Текущие технологии:

Размер порядка 20 нм, около миллиона элементов на кристалле.

Элементная база – МОП структуры на основе кремния, биполярные полупроводниковые структуры практически не применяются ввиду худшей технологичности.

В общем и целом, МОП технология лучше с точки зрения производства.

Перспективы этого развития ставятся в сомнение в течение последних 20 лет(уменьшение размеров, повышение числа элементов, и улучшение быстродействия).

Основные проблемы кремниевой микроэлектроники.

ИМХО Кувшинова.

1. Влияние квантовых эффектов при уменьшении размеров. Пример: 1)неопределенность положения электрона. Мы не сможем говорить о краевых эффектах(участвует электрон в проводимости, или нет). 2) туннелирование 3) грубое квантование тока и повышение частоты. Высокий расход энергии1,6 * 10^-19 * 1 ГГц ~ 1 мкА.

2. Создание распределения примеси в полупроводнике.

1) Ограничения, связанные со сложностями литографических процессов. 2) Сложности, связанные с управлением введения примеси в проводник.

3. Размерные эффекты.

При уменьшении размеров возрастают удельные значения физических величин. 1) Тепловыделение 2) Высокие электрические поля. 1В/1нм = 10⁹ В/м – величина напряженности, при которой происходит пробой большинства твердотельных веществ.

Основные подходы, перспективы развития.

1. Совершенствование существующих методов. Совершенствование технологии за счет применения новых методов в проведении традиционных технологических операций. Возможности этого направления ограничиваются возможностью создания нового оборудования и новых материалов, в том числе вспомогательных. Невозможно сделать меньше 10-15 нм в силу квантовых эффектов при уменьшении размеров.

Примеры: 1) Со стороны литографии. Применяется специальное оптическое оборудование, использующее достаточно глубокий ультрафиолет, запускаемое под малыми углами, что позволяет повысить разрешение. Создание проекционных систем. Подход ограничен волнами около 200 нм, далее начинается ионизация молекул воздуха(необходимо применять вакуумный ультрафиолет). Перспективы рентгеновской литографии – требуется вакуумное оборудование, проблемы создания шаблонов и резистов, которые будут контрастны для рентгена, достаточно тонкими, хорошая восприимчивость к травлению химией. Вопросы к методу - прочность резиста, отведение продуктов травления. 2) Управление введением примеси. При диффузии в любом случае атомы имеют достаточно различные энергии(велика неопределенность). Можно создать, в зависимости от их энергии, распределение примеси, которое будет иметь пик на определенной глубине. По методу есть недостатки, он может приводить к аморфизации поверхности, требует вакуумного оборудования.

Кроме традиционного подхода, ведутся разработки в двух основных направлениях. 1) Создание традиционных электрорадиоэлементов при смене материалов и/или принципов их функционирования(смена элементной базы). Стремятся разрабатывать новые конструкции и технологии изготовления микроустройств, которые позволяют избежать действие фундаментальных физических ограничений. Направление требует кардинальной перестройки производственно-технологической базы(изготавливать на существующем оборудовании нельзя).

Два основных направления: 1. Полупроводниковые приборы на гетероструктурах. Представляет собой усложненный p-n переход. Гетероструктура – структура из нескольких слоев полупроводников, отличающихся шириной запрещенной зоны. Формируя несколько таких слоев, мы получаем плавный и заданный профиль энергетических зон. Таким образом, можно добиваться различных эффектов, касающихся проводимости этих областей, и управлять ими. Примером является лазер на двойной гетероструктуре на основе арсенида галлия. AlGaAs|GaHs|AlGaAs. Арсенид галлия имеет более узкую запрещенную зону, поэтому туда могут быть инжектированы как электроны, так и дырки из крайних областей, и в арсениде галлия происходит рекомбинация с выделением энергии в виде фотонов. Возможно создание модулировано-легированных структур, когда запрещенная зона изменяется периодично. В таких структурах возможно создание двумерного электронного газа, который обладает высокой подвижностью, что важно для быстродействия. Возможно создание т.н. сверхрешеток, то есть структур, в которых помимо кристаллических решеток есть потенциал, который может использоваться для управления током через эту структуру. Возможно создание структур пониженной размерности – квантовые точки/провода/ямы. Структуры, где ограничена подвижность электронов. Точка – по трем направлениям, проводам – по двум, яме – по одному направлению может двигаться электрон, находясь в ней. Оценить размеры и причины такого ограничения подвижности можно с помощью принципов неопределенности. Можно определить размеры квантовой точки по величине энергии.

Нам нужна такая энергия, которая будет больше энергии теплового движения

Возможные применения: Источники флуоресценции для квантовых точек, потенциальная возможность создания фотонных компьютеров; квантовый провод – высокая подвижность в одном направлении, хороший проводник для будущих микросхем; квантовая яма – применение в создании различных устройств оптоэлектроники. 2. Приборы на углеродных наноструктурах.

