A mikroelektronikai technológiák és anyagok fejlődésének mai irányzatai H . G. S C H N E I D E R V E B Galvanotechnik Lipcse ( N D K ) B.JUNGHANS Z e n t r u m für Forschung u n d Technologie M i k r o e l e k t r o n i k Carl Zeiss K o m b i n á t Jena ( N D K ) H. G.
ÖSSZEFOGLALÁS A szilíciumalapú éa A B - f é l v e z e t ő vegyületekből készült mikroelektronikai alkatrészek fejlődési irányait foglalja össze a k ö z l e m é n y , különös tekintettel az in tegráltsági fok növekedéséből és a kapcsolási idő csök kentéséből a d ó d ó kérdésekre. A bonyolult technológia fejlődés s z á m o s a n y a g t u d o m á n y i kérdést is felvet. A jelen és közeljövő félvezető alapanyaga a szilícium, valamint az A - B - f é l v e z e t ő anyagok közül a GaAs és az I n P , t o v á b b á az A l - t a r t a l m ú három- é s n é g y k o m p o nensű szilárd oldatok tulajdonságai is tárgyalásra kerülnek. l : [ I
I I I
v
v
mikroelektronika
A mikroelektronika i n d u l á s a k o r — az 50 és 60-as é v e k b e n — k é t fontos célt k e l l e t t k i e l é g í t e n i : — m i n i a t ü r i z á l á s és az elektronikus rendszerek jobbá tétele, valamint — a t ö m e g és t é r f o g a t egységére vonatkoztatva nagyobb f u n k c i ó s ű r ű s é g mellett, g a z d a s á g o sabb g y á r t á s . A jelenleg g y á r t á s b a n lévő t e r m é k e k b e n a nem zetközi átlag színvonalon, integrált áramkörön k é n t illetve c h i p e n k é n t , melynek t ö m e g e 1 g, 10 komponense van, és ez v é g t e r m é k k é n t k ö r ü l belül 1 c m térfogatú. A fejlődés m a i á l l a p o t á b a n azt mondhatjuk, hogy a t e r m é k e k b e n az elektronikus rész t ö m e g e és t é r f o g a t a e l h a n y a g o l h a t ó a t ö b b i elem, t á p e g y s é gek m ű k ö d t e t ő és vezérlő elemek stb. mellett. P é l d a k é n t e m l í t h e t j ü k a z s e b s z á m o l ó g é p e k e t , sze mélyi számítógépeket, szívritmus szabályozókat (pacemaker). A m i k r o e l e k t r o n i k a i t e c h n o l ó g i á k folyamatosan és rohamosan fejlődnek a m i n d i g nagyobb i n t e g r á ciós fok és az egyre c s ö k k e n ő belső k é s l e l t e t é s i i d ő k felé, aminek k é t fő oka v a n : 6
3
— m i n t m i n d i g : a g a z d a s á g o s s á g és — a m i k r o e l e k t r o n i k a v á r a t l a n elterjedése a szá m í t á s t e c h n i k a és h í r k ö z l é s t e c h n i k a klasszikus a l k a l m a z á s i t e r ü l e t e i n k í v ü l i t e r ü l e t e k e n is. A z előző k é t t é n y e z ő t e r m é s z e t e s e n szoros kapcsolatban v a n e g y m á s s a l . F e l t é t e l e z h e t j ü k , hogy a t ö b b m i n t 10 alkalma z á s alig 1%-át képviseli az e l k é p z e l h e t ő alkalma z á s o k n a k . A mikroelektronika t o v á b b i fejlődése 5
B e é r k e z e t t : 1987. X . 7. (H)
Híradástechnika,
XXXIX.
évfolyam,
a Freiburgi Bányászati Akadémián végezte ta nulmányait. 1953—1959 között az NDK bányá szatában dolgozott. 1959—65-ig a Nagy tisztaságú Anyagok Ku tató Intézetében dol gozott. 1965—1968-ig docensként dolgozott az Ilmenaui Műszaki Fő iskolán ahol elektronikai anyagok kutatása volt a fő témája.
1968—70 között, az NDK elektronikai ipará nak központi irányításá ban dolgozott. 1970—1984-ig a Karl-Marx-Stadt-i Mű szaki Főiskolán egyetemi tanár. Jelenleg a VEB Galvanotechnik Lipcse vezető kutatója és tanács adója, mikroelektroniká val, érzékelőkkel és szá mitógépes tervezéssel fog lalkozik.
és a l k a l m a z á s a a g a z d a s á g o s s á g t o v á b b i j a v u l á s á t ó l fögg, ez k o n k r é t a n azt jelenti, h o g y :
1. Technológiai szempontok 1.1. Szilícium
SCHNEIDER
1988. 6.
szám
— kevesebb p é n z é r t jobb t e r m é k e t lehet kapni és, hogy — n ö v e k s z i k a r a c i o n a l i z á l á s m a j d minden ter m e l ő s ő t a nem t e r m e l ő t e v é k e n y s é g e k b e n is. Ezek a m i k r o e l e k t r o n i k a m a i é s j ö v e n d ő fejlődésé nek h a j t ó e r ő i . A mikroelektronikai t e c h n o l ó g i a különlegessége, hogy az adott szilícium felület m e g m u n k á l á s á n a k k ö l t s é g e — durva k ö z e l í t é s b e n — nem függ a felületegységen m e g v a l ó s í t o t t eszközök s z á m á t ó l . E z a t é n y a g y á r t á s i t e c h n o l ó g i a jellegéből k ö v e t kezik, és csak egy adott a l a p t e c h n o l ó g i á n és tech nológiai fejlettségi szinten b e l ü l é r v é n y e s . E z é r t nem m e g l e p ő , hogy p é l d á u l az l k d R A M , 4 K d R A M , 16K d R A M , 6 4 K d R A M és l e g u t ó b b a 256K d R A M e g y m á s u t á n k ö z e l azonos á r o n k e r ü l t e k forgalomba, a m i t ü k r ö z i azt a t é n y t , hogy a funkció s ű r ű s é g v é g ü l is ingyen a 256szorosára n ö v e k e d e t t . Mindez azt jelenti, hogy az i n t e g r á l t á r a m k ö r k o m p l e x i t á s á n a k növelése az I C f e l h a s z n á l ó k n á l c s ö k k e n t i a k ö l t s é g e k e t mert kevesebb á r a m k ö r i k á r t y á r a van szükség, kisebb t á p e g y s é g is elég, c s ö k k e n az e n e r g i a f o g y a s z t á s és kisebbek a t e l e p í tési és e g y é b k ö l t s é g e k . Mindezen faktorok a r á n y o s a n c s ö k k e n n e k az I C integráltsági fokának növekedésével. V é g e r e d m é n y b e n az e l e k t r o n i k á n a k minden m á s m e g o l d á s s a l szemben n ö v e k v ő i n t e n z í v és széles k ö r ű h a s z n á l a t a a rendszerek m e g b í z h a t ó s á g á n a k folyamatos j a v u l á s á t e r e d m é n y e z i . M i v e l az integ rált áramkörök 10~ . . . 10~ /óra meghibásodási valószínűsége majdnem független az i n t e g r á l t s á g i foktól, a rendszer m e g b í z h a t ó s á g a t ö b b n a g y s á g 6
8
241
DB. B.
1976-ig MOS-áramkö rökkel foglalkozott. 1984ig a drezdai Mikroelekt ronikai Kutató Köz pontban (ZMD ) áram körök tervezését és tech nologizálását vezette. 1984 óta a Drezdai Műszaki Egyetemen egye temi tanár.
JÜNGHANS
egyetemi tanulmányait Moszkvában végezte 1968ban. 1972-ig aspiráns volt a Karl-Marx-Stadt-i Műszaki Főiskolán ahol félvezető technológiából doktorált, ugyanott lett tudományos munkatárs,
renddel j a v í t h a t ó e g y e d ü l a z á l t a l , hogy nagyobb i n t e g r á l t s á g ú IC-ket alkalmazunk. T o v á b b i igen fontos p r o b l é m a a jelfeldolgozási i d ő c s ö k k e n t é s e . A z egyre sokszorozódó alkalma z á s o k és a flexibilis m e g o l d á s o k k ö v e t k e z t é b e n egyre jobban terjednek a mikroprocesszor á r a m k ö r ö k és a m i k r o s z á m í t ó g é p e k .
100 hs
Si -
\
\
\
7
CM05/S0f\\\
\ -f «5
A software v e z é r e l t jelfeldolgozás l a s s ú b b m i n t a huzalozott. A jelenleg h a s z n á l t 1 /xsec v é g r e h a j t á s i p e r i ó d u s i d ő p r o b l é m á t jelent a folyamatok egy idejű szabályozásában. Feltétlenül csökkenteni k e l l a belső k é s l e l t e t é s i i d ő t és a jel-futási idejét. E z t a p r o b l é m á t k é t m ó d o n k ö z e l í t h e t j ü k meg: — t o v á b b k e l l n ö v e l n i az i n t e g r á l t s á g i fokot, ezzel csökken a j e l v e z e t é k e k geometriai hossza, ez t u l a j d o n k é p p e n a szilícium IC-elemeinek t o v á b b i m é r e t c s ö k k e n t é s é t jelenti. A cél k o m p l e t t elektronikus rendszerek k i a l a k í t á s a egy chipen. A Si—IC-ben a jelterjedés i d ő á l l a n d ó j a 0,1 fisec/mm. I l y e n i g é n y e k n e k csak o l y a n t e c h n o l ó g i a k é p e s megfelelni, amelyben a kés leltetési i d ő veszteségi t e l j e s í t m é n y alacsony, m i n t p é l d á u l a CMOS á r a m k ö r ö k b e n (1. á b r a ) . — ú j félvezető anyagok a l k a l m a z á s á v a l m i n t p é l d á u l a I I I — V félvezetők GaAs, I n P és az ezeken a b i n á r i s v e g y ü l e t e k e n a l a p u l ó h á r o m és n é g y k o m p o n e n s ű szilárd oldatok. ( E z e k r ő l az a n y a g o k r ó l a jelen cikk 2. pontja szól.) ö s s z e h a s o n l í t v a a Si és I I I — V - v e g y ü l e t integ r á l t á r a m k ö r ö k e t meg k e l l jegyezni azt, hogy a s z i l í c i u m b a n a t e l í t é s i elektronsebesség t ö m b s z i l í c i u m b a n 10 cm/sec, ez az é r t é k alig kisebb m i n t a GaAs-ban tapasztalt é r t é k . Ennek k ö v e t k e z m é n y e k é n t nagyon kicsi a különbség a GaAs I C ( F E T ) és a Si I C sebessége k ö z ö t t , de ebben az esetben a Si messze a telítési feszültsé-
\
\
\
\ hó
\
p
\ \
\
\
10 /xW
\ \ 100
\
lynW
paAí 6Uh*i diódái,
10 mW
400 *M/
Ve&iia&é}, iedje<msnj 1. ábra. 242
Késleltetési idő/veszteségi t e l j e s í t m é n y
Híradástechnika,
\
H-369-1 összefüggése
XXXIX.
évfolyam,
1988. 6. szám
ge felett dolgozik. N e m k í v á n a t o s az i l y e n erős előfeszítés, k ü l ö n ö s e n nem a V L S I — I C - b e n . A GaAs á r a m k ö r ö k b e n erre nincs is szükség, de v a n egy sor p r o b l é m a a m i t meg k e l l oldani. Hogyan növelhetjük
az integráltsági
fokot . 1
A fejlesztés i r á n y z a t a i a 2. á b r á n l á t h a t ó a k . A z i n t e g r á l t s á g növelésének k é t ú t j a v a n : — a chip felület növelése és — az e l e m s ű r ű s é g növelése.
