Современные проблемы наук о материалах и процессах 2. Планарная полупроводниковая технология. Электронная и рентгеновская литография. Профессор Б. И. Островский ostr@cea. ru
Развитие технологии полупроводников
Первые транзисторы и интегральные схемы
Современный транзистор
Большие интегральные схемы (БИС) Very large scale integration (VLSI)
2 x 109 – январь 2008
Intel 4004 – начало IT эволюции?
Темпы прогресса вычислительной техники
Персональный компьютер
Эволюция элементов памяти
«Дорожная карта» для полупроводников
Почему полупроводники?
• Проводники: ~1 свободный электрон на 1 атом; плотность 1022 /см 3 • Полупроводники: ~1 свободный электрон на 103– 1010 атомов; плотность 1012 -1019 / см 3
Зонная структура твердого тела
Энергетический спектр электронов в кристаллах
Волновые функции электронов в атомах (решения уравнения Шредингера) S - спиновое квантовое число
Состояния с l = 1 называются p- состояниями, с l = 2 - d - состояниями, с l = 3 - f - состояниями
n=2 n=1
Зонная структура твердого тела
На наблюдения и измерения в микромире есть существенное ограничение: принцип неопределенности Гейзенберга. Популярно его обычно объясняют так: нельзя точно измерить одновременно скорость и координаты частиц. Чем точнее мы измеряем скорость, тем больше будет ошибка в измерении координат, и наоборот. x p ~ ћ Гейзенберга, превышающего скорость, догоняет полицейский автомобиль. -Вы хоть знаете, как быстро едете? - кричит полицейский. - Нет, зато я знаю, где я нахожусь! Популярный анекдот.
ћ 10 -27 эрг сек
Зонная структура твердого тела
На наблюдения и измерения в микромире есть существенное ограничение: принцип неопределенности Гейзенберга. Популярно его обычно объясняют так: нельзя точно измерить одновременно скорость и координаты частиц. Чем точнее мы измеряем скорость, тем больше будет ошибка в измерении координат, и наоборот. x p ~ ћ Гейзенберга, превышающего скорость, догоняет полицейский автомобиль. -Вы хоть знаете, как быстро едете? - кричит полицейский. - Нет, зато я знаю, где я нахожусь! Популярный анекдот.
(a) A photon with an energy greater than Eg can excite an electron from the VB to the CB. (b) When a photon breaks a Si-Si bond, a free electron and a hole in the Si-Si bond is created. Собственная проводимость
Какова вероятность перехода электронов в кристалле полупроводника в зону проводимости? n. E/n 0 = e Eg/ k. BT k. B T = 1. 4 10 -16 эрг/К x 300 К =4. 2 10 -14 эрг 0. 026 эв Eg 1 эв n. E/n 0 = e 40 (!!)
Легирование полупроводников
Легирование полупроводников Почти свободный электрон! n exp ( Eg/k. BT) Eg k. BT 3 x 10 -2 эв
E E b/ 2 10
What happens when p-type & n-type semiconductors are connected? Holes and e’s migrate across p/n junction. Диффузия носителей заряда holes ~104 V/cm electric field at junction limits size of depletion region
What happens when a voltage is applied across a p/n pair? p-n junction White circles with + signs are holes. Forward bias Current flows! Reverse bias Potential of internal electric field blocks current flow!
How can this flow/no flow of current be exploited in devices? Rectification: converting AC current to DC. Used in battery chargers and computer power supplies and …. .
Основные типы транзисторов
Изобретение транзистора
МДП структуры (MOS)
Полевой транзистор MOSFET
Работа полевого транзистора
Полевой транзистор
Планарная технология полупроводников
Планарная технология
Основные этапы планарной технологии
Литографический процесс
Фотолитография
Фотолитография
Проекционная литография Advantages: Good resolution Image smaller than mask! Drawbacks: Fraunhoffer diffraction Compromise between resolution and depth of focus
Литографический процесс
Легирование полупроводников с целью создания p-n переходов, гетеропереходов, низкоомных контактов
Ионная имплантация ионнами.
