Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ “ЛЬВІВСЬКА ПОЛІТЕХНІКА”

УДК 621.3.049.77:537.533.2

АВТОЕМІСІЙНІ МІКРОКАТОДИ З ЕЛЕМЕНТАМИ КЕРУВАННЯ НА СТРУКТУРАХ «КРЕМНІЙ-НА-ІЗОЛЯТОРІ»

05.27.01 - твердотільна електроніка

А в т о р е ф е р а т дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

ГОЛОТА Віктор Іванович

Львів 2009

Дисертацією є рукопис

Робота виконана на кафедрі радіофізики і електроніки Прикарпатського національного університету імені Василя Стефаника Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник: кандидат технічних наук, доцент Когут Ігор Тимофійович, Прикарпатський національний університет імені Василя Стефаника, кафедра радіофізики і електроніки.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, с.н.с. Вербицький Володимир Григорович, “Науково-дослідний інститут мікроприладів” НТК “Інститут монокристалів” НАНУ, директор інституту;

доктор фізико-математичних наук, професор Микитюк Зіновій Матвійович, Національний університет “Львівська політехніка”, кафедра електронних приладів.

Захист відбудеться “29” квітня 2009 р. о 14:30 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 35.052.12 у Національному університеті “Львівська політехніка” за адресою: 79013, м. Львів, вул. Ст. Бандери, 12, ауд. 124 головного корпусу.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного університету “Львівська політехніка” (79000, м. Львів, вул. Професорська, 1). Відгуки просимо надсилати за адресою: вул. Ст. Бандери, 12, м. Львів, 79013, Україна.

Автореферат розісланий “18” березня 2009 року.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Д.М. Заячук

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Сучасний стан розвитку мікроелектроніки характеризується широким використанням автоемісійних мікрокатодів в різноманітних пристроях з покращеними технічними характеристиками: джерел електронів, цифрової електронної літографії, радіаційно стійких і безінерційних моніторів, засобів електронного охолодження, високочутливих індикаторів напружень, генераторів і підсилювачів для частот понад 1 ТГц, пікосекундних цифрових комутаторів, мас-спектрометрів, скануючої електронної мікроскопії. Основним функціональним елементом таких пристроїв є автоемісійні мікрокатоди.

Роботи з теорії автоемісії і її прикладного застосування проводилися Р. Вудом, Е. Мюллером, Р. Фаулером, Л. Нордгеймом, А. Броді, Ч. Спіндтом, Г. Фурсеєм, В. Городецьким, А. Наумовичем. Поряд з традиційними технологіями виготовлення мікрокатодів з вольфраму і молібдену, розробляються і нові, з використанням вуглецевих нанотрубок та напівпровідників. Перспективними вважаються кремнієві мікрокатоди, які можна монолітно інтегрувати зі схемами керування. Особливе зацікавлення матимуть кремнієві автоемісійні мікрокатоди на структурах «кремній-на-ізоляторі» (КНІ). Монолітна інтеграція мікрокатодів і елементів керування на КНІ-структурах дозволить, порівняно з відомими дифузійними структурами, значно зменшити струми втрат і паразитні ємності, збільшити степінь інтеграції, усунути паразитний тиристорний ефект, підвищити технологічність виготовлення. Цей напрям вважається найбільш перспективним як із технологічної точки зору, так і в плані розширення функціональних можливостей автоемісійних мікрокатодів.

В переважній більшості дослідження, проведені на початок виконання дисертаційної роботи, стосувалися фізичних механізмів автоемісії та технологій виготовлення окремих мікрокатодів. Тому дослідження по створенню кремнієвих автоемісійних мікрокатодів, монолітно-інтегрованих із елементами керування на КНІ-структурах, є особливо актуальними. Передбачається, що кремнієві автоемісійні мікрокатоди з елементами керування на КНІ-структурах, завдяки своїй стабільності і надійності, швидкодії і високій роздільній здатності, малій споживаній потужності в поєднанні з базовою комплементарною метал-окисел-напівпровідниковою (МОН) технологією їх виготовлення, можуть знайти широке застосування в мікроелектроніці України, зокрема у цифровій електронній літографії та радіаційно стійких і безінерційних засобах відображення інформації.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами.

