Слайд 2Модуль1
Введение в наноэлектронику
Слайд 3Лауреат Нобелевской премии Р. Фейман «При переходе к изучению самых
маленьких объектов мы сталкиваемся со многими разнообразными явлениями, создающими новые
возможности. Поведение отдельных атомов подчиняется законам квантовой механики и не имеет аналогов в макроскопическом масштабе, поэтому «внизу» мы будем постоянно наблюдать новые закономерности и эффекты, предполагающие новые варианты использования»
Академик РАН Вячеслав Михайлович Бузник: «…под нанотехнологиями каждый часто понимает то, что ему удобно…»
Слайд 4
Электроника
Вакуумная электроника
Твердотельная электроника
Квантовая электроника
НАНО
* 10-9
Слайд 5Электроника
Квантовая электроника
Создание электровакуумных приборов (ЭВП):
Акустоэлектроника и пьезоэлектроника
Разработка и изготовление резисторов
Криоэлектроника
Магнитоэлектроника
Диэлектрическая электроника
Создание
лазеров и мазеров
Вакуумная электроника
Твердотельная электроника
Разделы
Направления
Разделы
Направления
Направления
Слайд 6
Электроника
Нанотехнологии
Наноэлектроника
Слайд 7Хотя, в силу широкой междисциплинарности нанотехнологий, единого определения на сегодняшний
день пока не существует., любое из определений должно обязательно отображать,
как минимум, три следующие характерные особенности нанотехнологий:
Нанодиапазон материальных структур, являющихся объектами нанотехнологий, -зот размеров отельных атомов или молекул до 100 нм;
Способность выполнения измерений (контроля)), манипулирования и разного рода преобразований в нанодиапазоне;
Использование новых свойств и функций, проявляющихся в нанодиапазоне.
Нанотехнология — это целенаправленный инжиниринг (создание и манипуляция) материалов и веществ на уровне менее 100 нм для получения свойств и функций, возникающих только при переходе в нано размер.
Азоев Г.Л., Афанасьев В.Я., Ларина Н.П. Азоев Г.Л., Афанасьев В.Я., Ларина Н.П. — Рынок нано: от нанотехнологий - к нанопродуктам
Слайд 8НАНОЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ
2) Структуры, основанные на
квантовомеханических эффектах
1) Нано-КМОП
структуры (нанометровая
кремниевая
электроника)
Слайд 9Рис. 4. Достижения микроэлектроники: a - кристалл одной из первых
в мире микросхем, изготовленной на фирме Fairchild (США) осенью 1960
г. по 100 мкм топологическим нормам (Lmin= 100 мкм) на кремниевой пластины диаметром 13 мм (0,5 дюйма) и содержащей 4-е биполярных транзистора; b - кристаллы размером (26х33) мм четырех ядерного (quad-core) микропроцессора Penryn, изготовленного фирмой Intel (США) в ноябре 2007 г. по 45 нм топологическим нормам (Lmin= 45 нм) на кремниевой пластине диаметром 300 мм (8 дюймов) и содержащего 820 миллионов КМОП-транзисторов.
Киреев В.Ю. Введение в технологии микроэлектроники и нанотехнологии. - М.:ФГУП «ЦНИИХМ», 2008. – 432 с
a)
b)
Использованная литература
1. Киреев В.Ю. Введение в технологии микроэлектроники и нанотехнологии. - М.:ФГУП «ЦНИИХМ», 2008. – 432 с.
Слайд 10Наномасштаб
Азоев Г.Л., Афанасьев В.Я., Ларина Н.П. Азоев Г.Л., Афанасьев В.Я.,
Ларина Н.П. — Рынок нано: от
нанотехнологий - к нанопродуктам
Слайд 11Модуль 2
Что производит наноэлектроника
Слайд 12Вся продукция микро-, нано- электронной отрасли традиционно сегментируется на следующие
основные четыре группы компонентов:
оптоэлектроника;
датчики;
дискретные компоненты;
интегральные схемы
(ИС).
