Физическая микроэлектроника (стр. 12 )

В настоящее время разработаны и уже широко используются высоконадежные многоканальные микропроцессорные приборы контроля, обеспечивающие реализацию самых сложных алгоритмов эмиссионного спектрального контроля с одновременным учетом телеметрии иного рода. Современные спектральные датчики используют в качестве фотоэлектрических преобразователей фотодиоды, что обусловливает их малогабаритность, надежность и достаточно высокую стабильность характеристик.

Вся история развития микроэлектроники, начиная с 1958 г., шла по пути увеличения сложности и многообразия ее продукции, увеличения быстродействия, уменьшения линейных размеров элементов и удешевления стоимости изделий в целом. Можно предположить, что эта тенденция сохранится и в ближайшем будущем, хотя темпы совершенствования будут постепенно замедляться, ибо уже сейчас некоторые из параметров достигают своего физического предела. Так, прогнозируемые предельно допустимые линейные размеры элементов составляют 0,25 мкм, хотя состояние и возможности лучевых методов сухой технологии открывают возможность получения приборов с линейными размерами 10 – 20 нм [8]. Предельно минимальное значение мощности, способное обеспечить функционирование прибора при Т = 300 оС, составляет 1мкВт, предельное значение показателя качества (произведение времени переключения на потребляемую мощность) составляет 10–14 Дж, что является ограничением по плотности упаковки элементов ИМС и их быстродействию. При переходе предельных значений физических ограничений возникают различного рода квантовые эффекты, и известные активные элементы интегральных схем перестают нормально функционировать. К счастью, указанные пределы пока не достигнуты и можно надеяться на дальнейший прогресс в миниатюризации, главным образом за счет совершенствования технологии, начиная с компьютерного проектирования, перевода литографических процессов в ультрафиолетовую и рентгеновскую область, использования новых широкозонных полупроводниковых материалов на основе углерода и органических полупроводников и, наконец, переход на исключительно вакуумно-плазменную технологию и ее совершенствование путем применения избирательной стимуляции, о которой речь пойдет ниже, и применения высокоточных автоматических систем контроля и управления.

О важности механической миниатюризации говорят следующие примеры: при уменьшении линейных размеров элементов в два раза время задержки сигнала на один вентиль также уменьшится в два раза, а потребляемая мощность уменьшится в 22 раза. При этом произведение быстродействия на мощность (энергия, потребляемая на переключение) уменьшится в 23 раза. Если область эмиттера уменьшить до 0,2 – 0,1 мкм, то существенно уменьшатся и параметры пассивных паразитных элементов (RC). Однако нельзя забывать, что при этом возникнут новые проблемы, связанные с «эффектом короткого канала», токами утечки, появлением паразитных активных элементов и рядом других явлений, ныне неизвестных.

11.1. Избирательная радиационная стимуляция плазменных технологических процессов

Переход от жидкостно-химической технологии на ионно-плазменную сыграл существенную роль в процессе миниатюризации и позволил продвинуться в субмикронную область. Все это оказалось возможным благодаря существенному увеличению показателя анизотропии. Однако, следует заметить, что в газоразрядной плазме происходит интегральная активация, т. е. дополнительная энергия сообщается всем компонентам газовой среды, хотя это не всегда необходимо, ибо, кроме энергетических затрат, стимулируются нежелательные процессы. В связи с этим напрашивается поиск избирательной стимуляции. Кое что в этом направлении уже используется. Например, понижая давление в реакционной камере, имеется возможность повышать в газовом разряде энергию электронной компоненты при относительно низкой температуре тяжелых частиц, что позволяет реализовать многие технологические процессы при более низкой температуре. При этом высокая энергия электронов обеспечивает устойчивое горение газового разряда и повышение реакционной способности молекул газа за счет их диссоциации, возбуждения и ионизации.

Положительная возможность избирательной стимуляции иллюстрируется рис. 11.1, где приведена зависимость скорости плазменного травления кремния в среде XeF2 при активации поверхности ионами аргона.

Как видно из рисунка, скорость травления кремния в XeF2 относительно мала, а в среде аргона практически отсутствует из-за низкой энергии ионов, недостаточной для физического распыления, и существенно возрастает при одновременном воздействии реактивного газа и бомбардировки поверхности ионами аргона при неизменных параметрах раздельного травления.

Рис. 11.1. Сравнение скорости вакуумно-плазменного травления кремния в XeF2 при избирательном ионном стимулировании

В настоящее время избирательное стимулирование используется в некоторых плазменных процессах нанесения и удаления тонких поверхностных слоев и называется «ассистированием», т. е. сопровождением.

Кроме ионного, избирательное стимулирование может быть реализовано дополнительным воздействием электронов, лазерным излучением и другими способами, поэтому его можно охарактеризовать общим термином избирательного радиационного стимулирования. Если использовать физический принцип классификации, то можно говорить об ионном (ИСТ), электронном (ЭСТ) и фотонном (ФСТ) радиационном стимулировании.

