Краткий конспект лекций микро (1)

Краткий конспект лекций.

Модуль 1. Предмет микроэлектроники.

Лекция №1. Введение. Тенденция развития технологии микро- и наноэлектроники. Краткий исторический обзор.

Введение. Три научно-технических революции. Вчера, сегодня и завтра. Типы объектов. Основные определения. Предмет и роль микроэлектроники. Методы производства и планарная технология. Новая элементная база микроэлектроники и приборы на основе нанотехнологий. Проблема безопасности нанотехнологии.

Достижения электроники перевернули образ жизни совре­менного человека. Мы уже не мыслим свое существование без компьютера, сотового телефона, телевизора и т.д. Развитие элек­троники произошло благодаря успешному освоению человеком нового материала - кремния.

Придумывая и развивая новые способы получения и обработ­ки материалов, человек создавал новые технологии. Слово «тех­нология» произошло от греческих слов «techne» - искусство, ма­стерство, умение и «logos» - наука.

Можно дать следующее определение: технология - это сово­купность средств и методов обработки, изготовления, изменения состояния, свойств, формы сырья или материала в процессе про­изводства продукции.

Электроника — это область науки, техники и производства, охватывающая исследование и разработку электронных прибо­ров и принципов их использования.

Микроэлектроника — это раздел электроники, охватываю­щий исследования и разработку качественно нового типа элект­ронных приборов — интегральных микросхем — и принципов их применения.

Интегральная микросхема (или просто интегральная схема) есть совокупность, как правило, большого количества взаимо­связанных компонентов (транзисторов, диодов, конденсаторов, резисторов и т.п.), изготовленная в едином технологическом цикле (т.е. одновременно), на одной и той же несущей конст­рукции — подложке — и выполняющая определенную функ­цию преобразования информации.

Лекция №2. Технологические основы микро- и наноэлектроники.

Введение. Подготовительные операции. Эпитаксия.

Технология полупроводниковых ИС развилась на основе планарной технологии транзисторов, а последняя, в свою оче­редь, впитала в себя весь предшествующий опыт производства полупроводниковых приборов. Поэтому чтобы разбираться в технологических циклах изготовления ИС, необходимо ознако­миться с типовыми технологическими процессами, из которых эти циклы складываются. Технология ГИС также зародилась не на пустом месте, а обобщила и развила те методы нанесения пленок, которые ранее использовались в радиотехнической промышленности, машиностроении и оптике.

Подготовительные операции. Монокристаллические слитки крем­ния, как и других полупроводников, получают обычно путем кристаллиза­ции из расплава — методом Чохральского. Слитки кремния разрезают на множество тонких пластин (толщиной 0,4-0,5 мм), на которых затем изготавливают ин­тегральные схемы или другие приборы. Перед началом основных технологиче­ских операций пластины многократно шлифуют, а затем полиру­ют. Полировка состоит в удалении обоих нарушенных слоев и снижении неровностей поверхности до уровня, свойственного оптическим системам — сотые доли микрона. Помимо механи­ческой (с помощью еще более мелкозернистых суспензий), ис­пользуется химическая полировка (травление), т.е. по сущест­ву растворение поверхностного слоя полупроводника в тех или иных реактивах. Важным процессом в полупроводниковой технологии явля­ется также очистка поверхности от загрязнений органическими веществами, особенно жирами. Травление, очистка и многие другие процессы сопровождают­ся отмывкой пластин в деионизованной воде.

Эпитаксия. Эпитаксией называют процесс наращивания монокристал­лических слоев на подложку, при котором кристаллографиче­ская ориентация наращиваемого слоя повторяет кристаллогра­фическую ориентацию подложки.

Схема хлоридного процесса эпитаксии: 1 — кварцевая труба; 2 — катушка ВЧ нагрева; 3 — тигель с пластинами; 4 — пластина крем­ния; 5 — вентиль для перекрытия соответствующего газа; в — измеритель

скорости потока

Лекция №3. Технологические основы микро- и наноэлектроники.

Термическое окисление. Легирование. Травление.

Окисление кремния — один из самых характерных процес­сов в технологии современных ИС. Получаемая при этом плен­ка двуокиси кремния (SiО₂) выполняет несколько важных фун­кций, в том числе:

• функцию защиты — пассивации поверхности и, в частно­сти, защиты вертикальных участков р-n-переходов, выхо­дящих на поверхность (рис. 2.4, а);

• функцию маски, через окна которой вводятся необходимые примеси (рис. 2.4, б);

функцию тонкого диэлектрика под затвором МОП-транзи­стора.

