🗊Презентация Специальные вопросы микротехнологий и нанотехнологий

Специальные вопросы микро-и нанотехнологии Стефанович Г.Б.

Основы технологии наноэлектроники Схема установки MBE для получения легированных тройных соединений. Вся установка размещается в камере сверхвысокого вакуума: 1.Блок нагрева, 2. Подложка, 3 Заслонка отдельной ячейки, 4. Эффузионные ячейки основных компонентов, 5 Эффузионные ячейки легирующих примесей.

Основы технологии одноэлектроники Элементарные процессы в зоне роста: 1.Адсорбция атомов из зоны смешивания на поверхности, 2. Миграция (поверхностная диффу- зия) адсорбированных атомов по поверхности, 3. Встраивание адсорбированных атомов в кристаллическую решетку, 4. Термическая десорбция, 5. Образование поверхностных зародышей, 6. Взаимная диффузия. Над растущей поверхностью показаны атомы газовой смеси компонентов в приповерхностной области. Буквами n-n и i-i показаны нормальная и инвертированная поверхности раздела растущей ГС. Область между этими поверхностями представляет собой квантовую яму шириной L.

Основы технологии одноэлектроники Схема горизонтального реактора открытого типа с охлаждаемыми стенками для MOCVD: 1. Кварцевый корпус, 2. Катушка ВЧгенератора для нагревания подложки, 3. Блок нагрева подложки, 4. Подложки, 5. Водяное охлаждение (впуск), 6. Водяное охлаждение (выпуск). Схематически показано распределение скоростей v и температуры T в газовом потоке в диффузионном слое вблизи подложки (масштаб не соблюден)

Одним из определяющих технологических процессов в микроэлектронике в течение более 40 лет продолжает оставаться литография. Литография или микролитография, а сейчас может быть уместно, говорить о нанолитографии, предназначена для создания топологического рисунка на поверхности монокристаллической кремниевой пластины. Основным литографическим процессом в современной микроэлектронике является фотолитография. Одним из определяющих технологических процессов в микроэлектронике в течение более 40 лет продолжает оставаться литография. Литография или микролитография, а сейчас может быть уместно, говорить о нанолитографии, предназначена для создания топологического рисунка на поверхности монокристаллической кремниевой пластины. Основным литографическим процессом в современной микроэлектронике является фотолитография.

10 ступеней литографического процесса. 1. Подготовка поверхности (промывка и сушка) 2. Нанесение резиста (тонкая пленка полимера наносится ценрифугированием) 3. Сушка (удаление растворителя и перевод резиста в твердую растворимую фазу) 4. Совмещение фотошаблона и экспонирование (положительный резист под действием света переходит в нерастворимую фазу ) 5. Проявление резиста (промывка в растворителе, удаляющем неэкспонированный резист)

6. Стабилизирующий отжиг (удаление остатков 6. Стабилизирующий отжиг (удаление остатков растворителя) 7. Контроль и исправление дефектов. 8. Травление (Непосредственный перенос рисунка маски на поверхность полупроводниковой структуры) 9. Удаление фоторезиста. 10. Финишный контроль.

ПРИМЕНЕНИЕ ОПТИЧЕСКОЙ ЛИТОГРАФИИ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ СТРУКТУР НАНОРАЗМЕРНОГО МАСШТАБА. Минимальный размер рисунка, который может быть разрешен с помощью той или иной оптической системы может быть оценен с использованием известной формулы:

Конструкция туннельного резонансного транзистора и структура с набором квантовых точек.

Определение аспектного отношения.

Фазосдвигающее маски.

Многослойные резисты.

Литография с двухслойным резистом различной полярности.

«Lift-off» процесс.

Иммерсионная литография

Double patterning

АЛЬТЕРНАТИВНЫЕ ИСТОЧНИКИ ЭКСПОНИРОВАНИЯ. Для получения структур с разрешением ниже 100 нм становится обоснованным использование принципиально новых способов экспонирования. Принимая во внимание необходимость разработки высокопроизводительных литографических систем можно выделить следующие 4 основные направления: предельный или экстремальный ультрафиолет (extreme UV lithography – EUVL), электронная проекционная литография (SCALPEL), рентгеновская литография (Х- ray lithography), ионная литография (ion beam lithography).

