Диффузия (987306), страница 5

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 5)

Тенденции развития процесса литографии и основные ограничения в уменьшении предельных размеров И С

Существуют две основные причины сдерживания степени интеграции ИС: имеющиеся возможности получения требуе­мых размеров элементов схем и физические принципы работы приборов. Основные ограничения литографических методов определяются точностью изготовления шаблонов и травления рисунка элементов ИС.

Фундаментальные ограничения работы приборов связаны с основными законами квантовой статистической физики,

1. В квантовой механике существуют принципиальные неточности в определении пространственного положения и ве­личины импульса частицы, связанные с неклассической при­родой микрочастиц. Неточность х в определении координаты х частицы связана с неточностью р_x, в определении проек­ции рх ее импульса соотношением неопределенности Гейзенберга

x*р_x  h/4

где h — постоянная Планка, h=6,34 * 10^-34 Дж*с.

2. Измерение любой физической величины, характеризую­щей микрообъем, за время t приводит к изменению энергии

E  h/(2t)

Эта энергия высвобождается в виде тепла и может рас­сматриваться как нижний предел мощности рассеяния на одну операцию.

Минимальная величина указанной энергии на одну опера­цию имеет порядок 2*10^-25Дж. Ясно, что при определенной степени интеграции ИС эту энергию невозможно будет от­вести даже при охлаждении жидким гелием.

3

. В случае очень тонкого изолятора, расположенного между двумя проводниками, затухание волновых функций электрона в нем может привести к нулевой вероятности обна­ружения последнего на другой стороне этого изолятора. Явление прохождения («просачивания») частиц сквозь потен­циальный барьер называется в квантовой механике туннель­ным эффектом. Так, для прямоугольного барьера вводится понятие прозрачности

где I_пад и I_прох — интенсивность падающей и проходящей волн; а — ширина; U₀ — высота потенциального барьера; Е — энергия частицы; т — масса частицы; До — коэффициент близкий к единице.

Толщина оксида под затвором транзистора, например, не может быть уменьшена до толщины в 2-3 атомных слоя, так как даже при толщинах порядка 10^-3 мкм МОП-тран­зистор перестает функционировать вследствие появления тун­нельных токов.

Свойства материалов также накладывают ограничения на линейные размеры элементов ИС. К этим свойствам относятся пробивная напряженность поля, концентрация приме­сей, плотность дислокаций, химическая чистота материалов и т. д.

Дополнительные ограничения накладывают условия функ­ционирования приборов: температурный диапазон их работы, полоса пропускания, рабочая частота, напряжение включе­ния и выключения, коэффициент усиления и многие другие параметры.

При работе, например, МОП-транзистора вблизи порого­вого напряжения проводимость канала 1/R при условии, что напряжение на затворе несколько ниже напряжения порога, определяется следующим выражением:

1/R=1/R₀ ехр [(U_qs—U_tn)q/KT].

Уменьшение рабочих напряжений U_qs и U_tn и линейных раз­меров канала (с ними связано R₀) может привести к замет­ным утечкам. Определяющей в этом случае является величи­на KT/q, при комнатной температуре равная 0,025 В.

Ограничения процесса литографии в части техники его исполнения определяются тремя факторами: точностью сов­мещения, разрешением и производительностью. Целью же всех исследований в области поиска новых методов прове­дения литографического процесса является уменьшение ши­рины линий элементов ИС (рис. 11.4.1).

11.5. ИОННАЯ ИМПЛАНТАЦИЯ

11.5.1. Общие принципы процесса ионной имплантации

Ионной имплантацией называют процесс внедрения уско­ренных в электромагнитном поле ионов в пластину полупро­водника. Глубина проникновения легирующей примеси при этом зависит от типа бомбардирующих ионов, их энергии и кристаллической структуры мишени. Процесс внедрения ионов в мишень обычно приводит к образованию нарушений крис­таллической структуры полупроводниковой пластины, кото­рые затем частично устраняются во время отжига.

В
ысокая доза имплантируемых ионов может привести к сильному повреждению приповерхностного слоя и образова­нию в результате последующего отжига мелкозернистых по­ликристаллических слоев. Тем не менее метод позволяет фор­мировать легированные области в полупроводнике с концен­трацией примесей до 10²¹ см^-1. Возможность легкого управ­ления профилем легирования внедренных ионов по глубине определяет основное преимущество метода ионной импланта­ции. Длина пробега внедренных в пластину ионов связана с их энергией и не превышает 1 мкм.

