НАНОЭЛЕКТРОНИКА:
ОСНОВЫ ФИЗИКИ И
ТЕХНОЛОГИИ
Г.Б. Стефанович

Элементы электронных
систем.

Квантовые основы наноэлектроники
2

h d 2?
? V ( x)? ? E?
2
2m dx

V ( x) ?V ( x ? a )

? ( х) ?U ( x)e ikx
U ( x) ?U ( x ? a )

? ( x) ? Ae ikx

Квантовые основы наноэлектроники

• квантовое размерное

ограничение
• интерференция
• туннелирование через
потенциальные барьеры.

Квантовое размерное ограничение.
2
?x
sin( n)
a
a
?n a
?
2 n

?n ( x) ?

p n a ???n
2

pn
? 2? 2 2
En ?
?
n
2
2m 2ma
? 2? 2
Е0 ?
2ma 2
Е=0.02эВ для а=5нм и m=10-27
Е=0.2эВ для а=5нм и m=10-27

Квантовые ямы
Двумерный электронный газ

Энергетические зоны на границе двух
полупроводников.Есi и Еvi – границы зон
проводимости и валентной. Электрон
С энергией меньшей Ес2 (уровень показан
красным цветом) может находится только
справа от границы

Квантовая яма сформированная в слое
полупроводника с узкой запрещенной
зоной, заключенном между двумя
полупроводниками, обладающими
более широкой запрещенной зоной.

Квантовые нити.
Одномерный электронный газ

• Полупроводниковые гетероструктуры с квантовыми нитями,


полученные с помощью субмикронной литографии за счет
вытравливания узкой полоски из самой структуры (а) или щели в
затворе Шоттки (б):
1 – полупроводник с широкой запрещенной зоной (AlGaAs); 2 –
полупроводник с узкой запрещенной зоной (GaAs); 3 – металлический
затвор.

Квантовые точки.
Нульмерный электронный газ
• В квантовой точке движение

ограничено в трех направлениях и
энергетический спектр полностью
дискретный, как в атоме. Поэтому
квантовые точки называют еще
искусственными атомами, хотя
каждая такая точка состоит из
тысяч или даже сотен тысяч
настоящих атомов. Размеры
квантовых точек порядка
нескольких нанометров. Подобно
настоящему атому, квантовая точка
может содержать один или
несколько свободных электронов.
Если один электрон, то это как бы
искусственный атом водорода, если
два – атом гелия и т.д.

Интерференция.
Эффект Ааронова-Бома.
q
?? ? ?(Vdt ? A dS )
?

Туннелирование

• Квантовое ограничение, проявляясь
в наноразмерных структурах,
накладывает специфический
отпечаток и на туннелирование.
Так, квантование энергетических
состояний электронов в очень
тонких, периодически
расположенных потенциальных
ямах приводит к тому, что
туннелирование через них
приобретает резонансный характер,
то есть туннельно просочиться
через такую структуру могут лишь
электроны с определенной
энергией.

Туннельный резонансный транзистор

• Схема работы и вольт-амперная


характеристика резонансного
прибора.
а – напряжение равно 0; б – подано
резонансное напряжение; в –
напряжение больше резонансного;
г – вольт-амперная характеристика.

Туннельный резонансный транзистор

Одноэлектроника.
• Одно из самых перспективных

направлений увеличения степени
интеграции микросхем основано на
развитии приборов, в которых
контролируется перемещение
буквально одного электрона. В
таких устройствах, называемых
сейчас одноэлектронными
транзисторами бит информации
будет представлен одним
электроном. В одноэлектронных
транзисторах время перемещения
электрона определяется
процессами туннелирования и
может быть очень малым.