A chip felület növelésének g a z d a s á g o s s á g i k o r l á t a i vannak. Ez nem a nagyobb Si f e l h a s z n á l á s s a l függ össze (3. á b r a ) . A z a n y a g k ö l t s é g l i n e á r i s a n n ő a f e l ü l e t t e l de ezt k o m p e n z á l j a az á r a m k ö r nagyobb teljesítménye. N a g y o b b p r o b l é m á t jelent a szerelés, de a mai modern k i k ö t é s i és chipcarrier t e c h n o l ó g i á k meg fogják oldani ezt a gondot. A fő p r o b l é m a , hogy az adott t e c h n o l ó g i a i sorra az adott h i b a s ű r ű s é g m i a t t a j ó elemek kihozatala a c h i p m é r e t n ö v e k e d é s é v e l a Poisson eloszlás é r t e l mében exponenciálisan csökken. Jelenleg a g a z d a s á g i l a g e l f o g a d h a t ó k i h o z a t a l l a l g y á r t h a t ó chipek felülete m a x i m u m 100 m m lehet. A h i b á k s z á m á n a k c s ö k k e n t é s e oldhatja fel ezt a k o r l á t o t . A stohasztikus h i b á k legfőbb okai a maszkokon lévő h i b á k , a k ö z e g e k b e n , l e g i n k á b b a v í z b e n lévő s z i l á r d részecskék, és a k ö r n y e z e t b ő l s z á r m a z ó por. Ezen csak komplex i n t é z k e d é s e k s e g í t h e t n e k . N e m elég ha p é l d á u l h i b á t l a n az ú j maszk, annak h i b á t l a n n a k k e l l maradnia az egész t e c h n o l ó g i a i f o l y a m a t s o r á n is. J ó á r a m k ö r ö k kihozatala nagyon ö s s z e t e t t p r o b l é m a és a leg fontosabb m é r ő s z á m a az e l é r t g y á r t á s i kultúra s z í n v o n a l á n a k és a t e c h n o l ó g i a i m i n ő s é g n e k . V é g ü l a g y á r t á s h a t é k o n y s á g a d ö n t i el a g a z d a s á g o s s á g á t . Megjósolhatjuk, hogy az a l á b b i feltételek e g y ü t t e s m e g l é t e e s e t é n a g y á r t ó s o r o k b a n r ö v i d e s e n t ú l le het lépni a 100 m m c h i p n a g y s á g o t : —- hibamentes maszkok, — v e t í t é s e s litográfia, — pormentes szeletkezelő rendszerek, — reverz ozmózisos s z ű r ő k h a s z n á l a t a a v í z t i s z t í tásában, — ú j t í p u s ú tiszta szoba rendszerek p l . a l a g ú t elven. Ezeket a f e l t é t e l e k e t az elemi m é r e t e k egyidejű c s ö k k e n t é s e mellett k e l l b i z t o s í t a n i . H a a legkisebb m é r e t ü n k — m i n t ahogyan az az u t ó b b i é v e k b e n á l t a l á n o s v o l t — 5 fim, a 0,5 /ím m é r e t ű h i b á k nem z a v a r j á k az á r a m k ö r m ű k ö d é sét. A m a i 1,5 fj,m elem m é r e t e k m e l l e t t m á r a 0,15 fim m é r e t ű h i b á k sem engedhetó'ek meg. 2
2
'950
1570
7960
LÜÜID 2. ábra.
A Si integrált áramkörök n ö v e k e d é s e (1)
elemsűrűsógónek
2
Az elemsűrűség
növelésének
négy útja van:
— a legkisebb m é r e t e k c s ö k k e n t é s e , — h e l y k i h a s z n á l á s s z e m p o n t j á b ó l o p t i m a l i z á l t ter vezésű alkatelemek, — a tűrések csökkentése, — a szigetelések és ö s s z e k ö t t e t é s e k á l t a l elfoglalt területek csökkentése. L é n y e g é b e n az alkatelemek t í p u s á t ó l f ü g g e t l e n ü l a jelenlegi helyzethez k é p e s t csökkentve a minimális méreteket n a g y s á g r e n d e k k e l lehet c s ö k k e n t e n i az alkatelemek felület-igényét. Jelenleg Si—IC-ben a legkisebb tranzisztor h e l y i g é n y e k b . 100 ^ m . A b i p o l á r i s és az u n i p o l á ris tranzisztorok m é r e t é n e k f i z i k a i k o r l á t j a 1 ^um . Az 5. á b r á n l á t h a t ó , hogy a n e m z e t k ö z i t r e n d analízisek szerint ezt a célt ebben a s z á z a d b a n nem fogjuk elérni. F e l t é t e l e z h e t ő , hogy t ö m e g g y á r t á s ban 10 é v e n b e l ü l m e g v a l ó s í t h a t ó legkisebb m é r e t 0,5 fim, ha h á r o m é v e n k é n t t ö m e g g y á r t á s b a n a legkisebb m é r e t csökkenése 0,3 ^ m [7], 2
2
3. ábra. A Si integrált áramkörök
Híradástechnika,
XXXIX.
felületnövekedése (1)
évfolyam,
1988. 6.
szám
243
tartalmazniok, ez azt jelenti, hogy 10 cm adalékkoncentrációnál legalább 10~ cm tér fogat szükséges, ez pedig megfelel egy 0,01 fim é l h o s s z ú s á g ú k o c k á n a k [ 7 ] . T e r m é s z e t e s e n ez t e c h n o l ó g i a i l a g nem m e g o l d h a t ó . H a s o n l ó k é p p e n k o r l á t o t jelent a v e z e t ő anyag, az alkatelemek s ű r ű sége, a s u b s t r á t anyag h ő v e z e t ő képessége és a parazita k a p a c i t á s o k . A z e l e m s ű r ű s ó g növelése á l t a l á b a n c s ö k k e n t i a parazita k a p a c i t á s o k a t , a tervet o p t i m a l i z á l n i k e l l e b b ő l a s z e m p o n t b ó l is! I l y e n kis m é r e t e k eléréséhez egy sor a l a p v e t ő e n új t e c h n o l ó g i a i m e g o l d á s r a v a n s z ü k s é g , melyek felülmúlják a fotolitográfia fizikai k o r l á t a i t . A late rális m é r e t e k c s ö k k e n t é s e a 0,1 fim (100 nm) m é r e t i g a „ s c a l i n g d o w n " elv f i g y e l e m b e v é t e l e m i a t t m e g k ö v e t e l i a v a s t a g s á g o k és b e h a t o l á s i mélységek a r á n y o s c s ö k k e n t é s é t , ez o x i d v a s t a g s á g b a n 10 n m é r t é k e t p—n á t m e n e t e k b e h a t o l á s i m é l y s é g é b e n pedig 100 n m é r t é k e t jelent. A ,,scaling-down" m i a t t e g y é b p a r a m é t e r e k is m e g v á l t o z n a k (1. t á b l á z a t ) . A „scaling d o w n " alapja az elektronikai 18
1S
0
50
100
chip felület
A
- 3
3
Y • exp (- AD)
1. táblázat 4. ábra. A Si integrált áramkörök kihozatala a ohip felü let é s a hibasűrűség f ü g g v é n y é b e n ( l )
,ö'\
1
1
J
A scaling down során változó paraméterek. Ha a lineáris méretek csökkennek, a feszültségek is csökkenneg 1 / a arányban, az adalékkoncentráció a-szorosára növekszik [7] Hosszúság
L
L/a
Vastagság
T
T/a
Feszültségek
V
U/a
Adalékolás
N
aN
Térerősségek
F
F
Kapacitások
C
C/a
Kapcsolási idők
t
t/a
Áramok
I
l/a
Áramsűrűségek
i
aj
A z e l ő b b e m l í t e t t 1 fim felületű tranzisztor m e g v a l ó s í t á s á h o z 0,1—0,2 fim legkisebb m é r e t szükséges (az u t ó b b i l a b o r a t ó r i u m i k ö r ü l m é n y e k k ö z ö t t m á r ma m e g v a l ó s í t h a t ó ) , a k o r l á t o t fizikai lag az a d a l é k k o n c e n t r á c i ó i n h o m o g e n i t á s a , az elektron m i g r á c i ó (különösen az I C fómezésében) és a hődisszipáció jelenti. K o r l á t o k vannak a m i n i m á l i s a d a l é k k o n c e n t r á c i ó r a is, a p illetve n tar t o m á n y o k n a k l e g a l á b b egy a d a l é k a t o m o t k e l l
alkatelemeket leíró matematikai f ü g g v é n y e k t r a n s z formációja, e z é r t csak ezek érvényességi h a t á r á n belül h a s z n á l h a t ó . P é l d á u l a MOS-tranzisztor c s a t o r n á j á b a n a felületi p o t e n c i á l nem függ a m é r e t e k t ő l , e z é r t a „ s c a l i n g - d o w n " s o r á n nem v á l t o zik. H a s o n l ó p r o b l é m á t jelent az elektronok szá m á n a k csökkenése a c s a t o r n á b a n , ez a s z á m olyan kicsi lehet, hogy az á l t a l á n o s r a d i o a k t í v h á t t é r s u g á r z á s m á r kapcsolhatja a tranzisztort, vagy, hogy 0,25 fim c s a t o r n a h o s s z ú s á g n á l az a d a l é k o l á s statisztikus v á l t o z á s a i hatnak a nyitófeszültségre, ami azt jelenti, hogy a nyitófeszültség befolyásolh a t a t l a n n á v á l i k . Mindezek m i a t t teljesen új tech nológiai m ű v e l e t e k e t k e l l bevezetni, m i n t p é l d á u l i o n i m p l a n t á c i ó , száraz k é m i a i m a r á s , p l a z m á s oxidáció, gyors hőkezelés és az e p i t a x i á l i s rétegle v á l a s z t á s ú j módszerei (ez u t ó b b i t részletesebben t á r g y a l j u k a 2. fejezetben). A szükséges elektronikai funkciót k ü l ö n b ö z ő alkatelemekkel lehet m e g v a l ó s í t a n i . A z alkatelemek
244
Híradástechnika,
1960
19 70
1980
J990
Í1
\ H369-5
S. ábra.
A Si integrált áramkörök minimális méreteinek csökkenése (2) 2
|
elem
XXXIX.
