Разделы сайта

Читаемое

Обновления Nov-2017

Промышленность Ижоры -->  Керамические композиционные материалы 

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 [ 25 ] 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123

Таблица 2.3 Свойства подзатворных диэлектриков

Параметры

Подзатворные

диэлектрики

SiOj

AI2O3

Ti02

Относительная диэлектрическая

проницаемость

Ширина запрещенной зоны, эВ

Стабильность аморфной фазы

высокая

высокая

низкая

низкая

высокая

низкая

проведении последующих операций не должно образовываться двуокиси кремния или силицидов, т. к. при этом будет уменьшаться диэлектрическая проницаемость подзатворного диэлектрика (в качестве подзатворных предпочтительнее аморфные диэлектрики). Однако большая часть оксидов металлов имеет склонность к кристаллизации, что предполагает разработку эффективных методов стабилизации аморфных фаз, например путем формирования силикатов. Поликристаллические диэлектрики подходят в меньшей степени, т.к. границы зерен облегчают перенос носителей в сильных электрических полях. Кристаллизация увеличивает неровность границы раздела и сопровождается снижением подвижности носителей в канале.

Относительная диэлектрическая проницаемость альтернативного диэлектрика должна находиться в диапазоне 9...25. При более высокой диэлектрической проницаемости слой диэлектрика будет слишком толстым по отношению к размерам канала, что усилит негативное влияние краевых электрических полей.

Несмотря на то, что значительная толщина альтернативного диэлектрика снижает токи утечки, для получения минимальных токов диэлектрик должен иметь большую ширину запрещенной зоны.

Рассмотренным требованиям не удовлетворяет в полной мере ни один из представленных в табл. 2.3 материалов. Поэтому получение альтернативного диэлектрика, удовлетворяющего требованиям кремниевой МДП-технологии, является достаточно сложной задачей, на решение которой затрачивается достаточно много усилий.

Развитие нанотехнологий направлено на создание электронных устройств будущего, способных стать базой для дальнейшего развития информационных технологий. Увеличение мощностей компьютерных систем достигается уменьшением размеров применяющихся в настоящее время кремниевых интегральных схем. Однако по оценке ведущих международных исследовательских организаций, при сохранении современ-

чинает уменьшаться. Причины снижения тока стока еше до конца не вьыснены, но они связаны с увеличением рассеивания носителей у границы раздела Si02 - поликристаллический кремний, со снижением подвижности носителей из-за влияния заряда в инверсионном слое, с электростатическим взаимодействием между зарядами в сильнолегированном затворе, истоке и стоке.

В ультратонких пленках Si02 может наблюдаться и снижение заряда инжектированного до пробоя. Электроны, движушиеся через слой Si02, создают электронные ловушки и поверхностные состояния, накопление которых ухудшает изолирующие свойства. По данным различных авторов, предельная толщина Si02, обусловленная приемлемой величиной заряда, инжектированного до пробоя составляет от 1,4 до 2,2 нм. Такой разброс результатов оценок связан с различием моделей, экстраполирующих данные, полученные при относительно высоких напряжениях (2,5...4) на рабочие напряжения 1...1,2 В.

Таким образом, предельная толщина пленок Si02, используемых в качестве подзатворных диэлектриков, вследствие действия рассмотренных факторов составляет 1,2...1,3нм. Следовательно, новые поколения интегральных схем, которые потребуют толщины диэлектрика < 1нм (см. рис. 2.13), должны будут ориентироваться на альтернативные диэлектрики с высокой диэлектрической проницаемостью [36]. С этой точки зрения, в ближайшие 5-10 лет следует ожидать вытеснения Si02 альтернативными диэлектриками.

В качестве перспективных альтернативных подзатворных диэлектриков в настоящее время рассматриваются SijN и оксиды металлов с высокой диэлектрической проницаемостью. Слои SijN с высокими электрическими характеристиками получают с внедрением некоторого количества кислорода, так как кремний лучше реагирует с кислородом, чем с азотом. Уже получены ультратонкие пленки SijN с достаточно высокими характеристиками, однако диэлектрическая проницаемость Si3N4 всего в 2 раза больше, чем у Si02. Поэтому SiN можно рассматривать только в качестве временного решения. С этой точки зрения оксиды металлов с высокой диэлектрической проницаемостью предпочтительнее.

Наиболее привлекательными для использования в качестве альтернативных подзатворных диэлектриков считаются AI2O3, Zr02, НЮ2, ТЮ2, Та202. Их основные свойства приведены в табл. 2.3 [36].

