Электростатическое поле

• Значительное уменьшение собственных емкостей транзисторов (p-n-переходов)

Недостатки КНС – технологии

• Высокая стоимость материала

• Дефекты на границе кремний – сапфир приводят к значительным утечкам в транзисторе по нижней границе кремниевого слоя

• Подвижность носителей в тонкой пленке снижается

• Повышенная емкость, связанная с линиями разводки ε_САПФ≈11

Особенности МДП-транзисторов со структурой кремний – на – диэлектрике

По сравнению с КНС – процессом выигрыш в стоимости. Транзисторы могут работать с полным обеднением подзатворной области и с частичным обеднением (зависит от концентрации примеси и толщины подзатворной области).

Чтобы транзисторы работали с полным обеднением нужно создавать тонкую пленку -> проблема воспроизводимости толщины пленки.

,

В структурах с частичным обеднением (t_ПЛ < x_ОПЗ) имеют место эффекты плавающей подложки и характерно возникновение «кинк» («колено»)-эффекта.

UСИ

IС

Рисунок 10.6 «Кинк» - эффект на вольтамперных характеристиках МДП – транзисторов с плавающим потенциалом подложки

Подзатворная область является областью с плавающим потенциалом, поэтому там накапливаются дырки, так что подзатворная область смещается положительно

↑ при

↓ при

Т.е. уменьшается и поэтому идет переход на другой уровень в ВАХ

Чтобы использовать структуру с полным обеднением, но избежать «кинк» - эффекта, делается контакт к подзатворной области, например, топологически, в структурах с затвором Т-типа, Н-типа.

В структуре А-типа существует контакт к подзатворной области, закороченный на исток

Различные типы топологии КНИ- транзисторов:

Вопрос 41.Проектные нормы. Способы задания размеров и допусков.

Проектные нормы в широком смысле включают документацию с информацией следующего вида:

- последовательность формирующих операций используемого базового технологического процесса;

- набор конструктивных элементов реализуемых данным технологическим маршрутом;

- минимальные топологические размеры, допуски по слоям масок и ограничения на размеры (проектные нормы в узком смысле слова);

- рекомендации по проведению межсоединений на всех предусмотренных уровнях;

- стандартные наборы топологических заготовок (пример: чертежи контактных площадок для ввода - вывода информации, входные и выходные буферы, структуры защиты от электростатических разрядов и тиристорных защелок, тестовые структуры);

- электрические характеристики (удельные) реализуемых в данной технологии элементов;

- рекомендации и ограничения на количество внешних выводов, все ограничения «сверху» (максимум).

Существуют два подхода для задания проектных норм:

- в абсолютных единицах (микроны);

- в относительных единицах (λ).

Проектные нормы при создании транзистора минимальных размеров:

Проектные нормы в КМДП парах:

Вопрос 42.Основы лямбда-проектирования. Правила проектирования Мида – Конвей.

Мид и Конвей предложили использовать относительные единицы. Было предложено использовать некоторую величину, которая бы помогла в измерении размеров.

Относительная единица λ определяется как максимальная величина случайного смещения реального расположения элементов топологии. Тогда минимальный воспроизводимый размер должен быть не меньше 2 λ.

Упрощенная формализованная топологическая схема ИС:

- шины межсоединений;

- транзисторы;

- контакты.

Шины могут быть реализованы в 1 из 3х вариантов:

- диффузионная область;

- поликремний;

- слой металлизации.

Топологические λ – нормы расположения шин

межсоединений на рисунке:

При выборе типа шины учитывают особенности:

- диффузионные шины имеют наибольшую удельную паразитную ёмкость,

- поликремневые и диффузионные шины имеют большее сопротивление, чем металл.

В большинстве случаев для межсоединений используют металлические шины.

Формализованная модель МДП-транзистора – это пересечение поликремния и тонкого окисла.

Для соединения между собой слоев разного типа формируются контакты – конфигурация из не менее трех топологических слоев, 2 из них – слои соединяемые между собой, и третий слой – слой контактных окон. Поликремний с диффузионной областью простым контактом соединить нельзя, поэтому используются более сложный типы контактов, например, стыковой контакт.

Рисунок.Стыковой контакт между поликремнием и диффузионной областью: а – топология, б – сечение.

Вопрос 43. Процедуры верификации топологических проектов.

