляемых материалов, трудоёмкости и капитальных вложений в производство электронной аппаратуры и приборов, а также в снижении энергетических затрат при производстве и эксплуатации, то есть в существенном удешевлении выпуска продукции и её использования. Техническая задача микроэлектроники сводится к сокращению размеров и массы электронной аппаратуры при одновременном увеличении её надёжности и долговечности. Осуществить это можно только за счет минимизации энергетических процессов в электронных схемах. Для решения данной .задачи существуют различные пути: уменьшение размеров деталей и элементов, создание новых элементов (полупроводников, активных диэлектриков, ферритов), рациональное размещение элементов, замена навесных соединений печатным монтажом (методами фотолитографии, вакуумным напылением и тому подобнымИ), придания элементам одинаковой формы и размеров (поверхностный монтаж), создание элементов, узлов и целых (интегральн.ых) схем на основе новых принципов пленочной технологии или путем обработки полупроводникового материала - получение твердой схемы.
19 Исторически возникнув как направление микро-миниатюризации радиоэлектронной аппаратуры в военной технике, микроэлектроника привела к развитию таких важнейших облас­ тей человеческой деятельности, как информатика, автоматика и технология управления Интегральная выполняющее .микросхеАю определенную (ИМС) (микросхема) функцию это - преобразования, микроэлектронное обработки сигнала [1]. изделие, и (или) накаплИвания информации, имеющее высокую плотность упаковки электрически соединенных элементов (или элементов и компонентов); которое с точки зрения требований к испытаниям, приемке, поставке и эксплуатации рассматривается как единое целое. Элемент - это часть ИМС, реализующая функцию какого-либо электрорадиоэлемента, которая не может быть выделена как самостоятельное изделие; под электрорадиоэлементом понимают транзистор, диод, резистор, конденсатор и др. Элементы могут выполнять и более сложные функции, например, логические (логические элементы) или запоминание информации (элементы памяти). Колтонент -это часть ИМС, реализующая функцию какого-либо электрорадиоэлемента, которая может быть выделена как самостоятельное изделие. Компоненты устанавливаются на подложке микросхемы при выполнении сборочио-монтажных операций. К простым компонентам относятся бескорпусные диоды и транзисторы, специальные типы конденсаторов, малогабаритные катушки индуктивности и др. Сложные компоненты содержат несколько элементов, например, диодвые сборки. Плотность vпаковки - это отношение числа простых компонентов и элементов, в том числе содержащихся в составе сложных компонентов, к объему микросхемы без учета объема ВЫВОДОВ. С точки зрения внутреннего устройства микросхема представляет собой совокупность большого числа элементов и компонентов, размещенных на поверхности или в объеме общей диэлектрической или конструктивное объединение полупроводниковой элементов подложки. и Термин «интегральная» компонентов, а также отражает полное или частичное объединение технологических процессов их изготовления. При использовании в радиоэлектронной аппаратуре сами ИМС являются элементами, т. е. простейшими неделимыми единицами. в этом смысле 6ни составляют элементную базу электронной аппаратуры. Критерием оценки сложности микросхемы, т. е. числа N содержащихся в ней элементов и простых компонентов является степень интеграции. Она определяется коэффициентом K=JgN, значение которого округляется до ближайшего большего целого числа. Так, микросхема первой степенн интеграцнн (К= 1) содержит до интеграции (К=2)- свыше 10 до 100, 1О элементов и простых компонентов, второй степени третьей степени интеграции (К=З)- свыше т.д. В настоящее время микросхему, содержащую 500 100 до 1000 и и более элементов, изготовленных по биполярной технология, или 1000-и более элементов, изготовленных .по МДП- технологии, называют большой интегральной микросхемой (БИС). Если число элемепов превышает 10 000. то микросхему называют сверхбольшой (СБИС). Различия в уровне интеграции делят ИС на несколько категорий: МИС, БИС, СБИС, УБИС (соответстненно малые, средние, большие. сверхбольшие и ушпрабольшис ИС). Практическое использование находят вес категории. МИС реализуют простейшие логические преобразования и обладают универсальностыо - даже с помощью одного типа логического элемента (например, И-НЕ) можно построить любое ЦУ (цифровое устроЙСТВО). малора:;рядныс регистры, В ВИде СИС ВЫПУСКаЮТСЯ счетчики, ;.юлжш1 быть более широкой и дешифраторы, В ГОТОВОМ ВИДС такие CXeJ\IЫ, сумматоры и т.п. Номенклатура как СИС рюнообралюй. так как их универсальность снижается. В разнитых сериях стандартных ис насчитываются сотни типов сие. С появлением БИС и СБИС схемы с тысячами и даже миллионами логических злементов стали рюмсщап,ся на одно:-.1 кристалле. При :пом проблема снижения унивсрса;Iьности для ИС с жесткоii структурой обостршшсь бы чрезвычайно - пришлось бы производшъ огроl\шое число типов ИС нри снижении объема производспш каждого из типов. Что непомерно увеличило бы их стош.юсть. так как высокие :нпраты r,сбош,шсм·{ объемv их н,шvei«J. на проектщювание БИС/СБИС относились бы к
20 Выход микросхем из в возникшего область противоречия был программирования. найден Появились на пути переноса микропроцессоры специализации и БИС/СБИС с программируемой структурой. Микропроцессор способен выполнять команды, входящие в его систему команд. Меняя последовательность команд (программу), можно решать различные задачи на одном и том же микропроцессоре. Иначе говоря, в этом случае структура аппаратных средств не связана с характером решаемой задачи. Это обеспечивает микропроцессорам массовое производство с соответствующим сниженнем стоимости. В виде БИС/СБИС с программируемой структурой потребителю предлагается кристалл, содержащий множество логических блоков, межсоединения для которых назначает сам системотехник. Промышленность получает возможность производить кристаллы массовым тиражом, не структуру адресуясь ИС к отдельным соответственно потребителям. своему проекту. Системотехник Разработан сам целый программирует спектр методов программирования связей между блоками и злементами кристалла. Два указанных метода имеют большие последовательную обработку информации, соответствующих командам, что может различия. Микропроцессоры реализуют выполняя большое число отдельных действий, не обеспечить требуемого быстродействия. В БИС/СБИС с программируемой структурой обработка информации происходит без разбиения этого процесса на последовательно выполняемые элементарные действия. Задача решается в соответствии с заданным алгоритмом, ее характер определяет структуру устройства. Преобразование данных происходит одновременно во многих частях устройства Сложность устройства зависит от сложности решаемой задачи, чего нет в микропроцессорных системах, где сложность задачи влияет лишь на программу, а не на аппаратные средства ее выполнения. Таким образом, БИС/СБИС с.программируемой структурой могут быстрее решать задачи, сложность кьторых ограничена уровнем интеграции микросхем, а микропроцессорные средства - задачи несграниченной сложности, но с меньшим быстродействием. Оба направления открывают новые перспективы дальнейшего улучшения технико-экономических показателей создаваемой на них аппаратуры. С ростом уровня интеграции ИС в проектировании на их основе все больше усиливается аспект, который становится можно составление назвать блоков интерфейсным из субблоков проектированием. стандартного вида Задачей путем разработки правильного их соединения. У спешное проектирование требует хорошего знания номенклатуры и параметров элементов, узлов и устройств цифровой аппаратуры и привлечения с_истем автоматизированного проектирования (САПР) для создания сложных систем. Микросхелютехника (интегральная схеметехника ) как одна из основ микроэлектроники охватывает исследования и разработку оптимальных схем. Многие современные микросхемы являются очень сложными электронными устройствами, поэтому при их описании и анализе используются наиболее по меньшей детальный мере уровень - два это уровня схеметехнического электрическая схема. Она представления. определяет Первый электрические соединения элементов (транзисторов, диодов резисторов и др.); на этом уровне устанавливается связь, между электрическими параметрами схемы и Второй уровень - это структурная схема. Она параметрами входящих в нее определяет функциональное элементов. соединение отдельных каскадов, описываемых электрическими схемами. По функциональному назначению ИМС подразделяются на цифровые и аналоговые. Цифровая микросхема предназначена для преобразования и обработки сигналов, изменяющихся по закону дискретной функции. В аналоговых сигналы изменяются по з_акону непрерывной функции. Самый распространенный тип аналоговых микросхем -·- это операционные усилители, аналого- цифровые преобразователи (АЦП) и цифро- аналоговые преобразователи (ЦАП).
1.3.2. 21 Конструктивно- технологические типы интегральных схем Конструктивно-технологическая классификация ИС учитывает способ изготовления и получаемую при этом структуру. По конструктивно-технологическим признакам различают полупроводниковые (монолитные) и гибридные микросхемы [1]. В полупроводниковой ИМС все элементы и межэлементные соединения выполнены в объеме и на поверхности полупроводника. Структура, содержащая элементы, межэлементные соединения и контактные площадки (металлизированные участки, служащие для присоединения внешних выводов), называется кристаллом элементы интегральной располагаются микросхемы. в тонком В большинстве (толщиной полупроводниковых 0,5 ... 10 мкм) полупроводника. Поскольку удельное сопротивление полупроводника невелика а элементы должны быть изолированными друг от микросхем приповерхностном друга, -необходимы (1 ... 10 слое Ом·См), специальные изолирующие области. На рисунке 1.2 а, б показаны соответственно структура и электрическая схема простейшей полупроводниковой микросхемы, состоящей из биполярного N-P-N транзистора и резистора. Структура содержит слаболегированную подложку р- -типа, активный полупроводниковый слой N-типа, в котором кроме транзистора и полупроводникового резистора (слой Р-типа) созданы 2 изолирующие области сформирован диэлектрический из диоксида кремния. слой диоксида На поверхности кремния, на полупроводника котором расположены металлические проводники. Основным полупроводниковым материалом ИС является кремний. Важное конструктивно-технологическое преимущества кремния связано со свойствами слоев диоксида кремния, получаемых на его поверхности при окислении. Эти слои используют в качестве масок при локальном легировании кремния примесями, для изоляции элементов (см. рисунок 1.2, а), в качестве подзатворного диэлектрика МДП- транзистора, а также для защиты поверхности кристалла от влияния окружающей среды и др. Достаточно большая ширина запрещенной зоны кремния обусловливает малые обратные токи Р создавать ИС, работающие при повышенных температурах (до транзисторов (менее 1 мкА), - N переходов, что позволяет 125 °С) и при· малых токах т. е. низкой потребляемой мощности. 1 z Вr~i 6щql а) f( УТ б) Рисунок 12 - Фрагмент монолитной ИС с комбинированной изоляцией элементов В последнее десятилетие в ограниченных масштабах начато применение арсенида галлия, отличающегося большей подвижностью электронов. На его основе создают микросхемы с повышенным быстродействием или более высокими рабочими частотами (диапазон СВЧ). Однако арсенид галлия очень дорогой материал, а технология арсенид-галлиевых микросхем сложнее, чем кремниевых. В некоторых микросхемах слой кремния, в котором формируются элементы, выращивают на диэлектрической подложке (КНД), в частности, из сапфира (структура типа «кремний на санфире») (КНС). Она обеспечивает повышенную радиационную стойкость.
22 Разновидностью транзисторы проводники, полупроводниковых размещают в активном - на слое диоксида слое являются кремния, а сов,wещенные .микросхемы, пленочные резисторы и в которых диоды, как и кремния. Важным показателем качества технологии и конструкции является плотность элементов - на кристалле число элементов, приходящихся на единицу его площади. Для повьшения плотности элементов применяют метод совмещения: некоторые области полупроводникового слоя используют МДП для N-P-N биполярного - транзистора выполнения нескольких транзистора и коллектора и истоковой (обычно P-N-P двух) функций, например, базы транзистора, стоковой области одного области другого. С этой же целью проводятся исследования и разработки трехмерных структур: элементы изготавливают в нескольких, (обычно двух) слоях кремния, разделенных диэлектрическми прослойками, или создают канавки в кремниевой подложке и формируют элементы на их боковых поверхностях. Уровень технологии характеризуется htuнимальньш топологическим размером Ll., т.е. наименьшими достижимыми размерами легированной области в полупроводниковом слое, пленочного слоя на поверхности, например, минимальными шириной эмиттера биполярного транзистора, шириной проводников, расстояниями между ними. При = Ll. 0,3 ... 0,5 мкм возникают проблемы, связанные с приближением размеров элементов, прежде всего транзисторов, к их физическим пределам. Уменьшение размеров элементов до указанных значений вызывает процессы деградации структуры кристалла вследствие повышенной плотности тока, напряжённости электрических полей и плотности выделяемой энергии. Особую проблему при исполъзовании элементов малых размеров представляет формирование надежных внутрисхемных соединений. Их поперечное сечение уменьшается, а плотность тока растет. Это может приводить к разрушению проводников, расположенных на рельефной (не идеально плоской) поверхности, к коротким замыканиям проводников, сформированных в разных слоях друг над другом, вследствие пробоя или нарушения разделяющего их тонкого диэлектрического слоя. Уменьшение топологических размеров элементов приводит к улучшению электрических параметров емкостей ИС, P-N в частности, к повышению быстродействия из-за снижения паразитных переходов, увеличению крутизны полевых транзисторов и др. Однако и здесь ограничивающим фактором являются внутрисхемные соединения, задержка сигнала в которых не позволяет полностью использовать достигаемое высокое быстродействие элементов. При разработке полупроводниковых ИС конструкторы и технологи сталкиваются и с другими серьезными проблемами и обеспечение создаваемых ограничениями, Одна из конструктивно-технологической внутри одного самых трудных совместимости полупроводникового слоя. различных Он проблем - элементов, характеризуется строго определенными электрофизическими параметрами, оптимальными для одних элементов и малопригодными для других. Кроме того, для изготовления различных элементов, например, биполярных и МДП -транзисторов, необходимы свои технологические операции, так что одновременное формирование этих элементов на одном кристалле затруднено. Поэтому для полупроводниковых микросхем характерен крайне ограниченный набор типов элементов в кристалле. Этим же объясняется их разделение по типу применяемых активных элементов (транзисторов) на два основных вида: ИС на биполярных транзисторах и ИС на МДП­ Основным активным элементом биполярных микросхем является транзистор типа N-P-N. транзисторах (МДП- микросхемы). Кроме того, используются диоды на основе (диоды Шоттки), полупроводниковые P-N переходов и переходов металл-полупроводник резисторы, пленочные резисторы (в совмещенных микросхемах), изготавливаемые, например, в поликристаллическом слое кремния, и в редких случаях - реже, чем операций конденсаторы небольшой емкости. Транзисторы типа N-P-N. при P-N-P применяют значительно Параметры полупроводниковых слоев и последовательность технологических изготовлении биполярных микросхем выбираются прежде всего с обеспечения наилучших электрических параметров биполярных транзисторов типа Другие элементы формируются в аналогичных слоях одновременно с учетом N-P-N. транзисторами.
23 Использование пассивных элементов (резисторов, конденсаторов) ограничено, так как по сравнению с транзисторами они занимают большую площадь на кристалле. Основными элементами современных МДП-микросхем являются МДП-транзисторы с каналом n-типа. Площадь этих транзисторов на кристалле значительно меньше, чем биполярных, поэтому для микросхем на n-канальных МДП-транзисторах достигается самая высокая степень интеграции, комплементарных каналами N- но они МДП-микросхемах уступают применяют биполярным по быстродействию. МДП-транзисторы с В индуцированными иР-типа, для этих микросхем характерна очень малая потребляемая мощность. В специальных случаях в полупроводниковых микросхемах используют биполярные транзисторы переходом. в сочетании Для с МДП- изготовления либо таких полевыми микросхем транзисторами требуется более с управляющим сложная арсенид-галлиевых полупроводниковых микросхемах активными элементами P-N технология. В служат полевые транзисторы с управляющим переходом металл-полупроводник, кроме того; используют диоды Шоттки и полупроводниковые резисторы. Полупроводниковые микросхемы в большинстве случаев являются изделиями широкого применения: одни и те же микросхемы используются в микроэлектронной аппаратуре различного назначения. Они выпускаются большими партиями; только при этом условии окупаются высокие затраты на разработку новых типов микросхем. Гибридная интегральная микросхема содержит пленочные пассивные элементы и навесные компоненты. На рисунке 1.3,а представлена структура простейшей гибридной микросхемы. На диэлектрическую с проволочными 1 нанесены подложку помощью клея (слой 5) пленочные резисторы 2и пленочный конденсатор на подложку установлен бескорпусный биполярный выводами, соединенными с металлическими N-P-N слоями. 3. транзистор С 4 Соответствующая электрическая схема приведена на рисунке 1.3,б. В гибридных ИС используются как простые, так и сложные компоненты, например, бескорпусные кристаллы полупроводниковых ИС. Электрические связи между элементами, компонентами проводников. и кристаллами Подложка с осуществляют расположенными с на помощью ее пленочных поверхност11 и проволочных пленочными элементами, совокупность нескольких проводниками и контактными площадками называется платой. Многокристальная бескорпусных гибридная полупроводниковых ИС представляет микросхем, собой установленных на одной диэлектрической подложке, соединенных между собой проводниками и заключенных в герметизированный корпус. * 1 ~BNXOtJ ~ - Вхо J .f а) о) Рисунок 1.3 - Фрагмент гибридной интегральной схемы В зависимости от способа нанесения пленок на поверхность диэлектрической подложки и их толщины различают тонкопленочные (толщина пленок менее (толщина пленок более Помимо 1 мкм) l мкм) и толстопленочные гибридные микросхемы (ГИС). количественных существуют те~~нrн:огчс-й изготовлен1-1я П.'IС'НОК. и качественные различия, Тонкопленочные 1лементы формируют, определяемые как правило, с
24 помощью термического вакуумного испарения и ионного распыления, а толстопленочные элементы наносят на подложку методом трафаретной печати с последующим вжиганием. Широкое использование первоначальными разнообразных изготовления микросхемы затратами гибридных при компонентов плат с (особенно отличаются от ИС организации требуемыми с обусловлено производства, рабочими толстопленоЧными полупроводяиковых сравнительно характеристиками элементами). большими невысокими возможностью применения и Однако размерами и простотой гибридные более сложной технологией сборки. Контрольные вопросы 1. 2. 3. 4. 5. б. Назовите основные этапы развития цифровой микроэлектроники, пользуясь таблицей По какому признаку при проектировании систем классифицируются СБИС 1.1. и их технические характеристики? Какие приборы работают на явлении термоэлектронной эмиссии в твёрдом теле? Какие приборы работают на стационарном эффекте поля в полупроводниках? Какие приборы используют фотоэлектрические явления и люминесценцию? Работа каких приборов основана на тензо- пьезо- акустоэлектронных эффектах? 7. Дайте определение названию «микроэлектроника». 8. На каких областях науки и техники базируется микроэлектроника? 9. Каким образом достигаются основные цели микроэлектроники? 10. Дайте определение названию «интегральная микросхема». 11. Что означают термины «плотность упаковки» и «степень интеграции»? 12. В чём заключается разница между микропроцессорными СБИС и перепрограммируемыми цифровыми СБИС? 13. В чём различие цифровых и аналоговых ИС? 14. Почему большинство монолитных интегральных схем выполнено из кремния? 15. Дайте определение названиям «Полупроводниковая» и «гибридная» интегральная схема. 16. В каких случаях предпочтительней использование полупроводниковой ИС или гибридной ИС?
2. Глава 25 Технологические основы твердотельной электроники и микроэлектроники Структуры, электрические технологией изготовления. процессах и микросхем, операциях, параметры микросхем и их В. данной главе даются сведения применяемых для создания а также технологии поверхностного элементов определяются о типовых технологических полупроводниковых монтажа. и гибридных Совокупность технологических процессов и операций, проводимых в определенной последовательности, составляет техноло­ [1, 9, 15]. гический цикл изготовления микросхем и радиоэлектронных устройств на их основе 2.1. Базовые операции технологического процесса изготовления твердотельных приборов и интегральных схем Создание микросхем начинается с подготовки полупроводниковых пластин. Их получают разрезанием монокристаллических полупроводниковых слитков цилиндрической формы с последующими шлифовкой, полировкой и химическим травлением для удаления верхнего дефектного слоя неровностей) и 0,03 ... 0,05 получения зеркальной поверхности мкм. Диаметр пластин не превышает с 260 шероховатостью допустимый прогиб и отклонение от параллельностн поверхностей не более диаметру. Пластины характеризуется типом (N или Р) (высотой мм, толщина около 10 0,5 мм, мкм по всему электрической проводимости (электропроводности), удельным сопротивлением, а также кристаллографической ориентацией поверхности. Для последующих операций исключительно важна чистота поверхности. Поэтому перед началом, а также неоднократно в течение технологического цикла производят очистку, удаляя посторонние вещества с помощью промывrш, растворения и т. п. Эффективна улБТразвуковая очистка, когда пластины погружают в ванну с растворителем, перемешиваемым с помощью ультразвука. Технологический цикл может быть разделен на два больших этапа сборочно-контрольный. Первый этап структуры т.е. элемеrпы микросхем, их включает и процессы, соединения. - обработки пластин и формирующие Для на реализации пластинах элементов в определенных местах пластины создают области с требуемыми типом электропроводности и удельным сопротивлением, поверхность. Проводники вводя соответствующие соединений, а в примеси совмещенных или нарашивая микросхемах слои резисторы на и конденсаторы получают нанесением на поверхность пластин пленок. Геометрия легированных областей и тонкопленочных слоев задается масками, формируемыми с помощью литографии. В результате на пластинах образуется матрица одинаковых структур, каждая из которых соответствует одной микросхеме, т.е. на данном этапе микросхемы создаются групповыми методами. Второй этап Электрические механических начинается контакты зондов - с тонких с контроля отдельными игл, функционирования микросхемами устанавливаемых на микросхем осуществляются контактные на пластине. с помощью площадки микросхем. Зондавый контроль производится на автоматизированных установках, дефектные микросхемы маркируются. Повышение степени интеграции и разработка СБИС ставят задачу проверки целостности связей и выявления всех дефектных элементов на пластинах. Для этой цели разработаны более сложные и эффективные методы контроля: электронно-лучевое зондирование, исследование поверхности пластин с помощью электронного микроскопа и др. Для повышения процента выхода годных микросхем в некоторых СБИС предусматривают резервирование отдельных элементов или узлов. После выявления дефектных элементов или участков устраняют их связи со всей схемой, например, пережиганнем проводников с помощью остросфокусированного лазерного луча.
26 После контроля пластины разрезают на кристаллы, соответствующие отдельным микросхемам, и дефектные кристаллы отбраковывают. Кристаллы устанавливают в корпус, соединяют контактные площадки кристаллов с выводами корпуса (монтаж выводов) и герметизируют корпус. Затем производят контроль и испытания готовых микросхем с помощью автоматизированных систем, работающих контроль (проверка функционирования) и по заданной программе. Различают параметрический, заключающийся тестовый в измерении электрических параметров и проверке их соответствия нормам технических условий. Контрольно-сборочные операции производятся индивидуально для каждой микросхемы в отличие от групповых процессов создания микросхем на этапе обработки пластин, поэтому они (30 .. .40 %) в значительной степени определяют трудоемкость изготовления, стоимость и надежность микросхем. 2.1.1. Эпитаксия монокристаллических слоев Слово «эпитаксия» происходит от греческого слова, имеющего значение «упорядочение». Смысл его соответствует процессу наращивания на кристаллической подложке атомов, упорядоченных в монокристаллическую структуру, с тем чтобы структура наращиваемой пленки полностью повторяла кристаллическую ориентацию подложки. Основное достоинство техники эпитаксии состоит в получении чрезвычайно чистых пленок при сохранении возможности регулирования уровня легирования. Легирующая примесь может быть как N -,так и Р-типа независимо от типа подложки. Применяются три разновидности эпитаксиального наращивания: газовая, жидкостная и молекулярная. SiCI 4, 2.1 ,а. Система газовой эпитаксии по казана на рисунке Газообразный водород с парами контролируемой концентрации, пропускается через реактор, в котором на графитовом основании расположены кремниевые пластины. С помощью индукционного высокочастотными катушками графит прогревается до высокой температуры температура решетке и необходима для получения SiCI 4+2H 2 <=> обеспечения правильной монокристаллической Si(тверд.) + 4HCI. Эта пленки. реакция получению эпитаксиальной пленки, обратная - ориентации В основе обратима. осаждаемых процесса Прямая (> 1000 атомов лежит реакция нагрева ас). Эта в реакция соответствует удалению или травлению подложки. Скорость роста пленки зависит от концентрации SiCI4 в газе (рисунок 2.1 ,б). Заметим, что эта скорость имеет максимум и уменьшается с увеличением процентнаго содержания SiCI4 + Si <=> 2SiCI 2• SiCI4. связано с преобладающим влиянием химической реакции травление кремния происходит при большой концентрации SiCI4. Это Поэ:rому Для легирования эпитаксиальной пленки в газовый поток добавляются примесные атомы в газовой фазе. Фосфин (РН 3 ) используется в качестве донорной примеси, а диборан (8 2 Н 3 ) акцептори ой. Для получения на одной подложке многослойных 2.3 применяется жидкостная эпитаксия. На рисунке структур из разных материалов показано устройство для выращивания четырех различных слоев. Подвижная конструкция с различными растворами последовательно подводит растворы материалами лучевая к подложке. (Ge - Si, GaAs - GaP), эпитаксия проводится в Таким образом получаются переходы т.е. гетеропереходы толщиной менее сверхвысоком вакууме и основана 1 мкм. на с различными Молекулярио­ взаимодействии нескольких молекулярных пучков с нагретой монокристаллической подложкой. Этот процесс иллюстрируется на рисунке (AixGa 1_xAs). Каждый 2.3, где приведены основные элементы для получения соединения нагреватель содержит тигель, являющийся источником одного из составных элементов пленки. Температура каждого нагревателя выбирается таким образом, чтобы давление паров испаряемых материалов было достаточным для формирования распределений интенсивности соответствующих молекулярных пучков. Нагреватели располагаются так, чтобы максимумы отдельных пучков пересекались на подложке. Подбором температуры нагревателей и подложки получают пленки со сложным химическим составом. Дополнительное управление процессом
27 выращивания осуществляется с помощью специальных заслонок, расположенных между нагревателями и подложкой. Использование этих заслонок позволяет резко прерывать или возобновлять попадание любого из молекулярных пучков на подложку. Высо~очасtо-тнь•е 1111SI к;н'lwки нагрева 000000000 оооооо а :J' s ::t 5 :r 4 "'::r 1270° с Скорость nото~а " 111/ мин = 3 s "' :z: 2 <» с;, с ......"' о о а. ...... .о о D. о "' -1 -2 0,1 (") 0,2 0,3 )<OJ\I'Iчec,вo 1-1011eк'jl1 O,lt SiCI ~ · По11ное количество молеку11 е ra3e б Рисунок а - 2.1 - Эпитаксия из парагазовой фазы: схема газового процесса эпитаксии ; б- зависимость скорости роста эпитаксиальной пленки от концентрации SiC\4 в газе Одной из отличительных особенностей молекулярио-лучевой эпитаксии является низкая скорость роста пленки: приблизительно 1 мкм/ч или 1 монослой /сек. Это позволяет легко модулировать молекулярные пучки, падающие на подложку, в пределах одного монослоя, если время управления движением заслонки менее на два порядка улучшить структурное 1 с. Молекулярио-лучевая эпитаксия позволила разрешение сравнению с газовой и жидкостной эпитаксией в отношении процесса наращивания по [4]. Молекулярио-лучевая эпитаксия используется для изготовления пленок и слоистых структур GaAs и Al,Ga 1_,As. К таким приборам относятся варакторвые диоды, имеющие достаточно хорошо воспроизводимые вольтфарадвые характеристики с повышенной при создании приборов на нелинейностью, лавинно-пролетные диоды, переключающие СВЧ-диоды, полевые транзисторы с барьером Шоттки, инжекционные лазеры, оптические волноводы и интегральные оптические структуры. Потенциально метод молекулярно - лучевой эпитаксии наиболее перспективен для будущей твердотельной электроники создания СВЧ и оптических твердотельных приборов и схем, в которых существенную роль играют слоистые структуры субмикронных размеров.
28 Электрическая печь Растворы Граtритовь' й сколь~ящий держатель Оrраки- rr---~--.t::t::s:..:::.====-~==~:::1.-...., раствора чиrель толкатель 8XOt\ Hz J Электрическая nечь ..______ Рисунок 2.2 - Схема жидкостной элитаксии Присущая этому методу совместимость с планарной технологией и групповым способам производства интегральных схем открывает хорошие перспективы для его применения. Вероятные перспективы использования молекулярио-лучевой элитаксии для твердотельной электроники связаны с возможностью химическим составом, таких как GaAs и последовательного выращивания A!As. Подобные структуры со сверхрешеткой с периодичностью от характерис;иками с отрицательным сопротивлением, 5 слоев до 1О присущим с различным нм обладают резонансному туннелированию. ~ д Монокристаллическая nодложка . М о лек vл я рные 1 1 ~ легирvющи(J nримес~ n- 1vsna Sn 1 •\ Рисунок \ \ \ 1 Ga \ nучки /Затворь1 ~ Источни•инагреватели ilегиоуосщие Mn примеси р-тиnа As 2.3 - Система источников-нагревателей для молекулярио-лучевой 2.1.2. Слой \ 1 1 1 DOG 1 1 \/ двуокиси кремния элитаксии Окисление кремния формируется обычно на подложке за счет химического соединения в полупроводнике атомов кремния с кислородом, который подается к поверхности кремниевой подложки, нагретой в технической печи до высокой температуры (900 - 1200°С), как показано на рис.2.4. Окислительной средой может быть сухой или влажный кИслород. Химическая реакция соответствует одному из следующих уравнений: 1. Окисление в атмосфере сухого кислорода: Si (тверд.)+ О2 ==? SiOz
2lJ 2. Si Окисление в парах воды: (тверд.)+2Н 2 0=>Si0z+2Н 2 • Окисление происходит гораздо быстрее в атмосфере влажного кислорода, поэтому влажное окисление используется для образования более толстых защитных слоев. Физика термического окисления может быть объяснена с помощью простой модели, показаиной на рисунке 2.5,а. Процесс окисления происходит ··на границе Si - Si0 2 , поэтому молекулы окислителя диффундируют через все предварительно сформированные слои окисла и лишь затем вступают в реакцию с кремнием на его границе с окислом. Согласно закону Генри равновесная концентрация адсорбированных атомов на поверхности твердой фазы прямопропорциональна парциальному давлению газа Р: С*= НР. где С* - максимальная концентрация окислителя в газе. для данного значения Р, Н - постоянный коэффициент Генри. Сnираnьные ке·арцева~t тр~ба нагре~~аtели (чистое о о о "о Oz - о ,".,_",,." кремниевые nластины Кварцевая 11одочка ~ .~ - (быстрое окисмние) о о Рисунок 2.4- о о о Термическое окисление кремния В веравновесном случае концентрация окислителя на поверхности твердого тела меньше, чем С*. Поток F 1 определяется разностью концентраций окислителя: F1 где Со - = h (С*- Со), поверхностная концентрация окислителя, а коэффициент переноса. Концентрация h- окислителя Со на поверхности окисла зависит от температуры, скорости газового потока и растворимости окислителя в окисле. Для того рассмотрим потоки окислителя в окисле Согласно окислителя закону Фика поток ( F2) через чтобы определить скорость роста окисла, и на границе окисла с кремнием (FЗ). окисел определяется градиентом концентрации : с/С Fo=-D- = - D (С о clz С ;) (2.1) zо где С; - концентрация окислителя в молекулах/см 3 при z = z0 • D - коэффициент диффузии при данной температуре, z0 -толщина окисла. Величина потока (F 3 ) на границе окисла с полупроводником зависит от постоянной К скорости поверхностной реакции и определяется как (2.2) При стационарных условиях эти потоки должны быть равны, так что Следовательно, можно приравнять соотношения (2.1) и (2.2) F 3 = F 1 = F2 = F. и выразить величины С; и С 0 через С*: С;= С* 1 (l + К 1 h + Kzo 1 D ), Со= ( 1+ Kzo 1 D ) С; . (2.3,а) (2.3,б)
30 Для того, чтобы определить скорость роста окисла, представим уравнение потока на границе Si02 - Si в следующей форме: Ni dzo dt к с· =Fз = ---,-------,-- (2.4) 1+K/lz+Kz0 /D Скорость роста окисла определяется потоком (F) и количеством молекул окислителя (N;), необходимым для образования окисла в единичном объеме. Поскольку концентрация молекул Si0 2 в окисле равна 2,2 1022 см· 3 , для получения двуокиси кремния требуется концентрация молекул кислорода 2,2 1022 см· 3 или концентрация молекул воды 4,4 10 22 см· 3 • Соотношение между величинами zo и t определяется интегралом: :" к J кс' N; (1 +- + -)dz ~ h D ' = КС Jdт. (2.5) 0 В результате интегрирования получаем zo где: А= 1 1 2D к l! к 2D(- +-) "' - 2 (2.6) + Azo=B (r + r), (так как обычно h >> 0), (2.6) где z; = 20 нм для сухого 0 2 и О для влажного О2; z; - начальное значение толщины окисла при t = толщины окисла z0 , получаем О. Решая уравнение (2.6) для значения (2.7) о " "'r " "i э 0,1 1 атч 0,01 L..J...:.J..OJ-JJ1"--"'-'.....J...;.ш.'--........-U.J.WJ 0.2 1.0 10 100 н 2 о - gs•c 0,01 ~..J..J.J""'"':'-:-.L..l...U..IJJ'ШI_J.....L-U.JШJJ 0,02 0,1 Вр~м~ 1,0 оки слени~ 8 Рисунок 2.5 -Термическое окисление во влажном и сухом кислороде Si0 2 - Si; z о от времени окисления в потоке сухого кислорода; окисла zo от времени окисления в потоке влажного кислорода а- условия потока в системе б - зависимость толщины окисла в- зависимость толщины 10 t. ч
Выражение (2.7) 31 упрощается I< виду в кс* А Ni (2.R) zo",-(t+т)",-(t+т) для (t+'t)<< А 2 /4В. Zo "" Следовательно, для (Bt р малых "" [ 12 2DC ]' для t >> -;:;;-t времен (2.9) (2.8) окисления толщина окисла определяется постоянной скорости поверхностной реакции К и прямо пропорциональна времени окисления. Для больших времен окисления (2.9) рост окисла зависит от постоянной диффузии D. В этом случае толщина окисла пропорциональна корню квадратному из времени окисления. Используя экспериментально определенные значения А, В и 't, можно построить графики зависимости толщины окисла от времени для нескольких типичных температурных режимов 2.5, как для сухого, так и для влажного окисления (рисунок б, в). Наиболее часто используется толщина окисла, составляющая десятые доли микрона, а верхний практический предел по толщине для обычного термического окисления составляет 1-2 мкм. Значительным достижением последнего времени явилось добавление в окислительную среду в процессе окисления хлорсодержащих компонентов. Это привело к улучшению стабильности порогоного напряжения полевых МДП - транзисторов, увеличению напряженности пробоя диэлектриков и повышению скорости окисления кремния. Главная роль хлора в пленках двуокиси кремния 16 20 3 (обычно с концентрацией хлора проникших в Si0 2 см- ) заключается в превращении случайно 10 -10 примесных ионов (таких, как натрий и калий) в электрически неактивные, а также геттерировании быстро диффундирующих примесей и подавлении дефектов упаковки, индуцируемых окислением [22]. 2.1.3. Литография ЛитограФия - это процесс формирования отверстий в масках создаваемых на поверхности пластины, предназначенных для локального легирования, травления, окисления, напыления и других операций. Ведущую роль в технологии микросхем занимает фотолитография (рисунок 2.6). Она основывается на использовании светочувствительных полимерных материалов Фоторезистов, которые могут быть негативными и позитивными. - Негативные фоторезисты под действием света полимеризуются и становятся нерастворимыми в специальных веществах - в проявителях. После локальной засветки растворяются и удаляются незасвеченные участки. noiztlmodкo ЛAflCIIIU{i 1--..t Нанес~ние фоторезиста и сушка Оmны6ха Рисунок 2.6 - Схема процесса J---...._-1 Со6нещениl' и экспини­ роdание Зadgoлu6oнul' фотолитографии (экспонирования)
32 0,28 Наибольшая чувствительность негативных фоторезистов соответствует длине волны света мкм (ультрафиолет), поэтому экспонирование осуществляют с помощью кварцевой лампы. В позитивных фоторезметах свет разрушает полимерные цепочки: растворяются засвеченные 0,45 участки. Максимальная чувствительность соответствует более длинным волнам (до видимое излучение). растворенных разрешающей Позитивные (проявленных) способностью, фоторезисты участков, чем обеспечивают негативные, т. более е. резкие обладают но имеют меньшую чувствительность и мкм - границы повышенной требуют большего времени экспонирования. Рисунок будущей маски задается фотошаблоном. Он представляет собой стеклянную Fe 20 3, и др.) требуемой конфигурации. В связи с групповыми методами создания микросхем на шаблоне пластину, на одной из сторон которой нанесена тонкая непрозрачная пленка (Сг, СгО, имеется матрица одинаковых рисунков, соотвествующих отдельным микросхемам в масштабе 1:1 (рисунок 2. 7). 1мм Рисунок 2.7 -Фотошаблон для изготовления полупроводниковых интегральных схем Рассмотрим основные этапы процесса фотолитографии на примере получения маски [ 1]. Si0 2 На окисленную поверхность кремниевой пластины наносят несколько капель раствора фо­ торезиста. С помощью центрифуги его распределяют тонким (около 1 мкм) слоем по поверхности пластины, а затем высушивают. На пластину накладывают фотошаблон (ФШ) рисунком к фоторезнету (ФР) и экспонируют (рисунок 2.8,а), а затем его снимают. После проявления негативный фоторезист удаляется с незасвеченных участков (рисунок 2.8,б), а позитивный -с засвеченных. Получается фоторезистинная фоторезист удаляют (рисунок 2.8, маска, через которую далее травят слой SiOz. после чего в). C!em + f + Фш ..--,---,-,---т-( ~~ ~ 31::~ SiOzl;;avzzzzrфf а) Si0z~ZZZ5 tf) SiOz-rs: 2 Фf r71 о) d) Рисунок 2.8 - Процесс фотолитографии для полу­ чения маски Si0 2 Рисунок 2.9 - Схема «взрывной» фотолито­ графии по металлической пленке
33 Для некоторых низкотемпературных операций, например, травления металлических пленок и получения проводников, используется непосредственно фоторезистинная маска. Если Au), материi!Л пленки плохо поддается травлению (например, обратную, или «Взрывную», фотолитографию. На то применяют так называемую пластине 2 формируется фоторезистивна){ маска, а затем наносится пленка 1. 2.9 (рисунок а) сначала и производится жидкостное травление. Травитель действует в основном на фоторезист, растворяя его с торцов, в результате пленка 2, 2.9, расположенная на фоторезисте, отслаивается (рисунок Фотошаблоны. При создании полупроводниковых б). микросхем фотолитография проводится многократно. для чего требуется комплект фотошаблонов. Каждый из них задает рисунок тех или контактных иных слоев отверстий, топологическое проектирование проектирования изготовления (например. проводников (САПР) на фотошаблонов и базовых т. д.). микросхемы основе для и эмиттерных Созданию с помощью электрической микросхем начинается с вычерчивания фотооригиналов - с - транзисторов, предшествует систем автоматизированного принципиальной малой и послойных средней схемы. степенью Процесс интеграции топологических чертежей одной микросхемы. выполненных в увеличенном масштабе (например, помощью специальных устройств областей фотошаблонов 500:1) с большой точностью с координатографов, работающих в автоматическом режиме в соответствии с управляющей программой, задаваемой ЭВМ. Чертеж вырезается в непрозрачной пленке, нанесенной на прозрачную подложку (стекло, пластик). Размер фотооригинала доходит до 1 м при точности редуцированием вычерчивания (уменьшением) ± 25 линий 20 ... 50 в раз, мкм. Оригинал получая фотографируют промежуточный с фотошаблон. Последний, в свою очередь, фотографируют с уменьшением, осуществляя мультиплш<ацию (размножение) рисунков и получая эталонный фотошаблон с матрицей одинаковых рисунков в 1:1. масштабе промежутках Мультипликация между производится в экспонированнем каждого перемешают пластину шаблона с шагом, соответствующим размеру кристалла микросхемы. многопозиционные фотоштампы с ), где в . эталонного фотоповторителях (фотоштампах участка многолинзовыми объективами, Существуют также дающие одновременно большое число изображений, что ускоряет процесс. С эталонного шаблона методом контактной печати изготовляют рабочие шаблоны, которые и используют в процессе фотолитографии. При наложения шаблона на полупроводниковые пластины его поверхность повреждается, и шаблон изнашивается. После 50 ... 100 наложений рабочий процесс получения фотошаблонов - шаблон многоступенчатый. заменяется новым. Описанный На каждой ступени происходит накопление дефектов в рисунке. Поэтому при производстве БИС и СБИС, характеризующихся очень малыми размерами воспроизведения, число элементов ступеней рисунка процесса и высокой изготовления требуемой точностью фотошаблонов должно его быть минимальным. Для этого оригинал выполняется с небалыним масштабом увеличения (обычно 10: 1), размеры элементов рисунка на нем составляют десятки и даже единицы микрометров. Используются прецизионные оптико-механические установки основе работы разделяется на которых лежит элементарные принцип фотонабора. прямоугольники с - генераторы изображения, в Топологическая различными структура отношениями рисунка сторон и определенной ориентацией по углу. По заданной программе очередной элемент формируется подвижными шторками диафрагмы и разворачивается на требуемый угол, а двухкоординатный стол со светочувствительной пластиной устанавливается в положение, соответствующее координатам элемента; производится экспонирование. Затем с помощью фотоповторителя изготовляется эталонный фотошаблон, с которого снимаются рабочие копии. Дальнейшее сокращение числа ступеней создания фотошаблонов (до одной) и повышение точности воспроизведения рисунка достигается при проекционной фотолитографии с пошаговым экспонированием. Фотошаблон (который является и оригиналом) изготовляется на генераторе изображений. Последующее уменьшение и мультипликация изображения осуществляются на полупроводниковых пластинах, покрытых фоторезистом. Таким образом, фотоповторитель применяется непосредственно в процессе фотолитографии. К недоста·п:~::11 такого процесса относится невысокая производительность.
34 Разрешающая разрешающая способность. способность. Ее Важнейшим оценивают параметром максимальным фотолитографии числом - - раздельно 1 мм: R = 1000/(2~). линий воспроизводимых параллельных полосковых отверстий в маске в пределах где ~ является минимальная ширина линии, мкм. На практике разрешающую способность часто характеризуют значением ~. Оно определяет минимальные размеры областей в кристалле или слоев на его поверхности и расстояния между - ними так называемые топологические размеры. Принципиальным физическим фактором, ограничивающим ~. является дифракция света, не позволяющая получать ~ меньше длины волны (Л "" 0,5 мкм для видимого света). На практике ~ может быть значительно больше Л по ряду причин, например из-за рассеяния света в фоторезисте при экспонировании, набухания фоторезиста при проявлении и его последующей усадки при высушивании, несоответствия размеров отверстий в фоторезистинной и основной масках. Для уменьшения несоответствия необходимо применять сухое анизотропное травление. Наилучшую разрешающую способность обеспечивает проекционная фотолитография с шаговым экспонированнем (~=1 мкм при = 0,4 Л мкм). В безлинзовых системах, где проецирование и фокусировка осуществляются с помощью вогнутых зеркал, применяется экспонирование в ультрафиолетовом свете и достигается разрешающая способность При многократной пластиной. При фотолитографии первой существенна фотолитографии 2 ориентировать относительно пластин микросхеме, были дальнейшем это перпендикулярны облегчает фотолитографиях, когда фотошаблон 1 совмещения (рисунок 0,5 мкм. фотошаблона 2.10) с необходимо так, чтобы границы ячеек, соответствующие одной или параллельны разламывание пластина точность уже пластины содержит базовому на некоторые 3 срезу кристаллы. пластины. При слои, В последующих необходимо точно ориентировать рисунок фотошаблона относительно рисунка на пластине. Для совмещения на каждом фотошаблоне предусматривают специальные знаки, например, кресты, квадраты (см. рисунок 2.10, 4). позиция При наложении фотошаблона их совмещают с аналогичными знаками, оставшимися на пластине от предыдущей фотолитографии. Точность визуального совмещения ограничена минимальная ширина интерференции регистрации лучей, их дифракцией, линии ~. отраженных специальными поэтому 8 - Автоматические от знаков совмещения управляющими того же порядка, совмещения на пластине персмещением что основаны и и на шаблоне, и пластины или Перспективные методы литограФии. Литография с разрешающей способностью ~ << 1 шаблона. При этом возможно детекторами, величина методы 8 ~ Л и 8 < ~. мкм (субмикронная), необходимая для СБИС, основывается на применении излуЧений с меньшей длиной волны [1, 4]. 4 2 Рисунок 2.10- Ориентация пластины по базовому срезу 3 Рентгеновская литограФия использует мягкое рентгеновское излучение с длиной волны около 1 нм. Так как фокусирующих систем для него не существует, то литография является контактной. Шаблон представляет собой тонкую (около рентгеновских лучей тонкопленочный (из органического непрозрачный выполненный в масштабе 1: 1. рисунок 5 мкм) мембрану, прозр<1_чную для материала или (например, пленка кремния), золота на которую толщиной нанесен 0,5 мкм), Для изготовления шаблона применяется электронно-лучевая литография (см. ниже). Пластины покрывают слоем резиста, чувствительного к рентгеновскому
35 излучению. Во избежание повреждения поверхностей пластины и шаблона при экспонировании между ними оставляют зазор толщиной около Наиболее простой способ 10 мкм. получения рентгеновского 1 металлического (например, алюминиевого) анода энергиями кэВ, 10 ... 20 5, бериллиевое окно создаваемым электронной (рисунок пушкой 3. - излучения 2.11) бомбардировка 2 пучком электронов Вакуумная камера 7 прозрачное для излучения. Шаблон б и пластина 4 с имеет помещаются вне камеры. Из-за малой длины волны дифракция практически не ограничивает разрешающую способность. Она определяется непараллельностью (расходимостью) лучей, вследствие чего размер и положение засвеченной области в слое резиста не вполне соответствуют отверстию в маске. f §g§§5::6' 2.11- Схема Рисунок 7 рентгеновской литографии 2.12- Рисунок Совмещение шаблона с пластиной при рентгеновской литографии Разрешающая одновременно способность уменьшается экспонирования. повышается· при интенсивность Поэтому для удалении излучения достижения у их достаточно источника поверхности малого от и пластин, возрастает времени но время экспонирования (например, около часа) необходима большая мощность электронного пучка (десятки киловатт при L порядка l м). Во избежание расплавления анод вращают (что создает вибрации, ухудшающие разрешающую способность) и применяют водяное охлаждение. Таким способом получают L'!. "" 0,1 Большой мкм, хотя принципиально эта величина может быть значительно меньше. мощностью и малой расходимостью получаемое в циклических ускорителях электронов - обладает синхротронное излучение, накопительных кольцах. При достижении релятивистских скоростей электроны длительное время движутся по круговым траекториям в магнитном поле. Излучение возникает в результате искривления траекторий электронов и появления центростремительного ускорения. мощность даже на больших (до 40 Излучение имеет малую расходимость, а его м) расстояниях от источника гораздо больше, чем для рентгеновской трубки. В данном случае достигается разрешающая способность 0,0 1 ... 0,05 мкм. Время экспонирования сокращается до нескольких секунд по сравнению с несколькими часами при использовании обычных рентгеновских установок. Для автоматического совмещения шаблона используют непрозрачные знаки совмещения отсутствии совмещении детектор устройство перемещения пластин l с пластиной (на шаблоне 2 с точностью и пластине 3 до (рисунок 4 преобразует проходящее излучение и 5. Грубое первоначальное совмещение 0,1 2.12). мкм При дает сигнал. на осуществляется визуально под микроскопом. Электронно-лучевая потоком электронов. литография Она может использует быть облучение проекционной и резиста сканирующей. (злектронорезиста) В проекционной литографии применяется маска (аналог фотошаблона), представляюшал собой металлическую фольгу с отверстиями, увеличенном масштабе пучкт.1 электронов. соответствующими (10:1) рисунку одной микросхемы, выполненному в методами фотолитографии. Маска облучается параллельным
36 Гl!lll г ·---.-==-~ === : =::::-; l ~--· _J ~ 1 L а) Рисунок i 6) 2.13- Способы сканирования электронного луча Посредством фокусирующей системы уменьшенное электронно-оптическое изображение маски проецируется на пластину. В другом варианте тонкопленочная маска наносится на поверхность плоского фотокатода, при освещении которого происходит эмиссия электронов с открытых мест фотокатода. Совмещение изображения с пластиной осуществляется автоматически путем регистрации вторичных электронов или рентгеновского излучения, испускаемых металлическими тонкопленочными метками совмещения на пластине. 0,1 Хотя длина волны электронов с типичными энергиями 10... 20 кэВ 0,2 ... 0,3 нм), получаемая разрешающая способность не лучше точностью выполнения маски, ничтожно мала (менее мкм. Она ограничена искажениями (аберрациями) электронно-оптических систем, взаимодействием электронов в пучке, не позволяющим формировать пучки малого диам~тра, а также сильным рассеянием электронов в слое резиста. В сканирующей электронно-лучевой литографии шаблон отсутствует, а экспонирование осуществляется перемещением по поверхности пластины остросфокусированного электронного луча; включающегося и выключающегося по заданной программ е. Установка содержит систе­ мы формирования и отклонения луча, генерирования рисунка и управления с помощью ЭВМ. Осуществить одинаково хорошую фокусировку луча для всей поверхности пластины большого диаметра невозможно. Поэтому применяют пошаговое экспонирование, когда элек­ тронный луч по очереди вычерчивает рисунки отдельных схем на пластине. После экспониро­ вания очередного участка (кадра) рабочий стол с пластиной перемещается, производится авто­ матическое совмещение начального положения луча с пластиной и экспонирование следующе­ го кадра. Совмещение осуществляют с точностью не хуже О, 1 мкм путем регистрации вторич­ ных электронов, испускаемых металлическими метками совмещения на пластине при попада­ нии на них электронного луча. Возможны два способа сканирования, растровый и векторный. При растровом способе луч проходит построчно все поле кадра, включаясь и выключаясь в нужные моменты времени (рисунок 2.13, а). Луч имеет круглое сечение с гауссовским распре­ делением плотности тока, его диаметр должен быть не более одной четверти минимальной ши­ рины экспонированной области на пластине. При векторном способе луч сканирует только отдельные участки кадра, где нужно произ­ вести экспонирование, выключаясь при переходе от одного участка к другому (рисунок 2.13, б). Луч имеет квадратное сечение с приблизительно равномерным распределением плотности тока, а его размер соответствует минимальной ширине экспонированной области. Векторное скани­ рование технически сложнее, чем растровое, но обеспечивает меньшее время экспонирования и большие производительность и разрешающую способность. Оно удобнее для получения облас­ тей с прямоугольными границами. Разрешающая способность д = О, 1... 0,2 мкм ограничена минимальным диаметром луча, определяемым кулоновским взаимодействием между электронами, а также рассеянием элек­ тронов в слое резиста. Малый диаметр луча может быть получен лишь при малом токе, а это увеличивает время экспонирования и снижает экспонирования одной пластины диаметром 10 производительность см более 500 (например, время мин). Сложность и низкая производительность установок ограничивают область применения сканирующей литографии. Она используется главным образом для изготовления рентгеношаблонов.
