Kopia_UChEBNIK_D_Zatsepina_28_11_08_06g

	Предисловие . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .	7
	Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .	9
	ЧАСТЬ 1. МИКРОЭЛЕКТРОНИКА . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .	11
Глава 1.	Общая характеристика микроэлектроники. Принципы функционирования элементов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .	11
1.1.	Основные определения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .	11
1.2.	Классификация изделий микроэлектроники . . . . . . . . . . . . . . . . .	13
1.3.	Физические явления, используемые в интегральной микроэлектронике . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .	15
1.4.	Процессы и явления, определяющие функционирование интегральных схем (ИС) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .	15
1.5.	Контактные явления в микроэлектронных структурах . . . . . . . . .	17
1.6.	Поверхностные явления в полупроводниках . . . . . . . . . . . . . . . .	19
1.7.	Механизмы переноса носителей заряда . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .	20
Глава 2.	Базовые физико-химические методы создания микроэлектронных структур . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .	22
2.1.	Очистка поверхности пластин для ИС . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .	22
2.2.	Получение полупроводниковых монокристаллов методом вытягивания из расплава . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .	23
2.3.	Термическое окисление . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .	24
2.4.	Эпитаксия . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .	26
2.5.	Фотолитография . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .	27
2.6.	Диффузия . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .	29
2.7.	Ионная имплантация (ионное легирование) . . . . . . . . . . . . . . . . .	32
2.8.	Металлизация . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .	34
Глава 3.	Типы подложек интегральных схем, их основные характеристики и процессы изготовления подложек . . . . . . .	35
3.1.	Изготовление подложек ИС . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .	35
3.2.	Резка слитков и пластин . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .	38
3.3.	Оптический метод ориентации полупроводниковых пластин . . .	39
3.4.	Шлифовка и полировка пластин . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .	43
3.5.	Строение нарушенного слоя после механической обработки пластины . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .	45
Глава 4.	Технология химической обработки подложек для интегральных микросхем . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .	49
4.1.	Механизм химической обработки кремниевых пластин . . . . . . .	49
4.2.	Термохимическое (газовое) травление . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .	55
4.3.	Ионно-плазменное травление . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .	58
Глава 5.	Диэлектрические пленки в ИС. Методы их получения. Технологии изготовления гибридных ИС . . . . . . . . . . . . . . . .	61
5.1.	Конструктивно-технологические функции диэлектрических плёнок . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .	61
5.2.	Формирование плёнок SiO₂ термическим окислением кремния	62

5.3.	Методы получения диэлектрических пленок в технологии гибридных ИС . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .	68
5.3.1.	Термовакуумное реактивное испарение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .	68
5.3.2.	Анодное окисление . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .	69
5.3.3.	Ионно-плазменное окисление . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .	69
5.3.4.	Ионно-плазменное распыление . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .	70
Глава 6.	Ионное легирование полупроводников . . . . . . . . . . . . . . . . . .	71
6.1.	Общие принципы процесса ионного легирования . . . . . . . . . . . .	71
6.2.	Отжиг дефектов и электрические свойства слоёв . . . . . . . . . . . . .	80
6.3.	Импульсный лазерный отжиг . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .	81
6.4.	Маскирование в процессах ионного легирования . . . . . . . . . . . .	82
6.5.	Маскирование фоторезистами . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .	83
6.6.	Маскирование пленками металлов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .	83
Глава 7.	Элионные методы литографических процессов . . . . . . . . . . . .	85
7.1.	Электронно-лучевая литография . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .	85
7.2.	Рентгенолучевая литография (РЛЛ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .	88
7.2.1.	Особенности экспонирования в РЛЛ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .	89
7.2.2.	Технология рентгенолитографических процессов . . . . . . . . . . . .	90
7.2.3.	Выбор резистов для РЛЛ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .	93
Глава 8.	Пленки в технологии ИС, микросборок и коммутационных элементов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .	96
8.1.	Металлические пленки для ИС . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .	96
8.2.	Технология коммутационных элементов ИС . . . . . . . . . . . . . . . .	98
8.3.	Технология пленочных резисторов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .	101
8.4.	Чистый металл и сплавы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .	102
8.5.	Керметы (микрокомпозиционные пленки) . . . . . . . . . . . . . . . . . . .	102
8.6.	Изготовление тонкопленочных конденсаторов . . . . . . . . . . . . . .	104
8.7.	Монооксид кремния SiO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .	106
8.8.	Пятиокись тантала Та₂О₅ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .	107
8.9.	Оксид алюминия Al₂O₃и диоксид кремния SiО₂. . . . . . . . . . . . . .	108
8.10.	Диоксид титана ТiО₂ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .	109
Глава 9.	Монтаж кристаллов ИС на носителях. Типы носителей. Особенности сборки ИС в корпуса . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .	110
9.1.	Конструктивно-технологические варианты монтажа . . . . . . . . .	110
9.2.	Изготовление ленточных носителей . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .	112
9.3.	Получение внутренних выводов на кристаллах ИС . . . . . . . . . . .	114
9.4.	Монтаж кристалла ИС на гибкую ленту . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .	116
9.5.	Монтаж гибридных ИС и микросборок . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .	117
9.6.	Особенности сборки сверхбыстродействующих ИС и процессоров . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .	120
Глава 10.	Технология герметизации ИС и МП . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .	123
10.1.	Пассивирующие и защитные покрытия ИС . . . . . . . . . . . . . . . . .	123
10.2.	Принципы герметизации ИС в корпусах . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .	125
10.3.	Герметизация ИС в металлических корпусах . . . . . . . . . . . . . . . .	127