Оптическая литография
Photolithography-Diffraction Image formed by a small circular aperture (Airy disk) as an example Image by a point source forms a circle with diameter 1. 22 /d surrounded by diffraction rings (airy pattern) I(u) J 1(u)/u ; u = ( / )dsin 1 =1. 22 /d
Photolithography-Diffraction The figure on the right shows the spread of the diffracted orders for a decrease in relative slit width (b). sin 1 =1. 22 /b Because of this spreading effect, fewer diffracted orders form the image. This means that information about the pattern is being lost.
Photolithography-Diffraction
Simulation of Fresnel diffraction
Дифракционный предел
Дифракционная решетка For a plane wave incident on a grating of period d, the angles at which the intensity maxima in the image occur are given by: sin = k /d, where k = 0, 1, 2, …. Plots of intensity versus sin for different number of slits.
Дифракционная решетка шириной L = Np I ~ N 2 u = sin / u = 1/Np
Дифракционная решетка как спектральный прибор 1. 2.
Задача = c/ = 2 n / - 2 / k = 2 / k – волновое число E = E 0 e i( t – kx) ; k = /v = n /c = n 2 /
The Abbe diffraction limit in optical microscopy Minimum feature size that can be imaged: Numerical aperture e. g. - large lens in air: NA=0. 8 - microscope objective in immersion oil: NA=1. 3
Stepper, or photolithography machine
Photolithography-
Оптическая литография
Photolithography- OPC • Optical Proximity Correction (OPC) can be used to compensate somewhat for diffraction effects. • Sharp features are lost because higher spatial frequencies are lost due to diffraction. These effects can be calculated and can be compensated for. This improves the resolution by decreasing k 1.
Photolithography-Phase Shift Masks Extends resolution capability of current optical lithography Takes advantage of the wave nature of light PSM changes the phase of light by 180° in adjacent patterns leading to destructive interference rather than constructive interference
/3
Next Generation Lithography
Extreme Ultraviolet Lithography • Small wavelengh Better resolution • No lences: mirrors • Laser plasma sources • 10 nm
Next Generation Lithography : EUV • Uses very short 13. 4 nm light • All reflective optics (at this wavelength all materials absorb!) • Uses reduction optics (4 X) • Step and scan printing • Optical tricks seen before all apply: off axis illumination (OAI), phase shift masks and OPC • Vacuum operation • Laser plasma source • Very expensive system
Электронная литография
Электронная литография nm
Дисперсионные соотношения для частиц ; E ; p Фотоны: Е = ћ = hc/ ; p = ћk Де Бройль (1925): p = ћk ; p = mv ; k = 2 / E ; p = h/mv; ; k = Е /ћ Электроны: Е = Ек =p 2/2 m = h 2/2 me 2 =1 A, E 100 ev
The electron beam lithography Types of EBL • Electron Beam Direct Write • Electron Projection Lithography
Next Generation Lithography: E-Beam • The advantages of electron lithography are: (1) Generation of micron and submicron resist geometries (2) Highly automated and precisely controlled operation (3) Greater depth of focus (4) Direct patterning without a mask • The biggest disadvantage of electron lithography is its low throughput (approximately 5 wafers / hour at less than 0. 1 µ resolution). Therefore, electron lithography is primarily used in the production of photomasks and in situations that require small number of custom circuits.
Next Generation Lithography: E-Beam • • Pattern directly written into resist by scanning e-beam Device is just like an SEM with – On-off capability – Pixelation – Accurate positioning – E-beam blur
Растровая электронная микроскопия
Электронная литография
Электронная литография
Electron Beam Lithography JEOL JBX-5 D 2 -U EBEAM LITHOGRAPHY SYSTEM • 14 year old Electron Beam Lithographer • 50 Ke. V Electron Beam • La. B 6 Current Source • 2 MHz Pattern Generator • Variable field size, 80 micron and 800 micron • Low and high resolution modes • 10 mm working distance for high res mode • No height map • Current Range - 10 p. A to 10 m. A • Beam Size ~ 10 nm for small current. • 125 mm (5”) Stage Travel with l/120 Interferometer • Best Resolution - 50 nm nested lines in 150 nm resist, 25 nm isolated lines in 100 nm resist. • Patterns generated from standard CAD formats. • Control and pattern conversions done on VAX 4106 a computer with VMS operating system. • Up to 5” masks, 4” wafers, various sizes of wafer pieces.