37 Ионно-лучевая литография использует облучение резиста потоком ионов и может быть проекционной и сканирующей. Чувствительность резистов к ионному облучению много выше, чем к электронному, что увеличивает производительность сканирующих систем. Из-за большой чувствительности допустимы пучки с малыми токами и соответственно малым диаметром (до 0,01 мкм), что повышает разрешающую способность. Она улучшается также вследствие меньшего рассеяния ионов в слое резиста и может быть доведена до 0,01 мкм. Ионно-лучевые системы находятся в стадии разработки. С помощью сканирующей ионно-лучевой литографии можно создавать маску в слое шаблона, но и без слоя Si02 резиста, или рисунок тонких металлических слоев не только без используя ионное травление. Системы ионно-лучевой литографии технологически совместимы с установками ионного легирования. В перспектине легирование остросфокусированным сканирующим ионным пучком позволит отказаться от масок и резистов. 2.14 На рисунке микроэлектронных приведены приборах и данные по изменению литографических со методах, временем из которых ширины можно линий в получить информацию о достигнутых результатах и ожидаемом прогрессе в улучшении характеристик приборов, а также определить сроки достижения предельных величин. Основываясь на физических ограничениях, можно сделать вывод, что минимальная длина канала в МОП­ транзи.сторах будет менее 0,10 мкм. Аналогичный предел характерен и для биполярных транзисторов. Можно ожидать, что в ближайшие два десятилетия миниатюризация достигнет пределов, связанных с физическими ограничениями, так как уже сейчас соответствующее технологическое оборудование для реализации таких размеров Использование в технологическом производстве лучевых методов ( [4]. имеется электронно-лучевых, ионно-лучевых, рентгеновских, сухой технологии) является тем горизонтом, который откроет возможность получать приборы с характерными размерами ся столкнуться с фундаментальными вопросами, 10-25 нм. В этом диапазоне придет­ связанными с новыми физическими принципами работы приборов и ограничениями, свойственными традиционным планарным процессам. 100 10 Контактна\\ <пр е nел 6 мкм) ::Е "' :t s s: "s G ., 0,1 -~ С>. s 3 0,01 0.001 1950 1960 1970 1980 Bpe"::~ Рисунок 2.14 - Изменение ширины линий в • rо.ды 1990 2000 микроэлектронных приборах при использовании литографических методов по годам Вследствие большого электрического поля, возникающего в приборах с такими малыми размерами, механизмы переноса дырок и электронов принципиально изменяются. Скорость электронов становится очень большой и время между двумя столкновениями сильно уменьшается. Через такие приборы электрон может пролететь вообще без столкновений. При очень малых линейных расстояниях характеристики прибора в существенной мере начинают зависеть от свойств прилегающих к нему областей, т. е. соседних приборов, изолирующих стру-
38 ктур, поверхности и переходных слоев. Появляется вероятность возникновения новых явлений связи между приборами, не имеющими протяженной изоляции. Конечно, все эти явления, свойственные «микромиру», могут привести к возникновению приборов и структур новых типов. Естественно, что эволюция технологических методов также будет способствовать широкому проникновению научных принцилов в разработку приборов и поиску новых физических эффектов для их построения. 2.1.4. Легирование Для изготовления элементов микросхем полупроводников требуется кремниевой подложки с целью создания в ней областей N- метод легирования использовалась диффузия в печи при температурах Диффузионный процесс производится в два этапа. селективного легирования или Р-типа. До начала 70-х годов для 950-1280 ос (рисунок 2.15,а). На первом этапе атомы легирующей примеси осаждаются на поверхность подложки или в приповерхностном слое из газовой фазы или нанесенного на подложку слоя, ·содержащего требуемую легирующую примесь (процесс загонки). Затем осуществляется процесс разгонки, во время которого легирующие атомы продвигаются . в определяется глубь подложки. прежде всего приповерхностном слое Характер способом результирующего распределения предварительного осаждения подложки, тогда как глубина диффузии примеси примеси в зависит в основном от температуры и времени диффузионной разгонки. наrреватепь Лl!rир~ющй~ ~ :..:: : .: ·..:; :::·;. :>.. """ .=~·~::-::<:>;:~;>:::;-- 8ТОМЪ1 8 rаэообраэнOr.t • • .. • ••• ··:. ·: · ·; .:· :. · ::. f. ·:;·. Леrирvюшиv ионы sь•со~ой энерrни COCTOfl· · ... •• · •• : • . : : lf а Рисунок 2.15- Сравнение процессов диффузии и ионной имплантации для селективного введения примесей в кремний: а- диффузия, б Параметры процесса Диффузия - ионная имплантация Ионная имплантация Управление процессом Однородность легирующей примеси и ± 5% на пластине ± 15% общая ±!%общая воспроизводимость Возможность загрязнения Большая Тугоплавкие металлы, Конструкционные поликремний материалы Окружающая среда Печь Пренебрежимо малая Тугоплавкие и нетугоплавкие материалы Вакуум В начале 70-х годов селективное внедрение примесей в кристаллический кремний стали проводить при комнатной температуре методом ионной имплантации, который иллюстрируется на рисунке 2.15,6, а позднее методом, основанным на преобразованиях ядер, вызываемых потоками нейтронов. Эти методы обеспечивают лучшее управление процессом легирования, чем при диффузии.
39 2.1.4.1. Диффузия примесей Диффузия используется для введения в полупроводник некоторого заданного количества легирующей ·лримеси. Большинство примесных атомов располагаются в кремнии в узлах кристаллической решетки, замещая основные атомы. Эти примеси могут перемешаться в направлении пустых узлов кристаллической решетки (вакансий). При очень высокой температуре (1000°С) многие атомы кремния покидают узлы решетки, и плотность вакансий становится высокой. Если существует градиент перемешаются по вакансиям, как показано на рисунке теле. концентрации, 2.16 то атомы примеси а, и происходит диффузия в твердом Когда после диффузии кристалл остывает, вакансии исчезают, а примесные атомы, занимающие узлы решетки, фиксируются. Примесные атомы, которые занимают пространство между основными атомами, называются межузельными примесями. Примесные атомы перемешаются по кристаллической решетке скачками от одного межузлил (или узла) к другому. При высокой температуре пространство между атомами увеличивается так, что примеси могут диффундировать по межузлиям, как показано на рисунке 2.16 б. После охлаждения кристалла межузельные атомы могут вернуться в узлы, замещая основные атомы, и стать электрически активными. Замещение является механизмом диффузии для бора, фосфора и большинства примесей, используемых для легирования кремния. Особым исключением является золото, которое диффундирует в основном по междоузлиям. о о о 1 1 ._....... о о •+t о о о о о о о о о~ о о о • о ~· о а а а о о о ·-·~· о о о о ·-~· о о о о о о о о о о о о о 1о 6 а Рисунок ...... о 2.16 - Диффузия примесей в кристаллической решетке: а- диффузия атомов примеси по вакансиям; б -диффузия атомов примеси по межузлиям Граничные Этаn Загонка N = N 0 приz =О N; Оnри Z ;со N(z.t) = N0 erfc дN 1 - N(c.. , f) =О дz (Q,t)- О z 1/Dt 2 Dt "" Q(t} Рананка Модель '1равнени11 ~СЛОВ«Я =! 0 N(z.t)dz= ..... Si ·: Га3 t - - - - - - - ;... ... <..._________ .·N~:-~~- Nlz,tJ= Si0 2 ... '·.· :. · ~ .. · Si Рисунок 2.17 - Процесс диффузии примесных атомов о z
40 темnера1ура 1~00 1200 1100 , оС 1000 900 1.5 ' "'' и .I: 1021 и ... '-' 1 .с 0.8 о :s: 0.6 ~ 1020 ~ ':r ._ 0.. о "',_u 10 0.4 101Э At а. "'"' ~ 0.3 ~ 0.2 1018 з: .D ~ с:: "' сх ~ 10 17 600 800 1000 TeмnepaтiJpa 1200 • 0 1400 O.i С 7,0 9.0 8,0 10 4 т- 1 • к_, Рисунок 2.18- Предельные растворимости 2.19- Зависимость коэффициента Рисунок распространенных легирующих примесей диффузии некоторых примесей от температуры в кремнии в зависимости от температуры - Обе стадии диффузионного процесса уравнением диффузии · загонка и разгонка примесей - описываются 2 dN(z,t) = D d N(z,t) dt dz 2 (2.10) при соответствующих граничных условиях, представленных на рисунке Зависимость от температуры предельной используемых примесей показана на рисунке 2.18. 2. 17. растворимости в кремнии некоторых часто 2.19 представлена температурная P-N перехода может материал N- типа. ·В этом случае На рисунке зависимость коэффициента диффузии различных примесей. Формирование быть осуществлено диффузией примеси Р- типа в распределение примеси определяется как N(z,t)=N 0 eifc где Nc - z 2(Dt) 112 (2.1 1) Nc, исходная концентрация примесей в кремнии перехода от поверхности z, N - типа. Величину расстояния можно получить при подстановке в формулу (2.11) N = 0: p-n (2. 12) Глубина залегания при боров. На рисунке 2.20 p-n - перехода является важным параметром полупроводниковых показаны профили распределения. примесей для p-n - перехода и n-p-n транзистора, изготовленных методом диффузии. Профиль легирующей примеси изменяется каждый раз при повторных нагревах подложки, когда проводится очередной термический процесс: окисление или диффузия. Это означает, что при разработке технологического процесса для получения требуемых глубин залегания переходов и профилей легирующих примесей необходимо учитывать каждый термический процесс.
41 n-тиn,erfc р- тиn , rа~ссовс~ое расnределение n- тиn, иоодная конц11нтрация nримеси о Расстояние z- n Расстояние z- коллектор 1,5 ~к м 2,0 мкм 1 1 zеь z ьс а Рисунок б 2.20 - Профили распределения примесей в p-n переходе (а) и n-p-n транзисторе (б), изготовленных методом диффузии 2.1.4.2. Ионная имплантация примесей При ионной имплантации атомы легирующей примеси ионизируются, а затем ускоряются в электрическом поле до высоких энергий (30 - 350 кэВ), как показано на рисунке Магнитный масс-сепаратор отделяет ненужные ионы от легирующих. через отклоняющую и фокусирующую системы ионный пучок 2.21. После прохождения направляется на полупроводниковую мишень, где ионы высокой энергии проникают в поверхностный слой полупроводника. Ионы теряют свою энергию при столкновениях с ядрами и электронами материала мишени и в конце концов останавливаются. Весь путь, который проходит ион до своей полной остановки, называется его пробегом (R), а проекция (Rp). этого пути на направление падения ионного пучка называется проекцией пробега Профиль легирования обычно характеризуется проекцией пробега и ее разбросом ~Rr. На рисунке 2.22 ионов бора, приведены графики зависимости фосфора и мышьяка. Rp и Rp + ~Rr Если предположить, от энергии внедренных в кремний что полупроводник ориентирован относительно ионного пучка не по направлению главных кристаллографических осей, то результирующие профиля легирования примесей по своему виду близки к распределению Гаусса. Концентрация легирующей примеси в зависимости от расстояния от поверхности кремния определяется как N(z) = где N,ш"с expl- (z- Rf' f j МР 2 j, Nмакс= N 0 j2,5Mf' ND =(Число имплантированных атомов)/см 2 . (2.13) (2.14)
42 Однако если ион проникает в кристалл кремния параллельна главной кристаллографической оси или плоскости, то глубина проникновения увеличивается за счет эффекта каналирования, что приводит к профилю распределения, показанному на рисунке 2.23. Пространствеиное селективное легирование проводится с помощью маски, в качестве которой используется двуокись кремния с фоторезистом заданного рисунка. По1енциаn источник эемли 1• ВЬIСОКОГО наnряжения nотенц~tаn обОРVАО&ания рЗ3мерое луч nеременных для no оертикаnи,н система уnравления 111111 Мишень nоrлощения нейтральных частиц Система, отклоняющая ДиaQJpart<a горизонтальная откл~ния луча отклоняюwая nvчкo~D сиtте~о~а Линзы ~скоряющая nотенциал эем11и Ри.сунок 2.21- Схема ионной имплантации для селективного внедрения примесей в кремний Основное преимущества ионной имплантации заключается в удобстве управления этим процессом. Точное количество легированных в кремний ионов можно определить путем измерений ионного тока и времени имплантации. Концентрацию примесей можно изменять в широких пределах, так как количество внедренной примеси не зависит от условий ее растворимости в кремнии. Кроме того, регулируя ускоряющее наnряжение, можно изменять распределение примеси, что является также преимуществом по сравнению с . высокотемпературной диффузией. Поскольку ускоренные ионы соударяются с атомами кремния, в кристаллографической решетке образуется значительное количество дефектов. Однако большинство этих дефектов может быть исправлено путем отжига подложек при температуре приводит к тому, что смещенные атомы возвращаются в свои 700 - 1000 равновесные °С. Отжиг положения в решетке, тем самым восстанавливая монокристаллическую структуру. Хотя во время отжига и происходит температура некоторая при продолжительность этом диффузия обычно процесса примесей, гораздо короче, ниже, чем типичных диффузионных циклов. Рисунок 50 100 Энерrиll . 200 кэ8 500 1000 2.22 - Rp и Rp в Изменения проекции пробега ионов стандартного отклонения этой величины /'о, зависимости от энергий имплантированных ионов а для
43 декана~ированные ионы n~чок кана~иро­ еанньох Деканаnированньое ® ИОНЬI Концеюр;щия ® 1 ионов ионов ® 1 Пик А~Я J ионов "'ом nик ка на­ л~<рованньох в идеа~ь­ случае nекана­ лированных ионов z Расстояние Rмакс вглубь кристаnла Рисунок 2.23 - Эффект каналирования ионов в кремниевом кристалле вдоль главной кристаллографической оси .или плоскости В последнее имплантации время дефектов после легирования используется мощное для устранения лазерное образованных облучение. Для при ионной отжига лазеры используются в двух режимах: в импульсном и непрерывном. В случае импульсного режима лазер с модулированной добротностью очень быстро (за 30 - 50 не) нагревает узкую поверхностную область подложки. Эта область расплавляется и рекристаллизуется, образуя высококачественный монокристаллический слой и полностью отожженный профиль с импЛантированной примесью. В случае непрерывного режима лазерный луч сканирует всю поверхность подложки и нагревает кремний до температуры ниже точки плавления. В данном случае дефектные области превращаются постепенно в недефектные из глубины подложки по направлению к ее поверхности, подобно тому как образуются монокристаллические слои в эпитаксиальном процессе; при этом диффузия (перераспределение) примесей не наблюдается. 2.1.4.3. Нейтронное легирование кремния Новый интересный процесс, используемый для легирования кристаллов, основан на ядерных трансмутациях атомов кремния в фосфор при облучении кремния в ядерном реакторе потоком тепловых нейтронов (En + 0,025 эВ). Последовательность реакций тепловых нейтронов с кремнием в этом процессе может быть представлена как 30 Si + n-t 31 Si, ) 31 р з1 Si ,,1 ,~2.6•, з1р + n-t32p, 32 р 'ч ,;14.Здllя + f3-, 32 S + /3-. [4]
44 Из анализа этих реакций следует, что процесс легирования с использованием 31 преобразований ядер достаточно словен. Действительно, изотоп Р, образованный в 30 результате захвата теплового нейтрона изотопом Si, может также захватить нейтрон и превратиться в изотоп 32 31 Р с последующим бета-распадом. Тогда как изотоп 32 короткоживущий не дает остаточной радиоактивности, изотоп Si, очень Р , достаточно долгоживущий, 32 и приводит к заметному уровню радиоактивности. Количество изотопов Р прежде всего 31 зависит от количества изотопов Р и в пекоторой степени от потока нейтронов и первоначальной концентрации фосфора в кремнии. Конечно, легирование кремния за счет ядерных реакций формирует только слой N-типа с фосфорной примесью, однако этот способ имеет преимущества в том, что может обеспечивать однородную концентрацию фосфора в кремнии. Поскольку в результате облучения в реакторе образуются структурные дефекты, для восстановления кристаллической структуры и проводимости требуется провести отжиг. Процесс легирования кремния с применением преобразований ядер использовался в основном для создания мощных полупроводниковых рассматривается возможность его использования для приборов, но в последнее время изготовления интегральных микросхем и оптических полупроводниковых датчиков. 2.1.5. Травление Травление представляет собой удаление поверхностного слоя не механическим, а чаще всего химическим, путем. Его применяют для получения максимально ровной бездефектной SiOz поверхности пластин, не достижимой механическими способами обработки, удаления и других слоев с поверхности. Локальное травление используется для получения необходимого рельефа поверхности, формирования рисунка тонкопленочных слоев, а также масок. Жидкостное травление. В основе жидкостного травления лежит химическая реакция жидкого травителя и твердого тела, в результате которой образуется растворимое соединение. Подбором химического состава, концентрации 0,1 заданную скорость травления (порядка и температуры травителя обеспечивают мкм/мин) и толщину удаляемого слоя. Локальное травление осуществляют через маску. Оно может быть изотропным и анизотропным. Изотропное травление идет с одинаковой скоростью во всех направлениях как вглубь, так Si02 через маску фоторезиста 1 плавиковая кислота HF. Размер W и под маску. Примером такого процесса служит травление слоя (рисунок 2.24). Основной компонент травителя вытравленной области больше размера отверстия удвоенную толщину d травление не позволяет Wo в маске на величину, превышающую Si0 2 (W> W 0 + 2d). В связи с этим жидкостное изотропное получить в слое Si0 2 отверстия достаточно малых размеров. Так как слоя этот слой в свою очередь является маской при легировании, то не могут быть реализованы элементы микросхем достаточно малых размеров. Жидкостное травление обладает высокой избирательностью, количественно оцениваемой отношением скоростей травления требуемого слоя (например, Si0 2) и других слоев (например, кремния, фоторезиста); скорость химической реакции специальных травителей зависит от кристаллографического направления. перпендикулярной плоскости ему Она (111) минимальна максимальна в направлении плотность (111), атомов. так как Плоскость в (100) характеризуется значительно меньшей плотностью атомов, и скорость реакций в направлении (100) Пусть в 10 ... 15 раз больше. На этом основано жидкостное аюцотропное травление кремния. поверхность прямоугольными пластины отверстиями, параллельным плоскостям имеют ориентацию (111), ( 111 ). имеет ориентацию стороны которых (100) и используется ориентированы по маска Si02 с (011), направлениям После травления получается канавка, боковые стенки которой т.е. перпендикулярны направлению, соответствующему наименьшей скорости реакции. При малом времени процесса канавка имеет плоское днО (рисунок 2.25,а), с ростом времени она углубляется и становится У-образной (рисунок 2.25,б); После этого травление резко за:.щ::~дястся (практическ:т остаюшливается), так как Л:<1пьше о:ю RС~:1можно
45 60°. Глубина канавки d определяется W0 и составляет приблизительно О, 7W0 [ 1]. Если же поверхность имеет ориентацию (011), то стенки канавок получаются вертикальными, так как они соответствуют ориентации (111) (рисунок 2.25, в). Таким способом можно сформировать канавки шириной менее 1 мкм и глубиной около 1Омкм. Однако ориентации (О 11) соответствуют худшие электрофизические параметры поверхности. лишь в направлениях [111]. Угол а между стенками около размерами отверстия в маске UOOJ SiDz t / Si [Ift] Рисунок 2.24 - Изотропное травление Si0 2 "'(111] а) [/00] \ i S·o rom Wo d 1 v Si 1 Рисунок 2.26 - Сухое ~ анизотропное травление о) t - (011) / J,.--(lff) [fff] 1 Рисунок Cvxoe 2.25 - Анизотропное травление 1 б) анизотропное травление. Такое травление производят в вакуумной установке в плазме газового разряда. Различают ионное травление, основанное на физическом распылении материала при бомбардировке его ионами инертных газов, плазмохимическое травление, осно­ ванное на химическом взаимодействии активных частиц плазмы (ионов, атомов, молекул) с материалом, подвергающимся травлению, и комбинированное реактивное ионное травление. Важнейшим достоинством сухого травления является его анизотропия: травление идет преимущественно в вертикальном направлении, в котором движутся частицы. Размер вытрав­ ленной области весьма точно соответствует размеру отверстия в маске. На рисунке но травление слоя диоксида кремния через маску фоторезиста 1. 2.26 показа­ Процесс позволяет получать Si0 2 меньших размеров, чем при жидкостном травлении. Количественно ани­ зотропия оценивается отношением скоростей травления в вертикальном и горизонтальном на­ отверстия в слое правлениях. Ионное травление практически не обладает избирательностью. Поэтому, несмотря на максимальную анизотропию, использовать его для локального травления затруднительно. Ион­ ное травление применяется в основном для очистки поверхности от загрязнений. Плазмахими­ ческое травление производится при давлении порядка 500 Па в плазме высокочастотного газо­ вого разряда. На поверхность пластин попадают ионы с малыми энергиями (100 эВ) и ней­ тральные химически активные атомы и молекулы. Анизотропия в ,этом случае мала обеспечиваются высокая избирательность (до 50) и скорость травления 2 ... 10 нм/с. (2 ... 5), но Наиболее широкие возможности имеет реактивное ионное травление. Оно производwrся при меньших давлениях (около 1 Па) и больших энергиях ионов (до 500 эВ). Скорость химиче­ ских реакций нейтральных атомов и молекул с материалом, подвергаемым травлению, возрас­ тает вследствие бомбардировки его ионами. При низких давлениях средняя длина свободного пrюбеса ">Ю'!еку.тт намноге \)ольше гп"бины травлеFчЯ, а скорость взаимодействия газа с горизон-
46 тальной поверхностью пластины больше, чем с боковыми стенками углублений. С другой сто­ роны химические реакции, ослабляя связи атомов на поверхности, способствуют физичес-кому распылению материала ионами. Все это обусловливает высокую анизотропию процесса (до 100) при хорошей 30) и достаточно высокой скорости (0,3 ... 3 нм/с). Si02, применяют газообразный четырехфтористый углерод CF4 , который в плазме распадается на CFz и F. Последний взаимодействует с Si0 2, в результате чего образуется SiF4. Добавление Hz обеспечивает избирательность травления Si02 до 35 по сравнению с кремнием и 1О по сравнению с фоторезистами. Для травления кремния применяют CF4 с добавлением Oz. избирательности (до Для травления 2.1.6. Нанесение тонких пленок Тонкие пленки широко используются в полупроводниковых и гибридных интегральных микросхемах для создания проводников соединений, резисторов, конденсаторов и изоляции между элементами и проводниками. Помимо необходимых электрофизических параметров от них требуется хорошая адгезия (прочность связи) к материалу, на который наносится пленка, например к кремнию или диоксиду кремния в полупроводниковых микросхемах, к диэлектрической Подложке или ранее нанесенной пленке в гибридных микросхемах. Некоторые материалы имеют плохую адгезию с подложками (например, золото с кремнием). Тогда на подложку сначала наносят тонкий подслой с хорошей адгезией, а на него имеющий хорошую адгезию с подслоем. Для - основной материал, предотвращения повреждений пленок при колебаниях температуры желательно, чтобы ТКР пленок и подложек как можно меньше отличались друг от друга. Термическое вакvvмное испарение. Наносимое вещество помещают вместе с подложками в вакуумную камеру. В результате нагревания происходит испарение и осаждение вещества на подлож~е. Скорости испарения и роста пленки сильно зависят от температуры. Практика показывает, что осаждение происходит с приемлемой скоростью, если достигается условная испарения Тусл , при которой давление паров вещества достигает 1,3 Па. Если (Cr, Мо, Si, W ), то вещества интенсивно испаряются из твердого состояния, а если Тпл {Al, Au, Pt)- ТО ИЗ ЖИДКОГО [1]. температура Тусл < Т уел> Тпл Испаряемые материалы могут нагреваться прямым или косвенным путем. Прямой нагрев осуществляется при пропускании электрического тока через металлический материал (необходимо, чтобы выполнялось условие Т уел< Тп 11 ) индукционным способом или электронной бомбардировкой (для тугоплавких металлов Мо, W). Та, Косвенный нагрев происходит вследствие теплопередачи от испарителя (тигля, ленты, спирали и т. п.). На процесс .осаждения 200 .. .400 влияет температура подложки, выбираемая в пределах температуре осаждаемые атомы не могут мигрировать по °С. При слишком низкой поверхности, что ведет к их неравномерному распределению и группированию в "островки" разной толщины. Слишком высокая температура вызывает обратное испарение осажденных атомов с подложки. 4 Высокий вакуум (10- •• .10- Па) обеспечивает чистоту пленок. Время осаждения (от нескольких секунд до нескольких минут) регулируется с помощью специальных заслонок, преграждающих доступ испаряемого вещества к подложкам. Недостатками данного способа являются невысокая температуры и воспроизводимость кратковременности параметров процесса, а пленки также из-за плохого невозможность контроля воспроизведения химического состава испаряемого вещества (например, сплава или химического соединения) из-за разной скорости испарения входящих в него компонентов, поэтому термическое вакуумное испарение применяется в основном только для чистых металлов. Распыление ионной бомбардировкой. Процесс производится в вакуумной камере, заполненной инертным газом (например, аргоном), в котором возбуждается газовый разряд. Возникающие положительные ионы бомбардируют распыляемый материал (мишень), выбивая из него атомы или молекулы, которые осаждаются на подложках. Выбитые атомы н1 пути к подложке рассеиваются на атомах инертного газа. Это уменьшает скорость осаждения, но увеличивает равномерность осаждения пленки по подложке, чему также способствует большая
47 площадь мишени. Скорость и время распыления (от нескольких минут до нескольких часов) регулируются напряжением на электродах и могут быть выдержаны с высокой точностью. По сравнению с термическим вакуумным испарением данный процесс позволяет получать пленки тугоплавких- металлов; наносить диэлектрические пленки, соединения и сплавы, точно выдерживая их состав; обеспечивать равномерность и точное воспроизведение толщины пленок на подложках большой площади, а также малую инерционность процесса. Распыление ионной бомбардировкой имеет несколько разновидностей. Катодное распыление. Распыляемый материал (обязательно металл) является электродом катода камере 1 4 2.27). На заземленном аноде 2 1... 10 Па. На катод подается (рисунок составляет Возникает газовый располагаются подложки 8. Давление газа в высокое отрицательное напряжение 2 ... 5 кВ. разряд, сопровождающийся образованием электронно-ионной плазмы. Положительные ионы образуются вследствие ионизации атомов газа злектронами. В свою очередь, ионы, ускоряясь в сильном электрическом поле, выбивают из катода электроны, необходимые для поддержания разряда, а также атомы, которые диффундируют через газ и осаждаются на подложках. Для повышения концептрации ионов в разрядном пространстве и увеличения скорости распыления применяют магнетронные распылительные системы, в которых перпендикулярно электрическому полю Е между катодом и анодом направлено постоянное магнитное поле В. Оно искривляет бомбардировки. ионизацию траектории электронов, стремясь возвратить газа, движутся к аноду вылетевших из их обратно на катод. по сложным траекториям электронов в магнетранах свч (рисунок катода петлеобразным 2.28, вследствие ионной Электроны, теряя энергию на где е траекториям, - электрон, еэ подобным - ион,О - атом, выбитый из катода). Увеличение длины пути электрона приводит. к образованию значительно большего числа ионов, чем при отсутствии магнитного поля, что повышает скорость распыления или (при той же скорости) позволяет снизить давление газа и загрязнение пленкИ. Кроме того, электроны достигают анода с малой скоростью, что снижает нагревание анода и, следовf!тельно, предотвращает испарение осаждаемой пленки, устраняет возмоЖность ее рекристаллизации и изменения химического состава. При реактивном катодном распылении в камеру вводят небольшое количество газа, способного образовывать химические соединения с распыляемым материалом. Например, добавляя кислород при распылении тантала или кремния, можно получать диэлектрические пленки Ta20s. Si02. Kamoil ~ J Aнoil Рисунок 2.27 - Установка катодного распыления Рисунок 2.28 - Схема магнетровного распыления Недостатками катодного распыления являются загрязненность пленок из-за сравнительно низкого вакуума, а также невозможность напыления через металлическую маску (трафарет), так как она искажает электрическое поле у анода. Ионно-плазменное напыление. Давление газа в камере устанавливается порядка 10-2 Па, т. е. значительно ниже, чем при катодном распылении, что уменьшает· загрязнение пленок. Длина свободного пробега выбитых из мишени атомов превышает расстояние мишень подложка, благодаря чему отсутствует рассеяние атомов, что способствует - повышению скорости осаждения. Получить достаточно большую концентрацию ионов (а значит, и скорость осаждения) в условиях понижениого давленая можно, не используя накаливаемый катод источник электронов. -
Схема установки 2.29. В нижней части вакуумной - анод 8, на который подается положительное На мишень 4 подается высокое отрицательное ·напряжение 2.. .3 кВ. подложка 5 с нагревателем б, обеспечивающим температуру, показана на рисунке 2, расположен вольфрамовый катод напряжение около Напротив 100 48 камеры 1 В. расположена соответствующую наилучшим а в верхней условиям осаждения. Для увеличения концентрации ионов создают магнитное поле, направленное от катода к аноду. Рисунок 2.29 - Установка ионно-плазменного напыления Электроны, вылетающие из катода под небольюими углами к вектору магнитного поля, двигаются к аноду по спиральным траекториям вокруг оси разряда, проходя путь, значительно больший расстояния катод Степень ионизации - анод, газа порождая на этом пути гораздо больше ионов. 1... 2 на порядка выше, чем при катодном распылении и составляет единицы процентов. Начало и конец процесса определяются подачей и отключением напряжения на мишени. Перед началом напыления проводится ионная очистка поверхности nодложки. Ионы с низкой энергией, ударяясь о поверхность подложки, удаляют с нее загрязнение. Так же может быть произведена и очистка мишени. Очистка мишени и подложки способствует чистоте пленок и их хорошей адгезии к подложкам. В отличие от катодного распыления подложка не вл~яет на напряженность электрического поля и скорость распыления, равномерность толщины пленки и дает возможность напылять ее что обеспечивает через металлический трафарет, накладываемый на подложку. При этом одновременно формируется и рисунок пленок, что существенно для гибридных микросхем. Высокочастотное распыление. Рассмотренные выше методы распыления на постоянном токе применяют для напыления металлических и полупроводниковых материалов. В случае диэлектрической мишени попадающие на нее положительные ионы не могут нейтрализоваться электронами из внешней цепи; в результате потенциал мишени повышается и процесс прекращается. Поэтому для распыления диэлектрической мишени необходимо периодически менять знак потенциала на ней. В установке на рисунке диэлектрический постоянного слой, подают стандартной частотой положительными 2..29 переменное 13,56 ионами и электронов. Устройства (катод на металлическую высокочастотное распыляется, напряжение 4 представляет собой на которую большой помимо амплитуды со при положительном - на мишень поступает поток заряд ионов (распыления нет из-за малой массы и энергии высокочастотного - пластину, МГц. При отрицательном напряжении мишень бомбардируется электронов, нейтрализующих трехэлектродных это достигается тем, что мишень нанесенный анод - мишень) распыления установок не всегда строятся ионно-пазмеиного по типу напыления с несамостоятельным разрядом. Распространены более простые двухэлектродные установки типа представленной на рисунке 2.27, где на мишень 1 подают высокочастотное напряжение, вызывающее высокочастотный разряд. В нем может быть получена высокая концентрация ионов даже при низком давлении газа, характерном для ионно-плазменного напыления. Это объясняется тем, что период высокочастотного напрЯжения меньше времени пролета электронов от подложек до мишени, и они долго находятся в средней части разрядного f,IРОстранства, совершая колебательные движения и эффективно ионизируя газ. Для увеличения
49 длины пути электронов и концентрации генерируемых ими ионов прикладывают магнитное поле, направленное по оси разряда. Химическое осаждение из газовой Фазы. Для получения пленок поликристаллического (SiOz, кремния и диэлектриков SiзN4) в технологии полупроводниковых микросхем широко используется химическое осаждение из газовой фазы. химической реакции в газовой фазе при Осаждение происходит в результате повышенной температуре и осуществляется в эпитаксиальных или диффузионных установках. Для осаждения пленок поликристаллического кремния на пластины, покрытые слоем силана, SiH 4 Пленки Si02, Si +Н 2 при Т = 650 °С. SiOz, используемые в качестве применяется реакция пиролиза (разложения) ~ защитных покрытий пластин или изоляции между слоями соединений, осаждают окислением силана: SiH 4 + 0 2 ~ Si02 при Т = 800 = 200 ... 350 +Н 2 при Т Нитрид кремния получают в результате реакциисиланас аммиаком: SiH 4 + NH 3 ~ С. Si3 N 4 + Н 2 °С. Достоинствами химического осаждения из газовой фазы являются простота, хорошая технологическая совместимость с другими процессами создания полупроводниковых микросхем (эпитаксией, диффузией) и сравнительно невысокая температура, благодаря чему практически отсутствует нежелательная разгонка примесей в пластинах. Скорость осаждения определяется температурой и концентрацией реагирующих газов в потоке нейтрального газа-носителя и составляет в среднем несколько сотых долей микрометра в минуту. Химическое осаждение из водных растворов. Применяемое в технологии гибридных микросхем химическое осаждение из водных растворов основаtю на восстановления металлов из растворов их солей. Электролитическое осаждение производится в электролитических ваннах, где проводящая подложка является катодом, а анод выполнен из материала осаждаемой пленки или инертного по отношению к электролиту металла. При пропускании электрического тока на катоде осаждается металлическая пленка, толщина которой зависит от тока и времени осаждения. Скорость процесса хорошо регулируется в широких пределах изменением тока. Таким образом можно получать не только тонкие, но и толстые пленки применяемые, например, для создании жестких и балочных (20 выводов мкм и более), бескорпусных полупроводниковых микросхем и транзисторов, а также металлических масок (трафаретов). Разновидность электролитического осаждения - анодное окисленИе (анодирование). Подложка или ранее нанесенная на нее металлическая пленка служит анодом. Выделяющиеся у анода атомы кислорода взаимодействуют с материалом подложки, образуя плотно сцепленную с ней окисную пленку. Таким способом получают, например, пленки окиси тантала или алюминия, применяемые в качестве диэлектриков тонкопленочных изолирующих слоев многослойных соединений. Пленки конденсаторов или Та или А! предварительно наносят вакуумным способом. Возможно также вакуумное анодирование в плазме газового разряда, содержащей ионы кислорода. Оно осуществляется в установках катодного или ионно­ плазменного распыления. 2.1.7. Методы электрической изоляции элементов полупроводниковых ИС В монолитных полупроводниковых ИС активные и пассивные компоненты реализуются в объеме и на поверхности полупроводникового кристалла. Для выполнения определенных функций эти элементы должны быть электрически соединены по заданной схеме. В отличие от схем на дискретных элементах, монтируемых на диэлектрическую плату (электрически изоли­ рованных), в полупроводниковой ИС необходимы конструкционные области, обеспечивающие изоляцию кажцрго или группы элементов друг от друга для реализации необходимых режимов по току и потенциалу. Различают три основных метода изоляции элементов: • • изоляция обратносмещенным изоляция диэлектриком; p-n переходом;
50 • гибридная изоляция, совмещающая боковую изоляцию диэлектриком, а основа­ ние - p-n переходом. В полупроводниковых ИС используются как биполярные, так и МДП-транзисторы. Бла­ годаря электрической самоизоляции МДП-транзисторов одного типа проводимости в ИС на их основе (МОП ИС) снимаются проблемы, связанные с созданием изолирующих областей, и тем самым увеличивается эффективность использования пластины и степень интеграции. Именно по этой причине, а также меньшему количеству сложных технологических операций более 90% всех СБИС и УБИС выполняется по МДП технологии. Тем не менее, и в МДП ИС используется боковая изоляция элементов диэлектриком для уменьшения паразитных связей. В ряде случаев применяется полная диэлектрическая изоляция, например, МДП ИС на сапфире или на подлож­ ке Si02-Si. В полупроводниковых ИС на основе биполярных и полевых транзисторов с управляю­ щим p-n переходом или барьером Шоттки требуется создание изолированных «карманов» - п­ областей, в которых формируются активные и пассивные элементы. Эти «Карманы» изолирова­ ны друг от друга либо обратносмешенным переходом, либо диэлектриком. Исключением для биполярных ИС являются БИС и СБИС интегральной инжекционной логики, в которых схематехника не требует изоляции элементов. В результате в этих схемах достигается степень интеграции, аналогичная МДП ИС. Для интегральных схем малой и средней интеграции широко используется изоляция элементов методом разделительной диффузии (РД). Суть этого метода (рисунок 2.30) заключа­ ется в создании п-карманов в эпитаксиальной пленке, выращенной нар-подложке с предвари­ тельно созданным коллектора n-p-n n +-заглубленным слоем для уменьшения омического сопротивления тела транзистора. По периметру п-кармана, например, прямоугольной формы, про­ водится сверху локальная диффузия примеси р-типа. Рисунок 2.30 - Конструкция интегрального биполярного транзистора с изоляцией по технологии «Р Д» Поверхность схемы покрыта защитным слоем ПФСС-пиролитическим фосфоро­ силикатным стеклом. На рисунке 2.31 представлена структура базового элемента КМОП ИС на комплемен­ тарных (п-канальных ир-канальных) МОП-транзисторах с противоканальными областями n +- и р+ -типа. Противоканальная п+ -область «окружает» р-канальный транзистор, а противоканаль­ ная область р +-типа- п-канальный транзистор, сформированный в р-кармане.
51 Cr Рисунок 2.31 - Структура базового элемента КМОП ИС Схема диэлектрической изоляции элементов биполярных ИС (КСДИ электрической изоляцией) представлена в таблице ей (100) 2.25) 2.1. - кремний с ди­ В пластине кремния п-типа с ориентаци­ для более воспроизводимого по глубине анизотропного травления кремния (рисунок с будущей рабочей стороны с помощью маски Si 3N4 формируют н-карманы с заглублен­ ным n +-слоем. Затем термически окисляют поверхностный рельеф и для дополнительной элек­ трической изоляции наносят слой пиролитического окисла кремния. Далее, на эту поверхность осаждают поликристаллический кремний, который служит подложкой для интегральной схемы. После этого пластину переворачивают и проводят цикл физико-химической шлифовки и поли­ ровки для вскрытия п-карманов, изолированных пленкой Si02 • В этих карманах формируются активные и пассивные элементы схемы. Другой тип электрической изоляции элементов с помощью диэлектрика показан на ри­ сунке 2.32. В этом случае используется так называемая технология «кремний на диэлектрике». К ней относится технология КНС (кремний на сапфире), основанная на гетероэпитаксии моно­ кристаллических пленок кремния на кристаллах окисла алюминия AI 20 3 , технология перекри­ сталлизации поликристаллического кремния, осажденного на поверхности кремниевой пласти­ ны, покрытой термическим окислом, и технология формирования заглубленного слоя тодом глубокой ионной имплантации кислорода и азота. Si02 ме­ Uax Рисунок 1- 2.32 - КМОП ИС по технологии «Кремний на диэлектрике» с боковой изоляцией локальным окислом и самосовмещенным затвором сали_!!ид (шины питания, выход); 2- п•-поликремний (затвор); 3- локальный окисел; ллантированный слой транзистора; Si02+Si 3N4 ; 5 - исток-сток р-канальноrо транзистора; 7- р-карман; 8- п-карман; 9- элипленка; 1О- подложка 6- 4- ионно им­ исток-сток п-канальноrо
52 Таблица 2.1 - Изготовление интегральной биполярной ИС по тех~ологии «КСДИ» Двусторонняя загонка сурьмы ние скрытого слоя, Si. стекла, окисление дение Si 3N4 с удаление - формирова­ силикатного Пиролитическое осаж­ абочей сто оны. Poly -Si TSi02 , Фотолитография с плазмохимическим травле­ Травление нием SiзN 4 и планаризация, Si02 , изотропное травление Si. двухсторонняя шлифовка­ полный цикл шлифовки­ полировки новой рабочей стороны, термиче­ ское окисление. Poly -Si Формирование активных областей вертикального и горизонтального биполярных тр_анзисто­ ров, вскрытие контактных окон, формирование шин металлизации, вжигание А!, осаждение защитной пленки пиролитического фосфоро-силикатного стекла, вскрытие окон к контакт­ ным площадкам. В полупроводниковых лического кремния, микросхемах легированные донорами широко или применяются акцепторами, пленки нанесенные поликристалл­ на поверхность кремниевой пластины, покрытой диоксидом кремния. Такие пленки формируются обычно химическим осаждением из газовой фазы. В отличие от монокристаллического кремния в поли­ кристаллических пленках малы подвижность электронов и дырок и время жизни неосновных носителей. Это объясняется наличием большого числа дефектов структуры, являющихся цен­ трами рассеяния и рекомбинации. Поэтому параметры транзисторов, сформированных в поли­ кристаллической пленке, значительно хуже, чем в монокристалле. Термическая обработка (отжиг) позволяет значительно повысить подвижность носителей заряда в пленке, что делает возможным создание в ней полевых (в частности, МДП) транзисторов с удовлетвqрительными параметрами. В результате рекристаллизации плавления при поликремниевой охлаждении пленки монокристаллические при зерна отжиге кремния и последующей укрупняются и
53 параметры пленки приближаются к параметрам монокристалла. Известны методы отжига с помощью лазерного луча, сканирующего по поверхности пластин, а также движущегося ленточного графитового нагревателя. Последний способ позволяет получать пластины со структурой--типа Si - Si02 Si - большого диаметра (более 75 мм), по своим параметрам не усту­ пающие дорогостоящим пластинам со структурой типа кремний на сапфире, получаемом с помощью гетероэпитаксии. 1 слой Si02 мкм наносится на кремниевую пластину всюду, за исключением ее крайних При отжиге с помощью движущегося ленточного графитового нагревателя толщиной 0,4 ... 1 0,5 участков, а слой поликремния толщиной 8 Подвижный графитовый нагреватель имеет температуру свыше 1700 1 (рисунок повышающий ее температуру до °С. мкм на всю поверхность. Пластина 2.33,а) помещается нанеподвижный нагреватель 2, расположен на расстоянии около 1 мм 1200 от поверхности, ос и перемещается от края пластины со скоростью примерно мм/с. На краях слой поликремния 4 контактирует с монокристаллической пластиной 1и 2 после плавления и рекристаллизации превращается в монокристалл с той же ориентацией, что и пластина. По мере движения нагревателя происходит плавление слоев, расположенных над ди­ оксидом, которые после прохода нагревателя превращаются в монокристаллические, продолжающие структуру крайних участков. Полученная пленка кремния по сравнению с пластиной имеет повышенную плотность дефектов, особенно на границе раздела с диоксидом, 1,5 ... 2 поэтому подвижность носителей в ней в раза ниже, чем в монокристалле. По мере усовершенствования метода подвижность носителей будет повышаться. ~ t о+ f ~ 1 ~---_---~ f 1 4 {Лoлuкpel'fнtili) Si02 ·•. _,_]~ \\\ о) l__j SiD 1 Si \ / Si !J) Рисунок 2.33 - Схемы получения структур типа Si-Si0 2-Si: методом кристаллизации (а) и методом ионной имплантации кислорода (б) Si - Si02 Si является 2.33 б) с по­ следующим прогреванием. В результате на малом расстоянии от поверхности (0,1 мкм) получается слой Si0 2 , толщиной около 0,5 мкм (рисунок 2.33 в). Тонкий приповерхностный Принципиально отличающимся методом создания структур типа - метод ионного легирования исходной кремниевой пластины кислородом (рисунок слой сохраняет структуру монокристалла, поэтому применяя эпитаксию, его толщину можно увеличить. Такой метод обеспечивает лучшее качество пленки, в том числе подвижность носителей. Гибридная изоляция элементов кремниевых ИС представлена в таблице технологии «Изопланар - Iln». качестве маски используется пленка интегрального на примере В этом случае боковая область n-кармана изолируется локаль­ ным окислением кремния, а основание кармана размеры 5.2 высокую транзистора, Si 3N4 • и - p-n переходом. При локальном окислении в Эта технология позволяет существенно уменьшить поэтому она БИС и СБИС биполярных интегральных схем. широко используется при изготовлении
2.2 Таблица 54 -Технологический процесс изготовление интегральных биполярных ИС по технологии ИЗОПЛАНАР- Пn :TSIOo -Si р 1 1 1. 1' ,cJ~i?i,ь р 3. 1: : :: : : ' : : : :: : : : : : : : 2. Исходная подложка Фотолитография N21, :: : : : : : : : : : : : : : : : : : :] l ~~)~ip2 емnмкатное cтettno ~ , n; 1 -Si ~ :~~~ Окисление р -Si 4. «вскрытие окон под ::] ,. 1 - Создание скрытого слоя скрытый слой» 1 р 5. 1 rt -Sil .. Удаление 1 Si0 2 травлением HF, с 1 n -SI . р -81 6. I':::~T!:~·, ·~· ··:,,. :· . :. ·:~:·., :.·:: :: . :~-: ~:: , •• 7. 9. 1 1 1 ~ ~ 1 1 11 1 1 l 11 :, • , 1 : 11~ 1 Окисление- получение буферного слоя F Si02 ~--~--~ Фотолитография - ние N22, 1 E~:~::J 8. Si 3N4 fr···.:' ,v.l' : р . .: 'ЩEj '-.:----lli~ _,__ .' 10. Локальное окисление плазменное травле- Удаление Si 3N4 и тонкого слоя Si02, 1·:·· 12. ,,,;~~",~,---~ Фотолитография N2З- «создание окон под базу» окисление /':''''';~~~~ 13. Загонка бора ~ 15. Осаждение «создание окон под локальный окисел» ~ 11. Ih')... .. щивание n-слоя 1 1 As Газовое травление, эпитаксиальное выра- промывка, сушка 1 загонка Фотолитография N24- «вскрытие окон под эмиттер» /' "."" ':~ "'::: !IIШ : 14. ~ ~'':"'"! " . J:i Разгонка бора с окислением ~ ". ~~~~~:~~~~~=~ш!.i...-:1: . 16. Ионная имплантация мышьяка
55 17. 18. Разгонка эмиперной примеси Фотолитография N25 -«вскрытие окон под контакты» 19. Al. Напыление Фотолитография N26- «формирование шин металлизации» Б э n р 20. Вжигание металлизации. Нанесение пиролитического фосфоро-силикатного стекла. Фо­ толитография N27 -вскрытие окон к контактным площадкам. Металлизация обратной сторо­ ны подложки. Кон 2.1.8. Материалы для межсоединений После того как на кремниевой подложке изготовлены отдельные схемные элементы, их необходимо соединить для того, чтобы создать интегральную микрQсхему. Это достигается процессом металлизации, при котором сначала на подложку осаждается металлическая пленка (толщиной 0,5 - 2 мкм), а затем в ней вытравливается такой рисунок, чтобы соединить соответствующие транзисторы, диоды, конденсаторы и резисторы. Как правило, для металлизации используются алюминий или алюминиевые сплавы, так как они удовлетворяют большинству требований, предъявляемых к металлизирующим материалам (хорошая адгезия, низкое сопротивлениеиневысокая стоимость). В таблице 2.3 приведены параметры большинства металлов, используемых в виде пленок для металлизации. Недостатки элементов алюминиевой металлизации интегральных микросхем. приборов требует создания неглубоких алюминия такие p-n переходы не проявляются Уменьшение размеров p-n могут при и уменьшении размеров повышение быстродействия переходов. Из-за взаимной диффузии кремния и выдерживать высокотемпературную . обработку (>500°С), которая проводится после металлизации. Электромиграция, вызываемая передачей импульсов электронов атомам металла, представляет собой другую проблему, связанную с применением алюминиевой металлизации. Вследствие этого явления пустоты и скопления атомов, образовавшиеся вдоль длины проводника, приводят фактически к потере непрерывности вещества и выходу из строя схемы. В случае высокой плотности тока (> 1·105 А/см 2 ) необходимо использовать другие металлы (например, золото), которые не имеют склонности к электромиграции. При уменьшении размеров структуры высокая плотность тока становится уже правилам, а не исключением.
