Современные методы конструирования и технологии радиоэлектронных средств: Рабочая программа, методические указания к изучению дисциплины, задание на курсовую работу

Федеральное агентство по образованию Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования СЕВЕРО-ЗАПАДНЫЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ЗАОЧНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ Кафедра технологии и дизайна радиоэлектронной техники

СОВРЕМЕННЫЕ МЕТОДЫ КОНСТРУИРОВАНИЯ И ТЕХНОЛОГИИ РАДИОЭЛЕКТРОННЫХ СРЕДСТВ

Рабочая программа Методические указания к изучению дисциплины Задание на курсовую работу и методические указания к ее выполнению

Факультет радиоэлектроники Направление и специальность подготовки дипломированного специалиста: 654300 – проектирование и технология электронных средств 200800 – проектирование и технология радиоэлектронных средств

Санкт-Петербург 2005 3

Утверждено

редакционно - издательским

советом

университета

УДК Современные методы конструирования и технологии радиоэлектронных средств: Рабочая программа, методические указания к изучению дисциплины, задание на курсовую работу. – СПб.: СЗТУ, 2005. – 40 с. Рабочая программа разработана в соответствии с государственным образовательным стандартом высшего профессионального образования по направлению подготовки дипломированного специалиста 654300 – «Проектирование и технология электронных средств» (специальность 200800 – «Проектирование и технология радиоэлектронных средств»). Методический комплекс содержит рабочую программу, методические указания к изучению дисциплины, тематический план лекций и практических занятий, перечень основной и дополнительной литературы, задание на курсовую работу и методические указания к ее выполнению. В рабочей программе рассмотрена динамика развития и проблемы при конструировании и в технологии РЭС на БИС, новые материалы и новые технологии, применяемые для изготовления современных БИС, конструирование многослойной разводки, внешних выводов БИС и узлов РЭС. В методических указаниях к выполнению курсовой работы предложены задания по расчетной части и задания по описательной части работы. Рассмотрено на заседании кафедры технологии и дизайна радиоэлектронной техники СЗТУ 26 мая 2005 г., одобрено методической комиссией факультета радиоэлектроники 26 мая 2005 г. Рецензенты: кафедра

технологии

и

дизайна

радиоэлектронной

техники СЗТУ (В.Н. Воронцов, д-р техн. наук, проф.); Ю.М. Таиров, д-р техн. наук, проф., зав. кафедрой микроэлектроники СПбГЭТУ. Составитель: В.П. Цветов, канд. физ.- мат. наук, доц. © Северо – Западный государственный заочный технический университет, 2005

4

Предисловие Дисциплина «Современные методы конструирования и технологии радиоэлектронных средств (РЭС)», содержанием которой являются вопросы современного состояния в области конструирования РЭС, а также новейшие технологические методы их изготовления, преподается на пятом курсе, 10 семестре студентам очно-заочной и заочной форм обучения специальности 200800 направления 654300. Цели изучения дисциплины Основными целями изучения дисциплины являются: ●

ознакомление студентов с современными методами конструирования и технологическими процессами изготовления РЭС;

●

обеспечение

базовой

подготовки

будущих

дипломированных

специалистов для успешного освоения прикладных дисциплин и последующего решения производственных задач; ●

подготовка

студентов

конструированием

РЭС

к и

решению выбором

задач,

связанных

технологических

с

приемов

реализации РЭС. Задачи изучения дисциплины В результате изучения дисциплины студенты должны: – получить широкое представление о динамике развития уровня конструирования РЭС на БИС, о создании новых технологических методов реализации конструкций, о связи конструкторско-технологических решений с уровнем общей инфраструктуры производства: материалы, оборудование, производственные помещения и т. д.;

5

– знать основные параметры конструкций БИС, включая допустимые минимальные

размеры

элементов,

многослойную

формирование

внешних

контактных

систем,

а

металлизацию,

также

новейшие

технологические приемы реализации БИС и их предельные возможности; – уметь использовать полученные знания для лучшего усвоения смежных дисциплин специализации на этапе обучения для выбора оптимальных

конструкторско-технологических

решений

в

будущей

практической работе. Основные положения дисциплины определяют ряд необходимых для решения проблем: ● комплексный подход к выбору параметров конструкции РЭС с учетом достигнутого уровня технологии реализации изделия; ● постоянное совершенствование системы многослойной металлизации конструкции БИС, определяющей выходные частотные характеристики изготовленных изделий; ● нахождение оптимальных методов сборки РЭС, ориентированных на конкретные применения. Сферы применения знаний, полученных при изучении дисциплины, включают в себя: конструирование БИС и СБИС в тесной взаимосвязи с имеющимся уровнем технологии реализации изделий; разработка новых технологических процессов для обеспечения реализации заданных требований к конструкции и параметрам готового изделия; проектирование узлов РЭС и систем с оптимизацией конструкций, технологии,

технических

параметров

и

экономических

показателей

производства.

6

Связь с другими дисциплинами Изучение данной дисциплины опирается на комплекс общенаучных, общетехнических и ряда специальных дисциплин, которые преподавались на предыдущих курсах обучения. В первую очередь это относится к таким дисциплинам как «Электроника и электротехника», «Физические основы микроэлектроники», «Схемотехника электронных средств», «Интегральные устройства радиоэлектроники, ч.Ι», «Технология РЭС». В то же время преподавание данной дисциплины облегчает усвоение последующих учебных дисциплин, в том числе «Основы проектирования РЭС», «Схемотехника в конструкторско-технологическом проектировании». 1. СОДЕРЖАНИЕ УЧЕБНОЙ ДИСЦИПЛИНЫ 1.1. Рабочая программа учебной дисциплины Введение Изучение дисциплины рассчитано на 180 часов по дневной форме обучения. Для студентов очно-заочной формы обучения объем лекций составляет 36 часов, 24 часа – на практические занятия. 120 часов предназначены для самостоятельной

работы,

включая

индивидуальные

занятия

с

преподавателем. Изучение дисциплины включает в себя выполнение курсовой работы и заканчивается экзаменом по содержанию дисциплины и зачетом по курсовой работе. Качество

подготовки

будущих

специалистов

в

области

радиоэлектроники в значительной степени определяется знаниями основных специальных дисциплин, одной из которых является «Современные методы конструирования и технологии радиоэлектронных средств». 7

Основным видом РЭС становится БИС, число элементов, в которых может доходить до миллионов транзисторов в одном кристалле. Изучение современных методов конструирования БИС и новейших методов их изготовления является основным содержанием дисциплины, выражаемым в рабочей программе. В тематическом перечне рабочей программы не указываются страницы из рекомендуемой литературы в связи с имеющимися письменными лекциями

(В.П.

Цветов

«Современные

методы

конструирования

и

технологии радиоэлектронных средств», СЗТУ, 2005 г.), где, в том числе, имеется список литературы. 1.1.1. Динамика развития и проблемы при конструировании и в технологии РЭС на БИС Основные направления развития БИС – уменьшение минимальных размеров

элементов,

увеличение

площади

кристалла

(чипа),

поиск

принципиально новых конструкторских и технологических решений. Основная проблема при повышении плотности монтажа элементов на чипе – конструирование многослойной металлической разводки. Проблемы внешнего монтажа выводов и их соединения

с узлом

аппаратуры более высокого уровня – сопутствующая задача. 1.1.2.