évfolyam,
1988. 6. szám
tervezését újra el kell végezni figyelembe v é v e a V L S I t e c h n o l ó g i a szempontjait. A logikai á r a m k ö r ö k felület i g é n y e t i z e d részére c s ö k k e n t , amikor á t t é r t ü n k a b i p o l á r i s T T L á r a m k ö r ö k r ő l az u n i p o l á r i s MOS á r a m k ö r ö k r e . H a statikus logikai r e n d s z e r e k r ő l és m e m ó r i a elemek r ő l á t t é r ü n k dinamikus elemekre a felület-csökkenés ö t s z ö r ö s , ha dinamikus m e m ó r i á k b a n a stack-rendszert h a s z n á l j u k , alkalmazunk programoz h a t ó csak o l v a s ó m e m ó r i á k a t ( E P R O M ) és CMOS á r a m k ö r ö k e t t o v á b b i 2—10-szeres felület-csök k e n t é s t é r h e t ü n k el. H a a jelenlegi t e c h n o l ó g i á b a n ismert paraméter és geometriai méret i n g a d o z á s o k a t és i n h o m o g e n i t á s o k a t m e g s z ü n t e t j ü k a felület igény századrészére csökkenhet. Az ingadozások és i n h o m o g e n i t á ^ o k c s ö k k e n t é s e az önillesztő t e c h n o l ó g i á k [3] fokozott b e v e z e t é s é v e l ( p l . Sigates t e c h n o l ó g i a ) és mindenek e l ő t t m i k r o s z á m í t ó g é p p e l vezérelt m ű v e l e t e k a l k a l m a z á s á v a l old h a t ó meg. A z i n t e g r á c i ó s fok n ö v e k e d é s é v e l a szigetelések és összeköttetések á l t a l elfoglalt t e r ü l e t a r á n y a n ö v e k s z i k . Jelenleg ezek teszik k i a chip t e r ü l e t é nek 8 0 % - á t . Ez az a r á n y c s ö k k e n t h e t ő , ha ú j kis e l l e n á l l á s ú k o n t a k t u s rendszereket dolgozunk k i , t ö b b s z i n t e s fémezést alkalmazunk és ha m e g v a l ó s í t u n k ú j szigetelési elveket, p é l d á u l fél szigetelő e p i t a x i á l i s r é t e g e k vagy szilícium-szigetelő hor d o z ó rendszerek (ez u t ó b b i p r o b l é m á r ó l a 2. fejezetben lesz n é h á n y m e g j e g y z é s ) . Ennek a rész nek összefoglalásaként n é h á n y m e g j e g y z é s a Si-mikroelektronika i r á n y z a t a i r ó l . A m i k r o e l e k t r o n i k a első n e g y e d s z á z a d o s t ö r t é nete s o r á n a szilícium p l a n á r i s t e c h n o l ó g i á v a l a S i — I C i n t e g r á c i ó s foka é v e n k é n t k ö r ü l b e l ü l meg d u p l á z ó d o t t . E z megfelel a Moore t ö r v é n y n e k . E z a tendencia fog é r v é n y e s ü l n i a b e l á t h a t ó j ö v ő ben is, m á r a m i a c s ú c s t e r m é k e k e t p é l d á u l m e m ó ria áramköröket illeti. Az integráció fokának növekedése zömében a legkisebb m é r e t e k csökkenése m i a t t k ö v e t k e z i k m a j d be. N a p j a i n k i g a 256 k b i t d R A M á r a m k ö r b e n lévő 1,5 fj,m legkisebb m é r e t h a g y o m á n y o s , de nagy p o n t o s s á g ú f o t o l i t o g r á f i á v a l v a l ó s í t h a t ó meg. A 2,5 /xm-nél kisebb l a t e r á l i s s t r u k t ú r á k a t a szeletre l é p t e t é s s e l ( D S W — D i r e c t Step o n Wafer) k e l l m e g v a l ó s í t a n i , a z é r t is mert egyidejűleg n ö v e k s z i k a s z e l e t m é r e t is a jelenleg h a s z n á l a t o s 100 m m á t m é r ő t ő l 150 m m á t m é r ő r e . A teljesen automata szelet m o z g a t ó és m e g m u n k á l ó rendszerek k i d o l g o z á s á v a l az á t m é r ő 200 mm-re n ő h e t . M á s v e t í t é s i e l j á r á s szükséges a nyolcvanas é v e k m á s o d i k felé ben az 1 M b i t és a kilencvenes é v e k v é g é r e a 64 M b i t m e m ó r i á k g y á r t á s á h o z . Ezek az e l j á r á s o k elektron, r ö n t g e n vagy ionsugarakat h a s z n á l n a k . Az ú j eljárások m i a t t megfelelő h u l l á m h o s s z ú s á g o k ra é r z é k e n y rezisztlakkokat és r e z i s z t t e c h n i k á k a t k e l l kidolgozni. T ö b b r é t e g ű rendszerekkel lehet j a v í t a n i a fel bontóképességet. Alkalmazni kell a száraz kémiai m a r á s t k ü l ö n ö s e n fontos az anizotrop és s z e l e k t í v tulajdonságú reaktív ion marás (RIE). Az adalékolt rétegek behatolási mélységének c s ö k k e n é s e m i a t t el k e l l k e r ü l n i a nem k í v á n t Híradástechnika,
XXXIX.
évfolyam,
1988. 6.
szám
a d a l é k - d i f f ú z i ó k a t és meg k e l l őrizni a speciális k r i s t á l y h i b a eloszlást, ennek ú t j a , h o g y : — alacsony h ő m é r s é k l e t e n , 900 °C a l a t t , végez zük a műveleteket, — vagy magas h ő m é r s é k l e t e n r ö v i d ideig h ő k e z e l ü n k (gyors hőkezelés). A t e r m i k u s o x i d á l á s t nagy n y o m á s o n (2—10 MPa) v é g e z z ü k . A szilíciumot k é m i a i l e v á l a s z t á s s a l kis n y o m á s o n á l l í t j u k elő a jobb e g y e n l e t e s s é g é r d e k é b e n , a h ő m é r s é k l e t c s ö k k e n t é s é h e z a ter mikus energia helyett m i k r o h u l l á m o k k a l vagy fotonokkal g y o r s í t j u k a k é m i a i folyamatot. Mindezek a t é n y e z ő k szükségessé teszik a tech nológiai e l ő í r á s o k pontos b e t a r t á s á t és a szeletek pormentes k e z e l é s é t . Ezek a g y á r t ó sorok hierar chikus s z á m í t ó g é p i r á n y í t á s s a l dolgoznak, az i n t e g r á l t g y á r t ó szakaszok ,,on-line" m é r é s e k e t tartalmaznak a gyártásközi minősítésre. Mindezekkel a közeli j ö v ő b e n lehetségessé v á l i k 10 a l k a t r é s z t t a r t a l m a z ó i n t e g r á l t á r a m k ö r ö k gyártása. T e r m é s z e t e s e n nem szabad figyelmen kívül hagyni a beruházási kérdéseket. A m i k r o e l e k t r o n i k a megfelelő é s g a z d a s á g o s m ű v e l é s e megfelelő fejlettségű i p a r i l e g a l á b b 100 milliós népességű nemzeti/vagy n e m z e t k ö z i gazda sági t e r ü l e t é n lehetséges, szükséges h o z z á a meg felelően nagy I C v á l a s z t é k k i a l a k í t á s á t b i z t o s í t ó fejlesztési b á z i s , és a s o k o l d a l ú felhasználói h á t t é r . M i v e l a fejlesztés szoros kapcsolatban v a n az anyagproblémákkal n é h á n y technológiai kérdés t á r g y a l á s á t az anyaggal foglalkozó rész t a r t a l m a z za. 7
1.2. III—V ban
vegyületfélvezetők
a
mikroelektroniká
A szfalerit r á c s ú I I I — V v e g y ü l e t f é l v e z e t ő k a k ö vetkezetes a n y a g k u t a t á s c s o d á l a t o s e r e d m é n y e i : teljesen h a s o n l ó s z e r k e z e t ű e k m i n t az elemi fél v e z e t ő k Si és Ge, de h a t á r o z o t t a n nagyobb az elektron m o z g é k o n y s á g u k m i n t ez u t ó b b i a k é (2. és 3. t á b l á z a t ) . 2. táblázat
A gyakorlatban fontos I I I — V félvezető néhány fontosabb paramétere (300 K fokra vonatkozó) Töltéshordozó Anyag
effektív tömeg
fin f*p [cmyVs]
m /m m /m
Sáv szélesség
mozgékon yság
n
0
p
vegyületek
0
Rács állandó
Eg [eV]
[pro]
GaAs
8 800
450 0,067
0,54
1,43
565,31
InP
4 600
150 0,075 0,24
1,27
586,88
[InSb Ga ,
100 000
4
12 000
3 2
3 000
1700 0,013
0,18
0,18
647,94]
300 0,04
0,4
0,8
575,45
1,9
565,81
1,12
543,1
As Al Ga As Si
88
1 350
480 1,1
0,59
245
3. láblázat
A
Si, GaAs és InP nagyfrekvenciás tulajdonságait befolyásoló néhány adat és minőségi jellemző [5], [10, 11, 12] Paraméter
Egység
Szaturációs drift sebesség «sat Letörési térerősség jPd
cm s
Si
GaAs
InP
2-10
2,5 - 1 0
_ 1
1-10
V cm"
2-105
3,5
12
11,5
11,7
1,5
0,5
0,7
1
Dielektromos állandó írel Hővezetöképesség W c m o -i
7
7
10
7
5
- 1
C
Jósági tényező Zj
V s
Jósági tényező z
W s
2
- 2
2 3
1,9 - 1 0
6. ábra. A kritikus távolság és az elektron drift sebesség összefüggése (4)
2 4
_ 1
°C-
K
3,2 - 1 0
1
Mozgékonyság szorzat í*n • j«p • e Maximális működési hőmérséklet °C
6,7-10'
3,2 -10'
8-10
2,5 • 1 0
5,3 - 1 0
9,1 - 1 0
250
4
420
3
7
320
Keyes-féle jósági tényező: £ =A(CV at/45re)V !
8
A legfontosabb a I I I — V félvezető anyagokban, hogy új m i n ő s é g ű h e t e r o á t m e n e t e k k é s z í t h e t ő k belőle, és m e g v a l ó s í t h a t ó a ballisztikus elektron transzport [4]. Ez u t ó b b i a l k a l m a z á s e m l í t é s e k o r h a l l g a t ó l a g o san f j l t é t e l e z t ü k , hogy 0,5 ^ m - n é l kisebb l a t e r á l i s m é r e t e k m e g v a l ó s í t h a t ó k , és hogy r ö v i d c s a t o r n á ban, s z ó r ó d á s mentes elektron transzport lehet séges. Ez m á s o d i k effektus s z i l í c i u m b a n technológiai lag m e g v a l ó s í t h a t a t l a n m e r t a s z ó r ó d á s m e n t e s elektron transzport t á v o l s á g a kisebb m i n t 0,05 /.ím szemben a I I I — V v e g y ü l e t e k r e é r v é n y e s e l ő b b e m l í t e t t é r t é k k e l (6. á b r a ) . A I I I — V félvezetők g y á r t á s i t e c h n o l ó g i á j a elvileg h a s o n l ó a Si-IC g y á r t á s i t e c h n o l ó g i á j á h o z , de v a n n é h á n y lényeges k o r l á t o z á s [ 5 ] . A kisebb ségi t ö l t é s h o r d o z ó k „ k e l l e m e t l e n " t u l a j d o n s á g a i ( l y u k m o z g é k o n y s á g , é l e t t a r t a m ) m i a t t bipoláris á r a m k ö r ö k nem k é s z í t h e t ő k . A I I I — V félvezető és szigetelő r é t e g e k h a t á r felületének t u l a j d o n s á g a i m i a t t egy sor nehézség van MOS t í p u s ú tranzisztorok készítésében, vagy a planár technológia általános alkalmazásában. A technológiai k u t a t á s n a k van néhány újabb biztató eredménye [8]. Plazmás, anódikus oxidá cióval m a x i m á l i s a n 10 n m vastag o x i d r é t e g n ö v e s z t h e t ő GaAs és I n P felületére. E z t k ö v e t ő e n v á k u u m gőzöléssel nagyon v é k o n y A l r é t e g e t visznek fel, a m i t 100—150 n m v a s t a g s á g ú r a o x i d á l nak a n ó d o s - p l a z m á s o x i d á c i ó v a l . Mindezen m ű 246
veleteket 150—180 °C h ő m é r s é k l e t e n végzik. Ezzel a m ó d s z e r r e l megfelelő V L S I á r a m k ö r ö k készít h e t ő e k . A GaAs alapanyag e l ő n y e , hogy a Cr a d a l é k o l á s s a l k o m p e n z á l t nagy t i s z t a s á g ú GaAs igen nagy ellenállású ( > 10 ohmcm); így V L S I á r a m k ö r ö k szigetelő h o r d o z ó j a k é n t is felhasznál ható. I n P alapanyaggal v a n n é h á n y p r o b l é m a az i n t r í n s i c ellenállás kicsi 10 ohmcm, és az ellen állás is i n h o m o g é n . Az a d a l é k o l á s t szinte k i z á r ó l a g i o n i m p l a n t á l á s sal v a l ó s í t j á k meg. A hőkezelést a megfelelő nagy s á g ú As n y o m á s mellett z á r t t é r b e n végzik. Lehet séges a hőkezelés S i 0 és S i N r é t e g e k k e l v é d e t t felületekkel is. A mikroelektronikai á r a m k ö r ö k t o v á b b f e j l ő d é sének az 1.1. részben leírt elvei i t t is érvényesek. 8
4
Johnson-féle jósági tényező:
K
0,5
0.Í
4
2
3
4
20
! 0
7. ábra. A statikus sebesség és a térerősség összefüggése (Nd= 1 0 c m , 300 K , Monte-Carlo módszerrel számítva (9) 1 7
- 3
Híradástechnika,
XXXIX.