Q2
Е?
2C

e2
?E ?
2C

?E??kT

?E? ??h

? ? RC ? ?E ??

h
RC

R = max(Ri; Rs)

R?? RQ
RQ ?

h
?6.45ком
2
4e

Одноэлектроника.
Q ?Q0 ?ne
-е/2 ? Q0 ? е/2
V=Q/С
Если -е/2С? V ? +е/2С, то I = 0
Кулоновская блокада — это явление
отсутствия тока при приложении
напряжения к туннельному переходу
из-за невозможности
туннелирования электронов
вследствие их кулоновского
отталкивания.

Одноэлектроника.
VКБ= е/2С,
е=I*t
f=I/e,
при 4.2 К емкость
С
Одноэлектроника.

Одноэлектроника.
???Е?h

?Е=e2/2C

Основы технологии одноэлектроники
Молекулярно лучевая эпитаксия

• Схема установки MBE для
получения легированных
тройных соединений. Вся
установка размещается в
камере сверхвысокого вакуума:

• 1.Блок нагрева, 2. Подложка, 3
Заслонка отдельной ячейки, 4.
Эффузионные ячейки основных
компонентов, 5 Эффузионные
ячейки легирующих примесей.

Основы технологии одноэлектроники









Элементарные процессы в зоне роста:
1.Адсорбция атомов из зоны смешивания на
поверхности,
2. Миграция (поверхностная диффузия) адсорбированных атомов по поверхности,
3. Встраивание адсорбированных атомов в
кристаллическую решетку,
4. Термическая десорбция,
5. Образование поверхностных зародышей, 6.
Взаимная диффузия.
Над растущей поверхностью показаны атомы
газовой смеси компонентов в
приповерхностной области. Буквами n-n и i-i
показаны нормальная и инвертированная
поверхности раздела растущей ГС. Область
между этими поверхностями представляет
собой квантовую яму шириной L.

Основы технологии одноэлектроники

• Схема горизонтального реактора








открытого типа с охлаждаемыми
стенками для MOCVD:
1. Кварцевый корпус,
2. Катушка ВЧгенератора
для нагревания подложки,
3. Блок нагрева подложки,
4. Подложки,
5. Водяное охлаждение (впуск),
6. Водяное охлаждение (выпуск).
Схематически показано
распределение скоростей v и
температуры T в газовом потоке
в диффузионном слое вблизи
подложки (масштаб не соблюден)

Основы технологии одноэлектроники
Литография
Si O

2
1 . П о д го т о в к а п о в е р х н о с т и (п р о м ы в к а
и су ш ка )
ф оторезист
2 . Н а н е с е н и е р е зи с та (то н к а я п л е н к а
п о л и м е р а н а н о с и т с я ц е н р и ф у ги р о в а н и е м )
3 . С у ш ка (у д а л е н и е р а с тв о р и т е л я и п е р е в о д
р ези ста в тв ерд ую раство ри м ую ф азу)

ф отош аблон
4. С о вм ещ ение ф о то ш абл он а и экспониро вание
(п о л о ж и т е л ь н ы й р е з и с т п о д д е й с т в и е м с в е т а
п е рехо д и т в н ер ас тв ор и м ую ф азу )
5 . П р о я в л е н и е р е з и с т а (п р о м ы в к а в р а с т в о р и т е л е ,
удаляю щ ем неэкспонированны й резист)

6 . С т а б и л и з и р у ю щ и й о т ж и г (у д а л е н и е о с т а т к о в
р аство рител я)
7. К он трол ь и и сп р ав л ени е деф екто в.
8 . Т р а в л е н и е (Н е п о с р е д с т в е н н ы й п е р е н о с р и с у н к а
м аски на повер хн ость п ол упр ов од нико во й
структуры )
9. Удалени е ф оторезиста.