Рентгеновская литография
Next Generation Lithography: x-Rays • Types of x-ray sources: – Electron Impact X-ray source – Plasma heated X-ray source • Laser heated • E-beam heated – Synchrotron X-ray source
Next Generation Lithography: x-Rays X-ray lithography employs a shadow printing method similar to optical proximity printing. The x-ray wavelength (4 to 50 A) is much shorter than that of UV light Hence, diffraction effects are reduced and higher resolution can be attained. Grenoble Synchrotron
Proximity X-ray Diffraction
Simulation of Fresnel diffraction
Bragg-Fresnel lens for x-rays Paul Scherrer Institute
Imprint lithography Печатная литография
Классическая техника гравюры
Future Lithography: Microcontact Printing Soft lithography: - Replication of a “master pattern” using PDMS (stamp) - Inking the stamp with molecules (thiols, thioethers, alkoxysilanes, chlorosilanes, etc. ) - Contact the stamp with the substrate surface - Monolayer formation at regions of contact
Imprint lithography
Nanoimprint – – Heat resine Cool down UV radiations
Future Lithography: Nanoimprinting
Patterning Techniques • EUV soon in fabrication • Nanoimprint E beam for 22 nm • X Rays difficult
Intel показала первые 45 -нм процессоры 29. 11. 2006 12: 58
Intel показала первые 45 -нм процессоры 29. 11. 2006 12: 58 Компания AMD на следующей неделе официально представит общественности свои первые процессоры, изготовленные по 65 -нм технологическому процессу. А вот конкурирующая Intel уже начала тестовое изготовление 45 -нм чипов, известных под кодовым обозначением Penryn. На текущий момент общественность проинформирована о производстве прототипов процессоров нового поколения, изготовленных на мощностях фабрики D 1 D, расположенной в Орегоне. Так выглядит пластина с 45 -нм чипами. Естественно, основной особенностью новинок станет более "тонкий" техпроцесс, однако перевод производства чипов на 45 -нм "рельсы" был бы невозможен без ряда инженерных и технологических нововведений. Среди основных стоит отметить отказ от использования в качестве диэлектрика диоксида кремния в пользу так называемого high-k диэлектрика. Важным новшеством стоит признать и металлические электроды затвора - ранее для изготовления электродов использовался поликристаллический кремний. Официальные представители компании Intel сообщают, что проект находится на начальной стадии, когда происходит изготовление первых прототипов и тестовых экземпляров чипов Penryn. Дальнейшая участь изготовленных образцов исследование характеристик процессоров и оптимизация их архитектуры для соответствия требованиям производительности, энергопотребления и т. д. Первые 45 -нм процессоры от компании Intel появятся на рынке во второй половине следующего года: согласно некоторым источникам, в декабре 2007 года.
Intel раскрыла свои планы производства 45 нм процессоров 18. 09. 2007 19: 09 | Ferra. ru Хотя AMD планирует вскоре начать выпуск трехъядерных процессоров, вполне возможно, что к тому времени 45 нм процессоры Penryn от Intel уже появятся в магазинах. По всей видимости, Intel тщательно готовится к новому витку борьбы с AMD за доминирование на рынке. Первая волна 45 нм процессоров Penryn для настольных систем состоит из 8 наименований (см. ниже). Первым появится QX 9650, это процессор класса Extreme Edition c 4 ядрами с рабочей частотой 3 ГГц, 12 Мбайт кеш L 2 (6 Мбайт на кристалл) и тепловой пакет (TDP) 130 Вт. QX 9650 официально появится в ноябре и поступит в продажу позже. В начале 2008 года Intel еще выпустит 7 процессоров, 4 из них являются двуядерными, а 3 - четырехъядерными. Самый мощный из них будет четырехъядерный Q 9550 с 12 Мбайт кеш L 2, рабочей частотой 2, 83 ГГц и тепловым пакетом (TDP) 95 Вт.
