Публикация научных статей.
Вход на сайт
E-mail:
Пароль:
Запомнить
Регистрация/
Забыли пароль?
Международный научно-исследовательский журнал публикации ВАК
Научные направления
Поделиться:
Статья опубликована в №21 (май) 2015
Разделы: Физика
Размещена 07.05.2015.

Разработка нового способа нейтронного легирования полупроводникового кремния (непланарная технология нейтронной литографии полупроводников)

Столбов Сергей Николаевич

Протиус

Инженер

В. А. Варлачев, кфмн, НИ Томский политехнический университет (г. Томск, 634050); Ю. В. Дробышевский, кхн, ООО Протиус (г.Железнодорожный, 143980); С. А. Некрасов, ктн, кэн, НИУ Московский энергетический институт(г.Москва, 111250 ); Г. Н. Петров, ЗАО Эллина НТ (г.Москва, 117312); А.К. Прохоров,кфмн, ЗАО Эллина НТ (г.Москва, 117312); С. Н. Столбов ООО Протиус (г.Железнодорожный, 143980)


Аннотация:
Представлена технология и рассмотрены варианты создания полупроводниковых приборов методом нейронного линейного легирования кремния, которая по условиям формирования нейтронного легирующего пучка дает возможность создания электронных приборов, включая микросхемы, которые могут обладать: плотностью печати элементов вплоть до 0.2 нанометров по одной выделенной оси (X), технологически задаваемой шириной легируемых полос вплоть до десятков сантиметров (Y), глубиной легирования в отдельной легируемой пластине или в пакете пластин в единицы сантиметров (Z) (в зависимости от вещества исходного полупроводника).


Abstract:
Presented technology and considers the options for making semiconductor devices by the method of linear neural doping of silicon, which under the terms of the formation of the neutron beam alloying enables the creation of electronic devices, including microcircuits, which may have: a density of printing elements up to 0.2 nanometers one selected axis (X), technologically set width lagerweij strips down to tens of centimeters (Y), the doping depth in a separate lagerweij the plate or pack of plates in units of centimeters (Z) (depending on the substance of the original semiconductor).


Ключевые слова:
полупроводники; электроника; нейтрон; нейтронное легирование; кремний; теллурид кремния; непланарная технология

Keywords:
semiconductors; electronics; neutron; neutron transmutation doping; silicon; telluride silicon; non-planar technology


УДК 621.01

В конце 1980-х годов было замечено, что удвоение вычислительной производительности происходит каждые 18 месяцев (вычислительная производительность, измеряемая в миллионах команд в секунду (MIPS), и она увеличивается благодаря росту количества транзисторов). И уменьшение размеров транзисторов — это основной способ увеличения производительности процессоров.

м

Рис 1. Закон Мура - экспоненциальный рост числа транзисторов со временем[1]  

Ключевым этапом в производстве микросхем является литографический процесс. Важнейшей характеристикой литографического процесса является его разрешающая способность. От разрешающей способности напрямую зависит минимальная толщина линии, которую можно нанести на фоторезисторе.

Для теневой литографии с зазором минимальная толщина линии определяется следующим условием:   ф    , где л— длина волны источника изучения, используемого в литографической установке, g — толщина зазора между маской-шаблоном и кристаллом на подложке, включая толщину слоя фоторезистора.

мм

Рис 2. Масштаб технологического процесса при литографии[2]

Технологический процесс на базе нейтронного легирования позволяет перейти к следующему диапазону размеров электронных компонентов.

Нейтронное излучение условно разделяют на энергетические диапазоны:

тн

Поскольку длина волны теплового нейтрона составляет величину около 2·10-8 см = 0.2 нм, можно полагать перспективным их использование при создании элементов электронной техники.

Нами были разработаны способ и устройство для нейтронного легирования вещества с использованием нейтронных пучков (патент RU 2514943) [3] .

Исходным является облучение тепловыми нейтронами, кремния, содержащего изотоп 30Si. Под воздействием тепловых нейтронов в кремнии протекают реакции:

ф

В результате этой реакции образуется радиоактивный изотоп 31Si, с распадом которого происходит накопление 31P (фосфора-31) – донорской легирующей примеси, создающей проводимость n-типа. Важно, что фосфор рождается в узлах решетки кремния.

В различных полупроводниковых материалах (Si, Ge, InSb, Si2Te3) возможно формирование узких областей с повышенной степенью легирования в заданных участках легируемого вещества внутри исходного вещества.

В то же время существующие технологии, применяемые в электронной промышленности в области, как микроэлектроники, так и в области силовой электроники, являются планарными. То есть, их сложные пространственные структуры поверхностные и создаются путем последовательно и послойно выполняемых технологических операций.

Возможность управляемого легирования полупроводников с глубоким (до 8 см в кремнии) проникновением узких легированных областей внутрь исходного вещества позволяет существенно изменить технологии электронной промышленности. Прежде всего, при этом можно существенно уменьшить линейные размеры (ширину) основных элементов электроники (см. рис.3.) при росте их длины и глубины и ширины.