Характеристические

параметры

и

типовые

узлы

межсоединений при конструировании БИС Линейный размер длины канала для МОП-транзисторов – основной характеристический параметр БИС на полевых транзисторах. Регулярные

интегральные

схемы

(такие,

как

схемы

памяти)

характеризуются полушагом сетки металлизации. Типовые узлы внешних выводов конструкции БИС: матрица шариковых выводов (BGA), контактные элементы при монтаже по типу WLP

–

корпусирование на пластине. 8

1.1.3. Прогноз развития технологии полупроводников и связанного с ней совершенствования конструкции БИС Документы

ITRS

составляющей

–

прогнозы

таблицы

международной

перспективного

развития

организации, технологии

полупроводников. Предельно допустимые значения параметров БИС, характеризующих конструкцию и уровень технологии на 15-летний период развития техники. Ожидаемые электрические параметры БИС по годам. Прогноз экономических показателей производства БИС. Снижение главный

стоимости

БИС

параметр,

в

расчете

на

характеризующий

единицу

функции

–

совершенствование

конструкции и технологии БИС. 1.1.4. Новые материалы в конструкции многослойной металлизации Многослойная конфигурация структуры межсоединений – основной конструктив современных БИС. Применение медных проводников – преимущества и проблемы. Новые диэлектрические материалы для межслойной изоляции с низкой диэлектрической постоянной. Металлы для барьерных (защитных) слоев, для межслойных перемычек. 1.1.5. Новые технологии применения материалов в современных конструкциях многослойной металлизации Процесс фотолитографии при применении меди в качестве проводников межсоединений – «двойной дамаскин-процесс». Технологические методы нанесения диэлектрических слоев материалом с малой диэлектрической проницаемостью.

9

Химико-механическая полировка – основной технологический метод планаризации поверхности полупроводника при проведении процесса многослойной металлизации. 1.1.6. Конструирование многослойной разводки Роль времени задержки на RC-цепочках межсоединений в общем балансе факторов, определяющих быстродействие современных БИС. Иерархическая

система

многослойных

соединений

металлических

проводников в БИС. Глобальная и локальная разводка проводников. Схемные решения для улучшения характеристик приборов – встроенные повторители и каскадные драйверы. Интеграция этапа проектирования системы разводки металлических шин во все этапы создания топологии БИС. 1.1.7. Конструирование внешних выводов БИС Методы контактирования к выводным площадкам на кристалле. Поверхностный монтаж электронных компонентов на печатную плату. Конструкция корпусов БИС типа BGA – матрица шаров на поверхности корпуса. Формирование шаров или контактных выступов непосредственно на поверхности чипа. 1.1.8.

Интеграция

процессов

конструирования

межсоединений

и системы внешних выводов БИС Основные направления совершенствования конструкции БИС – развитие модификаций компонента BGA и конструкции типа WLP – корпусирование с созданием шаров на пластине. Преимущества и ограничения конструкции типа WLP.

10

Совместное проектирование разводки топологии БИС и корпусирования завершает интегрирование в единый комплекс проектирование всех компонент конструкции. 1.1.9. Методы контроля качества межсоединений в структуре БИС и узлах РЭС Межоперационный

контроль

качества

в

технологическом

цикле

изготовления БИС на всех основных этапах производства. Обеспечение качества межсоединений в различных слоях металлизации для перемычек с большим отношением глубины к ширине. Оптические методы контроля качества межсоединений в БИС. Рентгеновские методы контроля качества паяных соединений корпуса БИС с печатной платой при монтаже методом перевернутого кристалла (FC). Заключение Периодичность

появления

новых

технологических

поколений,

характеризующихся уменьшением минимального размера элемента БИС, обеспечивает постоянный прогресс в совершенствовании конструкции и технологи РЭС на БИС. Появление

на

рынке

систем

на

кристалле

(SOC)

и

сложных

функциональных блоков (СФ-блоков) – новый этап в развитии степени интеграции БИС и СБИС. Долгосрочные прогнозы определяют достижение физических пределов для полупроводниковых приборов классической конфигурации к середине второго десятилетия XXI в.

11

1.2. Тематический план лекций для студентов очно-заочной формы обучения (36 часов) Темы лекций

Объем, ч

1. Динамика развития и проблемы при конструировании 4

и в технологии РЭС на БИС. 2. Характеристические параметры

и типовые узлы 4

межсоединений при конструировании БИС. 3. Прогноз и

развития

связанного

конструкции

технологии полупроводников с

ней

совершенствования 4

БИС.

4. Новые материалы в конструкции многослойной 4

металлизации. 5. Новые

технологии

современных

применения

конструкциях

материалов

в

многослойной 4

металлизации. 6. Конструирование многослойной разводки.

4

7. Конструирование внешних выводов БИС.

4

8. Интеграция межсоединений

процессов и

системы

конструирования внешних

выводов 4

БИС. 9. Методы

контроля

качества

структуре БИС и узлах РЭС.

межсоединений

в 4

12

1.3. Тематический план практических занятий для студентов очно-заочной формы обучения (24 часа) Темы практических занятий

Объем, ч

1. Анализ таблиц прогноза развития конструкций и 4

технологии БИС. 2. Направления совершенствования конструкции РЭС

4

(с демонстрацией образцов). 3. Направления разработки новых технологических методов создания сложных СБИС.

4

4. Демонстрация и обсуждение видеофильмов фирмы SEMI

(США)

по

этапам

конструирования

и 4

технологии изготовления БИС. 5. Современные

сборочные

процессы

при 4

конструировании и изготовлении РЭС. 6. Методы

обеспечения

качества

БИС

(с

надежности

и

привлечением

контроль

обсуждения 4

стандартов США комитета JEDEC).

1.4. Тематика курсовой работы В

процессе

изучения

дисциплины

«Современные

методы

конструирования и технологии радиоэлектронных средств» выполняется курсовая работа на тему: «Оценка конструкторских и технологических параметров системы многослойных металлических межсоединений при разработке БИС».

13

2. БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК Основной: 1.

Угрюмов Е.П. Цифровая схемотехника. – СПб.: БХВ – Петербург, 2004.

2.

Красников

Г.Я.

Конструктивно-технологические

особенности

субмикронных МОП-транзисторов. В 2-х частях. – М.: Техносфера, 2004. 3.

Конструирование

аппаратуры

на

БИС

и

СБИС

/

Под

ред.

Б.Ф. Высоцкого, В.Н. Сретенского. – М.: Радио и связь, 1989. 4.

Цветов В.П. Современные методы конструирования и технологии радиоэлектронных средств: Письменные лекции. – СПб.: СЗТУ, 2005. – 48с. Дополнительный:

5.

The International Technology Roadmap for Semiconductors, 2003 Edition. http://public/itrs.net/

6.

Solid State Technology: v. 40, №10, p. 124, 1997 v. 41, №10, p. 64, 1998 v. 44, №12, p. 28, 2001 v. 45, №1, p. 71, 2002 v. 45, №6, p. 105, 2002 v. 45, №9, s. 22, 2002 v. 45, №12, s. 3, 2002 v. 46, №4, p. 48, 2003 v. 46, №7, p. 103, 2003

7.

Монтаж на поверхность. Технология. Контроль качества / Под ред. И.О. Шурчкова. – М.: Издательство стандартов, 1991.

14

8.

Электронные компоненты, 2002. №7, с.13. №8, с.53, 2002 №1, с.114, 2003

9.

Электроника: Наука. Технология. Бизнес, 2003. №1, с.68. Средства обеспечения освоения дисциплины (ресурсы Internet):

10. Solid State Technology. www.solid-state.com 11. Surfaсe Mounting Technology. www.smtmag.com 12. Circuits Assembly. www.circuitsassembly.com 3. МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ИЗУЧЕНИЮ ДИСЦИПЛИНЫ Изучение учебной дисциплины начинается с установочной лекции, которую студенты слушают за несколько месяцев до основного периода изучения дисциплины. Установочная лекция включает в себя информацию о содержании учебной программы. Обращается внимание студентов на особо сложные разделы программы, поясняется связь учебной дисциплины «Современные методы конструирования и технологии РЭС» со смежными дисциплинами их предыдущего периода обучения в университете. На

установочной

лекции

комментируется

состав

технической

литературы, рекомендуемой для изучения в процессе освоения учебного материала. И, наконец, на установочной лекции предлагаются исходные данные для выполнения курсовой работы, имея в виду, что студент до начала основного периода

изучения

дисциплины

изучит

техническую

литературу,

рекомендованную для выполнения курсовой работы, а также ознакомится с непосредственным заданием и методическими пояснениями, изложенными в разделе 4 настоящего методического комплекса.