évfolyam,
1988. 6. szám
4/a. táblázat Félvezető
n-GaAs
Rendszer vastagsága [nm]
Kontaktus anyaga
50/50
Pd/Ge
Ötvözési idő [min]
Hőmérséklet [°C] 500
Közeg
Félvezető adalékolás [cm ] -3
Vákuum
120
-raijagos kontaktus ellenállás [ficm- ]
Technológia
2
S
1.2.10 10" 1.5.10
3.10-4
3.102.5.HT 3.5.10-4
16
1.7.10-* 3.5.10-
18
5
8 n-GaAs
n-GaAs
125/47
Pd/Ge
100/100
m/Ge Ta/Ge
Megjegyzés:
500 550 600
20 20 20
N áram N áram N áram
1.1.10 1.1.10 1.1.10
500 500
20 20
N áram N„ áram
2.0.10 2.0.10"
2.0.103.5.10-4
Vákuum és/vagy gázáram
1.1.10"
3.10-
1.1.10"
5.10-4
2
2
2
2
550
5
650
5
16
,
1
18
3
16
17
S
3
5
s
Energiasűrűség értéke, hőkezelés és implantáció körülményei, adalókkoncentráció függőek 4/b. táblázat
Félvezető
n-GaAs
Rendszer vastagsága [nm]
Kontaktus anyaga
n-GaAs
AuGe/Ni/Au 120—170/ AuGe/Pt/Au 40/ AuGe/Ag/Au AuGe/Pt
50— 60 120/30
0,64 0,56 0,61 1,35 0,66
43 43 43 20 43
Q-kapcsolt rubin lézer =0,6943 fan
1,02
15 ns
impulzus
0,28 0,28
100 ns 100 ns
CW-Argon Lézer = 0,51 fim
300
AuGe
Hőkezelés impulzus hossza
2
AuGe/Ni/Au AuGe/In AuGe/Pt/Au 120—170 Au-Ge/Ti/Au 40/ AuGe/Ag/Au 50— 60
n-GaAs
Energia sűrűség [J/cm ]
Sugárzás
elektronsugár £7=10—12 keV0,32 E=20keV 0,3—0,5
cm/s cm/s cm/s cm/s cm/s
Félvezető adalékolás [cm ] -3
Fajlagos kontaktus ellenállás [fícm- ]
Technológia
2
4.8.10-6
1.3.10-6 1.5.10I.8.IO2.0.10-4
10"
p.a+)
5
5
3.10
7—5.10-
5
p.a+)
10"
2—9.10-
5
p.a+)
7.10"
4.10-'
16
4/c. táblázat .„ Felvezető
n-GaAs
Kontaktus anyaga AuGeNi
Hőkezelési módszer N hályha 2
800 °C 20 min CVD S i 0
2
védőréteg n-GaAs
Ti Pt Au
elektronsugár
Al
elektronsugár
Implantált ion
13
2
14
2
15
Fajlagos kontaktus ellenállás [ficm- ]
Technológia
!
7.10 cm40keV 1.10 cm- , 100 keV 20 °C
S=10—15 keV 10—15.10 cmí = 1 5 0 ns p=0,71 I / m
n-GaAs
Implantáció dózis, energia, hőmérséklet
Speciális körülmények
Si
5.10-'
i.i+)
-<6.10-'
2
Se
i.i — +
120 keV, 20 °C 2
S=12keV
5-10 cm15
<6
2
-10-
6
M> +
Se
í=80ns 50keV 350°C p=0,65—0,93/cm 2
p-InP
Au
Nd-YAG-
= 1,06 fim, í = 2 0 0 ns 7=0,5 I / c m =0,53 fim, <=300 ns = 0,694 fim, í = 5 0 ns
2
Nd-YAGrubin lézer Megjegyzés:
3 -10 cm15
0,5—2,2-10-4
2
Zn 30 keV, 20 °C
0,8—2,4-10=-10~
3
i.i+)
2
A leggyakrabban használt eljárás: ion implantációval a félvezető felületet erősen adalékolják, majd gyors hőkeze' lós következik. 1
Híradástechnika,
XXXIX.
évfolyam,
1988. 6. szám
247
P é l d á u l az önillesztő source és d r a i n k o n t a k t u s o k a l k a l m a z á s a segítségével t o v á b b csökkenthető a kapcsolási idő [8]. A közeljövőben várható o l y a n V L S I á r a m k ö r ö k m e g v a l ó s í t á s a , melyek i m p u l z u s ü z e m ű frekvenciája 100 G H z és a késlel t e t é s i i d ő / t e l j e s í t m é n y a r á n y a kisebb m i n t 1 f J . A GaAs m e l l e t t egyre é r d e k e s e b b é v á l i k az I n P , mert nagyobb a d r i f t sebessége, nagyobb t é r k a p c s o l h a t ó r á és ez egészében nagyobb t r a n z i t f r e k v e n c i á t jelent (7. á b r a ) [ 9 ] . A I I I — V félvezetők e l ő á l l í t á s a , I C célokra f ü g g e t l e n ü l a t t ó l , hogy k e t t ő s , h á r m a s v a g y n é g y e s v e g y ü l e t e k e t k í v á n u n k e l ő á l l í t a n i , legalkalmasabban az organometallikus k é m i a i le v á l a s z t á s s a l t ö r t é n i k (CVD). Ez az eljárás gazda s á g o s a b b és l e g a l á b b annyira pontos, m i n t molekula s u g á r é p i t a x i a vagy m á s P V D - e l j á r á s o k vagy a folyadékfázisú epitaxia ( L P E ) . ( E r r ő l a p r o b l é m á r ó l m é g lesz szó a 2. fejezetben a 2.1. pontban.) A I I I — V félvezető a l a p ú V H S I (nagysebességű, V e r y H i g h Speed I n t e g r a t e d Circuit) á r a m k ö r ö k m é r é s t e c h n i k a i p r o b l é m á t vetnek fel, s z ü k s é g v a n psec t a r t o m á n y b a n m ű k ö d ő m é r ő b e r e n d e z é s r e . A z o x i d r é t e g l e v á l a s z t á s a mellett a I I I — V f é l v e z e t ő k ö n az ohmos kontaktusok k i a l a k í t á s a is egy sor nehéz p r o b l é m á t jelent. T e k i n t s ü n k á t ezek k ö z ü l n é h á n y a t . A z ohmos k o n t a k t u s m i n ő s é g e k ü l ö n ö s e n fontos, k i v á l t k é p p a m e g b í z h a t ó s á g és a r e p r o d u k á l h a t ó s á g [25]. Az ohmos k o n t a k t u s o k a t megfelelő fémréteggel, vagy f é m ö t v ö z e t réteggel v a l ó s í t j á k meg diffúzió v a l , i o n i m p l a n t á c i ó v a l vagy félvezető e p i t a x i á v a l k i a l a k í t o t t erősen a d a l é k o l t felülethez. L e h e t s é g e s az ohmos k o n t a k t u s k i a l a k í t á s a t ö b b k o m p o n e n s ű fém-félvezető rendszereknek a f é m l e v á l a s z t á s s a l e g y i d e j ű hőkezelésével. A fém l e v á l a s z t á s a t e r m i k u s ú t o n , f i z i k a i gőzfázisból ( P V D ) vagy p o r l a s z t á s s a l t ö r t é n i k . A fém megfelelő a d a l é k a n y a g o t t a r t a l m a z A hőkezelés ellenállás fűtésű k á l y h á b a n vagy laser/elektron sugaras hőkezeléssel t ö r t é n h e t . A szükséges t u n n e l á t m e n e t a f é m és a félvezető k ö z ö t t ötvözéssel vagy színtereléssel a l a k í t h a t ó ki. A f é m és a félvezető h a t á r f e l ü l e t é n lezajló r e a k c i ó k a l a p v e t ő f o n t o s s á g ú n a k , minden ismert rendszerben jelentkeznek e z é r t i s m e r e t ü k fontos. H a t á s u k r a az eszköz elromlik. Ezek a felületi r e a k c i ó k egyrészt ú j v e g y ü l e t e k e t vagy fázisát a l a k u l á s t okoznak, a Pt/GaAs, P t / T i / G a A s , Pd/ /GaAs kontaktusrendszerekben P t G a P t A s (vé k o n y r é t e g e t alkot) T i A s , P t A s , P t G a stb. v e g y ü letek alakulnak k i .
5. táblázat
A Czochralski (CZ) és a zónásan növesztett (FZ) Si kristály jellemző tulajdonságai [5] Paraméter
CZ-kristály
Diszlokácíó szám
FZ-kristály
zéró
zero
Max. átmérő
150 (200)
100 (150)
Szokásos átmérő
100(150)
75 (100)
Ellenállás tartományok: n-típus 0,005—50 Í2cm p-tipus 0,005—50í2cm Adalék anyagok
B, P, As,Sb
Orientáció
[111], [110], [100]
B,P
Élettartam
10—50 fis
Oxigén tartalom
10"-—10"cm-
Szén tartalom
10«i—10 cm17
10—300 flcm 10—3000 Qcm
[111], [110] 50—1000 fis
3
10
3
10 cm-
16
16
cm-
3
3
M e g á l l a p í t h a t ó t o v á b b á , hogy az a d a l é k a n y a gok Se, Z u , Si, Be, Pe stb. k ü l ö n is k é p e z n e k v e g y ü leteket. Jelenleg a I I I — V . félvezetőhöz l é t e s í t e t t ohmos kontaktusok t u l a j d o n s á g a i r ó l csak kevéssé k i elégítő ismereteink vannak. Ahhoz, hogy ezt a k é r d é s t m e g n y u g t a t ó b b a n rendezni t u d j u k , m é g sokkal t ö b b k u t a t á s r a v a n szükség. A z 5. t á b l á z a t n é h á n y k o n t a k t u s készítési t e c h n o l ó g i a , a hozzá szükséges anyagok és az e l é r t kontaktus ellenállás adatait foglalja össze. 1.3.
Következtetések
M á s részről a kontaktus fém b e d i f f u n d á l az alapanyagban, ez a jellemző r e a k c i ó p l . A u e s e t é ben, m i k ö z b e n b i n á r i s v e g y ü l e t e k is k é p z ő d n e k . A r e a k c i ó e r e d m é n y e egy sor aranyat, g a l l i u m o t , i n d i u m s t , a r z é n t és foszfort t a r t a l m a z ó fázis. Minél ö s s z e t e t t e b b egy 1II-V v e g y ü l e t , a n n á l bonyolultabbak a felületi r e a k c i ó k . Összefoglalva m e g á l l a p í t h a t ó [25], hogy a k o n t a k t u s anyagok összetevői m i n t az A u , P t , A g , I n , M o , Ta, T i , P d r e a g á l n a k a félvezető felülettel és t ö b b é k e v é s b é b o n y o l u l t b i n á r i s v e g y ü l e t e k e t alkotnak a fél v e z e t ő felületközeli t a r t o m á n y a i b a n .