Слайд 13Оптоэлектронные компоненты:
• ПЗС и КМОП датчики изображения;
• лазерные
передатчики и звукосниматели;
• светоизлучающие диоды и светодиодные индикаторы;
•
инфракрасные устройства;
• устройства связи;
• цифровые дисплеи;
• другие оптоэлектронные устройства.
Слайд 14Датчики:
температурные датчики;
датчики давления;
датчики поворота и ускорения;
датчики
магнитного поля;
управляющие датчики.
микрогироскопы
Слайд 15Дискретные компоненты:
• cиловые транзисторы и модули;
• малосигнальные транзисторы;
• переключающие транзисторы;
• диоды, выпрямители и тиристоры;
• ВЧ/СВЧ-транзисторы
и модули.
Слайд 16Интегральные схемы:
микропроцессоры (Microprocessing Units - MPU);
микроконтроллеры (Microcontrolling
Units - MCU);
цифровые сигнальные процессоры (Digital Signal Processors -
DSP);
схемы памяти;
аналоговые схемы;
логические схемы.
Системы на кристалле
Слайд 17Азоев Г.Л., Афанасьев В.Я., Ларина Н.П. Азоев Г.Л., Афанасьев В.Я.,
Ларина Н.П. — Рынок нано: от нанотехнологий - к нанопродуктам
Слайд 18Развитие рынка наноэлектронной продукции
Азоев Г.Л., Афанасьев В.Я., Ларина Н.П. Азоев
Г.Л., Афанасьев В.Я., Ларина Н.П. — Рынок нано: от нанотехнологий
- к нанопродуктам
Слайд 19Классификация методов нанотехнологий для получения нанообъектов и наносистем.
Слайд 20Модуль 3. Некоторые особенности работы наноэлектронных устройств
Слайд 21.
Принципиальная схема транзисторной структуры с управляющим затвором
Г.И. Зебрев «Физические основы
кремниевой наноэлектроники». Учебное пособие. — М.: МИФИ, 2008. — 288
с.
Слайд 22Схематичное изображение n-канального транзистора в закрытом (а) и открытом состоянии
(б)
Robert Doering, Yoshio Nishi. Handbook of Semiconductor Manufacturing Technology. Second
Edition, CRC Press. New York, 2008
Вольт-амперные характеристики n-МОПТ: (а) выходные ВАХ при фиксированных ;
(б) передаточные ВАХ
при фиксированных VDS.
Г.И. Зебрев «Физические основы кремниевой наноэлектроники». Учебное пособие. — М.: МИФИ, 2008. — 288 с.
Слайд 23Борисенко В.Е., Воробьева А.И., Уткина Е.А. Борисенко В.Е., Воробьева А.И.,
Уткина Е.А. — Наноэлектроника: теория и практика: учебник
Физические явления,
используемые в наноэлектронных приборах
Слайд 24Борисенко В.Е., Воробьева А.И., Уткина Е.А. Борисенко В.Е., Воробьева А.И.,
Уткина
Е.А. — Наноэлектроника: теория и практика: учебник
Слайд 25Схема, иллюстрирующая диффузный (диссипативный) и баллистический перенос электрона
Г.И. Зебрев «Физические
основы кремниевой наноэлектроники». Учебное пособие. — М.: МИФИ, 2008. —
288 с.
Слайд 26Схема, иллюстрирующая возможность подбарьерного туннелирования. Вероятность прохождения барьера T(E) и
отражения от него R(E) связаны соотношением R(E) + T(E) =
1
Г.И. Зебрев «Физические основы кремниевой наноэлектроники». Учебное пособие. — М.: МИФИ, 2008. — 288 с.
Слайд 27Квантовые точки арсенида индия, полученные на подложке из GaAs с
помощью молекулярно лучевой эпитаксии (Dqd=21±6,5) нм
ОБРАЗОВАТЕЛЬНЫЙ МОДУЛЬ «ТЕХНОЛОГИЯ НАНОЛИТОГРАФИИ» ОБРАЗОВАТЕЛЬНЫЙ
БЛОК БАЗОВЫХ ЗНАНИЙ. Лекции. д.т.н. Киреев В.Ю., М., МИЭТ
Слайд 28Плотности состояний электронов с различными спинами в немагнитном и ферромагнитном
материале и обмен электронами между ними.