15

Основной период изучения учебной дисциплины включает в себя лекционный материал в объеме, определяемом учебным планом и практические занятия, а в конце основного периода – защиту курсовой работы и сдачу экзамена. В течение всего основного периода изучения дисциплины проводятся консультации по вопросам выполнения курсовой работы. Лекционный материал направлен, прежде всего, на изложение наиболее сложных разделов рабочей программы. В качестве самостоятельной работы студентам следует обратиться, прежде всего, к источнику [4] рекомендованной литературы, где кратко изложено содержание основных разделов дисциплины. Тестовые задания по разделам рабочей программы дисциплины представлены там же. Учитывая сжатость изложенного материала в упомянутой работе, необходимо

обратиться

и

к

другим

источникам

рекомендованной

литературы, в том числе, к подлинникам англоязычных технических статей (подборка из журнала «Solid State Technology» за период с 1997 по 2003 гг. включительно дана в источнике [6] списка дополнительной литературы). Практические занятия проводятся в аудитории, при этом привлекаются для

показа

видеофильмы,

демонстрирующие

технологические

циклы

проектирования и изготовления интегральных устройств и, прежде всего, интегральных микросхем, демонстрируются образцы БИС и СБИС, а также печатных плат и микросборок, технический уровень которых соответствует современному мировому уровню. Для

подготовки

к

экзамену

помимо

цикла

лекций,

изучения

рекомендованной литературы, студенту предлагается перечень вопросов и заданий для самоконтроля (45 вопросов по 9 пунктам рабочей программы), изложенных в источнике [4].

16

4. ЗАДАНИЕ НА КУРСОВУЮ РАБОТУ И МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ЕЕ ВЫПОЛНЕНИЮ 4.1. Введение Курсовая работа по теме «Оценка конструкторских и технологических параметров системы многослойных металлических межсоединений при разработке БИС» выполняется в процессе изучения учебной дисциплины. Целью

курсовой

теоретических

знаний

работы и

является

закрепление

полученных

приобретение

инженерных

навыков

в

конструировании БИС. В процессе выполнения работы студенту необходимо использовать знания, полученные при изучении дисциплин предыдущего периода обучения в университете. Такими дисциплинами являются, прежде всего – «Физические основы микроэлектроники», «Электротехника и электроника», «Физико-химические

основы

технологии

электронных

средств»,

«Интегральные устройства радиоэлектроники». Курсовая работа состоит из пояснительной записки и графического материала. Пояснительная

записка

должна

содержать

расчетные

данные

и

описательный материал по этапам конструирования БИС. Графический материал должен включать в себя чертеж структуры многослойной металлизации и блок-схему технологического процесса ее реализации. Исходные данные для расчета задаются по вариантам индивидуально для каждого студента и представлены в соответствующих таблицах. 4.2. Тематика курсовой работы Создание многослойной структуры токопроводящих межсоединений стало

в

последние

годы

наиболее

проблемной

областью

при

конструировании и создании технологии изготовления БИС. 17

В связи с этим оценка конструкторских и технологических параметров системы многослойных металлических соединений при разработке БИС является узловым звеном при создании БИС. 4.2.1.

Особенности

формирования

системы

межсоединений

для высокочастотных ИС Радикальное повышение значимости и критичности процессов создания межсоединений произошло как в силу генеральной тенденции развития технологии ИС – снижение размеров элементов, усложнения структуры ИС, так и в связи с повышением рабочих частот полупроводниковых устройств до сотен мегагерц и переходом в гигагерцовый диапазон. Задержка элементов сигналов

распространения становится

и

начинает

сигнала

соизмеримой играть

с

существенную

на

линиях

частотой роль

в

связи

посылаемых формировании

верхнего предела рабочих частот приборов. Поскольку задержка распространения сигнала определяется параметром – постоянная времени RC (где R – сопротивление проводника, С – емкость диэлектрика), то это приводит к заключению, что алюминий не лучший материал с точки зрения максимальной электропроводности, межслойный

диэлектрик

SiO2 ,

имеющий

достаточно

высокую

диэлектрическую постоянную (ε = 3,9), не может обеспечить минимально возможное значение емкости. Ограничение по электрическим характеристикам материала проводников наступило и с другой стороны – допустимая плотность тока. При больших плотностях тока проявляется явление электромиграции вещества, особенно это характерно для алюминия (критическая плотность тока 5 ⋅108 А / м 2 при температуре 420 К), а повышение плотности тока в электрических цепях ИС неизбежно в связи с уменьшением размеров элементов во всех измерениях, в том числе и сечения токопроводящего элемента. При работе ИС в гигагерцовом режиме необходимо учитывать параметры элементов электрических цепей в СВЧ диапазоне – оценка реактивных импедансов, в том числе индуктивной связи между

18

проводниками, волновых сопротивлений, переход от дискретных параметров к оценке распределенных параметров. Это принципиально новая ситуация. Радикальные решения для гигагерцовой эры заключаются в создании новых подходов при проектировании ИС. Для реализации новых структур приборов в части межсоединений необходимо проектирование линий с малыми потерями и контролируемым импедансом, разделение разводки на слои обработки сигналов и на слои распределения питания и цепей заземления, учет длины проводников между точками соединений. Количество соединений исчисляется миллиардами, а время распространения электромагнитной волны по проводнику по длине чипа уже сопоставимо с периодом рабочих импульсов. Общая длина проводников на чипе разработки 1995 г. составляла до 400 метров, а расчетный прогноз для чипов с минимальным размером элемента ИС 70нм (2009г.) дает цифру суммарной длины проводников на всех слоях одного чипа 10 километров! Естественно, что результаты проектирования ИС гигагерцового диапазона отразятся на требованиях к технологии реализации многослойных коммуникативных связей элементов. Требования к межсоединениям со стороны электротехнических характеристик не должны заслонять исключительные проблемы перед технологией, связанные с уменьшением размеров элементов. Это – процессы нанесения слоев металлов и диэлектриков, операции травления, обеспечение очистки межслойных перемычек с большим отношением глубины колодца к линейным размерам на поверхности (иначе называемое – аспектное отношение), эффективное заполнение перемычек металлами, процессы планаризации поверхности. Реализация требований по конструкции, топологии и электрическим характеристикам ИС следующих поколений технологии невозможно без разработки и применения новых материалов. Технология любого производства по своей сути является консервативной категорией. Многофакторность взаимных влияний приводит к необходимости периода отработки технологии, а критерием достигнутого уровня является воспроизводимость процесса и его расходимость, то есть величина, пропорциональная дисперсии значений критического параметра (σ). Применительно к технологии создания межсоединений с использованием алюминия в качестве проводника и

SiO2 в качестве

диэлектрика (в дальнейшем называемой – система А1 / SiO 2 ) процесс 19

отработки и совершенствования производственных операций, использование новых методов их исполнения, оборудования, материалов привел к созданию устойчивой технологической схемы, которая удовлетворяет требованиям сегодняшнего дня. Наличие вероятности, поколениях технологии

отработанной

системы

А1 / SiO 2 ,

которая,

по

всей

будет применена еще на 1 – 2 технологических ИС, не противоречит активному развитию межсоединений с использованием меди в качестве

проводника (система Cu / SiO2 ), а также технологических приемов с использованием диэлектриков с более низким значением диэлектрической постоянной ε, чем для SiO2 . Аналогичные структуры металлизации условно называются система А1/низк. ε и Cu/низк. ε. Учитывая консервативность технологии, такие принципиальные новшества в части используемых материалов, а также связанные с этим новые методы реализации технологических процессов, будут вводиться в практику постепенно. Для большей органичности и обоснованности нововведений необходимо не только знать отлаженный технологический процесс в системе А1 / SiO 2 , но и мотивацию реализованных в этой системе технологических решений. В виде одного из возможных путей движения вперед для будущих технологий предлагается следующий вариант применяемых материалов: (180 нм – А1/низк. ε ) → (150 нм – А1/низк. ε + Cu / SiO2 ) → (130 нм –

Cu / SiO2 ) → (100 нм – Cu/низк. ε). 4.2.2. Развитие процессов металлизации с использованием алюминия Выбор алюминия в качестве материала проводников при изготовлении ИС и его широкое применение обусловлены простотой нанесения на поверхность структур, хорошей адгезией к SiO2