56 Таблица Свойства металлов, используемых как тонкие пленки Удельное Предельная со противлен плотность Металл 2.3 Примечанил ие тока Nсм 2 10 5 6 10' 0м·см Ag 4,0 1,59 Плохая адгезия Cu 4,0 1,67 Плохая адгезия, коррозия Au 7,0 2,35 Эвтектика с кремнием при Эвтектика с кремнием при 370°С, плохая адгезия Al 0,5 2,65 AI+Cu 2,0 - Mg 4,45 Исключительно реактивен 4,51. Плохая адгезия Ir - 5,3 Плохая адгезия w 20,0 5,6 Затруднительное травление Мо 10,0 5,7 Восприимчивость к коррозии - 9,8 Плохая адгезия Rh Pt Ti Таблица 577°С, электромиграция 0,55 2.4 Тонкопленочные материалы, используемые в микроэлектронике (классифицированные по области применения Соединения Изоляция Выводы Пассивация А\ SiOz·PzOs Герметизато Резистор р Конденсатор SiOz Si, InAs SiOz Та Si-Ge SiOz Cu SiзN4 Mo-Au Аl2Оз Ti-Ag BN Cr-Ag Pt-Au Полупро водник А\сплавы ) SIO Cr-CuAu Ta20s Se, InSb Hf02 Te,PbS Cr· SIO Zn02 SiC, Парилин NiCr PbTi0 3 GaAs, CdS РЬО·В2Оз· Sn02 · Si02 Кантал TaN2 SiOz·PzOs А\2Оз РЬТе GaP, CdSe AIN, ZnSe Pb-Sn Хотя и кажется, что золото для металлизации должно быть хорошим материалом из-за eru высокой проводимости, низкой степени коррозии и повышенной сопротивляемости к явлению электромиграции, его широко испопьзовать нельзя. Причиной этого является то, что ЗО;ЛОТО нмеет плохую адгезию к двуокиси кремния, и его применение приводит к температурным
57 ограничениям (380°С) для последующих технологических процессов, так как золото образует с кремнием эвтектический сплав. Однако оно используется при металлизации в сочетании с другими металлическими пленками, служащими для улучшения адгезии. В настоящее время в качестве материалов для межсоединений используются силициды тугоплавких металлов, так как они могут иметь высокую проводимость, а также выдерживают действие повышенной температуры и химических реактивов в процессе технологической обработки. Силициды тантала, молибдена и вольфрама в настоящее время хорошо себя зарекомендовали несмотря на то, что они при комнатной температуре имеют сопротивление в 1О- 30 раз больше, чем алюминий. Защита интегральных микросхем от коррозии и механических воздействий достигается за счет окончательного «пассивирующего» покрытия подложки. Материалы для пассивации и других процессов приводятся в таблице 2.1.9. Технологический 2.4. маршрут изготовления монолитных интегральных схем Ранее были рассмотрены наиболее важные процессы, которые используются в планарной технологии. Для того чтобы, при серийном производстве можно было изготавливать как можно больше отдельных микросхем на одной подложке, желательно использовать пластины с большой площадью. Это приводит к жестким требованиям к точности изготовления масок (шаблонов); к однородности осаждаемых пленок и прецизионности получения заданного рисунка в каждом слое. Несмотря на то, что в настоящее время стандартными считаются пластины диаметром 120 мм, в ряде случаев уже используiQтся пластины диаметром до ==26 и более. ОбщиQ ния о и~го"Тоелеt-tие nредставле­ ново И вr.16ор элеченнюИ базь~ и нультиnликацин те.оtнолоrи­ 'ес,ого основ­ ных шаблонов мето­ дом nашагавой с~еме: процесса И;готовление ребочи~ коnий шаблонов дм tротолитограQ:>~и шаблон nnя nокры- тия окислом 1 шабпон nля vдапени~ окисла шаблон для создания кристаллического Окисленная Создание нремниева51 и;олируюw.ю nпастина областей nоли- шаблон для защитного/ шаблон цля металлизации · .~ремния кантакты Со3дание защитного межсоединения Ot(J.otcne споя 1 __ J споя с открь•тыми КОtiТЭК'ТНЬIНИ nлощадками nосадка в Герметизаци~ корnус Рисунок 2.34 - Этапы технологического процесса изготовления Оконча1елона~ nроверкз интегральных микросхем см
На рисунках используемых для 2.34 58 2.35 показаны изготовления больших и проводниковых приборов вообще последовательности. интегральных [4]. nроиэводство обработка схем технологических и в этапов, производстве полу­ n~астин nо11ложек Скрайбирование изготовление wабпона Сборка Разделение на микросварка отдельнь1е термакомпрессия Рисунок чипь1 ми 2.35 - Схема процесса полупроводникового производства 2.2. Технологические основы производства гибридных интегральных схем В ряде случаев использование только одного вида технологии не позволяет создать микросхемы, реализующие сложные функции. Поэтому, даже в производстве монолитных кремниевых микросхем, изготовляемых в основном по полупроводниковой применяют методы, характерные для пленочных микросхем, например, технологии, вакуумное осаждение алюминия для получения внутрисхемных соединений. Еще в большей степени эта взаимосвязь проявляется при производстве гибридных интегральных схем, изготавливаемых по совмещенной технологии. В настоящее время основными факторами, определяющими перспективность применеимя и развития того или иного вида технологии при производстве интегральных схем, являются техническая потребность и экономическая целесообразность. Известно, что 'СТоимость проектирования, подготовки и освоения производства полупроводниковой микросхемы высока. Однако при массовом производстве их себестоимость может оказаться значительно ниже себестоимости микросхем в гибридном исполнении (рису­ нок 2.33). Существует ряд причин схематехнического и технологического характера, стимулирующих разработку гибридных схем. К числу таких причин относятся, например, необходимость иметь в одном корпусе мощные и маломощные каскады, конденсаторы большой ёмкости,транзисторы и другие элементы, которые при современном уровне схематехники и технологии трудfю реализовать ч одном кристалле, Создание ГИС позволяет значительно
59 увеличить плотность достигаемой упаковки элементов по сравнениfО с плотностьfО упаковки элементов, при сборке полупроводниковых ИС в индивидуальных корпусах на печатных платах. Применение ГИС улучшает не только технические, но и экономические показатели производства радио электронной аппаратуры [15, 26]. Общая тенденция в развитии микроэлектроники такова, что гибриднуfО технологиfО сейчас интенсивно осваиваfОТ как предприятия, изготавливавшие ранее элементы электронной аппаратуры, так технологические и предприятия процессы радиоаппаратостроения. производства гибридных толстопленочной и тонкопленочной технологий . . Сиr: Разработаны интегральных и схем внедрены на основе · Rолgлро6оDнико6ая ГИС \ \• \\ Схема на i!искретных J конпонентах '\\---.\1 Тонкопденочния гис .\ \ l , ~' rис --.:::::_ Рисунок -~-..L. -~--- 2.36 - Зависимость себестоимости ИС и схем из дискретных компонентов от объёма их производства Перевод электронных блоков в аппаратуре на ГИС и постепенная замена печатных плат на платы, изготавливаемые методами гибридной технологи (поверхностный монтаж), сегодня определяfОт основное направление работ в области технологии производства радиоэлектронной аппаратуры. 2.2.1. Типовые Технологические схемы технолоrических процессов изrотовления ГИС процессы, применяемые при изготовлении микроэлектронной аппаратуры, можно разделить на основные и вспомогательные. Основные и вспомогательные процессы отличаfОтся по своим задачам и функциям, но применяfОт их в микроэлектронной технологии только в совокупности. К основным технологическим процессам формирования структур. К вспомогательным - относят процессы получения пленок и процессы придания элементам определенной конфигурации и подготовку оснастки и исходных материалов. Базовые технологические процессы создания гибридных микросхем основаны на применении толстопленочной и тонкопленочной технологий, упрощенные схемы которых приведены на рисунках 2.37 а, б. Тонкопленочная и толстопленочная технологии отличаfОтся не столько толщиной рабочих слоев, сколько процессами формирования пленок: в первом случае это физико-химические процессы, а во втором- механическое нанесение и вжигание пасты. Сущность толстопленочной технологии заклfОчается в том, что на диэлектрическуfО подложку через трафарет последовательно наносят и вжигаfОт слои различных проводящих, резистинных и диэлектрических паст. В результате получаfОт слои заданной конфигурации, которые служат для формирования проводников, резисторов и конденсаторов толстопленочной микросхемы.· В качестве материала подложки, как правило, используfОт керамику с развитой шероховатой поверхностьfО для повышения сил сцепления достоинствам толстопленочной технологии можно отнести: пленки с подложкой. К - наличие паст с большим разнообразием составов и электрических свойств (от проводников до диэлектриков);
- 60 возможность получения широкого диапазона номинальных значений резисторов и конденсаторов; - значительные номинальные мощности рассеивания пассивных элементов; простоту технологического оборудованчя и технологического процесса~ С другой стороны, область применения толстопленочной технологии ограничена из-за наличия ряда крупных недостатков, среди которых отметим следующие: - низкие разрешающая размеров элементов малая величина способность процесса и воспроизводимость геометрических (±30 мкм); адгезии пленок на полированных поверхностях и ее снижение во времени; - невысокая степень интеграции (число элементов на единицу объема); несднородная крупнозернистая структура пленок, приводящая к увеличению уровня шума и уменьшению добротности элементов. При тонкопленочной технологии пленки получают методами, использующими химические и физические явления, например, термическое испарение, катодное распыление, электрохимическое осаждение, газовые реакции и др. Для придания пленкам определенной конфигурации для формирования на их основе пассивных элементов применяют четыре основных способа: свободной маски; контактной фотолитографии; контактной маски; трафаретной печати. В первом случае используют механическое маскирование, т. е. рисунок элементов микросхемы выполняют последовательным нанесением различных пленок на подложку через окна в металлической маске заданной конфигурации соответствующего ей слоя. В качестве достоинств метода свободной маски следует отметить простоту и возможность получения в едином технологическом цикле нескольких слоев заданной конфигурации их последовательным совмещением. Самым существенным недостатком является невозможность получения компонентов сложной конфигурации типа «гребенки», «спирали», «меандра» и т. д. Рисунок 2.37 - Упрощенные схемы технологических процессов изготовления толстопленочных (а) и тонкопленочных (б) ГИС Методы фотолитографии и контактной маски позволяют получать элементы любой конфигурации, однако при этом технологические процессы достаточно трудоемки современном этапе иногда включают ручные операции, например, ретуширования и др. и на
61 Тонкопленочная технология, базирующаяся на множестве различных способов и приемов создания элементов гибридных микросхем широкого функционального назначения любой конфигурации и применении групповых методов обработки материалов, обеспечивает высокую идентичность параметров микросхем. Процесс изготовления гибридных микросхем начинается с изготовления шаблонов, масок (или трафаретов), обработки подложек и последующего формирования слоев и элементов микросхем. Указанные этапы проводятся независимо один от другого и представляют в совокупности многооперационные технологические процессы. Причем первые три являются общими как для толстопленочной, так и для тонкопленочной технологи Рассмотрим их несколько подробнее. Изготовление фотошаблонов и трафаретов. Фотошаблон является основным инструм~нтом, с помощью которого создается рисунок микросхемы, а также трафарет (или маска). Фотошаблон- точная фотокопия изображения топологической структуры микросхемы или ее части. Для фотографическим изображения, размер микросхемы. вырезают в пленочных способом. микросхем Вначале которого Оригиналы тонком с 10... 20 в вычерчивают слое фотошаблоны, помощью раз на превышает плотной графировальной как мало эмали, правило, координатаграфа изготавливают создают действительное деформирующейся нанесенной на оригинал изображение бумаге полированное или стекло. Современные прецизионные координатаграфы позволяют выполнять эти операции с точностью ±30 мкм. Изготовленный в заданном масштабе оригинал фотографируют с помощью репродукционной камеры, позволяющей получать большое ч,исло однотипных изображений, уменьшенных до действительного размера микросхем. В последнее время все чаще стали использовать фотонаборные установки, позволяющие получать непосредственно действительное изображение топологических слоев микросхемы на фотопластинах. После проявления и фиксации, а при необходимости и ретуширования изображения на фотопластине, эталонные фотошаблоны размножают на контактно-копировальных станках. Современные средства, применяемые для изготовления фотошаблонов, обеспечивают точность линейных размеров не хуже 5 ... 10 мкм, что в большинстве случаев достаточно при изготовлении гибридных пленочных схем. Трафареты (или трафаретной печати - маски) применяют для получения рисунка микросхем методом основного способа в толстопленочной технологии. Трафареты изготавливают из шелковой, капроновой или металлической сетки с размерами 100... 200 ячейки мкм. Такую сетку натягивают на металлическую раму с помощью специального устройства, обеспечивающего равномерное натяжение по всей плоскости. Сетку и раму промывают высушивают. способами. последовательно горячей Далее Один процесс из изготовления них сводится к водой и перекисью трафаретов может нанесению на водорода быть сетку (сенсибилизированной эмульсии из поливинилового спирта толщиной и тщательно реализован слоя 20 ... 30 двумя фоторезиста мкм), который после сушки экспонируют ультрафиолетовым светом через фотошаблон. После проявления в теплой воде образовавшийся рисунок на фоторезистивной пленке упрочняют нагревом до 11 0°С. температуры бумаги, заранее Другой способ нанесенной на состоит в использовании фотошаблон, очувствленной проэкспонированной пигментной через него в ультрафиолетовом свете и проявленной непосредственно на фотощаблоне в потоке теплой воды. Фотощаблон с полученной топологией из пигментной бумаги накладывают на подготовленную сетку и прижимают грузом. В результате давления пигмент проникает в ячейки сетки и после высыхания прочно закрепляется в ней. После отделения фотощаблона полученный микросхемы. _ сетчатый трафарет будет иметь рисунок, соответствующий топологии Металлические маски изготавливают фотохимическим, электроискровым, электронно­ лучевым методами или с помощью лазера. Подготовка подло:жек. Подложка является частью микросхемы, в объеме которой или на ее поверхности формируют элементы. Подложку используют не только как механическую опору носителя микросхемы и теплоотводящего элемента, но и как элемент, выполняющий
62 определенные функции при работе микросбарки в целом. Например, в схемах с пересечениями подложка может являться межслойной изоляцией, в СЕЧ-микросхемах подложка вместе с металлическим покрытием образует полосковую линию передачи мощности. Применяемые для гибридных интегральных микросхем подложки должны ()Твечать ряду специфических требований, к числу которых относятся: плоскостность, высокий класс чистоты обработки поверхности, большая механическая прочность, хорошая теплостойкость и теплопроводность. Для гибридных толстопленочных микросхем в качестве материала подложек обычно (96 применяют высоi<оглиноземистую керамику керамику, пленкой. для специальных целей - или металлы, Для тонкопленочных микросхем 99% окиси алюминия), бериллиевую покрытые термостойкой используют ситаллы, диэлектрической поликор, анодированный алюминий и полиимидную пленку. Требование высокой плоскостности и высокой гладкости поверхности подложки диктуется необходимостью обеспечить равномерную толщину пленки. Волнистость, структуры шероховатость, подложек наличие загрязнений и другие сущетвенно ухудшают дефекты воспроизводимость поверхностной характеристик пленок, уменьшают долю выхода годных изделий и надежность микросхем. Поэтому поверхность подложек тщательно обрабатывают: шлифуют, полируют и очищают от различных загрязнений. Способ- очистки зависит от материала подложки. Для подложек из керамики применяют химическую очистку, химическое и ультразвуковое эмульгирование, прокаливание (термическую очистку). При очистке пористых поверхностей лучшие результаты ультразвукового и химического эмульгирования. получают, применяя сочетание Воздействие ультразвуковых колебаний ускоряет процесс эмульгирования и делает его возможным в микропорах, царапинах, благодаря чему зффективность значительно возрастает. Затем керамические подложки прокаливают в специальных электрических печах при температуре :::600°С. При такой температуре все загрязнения на подложки обычно выгорают. Контролировать чистоту поверхности подложек можно различными методами, среди которых наибольшее распространение получил метод «деионизованной» воды. Промывая такой водой подложку и сравнивая электропроводность воды до и после промывки, можно по увеличению электропроводнос·ти Целесообразность этого метода количественно заключается оценить в степень чистоты дополнительной очистке подложки_ подложек демонизованной водой. Необходимо отметить, что хорошо очищенные поверхности подложек обладают большим уровнем свободной энергии, что приводит к быстрому повторному загрязнению их пылью и влагой из атмосферы. Опасность повторных загрязнений состоит в том, что состав их неизвестен и не всегда одинаков. Поэтому такие загрязнения могут вызвать нежелательные последствия. Для предотвращения повторных загрязнений подложек их хранят в наполненных очищенной от пыли и влаги средой. Иногда поверхности камерах подложек защищают тонкой коллоидной пленкой («коллоидная защита»). Формирование рисунка микросхемы. Как отмечалось ранее, наиболее простым способом формирования рисунка микросхемы является напыление элементов через свободные маски. Если при этом зазор между маской и подложкой отсутствует, линейные размеры элементов строго соответствуют размерам щелей в маске. Наличие зазора между подложкой и маской, устранить который полностью невозможно, приводит к образованию «зоны размытости» рисунка. Причем размер этой зоны, как показывает практика, увеличивается с ростом толшины маски и клинаобразности профиля ее вырезов. С уменьшением же толщины снижается жесткость, маски и увеличивается ее «провисание» над подложкой, что, в свою очередь, также приводит к росту зоны размытости. Кроме того, вследствие различных значений коэффициентов линейного расширения материалов маски и подложки в процессе осаждения происходит разогрев и взаимное смещение маски и подложки. Все эти факторы ограничивают применение метода свободной маски областью получения простых по конфигурации элементов микросхемы, требования к точности параметров которых невысоки.
63 Н~~++~+~, 'ia Й пfiп 1 1 1 qjf~ •""--""""=L-JI""'ZZZL_..,....._.=<L...,•._..." ......__, б а Рисунок 2.38 - Получение пленочных элементов методом контактной фотолитографии: а- экспонирование фоторезистивного слоя; б- пленка после проявления и травления: фоторезистивный слой; Уменьшение размеров микросхем и 3- пленка; 4- 1- фотошаблон; 2- подложка повышающиеся с каждым годом требования к точности выполнения геометрических размеров их элементов nривели к широкому внедрению в прои~водство методов фотолитографии, которые по разрешающей способности и точности значительно превосходят метод свободной маски. В таблице 2.5 сравнивается разрешающая способность различных методов получения рисунка. 25 Таблица Разрешающая способность. мкм Метод получения Предельно возможная конфигурации маски Теоретич. 10 ... 15 0,025 . 5 0,001 Свободной маски Электронолитогра- [фи я Фотолитография: 0,1 0,1 !контактная tпроекционная Достигнутая Практич. 20 0,03 0,6 0,36 2.6 0,5 При фотолитографии рисунок микросхемы получается за счет переноса изображения с фотошаблона на фоторезистинный слой, покрывающий пленку. При контактной совмещения и фотолитографии экспонирования фотошаблон прижимают к с покрытой помощью специальной фоторезистивным установки слоем пленке. Фоторезистинный слой экспонируют через фотошаблон пучком параллельных лучей света, проявляют и через окна, образовавшиеся в фоторезистинном специально подобранных травителей. слое, пленку травят с помощью После удаления фоторезистинной маски получается рисунок микросхемы требуемой конфигурации (рисунок 2.38). В проекционной фотолитографии изображение фотошаблона проецируется на пленку, покрытую фоторезистинным слоем, через специальный объектив с высокой разрешающей способностью. операциях При этом совмещения отсутствует и контакт экспонирования, фотошаблона благодаря с чему поверхностью существенно пленки на повышается долговечность фотошаблонов. 2.2.2. С начала 60-х Особенности технологии толстопленочных ГИС годов ХХ века в развитых промышленных странах стали активно проводиться исследования и опытно-конструкторские работы по созданию толстопленочных микросхем и разработке промышленного оборудования для их производства. Повышенный интерес к толстопленочной технологии объяснялся рядом ее существенных достоинств и прежде всего сравнительной простотой и невысокой стоимостью технологического обору­ дования, гибкостью и мобильностью технологии, позволяющей сравнительно быстро наладить промышленное производство микросхем различного функционального назначения Приведеиная на рисунке гибридных 2.37 толстопленочных [15]. упрощенная схема технологического процесса изготовления микросхем показывает состав и последовательность
- технологических операций, основные из которых нанесение и вжигание паст - 64 многократно повторяются для различного их состава и назначения. Характеристика паст. Состав паст определяет их физические (электрические, тепловые) и технологические свойства. В зависимости от назначения пленок пасты разделяются на проводящие, резистиввые и диэлектрические. Основой проводящих паст являются порошки благородных металлов: серебра, золота, платины. Эти материалы обладают хорошей электро­ проводностью и высокой химической инертностью. Однако по техническим или экономическим причинам монометаллические порошки не применяют в составах паст. Поэтому обычно в проводящих пастах используют два, реже три металла. Наиболее широкое - распространение нашли пасты на основе композиций: палладий -серебро, палладий - Проводящие пасты на основе палладий золото. серебро имеют малую стоимость, и позволяют получать пленки с высокой начальной адгезией и осуществлять их проволочный монтаж. Пасты - золота на основе платины характеризуются минимальной растворимостью в припое, их можно восстанавливать. Полученные пленки обладают высокой адгезией, почти не меняющейся при старении. Однако из-за высокой стоимости применять такие пасты целесообразно только тогда, когда в микросхемах требуется обеспечить высокую надежность паяных соединений. В качестве металлов или основы, их определяющей окислов. Наиболее свойства резистивных распространными паст, являются применяют резистиввые системы пасты с использованием палладия и серебра, металлического рутения и окиси рутения, окислов таллия, олова и пасты на основе нитрида тантала. Резистиввые пленки на основе паст композиции палладий - сере()ро имеют диапазон удельных сопротивлений 500 ... 200 000 Ом·см. Если в такую пасту добавить некоторое количество свинцовоборосиликатного стекла с флюсом из триокиси висмута, то можно получить пленки с удельным сопротивлением до нескольких квадрат. Температурный коэффициент сопротивления серебряно - вводя в них двуокись циркония или окислы щелочно металлов. Основу диэлектрических паст составляют - земельных порошки мегаом на палладиевых паст снижают, титавата бария, стекол или стеклокерамики. Сложные многослойные структуры создают, используя кристаллизующиеся стекла. Трафаретная печать. В зависимости от типа трафарета и способа его расположения отноеительно поверхности 1юдложки различают два метода трафаретной печати: контактный и неконтактный. При контактной печати применяют металлические маски,. которые плотно прижимают к поверхности подложки. Такую маску после нанесения пасты отделяют от подложки одновременно по всей ее поверхности, чем обеспечивается получение очень четких границ и заданной формы пленочных элементов. При неконтактном методе трафарет (обычно сетчатый) располагают нанекотором расстоянии (0,35 ... 0,5 мм) от поверхности подложки. Под давлением ракеля на участках, где наносится паста, ячейки трафарета пригибаются и соприкасаются с подложкой. Когда ракель перемешается на соседний участок, зазор между трафаретом и подложкой восстанавливается, определяющими качество а паста трафаретной остается на печати подложке. при Важнейшими: неконтактном методе, факторами, являются: параллельность подложки, сетчатого трафарета и плоскости перемещения ракеля; расстояние между подложкой и трафаретом, давление при печатании, ракеля. От изменения каждого из этих факторов угол касания и скорость движения зависит толщина пленки, четкость и воспроизводимость рисунка микросхемы. Тер.мическая обработка паст. Нанесенные на подложку пасты следует выдерживать при комнатной температуре в течение 10 ... 20 мин для устранения отпечатка ячеистой структуры трафарета и выравнивания поверхностного профиля. После выдержки пасты подвергают термической обработке, чтобы структура пленок стала монолитной. Термообработку проводят для сушки и вжигания паст. Вжигают пасты в два этапа. На первом этапе при 300 .. .400 температуре ос органическое связующее разлагается, выгорает или испаряется. На втором этапе при температуре металлического 550 ... 800 (или спекается со стеклом. ос стеклянная фритта расплавляется и обволакивает частицы диэлектрического) порошка. При этом металлическая основа пасты
65 Режим первого этапа выбирают таким,_ чтобы органические связу!рщие разлагались и выгорали раньше, чем полностью расплавится стеклянная фритта. Оптимальной считается скорость возрастания паяемость 20 температуры проводников, плотность °С/мин. Процесс диэлектрических вжигания пленок, влияет удельное на адгезию и сопротивление, коэффициент шума, стабильность параметров и температурный коэффициент сопротивления резисторов. В связи с этим особенно важным является спекание резнеторных паст. Температура и длительность на этом этапе становятся весьма критичными, так как химические реакции,определяющие состав пленки и ее свойства, протекает со скоростью, которая почти удваивается при повышении температуры всего на 10 ос. Поэтому температуру и время вжигания следует поддерживать постоянными с хорошей точностью. Для резистинных пленок ±1 точность поддержания температуры составляет °С. Многослойные I<омлrутационные структуры. Технологическое оборудование, методы и материалы, применяемые при изготовлении толстопленочных схем малого уровня интеграции, оказались пригодными и для производства многослойной коммутации ГИС. Необходимо было дополнительно разработать лишi> материалы для изолирующих слоев. Так как нанесением и многослойная вжиганием толстопленосшая проводящих и структура изолирующих получается слоев, материал последовательным изолирующего слоя должен быть хорошо согласован по коэффициенту линейного расширения с подложкой и с материалами ниже- и вышележащих слоев, должен быть инертным н сохранять стабильность физических свойств и структуры после многократных термообработок. При спекании изолирующей пасты должны образовыватi>СЯ плотные беспористые слои. Наилучшим образом этим требованиям отвечают так называемые стеклокристаллические цементы, свойства которых приведены в таблице 2.6. Таблица 2.6. Значение параметра цемента марки Наименование параметра сц- Г:::--- 273 сц- 650 750 5,2·10-6 Температура плавления, ос Температура кристаллизации, ос Коэффициент линейного расширения. ]/ С 0 Диэлектрическая проницаемость Тангенс угла диэлектрических потерь 45 17 2,5·10-3 600 700 3-106 7 ... 8 3 3·Ш 10 13 10 13 У дельное объемное сопротивление потерь, 1 - Ом·см Основным структуры требованием является к технологии обеспечение высокого изготовления значения многослойной выхода годных коммутационной по пересечениям и межслойным переходам. Изготовление двухслойной коммутационной структуры не встречает существенных однократной трудностей, печати и и можно вжигании обеспечивать выход изолирующего слоя годных 80 ... 90%. вследствие его Однако пористости при не гарантируется отсутствие коротких замыканий по пересечениям проводников. Поэтому для получения высокого значения выхода годных, а иногда с целью уменьшения цепей паразитной связи изолирующий слой приходится получать двух- или даже трехкратным нанесением и вжиганием пасты. Плотность определяется межслойными проводникового не разрешающей переходами. В рисунка в многослойной способностью настоящее время трафаретной коммутационной печати, трафаретной а печатью структуре шагом на между поверхности керамической подложки можно легко получать параллельные проводники с шагом 350 мкм. В то же время получение большого числа сквозных mверстий в изоляционном слое с шагы.• меньше 700 мкм является сложной технологической задачей. Чтобы при нанесении и вжигаю.11 изолирующего слоя предотвратить затекание сквозных отверстий, следует уменьшить вязкость пасты. Чтобы избежать затекания пасты в сквозные отверстия при двухкратной печати
66 изолирующего слоя увеличивать на 0,2 из-за и на трафаретов, размеры отверстий на них нужно мм. В результате шаг между переходами в многослойной коммутационной структуре составляет около подложке несовмещения 0,8 ... 1 изолирующем мм. Растекаемость одной и той же пасты на керамической слое существенно отличается. Технологи.ческий процесс и применяемые материалы оптимизируют, используя различные рецептуры проводниконых паст с учетом их физико-химических свойств и режимов вжигания. В таблице рекомендуемые и предельные конструктивно-технологические многослойной коммутационной структуры толстопленочных ГИС. принципиально можно изготовить коммутационную структуру из 5 2. 7 приведены параметры систем Следует отметить, что проводниконых слоев. Однако изготовление свыше трех слоев нецелесообразно из-за значительного уменьшения значения выхода годных, усложнения технологии и удлинения технологического цикла [15]. Таблица 2.7. Значение параметра Наименование параметра рекомендуемое предельное ~исло слоев проводникавой коммутации 2 5 Расстояние между центрами (шаг) межслойных переходов, мм 1 0,6 0,5 0,3 0,25 0,03 0,15 Расстояние между центрами параллельных проводников, мм Ширина проводников (минимальная), мм Удельное сопротивление проводников внутри слоя, Ом·См Удельное сопротивление проводников наружного слоя (после лужения), 0,005 Ом·См :s;зооооо Диапазон удельных сопротивлений резисторов, Ом·См 2.2.3. Технолоrические - особенности изrотовления мноrослойных керамических подложек Процесс изготовления многослойной керамики состоит из следующих основных этапов: подготовки исходных материалов; приготовпения сырьiх керамических лент; штамповки листов и пробивки отверстий; металлизации; формирования многослойной заготовки; спекания монолитной структуры. Керамические ленты чаще всего получают методом холодного литья. В качестве материала основания, на котором формируется керамическая лента, можно рекомендовать: стекло, майлар, тефлон, сталь. Непосредственно после сушки трудно обеспечить заданную толщину и получения плотно~ть эластичных ленты. Поэтому керамических после литья ленты лент применяют прокатывают на также различные валках. Для всnомогательные материалы: связующие, пластификаторы и дефлокулянты (поверхностно-активные вещества). Эластичная керамическая лента представляет собой наполненную керамическим порошком структуру. Роль связующего полимера заключается в том, чтобы придать порошку удобное для обработки состояние, а также служить материалом для склеивания раздельно изготовленных листов в многослойную структуру и удерживать керамический порошок в заданной форме до начала спекания. В качестве связующего находят применение различные каучуки и полимеры, которые при нагревании или под давлением способны полимеризоватъся, т. е. «склеиваться» на операции получения монолитной пластины. Связующее растворяют в растворителе, затем добавляют порошок. растворитель Суспензию испаряется. тщательно Растворителем перемешивают. служат различные При разливе легколетучие суспензии органические жидкости. Применеине воды ограничено из-за высокой температуры ее испарения, хотя вода является наиболее дешевым растворителем, она не вызывает воспламенения и не действует на здоровье работников.
67 Для улучшения технологических характеристик суспензия может содержать кроме порошков, связующего и растворителя различные пластификаторы и дефлокулянты. Они улучшают эластичность ленты, препятствуют агрегации порошка и способствуют созданию устойчивых коллоидных суспензий, улучшают смачиваемость частиц порошка. Керамические ленты напоминают по эластичности обработанную кожу, клеенку. Они легко режутся, сверлятел и штампуются. В зависимости от выбранного варианта технологии одновременно штампуется одна или две группы отверстий для межелейных переходов и для совмещения необожженных листов при последующих операциях. Необожженные листы метал­ лизируют обычно методом трафаретной печати. К пастам для мета.iшизации сырой керамики предъявляются дополнительные требования: совместимость органических связок в пасте и в керамической ленте, одинаковая и синхронная усадка металла и керамики, чтобы свести к минимуму внутренние переходов является напряжения узловой в спеченном операцией в изделии. Формирование технологическом межслойных процессе изготовления многослойных керамических подложек. Сборка сырой многослойной заготовки состоит в том, что листы со сформированными межслойными переходами и рисунком проводникавой коммутации укладывают согласно топологии в пакет и спрессовывают. Под действием температуры и давления листы образуют монолитную сырую заготовку. Температуру и давление подбирают экспериментально для каждой выбранной связки. Спекание структуры керамика - металл - органическое сыязующее требует применения управляемой газовой среды по температурным интервалам. Сначала в слабо окисленной среде (Н 2 + Н 2 0) вжигают восстановительной сопротивление и связующее. среде. Затем Материал минимальную структуру подложки величину спекают должен либо иметь диэлектрической в вакууме, максимальное проницаемости. либо в удельное При выборе материала для подложки обычно принимают во внимание его теплопроводность и величину коэффициента линейного расширения. Поскольку коэффициенты линейного расширения кремния и большинства материалов многослойных керамических подложек не согласованы, хотя и близки, то приходится предусма'гривать специальные меры по снижению тепловых напряжений в конструкции полупроводник - подложка. При проектировании гибридных БИС наблюдается тенденция использовать диэлектри­ ческую подложку как элемент корпуса. Это связано со стремлением уменЬшить массу, размеры и тепловое сопротивление конструкции. Поэтому при выборе материала учитывают не только его тепловые, но и механические свойства. Для изготовления многослойных подложек чаще всего применяют чистую окись алюминия или окись бериллия. Хотя окись бериллия имеет лучшую теплопроводность и хорошие механические свойства, ее применение лимитируется токсичностью, высокой пористостью, а также высокой стоимостью (таблица При выборе материала проводника учитывают его 2.8) [15]. совместимость с керамикой и электрическую проводимость. Совместимость предполагает выполнение следующих условий: - температура плавления металла должна быть выше температуры спекания керамики; - коэффициенты линейного расширения и усадки должны быть согласованы; - прочность сцепления металла с керамикой должна быть удовлетворительной. Прочность сцепления металла с керамикой можно не принимать во внимание, когда проводник расположен в теле керамики. Если металлизирована наружная поверхность, и она служит вопрос для крепления становится наружных выводов, принципиальным. Для которые несут улучшения значительные прочности нагрузки, сцепления к то этот металлу добавляют различные присадки, роль которых сводится к химическому взаимодействию с керамикой и металлом. Присадки, рекомендованные для металлизации спеченной керамики, не всегда можно использовать для совместного обжига металла и керамики тех же составов.
Таблица Значения параметра Наименование параметра А1z0з. Температура плавления ос Теплопроводность для монокристалла, Вт/(м·К) Коэффициент линейного расширения 25 ... 200 ВеzОз 3,02 2570 3.99 2050 Плотность монокристалла г/см~ в интервале 68 2.8 0 ос, 1/ С Предел прочности при изгибе, кг/см Удельное объемное сопротивление, Ом·см 21,318 219.46 5,ио- 6 5,5·10-6 2600-4600 1600-2600 IО'б 10 14 9,6 ... 11,6 4 2·10 2 Диэлектрическая проницаемость Тангенс угла потерь Пористость . 7,33 - 10 В процессе термообработки керамика и металл не должны химически взаимодейсьвовать ни между собой, ни с окружающей средой, чтобы исключить потери материалов за счет испарения летуЧих электрофизических нанесенного слоя соединений, а характеристик необходима также изделия. избежать Для восстановительная ухудшения сохранения илИ конструктивных металлических нейтральная среда. и свойств Состав среды оценивают термодинамическим расчетом равновесия всех возможных химических реакций в - системе керамика металл - среда. После того как керамический материал выбран с учетом указанных условий, подбирают полупроводниковый материал. При этом следует иметь в виду, что объемное сопротивление спеченного металла может оказаться больше минимально достижимого (указанного в паспорте на пасту). Это объясняется тем, что завершенность процесса спекания определяется по состоянию керамики, в то время как металл еще имеет значительную пористость. Учет перечисленных требований керамика - металл налагает жесткие ограничения на выбор системы и сужает номенклатуру применяемых материалов. Совместно с керамикой на основе окиси алюминия чаще всего применяют молибден или вольфрам. В настояшее время технология многослойной керамики широко внедрена в производстве керамических корпусов ИС и многослойных керамических подложек гибридных БИС. Высокая теплопроводность, механическая· прочность и химическая стойкость спеченной окиси алюминия в широком диапазоне температур определяет высокую надежность конструкции. Относительно толстые изолирующие слои ( 100 мкм и более) обеспечивают незначительную паразитную связь и высокую электрическую прочность. У дельное поверхностное сопротивление проводников из тугоплавких металлов при толщине 10 .. .15 мкм не превышает 0,03 Ом·см. В зависимости от выбранного керамического материала наружный проводящий слой может быть сформирован как методами трафаретной печати, так и методами тонкопленочной технологии. В последнем случае на подложке можно получать в едином технологическом цикле резисторы и конденсаторы, т.е. всю пассивную часть ГИС. При проектировании многослойных керамических подложек следует учитывать ограничения, обусловленные современным уровнем технологии, приведеиные в таблице 2.9.
Таблица Значение параметра Наименование параметра 1 возможное 0,15 0,15 ± 0,05 Расстояние 0,10 0,10 0,25 0,25 ±0,05 0,10 0.10 0,80 0.35 0,01 0,03 проводниками между Диаметр межслойных отверстий,мм Шаг между отверстиями минимальный, J - Рекомендуемое Ширина проводников минимальная, мм минимальное, мм мм Тоmцина изолирующего слоя, мм Сопротивление проводников внутри слоя, Ом/ 150xJ50±0,5% 5 0,05 Размер подложки максимальный, мм±% Допуск на толщину подложки, Искривление на длине 2.2.4. Характерной 50 % 69 2.9 50х50± 10 0,1 1% мм, мм Особенности технологии тонкопленочных ГИС особенностью и большим достоинством тонкопленочной технологии является возможность использования широкого набора материалов для получения пассивных элементов микросхемы с оптимальными характеристиками и почти любой конфигурации. При этом допуски на параметры элементов могут быть доведены до 1... 2%, что особенно важно, когда точное значение номиналов и стабильность параметров имеют решающее значение. Современное технологическое оборудование и методы тонкопленочной технологии обеспечивают разрешающую способность рисунка микросхемы на порядок выше, чем при толстых пленках, что позволяет в 1О и более раз повысить уровень интеграции .элементов в микросхеме. Упрощенная схема технологического процесса, приведеиная на рисунке 2.37,б, отражает основные этапы производства и их взаимосвязь [25]. Расмотрим кратко содержание и особенности технологического процесса изготовления тонкопленочных элементов и микросхем широкого функционального назначения. Полvчение тонкопленочных пленочных структур базируются структvр. Технологические на исrюльзовании методы физических получения тонко­ и химических процессов. Физические процессы составляют основу термического испарения в вакууме и катодного или ионно-плазменного распыления. На основе химических процессов разработаны следующие технологические методы: электрохимическое анодирование, гальваническое наращивание и осаждение из газовой фазы. Кроме того, в микроэлектронной технологи11 приме~яют иногда методики, для которых удачно сочетаются химические и физические процессы, например при катодном распылении в реактивной среде, плазменном анодировании, термическом окислении. Выбор метода реализации тонкопленочной структуры определяется ее функциональным назначением и характеристиками, а также технологичностью изготовления. При таком подходе наибольшее распространение получили термическое испарение, катодное распыление и электрохимическое нарашивание. Значительно реже применяют осаждение из газовой фазы и электрохимическое наращивание. Однако в ряде специальных процессов имеющие самостоятельное значение, широко используют (например, получение эти методики, Si02 из газовой фазы в полупроводни~овой технологни и глубокое анодирование в пленочной технологии схем с многоуровневой разводкой). Термическим испарением в вакууме получают пленки на установках типа УВН, которые состоят из трех основных узлов: пульта управления процессом (электрическая часть), системы откачки с крепления вакуумными и агрегатами, перемещения подложек рабочей и масок, камеры с а для также подколпачным нагрева устройством подложек и для исходного
70 вещества. В рабочей камере с помощью вакуумных агрегатов создают вакуум порядка 1,33·(104 3 _.. 10 ) Па, затем, подавая напряжение от пульта управления, нагревают подложки и вещество, подлежащее напылению, до температуры его испарения. Образующийся поток пара конденсируется на подложке, температура которой значительно ниже температуры испарения материала. Таким образом, процесс напыления тонких пленок можно разделить на два основных этапа: формирование потока вещества и конденсацию его в виде пленок на подложке. Чтобы обеспечить высокую воспроизводимость свойств пленок, необходимо в течение всего процесса с достаточно высокой точностью поддерживать основные технологические параметры: скорость осаждения, степень вакуумирования и температуру подложки. Заключительным этапом процесса напыления является термастабилизация пленок. Тер­ мастабилизация заключается в выдержке подложки с папыленной пленкой при повышенной температуре и постепенном охлаждении. В процессе термастабилизации снимаются внутренние напряжения и упорядочивается структура пленок, что способствует улучшению электрофизи­ ческих характеристик пленочных эле~ентов и их стабильности во времени. При катодном распылении молекулярный поток формируют, распыляя материал с помощью газоразрядной плазмы. Для получения плазмы тлеющего разряда в вакуумной камере создают разряжение 1,33·(10-3•.• 10-4) Па, после чего ее заполняют инертным газом (чаще всего аргоном), давление которого устанавливают в пределах 1,33·(10... 0,1) Па. При подаче к электродам высокого напряжения возникает автоэлектронная эмиссия. Электроны, вырываемые с поверхности катода электрическим полем, ионизируют инертный газ. Положительные ионы инертного газа, ускоренные полем катода, бомбардируют его, а при достаточной энергии распыляют катод. Распыленные частицы, двигаясь направленно к поверхности подложки, оседают на ней и образуют пленку. · Метод катодного (или ионно-плазменного) распыления имеет ряд достоинств. К числу которых относится возможность при сравнительно низкой температуре получать пленки из таких тугоплавких металлов, как вольфрам, молибден, тантал и др. ; получать пленки из сплавов, более однородные по составу и более равномерные по толщине, чем при термическом испарении в вакууме. Адгезия пленок при ионном распылении лучше, и сами пленки имеют состав, более близкий к составу исходного материала. Процесс распыления практически безынерционен, режим распыления сравнительно легко регулируется, и весь процесс в целом легче автоматизировать, чем процесс термического испарения в вакууме. Гальваническое осаждение (или электрохимическое наращивание) основано на диссоциации солей металлов, растворенных в электролите, под действием тока и движения положительных ионов металла к катоду, на котором помещена подложка. Данным методом в основном получают проводящие покрытия толщиной более 10 мкм. Получение тонкопленочных микросхем. Пассивная часть тонкопленочных ГИС может состоять из резистинных микросхем, содержащих только резисторы. контактные площадки и коммутационные проводники, а также из резистивно-емкостных, содержащих дополнительно многослойные пленочные конденсаторы. Для создания резистинных и резистивно-емкостных микросхем применяЮт танталовую технологию и термическое испарение в вакууме в сочетании с процессами фотолитографии. Танталовая технология получила щирокое распространение в зарубежной практике. В странах СНГ чаще используют методы термического испарения в вакууме. Ограниченное применение танталовой сложностью технологии обусловлено технологического рядом процесса и существенных низким недостатков, значением удельного связанных со сопротивления резистинных пленок на основе тантала и нитрида тантала. Процесс изготовления резистивно­ емкостных микросхем по танталовой технологии предполагает использование разнородных методик: катодное распыление, многократные процессы технологичностью и термическое испарение, фотолитографин. высокой Кроме трудоемкостью. электрохимическое того, процесс Простейшие анодирование, характеризуется микросхемы и низкой изготавливают термическим испарением в вакууме с применением метода свободных масок. При повышении плотности элементов и усложнении их конфигурации используют метод двойной
71 фотолитографии. Микросхемы с конденсаторами создают с применением метода свободных масок, а в случае повышенной сложности емкостные элементы применением ограничено - комбинированного метода. При этом резистиввые и формируют напылением через маски, фотолитографии. растравливанием Применеине поверхности двойной подложки а проводящие элементы фотолитографии при создании в этом рисунка - с случае резистинных элементов, в результате чего снижается как адгезия при напылении последующих слоев; так и надежность микросхем в целом. Для формирования резистинных элементов применяют металлосилицидные сплавы и металлокерамические смеси. Резистиввые материалы напьmяют на подложки, нагретые до температуры не менее 250°С, непрерывно подавая порошки из вибробункера на ленточный испаритель, нагретый до температуры пленок _на основе 1800 ... 1900 металлосилициднык металлодиэлектрических смесей- сплавов ос. Удельное сопротивление резистинных 50 ... 3000 составляет 500 ... 10000 Ом·см Ом·см, а при толщине пленок не менее на 0,03 основе мкм. В качестве контактных площадок и коммутационных проводников используют пленки золота или алюминия с подслоем хрома и ванадия, а также многокомпозиционные сплавы с разной температурой испарения составляющих. Конденсаторы формируют в виде многослойной структуры на основе диэлектрических материалов: алюмосиликатнаго или борасиликатного стекол, окиси германия или кремния. В качестве обкладок конденсатора служат пленки алюминия, иногда с подслоем титана. Удельная емкость такой структуры составляет 10- 8••• 10-7 Ф/см 2 • Для повышения удельной емкости необходимо увеличить число слоев в многослойной струк:rуре. Однако выход .годных и надежность конденсаторов при этом уменьшаются. Для обеспечения контролировать и прецизионных поддерживать номинальных значений специальные подетроечные свойств режимы элементов с пленочных нанесения Кроме ± l ... О, 1% точностью элементы. микросхем пленок. Юстировку необходимо того, для необходимо параметров строго получения предусмотреть элементов выполняют различными способами: перепайкой или- перерезанием шин, удалением части рабочего слоя механическим путем или электронным и лазерным лучами. Групповую подгонку номинальных значений сопротивлений резисторов осуществляют химическими способами или термарегулирующим отжигом. Получение микросхем пересечениями с пересечениями. заключается в получении Основная трудность изолирующего слоя создания без сквозных микросхем пор, с которые вызывают короткие замыкания между коммутирующими элементами в процессе изготовления и эксплуатации микросхемы. Такие поры могут быть образованы, например, твердыми микроскопическими частицами, выброшенными из испарителя, Дефектами на поверхности подложки, а также за счет локального распада конденсата и диффузии металлических частиц во время эксплуатации микросхем. Поры, загрязнения, неоднородности структуры подложки, механические повреждения в изолирующем слое определяют относительно низкую надежность тонкопленочной необходимость многослойной новых коммутационной технологических структуры. приемов и В связи материалов, с этим применевне возникает которых обеспечивало бы изготовление бездефектной многослойной коммутационной структуры. В настоящее время наиболее удачным, по-видимому,следует считать технологический процесс изготовления многослойной коммутационной структуры, в которой изолирующим слоем служит полиимид. Полнимиды являются термостойкими высокомолекулярными соединениями, не окисляются вплоть до температур 250 ... 275 °С, допускают термообработку до 400 ос в течение нескольких часов без зн~чительных изменений свойств. Применяя полиимид в качестве изолирующего слоя, можно построить два варианта технологического процесса. Первый вариант полностью основан на известных методах тонкопленочной технологии. Во втором случае металлизация первого уровня представляет собой напыление, например, меди с подслоем хрома на подложку из ситалла и последующую фотолитографию. Затем методом центрифугирования наносят полиимид. На высушенном слое полиимида методом фотолитографии вскрывают сквозные
72 отверстия для межслойных переходов. Причем полиимид в окнах фоторезиста растворяют в гидрозингидрате. Чтобы исключить образование сквозных отверстий в слое полиимида, операции нанесения и формирования сквозных отверстий в слое полиимида повторяются два, • иногда даже три раза. В принципе применение полиимида позволяет создавать трехуровневую коммутацию, однако из-за значительного усложнения технологии и уменьшения числа выхода годных на практике ограничиваются двухслойной тонкопленочной коммутационной структурой. Весьма интересным технологическим решением является изготовление двухслойной тонкопленочной коммутационной структуры на основе готовой полиимидной пленки толщиной 50 ... 60 мкм. Вырубленные из такой пленки заготовки промывают ацетоном от загрязнений и высушивают в среде сухого азота в течение нескольких часов. Затем на одну сторону пленки напыляют медь с адгезионным подслоем хрома. Во избежание деформации необходимо, чтобы 50 при напылении температура пленки не превышала °С. Выполнение этого требования весьма важно, так как адгезия тонкой пленки к полиимидной подложке очень критична к напряжениям, возникающим из-за разницы коэффициентов линейного растяжения тонкой напыленной пленки металла и подложки. двухслойной Отсюда структуры металлизации, при на которых ясно, что основной полиимидной обеспечивается задачей при разработке подложке является поиск требуемая величина адгезии. технологии таких условий Полиимидная подложка с тонкопленочной двухсторонней коммутацией обеспечивает получение высокой плотности монтажа. В связи с этим она находит применение там, где определяющим фактором при выборе технологии является достижение высокой плотности упаковки. 2.2.5. Сборка Сборка. является Основным обеспечение требованием высокой и герметизация ГИС к сборочио-монтажным плотности монтажа и процессам высокой создания надежности ГИС монтажных соединений, высокой производительности и низкой стоимости. Процесс сборки и монтажа сводится к установке бескорпусных активных элементов на подложку или коммутационную плату и подсоединению внешних выводов этих элементов к пленочным контактным площадкам. Метод монтажа в значительной степени определяется типом выводов активных элементов. В настоящее время наиболее широкое распространение получили бескорпусные балочными и микросхемы паучковыми выводами с проволочными, (рисунок 2.39). шариковыми Соответственно и (столбиковыми), методы монтажа называют по типу выводов ИС: метод проволочного монтажа, метод перевернутого кристалла, метод балочных и паучковых выводов В таблице 2.10 [15]. даны сравнительные характеристики бескорпусных ИС, применяемых в ГИС. С точки зрения обеспечения отвода тепла (таблица конструкция ИС с проволочными выводами. В 2.11) наилучшие характеристики имеет сочетании с эвтектической пайкой обеспечивает минимальное тепловое сопротивление. ИС с паучковой конструкцией она выводов имеет такие же тепловые характеристики, что и ИС с проволочными выводами.Проволочная конструкция выводов, а также паучковая и балочная позволяют устранить основной недостаток проволочного монтажа, монтажа кроме - индивидуальную метода перевернутого ручную сборку. кристалла, При имеется всех указанных возможность методах визуально контролировать качество контактирования. Наиболее простым вариантом сборки гибридных ИС является сборка полупроводниковых ИС одной конструкции. Однако такой вариант не всегда возможен: на одной подложке приходится совмещать несколько ИС с различной конструкцией выводов. В этом случае предъявляются повышенные требования к материалам подложки, проводящим пленочным покрытиям и материалу выводов.
