книги / Надежность в микроэлектронике

Н . 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.

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

(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

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

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

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

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

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.

ского поля, а последняя по закону Ома пропорциональ­

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