Кафедра физической электроники

• ФИЗИЧЕСКАЯ

• МИКРОЭЛЕКТРОНИКА

• УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ

«Физическая электроника»

• МИНСК

• 2001

• УДК 621.38(075.8) + 533.9(075.8)

Л12

доктор физико-математических наук В. М. Анищик

кандидат физико-математических наук А. П. Бурмаков

Научный редактор

член-корреспондент НАН Беларуси,

доктор физико-математических наук Ф. Ф. Комаров

Л12 Физическая микроэлектроника: Учеб. пособие /

А. А. Лабуда, Н. Н. Никифоренко – Мн.: БГУ, 2001. – 132 с.: ил., табл.
Учебное пособие по курсу лекций, читаемых студентам специальности Н.02.03.00 «Физическая электроника». В нем изложены физические закономерности, лежащие в основе функционирования элементов интегральных схем, физические основы планарной технологии микроэлектроники, а также способы оперативного спектрального контроля и управления вакуумно-плазменными технологическими процессами нанесения и травления тонких пленок.

УДК 621.38(075.8) + 533.9(075.8)

• 
  ББК 32.844.1я73 + 22.333я73
  

 БГУ, 2001

72. Концептуальные диаграммы электроники, микроэлектроники

102.1. Концептуальная диаграмма полупроводниковой электроники ...102.2. Концептуальная диаграмма микроэлектроники ..........112.3. Концептуальная диаграмма физической микроэлектроники ....122.4. Концептуальная диаграмма физических основ технологии

микроэлектроники ........................

133. Физические явления и процессы, лежащие в основе

143.1. Материалы микроэлектроники; связь между свойствами

материалов и параметрами интегральных схем ............

143.2. Полупроводниковые материалы ................143.3. Диэлектрические материалы ..................183.4. Металлы в микроэлектронике .................204. Структурные и энергетические модели материалов

224.1. Модель ковалентной связи ...................224.2. Модель энергетических зон ...................244.3. Математическая модель энергетических зон

(модель Кронига-Пенни) ......................

274.4. Модель энергетических зон для примесных полупроводников ...305. Статистика носителей зарядов в полупроводниковых

325.1. Статистика Ферми – Дирака ..................325.2. Концентрация носителей зарядов в полупроводнике .......345.3. Вырожденные полупроводники .................396. Кинетические явления в полупроводниковых микроструктурах ..406.1. Эффект Холла .........................416.2. Генерация и рекомбинация носителей зарядов ..........426.3. Явления переноса в динамически неравновесном состоянии;

уравнение непрерывности .....................

437. Контактные явления в микроэлектронных структурах ....457.1. Контактная разность потенциалов; работа выхода .......457.2. Контакт двух металлов ....................477.3. Контакт металла с полупроводником .............487.4. Барьер Шотки ........................517.5. Омические контакты .....................517.6. Контакт двух полупроводников одинакового типа

проводимости (n–n⁺ и p–p⁺) ....................

527.7. Контакт полупроводника с атмосферой; эффект поля;

поверхностные состояния ....................

538. Активные и пассивные элементы микроэлектроники .....598.1. Физические явления в p–n-переходе; интегральные диоды ....608.2. Физический принцип функционирования биполярного

транзистора в интегральном исполнении;

контакт типа n–p–n .......................

648.3. Физический принцип функционирования полевого

транзистора планарного типа ..................

668.4. Пассивные элементы микроэлектроники ............709. Физические основы технологии микроэлектроники ......759.1. Классификация технологических процессов ..........759.2. Нанесение тонких пленок для целей микроэлектроники .....779.3. Вакуумно-плазменная технология в микроэлектронике .....919.4. Модификация поверхности полупроводника;

диффузия и ионная имплантация ................

10410. Физические аспекты контроля в микроэлектронике .....10910.1. Классификация методов контроля ..............11010.2. Физические методы контроля ................11210.3. Оперативный контроль в микроэлектронике; определение

момента окончания технологического процесса ...........

11711. Перспективные направления развития микроэлектроники ...12411.1. Избирательная радиационная стимуляция плазменных

технологических процессов ....................

12511.2. Функциональная микроэлектроника ..............127Литература ..............................131ПРЕДИСЛОВИЕ

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

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

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

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

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

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

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

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

Н. Н. Никифоренко
1. КРАТКАЯ ИСТОРИЯ ЗАРОЖДЕНИЯ

И РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОНИКИ И МИКРОЭЛЕКТРОНИКИ

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

2. КОНЦЕПТУАЛЬНЫЕ ДИАГРАММЫ

ЭЛЕКТРОНИКИ, МИКРОЭЛЕКТРОНИКИ

И ФИЗИЧЕСКОЙ МИКРОЭЛЕКТРОНИКИ

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