73 ~<':! ~ 16 ПfJONeжymoчнoii таре @== ~~ "~ :t.., .., :;:; ~"" ИС с э8тектическоii nocaf!/{rдl г=::::з Прvпаяч,;ые шаршш (Фирма 1 81'1) ~~ ~~ бикu ГалМJанические стол- ~ из NЯгкого прuпм '--------' \ ~ ГальВанические стол- ~_2 ~ ошш с 8ысо;шN жесm- - ~ Бални (эмотые с=р~ ~ и uлшминие8ыеJ ~ '-' ~ Пауч!{U [JЛЮМ(I- г- t.) ~ Е?~~__ нис5ь:с при8арнме ~ ,g.;c-=ii!Jt-~ Пuучка l.- припаянные Рисунок Наилучшим Однако производстае Достаточно 2.39 - Виды материалом для применевис золота применение ~ конструкций бескорпусных ИС контактных площадок пассивных плат является золото. повышает и требует дополнительных широкое 1 !~ ~ ~ ~---- кu/'1 осноВаниен ~ в стоимость микросборок, создает трудности в мер для уменьшения его растворения в припое. качестве материала контактных площадок получило припойнос покрытие. Полупроводниковые ИС со столбиковыми и паучковыми выводами, покрытыми припоем, при монтаже на припойные контактные площадки обеспечивают трехкратную их смену. Столбиковые (шариковые) выводы могут быть выполнены в двух вариантах: выводы из чистого припоя и полужесткие выводы с медным основанием, покрытым припоем. Конструкция с припойными выводами И'3 мягкого припоя является ненапряженной и нежесткой. Она обеспечивает высокую надежность соединения и, в частности, устойчивость соединения к циклическим воздействиям температуры. Однако технология изготовления пассивной части для монтажа ИС с выводами из припоя достаточно сложна. Это связано с необходимостью иметь изолированные контактные площадки разной площади. На качество монтажа ИС с полужесткими выводами влияет разновысотность контактных площадок, материал Толстопленочная и класс технология контактных площадок около при толщине слоя поэтому 6 ... 10 контактные обработки поверхности обеспечивает 10 ... 12 подложки, разновысотность в число пределах выводов одной мкм, вакуумные методы напыления- не более 0,5 мкм даже мкм. Допустимая разновысотность контактных площадок около площадки, полученные трафаретной печатью, требуют ИС. группы 5 мкм, применения методов выравнивания. В качестве материала припойнога покрытия применяют обычно олово с добавками висму­ та (0,5%). Поскольку этот материал не смачивает диэлектрическую подложку и не имеет к ней адгезии,то приходится последовательно напылять хром, никель, олово. Напылением через мас­ ки ветрудно получить проводники с шириной и зазором между ними по пыленных слоев никеля и олова зависят от класса обработки симальная толщина олова была всегда 150 мкм. Толщины на­ поверхности. Важно, чтобы мак­ больше максимальной неровности подложки. Для под­ .1ожек, имеющих 7-й класс чистоты обработки поверхности, наилучшие значения выхода год­ ных получаются при толщине никеля не менее 0,3 мкм и толщине олова не менее 8 мкм. Одним из факторов, определяющих надежность контактирования с полужесткими столбиковыми вы­ водами, является согласованность коэффициентов линейного расширения кремния и диэлек-
74 трической подложки. Чем больше число выводов и больше разница коэффициентов, тем мень­ ше устойчивость соединения к циклическому воздействию тепла в интервале температур экс­ плуатации. Таблица Вид конструкции Технологичность Вид защиты монтажа (автомат) ИС в таре Неорганическая 2.10 Удобство Рем о нто- обращения пригод- при монтаже н ость Низкая Средняя Хорощее и органическая Мягкие выводы Шариковые ИС с эвтектической посадкой Тоже - Низкая Среднее Шариковые Неорганическая Хорошая Хорошая Хорошее ИС с мягким припоем - - - - - - - - - - - Средняя Среднее Низкая Хорошее - Хорошая - и столбика вые выводы ИС с большим твердым основанием Балка Алюминиевые Жесткие консольные Припойные То же ~ органическая выводы Надежность Способность Плотность Пригодность к автомати Температурный соединений рассеивания тепла упаковки зации измерительных диапазон монтажа Низкая Средняя Средняя операций Средняя Ограничен предельной температурой органической защиты - Хорошая - Низкая Высокая Средняя Высокая Средщя - - - - ToJ!ie - - Допускает кратковременные Тоже Ограничен температурой припоя воздействия температурой ДО 500 оС Хорошая Средняя Средняя Хорошая - Средняя (хорошая Средняя Хорошая при (низкая) (в ленте) Тоже Тоже электромонтаже - Тоже ) Тоже - Ограничен предельной температурой органической защиты и температурой припоя
75 Таблица 2.11 Тепловое сопротивление, ОС/Вт Конструкция ИС подложки выводов кремния суммарное эвтектической посадкой 35 - 18 53 Балочные выводы 40 30 105 30 70 Проволочные выводы с 35 (при 36 выводах) 1 Столбиковые выводы 40 0,2 (при 36 выводах) Применеине толстых пленок для получения наружного слоя коммутации в гибридных БИС позволяет комплеr<товать их многовыводными (более 4-х) полупроводниковыми ИС с проволочными, паучковыми, балочными выводами. Тонкопленочная коммутация не ограничивает применение полупроводниковых ИС с различными конструкциями выводов. В процессе сборки бескорпусные ИС крепят на плате с помощью эпоксидных компаундов - или эвтектических сплавов. В первом случае переход активный элемент электроизоляционным, во втором случае - плата является омическим. Чаще всего применяют компаунд на основе эпоксидной смолы ЭД-6. Выбор этого компаунда обусловлен его высокой аДгезией к различным материалам, Подбирая отвердители, малой усадкой эпоксидным технологические свойства: при отвердевании, химической стабильностью. компаундам можно придать различные физические и высокую теплопроводность, желаемые коэффициент линейного расширения, рабочую температуру, малую степень усадки и требуемую эластичность. При эвтектическом спае на подложку в нужном месте наносят слой золота толщиной в несколько микрометров, на который и помещают полуПроводниковую ИС. Затем подложку с микросхемой разогревают до температуры, несколько превышающей температуру эвтектики кремний золото (370 - °С). При такой температуре и некотором равномерном давлении на кристалл взаимно растворяются кремний и золото и образуется эвтектический спай на границе раздела. Если толщина пленки золота мала, Мягкие проволочные то между 10... 20 мкм. эвтектического сплава толщиной выводы ИС ней и кристаллом подсоединяют к помещают контактным термакомпрессионной или ультразвуковой сваркой. В таблице 2.12 таблетку площадкам чаще отражены методы монтажа, получившие широкое распространение в производстве гибридных БИС. Термакомпрессионная сварка основана на одновременном воздействии на свариваемые участки повышенной температуры и давления. Уровень давления подбирают таким образом, чтобы проводник деформировался только после его разогрева. Давление О, 1... 0,6 кг передается через сварочный инструмент. подогревателем (разогрев подсоединяемой проволокой, Место всей сварки подложки), через нагревают тремя подогретым которую пропускает способами: сварочным импульс специальным инструментом тока в месте или контакта. Режимы термакомпрессионной сварки не критичны и могут изменяться в достаточно широких пределах. Существенными недостатками термакомпрессионной сварки является трудность ее автоматизации и перспективной является сравнительно невысокая ультразвуковая прочность (УЗ) сварка, свариваемого соединения. обеспечивающая лучшее Более качество соединений, разнородных по составу и толщине. Достоинством УЗ сварки также является возможность ее выполнения групповым методом. Метод ультразвуковой сварки основан на одновременном воздействии колебаний ультразвуковой частоты, возбуждаемых в свариваемых деталях, и давления в области сварки. Под действием продольных УЗ колебаний разрушается окисвая пленка контактирующих поверхностей, обнажаются чистые слои металлов. В результате давления и ультразвуковых вибраций в месте контакта происходит металлургическое сращивание соприкасаемых
76 поверхностей. Образуется довольно прочное соединение. Современные промышленные установки для ультразвуковой сварки снабжены устройствами перемещения инструмента, свариваемой проволоки и столика с микросхемой. Таблица 2.12 Методы монтажа полупроводниковых ИС при Конструкция разных материалах контактных площадок пассивной платы Материал выводов выводов Олово - висмут - Алюминий Проволочная алюминий золото УЗ КН+УЗ КН+УЗ УЗ - Алюминий или кн кн медь, РЭ РЭ УЗ покрытые припоем - Алюминий Паучковая кн Медь (никель), РЭ УЗ УЗ+ КН РЭ кн РЭ покрытые припоем - Алюминий Балочная - Золото кн УЗ+ КН РЭ кн УЗ+КН РЭ кн УЗ РЭ Пайка припойными пастами в Припой nечи или при помощи локального импульсного нагрева подложки Столбиковая Медь Алюминий Золото Примечанне Примечанне 1. 2. кн кн УЗ+КН УЗ+ КН - кн кн кн УЗ+ КН УЗ+ КН УЗ+КН УЗ+ КН УЗ+ КН - При всех методах монтаж на керамических nодложках выполняют с их подогревом до КН-сварка или пайка импульсным косвенным нагревом; РЭ - 150 ... 200 С. сварка и пайка расщепленным (сдвоенным, строенным) электродом; УЗ- сварка или пайкапривоздействии ультразвуковых колебаний. Герметизаиия. В реальных условиях эксплуатации микросхемы по~вергаются воздействию различных факторов (тепла, влаги, агрессивных химических сред и т. п.), серьезно влияющих на их работоспособность и надежность. Для защиты от внешних воздействий микросхемы герметизируют. Степень необходимой герметизации и ее способы зависят от назначения микросхем и области их применения, материалов микросхем, герметизирующих материалов, уровня развития технологии и зкономических соображений. По конструктивно-технологическим признакам герметизация разделяется на бескорпусную и корпусную. Бескорпусную герметизацию выполняют в основном заливкой микросбарок в специальные заливочные формы. Герметизацию производят в вакуумной камере или при небольшом избыточном давлении. В качестве заливочных материалов применяют: эпоксидные, кремнийорганические и полиуретановые компаунды, а также полиэфиры и поли­ сульфиты. Наибольшее распространение получили компаунды с различными наполнителями, обеспечивающими необходимые физические и технологические свойства: механическую проч­ ность, теплопроводность, эластичность и пр. При бескорпусной герметизации масса и габариты
77 приблизительно в l ,5 раза, а стоимость примерно на 30% меньше, чем при корпусной. Однако бескорпусная герметизация, как и защита пластмассовыми корпусами, не обеспечивает надеж­ ной защиты микросхем от влаги. Дело в том, что даже в условиях нормальной влажности на поверхности защитного слоя микросхемы всегда имеется пленка воды толщиной около 0,01 мкм. А так как диаметр молекул воды значительно меньше размеров микропор и микротрещин защитных материалов, то проникновение влаги под защитный слой со временем неминуемо. И хотя этот процесс протекает очень медленно, со временем под защитной пленкой накапливается влага. Как известно, вода - химически активное вещество, способствующее образованию солей, щелочей, кислот. Поэтому появление под герметизирующим слоем воды приводит к образова­ нию там концентрированного водного раствора солей. Так как с внешней стороны пленки рас­ твор солей менее концентрированный, создаются условия для интенсивного проникновения влаги под пленку. В результате под пленкой возникает значительное давление, приводящее к вспучиванию и отслаиванию защитного слоя. Поэтому для микросхем более надежным спосо­ бом защИты от влаги является вакуум-плотная герметизация с использованием специальных корпусов. В зависимости от материала, применяемого для изготовления корпусов, и способа герметизации их внешних выводов вакуум-плотные корпуса подразделяют на стеклянные, ме­ таллостеклянные, металлические, керамические и металлокерамические. Для герметизации толстопленочных ГИС применяют в основном металлические, керами­ ческие и металлокерамические корпуса. Металлические корпуса штампуют из алюминиевого сплава, а затем анодируют для при­ дания им декоративного вида. Для герметизации толстопленочные микросхемы устанавливают в анодированный корпус и заливают эпоксидным компаундом C!J стороны штырей (выводов). Керамические и металлокерамические корпуса, как и металлостеклянные, состоят из двух частей - основания и крышки. Основание корпуса изготавливают из вакуум-плотной алюмоси­ ликатной керамики или окиси бериллия, характеризующихся повышенной стойкостью к термо­ у дарам, а крышку- либо из этой же керамики, либо из металла. При герметизации в металлоке­ рамическом корпусе коэффициенты линейного расширения материалов крышки и основания должны быть одинаковыми. Обычно металлическую крышку изготавливают из ковара, никеля, меди. Чтобы обеспечить прочное соединение крышки с керамическим основанием, плоскости их контактирования металлизируют молибдено-марганцевой пастой с последующим осаждени­ ем слоя никеля или меди. Крышку припаивают к основанию серебряным припоем. Качество герметизации определяется скоростью натекания газов из внешней среды. Гер­ метичность проверлют масс-спектрометрическим методом с помощью гелиевого течеискателя. 2.3. Основы технологии поверхностного монтажа Современная аппаратура отличается высокой интеграцией и технологичностью, малым весом и высокой надежностью. Эти достижения в значительной степени обусловлены успехами в области технологии поверхностного монтажа [9, 14]. К основным преимуществам этой технологии по сравнению с монтажом в отверстия от- носятся: • повышение плотности монтажа электронных компонентов (ЭК) на плате в 4-6 раз; • уменьшение габаритов на 60% и снижение веса в 3-5 раз; • возможность монтажа ЭК с двух сторон платы; • повышение быстродействия и улучшение электрических характеристик, связанных с длиной выводов ЭК; • упрощение автоматизации монтажа ЭК на платы, увеличение в десятки раз производительности процесса монтажа; • снижение стоимости трудоемкости и монтажа использования печатных узлов (ПУ) меньшего числа простых вследствие плат, в размеры и число слоев; • повышение виброустойчивости и вибропрочности ПУ в два раза; которых уменьшения уменьшены
• повышенная способность отвода тепла от кристаллов интегральных схем 78 (ИС), что является очень важным для безотказной работы аппаратуры; • оборудование для технологии поверхностного монтажа проще, надежнее, обладает производительностью в десятки раз выше и требует в два раза меньше произведетвенных площадей по сравнению с оборудованием для монтажа в отверстия. Естественно переход на новую технологию обусловил появление новой элементной базы и особые требования к качеству коммутационных плат (КП). 2.3.1. Элементная Современная база для поверхностного монтажа электронных компонентов технология поверхностного требования к электронным комnонентам • [9]: монтажа предусматривает следующие минимальные масса и габариты, плоскостность, низкий nрофиль выводов, невысокая стоимость, обеспечение стандартизации; • пригодность к автоматизированному монтажу, возможность использования существующих методов пайки; • высокую термостойкость в условиях длительной • возможность современного корпусирования. тепловой нагрузки в процессе пайки В настоящее время на рынке ЭК имеется большой выбор элементов в различных корпусах для поверхностного монтажа. Причем, разработка корпусов для ЭК приблизилась к такой стадии, когда её роль становится столь же важной, как и разработка самих компонентов. Основными компонентами для поверхностного монтажа являются большие (БИС) и сверх­ большие (СБИС) интегральные схемы (ИС) и полупроводниковые приборы в малогабаритных корпусах. Существует большой выбор корпусов для поверхностного монтажа. Необходимо отметить, что размеры кристалла ИС продолжают увеличиваться, а размеры элементов в нем уменьшаются, поэтому специалисты, занимающееся вопросами сборки - компонентов, столкнулись с двойной проблемой. Во-первых, необходимо собирать физически большой кристалл,высокая плотность элементов в котором требует увеличения числа контактных площадок для соединения его с внутренними выводами корпуса. Во вторых, увеличение размеров и плотности упаковк.и элементов в кристаллах БИС и СБИС требует увеличения числа выводов в корпусах, в которые они монтируются, что может приводить к возрастанию их размеров, веса, ухудшению электрических характеристик и быстродействия микроприборов. Поэтому техника корпусирования БИС и СБИС - динамичная, бурно развивающаяся область микроэлектроники, при этом основной тенденцией является стремление к минимизации объемов корпуса при одновременном росте числа выводов с уменьшением расстояния между ними. Корпуса классифицируют в зависимости от конструктивных особенностей и геометрических размеров. Классификация корпусов для поверхностного монтажа приведена на рисунке 2.40. В соответствии с этой классификацией в таблице 2.13 приведены основные данные о наиболее распространенных и перспектинных типах корпусов. Следует отметить, что некоторые изготовители в справочных данных в качестве основного приводят фирменное обозначение корпуса, а в комментариях дают сведения о соответствии фирменного обозначения общепринятому. Кроме того, часто перед общепринятыми обозначениями корпусов ставят букву, определяющую материал, из которого сделан корпус: Р - пластик, С - керамика, М - металлокерамика.
79 Со стандартным шаrом расnоложения выводов С уменьшенным шагом Корпуса с выеодами вдоль fJ!'YX бокоеых сторон расnоложения выводов -~"" С доnолниrельными конструктивными элементами Дпя микросхем низкой. средней и высокой стеnени Корпуса с аь•еодами вдоль чer~rpex боковых сторон Со стандартными размерами корnуса интеграции "'""" Корпуса с лентО"'ными С уменьшенным корnусом выводами ~~'iikiiiliiiir:~' Корпуса с матрицей выводов на нижней поверхности С одноуровневым расnоложением кристаллов С низкой теnловой y~~~+..t.. рассе~tеаемой мощностью С многоуровневым расположением криС""м.nов д/1R транзисторов Со средней темозой и микросхем низкой i:.l.4~c;{'; рассеиваемой мошнастыо степени интеrраu,ии С высокой теплавой рассеиваемой мощностью Рисунок 2.40 - Классификация корпусов микросхем, предназначенных для поверхностного монтажа SOP, SOJ, QFJ, QFP, DIP. 100) и QFP (число выводов от Корпуса с выводами по периметру входят в состав семейства Наиболее распространены корпуса 20 до 304). SOP (число выводов от 8 до В корпусах с большим количеством выводов выпускают цифровые микросхемы средней и высокой степени интеграции, а корпусах с малым количеством выводов микросхемы малой и средней степени интеграции, аналоговые - микросхемы, цифровые диоды и транзисторы. Микросхемы алюминиевой в исполнении фольги на ТСР имеют ленточные полимерной пленке, выводы прикрепленные из к тонкой медной или кристаллу пайкой или ультразвуковой сваркой. После установки на плату микросхемы должны герметизироваться в составе платы. Они поставляются на ленте-носителе автоматизированного контроля параметров и монтажа. и хорошо Приспособлены для Этот тип микросхем применяют в недорогой, не подлежашей ремонту аппаратуре с большими объемами выпуска. Для микросхем высокой и сверхвысокой степени интеграции в последние годы получили широкое распространение корпуса BGA, поскольку они относительно недороги и при большом количестве выводов занимают мало место на плате. Согласно технологии кристаллы (один или несколько) монтируют на поверхность BGA печатной бескорпусные микраплаты и герметизируют полимерным компаундом. Микросхемы в корпусах массива шариков припоя технологии корпусов печатная микроплата, BGA а BGA на паяются на платы с помощью выводов, выполненных в виде контактных площадках микроплаты. привело к созданию корпусов типа шариковые выводы размещены CSP, Дальнейшее развитие в которых отсутствует непосредственно на контактных площадках в верхнем слое металлизации кристалла. После формирования шариковых выводов кристалл заливают тонким слоем пластмассы и монтируют на печатной плате так же, как корпус BGA. В случае необходимости на верхней стороне микросхемы устанавливают теплоотвод. При эффективности технологии использования flip-chip площади платы эта технология практически не уступает (монтаж на плату перевернутых бескорпусных кристаллов и герметизация их полимерным компаундом в составе платы). Основным тормозом в массовом выпуске
микросхем в CSP корпусах типа и широком применении технологии flip-chip 80 является отсутствие надёжного и недорогого способа уменьшения напряжений в системе кристалл­ печатная плата, возникающих из-за различия температурных коэффициентов расширения полупроводникового кристалла (2·1 0"6 ;ос), меди ( 16,6·10" 6 I°C) и диэлектрика типа FR-4 ((15 ... 19)·10-6 / 0 С), из которого делают печатные платы. Поэтому основные усилия разработчиков направлены на повышение надежности таких микросхем путем создания между кристаллом и платой недорогой переходной структуры, гасящей температурные напряжения. Таблица 2.13 - Корпуса микросхем для поверхностного монтажа Шаг Вы во Корпус Полное Тип Краткое описание ~08, название l. SO, SOP, SOL, SOIC Корпуса для микросхем низкой, средней и высокой степени интеграции l.l.C выводами вдоль двух боковых сторон корпуса ] .1.1. Со стандартным шагом расnоложения выводов Small Outline Package, Выводы в виде крыла чайки или в виде 1.27 Small Outline буквы «L» lntegrated Circuit Small Outline 1-Lead Package TSOP. Thin Small Outline Package Выводы в виде буквы 1.27 «J» Корпус с уменьшешю~ высотой над 2 корпуса мм SOJ вариант Внешний вид платой 1.27 (не более 1.27 мм), выводы ~ о расположены вдоль длинной стороны корnуса l. J .2. TSOP, вариант 1 С уменьшенным шагом расположения выводов Thin Small Outline Package Корпус с уменьшенной высотой над платой (не более 1.27 мм), выводы расположены вдоль короткой стороны 0.5 корпуса Shrink Small Outline Package SSOP, SSOL Корпус SOP с 1.00 80 0.65 0.50 уменьшенным шагом о. расnоложения выводов 1 s s Thin Shrink Small Outline Package Корпус над SSOP nлатой с уменьшенной высотой (не Гтандартизован более EIAJ, JEDEC 1.27 мм). ~ 0.65 0.50 (J р TVSOP uSOIC QFP PLCC Thin Very 0,10 Small Outline Миниатюрный корпус SOP Package 0.65 microSOIC Миниатюрный Iюpnyc SOIC 1.2. С выводами вдоль четырех сторон корпуса 1.2.1. Со стандартными размерами кор11уса Quad Flat Package Plastic Leaded Chip Сштiеr 1.00 Выводы в виде крьша чайки вдоль 0.80 о. 65 четырех сторон корпуса КристаллоноситеJJЬ с выводами виде буквы Г. Стандартизован JEDEC 11 EIAJ. 1.27 0.636 . CJ
2.13 - Корпуса Продолжение таблицы Корпус Шаг Полное Тип NQЛ' Low Pюt'ilc (Thin) Qнad Flat Packaoe Корпус OFP корпуса С vменьшснныМJ1 оа~меоами коrшvса 0.80 0.65 с уменьшенной высотой IШJI платой (не более QFP с Корпус Qнad 1.27 мм) 1 мeтpi!~ICCКIIM шагом платой Fine Pitch Qtшd Flat Package OFP с Кор11ус малым шагом 0.40 распшюжс~IИЯ иыводов. Стандартизован EIAJ 1.3. С матшщсй выводов на I!Ижней nовеnхности кoonvca Микросхема или многокристальный Ball Grid Array ---~ (J 0.60 вы волов 11 уменьшенной высотой над Flat Package ~'QFP Внешний вид название Mctric Tl1in MQ~'I' Выводов, мм Краткое описание 1.2.2. LQFP, 81 микросхем для поверхностного монтажа 1.27, 1.00 модуль на двухслойноН nечатной микроплате, снабжен массивом шариковых выводов Корн ус CPS Chip Scalc Packagc 2. с размерами, незначителы1с 1.00, 0.50 11ревышающ11МИ размеры крнстаm1а. Снабжен массивом шариковых выводов 1 Корпуса для транзисторов и микросхем низкой степени интеграции 2.1. С низкой рассеиваемой мощностыо Outline Transistor Sша11 ~ 0.95 Для диодов, транзисторов, микросхем с ма.r1ым количеством выводов. SOT-23 выпускается также в варианте -. исnолнения с nятью (SOT-5, SOT-23-5) или шесть (SOT-б,SOT-23-6) выводами ~ОТ-143 1.90 lsoт-323 0.65 ~ОТ-363 ~ 0.65 ••,. ' 2.2. SOT-223 ~mall Outline h'ransistor Со соедней nассеивасмой мощностью 1.95 Для транзисторов и микросхем с малым количеством выводов (DC/ DC преобразователей, стабилизаторов DPAC 2.3. D'PAC D-p.i'ckage D'PAC D-package 4.80 напряжения) D-package С высокой рассеиваемой мощностью Для транзисторов и микросхем с повышенной рассеиваемой мощностью. высокий напряжением питания Как nравило это приборы с имnульсными токами до 100 А 2.54/ 5.08 10.9 • ••
82 Для микросхем, имеющих регулярную структуру, небольшую потребляемую мощность и малое количество выводов (типичные представители подобных микросхем - микросхемы памяти) начали развивать технологию изготовления многоуровневых («Этажерочных») модулей ЗDМ. Согласно одному из BGA, аналогично микросхеме вариантов этой технологии каждый уровень flip-chip кристалл устанавливается методом выполняется л заливается слоем полимерного компаунда. Затем микраплаты разных уровней собирают в столбик, шариковые выводы припаивают для создания вертикальных соединительных проводников, платы столбика скрепляют полимерным компаундом. Полученный модуль монтируют на плату с помощью шариковых выводов. Корпуса семейства вывода (за SOT нерваначально были разработаны для транзисторов и имели три SOTc363, который имел б выводов). Однако впоследствии исключением изготовители начали применять эти корпуса для микросхем, при необходимости увеличивая количество выводов с микросхемы в корпусах С точки сохранением SOT-23 зрения прежних габаритов. с пятью выводами и конструктора, В D2PAK- с разнообразие частности, выпускаются четырьмя. типоразмеров корпусов незначительно усложняет процесс разработки печатных плат, если их размеры заданы в одной измерительной системе. И наоборот, процесс разработки усложняется, если на плате для части корпусов размеры заданы в дюймах, а для остальных - в миллиметрах. принципиальной электрической схемы следует стремиться к Поэтому разработчику выбору микросхем, размеры которых заданы в единой измерительной системе. Тонкопленочные чип-резисторы. В общем количестве электронных компонентов, используемых при производстве аппаратуры, пассивные составляют 70%, причем не менее резисторы. Конструкция чип-резисторов показана на рисунке 50 % из них приходится на 2.41. Основанием чип-резисторов служит керамическая подложка на основе оксида алюминия, на которую наносится резистинный слой. Высокая точность величины сопротивления достигается лазерной подгонкой. Электрический контакт с печатной платой обеспечивается трехслойной поверхностью, состоящей из внутреннего слоя - барьерного слоя никеля и внешнего слоя выводов олово выводов палладий- серебро, свинец или олово. Введение в конструкцию дополнительного слоя никеля при пайке предотвращает миграцию серебра из внутреннего выводного слоя в припой. На защитное маркировка покрытие номинала. из Благодаря борасиликатного высокому стекла качеству наносится и несмываемая стабильности резисторы являются оптимальным выбором для любой аппаратуры. Основные характеристики тонкопленочных чип-резисторов приведены в таблице Таблица Параметры/модель Номинальная мощность при 70 CR0603 °С, Вт 2.14- CR/206 1/8 Диапазон рабочих температур, ос •А 50 125 150 200 100 300 400 от-55 до Максимальное рабочее напряжение, В перегрузки Диапазон ~R=5% О Ом ~R=I% 1О - 1О Мом/± 200ppm/C сопротивлений/ Температурный коэФФИциент Ом чип­ 2.14. Характеристики чип-резисторов CR0805 1/10 кодовая параметров, - 1 Мом/± 1OOppm/C
83 Таблица Параметры/тип 2.15- Характеристики чип-конденсаторов NPO/SOG диэлектрика X7R zsu ±10% ±20% 50/16 50/16 Y5V рабочих Диапазон -55 ... 125 температур, ос Допустимое 1О до отклонение пф -±0.5пф 5% 50/25 -20+80% 25/16 более± емкости Рабочее напряжение. В (=/-) Сопротивление Более изоляции, 10000 МОм Керамические чип-конденсаторы. Конденсаторы были первыми ЭК, которые стали выпускать в исполнении, рассчитанном для монтажа на поверхность. Это самый распространенный вид конденсаторов в настоящее время. При заданного малых габаритах температурного керамические они обеспечивают реализацию коэффициента. конденсаторы массовых серий Простота самым широкой технологии дешев~IМ видом Конструкция керамического чип-конденсатора приведена на рисунке шкалы ёмкости и изготовления 2.42. этих делает компонентов. Внеwнмм IIЫIIO.QIIOii С/IОЙ: 0110110/~ !Sn/FЬ) J...---ьat~IНЫII cro"i никеля 8нyrpettlllli модноi1 С/IОЙ: l8-ll--l-- nаnnадий/серебро !Pd/"'1 -lr8-ll-7"'- Подооw на осюее 8Ь1G0С0ЧИС1\)1" аJ10111Н11Я !96%\ '----~- Резмстивны1i эnемент с паэерtЮЙ noдroнкoii (R~) Рисунок 2.41 - Конструкция чип-резистора Внеwниii ~~..-.~- ВЫВОДjЮЙ cnoli: ОЛОIIО,tсвмнец \Sn/PЬ) 011080 (Sn) Электроды Рисунок 2.42 - Конструкция чип-конденсатора Такие чип-конденсаторы обладают высокой механической прочностью и выдерживают высокие механические нагрузки, возникающие при изготовлении и эксплуатации. Электрический контакт с печатной платой обеспечивается так же, как и при монтаже чип­ резисторов.
84 Основные преимущества керамических чип-конденсаторов • трехслойные контактные поверхности с барьерным • высококачественные диэлектрические материалы; • стойкость ко всем видам пайки. : слоем никеля; Основные характеристики керамических конденсаторов приведеныв таблице 2.15. Характеристики диэлектрических материалов: • NPO/SOG изменениях ультрастабильная керамика. Имеет очень малые диэлектрические потери при температуры и близкие к нулю эффекты старения. Обладает низкой диэлектрической проницаемостью; • X7R - высокая диэлектрическая проницаемость. Средние значения потерь при изменениях температуры и эффектов старения; • Z54, YSV- высокая диэлектрическая Необходимо отметить, проницаемость. что развитие элементной базы для поверхностного монтажа характеризуется следующими особенностями: дальнейшим повышением степени интеграции полупроводниковых БИС, СБИС с расширением их функциональных возможностей; • возрастающим разнообразием корпусов для поверхностного монтажа активных и пассивных компонентов; • появлением для БИС и СБИС корпусов с особо малыми расстояниями между выводами или контактами, число которых возрастает, а также конструкций с использованием технологии chip, безвыводных корпусов и с выводами на нижней стороне корпуса; • разработкой I:J выпуском конструкций широкого ряда дискретных элементов flip- (индуктивностей, трансформаторов, переключателей) для монтажа на поверхность КП. 2.3.2. Коммутационные Переход от выводного монтажа к технологии платы поверхностного монтажа обеспечил уменьшение размеров КП. При этом размеры плат определяются характеристиками материалов, из которых они изготавливаются, так как в процессе пайки электронных компонентов одновременно происходит нагрев плат. Кроме того, необходимость уменьшения размеров плат связ~на с технологической оснасткой и оборудованием для монтажа и пайки. Конструкция КП для поверхностного монтажа должна обеспечивать повышенную плотность монтажа (в среднем более восьми компонентов на 1 см 2 ), ширину проводящих дорожек и расстояний между ними менее 0,2 мм, минимальную длину межсоединений, отсутствие навесных перемычек, монтаж компонентов с двух сторон, возможность более интенсивного теплоотвода, полную автоматизацию сборки и монтажа компонентов, а также контроль качества сборки. Применеине современных компонентов для поверхностного монтажа требует особых подходов к проектированию КП при выборе конфигурации и размеров контактных площадок и соединительных проводников, а также допусков на изготовление КП. Следует подчеркнуть, что изготовители в документации на пассивные и активные электронные компоненты обычно приводят рекомендации по размерам и расположению контактных площадок, а также способу пайки с указанием температурно-временной характеристики процесса. Для изготовления КП применяют различные органические и неорганические материалы. При этом совершенствуются известные технологические процессы а также появляются новые, позволяющие существенно снизить производственные затраты и улучшить качество КП: лазерное экспонирование рисунка на шаблонах или самих КП, покрытых резистом; применение неудаляемых резистов, сухих (например, термомагнитных) резистов, способствующих повышению производительности при получении рисунка металлизации на КП. При создании коммутационных проводников преобладают аддитивная и полуаддитвная технологии, однако многие зарубежные фирмы используют и субтрактивную технологию, которая, как известно, требует применения фольгированных диэлектрических материалов, позволяющих получИть минимальную ширину дорожек 50-100 мкм.
