книги / Надежность в микроэлектронике
..pdfН . И . Ч е т в е р и к о в , кандидат технических наук
Н А Д Е Ж Н О С Т Ь
ВМ И К Р О Э Л Е К Т Р О Н И К Е
ИЗДАТЕЛЬСТВО «ЗНАНИЕ»
М оскве 1975
Четвериков Н. И.
-52 Надежность в микроэлектронике. М., «Знание», 1975.
64 с. (Новое в жизни, науке, технике. Серия «Ра диоэлектроника и связь», 12. Издается ежемесячно с 1966 г.)
В брошюре рассказано о некоторых задачах современной полупроводниковой микроэлектроники, о ее неразрывной связи о фундаментальными науками: физикой и физической химией О их многочисленными разделами. Автор свел до минимума дан ные об особенностях структуры того или иного прибора или ма териала. считая, что читателю известны такие понятия, как зона проводимости, энергия запрещенной зоны, электронно дырочный переход, основные положения термодинамики и т. д,
Брошюра рассчитана на подготовленного читателя, интере сующегося вопросам развития микроэлектроники.
ч g g r - j g - 86—75 |
|
6ФО.З |
||
073(02)—75 |
|
|
|
|
СО ДЕРЖ А Н И Е |
|
|
|
|
Предисловие....................................................... |
микроминиатюризации |
бипо |
3 |
|
Физические пределы |
4 |
|||
лярных Т&МОП-транзисторов....................... |
|
|
||
Физика ненадежности |
электроника . |
. |
. . |
14 |
Высокотемпературная |
30 |
|||
Полупреводникоэь1е |
преобразователи |
солнечной |
|
анергии в -электрическую
Четвериков Николай Иванович
НАДЕЖНОСТЬ В МИКРОЭЛЕКТРОНИКЕ
Редактор Б. М Васильев Обложка В. И. Пантелеева
Худож. редактор Т. И. Добровольнова Техи. редактор Т. Ф Айдарханова Корректор О. К). Мигун
А02849. Индекс заказа 55312. Сдано в набор |
15/1X 1975 |
г. Под |
|||
писано к печати 10/XI 1975 г. Формат бумаги в.’ХЮв1/». Бумага |
|||||
типографская |
№ 1. |
Бум. я. 1,0. Печ. л 2,0. |
Уел |
л. 3,36. Уч. |
|
нзд. л. 3,50. |
Тираж |
52 88) экз. Издательство |
«Знание» |
101835. |
|
Москва, Центр, проезд Серова, д. 4. Заказ 17*3. Типография |
|||||
Всесоюзного общества «Знание». Москва, Центр, |
НЬвая пл.« |
||||
Д. 3/4. |
|
|
|
|
|
Цепа 11 коп. |
|
|
|
|
|
(g) Издательство «Знание», 1975 г,
П р е д и с л о в и е
Когда дается характеристика современной научнотехнической революции, неизбежно отмечается, что мик роэлектроника является важнейшей частью базы, на которой развивается эта революция. Хотя представле ние о микроэлектронике в том смысле, как она сейчас
понимается, |
сложилось |
лишь за последние |
5— 10 лет, |
в результате |
внедрения |
микроэлектроники |
произошел |
существенный прогресс во внутреннем содержании и внешних функциях радиотехнических устройств и средств электронной автоматики. В вычислительной технике микроэлектроника привела к появлению ЭВМ третьего и четвертого поколений, в связи с чем неизме римо расширились представления о возможностях при менения и перспективах развития систем обработки данных и автоматического управления.
Круг идей, методов и возможностей микроэлектро ники весьма широк. Предлагаемая брошюра Н. И. Чет верикова не является введением во всю сферу проблем микроэлектроники; мало того, она рассчитана на чита теля, знакомого с основными представлениями из этой
области. Основная цель автора |
— показать направле |
ния прогресса микроэлектроники |
и проиллюстрировать, |
с одной стороны, большие возможности, которые здесь имеются, но с другой стороны — охарактеризовать оп ределенные ограничения, которые в настоящее время видны. Не стремясь охватить всю проблематику, автор, тем не менее, выбрал достаточно характерные и акту альные для микроэлектроники и автоматики вопросы.
Рекомендуя данную брошюру широкой читатель ской аудитории, необходимо отметить строгость и глу бину качественной трактовки рассматриваемых явле ний. Автор дает оригинальные оценки и анализ по ряду вопросов, которые мало освещены в литературе. Воз можно, что не все утверждения, приведенные в брошю ре, вызовут единодушную поддержку специалистов — это тем более интересно, поскольку способствует твор ческому поиску в этой новой области техники.