Внедрение примесей в исходную пластину (или в эпитаксиальный слой) путем диффузии при высокой температуре являет­ся исходным и до сих пор основным способом легирования полупроводников с целью создания диодных и транзисторных структур. Способы диффузии. Диффузия может быть общей и локальной. Диффузию можно проводить однократно и многократно.

Классический процесс химического травления состоит в хи­мической реакции жидкого травителя с твердым телом с обра­зованием растворимого соединения; последнее смешивается с травителем и в дальнейшем удаляется вместе с ним. Переход поверхностного слоя твердого тела в раствор означает удаление этого слоя. Однако, в отличие от механического удаления, травление обеспечивает гораздо большую прецизионность про­цесса: стравливание происходит плавно — один мономолеку­лярный слой за другим. Подбирая травитель, его концентра­цию, температуру и время травления, можно весьма точно ре­гулировать толщину удаляемого слоя. Электролитическое травление. Ионное травление. Анизотропное травление.

Лекция №4. Нанолитография.

Электронно-лучевая литография, профилирование резистов сканирующими зондами.

Размеры элементов интегральных микросхем определяются, главным образом, литографическими процессами. Этот технологический домен постоянно развивается для того, чтобы отвечать все возрастающим требованиям микро- и наноэлектроники. В нанометровом диапазоне размеров используют два основных подхода.

Первый берет свое начало из микроэлектронной технологии и использует принципы оптической, рентгеновской и электронно-лучевой литографии. Уменьшение длины волны света, используемого для экспонирования фоторезиста, так же как и применение рентгеновского излучения и электронных потоков, обеспечивает создание рисунков с размером элементов менее 100 нм.

Другой подход является типично нанотехнологическим, поскольку основывается на использовании сканирующего зонда – инструмента, обладающего самым высоким разрешением и позволяющего манипулировать даже индивидуальными атомами.

Создание наноструктур взрывной литографией с использованием позитивного резиста (РММА): а – электронно-лучевое эоспонирование пленки резиста, б – проявление резиста, в – осаждение металла, г – взрывное удавление резиста и металла на поверхсности

Чернильная печать: а – штамп, покрытый чернилами из мономера, и подложка перед печатью; б – рисунок пленки, оставшейся на поверхности пожложки после удаления штампа

Модуль 2. Интегральные схемы.

Лекция №5. Интегральные схемы.

Введение. Логические элементы. Параметры логических элементов.

Интегральными микросхемами называют миниатюрные электронные устройства, выполняющие определенные функции преобразования и обработки сигналов и содержащие большое число активных и пассивных элементов (от нескольких сотен до нескольких десятков тысяч) в сравнительно небольшом корпусе.

Степень интеграции. Вид обрабатываемого сигнала. Контроль качества. Классификация. Корпуса микросхем.

Параметры логических элементов. Средняя статическая потребляемая мощность. Среднее время задержки распространения сигнала. Средняя работа переключения (А_ср). Средняя динамическая потребляемая мощность (Р_{дин ср}). Статическая помехоустойчивость. Коэффициент объединения по входу К_об. Коэффициент разветвления по выходу К_раз.

Лекция №6. Интегральные схемы.

Интегральные триггеры. Запоминающие устройства. Большие и свехбольшие интегральные схемы.

Любой триггер является совокупностью нескольких определенным образом соединенных логических элементов. RS-триггер. RST-триггер. Т-триггер. JK-триггер.

Запоминающие устройства. В цифровой аппаратуре, и прежде всего в ЭВМ, системы па­мяти или запоминающие устройства (ЗУ) занимают важнейшее место. Системы памяти делятся на внешние и внутренние. Внешние ЗУ до сих пор реализуются на магнитных лентах и магнитных или оптических дисках. Внутренние ЗУ (т.е. ЗУ, конструктивно объединенные с электронными блоками) на ран­них этапах развития ЭВМ выполнялись на ферритовых сердеч­никах с прямоугольной петлей гистерезиса, а с конца 70-х го­дов — в основном на ИС. Оперативные ЗУ. Информационная емкость. Минимальный период обращения (Т_{обр мин}). Удельная стоимость одного бита информации. Постоянные запоминающие устройства (ПЗУ).