A g a z d a s á g o s s á g i szempontok azt sugallják, hogy egy azonos t e c h n o l ó g i á v a l a m a x i m á l i s t í p u s v a r i á ciót g y á r t s u k . Ez az ö t l e t ú g y v a l ó s í t h a t ó meg, hogy kidolgo zunk egy b á z i s t e c h n o l ó g i á t , amelyik bizonyos lépéseiben a megengedett h a t á r o k o n b e l ü l m ó d o s í t h a t ó . Ennek ellenére a m i k r o e l e k t r o n i k á t az jellemzi, hogy gyors e g y m á s u t á n b a n jelennek meg új b á z i s t e c h n o l ó g i á k , b á r b e v e z e t é s ü k nagyon k ö l t séges. A m i k r o e l e k t r o n i k a i t e c h n o l ó g i á k viharos fej lődésében k é t e g y m á s s a l e l l e n t é t e s i r á n y z a t figyel h e t ő meg: 1. A g y á r t ó h e l y e k magas b e r u h á z á s i költsége, n é h á n y s z o r 10 U S D , azt sugallja, hogy az adott t e c h n o l ó g i á t annyira h a s z n á l j u k k i , amennyire csak lehet. 2. Teljesen ú j g y á r t m á n y o k n á l igen gyakran olyan magas fokú az i n t e g r á l t á r a m k ö r ö k j a v u l á s a , hogy m i n é l r ö v i d e b b i d ő alatt be k e l l vezetni a gyártásba. Az e l l e n t m o n d á s feloldását az ú n . „felfelé kom p a t i b i l i s " t e c h n o l ó g i á k b a n t a l á l t á k meg. A „fel felé k o m p a t i b i l i s " t e c h n o l ó g i a olyan bázistech-
248
Híradástechnika,
2
2
8
XXXIX.
évfolyam,
1988. 6. szám
nológia, vagy t e c h n o l ó g i a i r é s z m ű v e l e t , amelyik b i z t o s í t j a , hogy az alacsonyabb fejlesztési fokon kidolgozott i n t e g r á l t á r a m k ö r ö k e t a fejlettebb t e c h n o l ó g i a i s z í n v o n a l o n u g y a n ú g y lehet g y á r t a n i [5]. 2. Alapanyagok 2.1. Szilícium-kristályok
és rétegek .
A m i k r o e l e k t r o n i k a t o v á b b i fejlődése mindenek e l ő t t az a l a p a n y a g t ó l függ. A szilícium a legfonto sabb alapanyaga a m i k r o e l e k t r o n i k á n a k , h a b á r az anyagi jellemzői k e v é s b é e l ő n y ö s e k m i n t a leg t ö b b I I I — V v e g y ü l e t félvezetőé. Nincsen m á s félvezető, amelynek ennyire j ó k a f i z i k a i , k é m i a i és t e c h n o l ó g i a i t u l a j d o n s á g a i , é s r e n d e l k e z é s ü n k r e is áll. M i n d e z e k é r t egyetlen félvezető anyagra sem dolgoztak k i i l y e n magas m ű s z a k i s z í n v o n a l ú é s gazdaságos technológiai eljárásokat. E l k é p z e l h e t e t l e n ü l nagy k u t a t á s i é s t e c h n o l ó g i a i erőfeszítések t e t t é k ezt a n a g y t i s z t a s á g ú h i b á t l a n anyagot, a s z i l í c i u m o t m i n d e n h a t ó v á és mindennek a mércéjévé. Ű j anyagok csak akkor j ö h e t n e k s z á m í t á s b a , ha ú g y t e c h n o l ó g i a i g a z d a s á g o s s á g i , mind alkalmazástechnikai előnyök együtt a jó e l l á t á s s a l ezt feltétlenül m e g k ö v e t e l i k . E z azt jelenti, hogy a szilíciumot m é g k i fogják h a s z n á l n i a m a x i m á l i s m é r t é k b e n , é s mindaddig, ameddig a Si el t u d j a l á t n i s z e r e p é t nem igen fogják h e l y e t t e s í t e n i m á s anyaggal, és m i n d e n k i azon fog dolgozni, hogy a Si a l e h e t ő l e g t ö b b feladatra alkalmas legyen. N e m szabad azt gondolni, hogy a Si t e r ü l e t é n olyan sok k u t a t á s t v é g e z t e k , ós m á r nincs m i t t e n n i , és a s z i l í c i u m o t m á r t ö k é l e t e s e n i s m e r j ü k . Minél jobban csökkennek a mikroelektronikában m é r e t e k , a n n á l t ö b b alapanyag p r o b l é m a kelet kezik. Ezek azok a p r o b l é m á k , a m i v e l jelen cik k ü n k foglalkozik. Szilícium
egykristály
A l a p j a i a S i - m i k r o e l e k t r o n i k á n a k , m e r t ezeket h a s z n á l j u k I C s z u b s z t r á t u m k é n t [5]. A Si e g y k r i s t á l y o k t i s z t a s á g a a p o l i k r i s t á l y o s anyag g y á r t á s t e c h n o l ó g i á j á n a k t i s z t a s á g á t ó l függ. A p o l i k r i s t á l y o s a n y a g b ó l n ö v e s z t j ü k az egy k r i s t á l y t , az a legfontosabb m ű v e l e t a k r i s t á l y k é m i a i és „ f i z i k a i " t i s z t a s á g á n a k j a v í t á s á b a n , igen j ó m i n ő s é g ű , erősen m e g n ö v e k e d e t t á t m é r ő j ű 60 k g s ú l y ú k r i s t á l y e l ő á l l í t á s á b a n (4. t á b l á z a t ) . A növesztés megbízhatósága és reprodukálha t ó s á g a az automatikus á t m é r ő - s z a b á l y o z á s t ó l függ, infravörös érzékelők vagy d i g i t á l i s k a m e r á k bizto s í t j á k az á l l a n d ó á t m é r ő t és s t a b i l i z á l j á k a n ö v e k e d é s i sebességet, é s s z a b á l y o z z á k a mag felnö v e k e d é s é t a végső á t m é r ő r e . A t e l j e s í t m é n y e l e k t r o n i k á h o z é s a CCD eszkö z ö k h ö z szükséges n a g y t i s z t a s á g ú anyagokat z ó n á s k r i s t á l y n ö v e s z t é s s e l á l l í t j á k elő ( F Z - k r i s t á l y o k ) . A s z a b á l y o z á s i p r o b l é m á k azonosak a CZ-technológiában jelentkezőkkel. A szilícium k r i s t á l y o k igen h o m o g é n P - a l a p ú a d a l é k o l á s á t neutron t r a n s z m u t á c i ó s a d a l é k o l á s s a l Híradástechnika,
XXXIX.
évfolyam,
1988. 6.
szám
o l d j á k meg. I g e n nagy erőfeszítéseket tesznek a tengely é s s u g á r i r á n y ú ellenállás v á l t o z á s o k csök kentésére. Keresztirányú mágneses t é r alkalmazá s á v a l c s ö k k e n n e k a n ö v e k e d é s i h i b á k , az o x i g é n t a r t a l o m 1 • 10 c m é r t é k r e c s ö k k e n , az ellen állás 380 Ohmcm, nem l é p n e k fel r é t e g é p ü l é s i h i b á k (stacking f a u l t ) , és a h ő k e z e l t szeletekben nem lesznek „ s w i r l " - h i b á k vagy e g y é b o x i g é n n e l kap csolatos h i b á k [13]. M ó d o s í t o t t á k a C Z - b e r e n d e z é sek t é g e l y é t is. Mechanikai t u l a j d o n s á g a i m i a t t az F Z k r i s t á l y o k n á l e l ő n y ö s az N a d a l é k o l á s [14]. A z o x i g é n a t m o s z f é r á b a n h ő k e z e l t szeletekben nagy a m i k r o h i b á k s ű r ű s é g e , ezek g e t t e r e z ő cent r u m o k k é n t m ű k ö d n e k . H a s o n l ó lokális g e t t e r e z ő h a t á s t é r h e t ü n k el, ha a szeletek h á t o l d a l á t nemes gáz ionokkal bombázzuk. Ilyen „hiba tervezéssel" (defect engineering) l e h e t ő v é v á l h a t h á r o m dimen ziós á r a m k ö r s t r u k t ú r á k k i a l a k í t á s a , ez t o v á b b növeli az i n t e g r á l á s i fokot, a l a t e r á l i s m é r e t e k egyidejű csökkenésével. A csökkenés eredménye k é n t 1 jxm a l a t t i s t r u k t ú r á k a l a k í t h a t ó k k i [7], A m i k r o e l e k t r o n i k á b a n jelenleg h a s z n á l t é s a j ö v ő b e n kifejlesztendő szilícium alapanyag leg főbb p r o b l é m á i a g e t t e r e z é s i k é r d é s e k (oxigén é s belső g e t t e r e z é s ) , és a m e g m u n k á l á s s o r á n kelet kező kristályhibák. Az érzékeny vizsgálati mód szerek egy sor nagyon é r d e k e s t u d o m á n y o s prob l é m á t hoztak felszinre a t u d o m á n y o s m ű s z e r f e j lesztés, k u t a t á s és g y á r t á s , az i n s i t u v i z s g á l a t o k a s z á m í t ó g é p e s v i z s g á l a t o k és az i n t e r p r e t á c i ó t e r ü l e t é n ( t o v á b b i i n f o r m á c i ó k [15]-ben t a l á l h a t ó k ) . A szeletek t a r t a l m a z h a t n a k A és B swirl- h i b á k a t , k r i s t á l y r á c s h i b á k a t k ü l ö n ö s e n intersticiális atomokat, k é m i a i s z e n n y e z ő d é s e k e t m i n t a C és az O. A k r i s t á l y b a n mechanikai feszültsé gek keletkeznek (4. t á b l á z a t ) [5]. A t e c h n o l ó g i á b a n szereplő magas h ő m é r s é k l e t ű hőkezelések ered m é n y e k é n t a k r i s t á l y t ö r e k s z i k a legkisebb szabad energiájú á l l a p o t elérésére. E f o l y a m a t s o r á n n é h á n y t i p i k u s hiba j ö n l é t r e p l . SiC p r e c i p i t á c i ó (szegregáció) egyes d i s z l o k á c i ó k és diszlokációs h u r k o k , r é t e g z ő d é s e i h i b á k , ezek k ü l ö n ö s e n epit a x i á n á l és o x i d á c i ó n á l gyakoriak. A t o v á b b i h i b á k k e l e t k e z é s é t elősegítik a t é r f o g a t i (swirl h i b á k , p r e c i p i t á c i ó k ) és felületi (mechanikai karcok, marószer m a r a d v á n y o k , orientálási hibák, ion i m p l a n t á c i ó s k á r o s o d á s ) h i b á k [5]. A diszlokáció k e l e t k e z é s é r e a nagyobb t i s z t a s á g a m i a t t az F Z - k r i s t á l y é r z é k e n y e b b m i n t a CZ-kristály. 17
- 3
Ezen h i b á k nagy é r z é k e n y s é g ű d i a g n o s z t i z á l á s a k é t o k b ó l nagyon fontos: 1. s ü r g ő s e n el k e l l végezni ezen h i b á k t u d o m á nyos v i z s g á l a t á t , hogy m e g i s m e r j ü k t e r m é s z e t ü k e t és e r e d e t ü k e t , 2. megismerve a h i b á k a t meg k e l l t a n u l n i , ho gyan lehet ő k e t c s ö k k e n t e n i vagy e l k e r ü l n i , é s hogyan lehet ezt a folyamatot vezérelni, mindezt az á r a m k ö r s t r u k t ú r a m é r e t é n e k k b . 1 ym csíkszélességre v a l ó c s ö k k e n t é s e mellett, az e g y é b „ s c a l i n g " faktorok figyelembe v é t e lével. A z irodalom [5] szerint elektromos v i z s g á l a t o k k a l , elektron m i k r o s z k ó p p a l , elektron és i o n spektrosz249
k ó p i á v a l a k ö v e t k e z ő legfontosabb k é r d é s e k e t k e l l m e g v i z s g á l n i : CZ-Si kristályban a homogénen eloszlott o x i g é n t (7-10 cm körüli érték), g e t t e r e z ő hatását, a lehetséges legkisebb s z é n t a r t a l m a t és t e r m é s z e t e s e n a Si teljes h i b a s z e r k e z e t é t . H a s o n l ó m ó d o n k e l l vizsgálni a szigetelő/félvezető, fém/félvezető, szigetelő/fém határfelületeken a felü l e t i á l l a p o t o k eloszlását, az á t m e n e t i r é t e g e k e t , a fázis-összetételt, a s u g á r k á r o s o d á s t , a szigetelő r é t e g e k b e n a ( S i 0 , S i N , Ta C>5, A 1 0 ) a h i b á k a t és a szigetelő t ö l t t é s é t a t ö l t é s h o r d o z ó transzportot a letörési t u l a j d o n s á g o k a t a s u g á r k á r o s o d á s t ; a gate elektróda anyagában ( p o l i k r i s t á l y o s Si) a s t r u k t ú r á t , az elektromos t u l a j d o n s á g o t ; a vezető pályák anyagában ( A l , szilicidek): a bediffúziót, fázis-összetételt, s t r u k t ú r á t é s az elektron m i g r á ciót. Ű g y véljük a k r i s t á l y o k elektromos t é r t ő l függő anizotrop t u l a j d o n s á g a i , melyeket n e m r é g fedeztek fel [16] is m e g v i z s g á l a n d ó k a mikroelektro n i k a i á r a m k ö r ö k r e gyakorolt h a t á s u k szempont j á ból. 17
2
3
4
- 3
2
2
3
növelésére. A z a u t o m a t i z á l h a t ó s á g és a g a z d a s á g o s ság j a v í t á s á r a n ö v e l i k az egyszerre m e g m u n k á l h a t ó szeletek s z á m á t és a szeletek á t m é r ő j é t , í g y csök kenteni lehet a Si f e l ü l e t r e v o n a tk o z ta to tt segéd anyag és energia f e l h a s z n á l á s t . A legígéretesebb eljárás a k i s n y o m á s ú C V D (a rendszer i n f r a v ö r ö s fűtésű, S i H , SiH.,Cl , H gázkveréket használ, n y o m á s a 10 . . . 1 0 P a ) . 4
2
2
2
4
Nagyon sok k u t a t ó m u n k á t f o r d í t o t t a k a zafírra és spinéire n ö v e s z t e t t Si e g y k r i s t á l y r é t e g tech n o l ó g i á j á n a k kifejlesztésére, ez a Si-heteroepitaxia.
