Лозовский В.Н. - Нанотехнология в электронике (1051254), страница 22
Текст из файла (страница 22)
Движущейсилой диффузии является градиент концентрации. Гра$диент концентрации — это вектор, направленный в сто$рону ее наиболее быстрого увеличения и численно рав$ный скорости увеличения концентрации в этом направ$лении. Поток диффундирующих примесей направлен всторону, противоположную вектору градиента концен$трации, и пропорционален его величине. Коэффициент124НАНОТЕХНОЛОГИЯ В ЭЛЕКТРОНИКЕ. Введение в специальностьпропорциональности (D) называется коэффициентом диф%фузии. Коэффициент диффузии в твердом веществе весь%ма резко (экспоненциально) зависит от температуры (Т):Ua1(6.1)D 2 D0 3 e kT ,где D0 — предэкспоненциальный множитель, слабо зави%сящий от температуры, Ua — энергия активации процес%са диффузии.Диффундирующий атом находится либо в узле кристал%лической решетки, замещая собственный атом (примесьзамещения), либо между узлами решетки (примесь внедре%ния).
И в том, и в другом случае его положение соответству%ет минимуму потенциальной энергии (потенциальная яма).В этом положении примесный атом находится в течениенекоторого времени (время оседлой жизни), совершая теп%ловые колебательные движения, как и другие атомы кри%сталла. Чтобы перейти в аналогичное соседнее положение,примесный атом должен преодолеть потенциальный барь%ер высотой Ua. Преодоление этого барьера доступно атому,который получил в процессе взаимодействия с соседямиэнергию, не меньшую Ua. Активированные за счет тепло%вой энергии перескоки примесных атомов из одного местазакрепления в другое и лежат в основе диффузии. С ростомтемпературы частота диффузионных перескоков атомов воз%растает и коэффициент диффузии D увеличивается.
При%емлемые для формирования элементов ИМС скорости диф%фузии доноров и акцепторов в кремнии достигаются притемпературах 1000–1250°С. При столь высоких температу%рах в кремний диффундируют и посторонние (фоновые) при%меси, что может приводить к неконтролируемому измене%нию параметров ИМС и браку. В этом — один из недостат%ков диффузионного легирования полупроводников.Метод диффузионного легирования широко использу%ется в технологии ИМС благодаря простоте и высокой про%изводительности, а также возможности внедрять примесьв глубь кристалла практически на любую требуемую дляИМС глубину. Диффузия атомов в веществе сопровожда%ет также многие процессы в нанотехнологии и может ис%пользоваться для получения необходимого результата.Часть 3.
ОСНОВЫ НАНОЭЛЕКТРОНИКИ125Ионная имплантация (ионное легирование) — этовведение легирующей примеси в твердое тело путем егобомбардировки примесными атомами в виде ионов, которым на ускорителе элементарных частиц сообщенаэнергия E ³ 104 эВ. Глубина проникновения ускоренныхионов в кристалл обычно меньше 1 мкм. Однако для со'временной микроэлектроники и наноэлектроники этогодостаточно. Бомбардировка ионами кристалла нарушаетего структуру, что недопустимо в технологии ИМС. Одна'ко возникшие нарушения устраняются последующим от'жигом кристалла при температурах более низких, чем те,которые используются в условиях диффузионного леги'рования. В этом — одно из преимуществ ионной имплан'тации примесей.Другое важное преимущество связано с возможностьюобеспечить почти абсолютную чистоту процесса легиро'вания — вплоть до легирования атомами отдельного изо'топа данного элемента.
Такая возможность связана с ис'пользованием в технологических ускорителях магнитныхсепараторов, в которых ионы различной массы переводят'ся силой Лоренца на различные траектории движения.Ионное легирование позволяет весьма точно, даже по'штучно, контролировать количество атомов примеси, вво'димых в кристалл.Описанные особенности ионного легирования полез'ны и для наноэлектроники.Элементы ИМС соединяются между собой токопрово'дящими тонкопленочными дорожками.
Взаимная изоля'ция этих дорожек и их изоляция от кремния осуществ'ляется тонким слоем диэлектрика. Следовательно, основ'ными методами формирования активных, пассивных исоединительных элементов ИМС являются методы леги'рования кристалла и методы получения на его поверхно'сти металлических, диэлектрических и полупроводни'ковых слоев. Для получения полупроводниковых слоевиспользуется эпитаксия.