Электрический ток в твердотельных структурах,
составленных из материалов с различной спиновой поляризацией, зависит от спиновой поляризации носителей заряда и спиновой поляризации областей, через которые эти носители движутся.
Борисенко В.Е., Воробьева А.И., Уткина Е.А. Борисенко В.Е., Воробьева А.И., Уткина Е.А. —Наноэлектроника: учебное пособие
Слайд 29http://en.wikipedia.org/wiki/Single_electron_transistor#Single_electron_transistor
Слайд 30Н.Н. Герасименко, Н.А. Медетов, Д.И. Смирнов Учебное пособие по дисциплине
«Перспективные направления наноэлектроники». М.: МИЭТ, 2011. - 112 с
Слайд 31Схема квантового одноэлектронного транзистора
Изображения электронного (а) и дырочного (б) транзисторов
Н.Н.
Герасименко, Н.А. Медетов, Д.И. Смирнов Учебное пособие по дисциплине «Перспективные
направления наноэлектроники». М.: МИЭТ, 2011. - 112 с
Слайд 32Схема одноэлектронного транзистора. Г. Г. Шишкин, И. М. Агеев Наноэлектроника.
Элементы, приборы, устройства. М. : БИНОМ. Лаборатория знаний, 2011 г.
408с.
Слайд 33Изображение одноэлектронного транзистора и зависимость тока стока от напряжения на
затворе при напряжении на стоке 3 мВ
Optical and structural properties
of Ge submonolayer nanoinclusions in a Si matrix grown by molecular beam epitaxy /
G.E. Cirlin, V.A. Egorov, B.V. Volovik et al.// Nanotechnology. - 2001. - Vol. 12, N 4. - P. 417 - 420.
Слайд 34Конструкция транзистора на основе нанотрубки (разработчик — компания ≪Infineon Technologies
AG≫)
Щука
А.А. Щука А.А. — Наноэлектроника. Монография. - М.: Физматкнига, 2007.
- 465 с.
Слайд 35Carbon nanotube computer Max M. Shulaker1, Gage Hills2, Nishant Patil3,
Hai Wei4, Hong-Yu Chen5, H.-S. PhilipWong6 & Subhasish Mitra7. N
AT U R E | V O L 5 0 1 | 2 6 S E P T E M B E R 2 0 1 3
Слайд 36Модуль 4. Методы контроля наноструктур
Слайд 37Для исследования наноструктур применяется ряд методов:
сканирующая туннельная микроскопия (СТМ)
атомно-силовая
микроскопия (АСМ)
просвечивающая электронная микроскопия (ПЭМ) –
сканирующая электронная микроскопия СЭМ
сверхвысоковакуумная
отражательная электронная микроскопия (СВВ ОЭМ)
Слайд 39
Общая энергия взаимодействия атомов приближённо описывается формулой Леннарда-Джонса:
где
r— расстояние между
частицами,
D— энергия связи,
a— длина связи.
Слайд 40Топография поверхности ZnO, полученная на АСМ.
Robert Doering, Yoshio Nishi.
Handbook of Semiconductor Manufacturing Technology. Second Edition, CRC Press. New
York, 2008
Слайд 43Robert Doering, Yoshio Nishi. Handbook of Semiconductor Manufacturing Technology. Second
Edition, CRC Press. New York, 2008. рис.28.27
Изображение (ПЭМ) с низким
увеличением (верхний снимок) показывает матрицу памяти, разрезанную вдоль шины данных этой матрицы. Изображение с большим увеличением (нижний снимок) показывает торцевое изображение кремниевой подложки и поликремниевого затвора одного из транзисторов матрицы памяти.