Радиационное стимулирование можно реализовать на любой стадии технологического процесса путем воздействия как на газовую среду в объеме реакционной камеры, так и на обрабатываемую поверхность (объемная и поверхностная стимуляция соответственно).

Отличительной особенностью избирательного радиационного стимулирования является независимость источника стимуляции. При оптимальном использовании независимых стимуляторов можно существенно увеличить скорость травления и его анизотропию, уменьшить количество радиационных дефектов и в итоге повысить производительность труда и качество выпускаемой продукции.

11.2. Функциональная микроэлектроника

В современной микроэлектронике при создании интегральных схем сохраняется основной принцип дискретной электроники, основанный на разработке электрических схем по законам теории цепей с применением дискретных элементов: диодов, триодов, пассивных элементов и соединений между ними. И хотя процесс изготовления интегральных схем, основанный на планарной технологии с применением технологической интеграции и группового способа изготовления, существенно отличается от прежних методов, идеология создания радиоэлектронных устройств в целом сохраняется. Обобщенно можно констатировать, что принцип функционирования активных элементов как электроники, так и микроэлектроники основан на создании и использовании статических неоднородностей в твердом теле, в данном случае в полупроводниковых материалах. Основным недостатком этих элементов является физический предел уменьшения их линейных размеров.

Согласно статистическому прогнозированию к концу текущего столетия в технологии СБИС и ОЗУ с произвольной выборкой (ЗУПВ) будет достигнут уровень интеграции 256 Мбит; минимальные размеры элементов будут равны 0,2 мкм; одна ячейка памяти будет занимать площадь 0,7 x 1,0 мкм. Это потребует снижения температуры технологических процессов до 800 оС и преодоления других ограничений. Указанные параметры близки к предельным с точки зрения физических явлений, на основе которых базируется функционирование дискретных элементов.

Кроме того, интеграция свыше нескольких тысяч элементов на одном кристалле оказывается экономически нецелесообразной, а технологически трудно выполнимой. Поэтому, в недалекой перспективе интегральная микроэлектроника в своем развитии встретит непреодолимые препятствия, как это было с ламповой электроникой, а затем с дискретной полупроводниковой.

Учитывая это обстоятельство, необходимо искать новые физические принципы построения активных и пассивных элементов, свободных от указанного выше предела миниатюризации. Такими принципами могут быть динамические неоднородности физических параметров в твердых и жидких средах, что может быть положено в основу нового направления в электронике, именуемого функциональной микроэлектроникой.

Функциональная микроэлектроника позволяет использовать принципиально новый подход при создании аппаратных средств для обработки информации, основанный непосредственно на физических явлениях в твердом теле без применения стандартных базовых элементов. Сущность этого нового подхода заключается в переходе от использования статических неоднородностей в твердом теле на динамические, управляемые внешним воздействием.

Элементы функциональной микроэлектроники не столь критичны к величине линейных размеров и могут быть изготовлены как на базе полупроводников, так и на диэлектриках, сегнетоэлектриках, сверхпроводниках, магнитных и других материалах.

Отметим, что уже в настоящее время создано ряд устройств, работающих на принципах функциональной микроэлектроники. Это диоды Ганна, приборы с зарядовой связью, акустоэлектронные линии задержки и ряд других.

Остановимся вкратце на тех физических явлениях, которые могут быть использованы или частично уже используются в приборах отдельных направлений функциональной микроэлектроники.

Оптоэлектроника. В основе оптоэлектроники, в том числе и в микроэлектронном исполнении, лежат оптические явления в различных средах (когерентная и некогерентная оптика, нелинейная оптика, электроно - и магнитооптика). Свойства световых потоков, такие, как зарядовая нейтральность, отсутствие электрических контактов, высокая несущая частота, большая скорость и прямолинейность распространения и др., позволяют создавать каналы передачи информации с большой полосой пропускания, всевозможные частотные преобразователи, генераторы, усилители и другие устройства без традиционных активных элементов. Эти возможности и способствовали зарождению и развитию одного из направлений функциональной микроэлектроники – оптоэлектроники.

Акустоэлектроника использует физические явления, связанные с взаимодействием потока электронов и электронной проводимости с акустическими волнами в твердом теле. Особенность этих явлений связана с малой скоростью распространения акустических волн (103 м/с) по сравнению с электромагнитными (3x108 м/с), что позволяет реализовать миниатюрные линии задержки сигналов, фильтры и усилители на поверхностных акустических волнах (ПАВ) и ряд других устройств нового направления электроники и микроэлектроники – акустоэлектроники.

Магнитоэлектроника базируется на магнитных явлениях в новых магнитных материалах, обладающих малой намагниченностью насыщения, что позволяет управлять движением магнитных доменов в трехмерном пространстве слабым магнитным полем и осуществлять функции хранения (памяти), и перемещения, выборки и обработки больших объемов информации. Размеры одного магнитного «диода» составляют порядка 1 мкм, что позволяет достичь плотности информации порядка 108 бит/см2. Хранение информации осуществляется без питания, а перемещение доменов – с малым рассеянием мощности.