Проводящие и изолирующиеслои не являются монокристаллическими. Методы их по'лучения весьма разнообразны. В качестве простейшегометода получения диэлектрического слоя SiO2 на кремнии126НАНОТЕХНОЛОГИЯ В ЭЛЕКТРОНИКЕ. Введение в специальностьиспользуется окисление кремния в кислородосодержащейгазовой среде. Простейшим методом нанесения металли(ческих слоев является термическое испарение веществав вакууме. К свойствам полупроводниковых, диэлектри(ческих и металлических слоев в микроэлектронике предъ(являются разнообразные и весьма жесткие требования.Лишь при выполнении таких требований удается созда(вать достаточно надежные ИМС.6.7.ЛИТОГРАФИЯМетоды формирования p–n(переходов, металлическихи диэлектрических слоев, описанные в предыдущих па(раграфах, не позволяют придавать элементам ИМС доста(точно малые размеры в плане.
Чтобы превратить эти слоив элементы ИМС, необходимо подвергнуть их микрогра(вировке. Различные методы микрогравировки слоев обобщенно называются литографией. Различают фотолитографию, рентгеновскую литографию, электроннолучевую литографию и т. д. Постоянное совершенствованиеметодов литографии открыло возможность перехода мик(роэлектроники к наноэлектронике, в рамках которой ли(тография продолжает успешно развиваться (см. п. 8.3).Суть литографии можно уяснить на примере фотоли(тографии, простейшего вида литографии.
Фотолитография представляет собой метод фотохимической микрогравировки металлических, диэлектрических и полупроводниковых слоев. Основные этапы фотолитографии напластине кремния:· нанесение на пластину слоя диэлектрика, обычно ди(оксида кремния SiO2 (рис. 6.1а);· нанесение на слой диэлектрика фоточувствительногослоя — фоторезиста (рис.
6.1б);· наложение (при контактной фотолитографии) на слойфоторезиста фотошаблона, который отображает соот(ветствующую часть топологической схемы ИМС, на(пример размеры, форму и взаимное расположениеэмиттеров всех транзисторов, которые должны бытьсформированы на данной пластине; в таком случае127Часть 3. ОСНОВЫ НАНОЭЛЕКТРОНИКИабвгдеРис. 6.1Основные этапы контактной фотолитографиифотошаблон представляет собой непрозрачную пласти$ну с прозрачными участками, дублирующими формуи местоположение будущих эмиттеров (рис. 6.1в);· экспонирование фоторезиста (в простейшем вариантевидимым или ультрафиолетовым светом); экспонирова$ние изменяет скорость последующего растворения фото$резиста в специальном травителе (на рис.
6.1в экспони$рование отображено системой стрелок); кроме контакт$ной существуют и другие методы литографии (см. п. 8.3);· удаление фотошаблона;· проявление (травление) фоторезиста; участки, под$вергнутые воздействию света, вытравливаются до слояокисла (рис. 6.1г);· вытравливание отверстий («окон») в слое диэлектри$ка через отверстия в фоторезисте (1 и 2 на рис. 6.1д);· удаление фоторезиста (рис. 6.1е).Полученные окна в диэлектрике используются для фор$мирования соответствующих элементов на пластине, напри$мер эмиттеров всех транзисторов. Если данный элемент фор$мируется диффузией примесей, то вещество диэлектри$ческого слоя выбирается так, чтобы скорость диффузииданной примеси в нем была значительно меньше, чем в крем$нии. В таком случае легированными окажутся лишь участ$ки кремния, не укрытые слоем диэлектрика.
Диффузию128НАНОТЕХНОЛОГИЯ В ЭЛЕКТРОНИКЕ. Введение в специальностьбольшинства типичных доноров и акцепторов в кремние%вой технологии хорошо блокирует диоксид кремния (SiO2).Наименьший размер элемента ИМС определяется воз%можностями литографии. Разрешающая способность ли%тографии ограничивается как техническими, так и физи%ческими факторами.
Принципиальные физические огра%ничения связаны главным образом с явлением дифракцииизлучения на деталях фотолитографического рисунка приэкспонировании (см. п. 8.3.2). Дифракционное размытиеизображения отверстия тем меньше, чем меньше длинаволны используемого излучения. Оптическая литографияобеспечивает получение элементов ИМС с размерамидо ~0,5 мкм. Использование ультрафиолетовых лучей позволяет сместить этот предел до ~0,1 мкм. Рентгенолитография сдвигает указанный предел в нанообласть(см.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