Категории ошибок в топологическом проекте:

- Нарушение проектных норм: для каждого технологического процесса существует ряд геометрических допусков, заданных в абсолютных или относительных единицах. Отклонение от проектных норм обычно уменьшает выход годных или приводит к полностью неработоспособной схеме.

- Топологические или логические ошибки: сюда входят ошибки в электрических соединениях между элементами схемы, а также в структуре элементов. Они обычно приводят к неправильной работе схемы и распознаются как логические ошибки. Нахождение таких ошибок связано с решением задачи экстракции электрической схемы из топологии.

- Неудовлетворительные электрические характеристики: требования к электрическим характеристикам микросхемы обычно выражаются в ограничениях на рассеиваемую мощность, временные параметры и др. Если эти ограничения не выдержаны, мы имеем логически правильно функционирующую схему с неудовлетворительными характеристиками. Такой вид ошибок вызывается обычно неправильными размерами приборов и пренебрежением паразитными эффектами.

Методы автоматизированной верификации:

- Алгоритмы проверки правил проектирования делятся на два класса:

1). С дискретизацией (или побитным представлением) информации;

2). С обработкой многоугольников.

- Алгоритмы экстракции электрической схемы из топологии.

1). Алгоритм Маккрайта обнаружения пересечений;

2). Включает «метод рабочего списка» или «метод плоской развертки».

В системы автоматизированного проектирования входит технологический файл (ТФ). ТФ определяет материалы и правила, которые относятся к некоторому процессу изготовления интегральных схем.

Технологический файл содержит:

- определения слоев в топологии

- определения символических приборов

- послойные, физические, электрические правила

- правила для прикладных программ.

ТФ имеет три формы:

1. ASCII форма – текстовый файл, который может содержать комментарии и дополнительные подпрограммы SKILL.

2. Двоичная форма – компилированная версия ASCII формы технологического файла. К библиотекам и проектам прикрепляется именно двоичная форма ТФ («золотой файл»)

3. Виртуальный технологический файл – та часть технологической библиотеки, которая загружена в текущем сеансе в виртуальную память. С виртуальной формой ТФ можно работать, использую функции языка SKILL

Вопрос 44. Межсоединения в интегральных схемах.

В современных ИС быстродействие и задержки определяются уже не только задержками в логических элементах, но и задержками в линиях разводки. В ряде случаев эти задержки могут превалировать над задержками в элементах.

, где - удельное сопротивление металла.

, где – удельная емкость пассивирующего окисла (пассивирующий окисел на рисунке SiO₂ dielectric).

Могут быть многозвенные RC-модели (рисунок справа, только много раз повторяется R и C).

Учет задержки в межсоединениях:

R_ВЫХ1 – выходное сопротивление логического элемента 1, С_ВХ2 – входная емкость логического элемента 2.

Постоянная времени в цепочке из двух вентилей без учета межсоединений:

t₀= R_ВЫХ1С_ВХ2

Постоянная времени с учетом межсоединений:

t_М= (R_ВЫХ1+ R_М)(С_М +С_ВХ2)

Пусть допустимым считается 10% вклад межсоединений в общую задержку цепочки логических вентилей. Тогда t_М/t₀=1.10.

Отсюда можно получить ограничение на максимально допустимую длину разводки, не вносящую временных искажений в работу схемы

(R_ВЫХ1+ r_М l_M/(w_Mh_M)) (ε₀ ε_OKl_Mw_M / T_OK +С_ВХ2)/(R_ВЫХ1С_ВХ2) = 1.10

Вопрос 45.Шумы в интегральных элементах. Шумы в подложке.

Шумы в ИС.

Проблема вышла на первый план при создании систем на кристалле. В этих системах объединяют аналоговые и цифровые блоки в пределах одного кристалла.

Причина: цифровые блоки порождают помехи, которые могут полностью нарушить работу аналоговых схем.

Шум - самопроизвольные флуктуации тока, протекающего через полупроводниковые материалы, и флуктуации напряжения на них. Шумы физической природы ограничивают снизу предел измеряемых величин усиливаемых сигналов.

Аналоговые схемы чувствительны к физическим шумам. Эти шумы определяют минимальный уровень рабочего сигнала и максимальный коэффициент усиления.

Физические источники шумов:

- тепловой шум, возникает как результат хаотических столкновений носителя с решеткой;

- дробовой шум, связан с прохождением носителей через ОПЗ;

- фликкер – шум (1/f – шум, f – частота), порождается процессами генерации-рекомбинации носителей на поверхностных ловушках вблизи границы раздела.