85 Изготовление КП с повышенной плотностью монтажа поставило ряд задач, главными из которых являются: о согласование по температурному коэффициенту расширения платы и монтируемых на ней электронных компонентов; о обеспечение теплоотвода при повышенной рассеиваемой мошности; о оптимизации геометрии элементов коммутации с учетом специфики электронных компонентов, а также свойств применяемых припоев, защитных и клеевых материалов. Развитие техники поверхностного монтажа способствовало появлению новых технических пластмасс, керамических и различных композиционных материалов, необходимых для определенных типов мю<росборок. При изготовлении простых и относительно дешевых сборок полностью пригодны традиционные материалы, такие как слоистые бумажнофенольные и стеклоэпоксидные материалы. Но поистине вызовом,который бросает технология поверхностного монтажа компонентов (ТПМК) изготовителям коммутационных плат, являются требования к точности их изготовления: в ТПМК на всех этапах технологического цикла допуски для плат должны составлять от 0,001 до 0,002 дюйма (0,0254- 0,0508 мм). 2.16 указаны факторы, обусловленные особенностями В таблице ТПМК применительно к изготовлению коммутационных плат. Они тесно связаны с компромиссом между плотностью монтажа и эффективным использованием коммутационной платы, а именно: более высокая степень использования плат может служить как целям уменьшения размеров платы с тем же самым количеством коммутационных слоев, так и целям по~ышения функционал~ной сложности изделий при сохранении размеров плат с одновременным увеличением числа слоев. В обоих случаях в · технологию изготовления плат должны вноситься изменения: миниатюризация отверстий и коммутационных дорожек, а также увеличение количества слоев коммутации требуют повышения точности технологических процессов. Размеры ком.~1утационных плат. Переход от традиционной техники монтажа к ТПМК дает много возможностей для уменьшения размеров используемых плат; часто ТПМК позволяет построить схемный модуль на плате исключительно переносная аппаратура, малых размеров. Убедительным например радиоприемник подтверждением этому служит поискового вызова. Вероятно, общее уменьшение габаритов данного устройства было бы невозможно без применения ТПМК и, соответственно, было бы невозможно снижение его стоимости. Другим хорошим примерам являются японские сверх-миниатюрные портативные стерео- и радиосистемы. Выигрыш здесь имеет место не только в снижении стоимости за счет уменьшения размеров плат, включая, возможно, и базовую (с соединителями) плату, но и в значительном улучшении электрических характеристик устройства благодаря меньшей длине коммутационных дорожек и расстоянию между компонентами, что очень важно для повышения быстродействия схем и уменьшения паразитных связей, особенно в СЕЧ-диапазоне С повышением плотности [14]. монтажа, естественно, возникают условия для улучшения функциональных возможностей изделий. Несмотря на то что в настоящее время еще не сформулированы применительно критерии к для конкретным выбора оптимальных разработкам, размеров поисковые работы коммутационных и этом плат направлении продолжаются. В частности, в Европе разрабатываются стандарты с целью реализации в ТПМК модульного принципа. В этом плане особенно заметны достижения техники проектирования различных уровней межсоединений, которая предусматривает размещение на базовой плате других смонтированных плат, представляющих собой конструктивные единицы более низкого иерархического уровня (подсистемы) аппаратуры, соединенные между собой. Следует также отметить, что размеры плат существенно ограничиваются характеристиками материалов, из которых они изготавливаются (платы больших размеров подвержены короблению в результате термообработок и для избежания этого, их толщина должна быть соответственно увеличена. Кроме того, существуют ограничения размеров плат, связанные с технологической оснасткой оборудования, например, конструкция большинства монтажных и испытательных устройств разработана с учетом каких-то предельных размеров плать1. И наконец, платы больших
86 размеров затрудняют операции совмещения, сверления, электролитического покрытия и пайки. Транспортная система также должна быть рассчитана на такие размеры, поэтому целесообразно по крайней мере выдерживать ширину плат. Таблица 2.16- Факторы, связанные с особенностями Т.ПМК и относящиеся к изготовлению коммутационных плат Фактор Комментарии Размеры С увеличением габаритов коммутационных плат повышается их функциональная коммутационных плат сложность и исключаются промежуточные соединители, поскольку установка модулей осуществляется на одной плате. Однако монтаж сверхбольших плат весьма затруднителен и дорог, если еще учитывать групповую обработку плат разных размеров. Выход годных плат после их изготовления в основном определяет практический предел размерам коммутационных плат. По соображениям эффективного использования площади коммутационных плат Эффективное оптимальным использование монтажа. Одни и те же компоненты существуют в разных вариантах площади исполнения, отличающихся стоимостью, рассеиваемой мощностью и т. д. коммутационных плат высокая является плотность равномерное монтажа размещение может затруднить на плате получение компонентов после корпусного надежных Очень контактов компонента с платой. Монтаж может быть чисто поверхностным, с одной или двух сторон платы, или смешанным, когда установка навесных компонентов осуществляется на поверхность Варианты поверх-нос- платы тного монтажа автоматически удваивается. Плотность монтажа может быть увеличена вертикальной и в сквозные отверстия. У двухсторонних плат поверхность монтажа установкой нескольких коммутационных плат на общую несущую плату. Многослойные платы автоматически уменьшают трудности разводки, правда, при Число этом усложняется процесс их изготовления из-за увеличения числа слоев коммутации коммутационных и дополнительного сверления. Необходимы межслойные переходы для доступа к слоев плат внутренним слоям коммутации. Во время термоциклирования может иметь место деформация платы по оси При малом шаге следовательно, Z. координатной более сетки высокая возможна плотность 0,008 более плотная монтажа. (0,203 и, реализация Ширина и шаг коммутационных дорожек шириной коммутационной дорого; предпочтительна освоенная технология получения ширины дорожек дорожки дюйма (координатная сетка) поверхность (0,254 дюйма коммутация Однако мм) и менее обходится 0,010 мм), позволяющая осуществлять смешанный монтаж компонентов на платы и в отверстия и обладающая запасом совершенствования. Большие значения шага координатной сетки для ТПМК неприемлемы. Использование межслойных переходов позволяет уменьшить необходимое число слоев коммутации и осуществлять трассировку дорожек на поверхности платы, но за счет увеличения стоимости даже в сравнении с традиционной техникой монтажа в Применеине меж-с­ отверстия. Реализация межслойных переходов предъявляет повышенные требования лойных переходов к технологии переходов и изготовления их коммутационных металлизации. контактные площадки, Для плат, межслойных и хотя лазерное сверление особенно переходов в части сверления обычно требуются позволяет уменьшить их размер, все же трассировка может быть затруднена ими. Использование корпусов для ТПМК может быть особенно выгодным, когда требуются проводники малой длины; в других случаях следует учитывать, что при малых Электрические характеристики расстояниях Высокая плотность необходимость проводниками поверхностного принятия коммутационных Отвод тепла между возможно проявление нежелательных эффектов вследствие взаимоиндукции. плат монтажа специальных для отвода мер, тепловых компонентов может реализуемых в потоков вызвать конструкции (например, платы с термокомпенсационным слоем или теплоотводом, формируемым между платой и компонентом. В наихудших случаях устапостные напряжения внутри платы. локальные перегревы могут вызвать
87 В 1990 г. размер плат, исnользуемых для поверхностного монтажа компонентов, доведен до Збх48 дюймов (91,44xl21,92 см). Ожидается, что выход годных в процессе изготовления коммутационных плат и монтажа на них компонентов станет основным критерием определения максимальных размеров плат. Кроме того, предлагается ограничить применение макси-плат областью супер-ЭВМ. Число слоев, взаимозависимости; ширина для и шаг заданной коммутационных степени сложности дорожек находятся в внутрисхемных соединений сильной (общей трассировки) увеличение числа слоев означает разгрузку коммутации каждого слоя и позволяет увеличить шаг координатной сетки, 0,010 например, до дюйма (0,254 мм). Большинство реализаций ТПМК все еще основано на применении координатной сетки, которая в большей мере свойственна традиционной технике монтажа в отверстия. Это, безусловно, упрощает выполнение смешанного монтажа на платах, если конструкции постепенно модернизируются, и облегчает_ проектирование плат. Использование сеток с меньшим шагом требует больших затрат. Вместе с тем плотность монтажа существенно увеличивается, если будет возможным прокладывать коммутационные дорожки между контактными площадками. Перспектинные разработки коммутационных плат реализуют дорожки шириной 0,127 Форммро~анtlе внутренник Мех.аническое сверnение сnоев коммутации отверстий во внеwник методами фотолитографии слоях nлаты 1 Формирование многосnойной структу~ы ' 1 Очистка Метаnnиsаци11 скеоаных отверстиii 1 о~истка отверстий Ме1аnnизаци11 сквозных oreepcтttй 1 rnyxиx qтаерстиR 1 отаерстмй СК803НЫХ 1 Создание npиnoilнoй маски(маскирооание npиno11), wenкorpaфиll, Очистка трассировка и исnытани11 отверстий Оtlкстиа гnухмх 11 CK103t!IIIX оrеерстма 1 Мeтan/tlllaaцк• - через через глухое отверстие, отаерстий 1 cn(.lel коммутации методамк ·tотопмтоrрг+ми 1 1 Формирование внешних cnoea rnyxмx и сквознык 41орммроtанме анеwнмх cкaoatti>JX отаерстиi! механически просверливаемые отверстия, 1 Метаnnизаци11 сквозных изготовления коммутации меrодамк фот01111тоrраtмм Создание nрмпойноit маскм(маскироеание nриnои), шenкorpaфiUI, трассмроека м иcnwтiНIUI 1 Соад,ани' npмnoAи.olt l&aCKII (МICKIIPOJaн.te nри11011), wenкorpaф"", трассировка _. - . 1 отверст и А 1 формируемое лазером Сеерnе.ние скаоэных Сирnение методами фОrоп~тоrрэфИ!t - l. tрормироаание мноrо-cnoilнoИ структуры споев коммутации в 1 1 ФормиРование· внеwних через сквозные отверстия; б а маске Формирование енvтренних СПО81 KOIIIIMYTiiЦИИ м~тодами фотоnитографим 1 Процесс J Форм11роаанме отаерстма Форммроаание пааером . 1 СК103НЫХ 2.43 - коммутации методами фоrопИтоrра+ии nазером через окна 1 СК803НЬIХ Рисунок cnoea Форммроаание мноrе· сnойной структуры отверст к м отаерстиА межслойных переходов: Формирование внутренних сирленных Сверnение - дюйма 1 1 L а 0,006 - 0,005 мм) и с тем же расстоянием между ними. исnытани• е (0, 152 -
88 Число слоев коммутации плат оказывается связанным со стоимостными показателями и надежностью изделия. Обычные платы делаются из отдельных слоистых заготовок и, если в них запроектированы сквозные отверстия или межслойные переходы, может потребоваться выполнение совмещения операций сверления, электролитического осаждения и рисунка коммутации отдельно на каждой стороне заготовки. В многослойных внутренние шины двухсторонний конструкциях заземления поверхностный и обычно имеются питания. монтаж, две внешние Простейшим который сигнальные случаем практически шины является, удваивает и конечно, эффективность использования поверхности платы. Данных о фактически возможном количестве слоев немного 24). Однако Z вследствие (в некоторых разработках указывается число ограничиваться деформацией платы по оси время термоциклирования, а также приемлемым на практике оно будет скорее всего неравномерности ее расширения во выходом годных коммутационных плат стадии производства. Процесс изготовления межслойных переходов приведен на рисунке 2.3.3. на 2.43. Физические характеристики и выбор материалов коммутационных плат Техника поверхностного монтажа обусловливает разработку коммутационных плат с повышенными электрическими характеристиками и теплоотводом, что важно для быстродейст­ вующих устройств. Выполнение требований к электрическим характеристикам связано прежде всего с объемным сопротивлением диэлектрического материала основания коммутационной платы, которое должно быть как можно выше (диапазон объемного удельного сопротивления используемых или рассматриваемых как пригодные к использованию материалов обычно составляет 109 -10 16 Ом·см). В отношении материалов плат для быстродействующих устройств предпринимаются уменьшения попытки паразитной коммутационных максимально емкости. плат с снизить Вместе с их тем материалами диэлектрическую необходима проницаемость совместимость разрабатываемых для материалов сверхбыстродействующих интегральных схем, например, с ареенидом галлия. Обычно традиционная стеклоэпоксидная 4,8. плата имеет диэлектрическую проницаемость порядка Большинство новых материалов имеет меньшую диэле.ктрическую проницаемость, например, арамидэпоксидные материалы - 2,3. ·з,9, а некоторые стеклотефлоновые композиционные материалы для изготовления коммутационных плат фторполимеры обработки и низкой диэлектрической проницаемости Две близкие представляютел сопротивлением [9]. конструктореко-технологические весьма перспектинными для ТПМК: линии коммутации и со из-за простоты разработки заказные встроенными - Весьма перспективны технологии коммутационных платы с их плат заданных полным пассивными компонентами. Согласование характеристического сопротивления коммутационной платы с наиболее важной из устанавливаемых на ней интегральных схем означает отсутствие отражений или искажений в тракте передачи сигнала на высоких частотах. В настоящее время осуществить такое согласование исключительно трудно, поскольку допуски на импеданс коммутационной платы могут доходить до ±25%. Это объясняется комплексом причин: разбросом по толщине диэлектрического материала, неточиостью соотношений эпоксидной смолы и стекловолокна в составе материала основания платы от партии к партии, просто воздействием медной фольги или подтравленной коммутационной дорожки, которые во многом определяют допуск на импеданс. Вероятно, в течение пяти ближайших лет развитие быстродействующих устройств будет способствовать уменьшению допуска на импеданс до уровня не более очередь потребует от изготовителей контролируемых технологических обеспечивающих заданный позволило создать процессов. импеданс, конструкцию, коммутационных и плат Использование соответствующих содержащую пассивные ±5%, реализации для плат технологических компоненты что в свою более жестко материалов, процессов непосредственно в структуре, коммутационной платы. Встраивание конденсаторов малых номиналов в принципе представляетсЯ возможным, однако на практике в настоЯщее время получены пока лишь платы
89 с резистивными нагрузками. Это означает,что резисторы могут быть электрически с.оединены непосредственно с полупроводниковой ИС через металлизированное сквозное отверстие. В наиболее известной на настоящий момент технологии патентованный материал для плат mega-Piy» производства Ohmega Technologes Corp.), («Oh- представляющий собой комбинацию слоев никеля и меди, наносится на диэлектрический слоистый материал основы (выбираемый из широкого набора материалов - от стеклоэпоксидного до фторполимеров), после чего методом селективного травления формируются встроенные резисторы. Допуск на номинал резистора равен ±10% и использовании более надежно навесных обеспечивается чип-резисторов, электролитическим которые при выполнении осаждением, полного чем при электрического соединения их с коммутационной платой могут быть смещены с места их позиционирования. Для менее ответственных применений на рынке можно приобрести недавно появившиеся резистинные полимеры. В случае, когда требования к стабильности не являются решающим критерием, можно ·рекомендовать использование проводящих паст на основе углерадосодержащих чернил. В сочетании с ТПМК толстопленочные системы на основе полимеров открывают большое разнообразие возможности их реализации. Применеине толстых полимерных пленок обеспечивает ряд преимуществ: пасты довольно быстро отверждаются (при достаточно низких температурах) и могут использоваться для создания полностью аддитивного технологического процесса (самые простые коммутационные платы обычно изготавливаются методами субтрактивной технологии). Кроме того, при этом существует возможность широкого выбора материалов основы платы, поскольку в данном случае к материалу предъявляются всего лишь два основных требования: минимальная рельефность поверхности платы и устойчивость к температурным воздействиям. Причем требования к рельефности весьма относительны, так как по всей вероятности в будущем внушительное количество плат будет производиться в виде монолитных систем с трехмерной разводкой коммутации (рельефные или объемные платы), выполняющих одновременно функцию коммутационных плат и корпуса устройства. Имеются сведения о реализации рельефных плат с применением по крайней мере двух технологий. Так называемая «фотоселективная» технология включает Литье пластмассы с использованием нагрева УФ-излучением и последующую металлизацию медью. С помощью этой технологии можно получить металлизированные сквозные отверстия, при этом вся рельефная поверхность платы должна,подвергаться воздействию УФ-излучения, за исключением участков, закрытых фотомаской. Это метод одноступенчатого «Mould-n-Plate», названием литья. предполагающий Существует двухступенчатое вариант литье, но с коммерческим без применения фотомаски. Пластмасса, сформированная на первом этапе литья, покрывается медью методом химического осаждения; на втором этапе литья следующий слой пластмассы формируется в виде маски для создания разводки в проводящем слое, полученном после первого этапа. Другие процессы предполагают широкое привлечение лазерной технологии, например, для формирования ком-мутационных дорожек, но эти технологические разработки еще не вышли из стадии НИР. Лазер может использоваться для удаления сложного покрытия, нанесенного на изолирующую подложку, а также для вскрытия проводящего материала через изолирующий слой. Кроме того, уже реализована лазерная селективная трассировка коммутации путем удаления экспонированного («темного») полимера, вскрытия подслоя металлизации и формообразования элементов коммутации. Исследователи способом фирмы Toshiba углерадосодержащих используют также лазеры резистивных слоев из для получения недорогим полимерного композиционного материала на стеклоэпоксидной и бумажнофенольной подложках. Последние японские фирмы предпочитают использовать для большинства изделий бытовой электроники. Полученные углеродосодержашне пленочные резисторы, как следует из сообщений, по качеству сравнимы со стандартными позволят полимерными резисторами. реализовать возможности Толстые полимерные смешанных технологий, пленки поскольку в перспективе паяемые медные подложки коммутационных плат с медными контактными площадками, содержащими припой, могут быть совместимыми с толстопленочной технологией, используемой для изготовления резисторов. На их поверхность можно также монтировать компоненты, например, чип-
90 резисторы. С помощью реализовывать, многослойной частично или структуры полностью, проводников внешние слои можно, коммутации, вероятно, но без также проведения повторного отжига, как в случае обычной толстопленочной технологии. Имеются и другие существенные преимущества. Так, подложка, коммутационные дорожки, и резисторы, выполненные методами полимерной технологии, требуют меньших "затрат средств, чем в традиционной технологии. Однако полимеры в настоящее время вепригодны для высоконадежных схем, поскольку температурный коэффициент сопротивления у них хуже, чем у традиционных резисторов. Существуют некоторые сомнения относительно паяемости многих толстопленочных проводников, поэтому перед пайкой, обычно требуется дополнительная металлизация контактных площадок. В противном случае должна применяться микросварка с помошЬю алюминиевой микропроволоки. Выбору полимерной системы следует уделять большое внимание. Основными материалами в полимерной технологии являются термореактивные и термопластичные полимеры (последние отличаются тем, что плавятся при повторном нагревании, после отверждения). Очень важно также правильно конвекционной выбрать режим отверждения. печи, хотя в настоящее Процесс время отверждения для обычно проходит в промытленного применения разрабатываются печи с использованием ИК-нагрева, что значительно сокращает длительность процесса отверждения. Эффективность методов с ИК нагревом также существенно выше, поскольку разные полимерные системы характеризуются сильным поглощением излучения на длинах волн ИК-диапазона; образующиеся при этом химические связи имеют максимальную прочность (на молекулярном уровне полимера). Благодаря этому формируется пленка со стабильными электрическими параметрами и минимальной усадкой после отверждения. Проведенные большинства исследования, применений проводимость. Однако, приваривается с несмотря помощью касающиеся проводящие на то вопросов пасты что паяемости имеют вполне алюминиевая клинообразного инструмента к показали, приемлемую проволока что достаточно контактным для удельную площадкам хорошо платы, покрытым медью (никелем), сварные соединения обладают невысокой прочностью. Сам же компонент закрепляется столкнулись с надежно. некоторыми Что касается трудностями, диэлектрических связанными с их паст, то печатью, исследователи в частности с недостаточной разрешающей способностью печати для формирования отверстий межслойных переходов, в том числе глухих. Вообще печать этих паст является сложной технологической операцией из-за разлиЧной реологии паст, хотя по своим электрическим свойствам они пригодны для использования. Качество резисторов, формируемых на основе полимерных систем, также оказалось достаточно высоким, но все же, как правило, оно уступает по некоторым показателям толстопленочным резисторам (и, естественно, показателям навесных чип-резисторов). Допуск на номи-нальное сопротивление полимерного резистора во многом зависит от материалов используемой подложки: исследователи полагают, что максимальная точность достижима лишь при увели-чении количества технологических операций, например, с помощью нанесения между подлож-кой и резистором промежуточного диэлектрического слоя. Разнообразные конструктивно-технологические варианты изготовления использованием полимерных материалов представлены в таблице и 2.45) [14]. устройств nечатны~ резистор Рисунок с 2.17 (см. также рисунки 2.44 2.44 - Фрагмент микросбарки с применением полимерной технологии
91 Метод трафаретной печати иногда применяется наряду с фотолитографией, например при маскировании проводящих дорожек от затеканий припоя. Разрешающая способность ручной операции получения толстопленочных элементов с использованием трафарета на основе ткани составляет (0,0254 0,002 дюйма (0,0508мм); металлический трафарет имеет разрешение 0,001 дюйма мм), однако многие изготовители еще не имеют достаточного опыта трафаретной печати с разрешающей способностью лу'IШе 0,001 дюйма (0,0254 мм). Распространенное, но дорогое оборудование может реально пропечатывать линии шириной от мм) до 0,005 дюйма (0,127 мм) с точностью 0.001 дюйма (0,0254 0,003 дюйма (0,0762 мм). На таком уровне точности воздействие окружающей среды становится существенно значимым фактором и может возникнуть необходимость в использовании чистой комнаты. Таблица 2.17 -Конструктивно-технологические варианты изготовления устройств с использованием полимерных материалов Конструктивно - Особенности Подложка технологичеки Коммутация монтажа компо- Применяемые резисторы не нто в й вариант Полностью Полимерный Полимерные Пайка или Печатные резисторы и полимерная композиционный толстопленочные приклейка (про- (или) навесные чип-резне- система материал проводники, водящим клеем) на торы или другая чередуемые с контактных многослойная толстопленочным площадках платы; структура), а диэлектриком монтаж гибкой (FR4 проволокай на также пластмассовый полимерных конструктив проводниках Медные Коммутационн Печатные резисторы и ая плата и Стандартная проводники,поли- Пайка на медных (или) навесные чип- полимерная двухсторонняя мерные или полимерных резисторы многослоная плата с толстопленочные проводниках; структура металлизиро- про водники, монтаж с помощью ванными чередуемые с проводящего клея сквозными диэлектрическим на полимерных отверстиями покрытием проводниках; монтаж гибкой проволокай на полимерных и 1 медных Наружные полимерные проводники 1 проводниках Печатные толсто- Пайка или керамики на основе структура иа приклейка на оксида рутения (подверга- основе любую из толстых ются подгонке перед керамических пленок; материалов, монтаж гибкой пленочные резисторы из Толстопленочные Керамическая . про водники; нанесением на них полимерной толстой пленки); покрытая с одной проволокай на или двух сторон толстопленочной печатные полимерные слоем керамической или чип-резисторы, полимерного полимерной монтируемые с помощью проводника и проводящей полимерного толстой диэлектрика пленке пайки или с применением проводящего клея
92 Другие материалы для l<оммvтационllЫХ плат. Одним из способов решения проблемы согласования материалов коммутационных плат по ТКР (температурный коэффициент расширения) с точки зрения качества паяных соединений является правильный выбор материалов для изготовления самой платы. Было бы идеально, если бы ТКР известного или вновь разработанного материала основания платы совПадал, скажем, с ТКР керамического кристаллоносителя. Обычно керамика имеет ТКР порядка 6·10-6 град- 1 ; ТКР широко применяемого стеклоэпоксидного материала, например типа PR4, более чем в два раза больше, порядка ( 14-18)·1 о- 6 град- 1 • Большинство новых материалов, рассматриваемых применительно к ТПМК, имеет довольно близкие значения ТКР, лежащие в пределах (6-16)·1 о-б град· 1 • Стеклотефлоновая слоистая структура, являющаяся довольно перспективным в некоторых отношениях материалом, имеет величину ТКР, равную 20·10'6 град- 1 , и низкую температуру стеклования (75 °С). Некоторые слоистые структуры из модифицированного материалов RJOSHT, разработанных фирмой Rogers Corp.) действительно обладают низким ТКР (8·10'6 град- 1 ), низким модулем упругости и политетрафторэтилена (например, семейство, малой диэлектрической постоянной. ~ ~tl' ~-1 5 6 8 1 а б 19 18 в Рисунок 2.45 - Варианты конструкции толстопленочной гибридной микросборки, выполненной с применением полимерной технологии: а- толстопленочная ГИС (для наглядности показана однослойная конструкция, хотя возможны многослойные, выполненные на полимерной плате); б- коммутационная плата толстопленочной микросбарки с многослойными полимерными покрытиями; в - толстопленочная микросборка, выполненная на анодированной алюминиевой плате по полимерной технологии: 1 - припой; 2 - чип-конденсатор; 3 - припойная плата; б - навесной водник из меди; диэлектрик; отверстие; 12- 10 - 4 -толстопленочный резистор; 5 - полимерная несущая 7 - толстопленочный проводник; 8 -диэлектрик; 9 - про­ площадка; бескорпусной активный компонент; карпусированный компонент, монтируемый на поверхности платы; чип-конденсатор; 15 - коммутационная клея, содержащего золото; 13- полимерный толстопленочный проводник; плата; 16 - гибкий 14- 11- полимерный металлизированное сквозное монтаж безкорпусного компонента с помощью полимерного 17- полимерный проводник; 18- печатный резистор (после подгонки); 19- подложка из анодированного алюминия
93 В настоящее время выделились два основных направления развития исследований в области создания материалов коммутационных плат • Сочетание волокнистых модификаторов, [9]: имеющих низкий ТКР, с органическими смолами (например, эпоксидная смола- кевлар, полиимид- кевлар, полиимид- кварц). • Сочетание компенсационного слоя (или сердечника) платы, имеющего низкий ТКР (например, медь-инвар- медь, сплав 42, сплав медь- молибден - медь, медь- графит) со стекло-эпоксидной или стеклополиимидной многослойной структурой (рисунок 2.46). 'fZZZZZZZZZZZZZZ~- 1 -2 /2Zzzzzzzzzzzzzzzj- 1 - 3 _ 6 - 2 Рисунок (!:z.zzzzzzzzzzzzzzj- 1 l!:zzzzzzzzzzzzz:<~- ·1 2.18 Типичная многослойная плата с шинами питания и l- сигнальная медная шина (либо шина заземления) толщиной 0,0014 дюйма (0,0356 мм); 2 - стеклоэпоксидный материал толщиной 0,004 дюйма (0,1016мм); 3 -стеклоэпоксидный материал толщиной 0,006 дюйма (0,1524 мм); 4 - шина заземления из инвара. плакированного медью, толщиной 0,005 дюйма (0, 127 мм); 5 - шина питания из инвара, плакированного медью, толщиной 0,005 дюйма (0,127 мм); 6- стеклоэпоксидный материал толщиной 0,006 дюйма (0, 1524 мм) ~~~~~~~~ Таблица 2.46 - заземления из инвара, плакированного медью: -Материалы для изготовления коммутационных плат и их основные характеристики t.TKP (по J-фактор Коэффициен отношению (модуль т Модуль Материал Рабочая температура уnругости, фунт/дюйм 2 ТКР, 0 С коксиду алюминия) 40·10 б 6,4·10 -б о 100 ос 0,015·10 б 100·10 6 94,6·10 '6 23 56 0,0516·10 6 0,1 .. ·10 б Оксид алюминия Тефлон nрогиба, упругости·t. фунт/дюйм ТКР) 40·10 6 1,4 15·10 3 4,9 9,46 51,6·10 6 100·10 3 (не модифицированный) ос ос 0,61.10 6 45·10 '6 38,6 ·10 '6 23,5 610·10 3 4,5.10 6 16·10 -6 9,6·10'6 43,2 4,5·10 4 17·10 6 17,6·10 '6 11,2·10 -6 190,4 17·10 4 100 ос 1,8·10 6 22·10 '6 27,6 1,8·10 4 23 ос 3,0.10 6 21,5·10 '6 46,1 3,0·10 4 -56 ос 72,1 4,7·10 4 -23 ос 0,1822 0,225·10 3 Полиимид (кантон) Полиимидно е стекловолокно Медь Припой (63/37) Силиконовая резина Алюминий 15,35·10 -6 21,5·10 '6 0,225·10 3 810·10 '6 10·10 6 23,7·10 '6 804,5-10'6 Кевлар, в сущности, имеет самый низкий ТКР (по оси Х, У) из всех перечисленных мате­ риалов (3-7)-10 -б град-! и меньшую диэлектрическую постоянную, чем стекло (что особенно важно для быстродействующих устройств), но довольно сильно поглощает влагу и подвержен микрорастрескиванию, что связано с высоким ТКР по оси Z (перпендикулярно подложке). Су­ ществуют также трудности в получении хорошей адгезии составов «смола - волокно» с компо­ зиционными материалами, включая кевлар. В сравнении с имеющимися материалами для изго­ товления коммутационных плат кевлар обладает значительными преимуществами: он примерно на 20% легче стеклоэпоксидного материала и т. д., однако специалисты считают технологию его обработки довольно сложной.
94 Основным доводом против использования материалов с компенсационным слоем является их вес, но с учетом перспектины уменьшения габаритов коммутационной платы в будущем этот фактор может стать менее существенным. Кроме того, металлические компенсаторы могут служить в качестве теплоотвода. Вероятно, основным материалом компенсационного слоя в плане перспектины применения является инвар, плакированный медью, который достаточно широко применяется в производстве коммутационных плат на фирмах-изготовителях сложной WE 32000. Каждая система 3,5 дюйма (63,5 х 88,9 мм), несущие на одной плате до (с 84 контактными площадками) кристаллоносителей. В аппаратуры, таких как АТТ, которая использует его в своей системе содержит шестислойные платы 2,5 шести безвыводных керамических х качестве материала компенсационного слоя инвар относительно недорог. Перспектинным материалом для более эффективного отвода тепла является молибден, плакированный медью, 2.18 хотя и стоит дороже. В таблицах и 2.19 приведены материалы, используемые в настоящее время для изготовления коммутационных плат, и их основные характеристики. Таблица Материал Эпоксидная смола 2.19 - Сравнение слоистых структур для коммутационных плат Показателя, оцениваемые положительно - стекловолокно Диапазон выбора размеров достаточно широк; ремонтопригодность; хорошие диэлектрические свойства; возможность использования приемов Показатели, оцениваемые отрицателыю Невысокая удельная теплоnроводность; ТКР по осям Х, У иZ 1радиционной технологии обработки Полиимид­ стекловолокно Эпоксидная смола - Те же, что и для материала эпоксидная смола­ Невысокая удельная теплопроводность; ТКР по стекловолокно. Кроме того, линейная деформация осям Х, У и по оси Х наблюдается при высоких темnературах влаrопоглощаемость Те же, что и для материала зпоксидная с/'1.-_юла - Z; повышешшя Невысокая удельная теплопроводность; ТКР по арамидвое волокно стекловолокно. но вес гораздо меньше осямХи У; возможны микрорастрескивания (кевлар) (наилегчайший); небольшой ТКР по осямХи У смолы; повышенный ТКР по оси Z; влагопоглощаемость Полиимид - арамидное волокно Те же, что и для материала эпоксидная смола арамидное волокно, но ТКР по оси Z - значительно кварц (nлавленый кремнезем) осям Х и У; возможны микрорастрескивания смолы; влагопоглощаемость меньше Эnоксид1iая смола - Невысокая удельная теплопроводность; ТКР по Диапазон выбора размеров, а также небольшой вес, Невысокая удельная теплопроводность; ТКР по ремонтопригодность такие же~ как у материала осям Х и У; повышенный ТКР по оси эпоксндная смола - Z; недостаточно высокое качество сверления; стекловолокно; диэлектрические свойства и технология обработки объем выпуска ограничен; стоимость такие же, как у обычных плат недостато4но низкая; малое содержание смолы Те же, что и для материала полиимид Z; - арамидвое приемлемый диапа­ Невысокая удельная теплопроводность; ТКР по осям Х и У; недостатоtшо высокое качество Полиимид- кварц волокно; малый ТКР по оси (плавленый кремнезем) зон выбора размеров; небольшой вес; ремонтопри­ сверления; ограничен объем выпуска; высокая годность, высокие деиэлектрические сваойства стоимость Те же, что н для материала полиимид - арамидное Стекловолокно~ компо- волокно, но отсутствуют микротрещины; малый зинионное арамидное ТКР по оси волокно достаточно широк; малый вес; ремонтопригод­ Z; диапазон выбора размеров платы Недостаточная удельная теплопроводность; ТКР по осямХи У; влагопоглощаемость; нали­ чие ловушек припоя флюса ность; высокие диэлектрические свойства Коммутационная nлата Наличие диапазона выбора размеров; ремонтопри- на жестком основании годность; возможность использования приемов из материала с низким традиционной технологии обработки; ТКР по осям ТКР (металла или неме­ Х и У; обеспечивается жесткость конструкции, талла) экранирование от наводок и охлаждение устройства Вес платы недостаточно мал Коммутационная плата со встроенным метал­ лическим слоем (сер­ дечником), имеющим низкий ТКР Те же, что и у плат на жестком основании из мате- Вес платы недостаточно мал; требуется точное риала с низким ТКР совмещение внутренних слоев
95 2.3.4. Аддитивная и субтрактивная технология изготовления коммутационных плат Все большее распространение при создании электронной аппаратуры получают методы проектирования и формирования конфигурации элементов коммутационных плат на основе аддитивной технологии, включая использование маскирования проводящих дорожек из меди (SMOBC - Solder Mask Over Ваге Copper), которое в большинстве случаев обеспечивает более высокую надежность формирования элементов плат, чем традиционные методы (рисунок 2.47). Плата, изготовленная приемами аддитивной технологии, представляет собой преимущественно планарную конструкцию с нанесенным в местах отсутствия маски (в окнах маскирующего слоя) припоем, осаждаемым вровень с фоторезистом Субтрактивная технология [14]. ~. L , АдАитианая техноnогия а АААИтивная технология Субтракт~вная техноnогия ®m1 ............... ~ 3 ~ tЩ ~ 3 1 ~ )j ~"-.~ ~~~ ~ 3 4&' ~~ i. ~~~ 3 { б 8 в 2.47 - Сравнение субтрактивной и более надежной аддитивной технологий изготовления - формирование маски припойного покрытия; б - рельеф поверхностей плат, попучаемых разными способами; в - дозированное нанесение припоя на платы перед пайкой ~:омпонентов в корпусах PLCC, SOIC и SOT; Рисунок коммутационных плат: а 2 - отсутствие припоя; 3 - основание платы; 4 - медь; 5 6 -припойное покрытие; 7 - перемычка припоя; 8 -конфигурация контактной площадки с :шрю~оем после его оплавления ; 9 - часто используемая маска, предотвращающая затекание припоя за границы iiр!ПОЙНОЙ площадки; 10- припой 1 - газовая полость после нанесения припоя; !С3С~:Ирующее покрытие;
96 Применявшиеся до недавнего времени традиционные коммутационные платы для ТПМК были субтрактивными, при этом медные проводники выступали над поверхностью платы, и для зашиты от внешних воздействий (в том числе технологических) необходимо было наносить на них через маску конформное покрытие. При этом часто наблюдались неполное маскирование или недостаточная адгезия покрытия с материалами платы. В субтрактивнq_й технологии более вероятны пузырение защитного покрытия или отслаивание фольги. Еще одним недостатком такой технологии является повышенная возможность скопления припоя и флюсов (включая продукты разложения) в результате попадания их в пустоты (ловушки), образующиеся при не­ качественном маскировании. Как известно, аддитивный метод был разработан с целью ме­ таллизации сквозных отверстий для монтажа компонентов в традиционной технологии, однако он обладает также весьма специфическими достоинствами применительно к ТПМК. Во многом качество поверхностного монтажа зависит от плоскостности подложки. Используя аддитивную технологию, можно получить поверхность подложки, мало отклоняющуюся от плоской, и осу­ ществлять более управляемое и точное нанесение адгезива и, следовательно, прецизионную установку компонентов. Формирование конфигурации элементов проводящего и диэлектриче­ ских слоев также осуществляется более точно и соответственно создается возможность форми­ 0,005 дюйма (0, 127мм), в то время как традиционная технология, о чем уже говорилось, обеспечивает лишь размеры 0,007 - 0,008 дюйма (0,1 778 - 0,2032 мм) с некоторыми ограничениями в отношении рования более узких дорожек и зазоров между ними, как правило, до величины коммутационных дорожек, проходящих между контактными площадками. Затекание припоя и формирование перемычек между контактными площадками в аддитивном методе также устра­ няется. Защита дорожек и площадок боковыми стенками маскирующего покрытия во время процесса аддитивного нанесения, как утверждают специалисты фирмы KoJ!morgen Corp., яв­ ляющиеся лидерами в этой технологии, эквивалентна созданию идеально совмещенной маски. Запатентованная технология «Micro-Socket», разработанная фирмой Kollmorgen, предусматри­ вает нанесение дополнительного покрытия, формирующего более надежные с точки зрения предупреждения возникновения перемычек стенки контактных площадок и снижающего сме­ щение компонента во время пайки. Данная технология в равной степени совместима с пайкой в потоке припоя (подвод тепла с боковых сторон) и с расплавлением дозированного припоя при использовании припойных паст (подвод тепла сверху). Условия, в которых изготавливаются и обычно используются микросбарки с поверхност­ ным монтажом, существенно отличаются от тех, которые характерны для традиционных изде­ лий." В частности, в технологии поверхностного монтажа очистка изделий после пайки является более сложной и ответственной операцией из-за наличия загрязнений, скапливающихся в зазо­ рах между корпусами компонентов и поверхностью платы, особенно если учитывать вероят­ ность ускорения коррозионных процессов, стимулируемых химическими реакциями в местах локального перегрева. Поскольку в настоящее время расстояние между проводниками в ТПМК составляет 0,005 дюйма (0,127 мм) или меньше, на поверхности КП возникают относительно высокие градиенты напряженности электрического поля (возможно, до 150 В/мм), усиливаю­ щие ионное загрязнение платы и ускоряющие тем самым формирование путей утечки тока. Анализ факторов, затрудняющих очистку смонтированных плат в ТПМК, все 9олее и более раскрывает решающее значение тщательного контроля состояния поверхности КП. Существует два основных метода оценки качества поверхности: • По уровню ионного загрязнения. Этот метод основан на оценке количества растворимых в воде и спиртах примесей. Для этого плата на определенное время погружается в смесь воды и изопропилового спирта. Количество перешедших в раствор примесей оценивается путем замера его проводимости и сравнения с проводимостью исходного чистого раствора. После чего производится пересчет и определение среднего уровня загрязненности поверхности в микрограммах на квадратный сантиметр платы. • По величине поверхностного сопротивления платы. Этот метод чаще используется в качестве дополнительного. Критерием оценки состояния поверхности в данном случае служит сопротивление участка платы между коммутационными дорожками или между контактными площадками. Обычно слоистая структура основания платы имеет величину поверхностного
97 сопротивления до 10 16 Ом на квадрат, хотя иногда эта величина может быть значительно ниже, например, 10 10 Ом на квадрат. При измерении сопротивления участка платы на тестовые элементы подается, как правило, напряжение 100 - 500 В с учетом требуемой полярности. Такой метод представляет собой разновидность разрушающего испытания, поэтому недавно фирма Protonique предложила метод испытания 10,2 напряжением В. В присутствии загрязнений даже в случае низких градиентов напряженности электрического поля начинают проявляться некоторые нежелательные процессы, например, поляризация тестовой структуры при подаче отрица-тельного напряжения. Применительно к очистке традиционных плат существуют сравнительно новые стандарты (например, MIL-P-28809 в США и DEF-STAN 00-10/3 (1988 г.) в Великобритании), однако неясно, насколько оправданными являются жесткие требования этих стандартов на практике и насколько применимы они к ТПМК. Оценка ионного загрязнения продолжает оставаться удобным методом для использования в условиях массового производства, так как позволяет гораздо быстрее получать необходимые результаты, чем при измерении поверхностного сопротивления платы. 2.3.5. Существует • • Варианты выполнения поверхностного монтажа 3 основных варианта реализации поверхностного монтажа [14]: Чисто поверхностный монтаж на плате (односторонний или двухсторонний); Смешанно-разнесенный вариант, когда традиционные компоненты размещают лицевой стороне платы, а простые компоненты для поверхнос,тного монтажа на - на обратной; Смешанный обратной монтаж, (когда поверхностного например, на лицевой традиционные монтажа стороне компоненты размещают на и платы, и поверхностный сложные лицевой компоненты стороне платы, а на для простые поверхностно монтируемые компо-ненты- на обратной стороне платы); Чисто поверхностный монтаж (одно В этом случае число - или технологических двvхсторонний). операций минимально. На диэлектрическое основание платы наносят припойную пасту методами трафаретной печати. Количество припоя, наносимое на плату, должно обеспечивать требуемые коммутирующих осуществления элементов (для чего позиционирования и необходим фиксации электрофизические характеристики соответствующий компонентов контроль). После операция пайки следует оплавлением дозированного припоя. В случае двухстороннего поверхностного монтажа на обратной стороне отверждения оплавлением платы адгезива фиксируются простые компо-ненты дозированного припоя, компоненты подвергаются затем пайке с помощью адгезива. двойной осуществляются очистка, волной припоя контроль и После либо испытания смонтированных плат (при необходимости платы переворачиваются). Смешанно-разнесенный монтаж. Существуют две разновидности реализации этого варианта монтажа. Чаще всего сборку начинают с установки традиционных компонентов в отверстия платы, после чего размещают компоненты на поверхности платы (рисунок альтернативном случае (рисунок 2.49) 2.48). В сначала устанавливают компоненты на поверхность платы. Первый вариант применяется тогда, когда формовка и вырубка выводов обычных компонентов компоненты, осуществляется с помощью специальных смонтированные на поверхность платы, приспособлений будут затруднять заранее, иначе обрезку выводов, проходящих через отверt;тия платы. Компоненты для поверхностного монтажа целесообразно монтировать первыми при повышенной плотности их размещения, что требует минимального количества переворотов платы в процессе изготовления изделия.
98 Установка традиционных компонентов и сложных компонентов для поверхностного монтажа на лицевой стороне платы, а также простых компонентов на поверхность обратной стороны. Это вероятно, самая сложная разновидность монтажа из всех-существующих, блок-схема ее выполнения приводится на рисунке пасты через трафарет, поверхностного монтажа после установки установка (SOIC, PLCC) традиционных 2.50. Первым этапом является нанесение припойной на лицевой стороне платы сложных компонентов для и пайки расплавлением дозированного припоя. Затем, компонентов (с соответствующей обрезкой и фиксацией выводов), плата переворачивается, на нее наносится адгезив и устанавливаются компоненты простых форм для поверхностного монтажа (чип- компоненты и компоненты в корпусе SOT). Эти простые компоненты и выводы компонентов, установленных в отверстия, одновременно пропаиваются двойной волной припоя. Возможно также использование в составе одной линии оборудования, обеспечивающего эффективную пайку компонентов (с лицевой стороны платы) расплавлением дозированного припоя и пайку (с обратной стороны платы) волной припоя. Следует отметить, что в таком технологическом процессе возрастает количество контрольных операций из-за сложности сборки при наличии компонентов на обеих сторонах платы. Неизбежно возрастает также количество паяных соединений и трудности. Обеспечения их качества. Это усложняет работу автоматического оборудования для контроля соединениЙ. Поскольку существующее оборудование позволяет за один прием контролировать лишь одну сторону платы, то для обеспечения контроля обеих сторон требуется дополнительная операция перевертывания платы. Выбор варианта монтажа при проектировании изделий Выбор варианта реализации монтажа при проектировании изделия с применением ТПМК осуществляется не только с точки зрения технологических приемов его изготовления, зависимости от сочетания традиционных и монтируемых на поверхность но и в компонентов. Специфика вариантов таких сочетаний в общих чертах описана ниже, а более подробно поясняется с помощью рисунка • Вариант 2.51 и таблицы 2.20. Чисто (полностью) поверхностный монтаж: набор компонентов для ТПМК 1. монтируется с лицевой или обеих сторон платы. • Вариант 11. • Смешанный монтаж: смешанный набор компонентов монтируется с лицевой или обеих сторон плать1. Вариант 111. Смешанно-разнесенный монтаж: традиционные компоненты монтируются с лицевой стороны, а компоненты для ТПМК - с обратной.
99 Коммутацион- . ная плата без а---~-.1 комnонентов Размещение и ус­ тановка комnо­ нентов на nоверх­ ность пnаты Контроль качества сборки традиционных комnонентов и монтируемых на nоверх­ ность nлаты Ручная сборк~ специальных комnонеflтое,. Рисунок 2.48 - Схема реализации процесса монтажа с использованием простых компонентов для монтажа на поверхность и компонентов для монтажа в отверстия платы (вариант * Непаяемые и термочувствительные компоненты l)
100 Коммутационнав nлата без 1 КомRон.ентьt Нанесение адгезиаа комnонентов \ . Размещение и Ус· rановка комnокентов на nоверкность nлаты Отверждение.l адгезива Перввертывание платы Установка и фиксация комnонентов в отверстии {!nаты 1 1Исnраеnение [ Lбрака J Контроnь сборки комnонентов Пайка двойной воn11ой npиno11 Очистка nocne nайки 1 J Исnраепение 1 Контроль паяных соединений /брака J 1 Ручная сборка сnециальных комnонентов* Испытания Рисунок 2.49 - Схема реализации монтажа простых компонентов на поверхность платы и компонентов, устанавливаемых в отверстия платы (вариант 2) * Непаяемые и термочувствительные компоненты
101 Коммутационная плата без .1 нанесение nриnойной ·/ 1nасты через трафа per комnонентов / Комnоненты ~ Размещение ~установка сложных комnонентов на nоверхность nлаты 1 ] t .Г Исnравление ~ Визуальный 1брака контроль 1 r Пай ка расnлавлением 11 дозированного nриnоя 1 Установка и фиксац~я комnонентов в отверстия платы ~ Перевер т ыеание платы 1 Нанесение аАrезива 1 ·Размещение и установка простых комnонентов на nоверхность nлаты Отверждение исnытания адгеэива -f Ручная сборка сnециальных комnонентов* 1 ~Исnравление~ брака ! Рисунок ! Контрольные 1 Переверtывание nnаты 1 t Контроль Контроль качества ~<ачества nаяных монтаж~ соеАинений комnонентов .~ l l r- /Исnравление -Lбрака ~ Очистка nосле nайки Пайка двойной волной nриnоя t 1 2.50 - Схема реализации - монтажа традиционных компонентов, а также простых и сложных компонентов, устанавливаемых на поверхность платы. * Непаяемые и термочувствительные компоненты
102 1 2 rггАгzGг~гiБLf~ААг~ а 7 . ·~ 6 8 rz~zj;zz~'ikz~zzз б Рисунок 2.51- Варианты монтажа с применением ТПМК: а- вариант l. Чисто поверхностный монтаж. Все компоненты устанавливаются на поверхность платы. Компоненты могут монтироваться на одной или обеих сторонах платы. Возможна одноступенчатая (одновременная) пайка всех компонентов; б - вариант II. Смешанный монтаж традиционных и устанавливаемых на поверхность компонентов. Возможны любые комбинации тех и других компонентов с одной или двух сторон нлаты, но это требует многоступен<штой пайки (расплавлением дозированного припоя, волной и, возможно, ручной); в - вариант 1!1. Смешанно-разнесенная технология (компоненты для поверхностного монтажа с одной стороны платы, а традиционные- с другой (с обратной)); 1 - сложный компонент для монтажа на поверхность (PLCC с ]-образными выводами); 2 - сложный компонент для монтажа на поверхность (кристаллоноситель с. выводами в виде крыла чайки (L-образный)]; 3 - чип­ конденсатор; 4 - чип-резистор; 5 - чип-резистор; 6 - сложный компонент для поверхностного монтажа (кристаллоноситель с выводами в виде крыла чайки); 7- резистор с радиальными выводами; 8 -_корпус типа DIP; 9 - конденсатор с аксиальными выводами; 10 - резистор с аксиальными выводами; 11 - резистор с радиальными выводами; 12- корпус типа DIP; 13- простой чип-резистор; 14- простой 'rип-конденсатор Рисунок 2.51 иллюстрирует специфику каждого из вариантов, однако важно иметь в виду, что сочетание достоинств и ограничений каждого варианта будет изменяться от пользователя к пользователю. Рекомендуемые нормы проектирования приведены в таблице 2.20. При нанесении припойной пасты минимальное расстояние между контактными IPC рекомендует (0,381 мм), в то время как другие фирмы предлагают нижний предел диаметра отверстия 0,013 дюйма площадками должно составлять 0,020 использовать отверстия, полученные (0,3302мм). дюйма (0,5080 мм). сверлением, диаметром Фирма 0,015 дюйма
103 Таблица 2.20- Рекомендуемые правила проектирования изделий в ТПМК (для плат, изготовленных по аддитивной технологии) Типовой Проектируемые элементы Ширина/шаг для коммуrирующих дорожек Диаметр вариант фотопечати, По специальному заказу, дюймы(мм) трафаретной для печати, дюймы (мм) дюймы (мм) 0,0150/0,15 (0,38113,81) 0,008/0,008 (0,2032/0,2032) 0,00510,005 (0, 127/0, 127) отверстий межелейных переходов 0,030(0, 762) 0,025(0,635) 0,050( 1,27) 0,040(1 ,О 1б) 0,020(0,508) Размер плошадки межслойнаго перехода (диаметр) Размер площадки для вывода Рекомендуется (1 '778±0,0254)) ис (О,о25±0,005)Х 0,030(0,762) (0,070±0,00 1) ((0,635±0, 127) х Ширина площадки для конденсатора/резистора Длина площадки для конленсатооа/оезистооа 0,030(0,762) 0,020(0,508) 0015-0030 0.381-0.762) 0,01 0-0,020 110 254-0.508) 0,0 10(0,254) 0,005-0,010 127-0 254J !О Длина проводящего участка от края контактной 0,045(1 ,143) 0,030(0,762) 0,020(0,508) 0,0 15(0.381) 0,01 0(0,254) 0,007(0,1778) площадки до компонента Расстояние от проводника до контактной площадки Рекомендуется делать равным высоте большего Расстояние между компонента КОМЛОIIСIIТЗМИ Величина зазора между краем контактной площадки и 0,015 (0,381) 0,010 (0,254) 0,005 (0,127) 0,030 (0,762) 0,020 (0,508) 0,010 (0,254) окном припойной маски Шаг контактных площадок при использовании маскирования Шаг контактных площадок без 0,025(0,635) использования 0,020(0,508) 0,020(0,508). маскирования Расстояние от осевой 0,030 (0,762) линии проводника до проводника +половина ширины 0,020(0,508) + половина ширины проводника края платы Расстояние от контактной площадки до металлизироваiiiЮrо ±0,010 (±0,254) ±0,007 (±0,178) ±0,012 (±0,3048) ±0,007 (±0,178) ±0,005 (0,127) направляющего отверстия Расстояние от контактной площадки до неметаллизированного ±0,003 (±0,076) направляющего отверстия Расстояния площадок от контактных фигур ДО ±0,007 (±0,178) ±0,005 (±0,127) ±0,003 (±0,076) ±0,0001 (±0,0025) ±0,0001 (±0,0025) ±0,0001 (±0,0025) ±0,001 (±0,0254) ±0,001 (±0,0254) +0,00025 (±0,00635) совмещения Разброс значений толщины контактных площадок из меди Разброс значений контактных толщины площадок припойнога материала из Для определения минимального размера контактной площадки с межслойным переходом в коммутационной плате предложена формула:
104 D =d + 2У + 2а + д.ш, где D - d диаметр контактной площадки с межслойным переходом; отверстия; У - допуск на размеры КП; его площадки; ~ш - а - -ди51метр переходиого допустимое расстояние от края отверстия до края допуск на изготовление эталонного шаблона. 2.3.6. Традиционная техника Пайка электронных компонентов пайки волной припоя выполняется чаще всего погружением компонента в ванну с припоем. Для пайки на коммутационных платах компонентов в ТПМК обыч-но применяется метод расплавления дозированного припоя. Пайка расплавлением припоя в па-рогазовой фазе в настоящее время уступает место пайке с инфракрасным нагревом, лазерная же пайка пока не получила распространения. Ведущие поставщики сборочио­ монтажного оборудования обычно включают установки для пайки в состав выпускаемых производственных линий [9, 14]. В настоящее время уже имеется достаточный опыт для выбора припойной пасты, пара­ метров процесса лайки и условий очистки коммутационных плат. Учет особенностей лайки на стадии проектирования изделий в сочетании с контролем режима процесса лайки снижает час­ тоту появления дефектов на этапе лайки и очистки изделий до уровня (50- 5000)·10"6 • Появле­ ние на коммутационных платах поверхностно монтируемых компонентов существенно измени­ ло технологию лайки. Пайка волной припоя была внедрена в 50-х гг. прошлого столетия и до настоящего времени является единственным групповым методом пайки компонентов, устанав­ ливаемых в отверстия коммутационных плат. Для пайки плат со смешанным монтажом [компо­ ненты, монтируемые в отверстия с одной стороны платы и простые, монтируемые на поверх­ ность (пассивные компоненты и транзисторы)- с другой] был разработан метод пайки двойной волной припоя. Технология пайки поверхностно монтируемых компонентов расплавлением дозированного припоя в парагазовой фазе (ПГФ) появилась в 1973 г., когда фирма DuPont раз­ Western работала и запатентовала специальные жидкие материалы. В течение нескольких лет Electric была единственной фирмой, пользовавшейся преимуществами этой новой разработки. В 1975 г. фирма ЗМ предложила новые материалы для лайки в ПГФ, а один из изготовителей оборудования для лайки (фирма НТС) стал ведущим поставщиком систем лайки в ПГФ. С 1983 г. основным конкурентом лайки в ПГФ стала пайка расплавлением дозированного припоя с помощью инфракрасного нагрева (ИК-пайка). Эта краткая история иллюстрирует те изменения, которые претерпела технология пайки в США с появлением компонентов для поверхностного монтажа. В Японии пайка компонентов, устанавливаемых на поверхность недорогих плат с низкой плотностью монтажа, производится с применением нагретой плиты (или приспособления). Для чувствительных к тепловому воздействию и сложных микросбарок с поверхностным монтажом тремя ведущими японскими компаниями была разработана и реализована лазерная пайка. 2.3.6.1. Пайка волной припоя появилась 50 Пайка волной припоя лет назад и в настоящее время достаточно хорошо освоена. Она применяется только для пайки компонентов в отверстиях плат (традиционная технология), хотя некоторые изготовители утверждают, что с ее помощью можно производить пайку поверхностно монтируемых компонентов с несложной конструкцией корпусов, устанавливаемых на одной из сторон коммутационной платы. Процесс пайки прост. Платы, установленные на транспортере, подвергаются предварительному нагреву, исключающему тепловой удар на этапе пайки. Затем плата проходит над волной припоя. Сама волна, ее форма и динамические характеристики являются наиболее важными параметрами оборудования для пайки. С помощью сопла можно менять форму волны; в прежних конструкциях установок для пайки применялись симметричные волны. В настоящее время каждый производитель использует свою собственную форму волны (в виде греческой буквы «омега>>, ..Z-образную, Т-
105 образную и др.). Направление и скорость движения потока припоя, достигающего платы, также могут варьироваться, но они должны быть одинаковы по всей ширине волны. Угол наклона транспортера для плат тоже регулируется. Некоторые установки дЛЯ пайки оборудуются дешунтирующим воздушным ножом, который обеспечивает уменьшение количества персмычек припоя. Нож располагается сразу же за участком прохоЖдения волны припоя и включается в работу, когда припой находится еще в расплавленном состоянии на коммутационной плате. Узкий поток нагретого воздуха, движущийся с высокой скоростью, уносит с собой излишки припоя, тем самым разрушая перемычки и способствуя удалению остатков припоя. Когда впервые появились коммутационные платы, с обратной стороны которых компоненты устанавливались на поверхность, их пайка производилась волной припоя. При этом возникло множество проблем с обеспечением качества пайки. Рисунок 2.52 - Схематическое представление процесса пайки двойной 2.3.6.2. Совершенствование высокого уровня компонентами, Пайка двойной волной припоя конструкции платы годных при традиционных монтируемыми на волной припоя оказалось недостаточным способах изготовления поверхность обратной стороны для изделий плат. достижения с простыми Потребовалось изменить технологический процесс пайки волной, внедрив вторую волну припоя. Первая волна делается турбулентной и узкой, она исходит из сопла под большим давлением (рисунок 2.52). Турбулентность и высокое давление потока припоя исключает формирование полостей с газообразными продуктами разложения флюса. Однако турбулентная волна все же образует перемычки припоя, которые разрушаются второй, более пологой ламинарной волной с малой скоростью истечения. перемычки припоя, Вторая а волна также обладает завершает очищающей формирование способностью галтелей. Для и устраняет обеспечения эффективности пайки все параметры каждой волны должны быть регулируемыми. Поэтому установки для пайки двойной волной должны иметь отдельные насосы, сопла, а также блоки управления для каждой волны. Установки для пайки двойной волной рекомендуется приобретать вместе с дешунтирующим ножом, служащим дЛЯ разрушения перемычек из при­ поя. Пайка двойной волной припоя применяется в настоящее время дЛЯ одного типа коммутационных плат: с традиционными компонентами на лицевой стороне и монтируемыми на повер-хность простыми компонентами (чипами и транзисторами)- на обратной. Некоторые компотненты для ТПМК (даже пассивные) могут быть повреждены при погружении в припой во время пайки. Поэтому важно учитывать их термостойкость. Если пайка двойной волной применяfЯ"ся для монтажа плат с установленными на их поверхности компонентами сложной структуры, необходимы некоторые предосторожности: • применять поверхностно монтируемые ИС, не чувствительные к тепловому воздействию; • снизить скорость транспортера; • проектировать коммутационную плату таким образом, чтобы исключить эффект затенения.
