Министерство образования и науки Российской Федерации

«МГТУ им. Н.Э.Баумана»

Факультет

«МТ»

Реферат по

дисциплине

«Физико-химические основы электронных технологи»

Возможности и проблемы современной наноэлектроники

Работу выполнил

студент группы

МТ11-42

Мамедов Р.Б.

Научный руководитель:

ассистент кафедры МТ11

Сидорова С.В.

Москва, 2016

Оглавление

Вступление. 3

1. Традиционная фотолитография и ее проблемы. 3

2. Перьевая нанолитография. 9

3. Нанопечатная литография. 10

4. Кремниевая наноэлектроника. 12

5. Структуры «кремний-на-изоляторе». 13

6. Кремний-на-сапфире. 15

7. Перспективы и преимущества карбидкремниевой электроники. 16

Заключение. 19

Список литературы: 20

Вступление.

Наноэлектроника – это общее определение ряда технологий, направленных на реализацию электронных приборов с нанометровыми размерами структурных областей [1] . К ним относятся эмиссионные приборы на основе углеродных трубок, полупроводниковые лазеры с квантовыми «ямами», наноразмерные электромеханические системы, полевые и биполярные транзисторы с размерами элементов менее 100 нм, другие полупроводниковые приборы с нанометровыми размерами. Объединяет эти приборы новый подход к характеризации их параметров.

Классическая электродинамика не может описать все явления в нанометровых элементах. Для анализа в понятиях квантовой физики нанометровые приборы слишком сложны. Для описания поведения таких приборов обычно применяются гибридные модели, в которых используются уравнения классической электродинамики и некие виртуальные (эффективные) значения параметров физической структуры.

Наибольшее распространение и влияние на технический прогресс имеют полупроводниковые наноразмерные приборы. Очень часто в определение «наноэлектроника» включается только полупроводниковая наноэлектроника.

1. Традиционная фотолитография и ее проблемы.

Фотолитогра́фия – метод получения определённого рисунка на поверхности материала, широко используемый в микроэлектронике и других видах микротехнологий. Один из основных приёмов планарной технологии, используемой в производстве полупроводниковых приборов.

Суть процесса фотолитографии сводится к тому, что вначале на обрабатываемую поверхность наносится фоточувствительная полимерная пленка (фоторезист) толщиной от 0.1 до 10 мкм. Затем эта пленка засвечивается через фотошаблон с заданным рисунком. Далее проэкспонированные участки удаляются в проявителе. Получившийся на фоторезисте рисунок используется для таких технологических этапов планарной технологии, как травление, электроосаждение, вакуумное напыление и другие. После проведения одного из этих процессов, оставшийся, неудаленный при проявлении, фоторезист также удаляется.

Основные этапы литографического процесса с использованием позитив-

ного (слева) и негативного (справа) фоторезистов: а – окисление и образование поверхностного слоя SiО₂; б – нанесение слоя резиста; в – экспонирование; г – удаление экспонированного позитивного и неэкспонированного негативного резистов; д – протравливание слоя SiО₂; e – полное удаление резиста; ж – легирование кремниевой подложки; 1 – подложка из Si; 2 – поверхностный слой SiО₂ ; 3 – слой резиста; 4 – фотошаблон (маска); 5 – область легирования

Рис.1. Литографический процесс.

Оптическая литография объединяет в себе такие области науки, как оп-

тика, механика и фотохимия. При любом типе печати ухудшается резкость края (рис. 2). Проецирование двумерного рисунка схемы ведет к уменьшению крутизны края, поэтому нужен специальный резист, в котором под воздействием синусоидально модулированной интенсивности пучка будет формироваться прямоугольная маска для последующего переноса изображения травлением или взрывной литографией.

Если две щели размещены на некотором расстоянии друг от друга, то

неэкспонируемый участок частично экспонируется по следующим причинам:

1) дифракция;

2) глубина фокуса объектива;

3) низкоконтрастный резист;

4) стоячие волны (отражение от подложки);

5) преломление света в резисте.

Рис. 2. Профили распределения интенсивности в изображения для случаев

контактной печати, печати с зазором и проекционной литографии

Изображение неточечного источника в фокальной плоскости идеального объектива никогда не бывает истинной точкой, а распределяется в дифракционную картину диска Эйри. Таким образом, неэкспонируемый промежуток частично экспонируется дифрагировавшим и отраженным от подложки излучением. Из-за ограниченной селективности последующего процесса сухого травления резиста и подложки требуется получение рисунка с круглым профилем в относительно толстой пленке. Вследствие внутреннего эффекта близости (дифракционные потери) изолированные экспонируемые линии облучаются недостаточно и должны экспонироваться с большей дозой (что ведет к искажению изображений линий размером более 3 мкм или неэкспонируемых промежутков размером менее 3 мкм) или проявляться с потерей толщины резиста в неэкспонируемых промежутках.

