Электронные компоненты (стр. 3 из 4)
Здесь fC, fV - неравновесные функции распределения для электронов в зоне проводимости и валентной зоне.
Для барьера треугольной формы получено аналитическое выражение для зависимости туннельного тока Jтун от напряженности электрического поля Е следующего вида:
За напряженность электрического поля пробоя Eпр условно принимают такое значение поля Е, когда происходит десятикратное возрастание обратного тока стабилитрона: Iтун = 10·I0.
При этом для p-n переходов из различных полупроводников величина электрического поля пробоя Eпр составляет значения: кремний Si: Eпр = 4·105 В/см; германий Ge: Eпр = 2·105 В/см. Туннельный пробой в полупроводниках называют также зинеровским пробоем.
Оценим напряжение Uz, при котором происходит туннельный пробой. Будем считать, что величина поля пробоя Eпр определяется средним значением электрического поля в p-n переходе Eпр = Uобр/W. Поскольку ширина области пространственного заряда W зависит от напряжения по закону
,то, приравнивая значения W из выражений
,получаем, что напряжение туннельного пробоя будет определяться следующим соотношением:
Рассмотрим, как зависит напряжение туннельного пробоя от удельного сопротивления базы стабилитрона. Поскольку легирующая концентрация в базе ND связана с удельным сопротивлением ρбазы соотношением ND = 1/ρμe, получаем:
Из уравнения (4.21) следует, что напряжение туннельного пробоя Uz возрастает с ростом сопротивления базы ρбазы.
Эмпирические зависимости напряжения туннельного пробоя Uz для различных полупроводников имеют следующий вид:
германий (Ge): Uz = 100ρn + 50ρp;
кремний (Si): Uz = 40ρn + 8ρp,
где n, p - удельные сопротивления n - и p-слоев, выраженные в (Ом·см).
3. Надежность металлизации и контактов интегральных схем. Характеристика и параметры надежности
Осаждение тонких металлических пленок для создания законченной структуры интегральной схемы с соединениями требует решения многих сложных проблем. В большинстве случаев металлизация осуществляется с применением процесса фотолитографии, т.е. на фоторезисте создается рисунок соединения, определяющий участки, с которых металл должен быть удален и в которых должен быть оставлен. Последовательность нанесения слоя фоторезиста и металла может быть изменена.
Разрыв металлической пленки. Обычно на слое фоторезиста создают требуемый рисунок соединений и затем на всю поверхность пластины осаждают пленку металла, удаляемую с участков, на которых имеется фоторезист, совместно с последним. Если пленка металла относительно толстая и непрерывна по всей поверхности пластины, в ней могут возникнуть разрывы и зазубрины на краях, как показано на рис.3.1 Это само по себе не выдвигает новых проблем, если отдельные частицы металла остаются на пластине.
В ряде случаев сначала наносят на всю поверхность пластины металлическую пленку, а затем уже фоторезист. Металл стравливают с участков, где он нежелателен. Этот процесс менее распространен из-за проблем, связанных с химическими реакциями и адгезией металла к подложке.
Рисунок 3.1 - Диффузионные выбросы и зазубрины в металлической пленке (1000-кратное увеличение).
Адгезия металла. Если адгезия металлической пленки к чистому кремнию, окисному покрытию и тонкопленочным компонентам неудовлетворительна, то металл может легко отрываться и обдираться. Обычно с кремнием используется алюминий и золото. Однако у золота плохая адгезия к SiO2, тогда как у алюминия она удовлетворительна и, следовательно, алюминий более широко применяется при изготовлении интегральных схем. Однако применение алюминия имеет и недостатки.
Адгезия алюминия к пленке двуокиси кремния улучшается при небольшом повышении температуры вследствие образования на границе раздела слоя А12О3 - SiO2 Поэтому для получения хорошей адгезии пластины в процессе осаждения алюминия следует нагревать. При избыточном нагреве процесс образования соединения А12О3 - SiO, протекает очень быстро, причем алюминий проходит через стекло и сплавляется с кремнием. Это явление особенно опасно в тех случаях, когда поверхность кремниевой пластины защищена тонким слоем стекла, как, например, в некоторых МОП-конденсаторах.
Рисунок 3.2 - Двухслойная металлизация.
Вследствие образования "пурпурной чумы" некоторые фирмы перешли к использованию только алюминиевых контактов и соединений. Другие решают эту проблему путем использования серебра или золота для создания контактов и тугоплавкого металла, например хрома, в качестве промежуточного слоя для улучшения адгезии металлов к стеклу. На рис.3.2 приведено поперечное сечение этих систем.