и к слоям боро-

фосфорносиликатных стекол, низкой величиной удельного сопротивления (2,7 мкОм·см). Основной способ нанесения пленок алюминия – физическое осаждение на пластину кремния испаренного вещества в камере глубокого вакуума. Испарение алюминия может производиться различными методами, в том числе путем высокочастотного, ионно-лучевого или магнетронного разогрева мишени. 20

Для уменьшения эффекта электромиграции атомов алюминия используется введение меди в количестве до 0,5%, хотя при этом удельное сопротивление материала увеличивается до 3,2 мкОм·см. Уменьшение линейных размеров элементов и связанное с этим увеличение аспектного отношения в межслойных перемычках обострило проблему контактов как между слоями металлизации, так и контакта: активные слои кремния – первый слой металлизации. Проблемой стало и обеспечение надежного конформного заполнения металлом глубоких, узких отверстий. Технологическим приемом, который позволяет решить эти проблемы, стало нанесение тонкого слоя титана методом химического осаждения вещества из газовой фазы в высокочастотной плазме малой мощности. В качестве рабочего вещества используется тетрахлорид титана в присутствии водорода. Скорость осаждения (100 – 150) Å/мин. Титан является великолепным восстановителем окислов кремния и металлов, обеспечивает контактирование в слоях структур, а также проявляет хорошие адгезионные свойства. Особое внимание уделяется контактированию с активными областями транзисторов непосредственно на поверхности пластины кремния. В этой зоне осажденный титан образует силицид TiSi 2 толщиной около 250 Å, дает невыпрямляющий низкоомный контакт с кремнием. Верхняя сторона пленки титана в системе Ti – TiSi 2 – Si выполняет функции адгезионного покрытия для следующих слоев структуры, поэтому нанесенный слой титана является контактным адгезионным слоем. Эти же функции пленка титана выполняет при формировании проводящих вертикальных перемычек между слоями металлической разводки. Поверх пленки титана в перемычках создается тонкий барьерный слой, который предотвращает взаимную диффузию материала проводника, выполняющего перемычку и окружающих материалов (прежде всего, диффузию металла перемычки в кремний). В качестве материала барьерного слоя используется нитрид титана TiN, который наносится методом химического осаждения из газовой фазы. В процессе используется реакция между тетрахлоридом титана и аммиаком. Температура процесса 400÷650°С. Ориентировочная толщина пленки 400 Å. Барьерный слой нитрида титана конформно облегает ниже лежащую поверхность без разрывов сплошности на дне контакта и «отвалов» у выхода отверстия перемычки на поверхность. 100% конформность получена даже 21

при соотношении высоты отверстия к ширине (аспектное отношение) – 13. Удельное сопротивление нитрида гитана <100 мкОм см, то есть достаточно низкая, и с учетом небольшой толщины пленки ее вклад в общую величину электрического сопротивления перемычки невелик. И, наконец, материал, заполняющий отверстия перемычек. Для нижней перемычки, соединяющей активные области транзисторов с первым слоем металлизации, применяется исключительно вольфрам. Метод заполнения отверстий – осаждение вольфрама из газовой фазы. В виде рабочего вещества применяется соединение WF6. В результате реакции пиролиза или восстановления в присутствии водорода высаживается металл. Вольфрам обеспечивает конформное покрытие рельефа поверхности и сплошное заполнение объема. Удельное сопротивление материала 5,3 мкОм·см. Формирование перемычек межу вышележащими слоями металлов также можно выполнять химическим осаждением вольфрама, хотя при небольших значениях аспектных отношений в перемычках возможно их заполнение алюминием, что упрощает технологический процесс изготовления слоевой структуры межсоединений. Металлизация поверхности пластины кремния со сформированными межсоединениями выполняется нанесением слоя алюминия, после чего производится фотолитография по слою с применением реактивного понного травления металла. Максимальное число слоев металлизации в технологическом процессе изготовления ИС составляет 5 – 6 и продолжает увеличиваться, поэтому блок операций, связанных с формированием межсоединений представляет собой достаточно автономную часть общего технологического процесса. В литературе он получил название «конечная часть планарного процесса» (BEOL – back-end of line, то есть еще на линии в технологическом цикле, но уже в его конце). Началом этого блока операций служит формирование диэлектрика перед нанесением первого слоя металла (РМD – рге-mеtal dielectric). Обычно в качестве такого диэлектрика применяется борофосфоросиликатное стекло (ВРSG) – двуокись кремния с содержанием от 2 до 6 весовых процентов бора и фосфора. РМD изолирует электрически транзисторы, сформированные в приповерхностной области кремния от слоев металлической разводки и изолирует их физически от источников загрязнения – подвижных ионов натрия, калия и т.п. 22

Фосфоросиликатное стекло является геттером подвижных ионов из низлежащих слоев окислов кремния, что исключительно важно для предотвращения деградации электрических параметров ИС в процессе эксплуатации. Наличие бора в составе стекла увеличивает его текучесть в процессе отжига после формирования ВРSG методом химического осаждения из газовой фазы, что улучшает плоскостность поверхности композиции. В последнее время разрабатываются методы нанесения диэлектрика, в которых бы не требовался отжиг пластин в силу ужесточения термического бюджета процессов при уменьшении геометрических размеров элементов. В частности, разработан процесс химического осаждения фосфоросиликатного стекла из газовой фазы в плазме высокой плотности (НDР-СVD), при этом достигнуто отличное заполнение зазоров и промежутков нижележащих слоев. Процесс химического осаждения диэлектрика из газовой фазы в плазме высокой плотности можно представить как простую комбинацию двух одновременно протекающих процессов – осаждения и травления в соотношении примерно 3:1. Первичные компоненты осаждения – ионы с кинетической энергией, достаточной для разрыва поверхностных химических связей и закрепления на поверхности. Это основной механизм заполнения зазоров. Компоненты вторичного осаждения – это ионы, смещенные соударениями с положений на дне зазора, и высаживаемые на боковые стенки заполняемых диэлектриком зазоров. Механизм процесса удаления – распыление вещества в результате соударений с поверхностью частиц, участвующих в процессе. Плотность ионов в НDР-плазме высокой плотности – 1010 ÷ 1011 ион/см 2 на поверхности обрабатываемой пластины. Метод НDР-СVD заполнения зазоров диэлектриком и создания межслойной изоляции имеет существенные преимущества перед другими методами как в части сплошности заполнения, так и планарности поверхности пластины после выполнения процесса. B итоге для реализации системы межсоединений предоставляется планаризованная поверхность структуры, достаточно защищающая физически и электрически нижележащие области кремния с активными компонентами ИС. Ограничением на процессы создания системы межсоединений является запрет таких режимов, которые могут привести к изменению размеров и характеристик полупроводниковых структур, и конечно, отсутствие 23

активных источников загрязняющих ионов, которые способны продиффундировать к поверхности полупроводника, несмотря на принятые меры изоляции. К сожалению, именно медь – наиболее перспективный проводящий материал для реализации межсоединений в будущих поколениях технологии, является наиболее опасным быстродиффундирующим элементом, проникновение которого в полупроводниковые структуры вызывает нарушение работы ИС. В то же время, если материалы, используемые для реализации межсоединений (система А1/ SiO2 ) остаются теми же, то единственный путь снижения RС-задержек при повышении быстродействия активных полупроводниковых структур – это увеличение шага металлизации, то есть увеличение поперечного сечения металла и уменьшение емкости между соседними поверхностями. Такая мера вынужденно уменьшит общую допустимую длину металла на единицу площади и на слой для соединения ячеек между собой, а увеличение плотности ячеек в силу снижения размеров транзисторных структур приведет к необходимости размещать разводку в большем количестве слоев. Например, чтобы сохранить неизменным параметр RС-задержки, потребуется 12 слоев металлизации системы А1/ SiO2