Общая характеристика БИС. БИС на базовых матричных кристаллах. Программируемые логические матрицы. Проблемы повышения степени интеграции. Проблема теплоотвода. Проблема межсоединений. Проблема контроля параметров. Физические ограничения на размеры элементов. Большие гибридные интегральные схемы (БГИС).

Лекция№7. Интегральные схемы.

Операционные усилители. Надежность интегральных схем.

В настоящее время основными аналоговыми функциями принято считать: усиление, сравнение, ограничение, перемно­жение и частотную фильтрацию сигналов. Каждая из этих фун­кций, вообще говоря, выполняется особым классом аналоговых ИС. Однако все эти специализированные ИС, как правило, про­исходят от основного, наиболее универсального и многофунк­ционального узла — операционного усилителя (ОУ), которому и посвящен данный раздел.

Общая характеристика. Операционным усилителем (ОУ) принято называть усилитель постоянного тока с дифференциаль­ным входом и однотактным выходом, характерный высоким коэффициентом усиления, а также большим входным и малым вы­ходным сопротивлениями. Основные параметры ОУ. Схемные решения. Способы уменьшения дрейфа. Многофункциональность ОУ. Методы оценки надежности.

Модуль 3. Электроника – практический курс.

Лекция №8. Лазеры.

Квантовая электроника в современной жизни людей. Принцип работы лазера. Трехуровневые и четырехуровневые среды.

Лазер - устройство, преобразующее энергию накачки (световую, электрическую, тепловую, химическую и др.) в энергию когерентного, монохроматического, поляризованного и узконаправленного потока излучения.

Физической основой работы лазера служит квантовомеханическое явление вынужденного (индуцированного) излучения. Излучение лазера может быть непрерывным, с постоянной мощностью, или импульсным, достигающим экстремально больших пиковых мощностей. В некоторых схемах рабочий элемент лазера используется в качестве оптического усилителя для излучения от другого источника. Существует большое количество видов лазеров, использующих в качестве рабочей среды все агрегатные состояния вещества. Некоторые типы лазеров, например лазеры на растворах красителей или полихроматические твердотельные лазеры, могут генерировать целый набор частот (мод оптического резонатора) в широком спектральном диапазоне. Габариты лазеров разнятся от микроскопических для ряда полупроводниковых лазеров до размеров футбольного поля для некоторых лазеров на неодимовом стекле. Уникальные свойства излучения лазеров позволили использовать их в различных отраслях науки и техники, а также в быту, начиная с чтения и записи компакт-дисков и заканчивая исследованиями в области управляемого термоядерного синтеза.

Лекция №9. Лазеры.

Процессы накачки (оптическая накачка, электрическая накачка, химическая накачка, лазерная накачка). Оптические резонаторы.

Система накачки. Для создания инверсной населённости среды лазера используются различные механизмы. В твердотельных лазерах она осуществляется за счёт облучения мощными газоразрядными лампами-вспышками, сфокусированным солнечным излучением (так называемая оптическая накачка) и излучением других лазеров (в частности, полупроводниковых). При этом возможна работа только в импульсном режиме, поскольку требуются очень большие плотности энергии накачки, вызывающие при длительном воздействии сильный разогрев и разрушение стержня рабочего вещества. В газовых и жидкостных лазерах используется накачка электрическим разрядом. Такие лазеры работают в непрерывном режиме. Накачка химических лазеров происходит посредством протекания в их активной среде химических реакций. При этом инверсия населённостей возникает либо непосредственно у продуктов реакции, либо у специально введённых примесей с подходящей структурой энергетических уровней. Накачка полупроводниковых лазеров происходит под действием сильного прямого тока через p-n переход, а также пучком электронов. Существуют и другие методы накачки (газодинамические, заключающиеся в резком охлаждении предварительно нагретых газов; фотодиссоциация, частный случай химической накачки и др.).

Иллюстрация вынужденного излучения.

В ширину спектральной линии, изображённой на рисунке зелёным цветом, укладывается три собственных частоты резонатора. В этом случае генерируемое лазером излучение будет трехмодовым. Для фиолетовой линии излучение будет чисто монохроматическим.

Зеркала лазера не только обеспечивают существование положительной обратной связи, но и работают как резонатор, усиливая одни генерируемые лазером моды, соответствующие стоячим волнам данного резонатора, и ослабляя другие. Если на оптической длине L резонатора укладывается целое (в смысле «не дробное») число полуволн n, то такие волны, проходя по резонатору не меняют своей фазы и вследствие интерференции усиливают друг друга.

Лекция №10. Лазеры.

