книги / Надежность в микроэлектронике

тепла тепловодностью, конвекцией, излучением часто бывает недостаточным и температура внутри интеграль­ ных схем превосходит допустимую. Поэтому конструк­ торы предусматривают принудительный отвод тепла. Мощные вентиляционные системы, занимающие боль­ шой объем (часто четверть и даже более общего объе­ ма современных ЭВМ), обдувают платы. Небольшие интегральные схемы, рассеивающие значительные мощ­ ности, крепят на радиаторах, объем которых в тысячи раз превосходит объем интегральных схем.

Общая плотность элементов, рассчитанная как от­ ношение числа всех компонентов к объему современного электронного устройства, даже такого, как летательный аппарат, составляет два элемента в одном кубическом сантиметре. Сразу бросается в глаза, насколько эта ве­ личина отличается от рекламируемых плотностей в ин­ тегральных схемах. Непрерывно изыскивают новые ме­ тоды охлаждения, например, в так называемых тепло­ вых трубках используют кипение и конденсацию лету­ чих жидкостей (достоинство таких трубок в том, что они отводят тепло из определенных мест системы). Со­ временные мощные системы принудительного охлажде­ ния (в основном вентиляционные системы) понижают температуру до допустимой тех интегральных схем, ко­ торые выделяют значительные мощности. Причем на одной плате разные интегральные схемы рассеивают различные мощности. Так в одно и то же время на одной плате одна микросхема может рассеивать около 500 мВт, а другая — 90 мВт, при этом разница в тем­ пературах электронно-дырочных переходов этих схем

эта разница снижается до 55°—45°=10°С. Эти разницы в температурах не опасны для современных кремние­ вых интегральных схем. Но возможны большие, чем приведенные выше, перепады, и они могут быть уже не безболезненными для ИС из новых материалов, в которых параметры приборов с температурой будут меняться значительней. Итак, поток воздуха охлаждает схемы, которые нужно и не нужно охлаждать.

По-разному нагреваются интегральные схемы по высоте стойки, по-разному они охлаждаются на пути воздушного потока, температура которого от входа к

выходу увеличивается. Повышение температуры инте­ гральных схем меняет их характеристики, снижает помехоустойчивость, а при большой разности темпера­ тур отдельных схем даже могут снизиться нагрузочные возможности не очень хороших схем.

Можно считать, что мощность охлаждающих уст­ ройств ЭВМ примерно равна мощности, рассеиваемой схемами и блоками ЭВМ. Учитывая ограниченность энергетических ресурсов, имеет смысл снижать общую потребляемую мощность. В капиталистических стра­ нах, где не утихает энергетический кризис, это требо­ вание имеет первостепенное значение. Создавая инте­ гральные схемы из таких материалов, которые обеспе­ чили бы бесперебойную работу электронной аппарату­ ры без принудительного охлаждения, можно достичь

было бы возможным опустить усилительные схемы вме­ сте с датчиками в недра земли при поисковом глубин­ ном бурении до нескольких километров. Большая часть электронной аппаратуры была бы вынесена из жиз­ ненных пространств летательных аппаратов; космиче­ ские аппараты смогли бы совершить посадку и прово­ дить исследования на Венере (температура около 500°С); стало бы возможно резкое увеличение плот­ ности аппаратуры в целом, так как исчезли бы радиа­ торы и вентиляционные системы и т. д. При допусти­ мой температуре переходов в 300—400° С естественного охлаждения станет достаточно для значительно боль­ шей степени интеграции интегральных схем, плат, бло­ ков, всего электронного устройства в целом.

Причем важно не только увеличение предельного

Мы говорим об активных элементах, как наиболее чувствительных к температуре, но требование расшире­

сопротивления металлов от температуры, то требования к ним уже изложены выше при обсуждении надежно­ сти токоведущих дорожек. Отметим только, что метал­ лические пленки обычно получают распылением метал­ лов в вакууме, хотя это не единственный способ изго­ товления пленок, и конкурирует с ним метод осажде­ ния из газовой фазы.

Метод газовой фазы правильнее называть методом осаждения слоев из газовой фазы при протекании хи­ мических реакций. Сущность метода заключена в по­ даче газообразного соединения данного вещества в зо­ ну осаждения реактора, где происходит осаждение ве­

лателен нулевой или очень небольшой температурный коэффициент сопротивления (ТКС). Многообещающи­ ми материалами явились керметы: смеси керамики с металлами, в которых сопротивление окислов умень­ шается с температурой, а металлов увеличивается. Так­ же перспективны пленки тугоплавких металлов (молиб­ ден, вольфрам и т. д.), насыщенных карбидами, нитри­ дами или окислами вплоть до выделения последних в виде самостоятельной фазы. Сложность решения зада­ чи получения высокотемпературных резисторов заклю­ чается в их стабильности, т. е. неизменности во време­ ни состава исходной смеси. Попутно отметим, что наи­ более простым методом изготовления пленочных ре­ зисторов будет метод осаждения из газовой фазы, так как изменением состава газовой фазы и температуры осаждения можно легко менять состав пленок при их высокой однородности.