Слайд 44Модуль 5. Некоторые технологические методы, используемые в наноэлектронике
Слайд 45Классификация методов получения топологии интегральных микро- и наносхем, а также
микро- и наноприборов
Слайд 46АСМ изображение твердой маски пористого оксида алюминия после ионного травления
структуры (а) и РЭМ фотография поперечного сечения скола этой структуры.
«Нанотехнологии в электронике». Вып. 2. Под редакцией чл.-корр. РАН Ю.А. Чаплыгина. М., Техносфера, 2013, 687 с.
Слайд 47Формирование наноразмерного рисунка путем самосборки мономолекулярной пленки: а — осаждение
мономолекулярного слоя; б— создание рисунка зондом сканирующего туннельного микроскопа; в—осаждение
палладиевого катализатора; г — осаждение никеля
Борисенко В.Е., Воробьева А.И., Уткина Е.А. Борисенко В.Е., Воробьева А.И., Уткина Е.А. — Наноэлектроника: теория и практика: учебник. Бином. Лаборатория знаний. 2013 г., 366с.
Слайд 48Использование АСМ для локального окисления металлов и полупроводников
Слайд 49Вертикально ориентированные углеродные нанотрубки, полученные химическим осаждением из газовой фазы.
Nanolithography and pattering techniques in microelectronics /edited by D.G. Bucknall,
Woodhead Publishing Ltd., Cambridge, England, 2005. – 424 pp.
Слайд 50Квантовые точки арсенида индия, полученные на подложке из GaAs с
помощью молекулярно лучевой эпитаксии (Dqd=21±6,5) нм. Nanolithography and pattering techniques
in microelectronics /edited by D.G. Bucknall, Woodhead Publishing Ltd., Cambridge, England, 2005. – 424 pp.
Слайд 51Фотография на просвечивающем электронном микроскопе массива нанокристаллов серебра, образованного в
процессе самосборки
ОБРАЗОВАТЕЛЬНЫЙ МОДУЛЬ «ТЕХНОЛОГИЯ НАНОЛИТОГРАФИИ» ОБРАЗОВАТЕЛЬНЫЙ БЛОК БАЗОВЫХ ЗНАНИЙ.
Лекции. д.т.н. Киреев В.Ю., М., МИЭТ
Слайд 52Локальное зондовое окисление кремния (а) и пленки металла (б)
Борисенко В.Е.,
Воробьева А.И., Уткина Е.А. Борисенко В.Е., Воробьева А.И., Уткина Е.А.
—
Наноэлектроника: учебное пособие
Слайд 53 Планарная технология
Год появления 1959
позволяет реализовать групповой процесс изготовления элементов
интегральных схем на полупроводниковой подложке
одновременно и
на одном кристалле
Слайд 54Основные операции планарной технологии
легирование полупроводника (диффузия примесей в полупроводник
и ионная имплантация)
окисление кремния
травление (жидкостное химическое травление –
ЖХТ и плазмохимическое травление – ПХТ
фотолитография
высокотемпературные обработки полупроводниковых структур (отжиги в различных средах)
осаждения тонких пленок различных материалов (слоев проводников и диэлектриков).
Слайд 55Классификация литографических процессов
ОБРАЗОВАТЕЛЬНЫЙ МОДУЛЬ «ТЕХНОЛОГИЯ НАНОЛИТОГРАФИИ» ОБРАЗОВАТЕЛЬНЫЙ БЛОК БАЗОВЫХ ЗНАНИЙ.