Критическими размерами в интегральных схемах (ИС) являются минимальный размер (МР), воспроизводящийся в фоторезисте методом фотолитографии.

Разрешение процесса литографии (достижимый МР) определяется из известной формулы Релея:

в которой k₁ – коэффициент Релея;

λ – длина волны;

NA – числовая апертура объектива.

Коэффициент Релея ограничивается несовершенством систем изображения, в том числе дифракционными эффектами, и несовершенством регистрирующей среды. Постоянное совершенствование объективов, чувствительности и контрастности фоторезистов, процесса экспонирования и проявления позволило в современных степперах достичь k = 0,35–0,25, NA =0,85–0,95.

Для предельного расчета λ = 193 нм получим R=50 нм, т. е. почти в 4 раза меньше длины волны.

Дальнейшее уменьшение МР возможно за счет применения оптической литографии на длине волны 13,5 нм (мягкий рентген или экстремальный ультрафиолет – ЭУФ). На этой длине волны света невозможно использовать преломляющую оптику из-за интенсивного поглощения такого света всеми материалами. Поэтому в таких системах используют отражающую оптику на рентгеновских зеркалах. При использовании современных методов нанесения многослойных покрытий с чередующимися слоями Mo-Si удается получить коэффициент отражения до 70 %, что позволяет строить объективы с 4−6 зеркалами. Шаблоны также становятся отражающими. Потери излучения требуют создания источника излучения на длине волны 13,5 нм с оптической мощностью свыше 115 Вт.

Главными аргументами развития ЭУФ-литографии (ЭУФЛ) являются следующие:

• Во-первых, ЭУФЛ является проекционной оптической и использует стеклянные заготовки для шаблонов. В отличие от ионной, электронной (в том числе многолучевой) или импринт ЭУФЛ не требует создания новой инфраструктуры и обеспечивает высокую производительность. Эксперты фирмы «Интел» называют импринт-литографию «разрушающей» из-за необходимости в случае ее применения резкого изменения инфраструктуры производства шаблонов и всей технологии литографии. Главная цель – продвинуть оптическую литографию как можно дальше, не используя более дорогие альтернативы без абсолютной необходимости.

• Во-вторых, ЭУФЛ может быть использована для нескольких поколений ИС (для k = 0,4 и NA = 0,25, R = 22 нм, а для предельного расчета с NA = 0,45 достижимо R = 10−12 нм), в частности, для диапазона минимальных размеров 32−12 нм.

• В-третьих, работоспособность ЭУФЛ уже продемонстрирована на прототипах литографов. Внедрению ЭУФЛ будут предшествовать работы по достижению нужной оптической мощности источника (необходимо 115 Вт, пока достигнуто 20−30 Вт), разработка ультраплоских подложек для масок с очень низкой плотностью дефектов, транспортной системы масок, резистов, отвечающих требованиям по разрешению, чувствительности и ширине шероховатости края.

Проблематичным кажется возможность применения фазовых шаблонов, так как ошибка в изменении рельефа шаблона на величину 0,11 нм дает сдвиг фазы на 6 градусов. Эта оценка дает представление о необходимой точности воспроизведения рельефа фазового шаблона. При дальнейшем уменьшении размеров элементов мы сталкиваемся с целым рядом проблем, которые свидетельствуют о наступлении предела возможностей современной фотолитографии.

Актуальные проблемы фотолитографии:

1. Увеличение сопротивления областей транзистора, уменьшить которое легированием уже не представляется возможным.

2. Увеличение паразитных емкостей и токов утечки при приближении элементов друг к другу.

3. Ярко выраженные эффекты дифракции и аберрации на зеркалах установок, несмотря на то, что они обработаны со средними квадратичными отклонениями не более 0,1–0,3 нм, и совершенством поверхности не хуже,

чем λ/20, что соответствует 0,5 нм.

4. Проблемы создания источников излучения. До сих пор не удалось создать источника излучения с длиной волны 157 нм на эксимерных лазерах.