Трехядерные процессоры от AMD? 17. 09. 2007 09: 09 По данным на ИТ-ресурса Hard Tecs 4 U, AMD работает над созданием процессора с 3 ядрами. Новые 3 -ядерные процессоры будут иметь свою архитектуру, а не будут обычными 4 -ядерными процессорами с одним отключенным ядром. Тем не менее, у них будет 2 Мбайт разделенного кеша L 3 и другие особенности архитектуры K 10, равно как и набор инструкций SSE 4, 128 -битный FPU и другое. Скорее всего, чипы также будут обладать низким энергопотреблением. Технически AMD может легко наладить производство процессоров с нечетным числом ядер благодаря архитектуре Direct. Connect. Однако, пока неясно, как AMD планирует позиционировать такие чипы, учитывая, что компания должна конкурировать с процессорами Intel Core 2 Duo и Quad с помощью своих процессоров Phenom и Athlon 64 X 2.
Intel выпустила шестиядерный процессор 16. 09. 2008 20: 35 | lenta. ru Корпорация Intel выпустила четырех- и шестиядерные процессоры на архитектуре Dunnington, которые пополнят серверную линейку Xeon, пишет The Wall Street Journal. Чип Xeon 7400 будет стоить от 856 до 2729 долларов, пишет IDG News. Новый процессор станет первым в линейке Xeon, использующим кэш третьего уровня. Его объем составит 16 мегабайт. Все шесть ядер находятся на одной подложке, в то время как обычные четырехъядерные процессоры Intel размещают по два ядра на каждой из двух подложек. Xeon 7400 стал первым процессором, разработанным конструкторским центром Intel в Бангалоре и первым чипом, созданным по 45 нанометровому технологическому процессу за пределами американской Intel.
Samsung представила первую 30 -нанометровую флэш-память 23. 10. 2007 Компания Samsung представила первый 30 -нанометровый модуль флэш-памяти с емкостью ячеек в восемь гигабайт (64 гигабита). Разработка Samsung основана на технологии Multi Level Cell (MLC), заключающейся в использовании для хранения информации многоуровневых ячеек. Стандартные MLC-накопители обладают емкостью до двух гигабайт (16 гигабит). Четырехкратное увеличение емкости стало возможным благодаря 30 -нанометровому техпроцессу. Стандартная карта Secure. Digital или Compact. Flash, оснащенная шестнадцатью модулями памяти Samsung, может хранить до 128 гигабайт данных (в восемь раз больше емкости современных флэш-носителей). Потенциальная емкость 1, 8 дюймового твердотельного накопителя (SSD), основанного на 64 таких модулях, может составлять 512 гигабайт (современные SSD могут вместить до 128 гигабайт информации). Samsung планирует начать массовое производство таких модулей памяти в 2009 году.
Разработан новый метод нанолитографии 10. 09. 2007 21: 53 Новый метод нанолитографии, разработанный исследователями из Технологического института Джорджии (Georgia Institute of Technology) США, может сделать производство наноустройствкоммерчески выгодным. Новый метод, называемый термохимической нанолитографией (ТХНЛ), заключается в следующем. Нагретая кремниевая игла атомно-силового микроскопа движется по специальной тонкой полимерной пленке. Под воздействием тепла на поверхности пленки начинается химическая реакция, в ходе которой соответствуюшие участки пленки изменяют свои химические свойства. Основной идеей ТХНЛ являются химические особенности пленки и использование горячей иглы (температура острия может превышать тысячу градусов Цельсия, иглу можно нагревать и охлаждать около миллиона раз в секунду). ТХНЛ позволяет работать на скорости несколько миллиметров в секунду. Минимальные размеры, с которыми можно работать, используя ТХНЛ, - около 12 нанометров.
Скачать презентацию Современные проблемы наук о материалах и процессах 2
Ostr_SPMP_17_2.ppt