Лекции. д.т.н. Киреев В.Ю., М., МИЭТ
Слайд 57Для больших θ
Df = (k2/k12)·(Lmin2/λ)
чем выше разрешение (меньше Lmin), тем
меньше значения глубины фокуса и площади литографического поля и тем
более жесткие требования предъявляются к планарности рельефа на поверхности пластины
Robert Doering, Yoshio Nishi. Handbook of Semiconductor Manufacturing Technology. Second Edition, CRC Press. New York, 2008
Слайд 59Базовый технологический маршрут оптической нанолитографии
ОБРАЗОВАТЕЛЬНЫЙ МОДУЛЬ «ТЕХНОЛОГИЯ НАНОЛИТОГРАФИИ» ОБРАЗОВАТЕЛЬНЫЙ БЛОК
БАЗОВЫХ ЗНАНИЙ. Лекции. д.т.н. Киреев В.Ю., М., МИЭТ
Слайд 60Robert Doering, Yoshio Nishi. Handbook of Semiconductor Manufacturing Technology. Second
Edition, CRC Press. New York, 2008
Слайд 61Robert Doering, Yoshio Nishi. Handbook of Semiconductor Manufacturing Technology. Second
Edition, CRC Press. New York, 2008
Слайд 62Универсальный литографический цикл
ОБРАЗОВАТЕЛЬНЫЙ МОДУЛЬ «ТЕХНОЛОГИЯ НАНОЛИТОГРАФИИ» ОБРАЗОВАТЕЛЬНЫЙ БЛОК БАЗОВЫХ ЗНАНИЙ.
Лекции. д.т.н. Киреев В.Ю., М., МИЭТ
Слайд 63Схема проекционной электронной литографии
Схема установки рентгеновской литографии
Схема
экспонирования
коллимированным
ионным пучком
Сформированная маска затворной
структуры нанотранзистора в электронорезисте ширина линии резиста 30 нм, высота
81 нм
Слайд 65Примеры импринт литографии
1. PDMS печать с тиолом
2. Привод в контакт
3.
Молекулы переходят
4. Перенос рисунка
•
Поместить штамп на
подложку с двумя слоями
Термическая
литография
Chou, Princeton University
http://www.princeton.edu/~chouweb/
Слайд 66
Inkjet Imprint fluid dispenser
Planarization layer
Substrate
Low viscosity fluid (Si-containing for S-FIL,
Organic for S-FIL/R)
Шаг 1: Распределить капли мономера
Шаг 2: Опустить
штамп и заполнить рельеф
Шаг 3: Полимеризовать мономер ультрафиолетом
Шаг 4: Отделить штамп и начать новое поле
Substrate
Substrate
Substrate
Step & Repeat
Planarization layer
Planarization layer
Planarization layer
High resolution fused silica template, coated with release layer
very low imprint pressure < 1/20 atmosphere at room temp
MII: Step & Flash™ Импринт Литография (S-FIL)
Слайд 67Примеры импринт литографии
John A. Rogers, University of Illinois, Urbana-Champaing, http://rogers.mse.uiuc.edu/files%5C2006%5Cieeenano.pdf
Печатание с помощью штампа сделанного из углеродной нанотрубки
достигло разрешения 2.4 нм. При этом использовался полимер затвердевающий под воздействием ультрафиолета
Слайд 68Хаснатдинов Н. Обзор S-FIL наноимпринт литографии и последние результаты для
CMOS и других наноприложений. – Презентация компании Molecular Imprints на
секции «нанотехнологий» ОНИТ РАН, М.: 2007.
Слайд 69Используемые в литографии источники излучения и соответствующие длины волн
Слайд 70Литография дальним ультрафиолетом
Дорожки 27 нм
Контакты 41 нм
Вячеслав Суетин Intel 20
апреля, 2010 Лекция в МИЭТ
Слайд 71Модуль 5 а. Вакуумно-плазменные методы формирования рельефа, используемые в нанооэлектронике.