В диэлектриках основная трудность в получении однородных слоев без макродефектов вроде микропор, закорачивающих конденсаторные структуры при их из­ готовлении или представляющих собой потенциальные источники короткого замыкания. Физические требова­ ния к гетерослоям (т. е. слоям разных веществ) кон­ денсаторных структур такие же, как и требования к любым гетерослоям для обеспечения стабильности ге­ тероструктуры:

а) малые значения коэффициентов диффузии, практически настолько малые, что диффузией можно полностью пренебречь при максимальной рабочей темпе­ ратуре в течение всего времени морального старения

нимались лишь «чистые» физики, интересовавшиеся ди­ электрической постоянной и эффектами поляризации. А вот о природе дефектов, их влиянии на характеристи­ ки слоя диэлектрика, коэффициентах диффузии в ди­ электриках мы знаем мало, особенно при высоких тем­ пературах.

Рассмотрим высокотемпературные активные элемен­ ты, необходимые для построения усилительных и пере­ ключающихся схем. Они могут быть твердотельными и вакуумными. Остановимся на твердотельных. Одним из основных вопросов высокотемпературной электроники становится выбор типа активных приборов с широким температурным диапазоном работы и материалов, при­ годных для реализации этих приборов.

Широкий температурный диапазон среди полупро­ водниковых приборов предсказывали не нашедшим большого применения туннельным диодам, изготавли­ ваемым из кристаллов вырожденных полупроводников (в основном из германия или арсенида галлия). Их ми­ нимальная теоретическая — гелиевая температура (4,2 К), поскольку уровни Ферми для электронного и дырочного материалов лежат внутри зоны проводимо­ сти и валентной зоны соответственно, и не требуется тепла для ионизации примесных уровней.

Высшая теоретическая предельная температура бы­ ла бы очень высока, если бы она определялась темпе­ ратурой перехода примесной проводимости в собствен­ ную, как это видно на рис. 6 (пересечение области исто­ щения и области собственной проводимости). Эта тем­ пература перехода зависит от концентрации примесей. Так, для концентрации доноров в кремнии порядка со­ тых процента отдельная температура равна 1000 К, а для концентраций около 10-9 — 400 К.

В действительности с температурой изменяются как пиковые токи, так и избыточные (минимальные токи) вольт-амперной характеристики туннельного диода, причем пиковые токи зависят от многих факторов, как, например, ширины запрещенной зоны, уменьшающей­ ся с ростом температуры. С увеличением температуры пиковые токи могут как увеличиваться, так и умень-

Рис. 6. Зависимость кон­ центрации носителей за­ ряда в полупроводнике от обратной температу­ ры. Полупроводник а об­ ладает большей шири­ ной запрещенной зоны, чем б. (/ — область соб­

шаться при разных степенях легирования: при большем легировании значения пиковых токов растут. А вот из­ быточные токи всегда растут с температурой. Это при­ водит к тому, что температурный диапазон германие­ вых туннельных диодов простирается от гелиевых тем­ ператур и только до 200° С.

А теперь коснемся стабильности. Для туннельных диодов характерно расширение области пространствен­ ного заряда со временем, т. е. уменьшение степени ле­ гирования вблизи границ электронно-дырочного пере­ хода. Это вызывается-диффузией и дрейфом ионов. Д е­ градация наиболее проявляется в диодах из арсенида галлия, но и при применении германиевых туннельных диодов, легированных мышьяком, рекомендуется огра­ ничивать рабочую температуру до 150° С для замедле­ ния процессов перемещения ионов (снова надежность, снова кинетический процесс, как и в случае лазерных диодов). Так что предсказания, сделанные в годы от­ крытия туннельных диодов, не оправдались.

Если рассматривать широко используемые в настоя­ щее время биполярные транзисторы и диоды, диоды металл—полупроводник, полевые транзисторы с элек­

характеристики также меняются с температурой.

Теоретически полевые транзисторы с индуцирован­ ным затвором из широкозонных полупроводников с истоком и стоком в виде барьеров Шоттки (то есть сток и исток получены нанесением металла на полупровод­ ник) способны работать с гелиевых температур до тем­ ператур, при которых начинается собственная проводи­ мость.