	ЧАСТЬ 2. НАНОЭЛЕКТРОНИКА . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .	136
Глава 11.	Теоретические основы наноэлектроники. Одноэлектронные приборы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .	136
11.1.	Проблемы наноэлектроники (одноэлектроники) . . . . . . . . . . . . . .	136
11.2.	Базовая теория кулоновской блокады . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .	138
11.3.	″Кулоновская лестница″ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .	142
11.4.	Со – туннелирование . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .	143
11.5.	Квантовые размерные эффекты . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .	144
11.6.	Классификация одноэлектронных приборов . . . . . . . . . . . . . . . . .	145
11.7.	Одноэлектронный прибор на основе сканирующего туннельного микроскопа . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .	146
11.8.	Субмикронный вертикальный одноэлектронный транзистор (транзистор Остина) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .	147
11.9.	Применение одноэлектронных приборов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .	149
Глава 12.	Наночастицы и нанокластеры . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .	151
12.1.	Свойства наночастиц и их характеристики . . . . . . . . . . . . . . . . . . .	151
12.2.	Теоретическое моделирование наночастиц (модель ″желе″) . . . .	153
12.3.	Геометрическая и электронная структуры нанокластеров . . . . . .	155
12.4.	Реакционная способность наночастиц . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .	159
12.5.	Флуктуационные наноструктуры . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .	160
12.6.	Магнитные кластеры . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .	161
12.7.	Переход от макро- к нано- . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .	163
12.8.	Полупроводниковые наночастицы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .	164
12.9.	Кулоновский взрыв . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .	165
12.10.	Молекулярные кластеры . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .	166
12.11.	Методы синтеза наночастиц . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .	167
12.12.	Химические методы синтеза наночастиц . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .	168
12.13.	Термолиз . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .	169
12.14.	Импульсные лазерные методы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .	170
Глава 13.	Углеродные наноструктуры . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .	172
13.1.	Природа углеродной связи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .	172
13.2.	Малые углеродные кластеры – С₆₀ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .	173
13.3.	Неуглеродная шарообразная молекула . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .	175
13.4.	Углеродные нанотрубки . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .	176
13.4.1.	Методы получения нанотрубок . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .	176
13.4.2.	Электрические свойства нанотрубок . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .	179
13.4.3.	Колебательные свойства нанотрубок . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .	181
13.4.4.	Механические свойства нанотрубок . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .	182
13.5.	Применение углеродных нанотрубок . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .	184
13.5.1.	Полевая эмиссия и экранирование . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .	184
13.5.2.	Информационные технологии, электроника . . . . . . . . . . . . . . . . .	185
13.5.3.	Топливные элементы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .	187
13.5.4.	Химические сенсоры . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .	188
13.5.5.	Катализ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .	188
13.5.6.	Механическое упрочнение материалов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .	189
Глава 14.	Объемные наноструктурированные материалы: разупорядоченные и кристаллизованные . . . . . . . . . . . . . . . .	192
14.1.	Методы синтеза разупорядоченных структур . . . . . . . . . . . . . . .	192
14.2.	Механизмы разрушения традиционных материалов . . . . . . . . . . .	195
14.3.	Механические свойства наноструктурированных материалов . .	196
14.4.	Многослойные наноструктурированные материалы . . . . . . . . . .	199
14.5.	Электрические свойства наноструктурированных материалов . .	201
14.6.	Нанокластеры в оптическом материаловедении . . . . . . . . . . . . . .	204
14.7.	Пористый кремний . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .	206
14.8.	Упорядоченные наноструктуры . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .	209
14.8.1.	Упорядоченные структуры в цеолитах . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .	210
14.8.2.	Кристаллы из металлических наночастиц . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .	211
14.8.3.	Нанокристаллы для фотоники . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .	211
Глава 15.	Наноприборы и наномашины . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .	215
15.1.	Микроэлектромеханические устройства (MEMS) . . . . . . . . . . . . .	215
15.2.	Наноэлектромеханические системы (NEMS) . . . . . . . . . . . . . . . . .	217
15.3.	Наноактуаторы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .	219
15.4.	Молекулярные и супрамолекулярные переключатели . . . . . . . . .	224
	Заключение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .	231
	БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .	233