Лауреат Ленинской премии В. К. ЛЕВИН
Ф и з и ч е с к и е п р е д е л ы
м и к р о м и н и а т ю р и з а ц и и
б и п о л я р н ы х
иМ О П - т р а н з и с т о р о в
Развитие современной электроники связано с ее микроминиатюризацией. Чем определяются и каковы пределы уменьшения размеров отдельных элементов интегральных схем? Попытаемся ответить сначала на такой вопрос: а нужно ли беспредельно увеличивать плотность элементов и зачем это делают? Для назем ных машин, непосредственно связанных с человеком, уменьшение размеров само по себе требование не ос новное. Действительно, нет смысла уменьшать размеры устройств, уже составляющих малую часть тех, кото рые осуществляют связь с человеком, т. е. входных или выходных устройств, обязательно имеющих шкалы, эк раны, печатающие устройства или тому подобное. Умень шение размеров как таковое имеет смысл для косми ческой аппаратуры, для приборов глубинной геологиче ской разведки, для специальной медицинской аппара туры и т. д.
Но все фирмы, зарубежные и отечественные, умень шают габариты электронной аппаратуры, потому что это: 1) повышает ее надежность, 2) увеличивает быст родействие и 3) удешевляет ее изготовление; и только вслед за названными преимуществами при микромини атюризации обычной аппаратуры оцениваются такие факторы, как уменьшение массы и габаритов.
Наибольшее достижение современной микроминиа тюризации — интегральные схемы, представляющие со бой пластины однородного кремния, в которых с по мощью методов диффузии, эпитаксиального наращива ния или ионного внедрения, травления, окисления, фо толитографии изготавливают идентичные транзисторы. В том и заключается высокая надежность отдельных транзисторов интегральной схемы, что они изготавли ваются в едином технологическом процессе, в котором непосредственное вмешательство человека сведено до минимума, а разброс параметров обусловлен свойства ми исходных материалов и погрешностями оборудова ния. Чем больше в одной пластине приборов с одина-
новыми параметрами, тем они дешевле, тем надежнее сложная аппаратура, созданная на них.
В качестве резисторов и конденсаторов можно ис пользовать отдельные части транзисторов, а также осажденные из газовой фазы или вакуумным распы лением пленки металлов и диэлектриков. Связь между отдельными транзисторами осуществляется не индиви дуальной пайкой, а токоведущими дорожками, осаж денными на окисленную поверхность кремния и непо средственно на электроды отдельных транзисторов че рез окна, вытравленные в слое окисла. Напомним, что свойства окисла кремния (химическая стойкость, стой кость к влаге, пригодность для процессов фотолито графии) выдвинули кремний на первое место среди полупроводниковых материалов, оттеснив германий, не смотря на некоторые его завидные преимущества, вро де малого падения напряжения на германиевых диодах при небольших прямых токах. Это один из примеров, когда технологичность, т. е. совокупность определенных благоприятствующих физико-химических свойств, доми нирует над чисто физическими характеристиками.
Из года в год растут надежность интегральных кремниевых схем, их быстродействие и количество раз мещенных в них элементов. Это повышение плотности размещения транзисторов и, следовательно, уменьше ние их размеров увеличивает быстродействие схем: чем меньше площадь прибора, тем меньше его емкость , и меньше постоянная RC схемы; чем выше плотность, тем короче межсоединения и меньше время прохождения сигнала. (Как сказывается длина проводников, видно из следующего простого примера. Время задержки сиг нала в современных, предназначенных для электронных вычислительных машин, цифровых интегральных схе мах исчисляется единицами наносекунд (одна наносе кунда равна 10~9 с). За такое же время электромагнит ные колебания проходят путь около 30 см.) Существу ет ли предел уменьшения геометрических размеров отг дельного прибора? Оказывается такой предел есть и он определяется двумя факторами: 1) ухудшением рабочих характеристик; 2) уменьшением надежности. Следова тельно, микроминиатюризация имеет ограничения.
Как же уменьшение размеров влияет на характери
стики приборов, точнее отдельного |
прибора? То |
есть |
мы сводим вопрос об ограничениях |
интегральных |
схем |
к предельным размерам отдельного активного прибора, что правомочно, так как современная электроника, включая интегральные схемы, представляет собой со вокупность дискретных элементов. И поэтому поиски совершенной электрической изоляции между транзи
сторами привели к технологии «кремний |
на сапфире» |
и к оптронам — приборам с идеальной |
электрической |
развязкой {например, системе из излучающего диода или полупроводникового лазера и фотоприемника). Ко нечно, плотность интегральных схем определяется не только размерами отдельного транзистора, но и раз мерами изоляционного слоя между транзисторами. Его мы не рассматриваем.
Также не будем учитывать ограничений современ ных методов создания рисунков схем, диктуемых зако нами оптики, так как если теоретическое предельное разрешение современной фотолитографии равно К/2 — половине длины волны света (например, Я зеленого света равно 0,55 мкм), то ограничения при использова нии управляемого электронного луча намного меньше, и, как будет видно, они не стали определяющими (в на стоящее время применение электронной литографии по зволяет получать полосы шириной в 0,5 мкм).