Полупроводниковая функциональная микроэлектроника использует покоящиеся и движущиеся электрические неоднородности в полупроводниковых материалах. Одним из приборов, работающих на этом явлении, является диод Ганна. Эффект Ганна заключается в генерации электрических сигналов высокой частоты путем перемещения под действием постоянного электрического поля неоднородностей проводимости в полупроводниковых материалах. Уже сейчас изготавливаются диоды Ганна, представляющие собой небольшой стержень полупроводникового материала и ничего общего с понятием диода не имеющего, генерирующие колебания в области сотен гигагерц. На этом явлении могут быть изготовлены сверхбыстродействующие микросхемы (теоретически до 10–12 с).

Квантовая микроэлектроника базируется на явлениях, связанных с изменением структуры конденсированных сред на молекулярном уровне. К этим явлениям относятся базовые изменения в твердых и жидких кристаллах, сопровождающиеся резким изменением электрических, оптических и магнитных свойств.

Приборы с зарядовой связью (ПЗС) – это по существу набор миниатюрных МОП структур, позволяющий реализовать плотное размещение элементов до 1018 см–2. Такие структуры устойчивы к непроизвольным потерям информации.

В принципе приборы функциональной микроэлектроники можно создавать и на основе других физических явлений: эффекте Джозефсона, холодной электронной эмиссии и др.

Наконец, к функциональной микроэлектронике следует отнести практически совершенно неизученные явления живой природы на молекулярном уровне, позволяющие осуществлять обработку колоссального объема информации. Все это относится к биоэлектронике.

Возникает вопрос, почему эти перспективные направления в микроэлектронике слабо развиваются. Причин, по нашему мнению, две: 1) пока потребности человека в информационной деятельности удовлетворяются с помощью обычной микроэлектроники, которая еще не исчерпала своих возможностей; 2) на сегодняшний день сами физические явления и их возможности, которые могут быть положены в основу изделий функциональной микроэлектроники, еще недостаточно изучены.

В заключение следует отметить, что в современной микроэлектронике, начиная с проектирования и всего технологического цикла изготовления СБИС, еще имеются неиспользованные резервы ее совершенствования по всем основным параметрам.

ЛИТЕРАТУРА

1. Ефимов И. Е., Козырь И. Я., Горбунов Ю. И. Микроэлектроника / Физические и технологические основы, надежность. 2-е изд. М.: Высш. шк., 19с.

2. Степаненко И. П. Основы микроэлектроники. М.: Сов. радио, 19с.

3. , Микросхемотехника / Под ред. И. П. Степаненко. М.: Радио и связь, 19с.

4. Микросхемотехника аналоговых электронных устройств. Мн.: Дизайн ПРО, 19с.

5. , Технология производства полупроводниковых приборов и интегральных схем. 2-е изд. М.: Высш. шк., 19с.

6. , Технология полупроводниковых и диэлектрических материалов. М.: Высш. шк., 19с.

7. Технология микросхем: Учеб. пособие для вузов. М.: Высш. шк., 19с.

8. Мерей Дж. Физические основы микроэлектроники: Пер. с англ. и др. / Под ред. . М.: Мир, 19с.

9. Физическая электроника и микроэлектроника: Пер. с англ. С. И. Баскакова. / Под ред. . М.: Высш. шк., 19с.

10. Плазменная технология в производстве СБИС / Под ред. Н. Айнспрука и Д. Брауна: Пер. с англ. и др.; под ред. Е. С. Машковой. М.: Мир, 19с.

11. , Симонов Л. А. Микроэлектроника / Физические основы функционирования изделий микроэлектроники / Под ред. Л. А. Коледова. М.: Высш. шк., 19с.

Учебное издание

Лабуда Антон Антонович

Никифоренко Николай Николаевич

ФИЗИЧЕСКАЯ МИКРОЭЛЕКТРОНИКА

Учебное пособие

В авторской редакции

Технический редактор

Корректор

Подписано в печать 15.03.2001. Формат 60 х 84 / 16. Бумага офсетная. Гарнитура Таймс.

Печать офсетная. Усл. печ. л. 9,02. Уч.-изд. л. 8,7. Тираж 150 экз. Зак.

Налоговая льгота – Общегосударственный классификатор

Республики Беларусь ОКРБ ОО7-98, ч. 1; 22.11.20.600.

Белорусский государственный университет.

Лицензия ЛВ № 000 от 14.07.98.

Минск, проспект. Франциска Скорины, 4.

Отпечатано в издательском центре БГУ.

Лицензия ЛП № 000 от 21.05.98.

Минск, .

Из за большого объема этот материал размещен на нескольких страницах: 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12