Meg k e l l jegyezni, hogy a k r i s t á l y h i b á k n a k a helyi g e n e r á c i ó / r e k o m b i n á c i ó r a és a t ö l t é s h o r d o z ó m o z g á s r a gyakorolt h a t á s a , a k r i s t á l y h i b á k o n k i v á l ó fém-szennyeződéssel is kapcsolatos. A h o m o e p i t a x i á l i s szilícium r é t e g e k b e n a k r i s t á l y h i b á k k ö v e t k e z m é n y e , hogy c s ö k k e n a kisebbségi t ö l t é s h o r d o z ó é l e t t a r t a m ; a p—n á t m e n e t e k vissz á r a m k a r a k t e r i s z t i k á j a r o m l i k (soft-karakteriszt i k a ) a d i s z l o k á c i ó k , k i n ö v é s e k és r é t e g z ő d é s i h i b á k m i a t t kollektor-emitter á t ü t é s e k keletkeznek a b i p o l á r i s e s z k ö z ö k b e n ; a b i p o l á r i s tranzisztorok t e r ü l e t é n lévő r é t e g z ő d é s i h i b á k és diszlokációk m i a t t n ö v e k s z i k a zaj. J e l e n t ő s t e v é k e n y s é g e t fejtenek k i a C V D t e c h n o l ó g i a t e r m e l é k e n y s é g é n e k
H a b á r a zafír nem felel meg az epitaxia á l t a l á nos tapasztalat szerinti előfeltételeinek (a j ó epit a x i á h o z az? k e l l , hogy az alap és a r é t e g h a s o n l ó r á c s á l l a n d ó v a l rendelkezzen, h a s o n l ó legyen a s z i m m e t r i á j a , o r i e n t á c i ó j a a k ö t é s i r á n y a és ereje) mégis egy sor k u t a t ó j ó e r e d m é n y e k r ő l s z á m o l t be. Jogosnak l á t s z i k az a feltételezés, hogy a szilícium és a zafír k ö z ö t t i k ö t é s t e t r a é d e r e s e n rendezett oxigén atomok k ö z v e t í t é s é v e l v a l ó s u l meg. A Si és az <x-Al 0 k ö z ö t t i gyenge r e a k c i ó e r e d m é n y e k é n t a felület m e g m a r ó d i k és szabad k ö t é s e k keletkeznek, o x i g é n n y o m o k m i n d i g vannak a zafír felületén. Ez a r e a k c i ó olyan m é r t é k b e n t ö r t é n i k , hogy egyes (Si0 ) és (A10 ) t e t r a é d e r e k kelet keznek h i b á s , nem k í v á n t , k ö z t e s r é t e g k i a l a k u l á s a nélkül. A z O—O k ö t é s ezekben a t e t r a é d e r e k b e n és az A 1 0 c e l l á k b a n k ö z e l azonos h o s s z ú s á g ú . Ezen t e t r a é d e r e k speciális t u l a j d o n s á g a , hogy m i n t teljes egységek v é g e z n e k rotációs mozgáso k a t , egyes atomok/ionok pedig elmozdulhatnak, t e h á t v á l t o z t a t h a t ó a k a szögek és a k ö t é s i hosszak. A kationok, A l és Si, e g y m á s t h e l y e t t e s í t h e t i k . A n é h á n y t i z e d n m vastag k ö z t e s r é t e g b e n lévő t e t r a é d e r e k ö s s z e k a p c s o l ó d n a k a s z i l í c i u m b a n lévő t e t r a é d e t e k k e l (SiSi ) a t e t r a é d e r k ö z p o n t i magja ú t j á n , a bázis-cella o x i g é n a t o m j a i ú t j á n pedig a zafír elemi c e l l á i v a l és í g y j u t u n k az e p i t a x i á l i s n ö v e k e d é s h e z [20]. A fenti m ó d o n a l a k u l az atomok /ionok t a r t ó z k o d á s i valószínűsége az egyes rács pontokban, és ez megadja azt a t e t r a é d e r orien t á c i ó t ami n é h á n y r á c s t á v o l s á g o n belül b i z t o s í t j a a k é t r é t e g ö s s z e k a p c s o l ó d á s á t . A z í g y létrejövő t ö k é l e t e s h e t e r o e p i t a x i á l i s Si-zafír rendszerek (SOS) f e l h a s z n á l á s á v a l sok helyen g y á r t a n a k V L S I á r a m k ö r ö k e t speciális célokra. A zafír .előállítása és feldolgozása d r á g a ( m ó d o s í t o t t Czochralsky m ó d szer vagy s z a l a g h ú z á s ) . A klasszikus e p i t a x i á l i s eljárás (amikor a h o r d o z ó a t o m i k ö l c s ö n h a t á s o k ú t j á n h a t á r o z z a meg a r é t e g o r i e n t á c i ó j á t ) , egy sor olyan m ó d s z e r t k u t a t n a k , amely a k r i s t á l y o r i e n t á c i ó j á t nem az a t o m i k ö l c s ö n h a t á s o k ú t j á n h a t á r o z z a meg. A legfontosabb i l y e n eljárások a grafoepitaxia és a LESS (lateriális epitaxia mag k ö r ü l i ú j r a s z i l á r d u l á s s a l ) . A z első e l j á r á s b a n az o r i e n t á c i ó t a s z u b s z t r á t b a n lévő kristallográfiai tisztaságú síkokkal határolt árkok hálózata hatá rozza meg. A z á r k o k a t m i k r o l i t o g r á f i a i módszerek k e l a l a k í t j á k k i amorf szigetelő r é t e g e k b ő l , m i n t p é l d á u l Si szeleteken lévő S i 0 r é t e g b ő l vagy kvarc ü v e g b ő l . A grafoepitaxia s o r á n a félvezetőt amorf alakban v á l a s z t j u k le, és a z t á n i r á n y í t o t t a n ú j r a k r i s t á l y o s í t j u k v a l a m i l y e n gyors hőkezelési m ó d szerrel (lézer, e l e k t r o n s u g á r , grafit-szalagos k á l y h a ) .
250
Híradástechnika,
2
Szilícium
egykristályos
rétegek
A l a p v e t ő j e l e n t ő s é g ű t e c h n o l ó g i a i lépés szilícium e g y k r i s t á l y r é t e g e k l e v á l a s z t á s a szilícium vagy szigetelőjhordozóra. Teljesen f ü g g e t l e n ü l a t t ó l , hogy e g y k r i s t á l y o s (epitaxiális) vagy p o l i k r i s t á l y o s r é t e get v á l a s z t u n k le, ennek l e g á l t a l á n o s a b b a n hasz n á l t m ó d j a a k é m i a i gőzfázisú l e v á l a s z t á s (CVD) [19]. A szilícium t e c h n o l ó g i á n b e l ü l az e p i t a x i á l i s szilícium r é t e g az alapja a bipoláris á r a m k ö r ö k n e k , de ú j a b b a n egyre elterjedtebben h a s z n á l j á k u n i p o l á r i s e s z k ö z ö k b e n is. A z u t ó b b i esetben az e p i t a x i á l i s r é t e g n e k azt a t u l a j d o n s á g á t h a s z n á l j á k k i , hogy k é m i a i l a g és fizikailag igen t ö k é l e t e s és a fajlagos e l l e n á l l á s a a k á r 1000 o h m c m is lehet [17], [18]. A szilícium h o r d o z ó r a n ö v e s z t e t t szilícium r é t e get homoepitaxiának n e v e z z ü k . A Si homoepitaxiá r a v o n a t k o z ó k u t a t á s o k fő i r á n y a i a k ö v e t k e z ő k : a l e v á l a s z t o t t r é t e g h o m o g e n i t á s a , v é k o n y Si r é t e g e k l e v á l a s z t á s a , megadott adalékeloszlású r é t e g k i a l a k í t á s a , az a d a l é k o l á s automatikus vezér lése, az a d a l é k atomok b e é p ü l é s é n e k d i n a m i k á j a , a réteg fizikai és kémiai tisztaságának javítása (szennyeződések a v i v ő g á z b ó l , k ü l ö n b ö z ő t í p u s ú r é t e g z ő d é s i h i b á k , p o n t h i b á k , diszlokációk) ez u t ó b b i k u t a t á s i t e r ü l e t igen h a s o n l ó az alapkris tály kutatásához.