Si

Субмикронный резист на основе аморфного
оксида ванадия
Применение органических резистов в литографических процессах изготовления
микро- и наноструктур с большим отношением высоты линии к ширине
сталкивается с серьезными ограничениями, обусловленными низкой термо- и
плазмостабильностью органических материалов. Определенные преимущества
могут быть получены при разработке и использовании резистов на основе
неорганических соединений. Обладая принципиально высоким разрешением,
подобные резисты характеризуются низкой чувствительностью. В ряде работ
нами было показано, что аморфные оксиды ванадия, приготовленные с
применением неравновесных технологических приемов (анодное окисление,
реактивное распыление на холодные подложки) демонстрируют высокую
чувствительность к фотонным и электронным воздействиям. Обнаруженные
эффекты были использованы для разработки высокочувствительного
неорганического фото- и элетронорезиста для субмикронной литографии.

Субмикронный резист на основе аморфного
оксида ванадия







ОЧИСТКА ПОДЛОЖЕК
Si подложки
RCA или “Piranha” процессы
Si – SiO2 подложки
Ультразвуковая очистка в ацетоне, промывка в проточной
деионизованной воде.
Термическая обработка в высоком вакууме непосредственно перед
резиста резиста

Субмикронный резист на основе аморфного
оксида ванадия
• НАНЕСЕНИЕ РЕЗИСТА
• 1 процесс (двухслойный резист)
• Магнетронное распыление или



электронно-лучевое испарение V с
использованием техники для
получения нанозернистых
металлических пленок.
Анодное окисление
металлического ванадия.

• 2 процесс (однослойный резист)
• Реактивное магнетронное
распыление.

Субмикронный резист на основе аморфного
оксида ванадия
• ЭКСПОНИРОВАНИЕ
• Электронно-лучевое экспонирование (Электронный сканирующий микроскоп




“Hitachi 5400” c приставкой для генерирования наноразмерных рисунков Е = 5
– 25 кэВ; литографическая система Leica EBL 100 Е = 50 кэВ).
Оптическое экспонирование (Nd: YAG лазер с ? = 1,6; 0,53 и 0,263 мкм,
эксимерные лазеры ArF, KrF,F2)
Оптическое экспонирование ( Непрерывный УФ, литографическая система
Каrl Zeiss Jena)
Ионное экспонирование (Обработка плазмой Аr)

Субмикронный резист на основе аморфного
оксида ванадия

• ПРОЯВЛЕНИЕ РЕЗИСТА
• Влажный процесс (химический)
• 1. Проявление оксидной части резиста в деионизованной воде.




Проявление металлической части резиста в водных растворах
HNO3
2. Проявление оксидной части резиста в смеси HClO4 и этилового
спирта. Проявление металлической части резиста в водных
растворах HNO3
Влажный процесс (электрохимический)
Анодная поляризация резиста в электролитах на основе H2SO4 и
метилового спирта.

Субмикронный резист на основе
аморфного оксида ванадия
• Сухой процесс проявления (реактивное ионное травление)
• Планарный реактор, RF мощность 20 – 250 Вт, давление 100 мТор

CF4

CF4/O2

CF4/H2

SF6

SF6/CHF3

Сl

Cl/ CF4

VOx

+

+

+

+

+

-

+

V

-

+

+

+

+

++

+

Si

+++

+

+++

+++

-

+

SiO2

++

+

++

++

-

+

Субмикронный резист на основе аморфного
оксида ванадия

Субмикронный резист на основе аморфного
оксида ванадия

СТРУКТУРА ЛИНИЙ РЕЗИСТА

Субмикронный резист на основе аморфного
оксида ванадия












ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬ
Оптика ? = 1,06 мкм
? = 0,56 мкм
Электроны
Е = 50 кэВ
Е = 5 кэВ

1 мДж/см2
0,5 мДж/см2
15 мКл/см2
10 мКл/см2

РАЗРЕШЕНИЕ
Меньше 100 нм для электроннолучевого экспонирования при
Е = 50 кэВ и дозах
15 - 25 мКл/см2

Субмикронный резист на основе аморфного
оксида ванадия






Чтобы не видеть здесь видео-рекламу достаточно стать зарегистрированным пользователем.
Чтобы не видеть никакую рекламу на сайте, нужно стать VIP-пользователем.
Это можно сделать совершенно бесплатно. Читайте подробности тут.