Лазеры на гомоперходе (что такое гомопереход, как его сделать). Лазеры на двойном гетеропереходе (что такое гетеропереход, как его сделать).

Классификация p-n-переходов. Гомо- и гетеропереход. Принцип работы и конструкция инжекционного лазера на гомопереходе. Основные материалы. Параметры инжекционных лазеров (внешний квантовый выход, КПД, спектральная характеристика излучения, диаграмма направленности). Полупроводниковые инжекционные лазеры на гетеропереходах. Энергетические диаграммы одинарного и двойного гетероперехода, их свойства. Распространение света в двойной гетероструктуре.

Структура эпитаксиальных слоев инжекционного лазера

на квантовых ямах

Лекция №11. МикроЭВМ и их применения.

Что делает компьютер. Электронная арифметика. Запоминающие устройства.

Микропроцессоры и микроЭВМ стали новым массовым классом ЭВМ вследствие малой материалоемкости и стоимости , низкого энергопотребления и высокой надежности. Отечественной промышленностью ежегодно производится несколько десятков тысяч микроЭВМ), сотни тысяч микропроцессоров и микрокалькуляторов на их основе. Разрабатываются операционные системы общего применения и стандартное программное обеспечение микроЭВМ.

Микропроцессоры и микроЭВМ применяют в различных областях народного хозяйства (в управлении технологическими процессорами, информационных и измерительных комплексах, энергетике, медицине и др.). На базе выпускаемых микропроцессоров и микроЭВМ созданы высокопроизводительные устройства числового программного управления. Крупносерийное производство ряда моделей мини-ЭВМ позволяет начать работы по созданию нескольких типов проблемно-ориентированных комплексов для автоматизации научных исследований и технологических процессов. Особое значение микроЭВМ приобретают в связи с реализацией школьной реформы. МикроЭВМ положены в основу организуемых в каждой школе учебных классов по дисциплине «Основы информатики и вычислительной техники».

Микропроцессор – функционально законченное устройство обработки информации, управляемое хранимой в памяти программой. Появление микропроцессоров (МП) стало возможным благодаря развитию интегральной электроники. Это позволило перейти от схем малой и средней степени интеграции к большим и сверхбольшим интегральным микросхемам (БИС и СБИС).

По логическим функциям и структуре МП напоминает упрощенный вариант процессора обычных ЭВМ. Конструктивно он представляет собой одну или несколько БИС или СБИС.

По конструктивному признаку МП можно разделить на однокристальные МП с фиксированной длиной (разрядностью) слова и определенной системой команд; многокристальные (секционные) МП с наращиваемой разрядностью слова и микропрограммным управлением (они состоят из двух БИС и более).

Электронная арифметика. Сложение. Вычитание. Двоичное умножение и деление. Биты, байты и полубайты. Шина данных. Запоминающие устройства. МикроЭВМ.

Модуль 4. Основы наноэлектроники.

Лекция №12. Элементы низкоразмерных структур.

Свободная поверхность и межфазные границы. Свехрешетки. Моделирование атомных конфигураций.

Свободная поверхность любого твердого тела образует естественный потенциальный барьер. Разрешенные энергетические состояния электронов изменяются скачкообразно над поверхностью. Высота и пространственная конфигурация такого барьера определяются расположением атомов твердого тела на поверхности и окружающей поверхность средой, в особенности

чужеродными (примесными) атомами и молекулами, адсорбированными на ней. Поверхностные свойства кристаллов, находящихся в вакууме, задаются несколькими приповерхностными моноатомными слоями, которые по своей атомной конфигурации отличаются от объема кристалла. Поверхностный слой кристалла, свободный от адсорбированных частиц, обычно подвержен структурным изменениям, которые называют реконструкцией. В некоторых редких случаях, однако, он может оставаться нереконструированным.

Межфазные границы образуются между материалами с различными физическими свойствами. В случае полупроводников, среди всех возможных комбинаций сочетания монокристаллической, поликристаллической и аморфной фаз, граница между двумя монокристаллическими областями имеет наиболее управляемые и воспроизводимые свойства. Монокристаллическую пленку из одного материала, воспроизводящую постоянную решетки монокристаллической подложки из другого материала, называют сверхрешеткой. Когда оба материала имеют идентичные или очень близкие постоянные решеток, они образуют так называемые псевдоморфные сверхрешетки. Среди полупроводников таких материалов очень мало. Между тем идентичность постоянных решеток не является строго необходимым условием для псевдоморфного роста одного материала на другом.