для технологического поколения с минимальным размером

элемента 130 нм, что экономически совершенно не приемлемо. Чтобы ограничить число слоев металла при малом шаге металлизации единственный путь – использовать новые материалы. 4.2.3. Применение медных проводников – перспективный путь развития систем межсоединений Медь имеет удельное сопротивление на 35% ниже, чем алюминий – 1,72 мкОм·см. Применяя медь в качестве проводников и диэлектрик с диэлектрической проницаемостью около 3,0 (против 3,9 для SiO2 ) потребуется только 6 слоев для реализации того же технологического поколения (130 нм). Вторым важнейшим преимуществом меди перед алюминием является превосходная устойчивость к электромиграции, а значит – допустимы меньшие площади поперечного сечения проводника и большие плотности токов. Однако медь обладает тремя особенностями, имеющими прямое отношение к применению в качестве межсоединений, которые можно не 24

считать серьезными недостатками только в случае исключения их влияния на технологический процесс и работоспособность приборов в период эксплуатации. Прежде всего, как уже отмечалось, медь очень быстро диффундирует как в кремний, так и в окисел кремния. Если атомы меди не заблокировать, они могут достичь области кремния и нарушить работоспособность ИС, вызвав значительный дрейф порогового напряжения полевых транзисторов и увеличение утечек в р-n переходах. Во-вторых, медь легко окисляется на воздухе при достаточно низких температурах (<200°С) и при этом не образует самозащищающих слоев (как в случае алюминия), которые бы препятствовали дальнейшему окислению и эрозии. Очевидный вывод из этих двух особенностей: медные проводники необходимо гарантированно покрывать барьерным слоем со всех четырех сторон – сверху, снизу и с боков, чтобы предотвратить взаимодиффузию меди в сторону кремния и кислорода – в сторону меди. Третья особенность применения меди: по этому материалу нельзя легко выполнить обычный отработанный субтрактивный процесс фотолитографии с травлением в плазме из-за отсутствия летучих галогенов в качестве продуктов реакции. Указанные особенности привели к разработке интегрального технологического процесса с использованием меди в качестве материала межсоединений, который называется двойной дамаскин-процесс (dualdamassene process). По всей видимости, термин получил название от метода получения узоров на изделиях, когда первоначально делалась насечка, канавки которой затем заполнялись металлом или эмалью, и структура полировалась до появления узора (фр. damasse – узорчатый). Применительно к технологии изделий микроэлектроники для создания слоя межсоединений с применением меди принята следующая базовая схема: нанесение слоя диэлектрика на пластину, фотолитография по диэлектрику с рисунком разводки и плазменное травление диэлектрика, формирующего канавки – будущие проводящие линии. Затем на всю поверхность наносится слой меди, который в том числе заполняет канавки. На заключительной стадии проводится химико-механическая полировка – медь остается только в канавках, а с остальной плоской поверхности пластины сошлифовывается. Эта схема называется простым дамаскин-процессом. Для формирования в едином процессе нанесения меди как разводки металла по слою, так и 25

вертикальных перемычек с одного слоя металла на другой, применяется двойной дамаскин-процесс. Его схема отличается только начальными стадиями, когда надо в диэлектрике сформировать не только рельеф разводки слоя, но и выполнить травление отверстий межслойных соединений, которые впоследствии заполняются медью. Трудоемкость процессов разводки снижается более чем на 30% при применении двойного дамаскин-процесса по сравнению с двойным выполнением простого дамаскин-процесса. Принципиальное отличие дамаскин-процесса от обычного субтрактивного метода получения межсоединений состоит в том, что в первом случае происходит травление диэлектриков и заполнение металлом рельефа будущих линий и межслойных перемычек, а во втором случае, наоборот, – травление металла и заполнение зазоров диэлектриком. С учетом минимизации размеров структур и элементов эффективность заполнения полостей субмикронных размеров выше в случае применения дамаскин-процесса. Кроме того, прецизионное ионно-плазменное травление металла традиционно труднее, чем диэлектрика, да к тому же для травления меди такой процесс не отработан. Описанное выше – это только схема, так как в реальном технологическом процессе необходимо учесть особенности меди как материала межсоединений и, в частности, обеспечить наличие барьерного слоя для предотвращения процесса диффузии меди. Барьерные слои должны действовать эффективно и в тоже время быть достаточно тонкими, чтобы максимально сохранить поперечное сечение медного проводника с высокой электропроводностью. Пленка должна иметь хорошую адгезию к меди при ее осаждении, легко удаляться во время химико-механической полировки меди и, как любой подслой, иметь высокую конформность облегания рельефа в слое разводки и межслойных вертикальных перемычках. Для формирования барьерного слоя используется физическое осаждение тантала или слой нитрида тантала ТаN, получаемые химическим осаждением из газовой фазы. Помимо барьерного слоя в технологии с медными проводниками применяются стоп-слои травления (еtch-stop), выполненные из нитрида кремния. Этот тонкий слой используется не только как ограничитель глубины травления диэлектрика, но автоматически и как дополнительный барьерный слой, препятствующий диффузии меди. 26

В связи с тем, что нитрид кремния, из которого выполнен слой ограничителя травления имеет высокую диэлектрическую постоянную (ε~7,5), он должен иметь минимальную толщину, чтобы эффективная величина диэлектрической постоянной слоевой изолирующей системы увеличилась лишь незначительно, иначе эффект снижения R – сопротивление проводников за счет применения меди сведен на нет увеличением С – паразитной емкости межпроводниковых областей и результирующее снижение RС-задержки может оказаться небольшим. Непростым оказывается выбор технологического решения по методу осаждения меди на поверхность пластины. Близким к промышленному применению оказывается гальваническое покрытие с предварительным созданием тонкого затравочного слоя меди, который наносится методом физического или химического осаждения из газовой фазы. Гальваническое осаждение меди обеспечивает высокую скорость нанесения слоя, низкую температуру процесса, простоту оборудования и контролируемость процесса, к тому же в процессе осаждения происходит заполнение зазоров и перемычек малых размеров. Нельзя считать окончательным выбор гальванического покрытия в качестве технологического метода нанесения меди. Имеется информация о разработке метода химического осаждения меди из газовой фазы. Исходным является вещество с фирменным названием «Cupra Select», химическая формула С10 H13 CuF6 O 2Si. При осаждении происходит реакция диспропорционирования, восстанавливается медь до металла. Побочными продуктами реакции являются газообразные вещества. В целом технологический процесс формирования межсоединений (фрагмент создания следующего слоя и перемычек на предыдущий слой) может состоять из следующих основных операций: ◊ нанесение межслойного окисла на предыдущий сформированный слой металла (О 1 ); ◊ нанесение стоп-слоя (толщина примерно 300 Å); ◊ нанесение окисла под следующий слой металлизации (О2); ◊ фотолитография с формированием канавок под будущий слой металлизации (с травлением рисунка на предыдущем окисле О2); ◊ фотолитография с формированием вертикальных перемычек (с травлением окисла О 1 до предыдущего металла); ◊ осаждение барьерного слоя тантала; ◊ осаждение затравочного слоя меди; 27

◊ ◊ ◊

электролитическое высаживание меди; химико-механическая полировка меди; нанесение слоя пассивации и ограничение травления (Si3N4).

4.2.4. Проектирование БИС с учетом оптимизации межсоединений Для решения проблем межсоединений в полупроводниковых приборах следующих технологических поколений недостаточно только изменений в производственном процессе. Необходим новый подход к проектированию. Одним из приемов, признанным готовым к практическому применению является иерархическая система многослойных соединений, когда достигается компромисс между увеличением плотности разводки для реализации элементов с малыми размерами и электрическими характеристиками ИС, поскольку при плотной разводке сечения проводников и расстояния между проводниками малые – это ведет к увеличению RС-задержки. Шаг разводки металла и его высота прогрессивно увеличиваются от нижних уровней металлизации – к верхним. При этом длина проводников также изменяется от коротких локальных соединений в нижних слоях – к глобальным, величина которых соизмерима с линейными размерами чипов – в верхних. В нижних слоях применяется малый шаг разводки, соединения проводников имеют малую длину, влияние на RС-задержку незначительно. На верхних слоях глобальная разводка определяет характеристики прибора, поэтому увеличение шага металлизации снижает влияние проводников на RС-задержку. Экономический компромисс – это то минимальное число слоев металлизации, при котором удовлетворены как требования по плотности разводки, так и частотные характеристики приборов. Проектирование БИС будущих технологических поколений должно ориентироваться на межсоединения. Параметры, влияющие на разводку должны учитываться на всех этапах проектирования. Конечная часть планарного процесса – ВЕОL – оказывается по признаку проектирования интегрированной во все этапы создания топологии, хотя по признаку технологии и имеет самостоятельное значение.