Многообразие форм углерода связано со способностью атома углерода к гибридизации в состоянии s и p электронов. Гибридизованные электроны образуют прочные сигмасвязи, негибридизованные – непрочные p-связи. Образуется большое количество алотропных форм(???). Внутри плоскости – сигмасвязи, между плоскостями – пи-связи(кристалл графита). Графит по своей электронной структуре представляет собой полуметалл: есть энергетическая зона и валентная зона, нет запрещенной зоны(они пересекаются). Благодаря такой вариативности, на базе структуры графита могут быть образованы различные алотропные формы. Наиболее простая для понимания форма – графен. Монослой атомов углерода(один оторванный от графита слой). Ценен тем, что потенциально носители зарядов обладают очень высокой подвижностью при комнатной температуре, есть желание использовать для сверхбыстрых транзисторов. Однако, проблема формирования запрещенной зоны пока не решена. Фульдирены – наноструктуры замкнутой формы(форма мяча). За счет обрыва p-связей и формируются. Близки к другим наноструктурам, таким как углеродные нанотрубки(получаются сворачиванием графитового листа). На нанотрубках созданы экспериментальные образцы приборов. Механические деформации при сворачивании листа в трубку приводят к изменению электронной решетки, и в частности, в некоторых вариантах сворачивания, нанотрубки становятся металлическими. Обладают высокой прочностью(состоят из сигмасвязей). Применение – сверхпрочные нити, детали наномеханизмов, т.д. Использование квантовых эффектов – туннелирование, и т.д. 2) Функциональная электроника. Реализация сложных функций электронных устройств за счет физических явлений в материалах без формирования электрических схем в их традиционном понимании. Одно устройство реализует сложную функцию. Оправдано при микро и макро размерах электроники, что снимает проблемы и позволяет производить на нынешних производствах. Тем не менее, имеются существенные ограничения:

1. Физические принципы для решения многих схемотехнических задач еще не разработаны. 2. Требуется применение разнообразных материалов, что снижает технологичность, и вынуждает наличие разнообразного оборудования.

Наибольших успехов удалось добиться в оптоэлектронике с этой точки зрения, получены такие устройства, как проводниковые лазеры, устройства оптической передачи и обработки информации. Определенные успехи достигнуты в акустоэлектронике(принцип работы в передаче энергии между электронами и внешними акустическими волнами). Столь строгий подход обусловлен тем, что…

Перспективные методы нанесения тонких пленок.

1. Жидкостная эпитаксия (метод Чохральского).

В печи устанавливается.. с составом, из которого выращивается образец. Сам процесс роста обеспечивается поддерживанием постоянной температуры, а имеющий чуть меньшую температуру холодильник притягивает к себе расплав. По мере роста образца холодильник перемещают вверх, чтобы на уже выращенных образцах кристалла нарастить его еще.

Применение этого метода ограничено критерием Джексона. Если удельная теплота плавления низкая, то при небольших переохлаждениях(0,01 градуса) образуется шероховатая поверхность. Такая ситуация характера для металлов, и неприменимо в нанотехнологиях, т.к. металлы растут слишком быстро.

При большей теплоте плавления, характерной для диэлектриков, и особенно для органических веществ, скорость роста низкая, а на границе раздела фаз образуются ограненные кристаллы. ПП представляют собой промежуточные вещества, применение такого метода для них достаточно распространено.

Вариантом увеличения управляемости этого метода является применение электроэпитаксии.

Основано на эффекте Пельтье, образуется термоэлектрическая ячейка, происходит охлаждения за счет электричества. Сменой полярности можно добиваться нагрева границы и расплавления верхних слоев вещества обратно.

Достоинство этого метода заключается в том, что может быть достигнута требуемая точность в единицы нм. Недостаток заключается в контакте раствора/расплава осаждаемого вещества со стенками реактора, что приводит к его загрязнению.

2. Метод молекулярно-лучевой эпитаксии.

Является развитием метода термического распыления в вакууме. Для ясности вспомним недостаток термического распыления в вакууме, а именно – неравномерность распределения по подложке.

Нам нужно избавиться от угловой зависимости, для чего выделяют узкий пучок атомов. Для этого применяются специальные установки. По сравнению с установками для термического вакуума, специальные установки обеспечивают p~10^-2…10^-8, _своб ~ 10³..10⁴ м. Значительно снижается скорость роста пленки – 10…300 нм/мин, т.е. эта величина более управляема. Источников может быть несколько, что позволяет наносить пленки с разным составом и переменной концентрацией различных веществ.

Отдельно можно отметить в качестве достоинства низкие температуры подложки. T_п = 400…800°С. Необходимо для выращивания гетероструктур. Если необходимо получить не более 1° апертуры, отверстие диафрагмы будет не больше нескольких сантиметров, соответственно одновременно будет обрабатываться небольшая поверхность. Тогда эта система требует точной механики для перемещения.

3. Изменение структуры пленок под действием ионных пучков.

Установка заключается в том, что у нас есть ионная пушка в вакууме, которая позволяет направлять на подложку ионы, ускоренные различными напряжениями (???). Энергия ионов начинается со 100 эВ…100 кэВ, ионы с такой энергий внедряются в вещество. Ударяясь о поверхность, ион взаимодействует с его атомами, энергия иона велика по сравнению с химическими связями, а скорость его при энергии 100 эВ, он воздействует как масса, разбивающая химические связи. Результатом такого воздействия является рекристаллизация, или аморфизация поверхности.

Применяется в образовании поликристаллического кремния, наряду с пленками, применяемыми в полевых транзисторах.

Ионная бомбардировка является одним из немногих методов для получения аморфных пленок металлов.

Алмазные пленки с сетью нитей из атомов кремния(??)