Одним из основных требований к альтернативным материалам для подзатворных диэлектриков является термодинамическая устойчивость на кремнии. При формировании альтернативного диэлектрика или при




НОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ

ных темпов развития интегральных технологий через 10...15 лет будет достигнут предел микроминиатюризации. Дальнейшее повышение вычислительных мощностей компьютерных систем будет неразрывно связано с применением нанотехнологии.

Наноэлектроника является областью науки и техники, сформировавшейся на основе достижений физики твердого тела, квантовой электроники, физической химии и технологии полупроводниковой микроэлектроники. Разрабатываемые для наноэлектроники технологии должны быть ориентированы на массовое производство приборов и интефальных схем с минимальными размерами элементов в диапазоне от 100 до 1 нм.

В наноэлектронике используются следующие основные квантовые эффекты, лежащие в основе функционирования наноразмерных элементов: интерференция; квантовое офаничение; туннелирование через потенциальные барьеры.

В наноразмерных структурах электронные волны могут взаимодействовать ДРУ1- с другом и с различными неоднородностями, при этом может наблюдаться интерференция, благодаря наличию которой у электронов заряда можно управлять, используя локальные электростатические или электромагнитные поля.

Свободному электрону в твердом теле соответствует элеиромагнит-ная волна, способная распространяться в любом направлении. Однако поведение электрона изменяется, если он находится в области твердого тела, Офаниченной потенциальными барьерами, примером которой может являться квантовый шнур с офаниченными размерами сечения. В этом случае в поперечных направлениях могут распространяться только волны с длиной, кратной геометрическим размерам структуры. При этом соответствующие им электроны могут иметь только определенные фиксированные значения энергии, тогда как вдоль шнура могут двигаться электроны с любой энергией. Запирание электрона хотя бы в одном из направлений сопровождается увеличением его импульса. Данное явление называется квантовым ограничением и приводит, с одной стороны к увеличению минимальной энергии электрона, а с другой - к дополнительному квантованию энергетических уровней, вследствие чего свойства наноразмерных структур будут отличаться от свойств материала, из которого они сформированы.

На туннелирование электронов в наноразмерных структурах существенное влияние оказывает квантовое офаничение. Квантование их энергетических состояний в тонких периодически расположенных ямах вызывает появление у туннелирования резонансного характера. Поэто-

2. МАТЕРИАЛЫ МИКРО- И НАНОЭЛЕКТРОНИКИ

му через такую структуру могут проникать только элекфоны с определенной энергией.

По данным анализа состояния работ по нанотехнологиям, проведенного Институтом нанотехнологии международного фонда конверсии, среди основных концепций создания наноэлеетронных приборов, способных в перспективе конкурировать с современными МДП-схемами, можно выделить следующие.

Одноэлектронный транзистор, предложенный К. К.Лихаревым и Д.В.Авериным, состоит из двух последовательно включенных туннельных переходов. Туннелирование отдельных электронов контролируется кулоновской блокадой, которая управляется потенциалом, приложенным к активной области транзистора, расположенной между двумя прослойками тонкого диэлектрика. В перспективе такая структура может изменять свое состояние (О или 1) под действием одного электрона. Для квантовых структур с размерами порядка 10 нм количество элекфо-нов в активной области должно составлять около 10.

Эффект фазовой интерференции электронов в вакууме используется в квантовом интерференционном транзисторе. Предполагается, что рабочие частоты такого транзистора будут достигать 1000 ГГц. Рабочие частоты у лучших современных интефальных транзисторов в 100-1000 раз меньше. Интерференционный транзистор состоит из полевого эмиттера, коллектора и сегментированных конденсаторов между ними. Фазовая интерференция электронов управляется электростатическим потенциалом на этих конденсаторах.

Новые цифровые переключающие приборы на атомных и молекулярных шнурах были разработаны в Японии в 1993 г. (Ю.Вада и др.). Базовая ячейка такого прибора состоит из атомного шнура, переключающего атома и переключающего электрода. Переключающий атом может смещаться из атомного шнура электрическим полем, приложенным к переключающему элекфоду. Проведенные расчеты показывают, что для прерывания движения электронов в атомном шнуре достаточен зазор порядка 0,4 нм. Ожидается, что рабочие частоты таких приборов будут достигать 1000 ГГц при размерах структуры 10 нм.

Транзисторы на резонансном туннелировании бьши разработаны в начале девяностых годов. Они представляют собой двухбарьерный диод на квантовых ямах, у которого потенциал ям и определенные резонансные условия определяются третьим электродом. Предполагается, что транзисторы на резонансном туннелировании с рабочей частотой до 1000 ГГц будут использованы для создания ячеек статической памяти.