Рис. 11.5.1. Схема установки ионного легирования: 1—ион­ный источник; 2 — вытягивающий электрод; 3 — фоку­сирующая система с ускорителем; 4—система коррек­ции электронного пучка; 5—диафрагмы для пропуска­ния сфокусированного пучка; 6 — электромагнитный се­паратор; 8—система электромагнитного сканирования пучка ионов; 9—облучаемый образец; 10—держатель;11—высоковольтный ускоритель; 12—предварительный ускоритель

Технология ионной имплантации позволяет получать тон­кие легированные слои с точностью залегания по глубине порядка 0,02 мкм, а также управлять их концентрацией, на­чиная с диапазона 10¹⁴—10¹⁶ см^-3. Другим преимуществом процесса ионного легирования является возможность форми­рования практически любого профиля распределения при­меси с помощью варьирования энергии и дозы вводимых ионов. Энергия бомбардируемых ионов находится обычно в диапазоне от десятков килоэлектронвольт.до единиц мегаэлектронвольт. На рис. 11.5.1 представлена схема установки ионного леги­рования. В ионном источнике происходит ионизация паров или газа, содержащих атомы примеси. Вытянутый из источ­ника, сфокусированный и ускоренный ионный пучок разделяется по массе ионов в электромагнитном сепараторе. Перед попаданием на поверхность пластины он расфокусируется до требуемых размеров элементов ИС и сканируется по ее по­верхности с помощью электромагнитной отклоняющей систе­мы 8.

11.5.2. Распределение пробегов ионов

Ядерная тормозная способность

Длина пробега внедренных в пластину ионов определяется согласно теории Линдхарда, Шарфа и Шиотта. Механизмы потерь энергии иона при его торможении в мишени по этой теории предполагаются независимыми друг от друга и адди­тивными. К двум важнейшим механизмам ионного тормо­жения относятся упругие соударения ионов с ядрами атомов мишени и взаимодействие со связанными электронами мише­ни, что в обоих случаях приводит к их рассеянию. При тор­можении ионов потери энергии на единицу длины их пробега в мишени определяются выражением

dE/dx=N*(S_n+S_e) (11.5.1)

где Е—энергия иона; х—глубина его проникновения;

N
—концентрация атомов в мишени; S_n,S_e —ядерная и электронная тормозные способности мишени.

Рис. 11.5.2. Схема рассеяния иона 1 и атома мишени 2 в системе центра масс

Рассмотрим задачу о рассеянии двух частиц, одна из ко­торых до рассеяния покоится. Эта задача является частным случаем задачи для двух тел, когда интересуются лишь скоростями частиц после рассеяния (рис. 11.5.2). При соударении имплантируемый ион отклоняется от направления первона­чального своего движения на угол  и передает энергию атому мишени Е₁. Угол рассеяния может изменяться от 0 до 180°, причем значение =0 соответствует бесконечно да­лекому пролету иона, а = 180°—лобовому удару, значение Е₁ при этом меняется от 0 до

(11.5.2)

где т₁ и т₂—относительные молекулярные массы иона при­меси и атома мишени; Е — начальная энергия внедренного иона.

Р

асчеты показывают, что энергия E₁ зависит от угла рас­сеяния следующим образом:

(11.5.3)

г

де угол  является углом рассеяния частиц в системе центра масс (рис. 11.5.2). Зависимость угла  от величины прицельного расстояния и скорости иона до рассеяния определяется ин­тегралом

(11.5.4)

где U(r} — потенциал взаимодействия частиц; = т₂/( т₁ + т₂) -приведенная масса; r = r₁ + r₂ — расстояние между частицами в системе центра масс.

Потенциал взаимодействия частиц обычно принимается близким к кулоновскому

(11.5.5)

где z₁ и z₂ — кратность зарядов ионов луча и мишени; q — заряд; а—параметр экранирования; f(r/a}—функция, учи­тывающая экранирование ядер электронными оболочками.

В
ажной характеристикой процесса рассеяния является дифференциальное эффективное поперечное сечение рассея­ния. Для пучка падающих ионов эта величина определяется как отношение числа ионов, рассеянных в телесный угол d за единицу

Рис. 11.5.3. Зависимости электронной S_e и ядерной S_n тормозных способностей от энергии внедряемых ионов

времени, к числу ионов, пролегающих за единицу времени через единичную площадку поперечного сечения пуч­ки до рассеяния. Быстрые ионы имеют меньшее поперечное сечение. При средних значениях энергии ионов потери энер­гии за счет ядерного торможения увеличиваются, а для низ­ких значений энергии ионов эти потери за счет эффекта экра­нирования электронными оболочками кулоновского заряда мишени вновь уменьшаются (рис. 11.5.3).

Электронная тормозная способность

З

амедление ионов в мишени, согласно теории электронного торможения, пропорционально скорости или, что равнознач­но, корню квадратному из их энергии

(11.5.6)

г
де К — коэффициент пропорциональности. Для некоторых используемых при ионной имплантации ионов на рис. 11.5.4 представлены расчетные зависимости потерь энергии, обус­ловленные ядерным и электронным торможением.

Рис. 11.5.4. Расчетные зависимости тормозной спо­собности (dE/dx) от энергии для As, P и В

Характеристики

Список файлов лекций