ЛИТОГРАФИЯ С ЭКСТРЕМАЛЬНЫМ УЛЬТРАФИОЛЕТОМ. EUVL является обычной оптической литографией, но с использованием излучения с длиной волны 11 - 14 нм и отражательными оптикой и фотошаблонами. Источниками излучения в EUVL на первом этапе развития подобных систем служило синхротронное излучение. Однако позже был разработан малогабаритный источник предельного ультрафиолета, принцип работы которого основан на использовании излучении из лазерной плазмы. Излучение стандартного Nd:YAG лазера (1063 нм длина волны, 40 Вт мощность, 100 Гц частота, 5 нс длительность) фокусируется на импульсной газовой струе Xe кластеров.

Схема EUV литографии.

Схема маски для EUV литографии.

ПРОЕКЦИОННАЯ ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВАЯ ЛИТОГРАФИЯ. ОГРАНИЧЕНИЯ ПРОЕКЦИОННОЙ ЭЛЛ: 1.Термический нагрев маски. 2. Большие числовые апертуры. Понимание ограничений адсорбционной ЭЛЛ привело к появлению новых проекционных ЭЛЛ систем, одна из которых получила название SCALPEL. Главное отличие новых систем от предыдущих заключается в использовании нового типа масок. Маска системы SCALPEL представляет собой набор мембран, изготовленных из легких элементов, с высокой проницаемостью для электронов. Рисунок создается пленками из тяжелых элементов с большой отражательной способностью.

Принцип работы системы SCALPEL:

Электроны проходящие через мембраны рассеиваются на малые углы, тогда как рисунок рассеивает электроны на большие углы. Апертура, расположенная в обратной фокальной плоскости полевой оптической системы пропускает электроны, рассеянные на малые углы и не пропускает электроны, рассеянные на большие углы, что приводит к формированию на подложке высококонтрастного изображения. При этом в маске не происходит значительного поглощения электронного потока, что минимизирует тепловую нестабильность маски. Электроны проходящие через мембраны рассеиваются на малые углы, тогда как рисунок рассеивает электроны на большие углы. Апертура, расположенная в обратной фокальной плоскости полевой оптической системы пропускает электроны, рассеянные на малые углы и не пропускает электроны, рассеянные на большие углы, что приводит к формированию на подложке высококонтрастного изображения. При этом в маске не происходит значительного поглощения электронного потока, что минимизирует тепловую нестабильность маски.

Травление микроструктур

Физическое травление Плазменное травление

Катодное распыление

Катодное распыление Еi >Eth; Eth- пороговая энергия распыления. Eth слабозависит от атомной массы ионов и мишени Eth  10 – 30 eV Среднее расстояние, dt, проходимое ионом в тв. Теле, зависит от энергии и атомного номера иона, атомного номера и структуры мишени. Для Ar+ cэнергией 0,5-5eV Si – 3,5 nm/keV; SiO2 – 5,0 nm/keV; Au - 1,3 nm/keV; Al - 1,5 nm/keV; Толщина поврежденного слоя обычно составляет ½ dt. Только 5% энергии иона затрачивается на распыление, 70-90 % идет на термический нагрев мишени, остальное на радиационные повреждения, вторичную электронную эмиссию и ЭМ излучение в широком спектре частот.

Катодное распыление Угловое распределение распыленных атомов при энергии ионов 1-10 keV косинусному закону N = N0cos

Катодное распыление Коэффициент распыления Y = Na/Ni

Схема реактивного ионного травления

Реактивное ионное травление (RIE)

Цилиндрические реакторы

ТРАВЛЕНИЕ НАНОСТРУКТУР

Типовая установка (Oxford instruments) RIE technology top electrode with shower head gas inlet substrate electrode with 13 MHz Generator and Automatch (AMU) substrate electrode water cooled System control: PLC (programmable logic controller) and PC 2000 Turbo or Roots pump with dual stage rotary as backing pump gate valve and APC (automatic pressure) control valve pressure reading: CM gauge for process (Capacitance Manometer) additional Penning for base pressure gas pod with 6/ 12 MFC controlled gas lines (Mass Flow Controller)

typical process pressure: 5 - 150 mtorr plasma density: ca 1 - 5 x 109 / cm2 standard method for most applications RF ("self") bias forms at the substrate electrode Ion Energy (~ RF bias) dependent on the RF power and process pressure energy range process dependent: 30 eV - 1.000 eV end point detection: optical emission, laser interferometry

ТРАВЛЕНИЕ НАНОСТРУКТУР

Definition of ALD ALD is a method of applying thin films to various substrates with atomic scale precision. Similar in chemistry to chemical vapor deposition (CVD), except that the ALD reaction breaks the CVD reaction into two half-reactions, keeping the precursor materials separate during the reaction. ALD film growth is self-limited and based on surface reactions, which makes achieving atomic scale deposition control possible. By keeping the precursors separate throughout the coating process, atomic layer thickness control of film grown can be obtained as fine as atomic/molecular scale per monolayer.