3
4
2
4
3
4
2
XXXIX.
évfolyam,
1988. 6. szám
A r e k r i s z t a l l i z á c i ó legígéretesebb m ó d j a a v i l l a n ó f é n y e s ú j r a k r i s t á l y o s í t á s (összefoglalása és spe ciális irodalma [5] és [21]-ben t a l á l h a t ó ) . A L E S S - e l j á r á s o l v a d é k b ó l t ö r t é n ő visszanön ö v e s z t é s , h a s o n l ó a z ó n á s k r i s t á l y h ú z á s h o z . A SiO r é t e g g e l b o r í t o t t szilícium szeleten p o l i k r i s t á l y o s Si r é t e g van, amely egy p o n t j á b a n é r i n t k e z i k az alapkristállyal. Ez vagy a h a s o n l ó m ó d s z e r e k a kilencvenes évek technológiai k u t a t á s i programjába tartoznak. Mindezek ellenére a szilícium nem u n i v e r z á l i s anyag, fény e m i t t á l ó és lézer d i ó d á k p é l d á u l nem k é s z í t h e t ő e k belőle. E z é r t k e l l t á r g y a l n i a I I I — V -félvezetőket is ahogy azt m á r t e t t ü k a t e c h n o l ó g i a i p r o b l é m á k e s e t é b e n (1.2. pont).
negyedakkora elektromos t é r r e l v a l ó s í t h a t ó meg m i n t s z i l í c i u m b a n (lásd 1.1. p o n t u t o l s ó sorai.). Mindez a kis effektív e l e k t r o n t ö m e g k ö v e t k e z ménye.
a
2.2. III—V
vegyület félvezetők,
kristályok
és rétegek
A GaAs, I n P , GaAlAs, G a l n A s és a n é g y e s szilárd oldatok m i n t p é l d á u l a G a l n A s P a V L S I mikro elektronikai a l k a l m a z á s o k r a szolgáló anyagkuta t á s o k k ö z p o n t j á b a n vannak (2. t á b l á z a t , 6.7. á b r a ) . A s z i l í c i u m b a n az elektronok m o z g é k o n y s á g a alig v a l a m i v e l t ö b b m i n t 1000 c m / V sec, addig a GaAs-ben s z o b a h ő m é r s é k l e t e n 8000—9000 c m / V sec, ha 77 ° K i l l e t v e 4,3 ° K - r a h ű t j ü k le, ez 50— 300 000, illetve 10 c m / V sec é r t é k r e növekszik. H a s o n l ó m o z g é k o n y s á g n ö v e k e d é s k ö v e t k e z i k be, ha v é k o n y r é t e g e k e t a l a k í t a n a k k i vagy a csatorna e x t r é m r ö v i d . A GaAs és I n P és a t ö b b i I I I — - V f é l v e z e t ő k b e n a s z a t u r á c i ó s elektrontranszport 2
2
6
2
///—V
vegyület f élvezető
kristályok
A I I I — V félvezető k r i s t á l y o k n ö v e s z t é s é b e n a leg nagyobb p r o b l é m á t a komponensek e l t é r ő gőz n y o m á s a okozza. A z ú g y n e v e z e t t L E C - m ó d s z e r (8. á b r a ) m ó d o s í t o t t és m o d e r n i z á l t v á l t o z a t a [22] egyesíti a v e g y ü let-szintézisét a k r i s t á l y h ú z á s s a l [23]. A L E C - m ó d s z e r t GaAs és I n P n ö v e s z t é s é r e h a s z n á l j á k . A z I n P k r i s t á l y n ö v e s z t é s e k o r poli k r i s t á l y o s a n y a g b ó l k e l l k i i n d u l n i . A z iparilag n ö v e s z t e t t k r i s t á l y o k á t m é r ő j e 75 m m , a k r i s t á l y o k t ö m e g e 3—5 k g . A p r o b l é m a a viszonylag magas diszlokáció s ű r ű s é g , a diszlokáció k i v á l t ó feszültség h a t á r é r t é k e csak tizede a szilíciumra v o n a t k o z ó é r t é k n e k . Az é r t é k e k a k r i s t á l y á t m é r ő t ő l függnek. Ezzel az e l j á r á s s a l félig-szigetelő GaAs és I n P k r i s t á l y o k a t n ö v e s z t e n e k , a GaAs t i p i k u s fajlagos ellenállása 10'—10 Ohmcm, k o m p e n z á l ó a d a l é k nélkül. A z Fe a d a l é k o l t I n P fajlagos e l l e n á l l á s a h a s o n l ó a GaAs-hoz. A L E C k r i s t á l y h ú z á s j a v í t á s a tökéletesebb kristály előállítását eredményezi, a diszlokáció s ű r ű s é g 100 c m ~ vagy kevesebb 75 m m á t m é r ő j ű k r i s t á l y b a n . 8
2
dttFÖetd. oLuaddkt (Ga-Ás)
As gtcnuMmm
l
"1 i !
r i I
r
r-7.
HXJ-li
8. ábra.
A L E C (olvadókvédelelemmel v é g z e t t Czochralski) technológia vázlata, GaAs növesztésére, a) állapot, b) a GaAs olvadáspontjánál (1238 °C) magasabb hőmérsékletnek megfelelő állapot
Híradástechnika,
XXXIX.
évfolyam,
1988. 6.
szám
kiindulási
251
M i n t azt a jelen c i k k t e c h n o l ó g i a i r é s z é b e n m á r i s m e r t e t t ü k , ezek a k r i s t á l y o k a I I I — V v e g y ü l e t félvezető I C - k és eszközök alapanyagai. Í 7 7 — V vegyület
rétegek
t ö l t é s h o r d o z ó csomagok e g y ü t t t a r t h a t ó k és n ö v e l h e t ő a s ű r ű s é g ü k is. A heteroátmenetek legérdekesebb tulajdonsága a h a t á r f e l ü l e t e k e n a sávszélek alakja. H a az á t m e net igen v é k o n y , n é h á n y n m , akkor egy t ü s k e keletkezik. Ezek a t ü s k é k igen nagy elektron m o z g é k o n y s á g o t e r e d m é n y e z n e k az elektron k é t d i m e n z i ó s e l e k t r o n g á z h o z h a s o n l ó a n viselkedik a potenciál völgyben. Technológiai t r ü k k e l a donorokat a v e z e t ő csatorna mellett helyezik el. A z intrinsic GaAs c s a t o r n á b a a h o r d o z ó k a t nagy s á v szélességű (AlGaAs E g = l , 6 eV) a n y a g b ó l j u t t a t j á k be. A z alacsony térerősséghez t a r t o z ó elektron moz g é k o n y s á g a ebben a h a t e r e o á t m e n e t b e n , a H a l l m é r é s e k szerint, 300 ° K h ő m é r s é k l e t e n 10 000 cm /Vsec és 77 K h ő m é r s é k l e t e n 60 000 cm /Vsec, ha az AlGaAs r é t e g v a s t a g s á g á t és a csatorna h o s s z ú s á g á t n é h á n y nm-re c s ö k k e n t j ü k és az elektron r é t e g k o n c e n t r á c i ó j a 5,5-10 c m . I n f o r m á c i ó n k szerint m á s h a s o n l ó h e t e r o g é n á t menetekben 4,3 K h ő m é r s é k l e t e n 300 000 és közel 10 cm /Vsec m o z g é k o n y s á g o t észleltek. Ehhez h á r m a s és n é g y e s v e g y ü l e t e k e t h a s z n á l t a k a v é k o n y h e t e r o á t m e n e t e k e t a d a l é k o l t és intrinsic r é t e g e k b ő l é p í t e t t é k fel. Napjainkban és a j ö v ő b e n n e m okoz gondot az eszközök 77 K h ő m é r s é k l e t r e h ű t é s e , ez csepp folyós n i t r o g é n n e l m e g o l d h a t ó . . A ballisztikus elektron transzport lehetőségeit k i h a s z n á l v a — erre a t e c h n o l ó g i a i lehetőségek adottak — l e h e t ő v é v á l i k kvantummechanikai á r a m k ö r ö k és eszközök készítése. Minden t u d á sunkat l a t b a vetve I I I — V v e g y ü l e t félvezetőkkel lehetséges 10 darab 1 ps késleltetési idejű k a p u t t a r t a l m a z ó V H S I á r a m k ö r készítése. E z a fejlesztés a super sebességű s z á m í t ó g é p e k hez szükséges ahol a késleltetési i d ő az egyidejű s z á m í t á s o k h o z csak a psec t ö r t r é s z e lehet kapun k é n t . Biztosak vagyunk abban, hogy a k ö v e t k e z ő 5—7 é v b e n i l y e n eszközök g y á r t á s b a n lesznek.