ПРЕДИСЛОВИЕ

Настоящее учебник адресован студентам вузов, аспирантам и научным работникам, специализирующимся в области физической электроники, информационных технологий и инженерных наук, а также специалистам производственных организаций и предприятий, желающим освежить и дополнить свои знания по данной тематике.

Основной задачей учебного курса является систематизация физических принципов конструирования, изготовления и функционирования интегральных микросхем различной степени сложности, а также анализ возможных перспективных направлений развития микроэлектроники в ближайшем будущем. Овладев изложенным материалом, читатель получит базовые знания, которые необходимы как для дальнейшего углубленного изучения физики электронных систем, схемотехники и сверхбыстродействущих микропроцессоров, так и для понимания принципов и условий функционирования различных радиоэлектронных устройств, в которых применяются интегральные схемы.

В предлагаемой книге материал скомпонован и подан таким образом, чтобы удовлетворить современные требования к преподаванию научно-технических дисциплин в высших учебных заведениях. Для этого учтены и систематизированы достижения отечественной и зарубежной микроэлектронной промышленности за последние десятилетия, приведены примеры возможного практического использования микро- и наноэлектронных устройств, находящихся в стадии концептуальных разработок, широко используются сравнительные диаграммы, схемы и таблицы. Выбранный метод изложения обусловлен желанием сделать материал более доступным для самостоятельного обучения. Однако в этом случае предполагается, что читатель хорошо знаком с дифференциальным и интегральным исчислением, уравнениями в частных производных и обладает необходимыми познаниями из курсов физики твердого тела и квантовой механики.

Исторически микроэлектроника как научно-техническая отрасль развивалась более полувека, тогда как нанотехнологии (и, в частности, наноэлектроника) стали развиваться только в последние 10-15 лет. Эта особенность определила характер изложения материала в учебнике. Значительная по объему часть 1 посвящена физическим основам технологии микроэлектроники. В части 2 рассматриваются теоретические аспекты наноэлектроники и методы получения наноразмерных объектов. Такая последовательность изложения материала, по мнению авторов, позволяет подчеркнуть известную преемственность технологий при переходе от микро- к наноэлектронике. Рассмотрены получение и свойства отдельных наночастиц и атомных кластеров, объёмных наноматериалов. Отмечены новейшие области применения нанотехнологий, наноприборов и наномашин. В целом данный подход обеспечивает возможность акцентирования внимания читателей на принципиальной новизне используемых в наноэлектронике технологических методов анализа и контроля.