Слайд 72Классификация процессов размерного травления материалов
Слайд 73
Классификация процессов вакуумного газо-плазменного травления (ВГПТ) по механизму взаимодействия с
обрабатываемым материалом
спонтанное химическое травление
физическое распыление
радиационно-возбуждаемое химическое травление
радиационно-стимулированное химическое травление
химически модифицированное
физическое распыление
Слайд 74Рабочий газ
Состав газовой смеси
Коэффициент смешения
Величина расхода
Давление
Конфигурация
Способ подачи газа
Площадь электрода
Расположение пластины
Реактор
Способ
возбуждения разряда, мощность
Частота
Величина и частота смещения
Температура подложкодержателя и стенок
реактора
Концентрации электронов
Кинетическая температура электрона
Потенциал постоянного тока в плазме
Распределение электронов по энергии
энергия ионного потока
Концентрация химически активных частиц
Концентрация нейтральных частиц
Скорость травления
Направленность
Селективность
Равномерность
Привносимые дефекты
Независимые (входные) характеристики
Черный ящик
Зависимые (выходные) характеристики
Параметры, связанные
с плазмой
Слайд 76Robert Doering, Yoshio Nishi. Handbook of Semiconductor Manufacturing Technology. Second
Edition, CRC Press. New York, 2008.
Слайд 77Этапы типичного процесса формирования поликристаллического затвора
Robert Doering, Yoshio Nishi. Handbook
of Semiconductor Manufacturing Technology. Second Edition, CRC Press. New York,
2008
Слайд 78Polysilicon profiles using Cl2/SF6 neutral beam etch.
Robert Doering, Yoshio
Nishi. Handbook of Semiconductor Manufacturing Technology. Second Edition, CRC Press.
New York, 2008.
Слайд 7926 нм элемент поликремния, протравленный с высокой селективностью по отношению
к подзатворному окислу. 3 стадии травления: «пробивание окисла», анизотропная стадия,
высокоселективный дотрав. 50нм/мин.
Сайт Oxford Plasma Technology, http://www.oxfordplasma.de
Слайд 80Линии шириной 22 нм протравленные в кремнии через электронно-лучевой резист.
Аспектное отношение 7:1
Сайт Oxford Plasma Technology, http://www.oxfordplasma.de
Слайд 81SF6/O2 крио процесс с использованием наноимпринт литографии. Суб-20 нм область.
Сайт
Oxford Plasma Technology, http://www.oxfordplasma.de
Слайд 8226 нм элемент поликремния, протравленный с высокой селективностью по отношению
к подзатворному окислу. 3 стадии травления: «пробивание окисла», анизотропная стадия,
высокоселективный дотрав. 50нм/мин.
Слайд 8327 нм линии в кремнии глубиной 450 нм.
Сайт Oxford Plasma
Technology, http://www.oxfordplasma.de
Слайд 84100 нм линии. Аспектное отношение 10:1.
Сайт Oxford Plasma Technology, http://www.oxfordplasma.de
Слайд 85Травление кремния по РИТ технологии в анизотропно-изотропном процессе для формирования
кантиливеров АСМ
Сайт Oxford Plasma Technology, http://www.oxfordplasma.de
Слайд 86Профили травления (а) поликремниевого затвора и (б) поликремниевой структуры с
аспектым отношением 1:40
Сайт Oxford Plasma Technology, http://www.oxfordplasma.de
Слайд 87Микроснимок поперечного сечения щелей различной ширины, протравленных в DRM системе
в течение восьми минут. Наблюдается снижение глубины щелей с высоким
аспектным соотношением из-за эффекта «задержки РИТ».
Сайт Oxford Plasma Technology, http://www.oxfordplasma.de
Слайд 88Принципиальная компоновка установки для молекулярно-лучевой эпитаксии
Борисенко В.Е., Воробьева А.И., Уткина
Е.А. Борисенко В.Е., Воробьева А.И., Уткина Е.А. — Наноэлектроника: учебное
пособие
Слайд 91Intel Schematic of Tri-Gate Transistor
TEM Lattice Image of NMOS Fin
Structure
Solid State Technology. Intel’s 22-nm Trigate Transistors. 2012.
Слайд 92
TEM Изображение слоев нижних металлов и n-моп p-моп транзисторов
Intel’s 22-nm Trigate Transistors. Solid State Technology. Intel’s 22-nm Trigate
Transistors. 2012.
Слайд 93Спасибо за внимание!
За дополнительной информацией для углубления знаний по данной
теме обращайтесь на сайт
www.edunano.ru