A I I I — V v é k o n y r é t e g e k k é s z í t é s é n e k k é t szem p o n t b ó l v a n jelentősége, először, hogy lehetősig van o l y a n h á r m a s vagy n é g y e s v e g y ü l e t e k előállí t á s á r a , melyek az e l ő b b e m l í t e t t k r i s t á l y n ö v e s z t é s i t e c h n o l ó g i á v a l e g y k r i s t á l y f o r m á b a n nem állít h a t ó k elő, m á s r é s z t h e t e r o á t m e n e t e k e l ő á l l í t á s á r a ez az egyetlen m ó d s z e r . A fenti k é t szempont e g y m á s s a l igen szoros kap csolatban v a n . A m i s z e m p o n t u n k b ó l e g y e d ü l az u t ó b b i é r d e k e s . A z összes lehetséges e l j á r á s k ö z ü l a fémorganikus kémiai leválasztás (OM—CVD) és a m o l e k u l a s u g á r e p i t a x i a ( M B E ) a legjelentő sebbek. A z u t ó b b i e l j á r á s t z ö m é b e n a k u t a t á s b a n h a s z n á l j á k , m e r t d r á g a ugyan, de c s o d á l a t o s i n s i t u analízist tesz l e h e t ő v é (SIMS, A E S , L E E D , R H E E D stb.), alacsony h ő m é r s é k l e t e n m ű k ö d i k és igen pontos. A z O M — C V D h a s o n l ó a n a Si t e c h n o l ó g i á ban h a s z n á l t C V D - b e r e n d e z é s e k h e z a g y á r t á s b a n h a s z n á l a t o s , pontos t e c h n o l ó g i a és sok mindennel kompatibilis. A s z u b s z t r á t a reaktor magas h ő m é r s é k l e t ű h e l y é n van, és a reaktor falai h ű t ö t t e k . A r é t e g n ö v e k e d é s ós a v e g y ü l e t szintézis csak a magas h ő m é r s é k l e t ű helyeken t ö r t é n i k . Az O M — C V D - m ó d s z e r t o v á b b i e l ő n y e , hogy a gázfázis összetétele és a k r i s t á l y összetétele k ö z ö t t e g y é r t e l m ű összefüggés v a n . Az a d a l é k o l á s „ e g y s z e r ű " , az a d a l é k a n y a g o k a r é t e g l e v á l a s z t á s h o z szükséges anyagokhoz h a s o n l ó v e g y ü l e t e k a l a k j á b a n á l l n a k rendelke zésre. Az O M — C V D j ó alap a t ö m e g g y á r t o t t I I I — V vegyület-félvezető a l a p ú i n t e g r á l t á r a m k ö r ö k és eszközök fejlesztéséhez. A pontos „ n a n o m é t e r " I I I — V m i k r o e l e k t r o n i k á hoz f e l t é t l e n ü l szükséges az M B E - e l j á r á s . Ezzel k ö z e l ideális k r i s t á l y n ö v e s z t h e t ő . A I I I — V félvezetők a z é r t alkalmasak r é t e g rendszerek készítésére m e r t a r á c s á l l a n d ó j u k h a s o n l ó és v á l t o z t a t h a t ó az összetétellel, t i l t o t t s á v j u k széles, és a h ő t á g u l á s i e g y ü t t h a t ó j u k egy forma. A GaAs egészen 350 °C ü z e m i h ő m é r s é k l e t i g h a s z n á l h a t ó , ez közel kétszerese a Si m a x i m á l i s üzemi hőmérsékletének. A félvezető k u t a t á s e l r a g a d ó e r e d m é n y e v o l t az Esaki á l t a l kidolgozott s z u p e r - r á c s . Ebben n é h á n y a t o m r é t e g n y i félvezető r é t e g e k v á l t o g a t j á k e g y m á s t . E l ő á l l í t á s u k r a az M B E eljárás adott lehetőséget. Ezzel ú j m i n ő s é g ű h e t e r o á t m e n e t szüle tett. Az ilyen típusú heteroátmenetekben hasonló vagy azonos r á c s p a r a m é t e r e k k e l r e n d e l k e z ő (ez t e c h n o l ó g i a i s z e m p o n t b ó l fontos) de k ü l ö n b ö z ő t i l t o t t s á v szélességű r é t e g e k v á l t o g a t j á k e g y m á s t , ennek k ö v e t k e z t é b e n nem folyamatos a dielektromos á l l a n d ó a t ö l t é s h o r d o z ó k p o t e n c i á l g ó t a k o n k e r e s z t ü l mozognak [4], [18], [24]. A V H S I é s m i k r o h u l l á m ú eszközök szempont j á b ó l fontos, hogy a p o t e n c i á l g á t a k a k ü l ö n b ö z ő t ö l t é s h o r d o z ó k r a k ü l ö n b ö z ő m a g a s s á g ú a k . Ez a k ü l ö n b ö z ő t i l t o t t s á v szélességekből és k ü l ö n b ö z ő affinitásokból k ö v e t k e z i k . I l y e n m ó d o n i n j e k t á l t
— A szerves anyagok a m i k r o e l e k t r o n i k á b a n nem csak m i n t t o k o z ó és h o r d o z ó anyagok szere pelnek, hanem ú j s z e r e p k ö r b e n és minőségben m i n t v e z e t ő , félvezető és ellenállás rétegek is
252
Híradástechnika,
2
2
11
6
- 2
2
5
3. Kitekintés A k i t e k i n t é s nem n é l k ü l ö z h e t i az a l a p v e t ő meg állapítások ismétlését: — A k ö v e t k e z ő é v s z á z a d i g és t o v á b b a jövőben is a szilícium lesz a v e z e t ő félvezető anyag. E z azt jelenti, hogy t o v á b b i k u t a t á s o k a t foly t a t n a k az elem s ű r ű s é g növelésére, a nagyobb b o n y o l u l t s á g ú f u n k c i ó k kidolgozására, az esz k ö z ö k m e g b í z h a t ó s á g á n a k növelésére, és az egyes t e c h n o l ó g i a i m ű v e l e t e k r e p r o d u k á l h a t ó ságának javítására. — A z optoelektronikai és m i k r o h u l l á m ú alkal m a z á s o k mellett a I I I — V félvezetőket foko z o t t a n fogják alkalmazni V H S I á r a m k ö r ö k b e n . A n ö v e k e d é s sebessége függ a mikroelektronikai g y á r t á s g a z d a s á g i n ö v e k e d é s é t ő l és a n ö v e k v ő alkalmazási területekről.
XXXIX.
évfolyam,
1988. 6. szám
a l k a l m a z á s t nyernek. Meglehet hogy egy napon polimer r é t e g e k b ő l I C vagy t e l j e s í t m é n y elekt ronika g y á r t h a t ó . — A laterális s t r u k t ú r á k a mikroelektronikában az é v t i z e d v é g é r e á l t a l á n o s a n 1 /an alatt lesz nek, a ,,scaling-down" minden k ö v e t k e z m é nyével. A t e c h n o l ó g i a , b o n y o l u l t s á g a m i a t t , viszont egyre d r á g á b b lesz, a g y á r t m á n y o k csak akkor lesznek p i a c k é p e s e k , ha v é g t e r m é k e k b e n jelen nek meg m i n t egy c h i p - b ő l álló komplex funk ciót e l l á t ó ö n á l l ó egységek, vagy egy nagy információs rendszer elemei. A z a l k a l m a z á s i t e r ü l e t e k : s z á m í t ó g é p e k , robo t o k , m i n d e n f é l e gépek, teljesen automata g y á r t ó sorok, r e p ü l ő g é p e k , h a j ó k , a u t ó k , forgalom i r á n y í t á s k ö z ú t o n , sínen, vízen, levegőben és az ű r b e n , o t t h o n i h a s z n á l a t i b e r e n d e z é s e k , k u t a t ó - f e j l e s z t ő é s m é r ő b e r e n d e z é s e k stb. — T o v á b b i a k b a n t e k i n t s ü n k messzebre, ahol a V H S I I I I — V k r i o m i k r o e l e k t r o n i k a van, az ú j t í p u s ú e l e k t r o n i k á r a [26]. — p é l d á u l az elektronikailag h a s z n á l t G u n n effektus, ahol egy elemet h a s z n á l n a k egy funkció m e g v a l ó s í t á s á r a , szemben a hagyo m á n y o s IC-vel, ahol erre t ö b b elem k e l l , ezekben az e s z k ö z ö k b e n , amennyire m a t u d j u k p r o b l é m á t jelent a késleltetési idő/vesz teségi t e l j e s t í m é n y szorzat. — A jól ismert kryoelektronikus Josephson effektus a l a g ú t d i ó d á b ó l k i i n d u l v a alkal mazhatunk kvantum-mechanikai szuprave z e t ő interferencia e s z k ö z ö k e t . L o g i k a i kapu á r a m k ö r ö k , m e m ó r i á k és s z á m í t ó g é p egy ségek a m a i m i k r o e l e k t r o n i k a t e c h n o l ó g i a i b á z i s á n e l k é s z í t h e t ő k , b á r a Josephson á r a m k ö r ö k m ű k ö d é s é h e z cseppfolyós h é l i u m r a v a n s z ü k s g é . Meg k e l l jegyezni, hogy ez el é r h e t ő 0,01 ns k é s l e l t e t é s i i d ő k a fejlett I I I — V félvezetőkkel olcsóbban elérhetők. B i z o n y t a l a n , hogy b e k e r ü l n e k - e a m i k r o elektronika e s z k ö z t á r á b a , jelenleg nem l á t szik, hogy lenne reális e l ő n y ü k . V a l ó b a n ú j ö t l e t az o p t i k a i és biológiai rendszer. I l y e n rendszerekkel messzire t á v o l o d t u n k az elekt r o n i k á t ó l de m á s informatikai és jelfeldolgozási elveket alkalmazunk. A z i l y e n o p t i k a i rendszerek j e l t o v á b b í t á s r a f é n y t h a s z n á l n a k . A nem lineáris o p t i k a i effektusok l e h e t ő s é g e t adnak arra, hogy egy o p t i k a i k ö z e g e t p l . InSb-ot vagy egy szuper-rácsot, egy lézer s u g á r r a l a k ö v e t k e z ő lézerim pulzus s z á m á r a á t h a t o l h a t a t l a n n á t e g y ü n k . I l y e n k a p c s o l ó k k a l d i g i t á l i s jelfeldolgozás lehetséges. A m á s i k lehetőség egy lézer f é n y i n t e n z i t á s á n a k befolyásolása egy m á s i k lézer segítségével ezzel optikai tranzisztor v a l ó s í t h a t ó meg.
Híradástechnika,
XXXIX.
évfolyam,
1988. 6.
szám
Biztosak v a g y u n k abban, hogy ezek az elvek nem k e r ü l n e k ö n á l l ó a n a l k a l m a z á s r a , hanem csak b e á g y a z v a m i k r o e l e k t r o n i k a i és optoelektronikai rendszerekbe, esetlegesen egychipes m e g o l d á s b a n . Jelenlegi é r d e k l ő d é s ü n k t ő l messze á l l a biológiai elvek f e l h a s z n á l á s a az i n f o r m á c i ó feldolgozásban. E n n e k ellenére é r d e k e s lehet a k é m i a i és biológiai f o l y a m a t o k k a l élő szervezetekben t ö r t é n ő infor m á c i ó feldolgozás t i t k a i n a k megfejtése, í g y sokat t a n u l h a t u n k a szervezési e l v e k b ő l . IRODALOM [1] Junghans, B., Schneider, H. G.: Messen, Steuern, Regein (msr^ 27 (3), 98 (1984). [2] Electronics 53 (1980) 9, a s z á m összes m u n k a t á r s a és m a g á n információk. [3] Dreseher, K.: Thesis ( B ) , Technicshe Hochschule Karl-Marx-Stadt, 1981. [4] Beneking, H.: Phys. B l . 38 (6) 146 (1982). [6] Eckhart, D., Hadamovsky, H. F., Junqans, B., Schneider, ff. G.: Mikroelektronik —- Stand und Entwicklung (2 nd Edition) (Volume of the Microelectronic-Series edited by H . G . Schneider) Berlin 1984. [6] Suqano, T.: Personal information and Spectrum 16 (1), 22 (1985). [7] Enderlein, R.: Wissenchaft und Fortschritt 34 34(12), 316(1984). [8] Nuzillat, G., et al.: I S S C T R C 1981 P r o c , p. 65. [9] Wider, ff. ff.: J . Vac. Sci. Technol. 18 (3). 827 (1981). [10] Pettenpaul, E.: Inst. P h y s . Conf. Soc. No. 53, 21 (1981). [11] Kurzinqer, W.: Nachrichten — Elektronik 11, 362 (1979). [12] Tschulena, G.: Nachrichten — Elektronik 2, 45 (1978). [13] Suzuki, T.: Semiconductor Silicon, The Electrochem. S o c , Princeton, N J . 1981, p. 90. [14] Taruri, T., Takeishi, T.: like[13], p. 6. [15] Brümmer, 0., Heydenreich, J'., Krebs, K. ff., Schneider, H.-G. ( E d s . ) : Festkörperanalyse, Berlin, 1980. [16] N. N.: Spectrum 16 (4) V (1985). [17] Herring, R. B.: Solid State Technology 22. 11 (1979). [18] Schneider, ff. G., Ickert, L . , Richter, F.: et a l . : Halbleiterepitaxie. Leipzig, 1984. [19] Arnold, ff.: Chemische Dampfablagerung ^~ CVD-Grundlagen für die Mikroelektronik (Volume of the Micröelectronic-Series edited by H . - G . Schneider) Verlin, 1982. [20] Schneider, H.-G., Karge, ff., Weber, B.: Physica status solidi (a) 77, 201 (1983). [21] Ickert, L . , Schneider, H.-G.: Wachstum einkristallinerSchiten. Leipzig, 1983. [22] Metz, E: P. A., Miller, R. C, Mazelsky, R.: J . Phys. Chem.Solids 26, 782(1965). [23] Augoin, T. R., Wade, M. 3'., Rons. R. L . , Sacage, R. O. .- Solid State Technology 1, 79 (1979). [24] Ünger, K., Schneider, H. G., et a l . : Verbindungshalbleitzer, Leipzig* 1985. [25] Piotrowska, A., Guivarch, A., Pelous, G.: Solid State Electronics 26 179, (1981). [26] Enderlein, R.: Wissenschaft und Fortschritt 35 (2), 49(1985).
253