106 Хорошо разнесенные, не загораживающие друг друга компоненты способствуют попаданию припоя на каждый требуемый участок платы, но при этом снижается плотность монтажа. При высокой плотности монтажа, которую позволяет реализовать ТПМК, с помощью данного метода практически невозможно пропаять поверхностно монтируемые компоненты с четырехсторонней разводкой выводов (например, кристаллоносител~ с выводами). Чтобы уменьшить эффект затенения, прямоугольные чипы следует размещать перпендикулярно направлению движения волны. Трудно паять двойной волной припоя транзистор в корпусе SOT-89, поскольку он имеет довольно массивный центральный вывод, что затрудняет его равномерное смачивание припоем (и растекание припоя) по всей поверхности. 2.3.6.3. Пайкарасплавлением дозированного припоя в парогазовой фазе (ПГФ) Пайка расплавлением дозированного припоя применима только к микросбаркам с поверх­ ностным монтажом. Она значительно отличается от ранее описанных методов. Процесс начи­ нается с нанесения способом трафаретной печати припойной пасты на контактные площадки коммутационной платы. Затем на поверхность платы устанавливаются компоненты. В ряде случаев припойную пасту просушивают после нанесения с целью удаления из ее состава летучих ингредиентов или предотвращения смещения компонентов непосредственно перед пайкой. После этого плата разогревается до температуры расплавления припойной пасты. 250 225 200 ..- ~ 175 ... 150 125 Q. ~ Q. ф с 100 75 2 ·{!4 5О 25 20 10 о Рисунок 40 30 60 5О 70 88 90 100 110 120 Врем", с 2.53 - Температурно-временнбй режим для пайки nлата с установленньtми СмонтированнаА комnонентами ко111мутационна~ nлата \ = = технологическая среда(фреон ТF) Основная технол_огическая - углеводород при 215'С) Кипящий жидкий фторуrлеаодород F t______ _r:=clt= : ___ _ } Вспомогательная среда (инертньtи фтор в ПГФ - - - - - = - _) Нагреватель ~ ~- _ •• __ Рабочий контейнер -иа нержавеющеА стал11 Рисунок 2.54 - Схематическое представление пайки в ПГФ с двумя технологическими средами В результате образуется паянос соединение между контактной площадкой платы и выводом компонента. Такая техника пайки применяма к коммутационным платам без
107 монтируемых в отверстия компонентов, т. е. с набором только поверхностно монтируемых компонентов любых типов. Метод пайки дозированного в парагазовой припоя, коммутационной в плате, ходе фазе является которой отдавая пары скрытую разновидностью специальной теплоту пайки жидкости параобразования расплавлением конденсируются открытым на участкам микросборки. При этом припойная паста расплавляется и образует галтель между выводом компонента и контактной площадкой платы. Когда температура платы достигает температуры жидкости, процесс конденсации прекращается, тем самым заканчивается и нагрев пасты. Повышение температуры платы, от ее начальной температуры (например, окружающей среды перед пайкой) до температуры расплавления припоя, осуществляется очень быстро и не поддается регулированию (рисунок 2.53). Поэтому необходим предварительный подогрев платы с компонентами для уменьшения термических напряжений в компонентах и местах их контактов с температуре платой. Температура расплавления кипения используемой инертный фторуглерод, например при FC-70 припоя также пайке жидкости. не регулируется Такой и жидкостью равна является производства фирмы ЗМ. Существуют два типа установок для пайки в парагазовой фазе: с применением одной либо двух рабочих жидкостей. В первых установках для пайки в ПГФ применялисЪ две рабочих жидкости (рисунок 2.54), при этом использовались обычно несколько установок пайки в составе производственной линии. С целью предотвращения утечки паров дорогого фторуглерода и припоя поверх основной технологической среды из инертного фторуглерода создавалась дополнительная технологическая среда из более дешевого фреона. Основной недостаток этих установок состоял в том, что на границе двух технологических оред происходило образование различных кислот. Поэтому для защиты коммутационных плат требавались системы нейтра­ лизации кислот. рушающего Защита действия коммутационных кислот на плат необходима в материал первую коммутации очередь (химическая, а от раз­ затем электрохимическая коррозия). Кроме того, рабочая часть контейнера установки пайки в ПГФ должна изготовляться из коррозионноетойкого материала, что отражается на стоимости такого оборудования. Выход готового Подача изделия и предварител~­ Пай ка расnnаеnением издеnиА к его н~IR нагреа р,озироаанного приnоя охлаждение Е>хnадитеnь LJI' ~. комnонентами "'"' ' """"""'"" \ Пары фторуглеводорода\ R 1 ,,,---.-.;_.~ ~-~ . 1 • • •• • -..t:::::::J • • • ~ Ох~дктеnь ва7ая КП 7 -.--: 7.-- -- р~.''"- f :.__ ·_ _ ' · Вентиn~ционное отеерстие - ' · ---=-::.. -- ::::- ::...::...::-:: = / Кипящий жидкий фторуглевоДород Рисунок СмонтИро- 2.55 - Схематическое Вентиляционное ............._ отверстие -.......... Нагреватель '-.......Рабочий контейнер, из нержавеющей стаnи представление пайки в ПГФ с использованием одной технологической среды Установки для пайки с двумя рабочими жидкостями оказались непригодны для линий сборки электронной аппаратуры. Поэтому в 1981 г. фирмой НТС стали выпускаться установки для пайки в ПГФ, встраиваемые в технологические сборочио-монтажные линии. Такие установки имеют относительно небольщие входное и выходное отверстия, позволяющие реализовать систе-
му с одной технологической средой (рисунок обеспечивает возможность включения 2.55). установки Приведеиная на рисунке в состав 2.55 технологической 108 конструкция линии. При использовании установки для пайки в ПГФ таких компонентов, как чип-конденсаторы и чип­ резисторы, может возникнуть проблема, известная как юффект опрокидывания компонента». Причина опрокидывания компонентов до конца не изучена, и универсальных средств для избежания этого в настоящее время не существует. Необходимо варьировать параметры процесса пайки до тех пор, пока не прекратится опрокидывание компонентов. 2.3.6.4. Пайка расплавлением дозированного припоя с инфракрасным и конвекционным нагревом В случае применения паяльной пасты пайка элементов поверхностного монтажа осуществляется бесконтактным оплавлением пасты, нанесённой на J<Онтактные площадки под выводами элементов. Передача тепла к паяемым узлам осуществляется в основном с помощью инфракрасного излучения (при оплавлении инфракрасным нагревателем) или потока разогретого газа (при оплавлении потоком разогретого воздуха, инертного газа). В серийном производстве пайку производят в автоматизированных печах. В качестве нагревателей при разных способах пайки используются инфракрасные нагреватели или системы форсунок, через которые подаётся разогретый воздух, азот или пары фторорганических соединений. Платы перемещаются через печь с помощью конвейерной ленты из нержавеющей стали (при оплавлении плат с односторонним монтажом) или транспортёром из нескольких параллельных цепей (при оплавлении плат с двусторонним монтажом). При движении плат через печь выдерживается график изменения температуры, приведённый на рисунке 2.56. Перед оплавлением припоя плата выдерживается при постоянной температуре ниже точки оплавления для достижения теплового баланса и уменьшения напряжений в плате и компонентах. Передача тепла ИК излучением по своей природе отличается от конвекционного переноса тепла гораздо большей скоростью. При этом для качественного проведения пайки важно знать длину волны ИК излучения, прозрачность среды, а также характер поведения паяльной пасты в условиях облучения. Обычно инфракрасную пайку ЭК на поверхность КП проводят с использованием ИК излучения с длиной волны в диапазоне 1.2-2.5 мкм, в котором органические вещества прозрачны, что позволяет излучению проникать в глубь паяльной пасты, удалять из неё растворитель, не повреждая защитную паяльную маску. При ИК пайке поглощающая способность нагреваемых ЭК должна быть постоянной, однако отмечено, что её величина зависит от состояния отражающей поверхности компонента. Кроме того, недостатком ИК пайки является неравномерный нагрев платы и компонентов, который можно уменьшить, снизив скорость движения конвейера. Рисунок 2.56 - Профиль изменения температуры для пайки печатной платы в печи: << (150 ... 160) С- температура выдержки для проrрева платы; Т"л = (180 -200) С- температура плавления припоя Тп = (215 ... 280) ос - пиковая температура в зоне оплавления припоя; t 1• > 60 с время выдержки; t 28 > 10 с...,. время воздействия пиковой температуры Тд 0 0
109 В отличие от ИК нагрева конвекционный метод передачи тепла при пайке ЭК обеспечивает равномерный щадящий нагрев печатного узла, исключающий появление теневых эффектов. Поэтому наиболее перспектинным методом является пайка с использованием конвекционного нагрева. Рассматривая особенности пайки электронных компонентов в печах, следует отметить, что при пайке одновременно с платой нагреваются установленные на ней компоненты, причём из-за относительно высокой скорости нагрева внутри компонентов создаётся несднородное распределение температуры, вызывающее механические напряжения, которые могут разрушить компонент. Разрушение компонентов является одной из причин брака при пайке методом оп­ лавления припоя в печах. Уменьшить количество разрушенных при пайке компонентов путём снижения скорости нагрева не у даётся в связи с тем, что при этом внутренние напряжения воз­ никнут из-за того, что компоненты имеют сложную структуру и состоят из материалов с раз­ ными коэффициентами температурного расширения. С этой точки зрения более выгодными являются быстрые нагрев и охлаждение, поскольку в этом случае внутри компонента темпера­ тура не успевает подняться. Поэтому очень важным является строгое соблюдение рекомендуе­ мого паспортом на компонент режима пайки. Другая причина брака кроется в физических и химических процессах, протекающих в месте пайки. Прочное паяное соединение тронного компонента - контактная площадка на плате - - вывод элек­ образуется тогда, когда на границе раздела двух материалов (например, меди и оловянно свинцового припоя) происходит взаимная диффузия атомов металлов. Чтобы создать условия для диффузии, прежде всего, необходимо смачивание припоем поверхности металла. Для этого металл при пайке покрывают флюсом и нагревают до температуры выше точки плавления припоя. При нагревании флюс nереходит в жидкое состояние и растворяет загрязнение и окислы на поверхности металла, затем жидкий nриnой силой поверхностного натяжения распределяется по чистой nоверхности металла. Скорость распределения припоя по выводу компонента и контактной площадке на плате определяется не только состоянием их поверхностей (окислены ли они, загрязнены или нет), но и свойствами используемого флюса (умеренно активного, активного или очень активного), а также качеством самого припоя. Стабильность точки плавления припоя и его текучесть при нагреве выше этой точки в значительной мере определяются точностью поддержания состава припоя и содержанием в нём примесей. В современных технологиях пайки электронных компонентов на поверхность плат используют только высококачественные припои с составом, контролируемым с высокой точностью (например, американской фирмы даже при небольшом превышении температуры над точкой AIM). плавления Эти припои имеют высокую текучесть по металлу. Таким образом формируется граница взаимодействия металла и припоя, на которой образуется слой сплава из всех взаимодействующих металлов. Толщина этого слоя и его структура зависят от температуры и времени пайки. В свою очередь, прочность паянаго соединения зависит от толщины и состава слоя нового сплава. В частности, если при пайке температура незначительно превышает точку плавления припоя, диффузия происходит медленно и за время пайки слой нового сплава не успевает образоваться. Такое «холодное» паяное соединение отличается низкой механической прочностью. Если пайку производить при высокой температуре и длительное время, то на границе взаимодействия образуется относительно толстый слой, насыщенный кристаллами интерметаллических соединений меди и обладающий высокой хрупкостью. При термоциклировании печатного узла, воздействии на него вибрации и ударов такое паявое соединение быстро разрушается. Есть и другие причины, которые делают высокотемпературную пайку нежелательной. Чем выше температура пайки, тем больше механические напряжения, вызванные различием температурных коэффициентов расширения платы и компонентов. В начале кристаллизации припой имеет малую прочность и механические напряжения могут легко разрушить паяное соединение Такие дефекты пайки характерны для компонентов в корпусах типов выводов компонентов в корпусах типа CSP. при остывании Chip, MELF платы. и шариковых Длительная высокотемпературная пайка таких компонентов нежелательна также по другой причине. Эти компоненты имеют тонкий слой металлизации, которая может растворяться в припое при пайке. Следовательно, существует
110 ,JI!тимум по температуре и длительности процесса пайки, обеспечивающий формирование паяного соединения максимальной прочности. Согласно исследованиям паяное соединение максимальной прочности формируется при перегрев е припоя на 50-70° С относительно точки плавления и длительности·процесса пайки 1-2 с. 2.3.6.5. Другие методы пайки Методы пайки волной припоя, двойной волной припоя, в ПГФ и с ИК- нагревом в настоящее время широко используются в США. Пайка расплавлением дозированного припоя с помощью разогретого приспособления не применяется в США, но широко распространена в Японии, где почти нет установок для пайки в ПГФ. Пайка расплавлением дозированного припоя с помощью лазера является еще одним способом пайки, применяемым в Японии. Метод пайки расплавлением дозированного припоя с помощью нагретого приспособления был разработан в Японии применительно к изделиям бытовой электроники с невысокой плотностью монтажа. Суть метода такова: коммутационная плата с компонентами помещается на теплопроводящий транспортер, содержащий набор специальных пластин (температура которых контролируется), передающих тепло через плату к выводам компонентов. Этот метод широко применяется для пайки гибридных интегральных схем и может также использоваться [14]. для пайки некрупных компонентов, монтируемых на поверхность плат Пайка расплавлением дозированного припоя с помощью лазерного излучения отличается от всех вышеописанных способов пайки тем, что все места соединений выводов компонентов с контактными площадками платы прогреваются последовательно, а не одновременно. Для нагрева соединений применяются твердотельные лазеры (на алюмоиттриевом гранате) либо газовые лазеры (на СО 2 ). Главное достоинство лазерной пайки заключается в том, что пучок лазерной энергии хорошо фокусируется, поэтому данный метод особенно эффективен для пайки термочувствительных компонентов и компонентов с малым шагом выводов. Некоторые из наиболее сложных сборок на платах (например, центральные процессары универсальных вычислительных машин) размером 10xl2 дюймов (25,4х30,5 см) могут иметь 10000 - 15000 паяных соединений. Такая плотность монтажа не реализуема с помощью наиболее освоенных методов пайки распла~лением дозированного припоя, поскольку главным здесь является качество и надежность паяных соединений, а не производительность установки. NEC Роботизированные установки лазерной пайки были изготовлены фирмами Нitachi, и Toshiba. Fuji, Типичный модуль для такого способа пайки имеет сдвоенную паяльную головку в составе робота, работающего в декартовой системе координат. Передача лазерного пучка осуществляется по оптоволоконной линии. оптических зеркал делает возможной одновременно по обеим сторонам корпуса групповую SO Разложение лазерного луча с помощью пайку выводов компонента на плате или кристаллоносителя. Дальнейшее развитие элементной базы и техники поверхностного монтажа направлено на размещение БИС и СБИС в корпусах пассивных и нетрадиционных BGA элементов и CSP, для а также на создание новых конструкций поверхностного монтажа,- что обеспечит повышение быстродействия и экономических показателей радиоэлектронной аппаратуры. Контрольные вопросы 1. 2. 3. 4. 5. б. 7. На какие два больших этапах может быть разделен технологический цикл изготовления полупроводниковых ИС? Перечислите методы эпитаксии, укажите их особенности. Персчислите основные физико-химические процессы при термическом окислении кремния. С какой целью в окислительную среду добавляют хлорсодержащие компоненты? Назначение литографии в планарной технологии изготовления кремниевых приборов и ИС. Чем отличаются негативные и позитивные фоторезисты? Опишите схему процесса фотолитографии по рисунку 2.6.
111 8. Опишите схему изготовления фотошаблонов для контактной и проекционной фотолитографии. 9. Разрешающая способность фотолитографии; физические и технологические ограничения. 10. Перспектинные методы литографии: рентгеновская, электронно-лучевая, ионно-лучевая. 11. Механизмы термической диффузии примесей в полупроводнике. 12. Законы распределения примесей при диффузии из бесконечного и ограниченного источни­ ка. 13. Опишите процесс ионной имплантации атомов примесей, вид распределения, эффект каналирования и зависимость проекции пробега ионов от энергии. 14. 15. 16. Нейтронное легирование кремния. В каких случаях используется этот метод? Жидкостное травление кремния: изотропное и анизотропное. Виды сухого травления: плазмохимическое, ионное травление, реактивное ионное травление. 17. Методьi нанесения тонких пленок. Термическое вакуумное испарение, распыление ионной бомбардировкой, катодное распыление, ионно-плазменное распыление, высокочастотное магнетровное распыление, химическое осаждение из парегазовой фазы, химическое осаждение и анодное окисление. 18. Методы получения рекристаллизация структур типа кремний поликристаллического на диэлектрике. кремния, Эпитаксия имплантация на кислорода сапфире, и азота в кремний. 19. 20. Опишите технологический маршрут изготовления полупроводниковой ИС по рисункам 2.34, 2.35. Опишите технологический процесс изготовления толстоплёночных и тонкоплёночнь1х ГИС (рисунок 21. 2.37). Трафаретная печать проводящих, резистинных и диэлектрических паст. Термическая обработка. 22. 23. 24. 25. 26. 27. 28. 29. Технологические особенности изготовления многослойных керамических подложек. Основные методы получения тонкоплёночных структур в технологии гибридных ИС. Многослойные коммутационные структуры на основе полиимида. Основные требования к сборочио-монтажным операциям изготовления ГИС. Методы монтажа бескорпусных приборов и полупроводниковых ИС. Методы термекомпрессионной и ультразвуковой сварки. Герметизация микросхем. Типы корпусов гибридных ИС. Основные преимущества технологии поверхностного монтажа по сравнению с монтажом печатных плат в отверстие. 30. Основные требования к электронным компонентам для технологии поверхностного монтажа. 31. 32. 33. Классификация корпусов компонентов поверхностного монтажа. Основные требования к коммутационным платам в технологии поверхностного монтажа. Опишите технологический процесс многоуровневой коммутации (рисунок 34. Конструктивно-технологические изготовления варианты изготовления использованием полимерных материалов (таблица 35. 36. 37. 38. 39. межелейных переходов для 2.43). коммутационных 2.17). Многослойные коммутационные платы и их характеристики (таблица 2.18 и плат с 2.19). Сравнение субтрактивной и аддитивной технологий поверхностного монтажа компонентов. Контроль качества смонтированных плат методом поверхностного монтажа. Персчислите основные варианты и особенности выполнения поверхностного монтажа. Опишите правила проектирования топологии в технологии поверхностного монтажа для плат, изготовляемых по аддитивной технологии (таблица 2.20). 40. Основные особенности пайки расплавлением дозированного припоя в парегазовой фазе, инфракрасным и конвекционным нагревом, а также лазерной пайки.
112 Глава 3.1. Материалы, 3. Элементы физики полупроводников Классификация материалов твердотельной электроники используемые в твердотельной активные и пассивные. Активными (рисунок определенными свойствами по отношению электронике 3.1) можно подразделить на называют материалы, характеризуемые к электромагнитному полю и другим воздействиям и применяемые с учетом этих свойств. Практически различные материалы подвергаются воздействиям как отдельно электрических или магнитных полей, так и их совокупности. По поведению в электрическом поле материалы подразделяют на проводниковые, полупроводниковые и диэлектрические [ 17]. Большинство активных материалов можно отнести к слабомагнитным или практически немагнитным. Однако и среди магнетиков следует различать проводящие, полупроводящие и практически непроводящие, что определяет частотный диапазон их применения. Проводниками называют материалы, основным электрическим свойством которых является сильно выраженная электропроводность. Их применение в технике обусловлено в основном этим свойством, определяющим высокую удельную электрическую проводимость при нормальной температуре. Рисунок 3.1 - Классификация материалов твердотельной электроники Полупроводниками называют материалы, являющиеся по удельной проводимости промежуточными между проводникоными и диэлектрическими материалами и отличительным свойством которых является сильная зависимость удельной проводимости от концентрации и вида примесей или различных дефектов, а также в большинстве случаев от внешних энергетических воздействий (температуры, излучений и т.п.). Диэлектриками называют материалы, основным электрическим свойством которых является способность к поляризации и в которых возможно существование электростатического поля. Реальный (технический) диэлектрик тем более приближается к идеальному, чем меньше его удельная проводимость и чем слабее у него выражены замедленные механизмы поляризации, связанные с поглощением части электрической энергии и выделением теплоты. При применении диэлектриков довольно четко определилась необходимость использования как пассивных, так и активных свойств этих материалов. Пассивные свойства диэлектрических материалов используются, когда их применяют в качестве электроизоляционных материалов и диэлектриков конденсаторов обычных типов. Электроизоляционными материалами называют диэлектрики, которые не допускают
113 утечки электрических зарядов, т.е. с их помощью отделяют электрические цепи друг от друга или токоведущие части устройств, приборов и аппаратов от проводящих, но не токоведущих частей (от корпуса, от земли). В этих случаях диэлектрическая проницаемость материала ве играет особой роли, или она должна быть, возможно, меньшей, чтобы не вводить в схему паразитных ёмкостей. Если материал используется в качестве диэлектрика конденсатора определенной условиях желательно, ёмкости и наименьших чтобы этот материал размеров, то при имел большую прочих равных диэлектрическую проницаемость. Активными пьезоэлектрики, (управляемыми) пироэлектрики, диэлектриками электролюминофоры, являются материалы сегнетоэлектрики, для излучателей и затворов в лазерной технике, электреты и т.д. У словно к проводникам относят материалы с удельным электрическим сопротивлением р < ю- 5 Ом·м, а к диэлектрикам- материалы, у которых р > 108 Ом· м. При этом надо заметить, что сопротивление хороших проводников может составлять всего 1o-s Ом·м, а у лучших диэлектриков превосходить 10 16 Ом·м . Удельное сопротивление полупроводников в зависимости от строения и состава материалов, а также от условий их 5 8 эксплуатации может изменяться в пределах 1о- -10 Ом·м. Хорошими проводниками 105 электрического тока являются металлы. Из химических элементов лишь двадцать пять являются неметаллами, причем двенадцать элементов могут проявлять полупроводниковые свойства. Но кроме элементарных вешеств существуют тысячи химических соединений, сплавов или композиций со свойствами проводников, полупроводн.иков или диэлектриков. Четкую границу между значениями удельного сопротивления различных классов материалов провести достаточно сложно. Например, многие полупроводники при низких температурах ведут себя подобно диэлектрикам. В то же время диэлектрики при сильном нагревании могут проявлять свойства полупроводников. Качественное различие состоит в том, что для металлов проводящее состояние является основным, а для полупроводников и диэлектриков - возбужденным. Совокупность научно-технических знаний о физико-химической природе, методах исследования и изготовления различных материалов составляет основу материаловедения, ведущая роль которого в настоящее время широко призвана во многих областях науки и техники и особенно в микроэлектронике. 3.2. Элементы зонной теории твердого тела Зонная теория является основой современных представлений о механизмах различных физических явлений, происходящих в твердом кристаллическом веществе при воздействии на него электромагнитного поля. Зонная теория твердого тела - это теория валентных электронов, движущихся в периодическом потенциальном поле кристаллической решетки. Как известно, отдельные атомы имеют дискретный энергетический спектр, т.е. электроны могут занимать лишь вполне определенные энергетиеские уровни. Часть этих уровней заполнена при нормальном, невозбужденном состоянии атома, на других уровнях электроны могут находиться только, когда он возбужден. Стремясь к устойчивому состоянию, атом излучает избыток энергии в момент перехода электронов с возбужденных уровней на уровни, на которых энергия минимальна. характеризуется энергетической диаграммой атома, приведеиной на рисунке Если имеется система из (например, газообразное N 3.2, Сказанное а. одинаковых атомов, достаточно удаленных друг от друга вещество), то взаимодействие между атомами отсутствует и энергетические уровни электронов остаются без изменений. практически
114 !lpfJIHII IIJI§Ж· di!НHIIfJ OhlfJHfJ JiJнa npolfu• d/IHQChllJ (с6о!оdнак JOHO) t Janpeщeн­ нoll JOHO ~~~~~l80111!Hh1HO# '----\ .:JOif/1 (3/JЛORH/!HHtiJf э11ектронuниJ УроВень HIJPH/1/ТfflOZO, Ht6113Q§Жd/!HHOtO состокния атона 3.2- Рисунок При О) 11} Энергетические диаграммы: а- отдельного атома; б- твердого тела конденсации газообразного кристаллической решетки твердого вещества в теJш все жидкость,а затем имеющиеся у при атомов образовании данного типа электронные уровни (как заполненные электронами, так и назаполненные) несколько смещаются вследствие действия соседних атомов друг на друга. В частности, притяжение электронов одного атома ядром соседнего снижает высоту потенциального барьера, разделяющего электроны в уединенных атомах. Главное состоит в том, что при сближении атомов Происходит перекрытие электронных оболочек, а это в свою очередь существенно изменяет характер движения электронов. Благодаря перекрытию оболочек электроны могут без изменения энергии посредством обмена переходить от одного атома к другому, т. е. перемешаться по кристаллу. Обменное взаимодействие имеет чисто квантовую природу и является. следствием неразличимости электронов. В этом случае уже нельзя говорить о принадлежности того или иного электрона определенному атому - каждый валентный электрон принадлежит всем атомам кристаллической решетки одновременно. Иными словами, при перекрытии электронных оболочек происходит обобществление электронов [ 16]. Вследствие изолированного обменного атома взаимодействия расщепляются в дискретные энергетические неметаллического твердого тела на рисунке 3.2,6. энергетические зоны, как это уровни показано для Разрешенные энергетические зоны раз­ делены запрещенными интервалами энергии. Ширина разрешенных энергетических зон не зависит от размеров кристалла, а определяется лишь прирадой атомов, образующих твердое тело, и симметрией кристаллической решетки. Поскольку обменная энергия зависит от степени перекрытия электронных оболочек, то уровни энергии внутренних оболочек, которые сильнее локализованы вблизи ядра расщепляются меньше, чем уровни валентных электронов. Расщеплению в зону подвержены не только нормальные (стационарные), но и возбужденные энергетические уровни. Ширина разрешенных зон при перемещении вверх по энергетической шкале возрастает, а величина запрещенных энергетических зазоров соответственно уменьшается. Каждая зона состоит из множества энергетических уровней,очевидно, их количество определяется числом атомов, составляющих твердое тело. А это значит, что в кристалле конечных размеров расстояние между уровнями обратно пропорционально числу атомов. В кристалле объемом в 1 см 3 содержится 1022 показывают, что энергетическая - 1023 атомов. Экспериментальные данные протяженность валентных электронов не превышает единиц электронвольт. Отсюда можно сделать вывод, что уровни в зоне отстоят друг от друга по энергии на 10-22 - 10-23 эВ, т.е. энергетическая зона характеризутся квазинепрерывным спектром. Достаточно ничтожно малого энергетического воздействия, чтобы вызвать переход электронов с одного уровня на другой, если там имеются свободные состояния.
115 Распределение энергетическом электронов. уровне противоположным может направлением электронных состояние в В соответствии находиться не спинового зоне оказывается с принципом более двух магнитного Паули на электронов, момента. каждом причем Позтому с число конечным и равным числу соответствующих атомных состояний. Конечным оказывается и число электронов, заполняющих данную энергетическую зону, что играет важную роль в формировании энергетического спектра кристалла. Подобно энергетическим уровням в изолированных атомах энергетические зоны могут быть полностью заполненными, частично заполнеными и свободными. Внутренние оболочки в изолированных атомах заполнены, позтому соответствующие им зоны также оказываются заполненными. Самую верхнюю из заполненных электронами зон называют валеюпной. Эта зона соответствует энергетическим уровням электронов внешней оболочки в изолированных атомах. Ближайшую к ней свободную, незаполненную электронами зону называют зоной проводилюсти. Взаимное положение этих двух зон определяет большинство процессов, происходящих в твердом теле. Выводы зонной теории. Характер энергетического спектра у металлических проводников, полупроводников и диэлектриков существенно различен. В металлических проводниках валентная зона заполнена не полностью или перекрывается с зоной проводимости. В полупроводниках и диэлектриках зона проводимости и валентная зона разделены некоторым энергетическим зазором, называемым запрещенной зоной. 3 =1,12 дЕg = Формально к полупроводникам относят вещества, у которых запрещенная зона меньше зВ. Так, например, при температуре эВ; у германия дЕg 2,4 ... 3,4 эВ = 0,67 300 К у кремния ширина запрешенной зоны дЕg эВ; у арсенида галлия дЕg = 1,43 зВ; у карбида кремния (для разных политипов). Вещества с более широкой запрещенной зоной относят к диэлектрикам. У реальных диэлектриков ширина запрещенной зоны может достигать эВ. Различие в положении энергетических Jl зон металлических проводников показано на рисунке ~мt~~ W3 Бf!Е2 1 Диэлектрик Полупроводник Согласно зонной теории у 3.3 [16]. Рисунок диэлектриков, 3.3 - 10 полупроводников Энергетические полупроводников и и диаграммы металлических проводников с точки зрения зонной теории твердого тела: 1 - заполненная 2 - зона электронами зона; свободных энергетических уровней; 3 - запрещенная зона щириной АЕ Металл электроны диэлектриков, зоны проводимости имеют практически одинаковую свободу движения во всех твердых телах независимо от того, являются ли они металлами или диэлектриками. Движение осуществляется путем туннельного перехода электронов от материалов атома к атому. надо принять во Для объяснения внимание различий различную в электрических свойствах реакцию на внешнее электрическое поле электронов заполненной и незаполненной зон. Внешнее электрическое поле стремится нарушить симметрию движущиеся в в распределении направлении электронов по скоростям, действующих электрических сил, ускоряя электроны, и замедляя частицы с противоположно направленным импульсом. Однако подобное ускорение и замедление связано с изменением энергии электронов, что должно сопровождаться переходом их в новые квантовые состояния. Очевидно такие переходы могут осуществляться лишь в том случае, если· в энергетической зоне имеются свободные уровни. В типичных случаях добавочная энергия, приобретаемая электронами действием электрического поля, составляет 10-3 - на длине свободного пробега под 10-4 эВ, т. е. намного превосходит расстояние между подуровнями в зоне. В металлах, где зона не полностью укомплектована
116 электронами, даже слабое поле способно сообщить электронам достаточный импульс, чтобы вызвать их переход на близлежащие свободные уровни. По этой причине металлы являются хорошими проводниками электрического тока. В полупроводниках и диэлектриках при температуре ОК все эщ;ктроны находятся в валентной зоне, а зона проводимости абсолютно заполненной зоны не могут принимать участия свободна. в создании Электроны полностью электрического тока. Для появления электропроводимости необходимо часть электронов перевести из валентной зоны в зону проводимости. Энергии электрического поля недостаточно для осуществления такого перехода, требуется более сильное энергетическое воздействие, например, нагревание твердого тела. Средняя кинетическая энергия тепловых колебаний атомов в кристаллической решетке приблизительно равна 0,04 величина составляет приблизительно При комнатной температуре эта (3/2)kT. эВ, что в общем случае существенно меньше ширины запрещенной зоны ЬЕ. Однако следует иметь в виду, что тепловая энергия неравномерно распределяется между частицами. В каждый момент времени имеется небольшое число атомов, у которых амплитуда и энергия тепловых колебаний значительно превышают среднее значение. В процессе тепловых колебаний атомы взаимодействуют не только друг с другом, но и с электронами, передавая им часть тепловой энергии. Именно за счет таких тепловых флуктуаций некоторые из электронов могут перейти из валентной зоны в зону проводимости. Очевидно, чем выше температура и меньше запрещенная зона, тем выше интенсивность межзонных переходов. У диэлектриков запрещенная зона может быть на столько велика, что электронная электропроводность не играет определяющей роли. Прй каждом акте возбуждения и перехода электронов в зону проводимости появляются энергетические вакансии в распределении электронов по состояниям валентной зоны, называемые «дырками». При наличии дырок электроны валентной зоны могут совершать эстафетные переходы с уровня на уровень. Во внешнем электрическом поле дырка движется противоположно движению электрона, т. е ведет себя (как некоторый положительный заряд с отрицательной эффективной массой). Таким образом, дырки обеспечивают участие валентных электронов в процессе электропроводности. Процесс перехода электронов в свободное состояние сопровождается и обратным явлением, т. е. возвратом электронов в нормальное состояние. В результате в веществе при любой температуре наступает динамическое равновесие, т. переходящих в свободную зону становится е. равным количество количеству электронов, электронов, возвращающихся обратно в нормальное состояние. С повышением температуры число свободных электронов в полупроводнике возрастает, а с пониженнем температуры до абсолютного нуля -убывает вплоть до нуля. Значит, вещество, представляющее собой при одних температурах диэлектрик, при других, более высоких приобретает проводимость, т.е. наступает новое качественное состояние вещества. Различие между проводимастями двух типов материалов - металлов_ и неметаплов - наиболее значителhно при температурах, приближающихся к абсолютному нулю; различие - же между двумя классами неметаплов полупроводниками и диэлектриками - исчезает по мере приближения температуры к абсолютному нулю. Электроны, свободными. находящиеся Такие потенциальным электроны полем в зоне проводимости, неизбежно кристаллической будут нельзя считать взаимодействовать решетки. При с абсолютно периодическим математическом описании поведения электронов в зоне проводимости пользуются понятием эффективной массы. Эффективная масса не определяет ни инерционных, ни гравитационных свойств электрона. Однако вводя понятие эффективной массы, можно движение реального электрона в кристалле с массой то описывать как движение абсолютно свободного электрона, т.е. эффективная масса кристаллической учитывает решеткой при сложный его характер движении под взаимодействия действием электрона силы с внешнего
117 электрическ-ого поля. Эффективная масса может во много раз отличаться от массы свободного электрона. Ширина запрещенной зоны меняется с изменением температуры. Это происходит по двум основным решетки и причинам: из-за из-за изменения изменения междуатомных амплитуды тепловых расстояний, т.е. колебаний объема тела. атомов С ростом температуры возрастает амплитуда тепловых колебаний атомов, увеличивается степень их взаимодействия и степень расщепления энергетических уровней. Поэтому разрешенные зоны становятся шире, а запрещенные Для большинства уменьшается с - соответственно уже. полупроводниковых ростом температуры. материалов Температурную ширина запрещенной зоны запрещенной зоны зависимость можно аппроксимировать выражением: Eg(T) = Eg(O)- а Т 2 /(Т+~). Eg(O) Значения а, ~ и приведены ниже: ~g(O), эВ МатеiJиал 1 GaAs Si Ge 1 1 1 а· 1.519 1.170 0.7437 104 эВ/К 5.405 4.73 4.774 ~,К 204 636 235 Энергию, необходимую для перевода электрона в свободное состояние или для образования дырки, может дать не только тепловое движение, но и другие источники энергии, например поглощенная материалом энергия света, энергия потока электронов и ядерных частиц, енергия электрических и магнитных полей, механическая энергия и т. д. Увеличение же числа свободных электронов или дырок под 'воздействием, какого-Либо вида энергии способствует повышению электропроводности, увеличению тока, появлению электродвижущих сил. Электрические свойства определяются условиями взаимодействия и расстояниями между атомами вещества и не являются непременной особенностью данного атома. Так, например, углерод в виде алмаза является диэлектриком, а в виде графита он обладает большой проводимостью. Примеси и точечные дефекты, нарушающие строгую периодичность структуры, создают особые энергетические уровни, которые располагаются в запрещенной зоне идеального кристалла. Если примесные атомы или дефекты расположены достаточно далеко друг от друга, то взаимодействие между ними отсутствует, а соответствующие им энергетические электронов уровни между оказываются удаленными дискретными. примесными Поскольку атомами туннельные практически переходы невозможны, то дополнительные электронные состояния локализованы в определенном месте решетки, т.е. на дефекте расстояния структуры. между При ними достаточно сравнимы с высокой размерами концентрации атомов, примесных благодаря чему атомов возможно перскрытие электронных оболочек ближайших атомов примеси. В этом случае дискретные энергетические уровни примесей расщепляются в энергетическую зону примесных состояний, способную обеспечить проводимость, если не все уровни в этой зоне заполнены электронами. В некоторых случаях примесные зоны могут перскрываться с разрешенными зонами и тем самым приводить к сужению ширины запрещенной зоны. Таким образом, электрические свойства всех твердых тел определяют теоретически с единой точки зрения электропроводности - энергия возбуждения носителей заряда или энергия активации равна нулю у металлов и непрерывно возрастает в ряду полупроводников, условно переходящих при увеличении этой энергии в ряд диэлектриков; хорошо прово~ящие металлы и хорошо изолирующие диэлектрики представляют собой крайние члены того непрерывного ряда, в котором можно расположить твердые тела по этому признаку.
118 3.3. Образование Генерация и рекомбинация носителей заряда свободных электронов и - дырок генерация носителей заряда происходит при воздействии теплового хаотического движения атомев кристаллической решетки (тепловая генерация), при воздействии поглощенных полупроводником квантов электромагнитного излучения (фотонная генерация) и других энергетических факторов. Так как полупроводник всегда находится одного (Т -=F 0), под действием всех этих факторов или хотя бы генерация носителей происходит непрерывно [16]. Одновременно с генерацией в полупроводнике непрерывно происходит и обратный процесс - рекомбинация носителей заряда, т.е. возвращение электронов из зоны проводимости в валентную зону, в результате чего исчезает пара носителей заряда. В состоянии термодинамического равновесия процессы генерации и рекомбинации носителей заряда взаимно уравновешены. При этом в полупроводнике существуют равновесные ктщентрации электронов па и дырок ро. При воздействии на полупроводник нетеплового внешнего энергетического фактора (света, сильного электрического поля и др.) из-за генерации новых носителей заряда их концентрация и n р Снеравновесная концентрацию на величину (или f..n Таким образом, f..n концентрация) f..p), =n - по будет превышать равновесную которую называют избыточной концентрацией. =р - ро. ; f..p Избыточная концентрация носителей заряда может возникать в отдельных областях полупроводниковой структуры прибора не только в результате внешних энергетических воздействии, но и за счет различных процессов (инжекции, экстракции, ударной ионизации), которые могут происходить в полупроводниковых приборах. Механизмы рекомбинации могут быть различны (рисунок АfеJкзонная, или непосредственная рекомбинация 3.4). происходит при переходе свободного электрона из зоны проводимости в валентную зону на один из свободных энергетических свободного уровней, электрона что и соответствует дырки. Однако исчезновению такой пары процесс носителей межзонной заряда - рекомбинации маловероятен, так как свободный электрон и дырка должны оказаться одновременно в ·одном и том же месте кристалла. Кроме того, должен выполняться закон сохранения им­ пульса, т. е. рекомбинация электрона и дырки возможна только при одинаковых, но противоположно направленных германии на тыс. 10 импульсах электрона рекомбинаций лишь одна и дырки. Поэтому, например, в происходит в результате межзонной рекомбинации. 6J aJ Рисунок 3.4- 8) Различные механизмы генерации и рекомбинации носителей заряда: а- межзонная генерация и рекомбинация; б- генерация и рекомбинация с участием пустых рекомбинационых ловушек; в рекомбинациониых ловушек; - генерация и рекомбинация с участием заполненных электронами - условное обозначение генерации; рекомбинации. Цифры означают этапы процессов генерации и рекомбинации ---- - -условное обозначение
119 Рекшнбинация с участие.111 рекомбинационных ловушек или рекомбинация Шокли­ Холла-Рида протекает в два этапа. На первом этапе рекомбинационная ловушка (или энергетический уровень рекомбинационной ловушки) захватывает, например, электрон из зоны проводимости. Таким образом, электрон выбывает из процесса электропроводности. В этом состоянии ловушка будет находиться до тех пор, пока к ней не подойдет дырка, или, другими словами, пока в данном месте кристалла не окажется свободный энергетический уровень валентной зоны. При выполнении этих условий осуществляется второй этап - рекомбинаций электрон переходит на свободный уровень валентной зоны (что эквиваJiентно захвату дырки из валентной зоны отрицательно заряженной ловушкой). Двухэтапный процесс рекомбинации более вероятен, так как он не требует одновременного присутствия в данном месте кристалла свободного электрона и дырки. Рекомбинационная ловушка воспринимает количество движения, необходимое для соблюдения закона сохранения импульса, и может забрать часть энергии, освобождаемой в процессе рекомбинации. Роль рекомбинационных ловушек могут выполнять примесные атомы или ионы, различные включения в кристалле, незаполненные узлы кристаллической решетки, дислокации и другие несовершенства объема или поверхности. В связи с тем что на поверхности кристалла перечисленных дефектов значительно больше, чем в объеме, процесс рекомбинации на поверхности должен идти значительно интенсивнее. Его рассматривают и оценивают обычно отдельно, считая поверхностную реко;нбинацию разновидностью рекомбинации с участием рекомбинационных ловушек. В зависимости от того, как расходуется энергия, освобождающаяся при рекомбинации электрона и дырки, рекомбинацию можно подразделить на два вида. . Излучательной рекомбинацией называют- рекомбинацию, при которой энергия, освобождающаяся при переходе электрона на более низкий энергетический уровень, излучается в виде кванта света (фотона). При безызлучательной (фононной) рекомбинации избыточная энергия электрона передается кристаллической решетке полупроводника, т. е. избыточная энергия идет на образование фононов - квантов тепловой энергии. Наряду с указанными видами рекомбинации при больших концентрациях электронов или дырок в полупроводниках вступает Auger), (Оже-рекомбинация, при этом в действие еще один механизм рекомбинации происходит столкновение одновременно двух свободных электронов и одной дырки или двух дырок и одного электрона, в результате чего имеет место рекомбинация электрона и дырки и переход третьего носителя на более высокий уровень энергии в соответствующей зоне. Этот третий носитель в результате столкновений с решеткой передает ей избыточную энергию и приходит в равновесное состояние с решеткой. 3.4. В Равновесная концентрация носителей заряда в полупроводнике соответствии со статистикой энергетического уровня электроном уровню, и абсолютной температурой Т /(Е)= где F- Ферми-Дирака вероятность определяется энергией Е, [16]: (3.2) 1 , 1+ехр(Е- F)l kT энергия уровня Ферми, вероятность заполнения которого равна которого кривая вероятности симметрична (рисунок Энергия Ферми заполнения соответствующей этому представляет собой 3.5). термодинамический 112 и относительно потенциал Гиббса, отнесенный к одной частице. Её называют также электрохимическим потенциалом. Если в качестве точки отсчета энергии принять потолок валентной зоны (потенциальная энергия неподвижнцых электронов валентной зоны равна нулю), то для невырожденного полупроводника энергия Ферми будет предсталять собой среднюю энергию подвижного электронного газа: электронов валентной зоны) в валентной зон~. зоны проводимости и дырок (подвижные электроны
120 Энергия уровня ФepJHU граниuе электронного (F) соответствует верхней распределения при l\ Е температуре Т = О, а также средней энергии «диапазона размытия» при любой другой температуре (рисунок 3.5). Сим­ метрия кривой вероятности заполнения относительно уровня Ферми означает одинаковую вероятность F заполнения уровня электроном с энергией, большей на величину Е - F, и вероятность освобождения уровня от электрона с энергией, на столько же меньшей энергии уровня Ферми. С помощью соотношения заполнение валентной зоны электронами зоны (3.2) зоны полупроводника. удобнее говорить энергетических уровнях энергетический уровень о в можно определять проводимости Но для валентной дырках валентной может пустых зоне. либо о или а! Рисунок ' ~{f.J Распределение электронов вероятности заполнения занят энергетических уровней (б) электроном, либо свободен от электрона. Поэтому сумма вероятностей этих двух событий должна быть равна единице.UЕ) б) в частично заполненной зоне (а) и Любой быть 3.5 - 1/2 +.t;,(E) = 1. Тогда вероятность заполнения энергетического уровня дыркой /"(Е)= Е F)- 1 (3.3) 1+exp-u- ( Уровень Ферми обычно расположен в запрещенной зоне энергетической диаграммы относительно далеко (в единипах энергии) от зоны проводимости и от валентной зоны по сравнению с энергией kT (при комнатной температуре IE- Fi » kT;:::: 0,025 эВ), т.е. (3.4) kT. Поэтому, пренебрегая единицей в знаменателе (3.2), вероятность распределения электронов по энергетическим уровням зоны проводимости определим с помощью стати­ стики Максвелла - Больцмана J E-F 11 (E) zexp---. (3.5) kT Аналогично найдем вероятность распределения дырок по энергетическим уровням ва­ лентной зоны с учетом (3.3) и (3.4) (3.6) Таким образом, для большинства пользоваться статистикой Максвелла -- полупроводников (невырожденных) можно Больцмана и только в некоторых случаях для полупроводников (вырожденных) необходимо использовать статистику Ферми-Дирака. В вырожденнем полупроводнике уровень Ферми находится в разрешенной зоне, и концентрация подвижных носителей не зависит от температуры (как в металлах). Для определения концентрации электронов в невырожденном полупроводнике надо проинтегрировать по энергии произведение энергетических состояний в зоне проводимости уровней электронами (3.5). функции [N(E)] распределения плотности и вероятности заполнения этих Интегрирование нужно проводить от энергии дна до энергии потолка зоны проводимости. Если же учесть ничтожно малую вероятность заполнения уровней электронами у потолка зоны проводимости, интегрирования считать равным бесконечности, т. е. = f по= N(E)/11 (E)dE. Ее то можно верхний предел
121 j;,(E) 1,О ,----,....",..-.......,:;:~--,.--.------.-----, 0,5 о -0,6 -0,4 3.6 - Вероятность Рисунок -0,2 0,2 о 0,4 (Е- F), эВ заnолнения электронами энергетических уровней nри различных темnературах по статистике Ферми-Дирака В реЗультате интегрирования получим n0 где Nс - Е -F = Ncexp--c--, (3.7) kT - энергия дна зоны любом невырожденном эффективная плотность состояний в зоне проводим ости; Ее проводимости. Аналогично, равновесная концентрация дырок в полупроводнике при термодинамическом равновесии Ро -F Е = N v ехр---Тт-, (3.8) где Nv - эффективная плотность энергетических состояний в валентной зоне, энергия которых приведена к потолку валентной зоны; Ev -энергия потолка валентной зоны. Таким образом, равновесная концентрация носителей заряда определяется эффективной плотностью уровней в соответствующей зоне, температурой и положением уровня Ферми относительно дна зоны проводимости или потолка валентной зоны. 3.5. Собственный и примесный полупроводники Собственный полупроводник - это полупроводник без донорных и акцепторных примесей или с концентрацией примеси настолько малой, что она не оказывает существенного влияния на удельную проводимость полупроводника. В собственном полупроводнике при температуре абсолютного нуля отсутствуют подвижные носители заряда, так как валентная зона полностью занята электронами (там нет дырок), а в зоне проводимости нет электронов. При температурах выше абсолютного нуля некоторые электроны валентной зоны могут быть переррошены в зону проводимости возможна тепловая генерация пар носителей заряда, в зоне проводимости появляются свободные электроны, а в валентной зоне - дырки. Процесс тепловой генерации возможен даже при очень низких температурах из-за значительных флуктуаций (отклонений) энергий тепловых колебаний атомов от средней энергии тепловых колебаний атомов относительно узлов кристаллической решетки. Как отмечалось, существует и уравновешены. их кроме тепловой генерации носителей рекомбинация, При этом в и эти процессы собственном концентрация электронов, которая может (3.7): п,. = N с . ехр ( при заряда в любой полупроводнике полупроводнике температуре существует взаимно собственная быть выражена соотношением, аналогичным Е ckT-F; J. (3.9)
122 Формула для собственной концентрации дырок аналогична Р; == Nc ·ехр Эффективные плотности ( уровней Е -F) в зоне (3.8): (3.10) vkT ; )' проводимости и в валентной зоне определяются соотношениями (3.11) где m 11 и mp -эффективные массы электронов и дырок; /z -постоянная Планка. Так как в собственном полупроводнике носители заряда образуются в результате ионизации собственных атомов полупроводника, т.е. благодаря перебрасу электронов из валентной зоны в зону проводимости, то одновременно возникает два носителя заряда противоположных знаков. Поэтому (3.12) Определим положение уровня Ферми для собственного полупроводника. Учитывая соотношения (3.9)- (3.12), получим ~ (т ) 2 ехр- " Е -F. ~ Е -F. с 1 = (т ) 2 ехр v ' kT Р kT откуда F.1 =Ее +Ev +lkT·In(mP J· 2 4 (3.13) mn При небольшом различии эффективных масс электронов и дырок F. 1 = Ее+2 Ev =Е.,, (3.14) т.е. в собственном полупроводнике приближенно можно считать, что уровень Ферми расположен посередине запрещенной зоны. Аналогичный результат следует из энергетического определения уровня Ферми. Для собственного полупроводника средняя энергия подвижного электронного газа, соответствующая уровню Ферми, совпадает с серединой запрещенной зоны F. = n; . Ее + Р; . Ev = Ее + Ev =Е. 1 n; + Р; 2 1. Приняв в данном случае для простоты начало отсчета энергии от потолка валентной зоны, т.е. Ev = О, собственные концентрации носителей можно выразить через ширину запрещенной зоны jE;j =(Ее+ Ev )/2 = !}.Е11 /2 n; =Nc·ex{-::/} (3.15) 2kT . { -Мк) (3.16) Р; =Nv ·ех
123 (3.15) Из соотношений (3.16) и можно определить собственные концентрации носителей в разных полупроводниках. При комнатной температуре (Т = 10 13 3 3 ni == 1.4· 10 см- , в германии ni == 2,5-10 Большинство полупроводниковых полупроводншшв, определяются см- . т. е. приборов полупроводников, донорными или изготовляют электрические акцепторными примесями. на 300 К) в кремнии основе примесных характеристики Таким образом, которых в рабочем диапазоне температур полупроводникового прибора поставщиками основного количества носителей заряда в практике важное полупроводниковом значение имеют материале должны такие быть полупроводниковые примеси. материалы, Поэтому у в которых ощутимая собственная концентрация носителей заряда появляется при возможно более высокой температуре, т. е. полупроводники с достаточно большой шириной запрещенной зоны. в· элементарных полупроводниках, состоящих в основном из атомов одного химического элемента, примесями являются чужеродные атомы. В полупроводниковых соединениях и твердых растворах, состоящих из атомов двух или большего числа хими­ ческих элементов, примесями могут быть не только включения атомов посторонних химических элементов, но и избыточные по отношению к стехиометрическому составу атомы химических элементов, входящих в химическую формулу сложного полупроводника. Такую же роль, как примеси, могут играть различные дефекты кристаллической решетки: пустые узлы, линейные дислокации или дислокации сдвига, вознюсающие при пластической деформации кристалла и т. д. Рассмотрим уровни в роль приыесей, атомы которых создают пределах запрещенной зоны полупроводника. дискретные энергетические При небольшой коннентрации при:vtесей их атомы располо;Jсены в полупроводнике на таких больших расстояниях друг от друга, что не взаимодействуют между собой. Поэтому нет расщепления примесных уровней. Вероятность непосредственногоперехода электронов от одного примесиого атома к другому ничтожно мала, т.е. с точки зрения зонной теории ничтожно мала вероятность перехода электрона с одного дискретного примесиого уровня на другой. При большой концентрации примесей в результате взаимодействия примесных атомов между собой примесные уровни одного типа расщепляются в энергетическую при.несную зо11у. Электроны, находящиеся в примесной зоне, так же, как в зоне проводимости и в валентной зоне, при неполном их заполнении могут переходить с уровня на уровень, приобретая необходимую для этого энергию за счет ускорения во внешнем электрическом поле на длине свободного пробега. Легирующие примеси могут быть донорнаго и акцептарного типа. Донор - это примесный атом или дефект кристалличесJ<аЙ решетки, создающий в запрещенной зоне энергетический уровень, занятый в невозбужденном состоянии электроном и способный в возбужденном состоянии отдать электрон в зону проводимости. Aюrenmop - это примесный атом или дефект кристаллической решетки, создающий в запрещенной зоне энергетический уровень, свободный от электрона в невозбужденном состоянии и способный захватить электрон из валентной зоны в возбужденном состоянии. Доноры и акцепторы в полупроводнике могут быть ионизированы под действием энергии, поступающей в кристалл в виде квантов света, теплоты и т.д. Донорный центр может быть заряжен положительно (ион примеси) либо нейтральным (при низких температурах легирующей примеси). Акцептор -либо отрицательный (захват электрона валентной зоны, поставка дырки), либо нейтральным. Под энергией uom;зaцuu донора понимают минимальную энергию, которую необходимо ёообщить электрону, находящемуел на донорнам уровне, чтобы перевести его в зону проводимости.