28

На практике – структурный состав слоев при формировании многослойной металлизации гораздо более сложен, чем описанная примерная схема. Не обсуждая детали технологии и структурного состава пленок отметим, тем не менее, основные принципиальные характеристики такой структуры на одном из практических примеров: минимальный размер элемента топологии чипа составляет 0,35 мкм; толщина подзатворного диэлектрика, полученного сухим окислением кремния – 70 Å; 4 слоя металлизации выполнены из алюминия с примесью меди; толщина верхнего слоя металлизации ровна 8000 Å и в 2 раза (в соответствии с правилом построения иерархии межсоединений) превышает толщину металла нижних слоев; для обеспечения хорошего омического контакта металла с кремнием применен силицид титана (TiSi 2 ); в качестве затворной композиции применен легированный поликремний и силицид вольфрама (WSi x ); межслойные проводящие перемычки во всех слоях выполнены из вольфрама; барьерная композиция выполнена в виде двухслойной системы: титан – 300 Å и нитрид титана толщиной 1000 Å. Применение двухслойной системы вызвано необходимостью обеспечения достаточной адгезии к предыдущему слою; композиция межслойных диэлектриков составляет 3 – 4 подслоя. По составу – это диоксид кремния, формируемый различными технологическими методами; защитная пассивация чипа выполнена слоем нитрида кремния толщиной 1 мкм. Защита верхней металлизации выполнена тонким слоем (250 Å) нитрида титана. 4.3. Расчетная часть 4.3.1. Расчет параметров конструкции БИС 4.3.1.1. Проверить выполнение условия сильного электрического поля в канале МОП транзистора. Для случая сильного электрического поля скорость VS . электронов в канале принимается равной скорости насыщения 29

В случае слабого поля вычисляется дрейфовая скорость электронов по формулам, приведенным в источнике [1]. 4.3.1.2. Рассчитать время пролета носителей в канале МОП транзистора. Длина канала L приравнивается к размеру минимального элемента, величина которого указывается в индивидуальном задании студента. Для сильных полей действует формула: τС =

Для

кремния

при

L . VS

комнатной

(1) температуре

VS

принимается

равной 10 7 см/с. Полученная величина времени пролета ( τС ) должна стать реперной точкой.

Если

τС

больше

вычисляемого

в

последующих

позициях

расчетной части времени задержки в RC-цепочках металлизации ( τ RС ), то общее быстродействие БИС определяется пролетным временем носителей в канале. Если, наоборот, τС < τ RС , то частотные характеристики БИС определяются задержками на связях. Те же рассуждения применимы к задержкам на реактивной индуктивности τ М . 4.3.1.3. Выбрать сечение полоски металлизации при условии b=3d, c=2d , где d – минимальный размер элемента, b – ширина полоски металлизации, с – расстояние между полосками. Шаг металлизации для такой «усредненной» полоски равен пяти минимальным размерам элемента. Толщина полоски металлизации h выбирается с учетом технологии формирования межслойной изоляции и характеристикам процесса фотолитографии для уверенного получения требуемого зазора между элементами металлизации. Обычно величина h лежит в пределах от 0,5мкм до 1 мкм в зависимости от величины минимального размера элемента. Чем меньше d, тем меньше h. Проводится расчет предельной величины тока, протекающего через выбранное сечение алюминиевого проводника, превышение которой приводит к эффекту электромиграции. Критическая плотность тока принимается равной J крит = 5·10 8 А/м 2 для алюминия [2]. Легирование алюминия кремнием или медью (до 1%) повышает порог критической плотности тока в 2 раза, а применение медных проводников вместо алюминиевых отодвигает порог начала электродиффузии, приводящей к разрушению токоведущих дорожек на порядок. 30

Выбор материала для металлизации будет определяться величиной тока, которая рассчитывается далее, а также вариацией сечения проводников в нижних и верхних слоях металлизации, так как расчетное сечение было взято усредненным. 4.3.1.4. Рассчитать сопротивление R 0 открытого транзистора с целью дальнейшего определения тока, протекающего через транзистор и усредненную полоску металлизации, для возможности выбора материала металлизации по п. 4.3.1.3. Сопротивление R 0 рассчитывается (см., например, [3]) по формуле: R0 =

где μ n – С ох =

1 2мn C ox ⋅

W ( U GS − U T ) L

(2)

,

м2 ; подвижность электронов, равная для кремния 0,15 В⋅с

ε ⋅ εо – удельная емкость подзатворного диэлектрика; t ox

t ox – толщина подзатворного диэлектрика (задается в индивидуальном задании студента); ε о – диэлектрическая проницаемость вакуума, равная 8,8·10 −12 Ф/м;

ε –

относительная

диэлектрическая

проницаемость,

равная

3,9

для SiO2 , применяемого в качестве подзатворного диэлектрика; W – L

отношение ширины канала к длине канала. Для управляющего

транзистора отношение

W принимается равным 10 [3]. L

( U GS − U T ) – разность между напряжением затвор-исток транзистора и

пороговым напряжением. Условно для расчета в курсовой работе принимается ( U GS − U T ) = 0,5 В. Более подробно о расчете U T и работе МОП транзистора в линейном режиме можно прочитать в [4]. 4.3.1.5. Рассчитать ток в цепи открытого транзистора и сравнить его с предельным значением, вычисленным в п. 4.3.1.3. Выбрать материал полосок металлизации, который будет определять технологический процесс формирования многослойной металлизации. Для расчета тока принимается, что сопротивление нагрузочного транзистора на порядок больше открытого сопротивления управляющего

31

транзистора за счет другого соотношения

W . Обычно для нагрузочного L

транзистора это соотношение принимают равным 1 [4]. Напряжение питания U ДД условной переключающей ячейки, состоящей из цепи, в которую входят переключающий и нагрузочный транзисторы, соединенные между собой, указывается в индивидуальном задании на курсовую работу. 4.3.1.6. Определяется число связей между элементами в БИС и площадь, занимаемая межсоединениями кристалла. Аналитические соотношения взяты из источника [5] и связывают искомую площадь, занимаемую связями ( S св ), с числом элементов, входящих в БИС (N), и шагом трасс металлизации (в+c) – (см. п. 4.3.1.3). При оптимальном размещении логических элементов: S св ≈

2 76 N (в + c ). 3

(3)

Число элементов, входящих в БИС, то есть степень интеграции, задается в индивидуальном задании на курсовую работу. Принимая условно магистральный способ передачи информации между элементами для получения минимального числа линий связи ( N св ), имеем:

N св = N + N M ,

(4)

где N M – число линий связи в магистрали. Для простоты можно считать, что N св =2N. 4.3.1.7. Выполнить оценку числа слоев металлизации, в которых может быть реализована расчетная топология межсоединений. Для этого необходимо вычисленную площадь связей S св разделить на эффективную площадь кристалла S эфф . В свою очередь S эфф определяется вычитанием из площади кристалла пространства, занимаемого контактными площадками. Эти параметры также задаются в индивидуальных заданиях студентам. В результате вычислений может оказаться, что число слоев металлизации слишком велико. Принято, что с учетом экономических характеристик производства БИС, максимальное число слоев металлизации не должно превышать 10. В случае невыполнения этого условия необходимо сделать итерацию технологического процесса. Например, уменьшив шаг трасс металлизации. 32

