Лозовский В.Н. - Нанотехнология в электронике (1051254), страница 21
Текст из файла (страница 21)
наноэлектроника естественным образом зародилась в недрах традиционноймикроэлектроники. Для осмысления особенностей перехода от микро к наноэлектронике необходимо познакомиться со спецификой современной технологии ИМС. Этому посвящена первая часть данной главы (включая п. 6.8).Однако более радикальные успехи наноэлектроникисвязаны с новыми достижениями фундаментальных наук,и в первую очередь — физики. Краткому обзору достижений экспериментальной и теоретической физики, приведших к революционным переменам в современной электронике, посвящена вторая часть настоящей главы. Болееподробно тот же материал излагается в 7й и 8й главах.6.2.ОСНОВНЫЕ ЭТАПЫ ТЕХНОЛОГИИ ИМСОсновными этапами изготовления ИМС являются:· получение чистого полупроводникового материала(п. 6.3);Часть 3.
ОСНОВЫ НАНОЭЛЕКТРОНИКИ119· выращивание из него совершенных монокристаллических слитков с заданными физическими свойства"ми (п. 6.3);· изготовление из слитков полупроводниковых пластин(п. 6.4);· получение на основе пластин базовых полупроводниковых структур (они называются эпитаксиальными, п.
6.5);· формирование элементов ИМС в эпитаксиальном слоеполупроводниковой структуры (п. 6.6);· изготовление ИМС в виде отдельных законченных из"делий.В данном перечне опущены этапы проектирования,контроля, а также технологии изготовления других мате"риалов, помимо полупроводниковых.6.3.ПОЛУЧЕНИЕПОЛУПРОВОДНИКОВОГО МАТЕРИАЛАТехнология ИМС предъявляет к полупроводниковомуматериалу достаточно жесткие требования (см. п.
4.16.)Этим требованиям удовлетворяют кремний, арсенид гал"лия (GaAs) и еще ряд материалов. Однако ИМС изготавли"ваются в основном на кремнии. Поэтому кремний называ"ют базовым полупроводниковым материалом для ИМС.Таким он стал в результате определенного конкурентногоотбора. В оптоэлектронике наиболее широко используют"ся соединения элементов III и V групп таблицы Менделее"ва, например GaAs (см. п.
4.16).Получение полупроводникового материала для ИМСрассмотрим на примере кремния. В массовом производст"ве кремний получают восстановлением песка (SiO2) в сме"си с коксом (С) при высоких температурах. Полученныйтаким образом кремний называется металлургическим.Его чистота (~2% неконтролируемых примесей) и струк"тура (поликристалл) не позволяют использовать этот ма"териал для изготовления ИМС.Далее производится глубокая химическая очисткакремния в виде летучего соединения и его разложение120НАНОТЕХНОЛОГИЯ В ЭЛЕКТРОНИКЕ. Введение в специальностьв очищенном виде с выделением кремния.
Выделенныйкремний может иметь очень высокую чистоту, однако егонельзя использовать для изготовления ИМС, так как онявляется поликристаллическим. Химически очищенныйкремний необходимо превратить в монокристаллическийслиток. Это реализуется выращиванием слитка на охлаж/даемую затравку из тигля, где химически очищенныйкремний находится в расплавленном состоянии (методЧохральского). При выращивании монокристаллическо/го кремния методом Чохральского происходит дополни/тельная (кристаллизационная) очистка материала от мно/гих примесей.
Однако материал тигля (кварц) вносит в рас/тущий кристалл свои примеси. Поэтому разработан методперекристаллизации кремния без использования тигля(бестигельная зонная плавка). Выращенный этим мето/дом кремний обладает самой высокой чистотой. При не/обходимости слитки кремния в процессе выращивания ле/гируются донорными или акцепторными примесями. Такполучают слитки с n/ и р/типом проводимости, удельноесопротивление которых может изменяться в широких пре/делах.Монокристаллические слитки кремния обычно име/ют цилиндрическую форму.6.4.ПОЛУЧЕНИЕПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПЛАСТИНПолупроводниковые слитки режут тонкими стальны/ми дисками с алмазной кромкой на пластины, диаметр иплощадь которых определяются диаметром слитка. Чембольше площадь пластины, тем больше элементов ИМСможно сформировать на пластине, тем на большее числочипов ее можно разделить, тем больше ИМС можно полу/чить из одной пластины.
В настоящее время для массово/го производства ИМС выращивают кристаллы кремниядиаметром до 300 мм. На пластине такого диаметра раз/мещается более 1000 чипов, на каждом из которых мож/но сформировать до 109 схемных элементов. Таким обра/зом, полученные из одной пластины 1000 ИМС могут со/Часть 3. ОСНОВЫ НАНОЭЛЕКТРОНИКИ121держать до 1012 активных элементов, что в 100 раз боль#ше, чем нейронов в человеческом мозге (~1010 штук).Пластина, вырезанная из слитка, не может использоваться для формирования на ней элементов ИМС, таккак ее поверхность имеет геометрические и структурные дефекты.