124 - Энергия ионизации акцептора это минимальная энергия, которую необходимо сообщить электрону валентной зоны, чтобы перевести его на акцепторный уровень. Энергия собственных ионизации атомов примесных атомов полупроводника или значительно ширины меньше энергии запрещенной. зоны. ионизации Поэтому в примесных полупроводниках при низких температурах преобладают носители заряда, возникшие из-за обусловлена ионизации электронами примесей. его Если называют электропроводность полупроводником - проводность полупроводника обусловлена дырками полупроводника п-типа. Если электро­ полупроводником р-типа. В полупроводнике п-типа или электронном полупроводнике основными носителями являются электроны, а дырки - неосновными n" В полупроводнике р-типа являются дырки, а электроны - >>р". или дырочном полупроводнике основными носителями неосновными. Рр >>пр. Обычно в полупроводниках Полупроводник, у которого присутствуют концентрация как доноров доноры, равна и акцепторы. концентрации так акцепторов, называют скомпенсированным. При этом концентрация подвижных носителей близка к собственной n ;::; р ;::; n; . Соотношения для концентрации электронов приняв Ev= О и учтя соотношения (3.15) n 0 = n; и (3.16): (3.7) ·ехр(- Е~; и дырок (3.8) можно преобразовать, F} (3.17) Ро = Р; ·ех{ E;k;F} (3.18) Отсюда следует, что (3.19) т. е. в невырожденн~м полупроводнике произведение концентраций свободных электронов и дырок при термодинамическом равновесии есть постоянная величина равная квадрату собственной концентрации при данной температуре. Соотношение (3.19) справедливо для невырожденного полупроводника, т. е. для полупроводника, у которого уровень Ферми расположен в запрещенной зоне достаточно далеко (на 2-3k1) от дна зоны проводимости или от потолка валентной зоны, так как только при этих условиях можно пользоваться функцией распределения Максвелла Уменьшение концентрации неосновных носителей заряда - Больцмана. в примесных полупроводниках по сравнению с собственным обусловлено увеличением вероятности рекомбинации при увеличении концентрации основных носителей заряда, Для атомарных полупроводников группы: Р, As, Sb, Ge, Si в качестве доноров выступают элементы кремния обобщает четыре валентных электрона, а пятый остается слабосвязанным с примесным атомом и может перемещаться по кристаллу. Так как примеси растворяющиеся V которые имеют пять валентных электронов. Ковалентная связь в решетке по типу замещения, отдают электроны кремнию, они V группы, называются донорами. Аналогичным образом примесный атом с тремя валентными электронами, например, бор, может заместить атом кремния, в кристаллической решетке. Три электрона заполнят три из четырёх ковалентных связей кремния, а одна связь останется вакантной. Если еще
125 один электрон перейдет с соседней связи и заполнит эту вакантную связь, то вакантная связь передвинется и перенесет с собой положительный заряд, внеся вклад в дырочную проводимость. Так как примесь III группы забирает валентные электроны, (поставляет дырки в ваnентную зону), то её называют акцептором. IV В арсениде галлия элементы акцепторами. Соотношение соответствии с (3.19) терминологией VI и 11 группы являются донорами, а обычно называют химической законо.м термодинамики, группы действующих (константа масс в химического равновесия выводится из закона действующих масс). 3.6. После Время жизни неравновесных носителей заряда прекращения энергетического воздействия на полупроводник избыточная концентрация носителей заряда в нем из-за процесса рекомбинации через некоторое время уменьшится до нуля. Количество носителей заряда, рекомбинирующих в единицу времени в единице объема (быстрота изменения концентрации), пропорционально концентрации и обратно пропорционально пекоторому параметру временем жизни [16]: r, избыточной который называют dn _ -d(An) _ An. dtdt -~· dp _ -d(Ap) _Ар. dt -т;· (3.20) dt- Таким образом, вре,ненем жизни неравновесных носителей заряда является отношение избыточной концентрации (An или Ар) неравновесных носителей заряда к скорости изменения этой концентрации вследствие рекомбинации: Т=~· ld~~)l' 11 - IAPI (3.21) " ld~:)l' т---- Рассмотрим наиболее простой частный случай - постоянство концентрации основных носителей заряда. Этот случай реализуется, например, в полупроводнике с явно выраженной примесной электропроводностью при введении в него неосновных носителей заряда в небольшом количестве. Тогда появление неравновесных неосновных носителей заряда не вызывает существенного изменения концентрации основных (Ап = Ар), с которыми происходит рекомбинация. Время жизни при этом оказывается постоянным, а количество носителей заряда, пропорционально рекомбинировавших первой степени в единицу избыточной времени концентрации. в Этот единице случай объема, называют линейной рекомбинацией. Решим уравнение (3.20) при следующих условиях: Пусть в. момент времени An(O) t = (или Ар{О)), которая после О в полупроводнике создана избыточная концентрация окончания действия источника избыточных носителей заряда должна стремиться к нулю при t ~ оо. Решение уравнений (3.20) при этих условиях имеет вид: An (t) = An(O) ехр( -t 1т" )иАр(t) = Ар(О) ехр( -t /т Р),
126 т. е. при линейной рекомбинации избыточная концентрация носителей за время жизни уменьшается в е раз. В общем случае время жизни неравновесных носителей заряда определяется Ge и Si доминирует рекомбинация черёз ловушки (центры которых выступают атомы Au, Pt, Cu и другие дефекты механизмом рекомбинации. В рекомбинации), в роли кристаллической решетки. Для одноуроннего рекомбинационного центра Е1 в запрещенной зоне (модель Шокли-Холла-Рида) темп рекомбинации-генерации носителей заряда определяется выражением: (3.22) где т" 0 =(N 1 an V1 )- 1 -время жизни в полупроводникер-типа; тро = (N 1 аР V1 ) - 1 - время жизни в полупровоДнике п-типа; Из (3.22) концентрация ловушек; сечение захвата электрона (дырки) на ловушку; тепловая скорость носителей заряда; концентрация дырок и элктронов, когда F = Е1 • следует для малых уровней возбуждения др<< по (п-полупроводника): и= (р- Р"о) = др. Т рО Для сильнолегированных (3.23) Тро полупроводников (эмиттер транзистора) время жизни определяется рекомбинацией Оже: и=(рп-п 1 2 (3.24) )(C1,n+CPp), где С", Ср -коэффициенты ударной рекомбинации. · Для кремния Сп= 1,6' 10-31 см 6/с, Ср = 2,8·10-31 см 6/с. Для n+ -полупроводника n = Nd >> р, поэтому из и= с" (3.24) следует др .N,21 • др=-, Тл 1 2)-1 • т л= ,с" ·N,1 При высоких уровнях возбуждения Тл 3.7. (3.25) n = р >> N,1 , =[(C"+Ct>)·n2fl. (3.26) Токи в полупроводниках Процесс переноса зарядов может наблюдаться в полупроводниках при наличии электронов в зоне проводимости и при неполном заполнении электронами валентной зоны. При выполнении этих условий и в отсутствие градиента температуры перенос носителей зарядов может происходить либо под действием электрического поля, либо под действием градиента концентрации носителей заряда.
127 Дрейф носителей заряда Направленное движение носителей заряда под действием электрического поля называют дрейфом. Электроны, получая ускорение в электрическом поле, приобретают на длине свободного пробега дополнительную энергию около 10-8-10-4 эВ. При этом электроны переходят на более высокие энергетические уровни (разница в энергиях между соседними энергетическими уровнями в разрешенной зоне около 10-22 эВ). При очередном соударении электрона с атомом кристаллической решетки электрон отдает кристаллической решетке накопленную на длине свободного пробега энергию, возвращаясь на один из низко лежащих энергетических уровней в разрешенной зоне. Так можно представить процесс электропроводности в результате движения электронов в зоне проводимости и в валентной зоне. Qднако, учитывая почти полное заполнение электронами энергетических уровней валентной зоны, удобнее рассматривать в валентной зоне движение дырок: дырки, двигаясь по направлению вектора электрического поля и приобретая в этом поле дополнительную энергию, переходят по энергетической диаграмме на более низкие энергетические уровни. В результате дрейфа электронов в полупроводнике появляется электронная составляющая плотности дрейфового тока. На основании законов Ома: } 11 где а11 - = С1 11 С = qпJ111 C , (3.27) удельная проводимость полупроводника (любого материала) при одном виде имеющихся в нем носителей заряда - электронов; J.l 11 - поi)вижность электроно.в, т. е. величина, численно равная средней скорости их направленного движения в электрическом поле с напряженностью, равной единице. Аналогично, дырочная составляющая плотности дрейфового тока (3.28) Знаки в правых частях соотношений (3.27) и (3.28) одинаковые, так как заряды электронов и дырок различны по знаку и движутся в электрическом поле в разные стороны. Полная плотность дрейфового тока при наличии свободных электронов и дырок равна сумме электронной и дырочной составляющих: j = },. + J" =qaE =q(nJ1,. + Pllp)E, (3.29) где а- удельная проводимость полупроводника (любого материала) с учетом свободных электронов и дырок. Диффузия носителей заряда Поведение свободных электронов и дырок в полупроводнике напоминает поведение молекул газа. результате Эту аналогию неравномерного можно распространить и распределения концентрации на явления, носителей происходящие заряда в в объеме полупроводника в отсутствие градиента температуры. В этом случае происходит диффузия - движение носителей заряда из-за градиента концентрации, выравнивание концентрации носителей по полупроводнику. Из молекулярной физики известно, что поток частиц при диффузии (число частиц, перссекающих в единицу времени единичную площадку, перпендикулярную направлению градиента концентрации) пропорционален градиенту концентрации этих частиц: Ф,. где D,. - =-D" grad n , (3.30) коэффициент диффузии, равный абсолютному значению отношения плотности потока частиц к градиенту их концентрации. Вектор градиента концентрации направлен в сторону возрастания аргумента, а частицы диффундируют туда, где их меньше, т. е. против градиента концентрации. Поэтому знаки перед правой и левой частями соотношения (3.30) различны.
128 Остановимся на процессе диффузии электронов и дырок в полупроводниках, т. е. на диффузии заряженных частиц (или квазичастиц). Так как всякое направленное движение одноименно заряженных частиц есть электрический ток, то плотность электронной составляющей диффузионного тока может быть получена путем умножения правой части (3.30) на элементарный заряд электрона. Электроны диффундируют против вектора гра­ диента концентрации и имеют отрицательный заряд. Поэтому направление вектора плотности диффузионного тока электронов должно совпадать с направлением вектора градиента концентрации электронов, т.е. fп.диф = qD11 (3.31) gradn. Аналогично, плотность дырочной составляющей диффузионного тока iр.диф = -qDI' (3.32) gradp. Заряд дырок положителен, поэтому направление вектора плотности диффузионного тока дырок должно совпадать с направлением их диффузии, т. е. должно быть противоположным направлению вектора градиента концентрации дырок. Следовательно, в правой части соотношения (3.32) должен сохраниться знак минус. Следует отметить, что избыточная концентрация неосновных носителей заряда за время релаксации Максвелла нейтрализуются основными. Поэтому в начальный момент диффундируют квазинейтральные пары электрон и дырка и устанавливаются одинаковые ,распределения носителей заряда !!.р(х) = электронного полупроводника !!.р << n11 ) !!.n(x). На малых уровнях возбуждения (для сохраняется электронейтральность. Одновременно с процессом диффузии неравновесных носителей происходит процесс их рекомбинации, что приводит к уменьшению концентрации в направлении от места источника этой избыточной одномерной диффузии концентрации носителей. Расстояние, на котором в полупроводнике без электрического поля в нем при избыточная концентрация носителей заряда уменьшается вследствие рекомбинации в е раз, называют диффузионной длиной (L). Иначе говоря, это расстояние, на которое носитель диффундирует за время жизни. Таким образом, диффузионная длина связана со временем жизни носителей соотношениями: (3.33) где D11 и Dp - коэффициенты диффузии электронов и дырок. В свою очередь, коэффициенты диффузии связаны с подвижностью носителей заряда соотношениями Эйнштейна: D"-_kT. -, q /111 DP kT Jlp q (3.34) -=- Не следует путать диффузионную длину с длиной свободного пробега носителей заряда, которая определяется как среднее расстояние, проходимое носителем между двумя последовательными актами рассеяния. Как следует из (3.27) и (3.31 ), (3.34), перенос носителей с помощью дрейфа и диффузии определяется подвижностью. При малых электрических полях дрейфовая скорость носителей напряженности электрического поля Е : Vd пропорциональна vtl = 11Е. Коэффициент пропорциональности есть подвижность f! [см 2 ·В- 1 ·с- 1 ]. В неполярных полупроводниках таких, как Ge и Si, основными механизмами, определяющими подвижность носителей, являются рассеяние на акустичесуих фононах и рассеяние на ионизированных примесных атомах. Значения подвижности, определяемой рассеянием на акустических фононах, уменьшаются с ростом температуры и при увеличении эффективной массы носителя заряда
12S' Подвижность, обусловленная рассеянием на ионизированных примесях, также уменьшается с ростом эффективной массы, но увеличивается с ростом температуры f.lт _ (m*)-I/2.Nтi·TЗ/2. Результирующая подвижность может быть представлена в виде: J.l=(-1 +-1)-l J.lт 10 "" f.JJ .. и, 10 3 1-- Ge~ 2 'f -··-· - i-· fLn Si 3 'fLp f-z ·- 11 г--.. ---· ;-..... paAs 1-- j Кон~ентраци~ Рисунок 3.7- Дрейфовая подвижность в npuA~ecu, Ge, Si и см-J GaAs при Т= 300 К в зависимости от концентрации легирующей примеси В полярных полупроводниках, таких, как GaAs, определяющую роль играет рассеяние на оптических фононах. В этом случае J.!.т _ (т*)-3/2 т-3/2. Кроме названных выше механизмов, влияющих на подвижность носителей, следует отметить междолинное рассеяние, когда электрон при рассеянии переходит из одного энергетического минимума в другой, испуская или поглощая при этом соответствующий коротковолновый фонон (рисунок GaAs На рисунке при 3.7 3.13). приведены экспериментальные зависимости подвижности в комнатной температуре от концентрации примеси. Видно, что с Ge, Si и ростом концентрации примеси (при комнатной температуре бульшая часть примесных атомов ионизирована) подвижность уменьшается. Поскольку при увеличении эффективной массы т* подвижность уменьшается, в этих важнейших полупроводниковых материалах при той же концеJiтрации примеси электронная подвижность больше дырочной.
130 Si (MQЛЬJf' ЛОЛ.!f) - --/~п - --/4р /0 L-~1~'_.'~1 u'~--~~~~~~~~~~ 1 !О /03 2 Teмпepamg,od, К Рисунок На рисунке 3,8- 3.8 Температурная зависимость подвижности электронов и дырок в Si приведены температурные зависимости подвижности в кремниевых образцах п- и р-типа с различной концентрацией примеси. При малых концентрациях примесных атомов подвижность действительно уменьшается с ростом температуры. Однако показатель степени экспериментальной зависимости отличается от теоретического значения _ ~ , что, вероятно, обусловлено влиянием дополнительных механизмов рассеяния. 2 В чистых материалах в области комнатных температур подвижность изменяется по закону 1 1' 66 и 1 2 ·33 для 11- и р-германия;' 1 p-GaAs соответственно. Для пояснения физического 2 42 • и 1 смысла 2 20 • диффузионных токов 10 ' 2 1 • для n- и рассмотрим случай для п- и р-кремния; 1 инжекции неосновных носителей заряда в полупроводник п-типа (рисунок d и 1 3.9). х х Рисунок 3.9- Схематическое отображение диффузии дырок (а); распределение неравновеемых носителей заряда (б); распределение дырочного диффузионного }1,0 и дрейфового электронного }"Е· токов (в)
131 При инжекции положительный заряд дырок в п-полупроводник возникает нескомпенсированный q!1p, который за счет кулонавекого взаимодействия нейтрализуется электронами из источника практически мгновенно за время релаксации Максвелла. r111 = l::E:o{J = 10- 12 с; для р = 1 Ом·см, кремний. Распределение избыточных элЕ:ктронов !1п(х) квазистационарно и соотвтствует динамическому (движущемуся) зарядудифундирующих дырок !1п(х)= !1р(х) = !1р(О) exp(-x/Lp). Под действием градиента концентрации дырки перемещаются из плоскости инжекции (х =О) к омическому контакту (х - носители =d). Одновременно происходит рекомбинация (основные электроны проводимости «падают» на дырки в валентной зоне) тем самым замыкая цепь тока: омический контакт- инжектор. Таким образом, необходимым условием существования диффузионного тока при избыточной концентрации неравновесных 3.9, электронно-дырочных пар (рисунок зарядаСнеравновесная концентрация носителей заряда является рекомбинация б). В случае экстракции неосновных носителей меньше равновесной) необходимым условием протекания диффузионного тока является генерация электронно-дырочных пар. В плоскости А диффузионный тоr< дырок равен полевому току электронов. Результирующий ток в силу непрерывности равен jт_ = jpD (А)+ jnE (А)= j pD (0) = j"E (d) · Ток, ограниченный пространствеиным зарядом (ТОПЗ) В высокоомных полупроводниках - полуизоляторах возможна монополярная инжекция аналогично эмиссии электронов в вакуум. В этом случае в объеме возникает нескомпенсированная знака, т.е. повышенная концентрация создается объемный заряд. подвижных носителей заряда одного В таких материалах практически все внешнее напряжение падает на базовой области (не на инжекционном барьере), проводимость которой полностью определяется введенными из контакта неравновесными носителями. Однако, в отличие от вакуума взаимодействуя с решеткой, - в твердом теле носители движутся, постоянно длина свободного пробега много меньше расстояния между контактами. Поскольку объемный одного контакта заряд создается подвижными структуры, с ростом тока эмиссия носителями, носителей выходящими из ограничивается этим объемным зарядом. Поэтому этот ток называют током, ограниченным пространствеиным зарядом. Оценим потенциальную зависимость ТОПЗ для простого случая инжекции носителей одного знака, например, электронов, при отсутствии ловушек и собственных носителей заряда в базе. Перенос инжектированных носителей осуществляется электрическим полем. j = q f.lп n(x) С:(х). Напряженность электрического поля определяется уравнением Пуассона. Для данного случая dE qn(x) -=-dx е0 е Подставив условии х = О, С: qn = и:r первого уравнения во второе и проинтегрировав его при граничном О, получим: Е(х)= - 2.1[ ее 0 р," )~ х2. 1
132 Полное падение напряжения на толще полупроводника 1 2 и= JE(x)dx=(~) w%. о 9еео~п Тогда зависимость плотности тока ТОПЗ от напряжения будет иметь вид: . 1 =9ее 0 Такой вид вольтамперной твердотельных структур, u2 8W характеристики характерен проводимость которых определяется носителей, вводимых из контакта, в том числе инжекции. (3.35) ·~ 11 -3• и для p-n для любых диодных дрейфом неравновесных переходов на больших уровнях ТОПЗ протекает также в короткоканальных полевых транзисторах, МДП­ транзисторах и транзисторах со статической индукцией. Уравнения токов В случае постоянного и перемениого смещения при наличии электрического поля и градиента концентрации носителей заряда в полупроводнике будут существовать дрейфовые и диффузионные токи. Поэтому плотность электронного тока с учетом (3.31) (3.28) и и (3.36) jn = j11 .др + j11 .диф = qn~nE + qD11 gradn. Плотность дырочного тока с учетом (3.27) (3.32) (3.37) jP = jр.др + jр.диф = qn~PE -qDP gradp. Для расчета плотности полного тока следует сложить его электронную и дырочную составляющие и добавить к ним плотность тока смещения, равную производной по времени от вектора электрической индукции: . . . d ( с) J = J" + lp + dt ееос- . 3.8. (3.38) Эффекты сильных электрических полей В сильных электрических полях в полупроводнике могут происходить физические процессы, приводящие к изменению удельной проводимости полупроводника; вольт­ амперная характеристика полупроводника перестает подчиняться закону Ома; может из­ меняться как концентрация носителей заряда, так и их подвижность. Рассмотрим вначале физические процессы, влияющие на концентрацию носителей заряда [16). Ударная ионизация Свободный электрон (или дырка), разгоняясь под действием большой напряженности электрического поля, может приобрести на длине свободного пробега дополнительную энергию, достаточную для ионизации собственного атома полупроводника. Процесс ионизации атомов разогнавшимел в поле носителем заряда называют ударной ионизацией. Ионизацию могут вызывать и дырки, так как движение дырок является лишь способом описания движения совокупности электронов валентной зоны полупроводника. Количественно процесс ударной ионизации характеризуется коэффициентами ударной ионизации, которые численно равны количеству пар носителей заряда, образуемых первичным носителем на единице пути. По аналогии с теорией электрического разряда в
133 газах, коэффициенты ударной ионизации в полупроводниках обозначают а 11 и ар. Коэффициенты ударной ионизации очень сильно зависят от напряженности электрического поля. Для практических расчетов часто пользуются эмпирической аппроксимацией а=А 181 где (от т 5 до 8). довольно большой 111 (3.39) , показатель степени, различный для разных материалов Туннелированне Сильному электрическому полю в полупроводнике соответствует большой наклон 3.10). энергетических зон (рисунок При этом электроны могут проходить сквозь узкий потенциальный барьер (толщиной ~) без изменения своей энергии - туннелировать благоДаря своим квантово-механическим свойствам. Так как процесс туннелирования происходит вследствие перехода электронов валентной зоны в зону проводимости, то этот процесс можно считать аналогичным автоэлектронной эмиссии или холодной эмиссии --- электронов из металла. ~- ~;:~,, е "\/~~> Рисунок 3.1 О- Туннелировани е электронов из валентной зоны в зону nроводимости nри сильном электрическом nоле в nолупроводнике Вероятность перехода электронов из валентной зоны в зону проводимости и, наобо­ рот, из зоны проводимости в валентную зону одна и та же. Но переход электронов из ва­ лентной зоны преобладает, поскольку их там значительно больше, чем в зоне проводимо­ сти. Поэтому концентрация носителей заряда растет при туннелировании. Туннельный эффект в полупроводниках проявляется при очень больших напряженностях электрического поля: в кремнии- при Е= 2·106 В/см, в германии- при Е 4·1 05 В/см . Напряженности электрического поля, при которых появляется эффект = туннелирования различны для разных материалов, так как толщина потенциального барье­ ра (М зависит от ширины запрещенной зоны полупроводника при неизменной напряженности электрического поля, т. е. при неизменном наклоне энергетических зон. Теперь рассмотрим влияние сильного электрического поля на подвижность носителей заряда. Рассеяние носителей заряда в сильных полях В слабых электрических полях носители заряда на длине свободного пробега приобретают относительно малую энергию. Поэтому их распределение по энергетическим уровням соответствует распределению при данной температуре кристаллической решетки. Дрейфовые скорости движения носителей заряда в этом случае значительно меньше так называемых тепловых скоростей, т. е. скоростей тепловых хаотических движений. При этом величина подвижности определяется механизмами рассеяния на акустических фононах или на колебаниях решетки (фононное) и ионах примеси (кулоновское). При больших концентрациях носителей заряда возможно рассеяние носителей друг на друге ( кулонавекое ).
134 В сильных электрических полях скорость дрейфа носителей заряда соизмерима с тепловой скоростью; носители заряда на длине свободного пробега приобретают в электрическом поле энергии, соответствующие кинетическим энергиям теплового хаотического движения. При этом распределение носителей заряда по энергетическим уровням соответствует большим температурам, чем температура кристаллической решетки, которая оста­ ется практически неизменной. Это явление называют иногда разогрево.м носителей носителей. явление На разогрева подвижность может влиять по­ разному. 1. о 8 Рисунок 3.11 При относительно больших температурах, при которых подвижность носителей заряда определяется Б/см в -Зависимость основном процессом рассеяния на тепловых колебаниях атомов кристаллической решетки полу­ дрейфовой скорости и проводника, разогрев носителей заряда электрическим подвижности носителей заряда от напряженности полем приводит к увеличению числа столкновений электрического поля носителей с оптическими фононами и к насыщению дрейфовой скорости или к уменьшению подвижности при увеличении напряженности электрического поля (рисунок 3.11 ). Именно это явление надо учитывать в полупроводниковых приборах, если электрические поля 4 .значение 103-10 В/см. 2. заряда превышают При относительно малых температурах, при которых подвижность носителей определяется в основном процессом рассеяния на ионизированных примесях, разогрев носителей электрическим полем приводит к уменьшению времени нахождения носителя в поле ионизированной примеси, т. е. к уменьшению рассеяния носителя и, следовательно, к увеличению подвижности. Таким образом, увеличение подвижности с увеличением напряженности электрического поля в полупроводниковых приборах может происходить только при очень низких температурах. Междолинный переход носителей заряда Рассмотрим вначале зависимость энергии свободного электрона, находящегося в вакууме, от его импульса Р (рисунок 3.12). Энергия такого электрона Е-т 0 v 2 _т 0 --2-- 2 2 v _ 2т 0 - р 2 2m ' 0 v- вектор скорости свободного электрона; то - его масса. Зави_симость, представленная 3.12, является энергетической диаграммой свободных электронов в вакууме, изображенной в пространстве импульсов или в пространстве волновых векторов k(P =1ik). где на рисунке В полупроводниковом кристалле свободный электрон можно считать свободным только условно, так как на электрон в кристалле действует периодическое потенциальное поле кристаллической решетки. Чтобы описать сложные законы движения электрона в кристалле с помощью соотношений, совпадающих по форме с законами классической механики, можно учесть влияние внутренних сил на электрон, изменив соответствующим образом значение его массы, т. е. введя понятие некоторой эффективной массы электрона (или дырки). Таким образом, эффективная масса- это коэффициент пропорциональности в законе, связывающем внешнюю силу, действующую на электрон в кристалле, с его ускорением. Зона проводимости перекрывающихся между полупроводника собой может разрешенных быть образована энергетических из нескольких зон. Структура
135 энергетических зон квазиимпульсов (в Например, на или k- энергетическая диаграмма полупроводника в пространстве 3.13). пространстве) может иметь несколько минимумов (рисунок энергетической диаграмме арсенида галлия зона пентральной долины с минимумом энергии при волновом векторе проводимости кроме О имеет еще боковые k= J:Олины с минимумом энергии, который отличается от предыдущего на t.E 1• Из этой энергетической диаграммы следует, что в зоне проводимости арсенида гаJrлия могут существовать электроны, обладающие одной и той же энергией, но имеющие различные квазиимпульсы, а следовательно, различные эффективные массы и подвижности Е- (fj )2 - (Р2 )2 . - 2rn це r- вре~я 1 - 2m 2 qт (3.40) J.l=-. ' rn свободного пробега. р Рисунок 3.12- Зависимость энергии 3.13 - Структура энергетических зон Рисунок свободного электрона в вакууме арсенида галлия в кристаллографическом от его импульса направлении [100) Если Р 1 < Р2 то rn * 1 < т* 2 , а это значит, что 11 1 > f.l2· Таким образом, в полупроводнике (AsGa) могут существовать свободные электроны с разными подвижностями: <<Лёгкие» электроны с малой эффективной массой и большой подвижностью в центральной долине и «тяжелые» электроны с большой эффективной массой и с малой подвижностью в боковых J:ОЛИНаХ. В слабых электрических полях почти все свободные электроны имеют малые J:рейфовые скорости и квазиимпульсы и поэтому находятся в центральной долине. В сильных электрических полях свободные электроны, приобретая дополнительную энергию, t.E 1, превышающую характеризуются подвижностью. получают большей возможность эффективной перейти массой в боковые (станут долины. Там «тяжелыми») и они малой По этой причине средняя подвижность всех свободных электронов с увеличением напряженности электрического поля уменьшается. Подвижности «лёгких «тяжелых » электронов 3.9. Свет, и Оптические и фотоэлектрические свойства полупроводников проникая в полупроводник, вступает с кристаллической взаимодействие, связанное с обменом энергий. Обозначим через количество » могут отличаться в десятки раз. световой энергии, проходящей в единицу решеткой 1 интенсивность времени через во света, т. е. нормальное к световому потоку единичное сечение полупроводника. Часть светового потока отражается от границы раздела. Доля отраженой энергии характеризуется коэффициентом отражения. R = /Rilo. Интенсивн·ость света, проходящего через полупроводник, ослаблятся вследствие процесса поглощения. Выделим на глубине х от поверхности полупроводника бесконечно тонкий слой dx. Количество световой энергии dl, поглощенное слоем интенсивности света, падающего на этот слой, и его толщине (рисунок dx, пропорционально 3.14):
136 (3.41) dl= -a.·Idx. Знак минус называется указывает на показателем убыль энергии; поглощения. Он коэффициент пропорциональности характеризует относительное а изменение интенсивности излучения на единице длины. (3.41 ), Интегрируя где / 1 =10 ( 1 - получим l(x) =/1 ехр(-а.·х), (3.42) -интенсивность света, входящего через поверхность образца. R) !, 1 о t/a Рисунок Формула (3.42) 3.14- Поrлощение света в полупроводнике известна в физике как закон Бугера- Ламберта. Из нее следует, что величина; обратная показателю логлощения а· 1 численно равна толщине слоя, на которой интенсивность проходящего света уменьшается в е раз. Таким образом, показатель логлощения имеет размерность обратную толщине, т.е. м- 1 • Рисунок 3.15 • Схема оnтических переходов при различных механизмах оnтического поrлощения: 1- собствешюе поrлощение; 2- экситонное поrлощение; 3, 4- примес11ое nоrлощение При нормальном падении световых лучей для слабо поглощающих сред коэффициент отражения может быть рассчитан по известной формуле R =(n- 1) 1 (п + li, [17] 2 где n - n = 3-4. показатель преломления полупроводника. Для большинства полупроводников Этим значениям соответствует коэффициент отражения Зависимость показателя логлощения а. от длины R =25 - 36%. волны или энергии фотонов называют спектром логлощения вещества. Поглощение излучения в полупроводниках может быть связано с изменением состояния как свободных, так и связанных электронов, а также с изменением полупроводниках колебательной различают энергии несколько атомов решетки. механизмов В связи оптического с этим в поглощения. Каждому из них соответствует определенная область спектра. Собственное поrлощение света обусловлено переходами электронов из валентной зоны в зону проводимости. полупроводника (рисунок энергия фотонов т. 3.15). превышает е. энергия квантов света идет на ионизацию атомов Собственное логлощение возможно в том случае, если ширину запрещенной зоны. В зависимости от ширины запрещенной зоны оно проявляется в видимой или ближней инфракрасной области спектра.
137 Из квантовой теории следует, что при оптических переходах электронов из одной энергетической зоны в другую существуют определенные правила отбора. Разрешенными оптическими переходами являются лишь те, для которых волновой вектор (квазиимпульс) электрона остается неизменным. Иными словами, электрон и оставляемая им дырка в момент образования должны иметь одинаковые квазиимпульсы. Такие переходы получили название прюных. Возможны переходы и не разрешенные правилами отбора. Однако вероятность их существенно меньше. При таких переходах закон сохранения импульса выполняется благодаря тому, что в каждом акте поглощения принимают участие не две, а три частицы : фотон, электрон и фонон, т. е. квант теплового поля. Последний как раз и компенсирует разность значений импульса электрона в начальном и конечном состояниях. Такие переходы с участием фонанов получили название непря.мых. В этом случае избыточный импульс- передается кристаллической решетке. Поскольку для осуществления непрямых переходов необходимо взаимодействие не двух, а трех «частиц» с согласующимися пара­ метрами, то их вероятность меньше, чем веррятность прямых переходов. Соответственно меньше и показатель поглощения. 3.16 На рисунке в качестве примера по казан спектр собственного поглощения германия при двух различных температурах. Как видно, при больших энергиях фотонов показатель ~ значении поглощения достигает порядка м - поглощается свет 106 в -l . в тонком весьма этих высоких условиях поверхностном весь слое полупроводника толщиной от одного до нескольких микрометров. По краю собственного определить ширину поглощения можно запрещенной зоны полупроводника (в эВ); !'!.Eg = h Vпор = ll с/ ),пор= 1.23 1 Anop (мкм), где Vпор и Anop пороговые по отношению к межзонным переходам волны с - электронов падающего значения частоты монохроматического и длины излучения; скорость света в вакууме. Для точного запрещенной зоны определения по необходимо учитывать поглощения. Этим ширины оптическим конкурирующие обусловлена довольно спектрам процессы Рисунок сложная 3.16- Спектр собственного поглощения в германии процедура вычислений. Ширина запрещенной зоны зависит от температуры. У большинства полупроводников ширина запрещенной зоны при нагревании уменьшается. Это объясняется тем, что с повышением температуры усиливаются тепловые колебания узлов решетки; соответственно, сильнее перекрываются электронные оболочки соседних атомов, что приводит более сильному уширению разрешенных энергетических зон. Исключение из отмеченной закономерности составляют халькогениды свинца, у которых с повышением температуры наблюдается увеличение ширины запрещенной зоны. В широком температурном диапазоне зависимость М(1) носит линейный характер: Mg =!'!.Ego- ЬТ. Коэффициент Ь для большинства полупроводников лежит в пределах (2-6)-1 0-4 эВ/К. На рисунке Выше 150 3. f7 показано температурное изменение ширины запрещенной зоны германия. К коэффициентом зависимость можно аппроксимировать прямой линией с угловым Ь = 3,9·1 0-4 эВ/К. Следствием температурного изменения ширины запрещенной зоны является смещение края собственного поглощения (см. рисунок 3.16).
138 Собственное поглащение является доминирующим механизмом, используемым в твердотельных фотоприемниках: фоторезисторах, фотодиодах, фототранзисторах, фототиристорах и других приборах на основе кристаллических материалов. Кроме этого вид поглощения обеспечивает работу фотоэнергетических элементов: солнечных и атомных батарей. Экситонное поглощение. полупроводниках образуются при особые В некоторых фотонов поглощении возбужденные состояния электронов валентной зоны, называемые экситонами. Экситон это собственными система из взаимосвязанных электро-статическими полями електрона и оставленной им дырки. Он напоминает атом водорода, в положительная возбужденного экситона о,бб Рисунок О tOL7 3.17- Температурная ядра входящего находящегося поле в дырки, играет уровни в состав центральном лежат несколько ниже края зоны проводимости (см. рисунок .J!!tJ Т,К 200 роль Энергетические электрона, и электростатическом 064~--~----~--~--~ J котором дырка. Таким зависимость ширины запрещенной зоны германия образом, меньше энергия ширины образования запрещенной зоны, 3.15). экситона поскольку последняя представляет собой минимальную энергию, требуемую для создания разделенной электронно-дырочной пары. В полупроводниках из-за относительно большой диэлектри ческой проницаемости кулонавекое притяжение мало, поэтому энергия связи в экситоне составляет всего лишь около 4 мэВ, а экситонные элементарных ячеек кристалла (радиус орбиты порядка 15 орбиты охватывают несколько­ нм). Экситон может блуждать по кристаллу, передаваясь от одного атома (приходящего в нормальное состояние) нейтральное к сочетание другому. электрона Так с как экситон дыркой, то представляет наложение собой слабого в целом внешнего электрического поля, неспособиого нарушить связь между ними не влияет и на хаотическое движение экситонов по кристаллической решетке и не создает, следовательно, электрического тока. Экситон при столкновениях с примесными центрами может либо «раЗорваться» и образовать два носителя заряда (электрон и дырку), либо рекомбинировать и перевести атом в невозбужденное состояние. Первое требует сообщения экситону тепловой энергии, необходимой для перевода электрона с экситонного уровня в зону про­ водимости; второе сопровождается либо излучением кванта энергии, либо чаще всего отдачей энергии экситона решетке полупроводника в виде теплоты. Поr лощение света носителями заряда. Этот механизм поглощения обусловлен переходами электронов и дырок с одного уровня на другой под влиянием квантов света внутри энергетических зон (соответственно, зоны проводимости и валентной зоны). Под действием электрического поля световой волны носители заряда совершают колебательное движение синхронно с полем. У скоряясь полем на длине свободного пробега, электроны при столкновении с узлами решетки отдают накопленную кинетическую энергию. В результате энергия световой волны превращается в тепловую энергию решетки. Такой вид поглощения существен тогда, когда время свободного пробега электронов намного меньше периода электромагнитных электромагнитной растет с волне увеличением колебаний. накопленную длины волны В противном случае энергию. Поэтому падающего света электрон возвращает интенсивность поглощения (теоретическое рассмотрение показывает, что а - Л?). При фиксированной Л показатель поглощения тем больше, чем выше концентрация носителей заряда в полупроводнике, т. сопротивление материала. е. чем меньше удельное
139 Примесное поглощеиие света обусловлено ионизацией или возбуждением примесных атомов в кристаллической решетке. При этом механизме энергия пьглощаемых квантов света расходуется либо на переход электронов с донорных уровней в зону проводимости, либо на переход электронов из валентной зоны на акцепторвые уровни (см. рисунок 3.15). Так как энергия ионизации примесей обычно намного меньше ширины запрещенной зоны, примесное поглощение смещено от края собственного поглощения в далекую инфракрасную область спектра и экспериментально может наблюдаться лишь при низких температурах, Взаимодействие вероятность отличается когда фотонов с поглощения большая часть примесными существенно атомов атомами падает, примеси не ионизирована. носит резонансный если энергия характер, т. фотонов е. значительно от энергии ионизации примеси. 1 п Рисунок 3.18- Зависимость показателя поrлощения от длины волны падающего rt1 l излучения: -собственное поrлощение; поrлощение; заряда; 4- 3- 2- экситонное поrлощение света носителями примесное поrлощение о Поглощение электромагнитного света решеткой поля с происходит движущимися в результате (колеблющимися) взаимодействия зарядами узлов кристаллической решетки. Решеточное поглощение связано с изменением колебательной энергии атомов. Оно проявляется в далекой инфракрасной области спектра и накладывается на примесное поглощение и поглощение носителями заряда. Полный спектр поглощения полупроводника схематично показан на рисунке Показатель поглощения собственного круто поглощения. падает с увеличением .А. Значение а в минимуме за длинноволновым поглощения 3.18. порогом определяется концентрацией носителей заряда, т.е. зависит от температуры и концентрации Примесей. Тип и концентрация примесей определяют величину и положение максимумов примесиого поглощения. Показатель примесиого поглощения, как правило, существенно ниже показателя собственного поглощения, так как концентрация примесных атомов намного меньше концентрации основных атомов решетки. Из всех рассмотренных механизмов оптического поглощения света лишь собственное и примесное поглощения сопровождаются генерацией добавочных носителей заряда. За счет оптической генерации неравновесных носителей заряда должны изменяться электрические свойства полупроводника при его освещении. Поэтому два выделенных механизма поглощения называют фотоактивными. Спектральная область между собственным и решеточным поглощениями у большинства полупроводников с малой концентрацией примесей структурных дефектов характеризуется высокой прозрачностью, что позволяет использовать их в качестве оптических окон и свето-фильтров. Фотопроводимость Изменение электрической проводимости (удельного сопротивления) вещества, под воздействием электромагнитного излучения называют фотопроводимостью (фото­ резистинным эффектом). При фотопроводимости первичным является процесс поглощения фотонов. Если нет поглощения, то нет и фотопроводимости. Однако обратное утверждение несправедливо, так
140 как не любое, а только фотоактивное логлощение света вызывает изменение удельного сопротивления. Фотопроводимость !1а равна разности проводимастей полупроводника на свету и в темноте: !1а где дп и !1р =ас - ат = q 11n !111 + q 11р flp , концентрации неравновесных носителей заряда, возникших вследствие - оптической генерации. Скорость оптической генерации носителей заряда go определяется интенсивностью падающего света и показателем поглощения: go = f/O а/, (3.43) где f/o- квантовый выход внутреннего фотоэффекта. Квантовым выходом внутреннего фотоэффекта называют количество пар носителей заряда, приходящееся на один логлощенный квант. В фотоэлектрически активной области электромагнитного спектра квантовый выход чаще всего равен единице, т. е. каждый фотон создает при возбуждении решетки одну пару носителей заряда. Экспериментально это подтверждается, например, для германия, в котором каждый фотон с длиной волны от 1,8 мкм образует одну пару элеi<трон - 1 до дырка. Релаксация фотопроводимоспL Изменение электрических свойств полупровод­ ников под влиянием электромагнитного излучения носит временный характер. После прекращения облучения проводимость более или менее быстро возвращается к тому знаttению, которое она имела полупроводников других 1 измеряется Знание ~g ____ -{~~r ;&бСr 1 облучения. длится одних и даже у часами. фотопроводимости полупроводниковых разработке, У микросекунды, минутами инерционности различных при до это например, веществ важно фоторезисторов, к которым предъявляются высокие требования в 1 отношении их быстродействия. Рассмотрим процессы, происходящие в полупроводнике при воздействии на него прямоугольного светового импульса (рисунок Рисунок 3.19- Релаксация фотопроводимости при возбуждении полупроводника прямоугольным импульсом света где r- неравновесных 3.19). Убыль или накопление носителей заряда определяется разностью скоростей генерации и рекомбинации носителей: d(l1n)l dt =go- дп/т, (3.44) время жизни неравновесных носителей заряда. Интегрируя (3.44) с использованием начального условия !1n = О при .t = О, найдем закон нарастания избыточной концентрации носителей заряда при включении освещения: где дnст =r go. 11n =дnст (1 - (3.45) exp(-t 1 r)), По такому же закону происходит и нарастание фотопроводимости: !10" = 11 аст (1 - exp(-t 1 r)). При отключении света изменение проводимости определяется только скоростью рекомбинации. Крутизна фронтов нарастания и спада фотопроводимости находится в тесной связи со временем жизни неравновесных носителей заряда.