Если и этот прием не дает удовлетворительного результата, придется увеличить площадь кристалла. И, наконец, может оказаться, что разместить заданное число элементов на разумной площади кристалла, выполнив разводку трасс металлизации на экономически обоснованном числе слоев, невозможно. В этом случае уменьшается функциональная сложность разрабатываемой БИС до экономически приемлемого уровня. Возможен в результате вычислений числа слоев металлизации другой крайний случай – всю трассировку можно разместить в 1 – 2 слоях. Оптимизация структуры кристалла и технологии изготовления БИС может быть выполнена либо уменьшением площади кристалла (увеличение числа чипов на пластине кремния), либо увеличением шага разводки, что может дать возможность использовать менее прецизионное (а, значит, более дешевое) технологическое оборудование. 4.3.1.8. Определить среднюю длину связи при оптимальном размещении элементов на кристалле. В соответствии с источником [5] средняя оптимальная длина связи ( Aопт ) определяется по формуле:

A

опт

где а ≈

1 1 = аN 3 , 3

(5)

S kp . N

Вычисление средней длины связи необходимо для последующей оценки электрического сопротивления полосок металлизации, а после вычисления паразитных реактивностей (емкости и индуктивности) и постоянных времени RСпар и

M R

цепочек, где Спар и М – паразитная

емкость и паразитная взаимная индуктивность, соответственно. 4.3.1.9. Вычислить общую длину межсоединений можно простым умножением:

A

опт

· Nсв.

Полезно сравнить полученное значение общей длины с данными табл. 5 источника [6], экстраполируя его на сопоставимые величины минимального размера элемента. 4.3.1.10. Рассчитать сопротивление пленочного проводника длинной Aопт

для последующих оценок задержек на связях.

33

В случае использования медных проводников расчетная формула дается −5 в виде: RCu = 1,75 ⋅10 ⋅

A onm . в⋅h

(6)

Для расчета R AA численный коэффициент в формуле (6) необходимо увеличить в 1,35 раза в соответствии с пропорцией различия удельного сопротивления меди и алюминия. Все размеры в формуле (6) берутся в миллиметрах, а размерность сопротивления – в Омах. 4.3.1.11. Рассчитать электрическое сопротивление перемычки со слоя металла на слой, выполненной из вольфрама. Сечение перемычки берется из расчета, что каждая из сторон квадрата равна минимальному размеру элемента d. Глубина перемычки определяется толщиной межслойного диэлектрика и находится в пределах от 0,5 мкм до 1 мкм. В случае если сопротивление перемычки R W окажется слишком большим по сравнению с сопротивлением линии металлизации длиной Aопт , проводится итерация топологии кристалла – увеличивается размер сечения перемычки до 2–3 d на сторону. h Rw = ρ w 2w , (7) d где с w = 5,5 ⋅10 −6 Ом ⋅ см – удельное сопротивление вольфрама, hw – глубина перемычки. 4.3.1.12. Рассчитать взаимоиндуктивность М между двумя прямыми параллельными проводниками длиной Aопт , расположенными на расстоянии

С друг от друга (см. источник [5]). ⎡ ⎛ 2A М = 2 ⋅ 10 − 4 ⋅ A опт ⎢2 ,3 lg ⎜⎜ опт ⎝ с ⎣

⎞ с ⎤ ⎟⎟ − A опт + ⎥. A опт ⎦ ⎠

(8)

Все линейные размеры в формуле (8) – в мм, а взаимоиндуктивность М – в мкГн. Постоянная времени задержки, вызванной на высоких частотах

влиянием взаимоиндуктивности определяется параметром

M , R

который имеет размерность времени и будет исследован на следующих этапах курсовой работы. 4.3.1.13.Рассчитать паразитную емкость межсоединений. В системе многослойной металлизации формируются два вида паразитных емкостей: емкость, обкладки которой составляют пересечение в 34

плане металлических дорожек двух соседних слоев металлизации и емкость двух параллельных дорожек металлизации в одном слое, разделенных зазором между дорожками. Диэлектриком в обоих случаях является SiO2 . Толщина между обкладками паразитного конденсатора в первом случае равна толщине межслойного диэлектрика hмд (0,5 – 1 мкм), а во втором случае – величине (c = 2d) расстояния между полосками металла. Следует заметить, что hМД ≈ hW , что можно использовать в расчетах. Простейшие формулы для расчета паразитных емкостей двух видов Скрoc и Слин запишутся в виде: ε ⋅ ε о ⋅ 9d 2 С крос = , (9a) hМД

С лин =

εε о ⋅ Aопт ⋅ h 2d

.

(9б)

Все обозначения приведены в предыдущих разделах. 4.3.1.14. Оценить постоянные времени задержки сигнала, вызванные реактивными составляющими в многослойных соединениях на высоких скоростях переключения. Паразитная емкость параллельных дорожек металлизации Слин отнесена к эквивалентной средней длине связи и поэтому в общую эквивалентную емкость должны входить с коэффициентом 1. Паразитная емкость Скрос пересечения в разных плоскостях двух дорожек металлизации относится лишь к одному пересечению и для выражения общей эквивалентной паразитной емкости должна быть взята, например, с коэффициентом 100. Тогда общая эквивалентная паразитная емкость Спар определяется как: Спар = 100 · Скрос + Слин . (10) При расчете сопротивления пленочного проводника в п.4.3.1.10 использовалась эквивалентная средняя длина связи, поэтому при вычислении полного сопротивления Rобщ это значение надо брать с коэффициентом 1. При расчете электрического сопротивления перемычки в п. 4.3.1.11 вычислялась величина R W для одной вольфрамовой перемычки и при вычислении общего эквивалентного сопротивления величина R W должна быть взята с условным коэффициентом 100. Тогда общее эквивалентное сопротивление, на котором заряжаются и разряжаются реактивные компоненты конструкции БИС определяется как: 35

Rобщ = 100 R W + RCu (или RAl). Взаимоиндуктивность использованием

Aопт

М

рассчитывалась

(см.

(11) п.

4.3.1.12)

с

– средней длины связи, поэтому при расчете

усредненных характеристик задержки не должна содержать умножающих коэффициентов. Усредненное эквивалентное время задержки на паразитных RС - цепях определяется как: τ RC = Rобщ ⋅ С пар . (12) Усредненное эквивалентное индуктивности определяется как:

τ

М

=

время

задержки

на

паразитной

М . Rобщ

(13)

4.3.2. Исходные данные для расчетной части курсовой работы Исходные данные по варьируемым параметрам для выполнения расчетных заданий, изложенных в п. 4.3.1 представлены в табл. 1 и 2.

Число Последняя Минимальный цифра размер элемента элементов d, мкм N, шт шифра учета студента 1,2 3,4 5,6 7,8 9,0

1,2 1 0,8 0,5 0,35

Предпоследняя цифра шифра учета студента

Площадь кристалла 2 S kp , мм

1,2 3,4 5,6

320 310 300

2· 4· 5· 7· 9·

10 5 10 5 10 5 10 5 10 5

Число контактных площадок на чипе, шт 1200 1300 1400

Напряжение питания U ДД , В 3,0 2,8 2,5 2,2 2,0

Размер контактных площадок, мкм х мкм 60х60 55х55 50х50

Таблица 1 Толщина подзатворного диэлектрика t ox , Å 200 180 150 100 70 Таблица 2 Шаг контактных площадок, мкм 100 100 90 36

7,8 9,0

290 280

1500 1600

45х45 40х40

80 70

4.3.3. Анализ результатов расчета В результате оценочных расчетов, выполненных в соответствии с 14 позициями расчетов (п. 4.З.1), должны быть определены и выбраны следующие характеристики БИС: – материал проводящих межсоединений; – число слоев металлизации; – время задержки распространения сигнала, обусловленное внутренней структурой транзисторов; – времена задержки распространения сигналов, обусловленные паразитными реактивными элементами. Анализ результатов расчета должен заключатся в итеративном подборе и уточнении отдельных элементов конструкции и параметров БИС. К первой группе элементов конструкции относятся характеристики слоев металла и, прежде всего, их количество. Большое количество слоев (больше 4 – 5) приводит к снижению выхода годных структур на пластине из-за увеличения числа фотолитографий (по 2 – 3 дополнительных фотолитографии на каждый дополнительный слой металла). Малое количество слоев либо приводит к использованию структур с уменьшенными значениями минимального размера элемента, для чего требуется дорогостоящее оборудование и повышенный технологический уровень производства, либо малое количество свидетельствует о недостаточной функциональной насыщенности БИС. В анализе следует учесть, что расчет сечений проводников велся на усредненный вариант. Итерактивным подбором необходимо оценить параметры верхних слоев металлизации (глобальной разводки), имеющую длину до 2 3 стороны кристалла (10 – 15 мм). Сечение проводников верхних слоев должно быть увеличено по сравнению с усредненным. И, наоборот, в нижних слоях длина проводников меньше усредненного значения в десятки раз. В связи с чем, при сохранении значения электрического сопротивления проводника можно значительно уменьшить сечение элементов разводки.