Лекция №13. Структуры с квантовым ограничением внешним электрическим полем.

Квантовые колодцы. Модуляционно-легированные структуры. Дельта-легированные структуры.

Структура, состоящая из полупроводников с различной шириной запрещенной зоны или полупроводника и диэлектрика, в которой наноразмерная область из материала с меньшей шириной запрещенной зоны находится между областями из материала с большей шириной запрещенной зоны, действует как квантовый колодец для подвижных носителей заряда. Материал с меньшей шириной запрещенной зоны образует собственно колодец, а соседние области с большей запрещенной зоной создают потенциальные барьеры, играющие роль стенок для этого колодца. Повторение такой структуры в пространстве дает периодические квантовые колодцы.

В модуляционно-легированной структуре донорная примесь обычно вводится в полупроводник с большей шириной запрещенной зоны. Структура сохраняет свою электрическую нейтральность до тех пор, пока электроны находятся у своих донорных атомов. Как только они покидают донорные атомы (вследствие тепловой активации при T > 0 K), они пересекают границу раздела и скатываются в соседнюю область – область с более низкой потенциальной энергией. Там они теряют свою энергию и оказываются захваченными в приграничной области, поскольку не имеют возможности преодолеть потенциальный барьер ∆E c и вернуться обратно. Так электроны оказываются пространственно отделенными от сильнолегированной донорной примесью области полупроводника, где они были произведены. Скатившиеся в

потенциальную яму электроны индуцируют электростатический потенциал, толкающий их обратно. В результате у границы гетероперехода для них образуется квантовый колодец с примерно треугольным пространственным профилем распределения потенциала.

Полупроводниковую структуру с существенно неравномерным профилем распределения примеси, характеризуемым локализацией примесных атомов в очень тонком внутреннем слое, идеально в пределах одного монослоя, называют дельта-легированной (δ-легированной) структурой.

Лекция №14. Структуры с квантовым ограничением внутренним электрическим полем.

Структуры металл-диэлектрик-полупроводник. Структуры с расщепленным затвором.

Структура полевого транзистора металл/окисел/полупроводник и его

энергетическая диаграмма, иллюстрирующая образование двумерного

электронного газа в нем

Структура с расщепленным электродом, обеспечивающая

формирование одномерных и нуль-мерных элементов в скрытом слое

двумерного электронного газа

Лекция №15. Формирование наноструктурированных материалов.

Пористый кремний. Пористый оксид алюминия и структуры на его основе. Углеродные нанотрубки.

Существует группа материалов с естественным наноструктурированием, что делает их привлекательными для использования в наноэлектронных и оптоэлектронных приборах. Среди таких материалов – пористый кремний, пористый оксид алюминия и углеродные нанотрубки.

Принципиальное устройство однокамерной ячейки

для электрохимического анодирования

Свойства пористого слоя, такие, как пористость (доля пустот в слое), толщина, размер и структура пор, зависят от свойств кремния и условий анодирования. Наиболее значимыми факторами являются: тип проводимости, удельное сопротивление и кристаллографическая ориентация кремния, также как и концентрация HF в электролите, pH электролита и наличие в нем других соединений, температура, плотность анодного тока, освещенность анодируемой поверхности, перемешивание электролита и продолжительность анодной обработки. Оптимальное управление процессом формирования пористого слоя и воспроизводимость характеристик от процесса к процессу требуют тщательного контроля за этими факторами.

Пористый анодный оксид алюминия обладает уникальной «собственной» структурой, позволяющей изготавливать столбиковые, нитевидные, точечные, конусообразные и другие элементы с нанометровыми размерами, которые невозможно получить и воспроизвести известными методами микрообработки, в частности, литографии. Особенностями структуры являются: равномерное распределение микроскопических пор с диаметром от субмикронного до нанометрового диапазона; расположение вертикально направленных пор с высоким аспектовым отношением (до1000) на почти одинаковом расстоянии друг от друга; высокая воспроизводимость геометрических параметров структуры на образцах большой площади; возможность управления геометрическими размерами пор и ячеек пористого оксида путем изменения состава электролита и режимов электрохимической обработки.

Углеродные нанотрубки являются одной из интригующих естественно самособранных наноструктур. Они существуют в двух основных формах – одностенные и многостенные нанотрубки. Одностенная углеродная нанотрубка может быть представлена как лист из графита моноатомной толщины, свернутый в трубку. Такой листовой графит называют графен.