Но это требует нового подхода к формированию основных элементов электронных схем. Транзисторы, диоды и другие элементы можно выполнит следующим образом.

 пу

Рис. 3. Компоненты электроники, выполненные по непланарной технологии

(при этом проводник, это участок (n) с высокой степенью легирования кремния и проводимостью, а конденсатор, диэлектрик между двумя проводниками)

Возможность фокусирования потоков тепловых нейтронов отселектированных замедляющее фокусирующими структурами и достаточно малая длина волны нейтрона (много меньшая длины световой волны) позволяют при соответствующей проработке рассчитывать и на применение этой технологии в микроэлектронике. При этом возможен и вариант с сохранением на внешних участках кристаллов с глубинным нейтронным легированием, обычных планарных электронных приборов и микросхем.

В то же время, поскольку поперечные размеры легируемых участков (длина и глубина) могут быть достаточно велики, то и характерная мощность элементов силовой электроники на базе этой технологии может быть большой.

у

Рис. 4 Усилитель с общим эмиттером и эмиттерным сопротивлением выполненный по непланарной технологии

Для создания полупроводниковых приборов и их комбинаций в микросхемах было разработано устройство селективной сепарации нейтронов[3,4,5,6,7]  гладко переходящее в устройство концентрации и фокусирования сформированного потока нейтронов.

Для селективной сепарации тепловых нейтронов замедлитель должен состоять из селектирующих элементов находящихся в диффузном поле тепловых нейтронов. В процессе рассеяния нейтронов диффузного поля угол пересечения ими поверхности элементов может стать меньше угла φs – угла полного внешнего отражения нейтронов от поверхности этого вещества φ2 ≤ φs и нейтрон отразится от этой поверхности.

Профиль элементов замедляющей фокусирующей структуры[4,5,6] (ЗФС) при этом выполняется таким, чтобы всякое последующее отражение такого нейтрона проходило под углом меньшим угла полного внешнего отражения его веществом. Для того чтобы селектирующая пластина обладала способностью селективно захватывать движущиеся в нем нейтроны на всей поверхности селектирующего элемента находящегося в поле тепловых нейтронов, оно должна иметь переменную, спадающую к его выходу кривизну поверхности. Или радиус кривизны этой поверхности должен непрерывно расти в направлении выхода из канала, см. рис. 5.

с

Рис 5. Селектирование нейтронов в криволинейном канале селекции.

 Если угол внешнего поверхностного отражения нейтронов равен φs, а радиус кривизны поверхности равен R,то (см. рис. 5) при этом длина хорды, по которой движется отраженный нейтрон, будет Ls ≈ 2 R·sin(φs), а максимальное расстояние между хордой и поверхностью канала, будет hs ≈ R (1 - cos(φs)). Можно показать, что коэффициент эффективности захвата нейтронов в ходе селекции Ksel может быть представлен, как

л . Здесь поверхность селектирующей пластины задается в координатах (x,y), а  при малых φs, L= a1+a2 ≈ 2· R· sin φs. Так, например, возможны пластины, имеющие профиль части эллипса . Причем, например, у пластин с b=15 мм, Ksel=15, а у пластин с b=20 мм, Ksel =10 и на участке с максимальной эффективностью селекции нейтронов, Ls≈5мм, а hs ≈ 5мкм. Где: а=150 мм, b=20 мм. Плотность нейтронов, отселектированных широкой пластиной, определяется зависимостью:

 н, где n0 – плотность потока тепловых нейтронов.

ф

Рис 6. Фотография изготовленной графитовой селектирующей пластины.

д

Рис 7. Селектирующие пластины в канале реактора при экспериментальной проверке эффекта селекции нейтронов (часть пластин вынута, пластины ориентированы на пакет кремниевых детекторов).

При экспериментальной проверке диффузный поток тепловых нейтронов составил величину  n0 = 1.0×1013 см-2с-1; Lplast= 100 мм – длина селектирующей пластины. Потери в плоскости пластины по угловой области захвата оценивались множителем ½. Плотность потока тепловых нейтронов, измеренная по проводимости кремниевых пластин, составляла величину: nsel= 1.5×1015 см-2с-1 и была близка к ожидаемой.

р

Рис 8. Общий вид устройства легирования полупроводников с одной рабочей селектирующей и фокусирующей пластиной (схематически, разрез).

На фокусирующем участке пластины, выведенном из зоны селекции, в устройстве легирования полупроводников расстояние между траекторией нейтронов и поверхностью канала после каждого последующего отражения будет уменьшаться и, в результате, может быть уменьшено вплоть до величин в 0.2 нм. Поскольку общее количество тепловых нейтронов отселектированных структурой при этом сохраняется, то плотность потока пристеночных нейтронов, выводимых в направлении легируемой пластины, растет.