Следует заметить, что представленный в настоящем учебном издании материал характеризуется лаконичной формой изложения. Это связано, с одной стороны, ограниченным объемом книги, а с другой стороны, обширностью затронутой тематики. По этой причине читателю предлагается для более глубокого изучения и усвоения материала по ряду вопросов воспользоваться дополнительными литературными источниками, список которых приведен в конце учебника.

Авторы считают своим долгом выразить глубокую признательность творческим вдохновителям этого учебного издания − Анатолию Федоровичу Зацепину, Эрнсту Загидовичу Курмаеву и Анатолию Зотеевичу Меньшикову, с которыми интенсивно обсуждались рассматриваемые в книге вопросы физики и технологии микро- и наноэлектроники.

ВВЕДЕНИЕ

Эра электроники начинается с открытия Дж.Томсоном в 1897 году электрона и создания первоначального варианта теории электропроводности твёрдого тела. В 1905 г. А.Флемингом была разработана конструкция вакуумного диода, а Гертель и Эльстел (1905) создали фотоэлемент. В 1923 году Шоттки опубликовал теорию твёрдотельного выпрямителя – первую теоретическую работу в области полупроводников, выполненную с применением квантово-механических расчётов и положившую начало твёрдотельной электронике.

Наиболее сильный импульс в развитии электронная промышленность получила в 40-е годы прошлого века, когда были созданы технические основы миниатюризации изделий радиоэлектроники. В этот период были разработаны новые материалы и технологические приемы изготовления твёрдотельных устройств, однако наиболее важным следует считать осознание факта преимущества твёрдотельных электронных приборов перед электровакуумными (габариты, долговечность, рабочий диапазон). Была сформулирована основная концепция прикладной электроники:

отказ от приборов с накаливаемыми катодами;
применение твёрдотельных материалов, электропроводность которых меняется под действием электрических факторов;
дальнейшая миниатюризация электронных устройств.

Результатом претворения данной концепции в жизнь явилось создание устройств на дискретных компонентах, выполненных из Si (автогенератор Килби, 1959 г.). Первые цифровые схемы на дискретных биполярных транзисторах появились в 1962 г. В это же время были созданы монолитные микросхемы, выполненные на общей кремниевой подложке. Поэтому можно считать, что собственно эра микроэлектроники начинается именно с 1962 г. Дальнейшее развитие микроэлектронных устройств представлено в следующей таблице:

Эволюция миниатюрных электронных устройств

Степень интеграции	Начало внедрения	Число элемен-тов на одном кристалле	Область применения
Малая	Начало 60-х годов	От 3 до 30	Базовые логические элементы
Средняя	Середина и конец 60-х	От 30 до 300	Сумматоры, запоминающие устройства на 256 бит
Большая (БИС)	Начало 1970-х	От 300 до 3000	Калькуляторы, запоминающие устройства с произвольным доступом на 1-16 кбит
Сверхболь-шая (СБИС)	Конец 70-х – наши дни	>>30000	Устройства памяти, процессоры ЭВМ

На основе представленных в таблице данных можно сформулировать основную тенденцию развития прикладной микроэлектроники – рост числа элементов, размещаемых на одном кристалле, сопровождающийся уменьшением их геометрических размеров.

Достижения физики твердого тела, квантовой электроники и полупроводниковой технологии в последние десятилетия XX века привели к возникновению новой отрасли науки – наноэлектроники. По мере приближения размеров к нанометровой области (когда формируются образования из единиц и десятков атомов) все в большей степени проявляются квантовые свойства электрона, что открывает перспективы создания принципиально новых устройств. Содержание наноэлектроники как прикладной науки состоит в изучении физико-химических закономерностей формирования микроэлектронных структур с размерами от единиц до десятков нанометров, установлении основных механизмов поведения электронов в тончайших слоях и многослойных структурах, в разработке принципов создания нового поколения быстродействующих сверхминиатюрных электронных устройств.

Большой вклад в создание и развитие наноэлектроники, этой важнейшей области науки и техники, внесла отечественная научная школа, возглавляемая нобелевским лауреатом, академиком Ж.И. Алферовым.

Содержание

Оглавление