Материал: Нанотехнологии для всех (Рыбалкина), 2005, c.444

НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ

ленно изменять хранимую информацию – то есть обрабатывать ее, что и делает микропроцессор, работая на двоичной логике.

В CMOS (комплементарной металл оксид полупроводни ковой) логике транзистор включен так, что нулевое или поло жительное напряжение кодирует “0”, а отрицательное “1”. По ка цепь базы разомкнута, ток в цепи эмиттера практически не идет, так как для основных носителей свободного заряда пере ход заперт. Это состояние соответствует логическому “0”. При подаче отрицательного напряжения на базу дырки – основные носители заряда в эмиттере – переходят из него в базу, создавая в цепи ток, что соответствует логической “1”.

Таким образом, “0” на входе схемы запирает транзистор, а на выходе мы имеем опять “0”. Если же подать “1” на вход (ба зу транзистора), он откроется и выдаст “1” на эмиттере.

Рис 99. p–n–p транзистор как логический переключатель

Можно сделать все наоборот и присоединить выход к кол лектору. Тогда мы получим логическую схему “НЕ”, превраща ющую “0” в ”1”, а “1” в “0”.

Соединяя транзисторы, можно по лучать и более сложные логические схе мы: “И”, “ИЛИ”, “Исключающее ИЛИ (XOR)” и другие.

Современная технология произво дит полупроводниковые приборы – дио ды, транзисторы, фотосенсоры разме ром в несколько микрометров.

Однако для дальнейшего развития техники возникла необходимость пере хода на транзисторы нанометровых раз

178

ГЛАВА 4. Наноэлектроника и МЕМС

Рис 101. Транзисторнык схемы «И» (слева) и «ИЛИ» (справа)

Cоединяя несколько транзисторов, можно получить все базовые логические схемы, необходимые для работы микропроцессора: "И", "ИЛИ", и "НЕ".

меров. Ведь быстродействие компьютера напрямую зависит от количества транзисторов, которое удается разместить на еди нице площади. И первые попытки перешагнуть нанометровый рубеж уже дали хорошие результаты. Подробнее об этом будет рассказано в одном из следующих параграфов.

Интегральная микросхема

Применение микросхем привело к революционным изме нениям во многих областях электроники. Это особенно ярко проявилось в компьютерной индустрии. На смену громоздким вычислительным машинам, содержащим десятки тысяч элект ронных ламп и занимавшим целые здания, пришли компакт ные и быстрые настольные и даже карманные компьютеры.

Интегральная схема (ИС) – это система микроскопических устройств (диодов, транзисторов, проводников и т.п.) на одной подложке. С чьей то легкой руки микросхемы стали также называть чипами за некоторое сходство с тонкими ломтиками жареного картофеля (англ. chip).

Чип размером в 1 см2 может содержать миллионы микрос копических устройств. Очевидно, что последовательное созда

НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ

ние таких приборов “вручную” невозможно из за огромного количества межсоединений (попробуйте ка правильно спаять 1.000.000 транзисторов о трех ногах каждый, плюс еще мириа ды обслуживающих элементов – резисторов, диодов и т.п., да при этом еще не запутаться в проводах!). Выход из создавшего ся положения был найден на пути интеграции (объединения) в едином устройстве – интегральной схеме – всего этого множе ства полупроводниковых устройств и межсоединений, создан ных в едином технологическом цикле.

Как делают микросхемы

Поскольку микросхема создается на поверхности пласти ны, технология ее изготовления называется планарной (от англ. “planar” – “плоский”). Ее основу составляет литография. Наз вание “литография” происходит от греческих слов “литос” – камень и “графо” – пишу, что дословно означает “писать на камне”. Литография в микроэлектронике – это действительно способ формирования заданного рисунка (рельефа) в слое по лупроводника.

Изготовление, или “выращивание”, интегральной микрос хемы включает в себя несколько основных этапов:

1. Подготовка подложки Подложкой обычно является пластина кристалла кремния

(Si) самого распространенного полупроводника на Земле. Обычно пластина имеет форму диска диаметром 200 мм и тол щиной менее миллиметра. Получают ее разрезанием цилинд рического монокристалла.

Так как свойства полупроводникового кристалла сильно за висят от направления (вдоль или поперек кристалла), то перед тем как нарезать кристалл на пластины, его свойства измеряют во всех направлениях и ориентируют нужным образом.

Для резки монокристаллов на пластины применяются диски с режущей кромкой, покрытой алмазной крошкой размером 40 60 микрон, поэтому после резки пластины получаются шерохо ватыми, на них остаются царапины, трещины и другие дефекты, нарушающие однородность структуры приповерхностного слоя и его физико химические свойства. Чтобы восстановить поверх ностный слой, пластину тщательно шлифуют и полируют.

180

ГЛАВА 4. Наноэлектроника и МЕМС

Все процессы по обработке полупроводниковых пластин проводятся в условиях вакуумной гигиены в специальных поме щениях со сверхчистой атмосферой. В противном случае пыль может осесть на пластину и нарушить элементы и соединения микросхемы (гораздо меньшие по размерам, чем сама пыль).

Очищенная кремниевая пластина подвергается так называ емому оксидированию (или окислению) воздействию на заго товку кислородом, которое происходит под высокой темпера турой (1000°C).

Таким образом на поверхности заготовки создается тончай ший слой диоксида кремния SiO2. Регулируя время воздей ствия кислорода и температуру кремниевой подложки, можно легко сформировать слой оксида нужной толщины.

Диоксидная пленка отличается очень высокой химической стойкостью, большой прочностью и обладает свойствами хоро шего диэлектрика, что обеспечивает надежную изоляцию нахо дящегося под ним кремния и защищает его от нежелательных воздействий в ходе дальнейшей обработки.

2. Нанесение фоторезиста Если некоторые области кремния, лежащие под слоем ок

сида, необходимо подвергнуть обработке, то оксид надо пред варительно удалить с соответствующих участков. Для этого на диоксидную пленку наносится слой фоторезиста.

Фоторезист – это светочувствительный материал, который после облучения становится растворимым в определен ных химических веществах.

Фотошаблон представляет собой пластинку, состоящую из прозрачных и непрозрач ных участков, и играет роль трафарета.

3. Экспонирование На следующем этапе – экспонировании – пластину с нало

женным на нее фотошаблоном подвергают действию излуче ния. Фоторезист, расположенный под прозрачными участками фотошаблона, засвечивается.

НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ

4. Травление Удаление облученного фоторезиста и оксидной пленки на

зывается травлением. Этот процесс необходим, чтобы вскрыть окно для доступа к материалу подложки. Травление может быть химическим “мокрым” или плазменным “сухим”. Химическое жидкостное травление основано на растворении химическими веществами не защищенных фоторезистивной маской участков образца. Более эффективными являются “сухие” методы обра

ботки, основанные на взаи модействии газозарядной плазмы с поверхностным слоем материала. Кроме то го, существует ионное, ион но химическое и плазмохи мическое травление.

Результатом травления является полное удаление материа ла на участках, не защищенных фоторезистом.

5. Заключительным этапом формирования микросхемы яв ляются процессы эпитаксии, диффузии и металлизации.

Эпитаксией называют ориентированное наращива ние слоев вещества с воспро изведением кристалличес кой структуры подложки. Его производят в особом ре акторе. Эпитаксия позволяет создавать равномерные атом ные слои на пластине.

182