Исключим из рассмотрения влияние рассеиваемой мощности на габариты приборов. Увеличение допусти мой рабочей температуры деталей приведет в будущем к тому, что миниатюризация будет ограничена именно физическими пределами.
Уменьшению объема полупроводниковых приборов препятствуют следующие физические явления: а) тун нельный эффект; б) наличие конечной области прост ранственного заряда в электронно-дырочных переходах; в) миграция атомов металлов под влиянием внешнего поля; г) флуктуация плотности диффундирующих ато мов вдоль фронта диффузии.
Туннельный эффект связан с прохождением элек тронов через диэлектрический барьер без потерь энер гии, но с потерями их численности. Это чисто кванто вое явление, и объясняет его квантовая механика, кото рая рассматривает двигающийся электрон как волну. Поскольку в формулу прозрачности барьера его толщи на входит в показатель экспоненты со знаком минус, то при малых толщинах диэлектрика прозрачность значи тельна. Так, для конденсаторной структуры при высо
те барьера для электронов 0,1 эВ и при толщине слоя диэлектрика 0,001 мкм, через последний проходит 1% падающих электронов, а при толщине 0,003 мкм только 0,001%. Ясно, что этот эффект ограничивает минималь ную толщину диэлектрика конденсатора и, следователь но, минимальные толщины слоев диэлектрика в МОПтранзисторах. В среднем толщина диэлектрика не долж на быть меньше 0,005 мкм (1 мкм — 10~4 см), чтобы можно было пренебречь туннельным просачиванием электронов.
Другое ограничение связано с тем, что в электрон но-дырочном переходе электронный и дырочный полу проводники разделены областью пространственного за ряда, т. е. областью, в которой отсутствуют подвижные носители и имеется остов заряженных неподвижных ионов: доноров и акцепторов. Область пространственно го заряда расширяется в более высокоомную часть прибора, что и наблюдается в обычных диодах и тран зисторах, так как в них электронно-дырочный переход состоит из областей, отличающихся не только знаком проводимости, но и величиной проводимости. Чем выше проводимость, больше концентрация примесей, тем меньше область пространственного заряда.
Кажется использование высоколегированных полу проводников решает задачу минимизации области про странственного заряда. -Но при контакте вырожденных (т. е. сильно легированных) областей электронной и ды
рочной |
проводимости проявляется туннельный эффект. |
В этом |
случае область пространственного заряда на |
столько тонка, что электроны проходят через нее вслед ствие туннелирования при очень малых прямых смеще ниях, прикладываемых к диоду. Это будут туннельные диоды.
Но даже в тех случаях, когда обе области сильно легированы, но не вырождены (вырождение означает, что носители подчиняются статистике Ферми, как и электроны в металле), малое обратное смещение вызы вает такой изгиб зон, что напротив заполненных уров ней валентной зоны будут свободные уровни зоны про водимости и начнется туннелирование, т. е. резкое воз растание тока при небольших обратных напряжениях, которое называется туннельным пробоем. Так что для обычных электронно-дырочных переходов мы не можем использовать тонкие (тысячные доли микрона) области
пространственного заряда и, следовательно, сильноле гированные полупроводники.
При рассмотрении возможностей повышения плот ности обычных полупроводниковых приборов сущест венно то, что в предельном случае два электронно-ды рочных перехода не могут быть ближе один к другому, чем на расстоянии, равном сумме длин областей про странственного заряда электронного и дырочного полу проводников. Иначе при таком смыкании областей про странственного заряда соседних переходов токи в базе транзистора становятся неуправляемыми и начинается пробой. Действительно, любой свободный носитель, по павший в электрическое поле области пространственно го заряда, будет переброшен этим полем, и кинетиче ские энергии разогнанных носителей могут стать доста точными для ионизации примесей: выбивания электро нов из валентных связей (т. е. перехода электрона из валентной зоны в зону проводимости). Итак уменьше ние длин пространственного заряда может быть достиг нуто увеличением проводимости материала полупровод ника, и это увеличение ограничивается низкими пробив ными напряжениями.
Посмотрим теперь, как сказывается электроперенос атомов на минимальное сечение токоведущмх, напри мер, алюминиевых дорожек. При больших плотностях тока наблюдается разрыв дорожек за относительно не большое время эксплуатации. Оказывается металл пе реносится по направлению к положительному электро ду (обратите внимание на то, что ионы металла имеют положительный заряд).