Цифровые схемы к таким шумам не чувствительны, т. к. логические перепады больше физических шумов, но в них есть свои источники помех, амплитуда которых гораздо выше, чем амплитуда физических шумов.

Шумы в подложке.

Механизмы формирования шумов:

- инжекция носителей заряда в подложку: - лавинное умножение.

- емкостная связь:

Механизм влияния шумов в подложке на активные элементы схем:

- зависимость порогового напряжения МДП – транзисторов от потенциала подложки;

- влияние через емкостную связь.

Вопрос 46.Особенности интеграции в кремнии схем различных типов.

Вопрос 47. Гетероструктуры в полупроводниковой электронике.

Основной химический состав полупроводникового кристалла указывает химическая формула — символ элемента или формула соединения: Ge, Si, GaAs, SiC

Широко используются полупроводники на основе твердых растворов элементов или соединений. Твердые растворы в системах кремний - германий — Siy Ge1-y, где у — мольная доля компонента в твердом растворе. Химический состав полупроводника может изменяться с координатой вследствие изменения как основного химического состава, так и содержания примеси. До тех пор пока изменение состава с координатой происходит плавно, сохраняется локальная связь между химическим составом и свойствами полупроводника.

Полупроводниковый образец, содержащий область с большим градиентом химического состава, называют структурой. В структуре связь между химическим составом и свойствами полупроводника становится нелокальной, например концентрация носителей тока не соответствует локальному cоставу полупроводника.

Гомоструктуpa — образец (полупроводник), в котором область с большим градиентом химического состава сформирована изменением концентрации примеси.

Гетероструктура — образец, в котором область с большим градиентом химического состава сформирована изменением основного химического состава. Область гетероструктуры, в которой нарушена электронейтральность, называют гетеропереходом.

Биполярные гетеротранзисторы (НВТ), использующие SiGe в качестве базовой области - малошумящие усилители и усилители мощности. Объединение НВТ на SiGe со стандартными КМОП и БиКМОП структурами - ИС обработки аналогового и смешанного сигналов для использования в радиопромышленности и связи. Использование деформированного SiGe в КМОП приборах повышает быстродействие p – канальных МОП структур почти на 20%. Объединение сжатой SiGe пленки с кремнием под растягивающем напряжением с углубленным истоковым слоем n – или p – типа увеличивает эффективную подвижность в 4 раза. Основная область использования гетероструктур – оптоэлектроника. Для гетероструктур изменяется ширина запрещенной зоны (меняются основные свойства материала). Основное применение гетероструктур связано с эффектом сверхинжекции: если в анизотипном гетеропереходе носители инжектируются из широкозонного полупроводника в узкозонный, то эффективность инжекции по сравнению с обычным p-n переходом возрастает в exp(DE_i/kT) раз, где DE_i – разрыв в соответствующей зоне.

Вопрос 48.Полупроводниковые лазеры. Гетероструктуры в оптоэлектронике.

Модель основных процессов в полупроводниковом лазере:

Поглощение

Спонтанное излучение

Стимулированное излучение

В гетероструктурах за счет сверхинжекции реализуется инверсная заселенность уровней, необходимая для стумулированного излучения. Если оптическое усиление сигнала превосходит все световые потери в структуре, то такая структура будет являться источником когерентного излучения, т.е. лазером. Для светового усиления используется световой резонатор. Параллельное скалывание двух противоположных граней кристалла создает систему двух параллельных зеркал, т.наз. резонатор Фабри – Перо:

Гетероструктуры позволяют за счет эффекта сверхинжекции достичь требуемого уровня инверсной заселенности зоны проводимости при меньших токах через p-n переход.

В структуре с двумя гетеропереходами носители сосредоточены внутри активной области, ограниченной потенциальными барьерами. Излучение ограничено той же областью из-за соответствующих показателей преломления.

Волноводный эффект:

Если показатель преломления активной области больше показателей преломления окружающих областей, то излучение распространяется в направлении, параллельном границам раздела слоев.

ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОЕ ПОЛЕ

Физические и химические свойства вещества – от атома до живой клетки – в значительной степени объясняются электрическими силами. Электрические заряды, их свойства, взаимодействие, движение изучаются в таких разделах физики, как электростатика, электродинамика и электромагнетизм.