Диоды Шоттки могут также работать с низких до высоких температур. Диоды, изготовленные из фосфи­ да галлия электронной проводимости и никеля, сохра­ няли выпрямляющие свойства с 25° С вплоть до 500° С, высота электрического барьера со стороны металла

разностью между работой выхода металла и электрон­ ным сродством полупроводника, он создает обедненную область в полупроводнике вблизи контакта с металлом. Барьеры арсенида галлия с различными металлами: никелем, золотом и платиной исследовались в диапа­ зоне 80—400° С; все диоды сохраняли свои выпрямля­ ющие свойства, хотя характеристики конечно меня­ лись.

Биполярные диоды работают при высоких темпера­ турах. Изготовленные из карбида кремния они могли работать при температурах до 500° С при прямых то­ ках до 10 А и при обратных напряжениях до 500 В. Хотя биполярные транзисторы, изготовленные из ши­ рокозонных полупроводников, теоретически могут ра­ ботать при высоких температурах, их температурный диапазон меньше, чем у монополярных приборов, и главное они технологически трудно реализуемы. Труд­ но получать легированные области разной проводимо­ сти с разной степенью легирования, не всегда удается получить узкую базу, иногда времена жизни неравно­ весных носителей лежат вне приемлемых пределов и т. д. Иногда трудно из-за особенностей материала ме­ нять проводимость инжекций неосновных носителей в широком диапазоне температур, причем намного легче ее менять внешним полем. МОП-транзисторы более технологичны, они требуют значительно меньшего чис­ ла высокотемпературных операций, а в МОП-транзи- сторах с истоком и стоком в виде диодов Шоттки вооб­ ще исключается высокотемпературная диффузия и все АЮП-траизисторы менее чувствительны к дефектам

кристаллической структуры К С повышением разреше­ ния современной технологии интегральных схем на МОП-транзисторах их быстродействие в обозримом бу­ дущем достигнет быстродействия биполярных схем.

Итак, характеристики приборов зависят от протека­ ющих в них физических процессов и материалов, из которых они сделаны. Во-первых (и это главное), при увеличении температуры происходит увеличение прово­ димости полупроводников вследствие роста концентра­ ции носителей. Во-вторых, растет ток генерации в об­ ласти пространственного заряда; далее меняются по­ движность носителей, время жизни носителей, высоты энергетических барьеров на границах слоев, токи на­ сыщения и т. д. Все это приводит в основном к ухуд­ шению статических и частотных характеристик прибо­ ров. Мы не оговорились, написав «в основном», так как иногда с ростом температуры увеличивается про­ бивное напряжение при лавинном пробое, вследствие уменьшения длины свободного пробега электронов, иногда растет пиковый ток туннельных диодов, иногда могут улучшиться частотные характеристики, связан­ ные с уменьшением времени жизни неравновесных но­ сителей, т. е. именно иногда может быть улучшение характеристик, но в основном полупроводниковые схе­ мы ухудшают свои характеристики из-за изменения па­ раметров отдельных приборов с температурой.

Какие выводы можно сделать из краткого выше­ приведенного обзора температурных пределов различ­ ных типов полупроводниковых приборов? Теоретически пределы обычно определяются весьма расплывчато, из самых общих теоретических оценок. Полные теоретиче­ ские зависимости параметров полупроводниковых при­ боров сложные, и мы не будем их рассматривать. Су­ щественные уточнения в теоретические приблизитель­ ные значения предельных температур вносят результа­ ты экспериментальных данных. Причем оказывается не последнюю роль играют стабильность и надежность па­ раметров приборов при высоких температурах, а ведь параметры непрерывно улучшаются с углублением по­

диода Шоттки, но, строго говоря, это будет уже не МОП-транзи- стор.

приборах. О сложности теоретического получения за­ висимостей характеристик транзисторов от температу­ ры говорит следующий пример. За максимальную тем­ пературу электронно-дырочного перехода принимается температура, при которой транзистор перестает быть усилительным элементом, т. е. полупроводниковые об­ ласти приобретают собственную проводимость и пере­ ходы перестают существовать. Формула максимальной температуры переходов получена эмпирически, как и все нужные для разработчиков схем температурные за­ висимости параметров приборов и интегральных схем.

И все же однозначно можно сказать, что более ши­ роким температурным диапазоном обладают МОПтранзисторы и диоды Шоттки. Далее у этих приборов, как уже упоминалось, есть еще и завидное преимуще­ ство— легкость технологии.

Теперь вернемся к вопросу, есть ли среди полупро­ водниковых материалов пригодные для высокотемпера­ турной электроники. Какие должны быть характеристи­ ки этих полупроводников, для того чтобы можно было их использовать для создания высокотемпературных приборов—аналогов приборам из кремния? Основной характеристикой материалов, определяющей пригод­ ность приборов для работы в области высоких темпе­ ратур, является проводимость. Повышение проводимо­ сти полупроводникового материала приборов с темпе­ ратурой изменяет основные характеристики полупро­ водниковых приборов как биполярных, так и основан­ ных на носителях одного знака: уменьшает коэффи­ циент инжекции, т. е. ухудшает характеристики выпря­ мления электронно-дырочных переходов; ухудшает уп­ равление каналом в МОП-транзисторах, с ростом тем­ пературы падает крутизна и т. д.