Теория объясняет передвижение ионов в металлах при наличии электрического поля. Вследствие флуктуа ций тепловой энергии отдельные ионы покидают узлы кристаллической решетки. В изотропных веществах та кие активированные ионы имеют одинаковую вероят ность двигаться в любом направлении. Картина меня ется при приложении напряжения к металлическому проводнику. Пока атом «переваливает» через энергети ческий барьер, созданный соседними атомами, об него ударяются двигающиеся под влиянием внешнего поля электроны проводимости, передавая ему свой импульс. Таким образом, ион получает направленное перемеще ние вдоль электрического поля по направлению движе ния электронов. Итак, в случае поля на ион действуют
две силы: кулоновская сила, перемещающая ион по на правлению поля, и сила увлечения электронами, двига ющая ион в противоположном направлении (напоми наем, что заряд иона положителен, а электрона отрица телен). В зависимости от того, какая сила больше, ион будет двигаться или к катоду или к аноду. Инженеру важно знать скорость переноса вещества при протека нии тока, ее зависимость от величины плотности тока, от состава и структуры проводящей пленки. На эти во просы отвечает пока только эксперимент. Понять и оце нить экспериментальные результаты помогает элемен тарная теория. Ее основные положения заключаются в том, что скорость переноса вещества пропорциональна: а) концентрации возбужденных ионов; б) количеству электронов, проходящих через поперечное сечение про водника в единицу времени и передающих возбужден ным ионам свои импульсы; и в) среднему импульсу электронов.
Причем действием самого поля |
на |
активизирован |
|||
ный ион полностью пренебрегается. |
Так |
концентрация |
|||
активизированных |
ионов |
пропорциональна |
êQRT,jja t |
||
Q — энергия диффузии атомов токоведущей |
дорожки, |
||||
R — универсальная |
газовая |
постоянная, |
а Т — темпера |
||
тура дорожки в |
градусах |
Кельвина. Вышеупомянутое |
количество |
электронов равно jlq9 где / — плотность до |
|
ка, a q — заряд электрона; |
и так. как средний импульс |
|
электронов |
пропорционален |
напряженности электриче |
ского поля, а последняя по закону Ома пропорциональ
на плотности |
тока, то скорость |
переноса |
В |
равна: |
|
A *j2-e' QlR1 (А — постоянная); |
зная |
В легко |
вычислить |
||
среднее время |
наработки на |
отказ, |
т.. е. среднее |
время |
до разрыва , дорожки, разделив площадь поперечного сечения (S) на B :t= S /B .
Были экспериментально исследованы отказы алю миниевых дорожек разной структуры, находившихся при различных температурах и нагрузках. Эксперимен тальные данные подтвердили правильность предпола гаемого механизма. Если построить графики зависимо сти In S/В от 1/Г, то получаются различные значения энергии, самодиффузии Q для мелкозернистых и круп нозернистых пленок при Г<275°, а при более высоких температурах преобладает объемная диффузия с Q, соответствующей энергии самодиффузии объемного алюминия, что и следовало ожидать. Правда, точно
квадратичная зависимость В от плотности тока наблю далась только некоторыми исследователями, в том чис ле и автором вышеприведенной элементарной теории. Обычно в экспериментах наблюдается зависимость ви да B ~ j n, где п > 2.
Итак, это ограничение связано с иепрекращающимися при температурах выше абсолютного нуля скачками ионов из узлов кристаллической решетки в междоуз лия, вследствие тепловых флуктуаций и с направлен ным перемещением этих активированных ионов под влиянием ударов электронов проводимости. Оно при водит к утоньшению проводника и к нежелательному увеличению его сопротивления и подтверждает как все общность принципа, выраженного в русской пословице: «Где тонко, там и рвется», так и высказывания совре менных технологов: чем меньше размеры, тем важнее понимание физики и химики технологических процессов и связанных с ними побочных процессов.
И, наконец, ограничение, связанное с появлением недопустимо больших разбросов параметров транзисто ров, даже одной большой интегральной схемы, когда транзисторы изготовлены в одном технологическом процессе на одной пластине кремния с применением диффузии. Диффузия, как известно, вызвана случайны ми блужданиями отдельных атомов; поэтому нельзя говорить о постоянной концентрации примесных атомов там, где их мало. Например, у фронта диффузии, рас сматриваемой в масштабах отдельных атомов, всегда будут области, где концентрация больше и где она меньше, подобно тому, как это показано на рис. 1.
Когда база транзистора велика, то влияние фрон та кристаллизации на предельные частоты, коэффи циенты усиления и т. д. (т. е. те параметры, в выра жения которых входит толщина базы) пренебрежимо мало. Иное дело, когда толщина базы мала, что харак терно для высокочастотных транзисторов; тогда, грубо говоря, высота зубьев на рис. 1 будет сравнима со средней толщиной базы и наблюдается значительный разброс параметров, связанных с толщиной. Именно таким распределением атомов объясняется разброс в пробивных напряжениях вследствие смыкания, т. е. расширения областей пространственного заряда эмит тера и коллектора до их соприкосновения.
Был проведен расчет распределения примесных ато