37

Схематически можно представить три группы разводки: локальные межсоединения в нижних слоях с малым сечением проводников; соединения функциональных блоков с увеличенным размером сечения в слоях; и, наконец, соединения глобальной разводки в верхних слоях с максимально допустимым сечением разводки. Иерархия сечений металлов разводки в слоях в сочетании с изменением типичной длины проводников в различных слоях позволяет сохранять значения R отрезков проводников в различных слоях. Ко второй группе анализируемых характеристик относятся параметры быстродействия БИС. Наиболее простой случай, когда τс – время пролета носителей в канале МОП транзистора является главным фактором, определяющим частотные характеристики БИС, в частности, максимальную тактовую частоту во внутренней структуре чипа. Дополнительный анализ требуется, если задержки на реактивных элементах τRC или τM превышает τс. Возможно, что разбивая слои металла по иерархии сечений удастся добиться снижений этих задержек за счет уменьшения R по сравнению с выполненной усредненной оценкой. Взаимоиндуктивность можно уменьшить за счет уменьшения длины параллельно идущих проводников или путем прокладки специальных экранных шин, хотя это и может увеличить плотность межсоединений. Емкость Спар при необходимости можно несколько снизить за счет увеличения толщины межслойного диэлектрика или, что более радикально, но и более сложно технологически – за счет применения

в

качестве

межслойного

диэлектрика

вместо

SiO2

с ε = 3,9 другого диэлектрика с ε < 3,0. Такие работы широко ведутся в мировых исследовательских центрах. В конечном итоге после итерактивной оптимизации параметров оценочная частотная характеристика БИС определяется как: τбис = τс + τRC+ τм , (14) откуда и вычисляется время задержки на связях и структуре БИС (τбис), определяемое всеми тремя факторами. 4.4. Технологическая часть Технологическая часть курсовой работы заключается в составлении последовательности основных операций технологического маршрута и 38

представлении его в пояснительной записке в виде блоков технологических процессов. В работе должны описываться только те технологические процессы, которые имеют отношение к формированию многослойной металлизации. Помимо блоков технологических процессов в пояснительной записке должен быть представлен в виде эскиза фрагмент межслойного соединения. Помощь в составлении технологического маршрута должна оказать информация, изложенная в разделе 4.2 методических указаний, источники [2], [6] и [7] рекомендуемого списка литературы и другие доступные материалы. Естественно, что технологический маршрут зависит от материала проводящих слоев (алюминий, сплав алюминия с медью или кремнием, медь) и заданных минимальных размеров элементов. При выборе медных проводников необходимо применять двойной дамаскин-процесс для создания необходимого рисунка межсоединений. Для алюминия вполне пригоден стандартный субтрактивный процесс фотолитографии. Для травления достаточно широких полосок (например, более 1 мкм) в ряде случаев применимо жидкостное химическое травление, а для создания рисунков в диэлектриках с малыми размерами предпочтительно использование методов сухого травления в плазме. Технологические процессы не следует расписывать до деталей, так как основная нагрузка курсовой работы приходится на расчетную часть, однако, для гармонизации выполненной работы студент должен показать возможность технологической реализации спроектированной структуры многослойной металлизации БИС.

1. 2.

3.

4.5. Требования к изложению и оформлению материалов курсовой работы Расчетно-пояснительная записка должна состоять из следующих частей: Титульный лист, выполненный в соответствии с нормативными документами. Введение. В этой части дается краткое описание современного состояния конструирования и технологии радиоэлектронных средств на БИС. Задание.

39

4.

5.

6.

7.

8.

Приводится перечень параметров, задаваемых студенту для расчета в соответствии с индивидуальным номером шифра учета. Даются пояснения по каждому задаваемому параметру. Здесь же анализируется задание, подбираются физические константы и справочные цифры, необходимые для выполнения расчетной части курсовой работы. Расчетная часть. Это наиболее насыщенная информацией часть. Помимо непосредственных расчетов необходимо проанализировать применяемые расчетные соотношения, разброс возможных цифр оценки, так как проводимый расчет, по существу, является оценочным. Расчету подлежат 14 позиций, подробная информация о которых и соответствующие аналитические соотношения даны в разделе 4.3.1. методических указаний. Все физические величины должны быть представлены в международной системе единиц СИ в соответствии с ГОСТ 8.417 – 81. Исключение может быть сделано для дольных и кратных единиц (что не противоречит ГОСТу), широко используемых в научных публикациях (например, концентрации примесей в полупроводниках даются в см −3 , емкости р-п переходов – в пФ и т.п.). Технологическая часть. Помимо описания основных предлагаемых к использованию технологических процессов должны быть представлены: эскиз двухслойного соединения с обозначением слоев различных материалов и блок-схема технологического маршрута формирования многослойной металлизации. Анализ выполненных расчетов. Должна быть показана работа по оптимизации конструируемого устройства и достигнутые параметры как количественно (оценка частотных свойств чипа), так и качественно (оценка технологичности реализации конструкции чипа). Анализ должен показать творческие способности студента. Заключение. Основа заключения – попытка определения дальнейших путей совершенствования конструкции и технологии современных СБИС. Список литературы.

40

Очень неплохо, если в списке литературы, помимо рекомендованной, появятся источники, найденные студентом самостоятельно, например, в периодических журналах и в сети Интернет.

4.6. Библиографический список Для выполнения курсовой работы рекомендована следующая учебная и научно-техническая литература: 1. Зи С. Физика полупроводниковых приборов: В 2-х кн. Пер. с англ. – М.: Мир, 1984, - 456 с. 2. Пичугин И.Г., Таиров Ю.М. Технология полупроводниковых приборов. М.: Высш. шк., 1984, - 288 с. 3. Интегральные схемы на МДП-приборах: Пер. с англ. /Под ред. А.Н. Кармазинского. – М.: Мир, 1975. – 527с. 4. Интегральные устройства радиоэлектроники, ч.I. Методический комплекс/ Составитель В.П. Цветов, СЗТУ, 2005г. 5. Конструирование аппаратуры на БИС и СБИС /Под ред. Б.Ф. Высоцкого, В.Н. Сретенского. – М.: Радио и связь, 1989. 6. Цветов В.П. Современные методы конструирования и технологии радиоэлектронных средств. Письменные лекции. – СЗТУ, 2005г. 7. Lin X.W., Pramanik D. Будущие технологии межсоединений и медная металлизация. Solid State Technology v. 41, №10, р. 63, 1998.

41

Содержание Предисловие……………………………………………………………………..3 1. Содержание учебной дисциплины…………………………………………..5 1.1. Рабочая программа………………………………………………………..5 1.2. Тематический план лекций……………………………………………...10 1.3. Тематический план практических занятий…………………………….11 1.4. Тематика курсовой работы…………...…………………………………11 2. Библиографический список…………………………………………………..12 3. Методические указания к изучению дисциплины………………………….13 4. Задание на курсовую работу и методические указания к ее выполнению..15 4.1. Введение………………………………………………………………….15 4.2. Тематика курсовой работы……………………………………………...15 4.3. Расчетная часть…………………………………………………………..27 4.4. Технологическая часть…………………………………………………..36 4.5. Требования к изложению и оформлению материалов………………...37 4.6. Библиографический список……………………………………………..39

42