Коротковолновое излучение с длиной волны менее 13 нм уже неперспективно из-за активной генерации рентгеновских фотоэлектронов. Для генерации излучения с длиной волны 13,5 нм сегодня используются двухкомпонентные лазер-плазменные источники, состоящие из мощного YAG лазера (0,1–1 ТВт, 1 000 нм, 100 Гц) и мишени. Такой источник излучения должен обеспечить необходимые мощность, критерий отдачи, коэффициент «мусорообразования» (debris production DP) и длину волны (13,5 нм), которая является оптимальной для работы с размерами менее 100 нм. Металлические мишени характеризуются высоким коэффициентом отдачи, но и высоким коэффициентом «мусорообразования»: при воздействии лазера на мишени происходит локальное разрушение мишени с образованием кратера, который развивается со скоростью порядка 150 м/с, в результате чего частицы мишени попадают на первое зеркало, загрязняя его.

1. Перьевая нанолитография.

Удобный способ нанесения наноструктур на поверхности предложила компания NanoInk, выпускающая самые маленькие авторучки на Земле. Точки, линии и буквы, выходящие из-под их «пера», примерно в десять тысяч раз меньше тех, что создаются с помощью обычной шариковой ручки. Однако в отличие от макроскопических «коллег», данная ручка представляет собой зонд АСМ с наконечником из нитрида кремния

Рис. 3. Cистема кантилеверов – «авторучек» и внешний вид установки DPN

Когда АСМ используется по прямому назначению, возникает проблема: на наконечнике конденсируется влага из окружающего воздуха, что ухудшает качество измерений. Оказалось, что частицы воды в образующейся капельке постоянно движутся от наконечника к поверхности и наоборот. Это свойство решили использовать для перемещения вместе с водой молекул «чернил». Меняя уровень влажности в приборе, задают размер капельки и ширину линии. Ширина линий составила всего несколько десятков молекул, а толщина – одну молекулу. Эту технологию назвали «перьевой нанолитографией» (dip-pen nanolithography).

Перьевая нанолитография имеет много преимуществ: в качестве «чернил» можно использовать все, что угодно, а писать можно на любой поверхности.

«Атомная ручка» найдет применение в наноэлектронике: с ее помощью на площади в один квадратный дюйм можно прочертить до 1 млн линий. Эксперты отмечают также относительную дешевизну устройства.

В отличие от обычной литографии здесь не нужно трудоемкое изготовление фотошаблона, а значит, станки-«нанохудожники» смогут переключаться на производство все новых и новых наночипов, сразу как только инженеры будут их разрабатывать. Таким образом, одна и та же фабрика сможет производить множество разных типов микросхем.

1. Нанопечатная литография.

Нанопечатная литография (Nanoimprint lithography) является отличной технологией изготовления интегральных микросхем, однако до этого момента главным ее недостатком была слишком высокая стоимость производства трафаретов, по которым осуществляется «печать» чипов. Теперь же, благодаря исследованиям и разработкам инженера Стивена Чоу (Stephen Chou) из Принстонского университета (Princeton University), процесс изготовления шаблонов можно не только значительно удешевить, но и заметно ускорить.

На современном этапе развития нанопечатной литографии широко используются медленные методы изготовления трафаретов при помощи электронного или ионного пучков.

Стивен Чоу предлагает следующий метод – использовать полимер для формирования необходимого «рисунка» на пластине. Полимер в ходе процесса помещается между двумя пластинами, и после сжатия на поверхности пластин остаются углубления, точно соответствующие толщине полимера.

Рис. 4. Структура, созданная с помощью нанопечатного метода

Однако не только быстрота и невысокая стоимость являются главными преимуществами метода: при помощи представленной техники можно наносить «рисунок» на поверхности большей площади. Так, если сегодня исследователи оперируют с пластинами площадью всего несколько квадратных миллиметров, то «полимерный» метод позволяет формировать необходимую структуру на площади в несколько квадратных сантиметров. При этом разработчики получают возможность легко контролировать толщину углублений, значительно повышая точность инструментов для создания новых микросхем.

1. Кремниевая наноэлектроника.

Кремниевая микроэлектроника сформировалась как отрасль промышленности около 40 лет назад. Все это время технология микроэлектроники развивалась согласно «закону Мура», то есть минимальные размеры элементов микросхем уменьшались в раз каждые 2,5 года, а число элементов на кристалле за этот же период удваивалось [2]. В XXI веке продолжается экспоненциальный рост, как стоимости производственных участков, так и их производительности. Размеры элементов в микросхемах уменьшились до нанометровых величин. Строительство и полную загрузку производственных участков могут осуществить самостоятельно только самые крупные IDM-компании. На сегодняшний день к таким можно причислить только компанию Intel. Остальные IDM (Integrated Device Manufacturers) производители осваивают новые технологии в составе научно-производственных объединений. Например, консорциум STI (Sony, Toshiba, IBM, Chartered, AMD) создал общие производственные мощности для производства микросхем с размерами элементов 45 и 32 нм.

Рис. 5. Производители логических схем имеющие собственные фабрики