141 Зависимость фотопроводимости от интенсивности облучения. При действии на полупроводник светового пучка неизменной интенсивности в нем по истечении некоторого времени устанавливается стационарное значение избыточной концентрации носителей заряда и фотопроводимости. Из имеем [17]: (3.43) и (3.45) f':..n = др = r да = lJ 11о а для области собственного поглощения '7о а I ; I (jt 11 + flp) r . Чем больше время жизни неравновесных носителей заряда, тем меньше скорость рекомбинации и больше фотопроводность. Отсюда следует, что фоточувстрительность и быстродействие полупроводниковых приемников излучения связаны между собой через -r: параметр чем больше фоточувствительность, тем ниже быстродействие и наоборот. При слабых световых потоках время жизни не зависящей от уровня возбуждения -r можно считать величиной постоянной, (случай линейной рекомбинации). Поэтому зависимость фотопроводимости от интенсивности облучения носит линейный характер. С увеличением интенсивности света часть ловушек захвата начнет превращаться в рекомбинационные центры, что должно привести к увеличению скорости рекомбинации и уменьшению r. При этом нарушается линейная зависимость между фотопроводимостью и интенсивностью света (рисунок 3.20). В узком диапазоне интенсивностей световая характеристика может быть аппроксимирована зависимостью вида f':..a=B - где В /х, постоянная, характеризующая полупроводник; х условию 1 > х > 0,5. - коэффициент, удовлетворяющий 1 Mr 1 1 ~--------~~--~----~-л Л пар l о Рисунок 3.20- Зависимость фото­ Рисунок 3.21- Спектральная зависимость фотопро водимости полупроводников: С- собственная, П- примесная проводимость проводимости полупроводника от интенсивности облучения Спектральная зависимость фотопроводимости оптического поглощения полупроводника (рисунок 3.21). соответствует спектрам Примесиому поглощению в длинноволновой части спектра отвечает примесная фотопроводимость (максимум П). По обе стороны от максимума П фотопроводимость может быть равна нулю. Отсутствие фотопроводимости в области больших длин волн отражает тот факт, что энергии фотонов недостаточно для ионизации примесных атомов. Спад примесной фотопроводимости, со стороны более коротких длин волн обусловлен резонансным характером оптического поглощения (кривая Положение 4 на рисунке границы собственного поглощения 3.18). собственной (Anop). фотопроводимости соответствует границе Однако с увеличением энергии фотонов спектральная кривая внутреннего фотоэффекта проходит через максимум и спадает в области малых Л,
142 несмотря на сильное поглощение света. Этот спад объясняется тем, что при больших энергиях фотонов поглощение происходит в тонком поверхностном слое, где образуется основное количество рекомбинации) возбужденные неравновесных существенно светом носителей больше, носители заряда чем в заряда. объеме Скорость поверхностной полупроводника. рекомбинируют у поверхности Позтому раньше, чем успевают проникнуть в объем полупроводника. С уменьшением Л, уменьшается глубина проникновения света и усиливается роль поверхностной рекомбинации. Чем больше скорость поверхностной рекомбинации, тем острее спектральный максимум собственней фотопроводимости. В механизме собственной фотопроводимости примесные атомы также могут играть существенную роль, поскольку от природы и концентрации примесей зависит время жизни неравновесных носителей заряда, которое определяет фоточувствительность и скорость фотоответа. Важен не только донорный или акцепторвый характер примесных атомов, но и принадлежиость их к центрам рекомбинации или ловушкам захвата. Введением специальных примесей, так называемых центров сенсибилизации, можно существенно усилить собственную фотопроводимость. Такие примеси должны легко захватывать неосновные носители заряда и гораздо труднее- основные. В результате резко возрастает время жизни основных носителей заряда, что способствует их накоплению при фотовозбуждении. Положение спектрального максимума собственной фотопроводимости определяется шириной запрещенной зоны полупроводника. резисторов используют халькогениды злементов (CdS) и (PbS) и (CdSe) сульфид селенид свинца твердые растворы чувствительности от II Для изготовления и групп. Среди них следует выделить IV собственных фото­ кадмия (чувствительны к видимому излучению), сульфид 1 до 15 мкм). РЬ 1 ., Sn, Те, Hg 1., Cd,Te (область спектральной Высокой чувствительностью вИК-области спектра обла­ дают также узкозонные полупроводники АшВ v - арсенид (lnAs) и антимонид (lnSb) индия. Люминесценция Люминесценцией называют электромагнитное нетеплевое излучение, обладающее длительностью, значительно превышающей период световых колебаний. Это определение отделяет люминесценцию от теплого равновесного излучения нагретых тел, от процессов рассеяния и отражения света, тормозного излучения, излучения Вавилова - Черенкова и т.п. Поскольку, люминесценция относится к разряду неравновесных явлений, то для ее наблюдения вещество необходимо вывести из состояния термодинамического равновесия, т. е. возбудить. При люминесценции акты возбуждения и излучения света разделены во времени (а иногда и в пространстве) промежуточными процессами, что обусловливает относительно длительное время существования свечения вещества после прекращения возбуждения. Вещества, способные люминесцировать, называются люминофорами. Кристал­ лические неорганические люминофоры иногда именуют кристаллоф<?сфорами. Среди них наиболее многочисленную группу образуют полупроводники с достаточно широкой запрещенной зоной. В зависимости от вида возбуждения люминофора различают фотолюминесценцию (возбуждение светом), катодалюминесценцию (возбуждение электронным электролюминесценцию (свечение под действием электрического поля) Фотолюминесценция установленному более 100 подчиняется закону Стокса-Ломмеля, [17}. лучом) и экспериментально лет назад. Согласно этому закону максимум спектра излучения всегда смещен по отюшению к максимуму спектра поглощения люминофора в сторону более длинных волн. Отсюда следует, что часть энергии при возбуждении фотолюминисценции необратимо рассеивается в веществе, превращаясь в теплоту (так называемые стоксовекие потери). Исследования последних лет доказывают, что при высокой плотности оптического возбуждения, достигаемой, например, с помощью лазера, в некоторых материалах могут наблюдаться существенные отступления от закона Стокеа -
143 .lоммеля. Такие люминофоры получили название антистоксовых. С их помощью можно преобразовать инфракрасное излучение лазеров в видимый свет. Люминесцентные свойства твердых тел во многом определяются концентрацией примесей и дефектов структуры. Примесные атомы, образующие локальные уровни в запрещенной зоне полупроводника и ответственные за свечение материала, называют активаторами ЛЮ/.tинесценции. Часто тип вводимого активатора определяет спектр излу­ чения люминофора. В общем случае рекомбинационный поглощения энергии t.:ристаллическая люминесценция характер. и При может носить внутрицентровой внутрицентравый люминесценции все или процессы испускания фотонов происходят внутри ионов-активаторов, а решетка играет пассивную роль (роль матрицы). В этом случае возбуждение люминофора не сопровождается ионизацией центра свечения, поскольку и основному, и возбужденному состоянию активного иона соответствуют локальные уровни, .1ежащие внутри запрещенной зоны. Такой механизм люминесценции характерен для :-.штериалов с широкой запрещенной зоной. В качестве примера можно указать ZnS(Mn),Aiдз(Cr), У зAls012(Nd) и др. В полупроводниках рекомбинацией отождествляют люминесценция неравновесных с носителей рекомбинационным в большинстве заряда излучением. и по случаев этой обусловлена причине Непосредственно ее процессу часто реком­ бинации могут предшествовать диффузия носителей заряда, ускорение их полем, захват на .1овушки, образование экситонов и др. Излучение квантов света из полупроводника может происходить в результате межзонной рекомбинации, т. е. при переходе электронов из зоны проводимости на свободное состояние валентной зоны, рекомбинации экситонов или при рекомбинации с участием рекомбинационных ловушек (см. рисунок 3.4). Далеко не любой из актов рекомбинации вносит вклад в люминесценцию, так как не каждый примесный атом или дефект структуры является центром излучательной рекомбинации. В большинстве случаев в полупроводниках преобладает безызлучательная рекомбинация, при которой освобождаемая энергия в виде теплоты передается кристалли­ ческой решетке. Для достижения ~fеханизмами высокой эффективности рекомбинации, технологическую задачу. что представляет Генерация люминесценции необходимо управлять собой видимого полупроводниках с шириной запрещенной зоны более весьма сложную излучения 1,7 физическую возможна лишь и в эВ. Некоторые из широкозонных полупроводников имеют настолько высокое удельное сопротивление, что формально их можно отнести к классу диэлектриков. Излучательные квантовые переходы могут происходить спонтанно (самопроизвольно) и вынужденно. При спонтанных переходах испускание фотонов не зависит от внешних воздействий на систему. Акты спонтанного излучения происходят независимо друг от друга в разные моменты времени. Поэтому спонтанное излучение является некогерентным. Вынужденные квантовые переходы происходят под действием внешнего электромагнитного поля определенной частоты, соответствующей частоте возбуждаемого излучения. Особенность вынужденного или стимулированного излучения состоит в том, что испускаемые фотоны имеют ту же частоту, поляризацию и фазу, что и фотоны вынуждающего излучения; совпадают и направления распространения фотонов. Таким образом, вынужденное излучение является когерентным. Различные виды люминесценции находят разнообразные практические применения. С помощью люминофоров можно преобразовать невидимое излучение в видимый свет. Например, в так называемых лампах дневного света невидимое глазом ультрафиолетовое излучение электрического разряда в парах ртути преобразуется в видимый свет, спектральный сuстав которого можно изменять подбором люминофора, покрывающего стенки лампы (фотолюминесценция). Свечение люминофоров при бомбардировке их потоком быстрых электронов используется в электронно-лучевых трубках и в электронных
144 микроскопах (катодолюминесценция). Однако наибольший практический интерес вызывает явление электролюминесценции, что в немалой степени обусловлено быстрым развитием оптоэлектроники. Различают два основных вида электролюминесценции: инжекционную и предпробойную. Инжекционная электролюминесценция наблюдае"Fся при включении р-п­ перехода в прямом направлении. Она лежит в основе принципа действия светодиодов и полупроводниковых лазеров. Инжекционная электролюминесценция была открыта О. Ло­ севым в 1923 г. при изучении кристаллических детекторов на основе карбида кремния. Предпробойная электролюминесценция возникает в сильных электрических полях, близких к тем, при которых образуется пробой. Под действием сильного поля развиваются процессы ударной ионизации, приводящей к увеличению концентрации неравновесных носителей заряда. Предпробойная электролюминесценция может наблюдаться как в переменном, так и в постоянном электрическом поле. В частности, она характерна для по­ рошкообразных люминофоров, введенных в диэлектрик и помещенных между обкладками конденсатора в сильное электрическое поле. Предпробойпая эЛектролюминесценция изолированного порошка сульфида цинка в переменнам электрическом поле впервые была исследована итальянским ученым Дестрио в 1936 г. Поэтому ее иногда называют эффектом Дестрио. При возбуждении люминесценции переменным электрическим полем не требуется сквозного протекания носителей заряда через люминофор: электролюменесцентная ячейка работает в емкостном режиме. 3.10. Элементы физики поверхности полупроводника 3.1 0.1. Поверхностные уровни Поверхность полупроводника и поверхностная рекомбинация представляет собой нарушение периодичности кристаллической решетки. Из-за этого возникают дополнительные энергетические уровни, расположенные в запрещенной зоне энергетической диаграммы полупроводника. Эти уровни, теоретически предсказанные И. Е. Таммом, называют уровнями Тамма. Уровни Тамма являются акцепторными, так как у атомов полупроводника (например, кремния), находящихся у поверхности кристалла, оказывается всего по три соседних атома вместо четырех и, следовательно, отсутствует одна электронная связь. Плотность поверхностных уровней Тамма или поверхностных состояний должна быть того же порядка, что и число 15 -2 атомов на единице поверхности кристалла, т. е. около 10 см . Другим видом поверхностных уровней являются поверхностные состояния Шокли, которые обусловлены изменением постоянной решетки в приповерхностном слое, вызванным механической обработкой поверхности. Плотность этих состояний достигает до 10 15 см-2 , пространствеиная локализация определяется толщиной деформированного слоя. На реальной поверхности полупроводника поверхностные состояния возникают также вследствие адсорбции различных примесей (кислорода, воды и других атомов, ионов и молекул).Очевидно, что такая сложная структура поверхности реального полупроводника характеризуется донорного, Локальные кристалла дополнительными энергетическими уровнями в запрещенной зоне акцепториого типа или ловушек. у энергетические поверхности уровни, полупроводника обусловленные или примесями нарушением на периодичности поверхности, называют поверхностными уровнями. При комнатной температуре большинство примесей обычно ионизировано, т.е. на поверхностных уровнях находятся заряды. Для компенсации этих зарядов в соответствии с условием электрической полупроводнике, что нейтральности соответствует должен существовать существованию объемный электрического поля заряд и в изгибу энергетических зон вблизи поверхности полупроводника. На рисунке 3.22, а-в показано образование трех возможных вариантов поверхностных
145 слоев в полупроводниках п- и р-типа при наличии положительных или отрицательных поверхностных состояний. При малой плотности отрицательных поверхностных состояний на полупроводнике п­ типа образуется обедненный слой (рисунок - электроны 3.22, а), так как основные носители заряда - отталкиваются отрицательным поверхностным зарядом в глубь полупровод­ ника. На их месте остается положительный заряд неподвижных ионов доноров. Электростатическое поле поверхностных зарядов проникает в полупроводник на определенную глубину, которая зависит от удельного сопротивления этого полупроводника. F oJ Е; Zf~~~~~ Е; ---..-.o!'V F-~~~ ОоогащеРНИI/ CЛ/IlJ Рисунок 3.22- Искривление энергетических зон у поверхности полупроводника и образование различных поверхностных слоев При большой плотности отрицательных поверхностных состояний у поверхности полупроводника п-типа образуется слой с противоположным типом электропроводности инверсный слой. Граница инверсного слоя в глубине полупроводника расположена там, где уровень Ферми пересекает середину запрещенной зоны. Под инверсным слоем в полупроводнике находится обедненный слой (слой неподвижных ионов). Если на поверхности полупроводника п-типа преобладают положительные поверхностные состояния, то поверхность полупроводника обогащается электронами основными носителями заряда, т. е. образуется обогащенный слой. Граница обогащенного слоя в глубине полупроводника находится там, где начинается изгиб энергетических уровней, т. е определяется глубиной проникновения электростатического поля поверхност­ ных зарядов. Таким образом, поверхностных толщина состояний, от области удельного концентрации примеси и составляет обычно слой на порядок тоньше, чем слои обеднения. объемного заряда сопротивления ( 1о- - 1О) зависит от полупроводника плотности или от мкм. Обогащенный и инверсный На nоверхности полупроводника р-типа могут образовываться аналогичные поверх­ 3.22). ностные слои, но при других знаках поверхностных зарядов (рисунок На реальном полупроводнике всегда имеется слой оксида. Поэтому поверхностные состояния могут находиться не только непосредственно на полупроводнике, но также в слое оксида и на его поверхности. При изменении внешнего электрического поля и при
146 соответствующем изменении полупроводника должно крайней некоторых мере энергетической происходить диаграммы заполнение поверхностных или вблизи опустошение состояний. поверхности электронами Поверхностные по состояния, расположенные вблизи границы раздела полупроводник -· оксид, заполняются или опустошаются относительно быстро, так как в полупроводнике есть достаточное количество свободных электронов в зоне проводимости и дырок (вакантных энергетических состояний) в валентной зоне. Из-за малого времени релаксации таких поверхностных состояний (1 о- 8 состояниями (рисунок 3.23). - 1о- 12 с) их называют быстрыми поверхностными В слое оксида концентрация носителей заряда ничтожно мала. Поэтому с изменением внешнего электрического поля поверхностные состояния, расположенные в слое оксида или на его поверхности перезаряжаются медленно (время их релаксации велико). Такие поверхностные состояния поверхностными 2 состояниями. называют медленнылш Время релаксации мед- ленных поверхностных состояний составляет обычно от миллисекунд до нескольких часов. Наличие медленных состояний вызывает временную флуктуацию (нестабильность) поверхностного потенциала и токов утечки р-п переходов в обратном смещении, а также избыточные низкочастотные (фликкер-шум) полупроводниковых · Полупро8о!Jншr шумы типа 1 f при боров. oкcuiJ Рисунок 3.23 -Быстрые 1и медленные 2 поверхностные состояния на реальной поверхности полупроводника Поверхностная рекомбинация Некоторые поверхностные состояния создают вблизи середины запрещенной зоны энергетические уровни, которые являются уровнями рекомбинационных ловушек. Рекомбинационными ловушками могут быть только быстрые поверхностные состояния, так как время перехода носителей на медленные поверхностные состояния очень велико. Явление поверхностной рекомбинации принято характеризовать скоростью поверхностной рекомбинации носителей заряда, которая определяется как отношение плотности потока носителей заряда у поверхности полупроводника к избыточной концентрации носителей у поверхности, т. е. этих (3.46) Таким образом, скорость поверхностной рекомбинации показывает, какое количество носителей зарядарекомбинирует за 1 с на поверхности полупроводника площадью 1 см 2 • Размерность скорости поверхностной рекомбинации та же, что и размерность скорости движения, т. е. см/с- скорость. Плотность являющихся поверхностных рекомбинационными состояний ловушками, вообще в и поверхностных частности, зависит от состояний, обработки поверхности полупроводника и от свойств внешней среды, с которой он соприкасается. Так как плотность поверхностных состояний обычно велика, то рекомбинация носителей на поверхности идет значительно быстрее (интенсивнее), чем в объеме полупроводника. При малых размерах кристалла полупроводника явление поверхностной рекомбинации будет существенно уменьшать эффективное время жизни носителей заряда, так как 1/ Тэф где = 1/ Tv + 1/ Ts , Тэф -эффективное время жизни; Tv - время жизни в объеме полупроводника; Ts- время жизни на поверхности полупроводника.
147 Кроме того, плотность поверхностных состояний может изменяться со временем из-за испарения или конденсации влаги на поверхности кристалла, из-за возможных миграций адсорбированных примесей на поверхности и т. п. Эти процессы, приводя к изменению эффективного времени жизни носителей заряда, могут являться причиной нестабильности · параметров и характеристик полупроводниковых приборов. Таким образом, при изготовлении полупроводниковых приборов необходимо, во­ первых, выбирать метод обработки поверхности кристаллов полупроводника, при котором скорость поверхностной рекомбинации минимальная, и, во-вторых, находить способ длительного сохранения достигнутых значений скорости поверхностной рекомбинации. Последнюю задачу обычно решают посредством нанесения на поверхность кристалла спе­ циальных покрытий и герметизации прибора в корпус. 3.10.2. Концентрация носителей и область пространственноrо заряда на поверхности В зависимости от природы среды, находящейся в контакте с поверхностью полупроводника, можно рассмотреть несколько поверхностей раздела: поверхность раздела газ (или вакуум)- полупроводник, контакт металл- полупроводник, поверхность раздела изолятор-полупроводник или систему металл-изолятор-полупроводник (МОП). В последующем обсуждении делаем следующие предположения: 1. Полупроводник находится при комнатной температуре, так что все донорвые и акцепторвые примеси ионизированы. 2. Полупроводник невырожден; это означает, что края энергетических зон отстоят не менее чем на 2kT от уровня Ферми, и может быть использована статистика Максвелла - Больцмана. 3. 4. Концентрации доноров и акцепторов в полупроводнике однородны и постоянны. В области пространствеиного заряда (ОПЗ) полупроводника отсутствует заряд, захваченный ловушками, за исключением заряда ионизированных доноров или акцепторов. 5. Кристалл является полубесконечным и однородным и равновесии. Поверхность изображается плоскостью х = положительные значения х. Поверхностные находится в тепловом О, а кристаллу соответствуют условия одинаковы в плоскостях, перпендикулярных направлению х. Концентрация носителей и зонная модель поверхности полупроводника Ниже представлены соотношения для границы раздела вакуум-полупроводник, связывающие пространственный заряд (отнесенный к единице площади поверхности) и электрическое поле. Эти соотношения использованы в разделе 9.5.3. для расчета волът­ фарадных характеристик идеальных МДП-структур. Рисунок 3.24 - Зонная диаграмма приповерхностной области полупроводника р-типа. Потенциал определен 1f1 отношению к объему подложки ( 1f1 = по О в ее электронейтральной части) и отсчитывается от собственного уровня Е; . Изгибу зон на рисунке соответствует положительный знак поверхностного потенциала аккумуляции lfl, > lfl, > О < '!'.•· В режиме О, в режиме обеднения lflв и при инверсии lf/., > lflв
148 На 3.24 рисунке приведена зонная диаграмма приповерхностной области полупроводника р-типа идеальной МДП-структуры. В этой области электростатический потенциал lf/ изменяется от значения на поверхности lf/., до потенциала электронейтральной 1f1 = О, выбранного за точку отсчета. Зависимость концентраций потенциала lfl определяется соотношениями [10] области полупроводника электронов и дырок от =nро ехр ~~ =nро exp(/Зif/) ; n 1, (3.47) Рр = Рро ехр(- ~~) = Рро exp(-{Зif/), где про и рро (3 =qjkT. - (3.48) равновесные плотности электронов и дырок в объеме полупроводника Потенциал положителен, 1f1 если зоны изогнуты вниз 3.24). (рисунок Соответствующие поверхностные концентрации определяются соотношениями п.,. =про exp(fЗifi.J; (3.49) Характерные интервалы изменения поверхностного потенциала можно определить следующим образом: lf/s <О -аккумуляция дырок (зоны изогнуты вверх); lf/., = О - состояние плоских зон; lf/в > lfl,, >О- режим обеднения (зоны изогнуты вниз); lf/s = lf/в - n., = Ps n; (n;- собственная концентрация); lf/., > lf/в -режим инверсии (накопление у поверхности неосновных носителей = (электронов), зоны изогнуты вниз). Зависимость потенциала 1f1 от расстояния до границы раздела х можно получить с помощью одномерного уравнения Пуассона р(х) dx 2 =- ее 2 d lfl В выражении (3.50) Е: - (3.50) 0 относительная диэлектрическая проницаемость полу- проводника, а р(х) -плотность полного объемного заряда: р(х) = q(N~ -N~ + Рр -пр), где N~ и N~ - концентрации ионизированных доноров и акцепторов соответственно. Отметим, что в объеме полупроводника электронейтральности, то есть р(х) вдали = О при 1f1 = О, от поверхности выполняется условие а N~-N~ =npo-Ppo· В общем случае, согласно выражениям (3.47) и (3.48), для всех значений lf/ имеем Рр -пР= pP 0 exp(-{31f!)-nP 0 exp(f31f!). В результате вместо уравнения (3.50) получим (3.51)
149 Интегрирование уравнения (3.51) д!Jf/дх(д J _J!... ) d (д_J!... ) = _ _!L IJfJfp" дх 0 дх ее 0 -1)- n " 0 (ef31Jf -1) ~1{1 0 (e-f31Jf 0 дает соотношение, связывающее электрическое поле (с= -dl{f jdx) и потенциал Е 2 = ( 2kT ) 2 ( l q q P"of3 ее о '11: )[(е -f31Jf + {31{1-1) ~ n"o (ef31Jf _ {31{1- 1)]. (3.52) Р "о Для сокращения записи последующих формул обозначим (3.53) и введем так называемую дебаевскую длину дырок Lo = = ~- kTeeo2 Vq. р рО • {3 Р "о . q Тогда электрическое поле Е=_ дlfl = ± .J2kт F({31f1, дх В этом выражении знак qLo n"o). Р"о + нужно использовать при '11 > О, а знак- поверхностного электрического поля получим, подставив в выражение с =-+ .J2kТ F({3 lfl.,.. при '11 < О. Величину (3.54) '11 'lf.v: = n"o) . v,, Р"о qLo По закону Гаусса объемный заряд, отнесенный к единице площади границы раздела, индуцировавший это поле, составляет с = + .J2ee0 kT F({3 lfl.v• n"0 ) • Q·' = _ EEoc;;s Рро qLo Чтобы определить избыточные поверхностные плотности электронов при данном значении поверхностного потенциала dn и дырок dp 'lf,, , необходимо вычислить следующие интегралы: 0 L = dp=p" 0 f(e-f31Jf -1)dx= qp 110 0 .J2kT 0 - =J dn- про (е f31Jf J IJ!s - qnpoLo Jo -1)dx- г;; 0 '"112kT IJ!s 3.25. 1 -/31Jf - F({ЗI{f, n110 jp" 0 ) {3 е/3"' -1 / F( lfl, n" 0 Р"о) Типичная зависимость полного заряда на рисунке е Q., dlfl dl{f [см-2 ]; (3.55) -2 (3.56) [см ]. от поверхностного потенциала 'lf., показава Она рассчитана для МДП-структуры на кремниевой подложке р-типа с N А = 1014 см- 3 при комнатной температуре. При отрицательных 'lls заряд Q, положителен, что отвечает аккумуляции дырок на поверхности. В этом случае в выражении (3.53) доминирует перво0 слагаемое, так что Q"- exp(qjl{f,.jj2kT). В состоянии плоских зон 'lls =О и Q., = О. В режиме обеднения 'lfв > 'lls > О, а заряд Qs отрицателен. При этом в выражении
150 .Jiif:. (3.53) доминирует второе слагаемое, так что Q., При сильной инверсии f//s >> l{fв в выражении (3.53) является четвертое слагаемое, и в этом случае Q.,. - -exp(qlf/, /2kТ). Сильная инверсия наступает при поверхностном потенциале главным . 2 2kT q NA (3.57) lf/.,(mv)"" lflв = - - \ n - , Слоi когда ооеtfнения поверхностная 11; концентрация неосновных носителей (электронов) становится равной исходной концентрации основных носителей РрО· Рисунок 3.25- Зависимость плотности поверхностного заряда в полупроводнике от поверхностного потенциала для кремния р­ 14 3 типа, Nл = 10 смПо8еркностныi1 tfapьep, 8 Поверхностная проводим ость, эффект поля в полупроводнике В одномерном случае проводимость выражением: О'(х) где Jlп{x) и flp(x) - (3.47) определяется следующим =q [п(х) fl"(x) + р(х) flp(x)], подвижности определяются выражениями полупроводника и электронов (3.48). и дырок (3.58) соответственно, а п(х) и р(х) В объеме полупроводника подвижности и концентрации носителей постоянны, а объемная проводимость равна На поверхности обычно f//,· -:f О, поэтому, во-первых, концентрации носителей не постоянны и изменяются в соответствии со знаком и величиной изгиба зон, а во-вторых, при значительном (положительном или отрицательном) изгибе зон на поверхности образуется потенциальная яма для того или другого типа носителей, что при определенных условиях может привести к уменьшению подвижности носителей на поверхности. Понятие работающих поверхностной на поверхности. основе Эффектом проводимости под проводимости эффекта поля действием поля, в называют становится котором заряд явление перпендикулярно важным для переносится изменения приложеннаго приборов, параллельна приповерхностной поля. Различают стационарный и нестационарный эффекты поля. В стационарном эффщ<Те поля изменение проводимости совпадает с изменением поля (носители или заряд ОПЗ успевают следовать за полем). В нестационарном эффекте поля заряд неосновных носителей не успевает за изменением поля и не вносит дополнительную емкость, соответствующую стационарному случаю. Любое изменение проводимости полупроводникового образца, связанное с поверхностным слоем, является функцией изгиба зон на поверхности. Поэтому удобно ввести понятие избыточной поверхностной концентрации, определяемой как добавочное число свободных носителей на единицу стационарных интегралами условиях (3.55) и избыточные площади поверхности, вызванное изгибом зон. В поверхностные концентрации определяются (3.56). Изменение проводимости полупроводникового образца, определяемое поверхностным изгибом зон, носит название поверхностной проводимости и записывается как g, = q(flp 11р + fl"l1n), причем предполагается, что подвижность носителей в ОПЗ такая же, ч:о и объеме. (3.59)
151 Размерность gs соответствует обычной проводим ости, так как она относится к единице 3.26 зависимость поверхностной проводимости германия при 300 К от изгиба зон площади поверхности (квадрату) и не зависит от размера этой площади. На рисунке представлена lfl,,.. Поверхностная проводимость складывается с проводимостью образца, которая характеризуется соответствующими объемными параметрами при условии плоских зон. Уравнения (3.55), (3.56) и (3.59) выражают поверхностную проводимость как однозначную функцию изгиба зон на поверхности. Если поверхностную проводимость можно измерить, то данные измерений могут быть использованы для определения соответствующего значения изгиба зон. В том случае, когда подвижности носителей на поверхности не зависят от изгиба зон и предполагаются равными подвижностям в объеме, измерение gs особенно удобно для определения изгиба зон. Однако, если поверхностные подвижности отличаются от соответствующих значений в объеме, то в этом случае поверхностная проводимость должна использоваться с осторожностью. tOO Рисунок 3.26 -Зависимость nоверхностной nроводимости германия от Vs Кривые: германий п-тиnа (15 = Plfl., Ом·см); германий с собственной концентрацией; германий р-тиnа ( 10 Ом·см) Значительная поверхностная проводимость имеет место как при аккумуляции, так и инверсии на поверхности, что обусловлено присутствием в ОПЗ большого числа основных или неосновных ризующая носителей поверхностный соответственно. обедненный слой, Поверхностная проводимость, будет чем меньше, при характе­ инверсии или аккумуляции, и имеет минимальное значение gs.мин , при котором в ОПЗ находится очень незначительное число свободных носителей. Эффект поля и поверхностная проводимость в полупроводниках определяют работу ооширного класса полупроводниковых приборов, в частности, полевых МДП-транзисторов, являющихся базовыми элементами современных сверхбольших интегральных схем СБИС. 3.11. Фундаментальные уравнения физики полупроводников Математической основой моделей полупроводниковых приборов является система модифицированных уравнений Максвелла, включающая оба типа носителей заряда, процессы диффузии и генерации-рекомбинации. Уравнения непрерывности потока, которым в любой момент времени подчиняется движение носителей заряда в полупроводнике, можно представить в виде
152 др А - Р--Ро 1 d'IYJ· ' -=ug --дt р Р' тР q дп А n-n 1 d' -dt = ug" - - - -0 - - где (р р0) = , д.р (п - n0 ) = д.п - '"" IY (3.60,а) . J", (3.60,б) q избыточные концентрации носителей, д.g 11 , д.gр - скорости r11 , rp - времена жизни, j 11 , jp - генерации носителей под действием внешних факторов, плотности токов. Слагаемые в правых частях уравнений математически отражают возможные причины изменения концентрации носителей во времени: накопление носителей за счет генерации д.g, рассасывание носителей при рекомбинации д.plrp , д.nlrп накопление или рассасывание носителей, обусловленное неравенством потоков, втекающих и вытекающих из некоторого элементарного объема l!q div jp . Уравнение Пуассона устанавливает зависимость дивергенции вектора напряженности электрического поля Е от плотности объемного заряда. div8=p/нo или V 2cp=-pjEE0 , (3.61) где t: -относительная диэлектрическая проницаемость полупроводника; t:o = 8,86·1 о- 12 Ф·м- 1 , rp - ЭJ.Iектростатический потенциал. Уравнение Пуассона привпекается в тех случаях, когда напряженность 8 существенно зависит от координаты, т.е. в полупроводнике имеется значительный объемный заряд. Уравнения переноса показывают, что плотность тока в полупроводнике в общем случае обеспечивается дрейфом носителей заряда в электрическом поле с напряженностью Е и диффузией носителей под воздействием градиента концентрации: где jp иj 11 - jp=q(p/tp8 -Dpgl'adp); (3.62,а) j 11 = q (n fl 11 8 - Dn gl'ad 11), (3.62,б) дырочная и электронная составляющие плотности тока. Плотность полного тока j в полупроводнике равна сумме плотностей дырочного тока, электронного тока и тока смещения: (3.63) j =jl' + jll + jc,llo . дЕ lc,\1 =-Е,Еодt· где При замещении прибора электротепловой моделью исходную систему уравнений дополняют уравнением теплопроводности, которое описывает тепловой режим прибора. Исходная система уравнений (3.60) - (3.63) справедлива длЯ макроскопических процессов и не учитывает влияние магнитного поля и неоднородностей структуры. В общем случае непрерывную решение и такой системы неодномерную задачу. уравнений представляет Нелинейнасть задачи собой связана нелинейную, с тем, что коэффициенты в уравнениях исходной системы зависят от плотности тока, напряженности поля и температуры, которые в свою очередь меняются с изменением режима эксплуатации прибора. Задача в общем случае неодномерная, так как электрические и тепловые процессы протекают в объеме структуры и зависят от времени и координаты. Модель прибора непрерывна во времени и пространстве, т.е. структура представляет собой единое целое и ее деление на отдельные области (база, переход, канал) является некоторым допущением. Исходная система уравнений (3.60) - (3.63) является основой построения физико­ топологических моделей. При этом уравнения в частных провзводных часто заменяют системой алгебраических уравнений, которая получается провзводных в конечно-разностной форме. в результате представления
153 Контрольные вопросы 1. Приведите общую классификацию материалов, используемых в твёрдотельной электронике. 2. Почему при образовании твёрдого кристаллического тела энергетические уровни атомов расщепляются в энергетические зоны? 3. 4. 5. б. Чем различаются зонные структуры металла, полупроводника и диэлектрика? Почему ширина запрещённой зоны полупроводника уменьшается с увеличением температуры? Перечислите механизмы генерации и рекомбинации носителей заряда. Дайте определение энергетическому уровню Ферми. 7. Что такое собственный и примесный полупроводники? 8. ОсновнJ>Iе и неосновные носители заряда; закон действующих масс. 9. Что такое время жизни неравновесных носителей заряда? 10. Объясните механизмы электропроводности в полупроводниках: дрейфовые токи, диффузионные токи, ток ограниченный пространствеиным зарядом, токи смещения. 11. Какими физическими процессами определяется температурная зависимость подвижности? 12. Как и почему изменяется рассеяние носителей заряда в сильных электрических полях? 13. Поясните механизмы ударной ионизации, туннелирования и междолинного перехода носителей заряда. 14. 15. От каких факторов зависят время жизни и диффузионщ1я длина неравновесных носителей заряда? Назовите основные механизмы поглощения света в полупроводниках. Какие из них вызывают фотопроводим ость? 1б. В чём различие между прямыми и непрямыми оптическими переходами? 17. 18. Перечислите основные механизмы электролюминесценции в полупроводниках. Поверхностные уровни Тамма, Шокли и адсорбированных инородных атомов. Чем определяется знак поверхностного заряда? 19. Поясните условия образования на поверхности полупроводника обогащённых, обеднённых и инверсионных слоёв. 20. Что такое скорость поверхностной рекомбинации? 21. Чем определяется поверхностная проводимость и эффект поля в полупроводниках. 22. Перечислите фундаментальные уравнения физики полупроводников для моделирования инжекционных и полевых полупроводниковых приборов.
154 Глава 4.1. 4. Контакт металл-полупроводник Термоэлектронпая эмиссия, термодинамическая работа выхода Энергия электрона в твердом теле меньше, чем энергия свободного электрона в вакууме. Минимальная энергия, которую необходимо передать электрону, чтобы он мог выйти в вакуум, называется внешней работой выхода прирадой твердого тела и лежит в интервале от 1 до 6 Х . Величина Х определяется эВ. Явление испускания электронов из твердого тела в вакуум за счет тепловой энергии получило название термоэлектронной эмиссии. В одномерном случае плотность термоэлектроннего потока может быть выражена в виде: (4.1) где vmin =~, тV. 2 Е min = --1.!l!L. так как 2 =Х · Ф _: термодинамическая работа выхода - характеристическая энергия, описывающая термеэлектронный ток. Вторая часть равенства (4.1) представляет собой формулу Ричардсона - Дэшмана для плотности термеэлектронного тока, эмпирически полученного для различных твердых тел. Постоянная Ричардсона А следует из интегрирования А= 4nqmk2 h3 где 111 = 120 (4.1) А см 2 ·К 2 ' = nto = 9.1·10-31 кг (свободный электрон); k = 1.38. 10- 23 Дж - к постоянная Больцмана; h =6.62 ·10-34 Дж· с -постоянная Планка. Для электронов металлов, n "" 10 имеющих 23 см- (х_., = фм) (рисунок 4.1, а). 3 , незаполненную зону проводимости с концентрацией внешняя работа выхода совпадает с термодинамической Е Е F о AEg о -----~--·Е --------- а) Рисунок 4.1 ---· <;jырк1.4 б) -Схема термеэмиссии из металла (а) и полупроводника (б) v
155 В отличие от металла термаэлектронная эмиссия из полупроводника осуществляется двумя электронными потоками: 1) из 2) зоны проводимости; из валентной зоны. Концентрация подвижных носителей в зоне проводимости n 1020 172 = 1014-10 18 см-3 , в 106 ••• 10 2 см -з. В валентной зоне концентрация электронов 10 .. .10 18 порядка 10 23 см- 3 , но подвижными являются лишь часть, равная концентрации дырок­ валентной р = -'- "" 14 n незанятых электронных энергетических состояний в валентной зоне, по которым могут перемешаться электроны и набрать энергию от решетки больше (Х в вакуум. + L1E 8 ) и эмиттировать (4.1) для металлов и полупроводников в пространстве - Дэшмана - надбарьерную эмиссию при тепловом характеристической энергией барьера - термодинамической работой Формальное интегрирование скоростей дает формулу Ричардсона воздействии с -( выхода. Ф= х- F; IФI = х -F) = х + В металлах отсчет энергии от Результирующий электронами с энергией для невырожденного =О, в полупроводниках Ее= О. F термоэлектронвый -F, IFI. поток в полупроводнике определяется которых в реальности не существует, так как уровень Ферми полупроводника находится в запрещенной зоне. Кажущийся парадокс снимается, если уровень Ферми представляет собой' среднюю энергию подвижных частиц (электронов). Итак, в термаэмиссии принимают участие электроны различных энергий средней энергии (F). (Ее, Ev), а результирующий поток описывается электронами Поэтому в статистической термодинамике энергетический уровень Ферми называют электрохимическим потенциалом. Энергетическое определение уровня Ферми облегчает понятие энергетических зонных диаграмм полупроводника (рисунок 4.2), (4.2) Для полупроводника п-типа, пп п. 2 >> Pn = -'-, пп пЕс F1 /-- п 11 Для собственного полупроводника, F 1 n. 2 +-'-Ev 2 + !!.L n n = р =n; , = п;Ес + n;Ev = Ее + Ev 11; 2 + ll; :;::: Е .. 1 п. Для полупроводника р-типа, Pr п. >>пр=-'-, Рр 2 -'-Ее+ 2 FP p·Ev =""'р'-----=2--- ~ Ее . п. -'-+р р
156 Е Е Е -----Ее Ее -----Ее Fn ----F=Fi -----Ev Рисунок Понятие -----Ev _ _ _ _ _ Fp -----Ev 4.2 - Зонные диаграммы n, i, р-полупроводников термодинамической работы выхода соответствует термаэмиссии из твердого тела с постоянной температурой. При эмиссии валентного электрона (рождается дырка) электрон зоны проводимости «падает» на свободное энергетическое состояние (акт рекомбинации) и нагревает решетку дополнительной энергией f:!.Ек. При эмиссии электрона из зоны проводимости при статистическом равновесии электрон валентной зоны переходит в зону проводимости (акт термогенерации) и забирает у решетки энергию f:!.Ек (охлаждает). В результате этих процессов температура поддерживается постоянной. В отличие от металлов термодинамическая работа выхода в полупроводниках сильно зависит от температуры, типа и концентрации легирующей примеси. Для 11-типа: Ф" ~ Х, для р-типа: Ф" ~ Х + f:!.Eg. В результате этого термаэлектронные потоки у сильнолегированных 300 полупроводника будут отличаться очень сильно. Так, для кремния, при Т= }. тз n+ = А Т 2 ехр(- Ф" ) ; kT Jтэ" Ф" -Ф" Jтэ" kT --=ехр Такие разного значительные типа отличия проводимости -Ф" }.тз /'+ =л т-, ехр(--); kT 1.12 0.026 f:!.Eg =ехр--=ехр--=е kT термаэлектронных должны n+- и р+­ К: привести к 42 потоков 18 ==10 . в полупроводниках возникновению встроенных электрических полей при их контакте. Экспериментально термодинамическую работу выхода можно температурной зависимости плотности термоэлектроннаго потока (рисунок . ф Ф "" -k Jтэ =ехр--; АТ 2 kT определить 4.3). dln · fтэ = -ktga. dT lnjтз Рисунок 4.3 -Температурная зависимость тока термоэлектронной эмиссии ....___ _ _ _ _---.1 т из
157 4.2. Система металл-вакуум-полупроводник, контактная разность потенциалов При контакте М-В-П с разными значениями термодинамической работы выхода из­ за разных термаэлектронных потоков встраивается электрическое поле с контактной разностью потенциалов. Предположим, что термодинамическая работа выхода у полупроводника п-типа Ф" меньше, чем у металла Ф 11 • Тогда начальный поток из полупроводника будет больше, чем у металла. В результате в металле появляется избыточная концентрация электронов (отрицательный заряд) а в полупроводнике положительный заряд ионов доноров. Между металлом и полупроводником возникает тормозящее электрическое поле для потока электронов из полупроводника с контактной разностью потенциалов. Через время пролета электронами вакуумного промежутка вакууме вблизи металла d потоки сравняются. При этом энергия электрона в увеличивается на величину Ф0 = -qи0 , что эквивалентно выравниванию уровня Ферми в плоск.ости контакта (барьеры со стороны металла и полупроводника выровнялись Ф 11 Начальный поток = Ф0 + Ф11 ; f",11 = F,, ). }. =АТ 2 ехр- ФkT11 11 После взаимодействия потоки >> 1· А/ =АТ 2 ехр- ФА/ kT выравниваются (рисунок . 4.4) из-за увеличения барьера со стороны полупроводника, вызванного тормозящим контактным полем, на величину Ф0 • 2 АТ ехр- Ф 11 +Ф 0 Ф = АТ 2 ехр- _д. откуда следует ф 0 = -q и0 = ф , ф 11 С: к - kT ", kT где Е Ф" -Ф," и0 -- ---.!.!...-.~:!!.. q Е ----~]ФО @ - ~----- Фп G) 0 0 ~---- ~ Ее d G) F @ Фм Ev > Фп а) Рисунок б) 4.4- в) Контакт М-В-П (а); энергетическая диаграмма в исходном состоянии (б); после установления равновесия (в) Оценим глубину проникновения поля в полупроводник и металл (рисунок закона Гаусса следует, что поверхностная плотность заряда равна 4.5). Из вектору электростатической индукции: qN,_, где N,. - =ее 0 е, поверхностная плотность заряда, е 0 - диэлектрическая проницаемость вакуума, е- относительная диэлектрическая проницаемость.
158 Nv Рисунок 4.5 - К определению глубины проникновения поля в полупроводник Поверхностная плотность связана с объемной концентрацией Nv откуда Ш " = N.,. = Nv ее0Ё qNv . Поскольку поле в зазоре однородно (конденсатор) (рисунок 4.4, а) Е = и 0 . Р" = ее0 и 0 d ' Рассмотрим Ge: q Nv qdNv = 1016 см -з; е = 16; е 0 = 8.84 ·10-14 !!.._; и 0 =1В; ш" = 8.84 ·10-10 СМ::: 10-9 см::: O.IA. см = 1.6·10-19 Кл; В металле объемная концентрация на семь порядков выше Следовательно, Nv = 10 23 см- 3 • 'Rм = 10-8 А. В системе М-В-П все контактное поле локализовано в вакууме, Оно отсутствует как в металле, так и в полупроводнике, а следовательно, не меняет энергии электронов ни в металле, ни в полупроводнике (рисунок 4.4). Контактную разность потенциалов измеряют методом вибрирующего зонда. При вибрации зонда относительно поверхности исследуемого твердого тела наводится переменный ток. i=dQ=dCи 0 =и dC=иSd8- e; 1 dt С=S~, 4.3. S- dt о dt о dt о. площадь зонда. Запорный (барьер Шоттки) и антнзапорный контакты МП При непосредственном контакте металл-полупроводник металл напыляется на полупроводник. Переходной слой (зазор) составляет (5 ... 1О)А. В этом случае происходит термоэлектронпая эмиссия в твердом теле. Механизмы перехода электронов: диффузия за счет градиента энергии и концентрации и дрейф, вызванный контактным полем. Для тех
159 же условий: Ф" < Ф_11 , полупроводник п-типа, контактное поле будет расположено в полупроводнике и занимать значительную толщину. При d = ю- 7 см, !Р" =8.84 ·10-3 CAt; И.\! = 10- 1 А. В металл поле не проникает и не изменяет энергии электронов. В полупроводнике поле изменяет энергию и концентрацию электронов. В нашем случае приконтактная область fP11 обеднена электронами (ушли за счет градиента энергии в металл) и содержит объемный заряд нескомпенсированных ионов доноров. Контактное поле, наведенное отрицательным зарядом электронов в металле и положительно заряженным слоем ионов в полупроводнике, увеличивает энергию электронов: Е(х) =Ее+ Ф(х), Длительность установления Ф(х) = -qU(x). термодинамического равновесия (образование контактного поля) определяется временем Максвелла 'l'м (время нейтрализации заряда в проводящей среде). Для кремния 'l'м ::::: 10- 12 с, практически мгновенно. Этот тип контакта МП носит название запорного (сопротивление слоя объемного заряда значительно выше, чем квазинейтрального полупроводника) или барьера Шоттки. ~1Я невырожденного полупроводника концентрация основных носителей заряда 1пектронов) в приконтактной области уменьшается. n(x) = Nc ехр- Е(х)- kT F = N с ехр- При м - = 22 10 €> <& 0 <$> <$> & 0 е <$> 0 + Ф(х)- F Ф(х) = n0 ехр---. kT kT Ф(х)>О.lэВ, Т= ЗООК 0.1 -4 п(х) =n 0 ехр- - - = n0 e ; 0.025 n 0 0 p(x)=Nvexp+ =р << n0 • E(x)-F Е - F Ф(х) =Nvexp-v-exp--= kT kT kT Ф(х) 0 ехр+--. kT х Как в случае М-В-П, Ф 0 Ф8 п(х) Концентрация неосновных носителей возрастает ~·1 16 ' 1D n Е(х) = Ф_11 - Ф". ФО +т~-+---"- Ее F ~-+---Ev Рисунок ~ Величина барьера со стороны термодинамическая работа выхода 4.6 - Запорный контакт МП полупроводника значительно ниже, Ф_, 1 • Это означает, что можно достигнуть чем больших тер.,юэлектронных токов в системе МП при комнатных температурах, в отличие от термаэмиссии в вакуум, требующей больших температур (Т> 1ООО"С).
160 Это обстоятельство объясняет более высокую надежность функционирования твердотельных элементов по сравнению с вакуумными. Для полупроводника р-типа запорный контакт МП реализуется Ф" >Ф_". при условии - Антизапорный контакт МП образуется в случае, если: для п-типа Ф11 р-типа ФР < Ф" (рисунок > Ф., и для 4. 7). Ек Ее о •. ... Ее F 1 1 + ~ 1 1 -----~1 ФО Ev F Ev l., l р а) б) Рисунок 4.7- Энергетич