Brief History of ALD Introduced in 1974 by Dr. Tuomo Suntola and co-workers in Finland to improve the quality of ZnS films used in electroluminescent displays. Recently, it turned out that ALD also produces outstanding dielectric layers and attracts semiconductor industries for making High-K dielectric materials.

ALD Process and Equipments Releases sequential precursor gas pulses to deposit a film one layer at a time on the substrate. The precursor gas is introduced into the process chamber and produces a monolayer of gas on the wafer surface. A second precursor of gas is then introduced into the chamber reacting with the first precursor to produce a monolayer of film on the wafer surface. Two fundamental mechanisms: Chemisorption saturation process Sequential surface chemical reaction process Example: ALD cycle for Al2O3 deposition Since each pair of gas pulses (one cycle) produces exactly one monolayer of film, the thickness of the resulting film may be precisely controlled by the number of deposition cycles.

ALD Process and Equipments

ALD Process and Equipments

ALD Process and Equipments

ALD Process and Equipments

ALD Process and Equipments

ALD Process and Equipments

ALD Process and Equipments

ALD Process and Equipments Releases sequential precursor gas pulses to deposit a film one layer at a time. A first precursor gas is introduced into the process chamber and produces a monolayer of gas on the wafer surface. Then a second precursor of gas is introduced into the chamber reacting with the first precursor to produce a monolayer of film on the wafer surface. Two fundamental mechanisms: Chemisorption saturation process Sequential surface chemical reaction process Example: ALD cycle for Al2O3 deposition

ALD Process and Equipments Four main types of ALD reactors Closed system chambers Open system chambers Semi-closed system chambers Semi-open system chambers

ALD Process and Equipments Four main types of ALD reactors Closed system chambers (most common) Open system chambers Semi-closed system chambers Semi-open system chambers

ALD Process and Equipments Four main types of ALD reactors Closed system chambers (most common) The reaction chamber walls are designed to effect the transport of the precursors.

ALD Process and Equipments

ALD Process and Equipments

ALD Applications High-K dielectrics for CMOS Semiconductor memory (DRAM) Cu interconnect barrier Deposition in porous structures

Элементы электронных систем.

Физические основы наноэлектроники

Квантовые основы наноэлектроники квантовое размерное ограничение интерференция туннелирование через потенциальные барьеры.

Квантовое размерное ограничение

Уравнение Шредингера

Решения уравнения Шредингера в непериодическом потенциале

Квантовое размерное ограничение.

Квантовое размерное ограничение.

Квантовые нити. Одномерный электронный газ Полупроводниковые гетероструктуры с квантовыми нитями, полученные с помощью субмикронной литографии за счет вытравливания узкой полоски из самой структуры (а) или щели в затворе Шоттки (б): 1 – полупроводник с широкой запрещенной зоной (AlGaAs); 2 – полупроводник с узкой запрещенной зоной (GaAs); 3 – металлический затвор.

Интерференция. Эффект Ааронова-Бома.

Туннелирование Квантовое ограничение, проявляясь в наноразмерных структурах, накладывает специфический отпечаток и на туннелирование. Так, квантование энергетических состояний электронов в очень тонких, периодически расположенных потенциальных ямах приводит к тому, что туннелирование через них приобретает резонансный характер, то есть туннельно просочиться через такую структуру могут лишь электроны с определенной энергией.

Туннельный резонансный транзистор Схема работы и вольт-амперная характеристика резонансного прибора. а – напряжение равно 0; б – подано резонансное напряжение; в – напряжение больше резонансного; г – вольт-амперная характеристика.

Туннельный резонансный транзистор

Одноэлектроника. Одно из самых перспективных направлений увеличения степени интеграции микросхем основано на развитии приборов, в которых контролируется перемещение буквально одного электрона. В таких устройствах, называемых сейчас одноэлектронными транзисторами бит информации будет представлен одним электроном. В одноэлектронных транзисторах время перемещения электрона определяется процессами туннелирования и может быть очень малым.

Одноэлектроника.

Одноэлектроника.

Одноэлектроника.

Одноэлектроника.