Вместе с тем следует отметить, что в развитии наноэлектронных технологий имеется ряд существенных трудностей [35]. Оказалось, что интегральные схемы на одноэлектронных транзисторах из-за высокого выходного сопротивления имеют рабочую частоту не более 1 ГГц. Не определены пути создания для одноэлектронных транзисторов, работающих при комнатных температурах, квантовых точек диаметром 1 нм. Кроме того, наличие случайно-заряженных примесей в подложке приводит к сдвигам пороговых напряжений одноэлектронных транзисторов.

К достоинствам одноэлектронных туннельньгх приборов следует отнести высокую плотность упаковки в сочетании с низкой мощностью. Перспективным представляется создание элемента памяти, возможно, не в форме одноэлектронного блокадного транзистора, а скорее в форме наноразмерного аналога стандартных устройств памяти мгновенного типа. Данные элементы могут выполнять функции статической памяти, ликвидируя разрыв между современной КМДП-памятью и чистым од-ноэлектронным транзистором. Станет ли концепция чистого одноэлектронного транзистора рыночным образцом, будет зависеть от способности создавать однородные элементы прибора размером на уровне 2 нм и устойчивости этих устройств к фоновым колебаниям заряда.

Резонансные туннельные диоды перспективны для использования в цифро-аналоговых и цифровых преобразователях, регистрах сдвига и статической памяти ультранизкой мощности, имеют преимущества перед КМДП-БИС по быстродействию при использовании в цифро-аналоговых конвертерах с частотами 10... 100 ГГц и по мощности при применении в приборах статической памяти. Поэтому эти устройства на основе материалов ЛВ могут найти применение в ближайшем будущем. Приборы на основе кремния имеют пока худшие характеристики, по сравнению с приборами на материалах лВ и нуждаются в дальнейшей доработке. Однако резонансные туннельные диоды требуют устойчивости технологии в монослойном режиме и хорошей равномерности по всей пластине, что является главной проблемой, особенно для схем с большой степенью интефации.

Цифровые схемы на основе сверхпроводников, которые обеспечивают высокое быстродействие (диапазон ГГц), имеют рыночный потенциал для применения в той области, где кремниевые КМДП-схемы не могут достигнуть тех же частот из-за литографических ограничений. Они могут с успехом применяться в высокоскоростном аналого-цифровом и цифро-аналоговом преобразовании. К сожалению, такие приборы, основанные на сверхпроводящих материалах, нуждаются в охлаждении, что повышает

общую стоимость устройств на их основе. Другим препятствием является изготовление сложных схем с высокой степенью интефации.

Магнитная память с большой плотностью записи и с высоким быстродействием может быть создана на ячейках с магнитным туннельным переходом, в которых между верхним слоем нефиксированного сэндвича и фиксированным антиферромагнитом может протекать туннельный ток, величину которого определяет ориентация магнитного поля этого верхнего слоя. В настоящее время в такой магнитной памяти скорости доступа пока не соответствуют скорости доступа в динамической памяти КМДП-БИС, но моделирование показывает, что они могут быть увеличены за счет оптимизации структуры и размеров. Однако она может соответствовать КМДП-технологии по плотности памяти. Спиновые устройства в виде ячеек с магнитным туннельным переходом могут проникнуть на рынок уже в ближайшем будущем. Записывающие головки, основанные на механизме переменного туннельно-переходного подмагничивания, уже реально применяются. Препятствием для широкого внедрения в производство интефальных схем на основе ячеек с магнитным туннельным переходом является тот факт, что металлы, используемые для создания туннельно-переходных ячеек, трудно совместимы с кремниевой технологией.

В настоящее время для создания полупроводниковых структур нанометровых размеров применяются фупповые технологии, основанные на осаждении и литофафии. Групповые технологии имеют ряд особенностей, офаничивающих возможность создания структур нанометровых размеров. Прежде всего при осаждении образуются поры, зерна, дислокации и другие дефекты, возникающие из-за одновременного осаждения на различные участки подложки. Применение методов эпитаксии хотя и позволит преодолеть в известной степени данные затруднения, но из-за высоких температур существенно затруднит локальное осаждение.

Развитие методов литофафии шло по пути уменьшения длины используемого излучения (ультрафиолетовое или синхротронное) и применения частиц с меньшей длиной волны (высокоэнергетичная электронная и ионная литофафия). Существенным офаничением методов оптической литофафии является возможность фокусировки света. От этого недостатка свободны методы ионной и электронной литофафии. Однако высокая энергия фокусируемых частиц приводит к нарушению поверхности используемых материалов, что и офаничивает разрешающую способность.



1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 [ 25 ] 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123

© 2003 - 2017 Prom Izhora
При копировании текстов приветствуется обратная ссылка