Их устраняют шлифовкой и полировкойдо 14го класса чистоты (оптическая полировка). Послетакой обработки на поверхности пластины сохраняются ло#кальные впадины и выступы порядка 50 нм, и становятсяэффективными последующие стадии формирования эле#ментов ИМС методами планарной технологии (см. п. 5.5).6.5.ПОЛУЧЕНИЕЭПИТАКСИАЛЬНЫХ СТРУКТУРПри формировании планарной транзисторной струк#туры, изображенной на рис. 5.13, все элементы транзи#стора выполняются воздействием на полупроводниковуюпластину с поверхности. Сначала вводятся донорные при#меси, образующие изолирующие карманы n#типа, затемакцепторные — для создания базы (р#типа), и снова доно#ры — для формирования эмиттера.Любые примесные атомы нарушают структуру кри#сталла.
Трехкратное введение примесных атомов искажа#ет кристаллическую структуру в такой степени, что суще#ственно снижается процент выхода годных транзисторов.Поэтому до 1965 г. выход годных ИМС на биполярныхтранзисторах не превышал 5%. Процент выхода годныхбыл увеличен до 50–70% переходом на формированиетранзисторов в тонком слое монокристаллического крем#ния, наращенного на пластину. Такой слой называетсяэпитаксиальным. Совершенство эпитаксиального слоя неуступает совершенству монокристалла, из которого полу#чена пластина.
Если на пластине р#кремния выраститьэпитаксиальный n#слой, то в нем можно сформироватьизолирующие карманы, структура кремния в которыхзначительно более высока, чем в кармане, полученномвведением примесных атомов n#типа непосредственно впластину р#типа с ее поверхности.122НАНОТЕХНОЛОГИЯ В ЭЛЕКТРОНИКЕ.
Введение в специальностьСовременные ИМС на биполярных транзисторах по#лучают на эпитаксиальных структурах. Поэтому они на#зываются базовыми полупроводниковыми структурами.Эпитаксия — это ориентированное наращиваниекристаллических слоев на монокристаллическую подложку. Если на подложке наращивается эпитаксиальный слой того же состава и структуры, то такой видэпитаксии называется гомоэпитаксией; если иного состава — то гетероэпитаксией. При изготовлении ИМСна кремнии используют гомоэпитаксию (кремния на крем#нии).
Для получения гетеропереходов (гетероструктур)оптоэлектронного назначения используется гетероэпитак#сия. Например, на подложке арсенида галлия (GaAs) на#ращивают эпитаксиальный слой трехкомпонентного со#единения AlGaAs (см. п. 5.4).При любом способе эпитаксии имеются: источникиатомов ростового вещества, среда, в которой эти атомыпереносятся к подложке, и подложка. Если средой переноса является вакуум, то это — вакуумная эпитаксия.В вакууме атомы обычно переносятся в виде молекулярных пучков. Поэтому такой вид эпитаксии называетсямолекулярнолучевой (МЛЭ) или молекулярнопучковой(МПЭ). Если средой переноса служит газ или пар, тоэпитаксия называется газофазной или парофазной. В настоящее время весьма распространена газофазная эпитаксия из паров металлоорганических соединений (МОСГФЭ).
Наконец, если атомы ростового вещества поступают на подложку из жидкой фазы, то это — жидкофазная эпитаксия (ЖФЭ).Уже указывалось, что в нанотехнологии по принци#пу «снизу вверх» целесообразно использовать механизмы самоорганизации получаемых нанообъектов. Про#цесс эпитаксии обладает признаками самоорганизации.При эпитаксии упорядоченный объект (тонкий монокри#сталлический слой), один из размеров которого (толщи#на) может соответствовать наномасштабам или иметьвнутреннюю наноструктуру, самоформируется по меха#низму «снизу вверх» из отдельных атомов, первоначаль#но движущихся хаотически.Часть 3. ОСНОВЫ НАНОЭЛЕКТРОНИКИ123Из газовой или жидкой среды беспорядочно движу$щиеся атомы ростового вещества попадают при эпитак$сии на подложку, состоящую из атомов, располагающих$ся в строгом порядке, образуя кристаллическую струк$туру.
Воздействие атомов подложки принуждает атомыростового вещества из неупорядоченной среды приниматьстрого упорядоченные пространственные позиции, повто$ряя кристаллографическую структуру подложки. В мик$роэлектронике используются и другие процессы, обладаю$щие признаками самоорганизации. В нанотехнологии по$добные процессы должны стать доминирующими.В нанотехнологии находят применение слои, толщи$на которых лежит в нанодиапазоне (1–100 нм). В болеетолстых слоях эпитаксия позволяет получать особые на$ноструктуры, например сверхрешетки (см.
гл. 7).6.6.МЕТОДЫ ФОРМИРОВАНИЯЭЛЕМЕНТОВ ИМСВ полупроводниковых ИМС основным элементом яв$ляется p–nпереход, например в составе транзистора. Дляформирования p–n$перехода необходимо в полупроводникзаданного типа проводимости вводить атомы примесногоэлемента, создающего проводимость противоположноготипа. Методы легирования кристаллов различными при$месями хорошо разработаны.В технологии ИМС широко используются два метода легирования: диффузия и ионная имплантация. Диффузия примесей — это процесс переноса примесных атомов из областей среды, где их концентрация велика, вобласти с меньшей концентрацией за счет тепловогохаотического движения частиц вещества.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