Фирма Philco сообщила о применении системы хром-серебро, фирма Texas Instruments использует тонкий слой алюминия для улучшения адгезии, затем слой молибдена для защиты поверхности раздела и для изоляции алюминия и слой золота, которое наносится на поверхность для улучшения прикрепления проволочных выводов к контактным площадкам.
Отслаивание и растрескивание тонкого слоя А1. Как уже говорилось выше, если адгезия металла к SiO2 неудовлетворительна, пленка начинает отслаиваться. Загрязнение поверхности пластины при проведении фотолитографии или из-за других причин также приводит к отслаиванию пленки. Существует дешевый и быстрый способу проверки адгезии, заключающийся в наклеивании липкой ленты на поверхность пластины и последующем удалении ее. Если вместе с лентой снимается тонкая пленка металла, адгезия считается неудовлетворительной.
Металлическая пленка обычно очень мягка и легко царапается в процессе дальнейшей обработки пластины, поэтому при проведении зондовых испытаний следует тщательно следить за тем, чтобы не возникали царапины на пленке. Царапины, проходящие через металлическую пленку, аналогичны разрыву проволочных выводов, приводящему к отказу схемы.
Химические реакции. Алюминиевая пленка может реагировать с остатками химических реагентов, используемых в процессе изготовления схемы, и с пленкой двуокиси кремния. При осаждении достаточного количества алюминия на пленку SiO2 соответствующей толщины нежелательных реакций не возникает. Алюминий химически очень активен. Особенно большие трудности возникают в тех случаях, когда алюминиевая пленка реагирует с щелочными, кислотными или спиртовыми растворами, образуя непроводящие черные (иногда белые) соединения.
4. Механизм случайных отказов диодов и биполярных транзисторов интегральных микросхем
Всякий отказ связан с нарушениями требований проектной документации.
По скорости изменения параметров до возникновения отказа различают внезапные и постепенные отказы.
Внезапный отказ - это отказ, характеризующийся скачкообразным изменением значений одного или нескольких параметров изделия. Постепенный отказ - это отказ, возникающий в результате постепенного изменения значений одного или нескольких параметров. Такое деление весьма условно, так как большинство параметров изменяется с конечной скоростью, поэтому четкой границы между этими классами не существует. К постепенным отказы относят в тех случаях, когда изменения параметров легко прослеживаются, позволяя своевременно предпринять меры по предупреждению перехода системы в неработоспособное состояние, например, заменить батарейку брелока.
По характеру устранения различают устойчивый, самоустраняющийся и перемежающийся отказы. Устойчивый отказ всегда требует проведения мероприятий по восстановлению работоспособности изделия. Самоустраняющийся отказ, или сбой, устраняется в результате естественного возвращения системы в работоспособное состояние, причем время устранения отказа мало. Пример - сигнализация не сработала один раз на команду с брелока.
По характеру проявления различают явные и скрытые отказы. Явный отказ обнаруживается визуально или штатными методами и средствами контроля и диагностирования при установке системы на автомашину или процессе эксплуатации. Скрытый отказ выявляется при проведении технического обслуживания или специальными методами диагностирования. Задержка в обнаружении скрытого отказа может привести к неправильному срабатыванию алгоритмов, некорректной обработке информации, выработке ошибочных управляющих воздействий и другим неблагоприятным последствиям.
В некоторых элементах возможны отказы двух типов. В резисторах, полупроводниковых диодах, транзисторах, реле и ряде других элементов могут возникать отказы типа "обрыв" и типа "короткое замыкание". В первом случае падает до нуля проводимость, а во втором - сопротивление в любых или в определенном направлении. В элементах, назначение которых состоит в формировании сигнала в ответ на определенные сочетания сигналов на входах, например в логических элементах, также возможны отказы двух типов: отсутствие сигнала, когда он должен быть сформирован, и появление сигнала, когда его не должно быть (ложный сигнал).
По первопричине возникновения различают конструктивный, производственный и эксплуатационный отказы. Конструктивный отказ возникает по причине, связанной с несовершенством или нарушением установленных правил и/или норм проектирования и конструирования. Производственный отказ связан с несовершенством или нарушением технологического процесса изготовления, а эксплуатационный отказ - с нарушением правил и/или условий установки и эксплуатации, при возникновении непредусмотренных внешних воздействий или воздействий высокой интенсивности.