Министерство образования и науки Российской Федерации
САНКТ–ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
Приоритетный национальный проект «Образование»
Национальный исследовательский университет
И.Б. ЗАХАРОВА
Физические основы микро- и нанотехнологий
Рекомендовано Учебно-методическим объединением
по университетскому политехническому образованию в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению подготовки «Техническая физики»
Санкт-Петербург
Издательство Политехнического университета
2010
УДК 621.389:547.022.1
ББК 32.973
З — 382
Рецензенты:
доктор физико-математических наук, профессор Санкт-петербургского государственного электротехнического университета «ЛЭТИ» В. А. Мошников
доктор физико-математических наук, профессор Санкт-Петербургского государственного политехнического университета В. И. Ильин
ISBN 978-5-7422-1845-6
Рассмотрены физико-химические особенности формирования микро- и наноразмерных структур, основные технологические методы и перспективы их развития. Большое внимание уделено физическим и технологическим ограничениям на предельные параметры микро- и наноструктур, их электронным и оптические свойства. Исследования в области наноэлектроники, развивающейся на основе микро- и нанотехнологий , важны для разработки новых принципов, а вместе с ними и нового поколения сверхминиатюрных супербыстродействующих систем обработки информации. Реализация технологических процессов рассмотрена на примере МОП-структур интегральных схем с малыми размерами элементов и углеродных наноструктур.
Предназначено для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлениям и специальностям в области техники и технологии при изучении дисциплин «Физические основы микро- и нанотехнологий» и может быть также использовано аспирантами, инженерами и научными работниками, специализирующимися в области микро- и наноэлектроники, материаловедения.
Работа выполнена в рамках реализации программы развития национального исследовательского университета «Модернизация и развитие политехнического университета как университета нового типа, интегрирующего мультидисциплинарные научные исследования и надотраслевые технологии мирового уровня с целью повышения конкурентоспособности национальной экономики»
Печатается по решению редакционно-издательского совета Санкт-Петербургского государственного политехнического университета.
© Захарова И.Б. , 2010
© Санкт- Петербургский государственный
ISBN 978-5-7422-1845-6 политехнический университет, 2010
Оглавление
Список сокращений………………………………………… ……….. 4
Введение………………………………………………………………. 6
1. Основные тенденции развития микро- и нанотехнологий в полупроводниковой электронике…………………………………… 7
1.1. Эволюция полупроводниковой электроники………………… 7
1.2. Физические и схемотехнические ограничения на уменьшение
размеров активных элементов и рост степени интеграции ………. 13
1.3. Одноэлектронные устройства…………………………………… 22
2. Физические основы основных процессов планарной
микротехнологии…………………………………………………… 30
2.1. Подготовка пластин и геттерирование примесей......................... 30
2.3. Термическое окисление кремния……………………………… 34
2.3.1. Кинетика окисления…………………………………………… 35
2.3.2. Окисление в сухом и влажном кислороде. Зависимость
скорости окисления от технологических параметров…… .. 41
2.4. Диффузия……………………………………………………………49
2.4.1. Механизмы диффузии…………………………………………….49
2.4.2. Феноменологическая теория диффузии………………………….51
2.5. Ионное легирование…………………………………………………59
2.5.1. Распределение внедренных ионов……………………………… 60
2.5.2. Маскирование при ионном легировании…………………………64
2.6. Эпитаксия…………………………………………………………… .66
2.6.1. Механизмы наращивания эпитаксиальных пленок…………… .67
2.6.2. Легирование и автолегирование при эпитаксии…………………73
2.6.3. Молекулярно-лучевая эпитаксия………………………………….73
2.6.4. Гетероэпитаксия. Технология "Кремний на изоляторе"…………78
2.7. Фотолитография…………………………………………………….. 79
2.7.1. Методы фотолитографии………………………………………… 80
2.7.2. Литография в ВУФ-диапазоне…………………………………… 88
2.8. Сухое травление……………………………………………………… 91
2.8.1. Методы сухого травления………………………………………… .93
2.8.2. Влияние технологических параметров на процессы
сухого травления………………………………………………………… 94
Механизмы анизотропии реактивного ионного травления……100
3. Технология пассивных элементов ИС
. Системы металлизации ИС……………………………………… 102
Интегральные резисторы и конденсаторы……………………….109
3.3. Поверхностное сопротивление…………………………………… 110
3.4. Расчет параметров интегрального резистора………………………113
3.5. Тонкопленочные резисторы…………………………………………115
3.6.Тонкопленочные конденсаторы…………………………………… 117
4. Реализация СБИС на основе МДП-структур…………………………118
4.1. Структура МДП транзистора……………………………………. 119
4.2. Технология производства интегральных схем на МОП-транзисторах…………… …………….......................................... 123
4.3. Конструктивные и технологические особенности КМДП ИС…… .132
4.3. Масштабирование моп-транзисторов…………………………… .140
4.4. МОП-транзисторы с малыми размерами элементов……………… 144
4.4.1. LDD – МОП транзистор…………………………………………… 144
4.4.2. Эффект короткого канала………………………………………… 147
4.4.3. МОП-транзисторы, изготовленные по технологии
"кремний на изоляторе…………………………………………………… 153
4.4.4. МОП-структуры с двойным и с окольцовывающим затвором… 159
5. Углеродные наноструктуры в электронике………………………163
5.1. Основные представления о нанотрубках……………………… 163
5.2. Электронная структура, энергетический спектр и
проводимость нанотрубок…………………………………………….166
5.3. Методы получения и разделения нанотрубок………………… 171
5.4. Применение углеродных наноструктур в молекулярной
электронике………………………………………………………….…172
5.5. Наноэлектромеханические устройства на основе УНТ…………183
5.6. Графеновая электроника……………………………………………… 192