В полупроводниках, используемых в настоящее вре­ мя, зависимость проводимости от температуры опреде­ ляется зависимостью концентрации основных носителей от температуры, как показано на рис. 6. При низких температурах ионизируются доноры (для определенно­ сти рассматриваем электронный полупроводник), т. е. тепловой энергии достаточно для разрыва связей лока­ лизованных электронов с донорами и переброса их в зону проводимости, где они уже принадлежат куску полупроводника в целом. Это будет область ионизации

примесей. Затем идет область истощения, когда все примеси ионизированы, а вклад перебросов электронов из валентной зоны в зону проводимости несуществен. Эти перебросы связаны с разрывом валентных связей— их вероятности обратно пропорциональны экспоненте, в показатель которой входит значение ширины запре­ щенной зоны. И только при высоких температурах так интенсивно начинаются перебросы, что концентрация заброшенных из валентной зоны электронов превосхо­ дит концентрацию электронов, поставленных донорами, т. е. проявляется собственная проводимость. В таком полупроводнике концентрация электронов равна кон­ центрации дырок, и он не пригоден для использования

ненциальной зависимости концентрации, она степенная (для электронного кремния она пропорциональна T ~'tS для слаболегированных образцов и пропорциональна Г -2,5 для силыюлегированных; для электронного арсе­ нида галлия она обратно пропорциональна темпера­ туре).

Ясно, что ход зависимости проводимости от тем­ пературы материалов, пригодных для высокотемпера­ турной электроники, должен повторять ход зависимо­ сти германия и кремния. Для этого, во-первых, должны быть примеси, растворяющиеся в довольно больших количествах (до процента) в рассматриваемом полу­ проводнике и имеющих валентность, которая так бы отличалась от валентности замещаемых ионов полупро­ водника, что полупроводник при низких температурах становится или дырочным, или электронным. Послед­ нее обеспечивается низкой энергией ионизации этих примесей. А вот высокая температура перехода примес­ ной проводимости в собственную, т. е. расширение тем­ пературного диапазона проводимости в сторону высо­ ких температур в собственную обусловливается шири­ ной запрещенной зоны.

Изученный материал, который обладает такими свойствами и вдобавок высокими значениями подвиж­ ности, — это арсенид галлия. Большая ширина запре­ щенной зоны арсенида галлия (1,36 эВ) сочетается у него с высокими значениями подвижности и малыми энергиями ионизации примесей. Подвижность электро­ нов в объемном арсениде галлия равна 9150 см2/с-В,

и в пленках достигает тех же значений. Теоретические частотные пределы приборов из арсенида галлия очень велики. Уже сейчас на рынке электронной аппаратуры имеются полевые транзисторы с затвором в виде диода Шоттки (контакт металла и полупроводника) с пре­ дельной частотой 40 ГГц и крутизной около 30 мА/В. Также велики предельные частоты биполярных транзи­ сторов из арсенида галлия, они достигают сотен мега­ герц. Предельная рабочая температура таких транзи­ сторов должна достигать приблизительно 450° С, но эксперименты показали, что максимальная температу­ ра электронно-дырочного перехода равна приблизи­

результатах температурных испытаний. При испытани­ ях транзисторов п-р-п по характеру изменения коэф­ фициента усиления по току в схеме с общей базой транзисторы разделились на два типа. В одном типе коэффициент усиления экспоненциально падал с тем­ пературой. В транзисторах второго типа, в отличие от транзисторов первого типа, коэффициент усиления по току не меняется ни с величиной тока коллектора в диапазоне от 1(Н до 10~2 А, ни от температуры в диа­ пазоне от 25 до 270° С. Параметром, ограничивающим работу транзисторов' при высоких температурах, был только / ко, который зависел экспоненциально от обрат­ ной температуры с энергией активации, равной полови­ не запрещенной зоны. Он ограничивал наивысшую тем­ пературу до 340° С (ток достигал величины в 0,4 мА).

слабая зависимость тока утечки от температуры. Рабо­ ту диодов из арсенида галлия при высоких темпера­

цинка (15,7 А/см2). В полевых транзисторах критиче­ скими параметрами при высоких температурах были токи утечки затвора и потеря изоляционных свойств высокоомной полуизоляционной подложкой арсенида галлия (проводимость подложки возрастает на четыре порядка при изменении температуры от 25 до 250°С).

После работы транзисторов в течение более чем 200 ч во многих биполярных транзисторах при измере­

но