Возможны несколько вариантов организации процесса легирования, когда:

 А) Отдельные селектирующие пластины расположены с шагом равным ширине отдельной микросхемы. На них формируется (селектируется и концентрируется) плотный поток нейтронов толщиной до 0.2 нм. В процессе легирования пакет легируемых пластин перемещается поперек по заданной во времени программе, формируя цепочку тонких линейных (n) областей с заданной степенью легирования их фосфором и серой.

Б) Возможно применение поглощающих масок на пути легирующего потока нейтронов, но поскольку процесс идет с поглощением нейтронов на достаточно большой массе материала маски и сопровождается гамма-излучением, то это ведет к появлению дефектов в исходном кремнии. Поэтому этот вариант интересен, но не рекомендуется для промышленного легирования полупроводниковых приборов

В качестве источника нейтронов может быть использован ускоритель протонов с литиевой мишенью, ускоритель дейтонов с тритиевой мишенью, или реактор.

Полученные быстрые нейтроны термализуют на замедляющем веществе окружающем источник нейтронов. Тепловые нейтроны селектируют на зеркальной профилированной селектирующей пластине и фокусируют на участке концентрирования и фокусирования этой пластины. Узкий сформированный пучок направляют на легируемую пластину или на пакет из пластин, состоящих из (Si, Ge, InSb, Si2Te3).  

Представляет интерес в качестве базового материала для нейтронной непланарной технологии принять теллурид кремния Si2Te3, поскольку он является естественным полупроводником р-типа. При этом его нейтронное легирование позволяет создавать внутри него n-легированные области. Он весьма удачно комбинирует лучшие качества, присущие кремнию как полупроводниковому материалу,  со свойствами одноатомных графеноподобных структур. Теллурид кремния имеет пик фотолюминесценции в области красного света, что перспективно для создания на его основе красных светодиодов и полупроводниковых лазеров нового типа, чувствительных фотодатчиков и высокоэффективных солнечных батарей.

 

При легировании пластину перемещают относительно области нейтронного пучка по заданной во времени программе, выдерживая необходимое время, для получения необходимого интеграла потока нейтронов, чем формируют участки с необходимой степенью легирования материала.

Затем, после легирования на схему планарно наносят контактный рисунок для окончательного формирования связей соответствующего электронного элемента или соответствующей микросхемы.

По условиям формирования нейтронного легирующего пучка есть возможность создания электронных приборов, включая микросхемы, которые могут обладать:

1) Плотностью печати элементов вплоть до 0.2 нанометров по одной выделенной оси (X).

2) Технологически задаваемой шириной легируемых полос вплоть до десятков сантиметров (Y).

3) Глубиной легирования в отдельной легируемой пластине или в пакете пластин в единицы сантиметров (Z) (в зависимости от вещества исходного полупроводника).

Библиографический список:

1. Микросхема которую построил Джек. http://www.metodolog.ru/01561/01561.html
2. Роль изменения масштаба технологического процесса при оптической литографии http://www.hit.ac.il/staff/aaronP/home/courses/nano2008/material/piclist.htm
3. «Способ и устройство для нейтронного легирования вещества» заявка», Патент RU №2514943.
4. «Устройство для формирования направленного потока нейтронов», Патент RU №1821818.
5. В.А. Варлачев, Ю.В. Дробышевский, С.А. Некрасов, Г.Н. Петров, А.К. Прохоров, С.Н. Столбов, «Экспериментальная регистрация селективной сепарации тепловых нейтронов», «SCI-ARTICLE.RU», №10, 2014, http://sci-article.ru/stat.php?i=1401523674 .
6. Ю.В. Дробышевский, С.Н. Столбов, «Замедляюще фокусирущая структура», «SCI-ARTICLE.RU», №13, 2014, http://sci-article.ru/stat.php?i=1405007861
7. В.А. Варлачев, Ю.В. Дробышевский, С.А. Некрасов, Г.Н. Петров, А.К. Прохоров, С.Н. Столбов "Непланарная технология нейтронной литографии полупроводников" Доклад на Заседании Конференции Международного форума "Высокие технологии XXI века. Инновации на пространстве ШОС" (Москва 29.04.2015).




Рецензии:

13.05.2015, 14:17 Мордашев Владимир Михайлович
Рецензия: Статья посвящена перспективной и важной проблеме - непланарной литографии полупроводников с плотностью печати элементов вплоть до 0.2 нм по выделенной оси с помощью замедляющей и фокусирующей нейтроны структуры, ранее теоретически и экспериментально обоснованной и исследованной некоторыми соавторами данной статьи. Возможность управляемого легирования полупроводников с глубоким проникновением узких легированных областей внутрь исходного вещества может существенно изменить технологии и эффективность электронной промышленности. Учитывая то, что статья представляет значительный научный и технический интерес, рекомендую её к печати.



Комментарии пользователей:

Оставить комментарий


 
 

Вверх