Робота виконувалась відповідно до напрямків наукової діяльності кафедри радіофізики і електроніки Прикарпатського національного університету імені В. Стефаника за держбюджетною темою Міністерства освіти і науки України: “Дослідження та розробка конструктивно-технологічних принципів створення базових матричних кристалів на комплементарних метал-окисел-напівпровідникових транзисторах та елементів мікросистемної техніки на основі структур «кремній-на-ізоляторі» (номер державної реєстрації 0106U001627, 2006-2008 рр.).

Об'єктом дослідження є напівпровідникові мікрокатоди з керованою автоемісією.

Предметом дослідження є характеристики та параметри кремнієвих автоемісійних мікрокатодів з елементами керування на КНІ-структурах.

Мета і задачі дослідження. Метою дисертаційної роботи є розроблення кремнієвих автоемісійних мікрокатодів з елементами керування на КНІ-структурах, характеристики та параметри яких дозволять використовувати їх як фотошаблони у цифровій електронній літографії.

Для досягнення цієї мети необхідно було вирішити наступні задачі:

- доповнити рівняння Фаулера-Нордгейма з метою розрахунку двозонної автоемісії напівпровідників та визначити робочі інтервали напруженості електричного поля і автоемісійних струмів кремнієвого мікрокатода в межах яких розрахункові значення співпадають з експериментальними;

- удосконалити методи розрахунку потенціалів, напруженості поля та траєкторій електронів і заряджених іонів з врахуванням як потенціалів електродів та мікронерівностей поверхні мікрокатоду, так і просторового заряду вакуумного проміжку;

- удосконалити спосіб і схему керування кремнієвим мікрокатодом для стабілізації і лінійного регулювання автоемісійного струму;

- обґрунтувати умови застосування стандартних компактних моделей МОН-транзисторів для моделювання КНІ МОН-транзисторів, промоделювати та порівняти їх розрахункові та експериментальні статичні характеристики;

- розробити спосіб виготовлення локальних тривимірних КНІ-структур та показати приклади їх застосування;

- розробити і верифікувати топологію схеми керування, інтегрованої з мікрокатодом, показати можливість її тиражування у великорозмірні матриці.

Методи дослідження. Для розв'язування поставлених задач використовувалися: основні положення фізики металів, напівпровідників та напівпровідникових пристроїв, твердотільної та вакуумної мікроелектроніки; числові методи розв'язування лінійних рівнянь на основі сингулярного розкладу та рівнянь Лапласа; відповідне програмне забезпечення для моделювання автоемісії і електронної оптики, профілів легування і характеристик транзисторів, технологій виготовлення КНІ-структур і кремнієвих мікрокатодів, розробки топології елементів і схеми керування; експериментальні методи вимірювань тестових структур з використанням сучасних метрологічних засобів. мікрокатод електрон іон потенціал

Наукова новизна отриманих результатів.

1. Встановлено, що автоемісія кремнієвих мікрокатодів субмікронних розмірів є двозонною, з переважаючою автоемісією із зони провідності. Порівняння теоретичних та експериментальних емісійних характеристик кремнієвих мікрокатодів підтверджує достовірність внесених доповнень до рівняння Фаулера-Нордгейма для металів з метою розрахунку двозонної автоемісії напівпровідників.

2. Показано, що напруженість поля найбільша на верхівці кремнієвого мікрокатоду, мікронерівності поверхні спричиняють часову нестабільність автоемісії, а просторовий заряд вакуумного проміжку суттєво викривляє розбіжні траєкторії автоемісійних електронів.

3. Показано, що КНІ МОН-транзистор, послідовно з'єднаний з кремнієвим мікрокатодом, стабілізує автоемісійний струм, а його лінійне регулювання забезпечує імпульсно-амплітудний модулятор з комірками пам'яті статичного типу.

4. Встановлено, що стандартні компактні моделі МОН-транзисторів можна застосовувати для моделювання КНІ МОН-транзисторів, при умові заземлення контактів витоку і підканальної області. Показано, що розрахункові і експериментальні статичні характеристики низьковольтних КНІ МОН-транзисторів із заземленим витоком та контактом до підканальної області співпадають з інженерною точністю при понижених напругах затворів.

5. Вперше розроблено спосіб виготовлення локальних тривимірних КНІ-структур, який на відміну від існуючих промислових процесів, не пошкоджує поверхневий приладний монокристалічний шар кремнію, може формувати КНІ-плівки різної товщини і розміщувати їх у потрібних місцях на пластині.

6. Показано, як на тривимірних КНІ-структурах формувати швидкодіючі ключові елементи на бар'єрах Шотткі та контакти інтегральних елементів.

Практичне значення отриманих результатів.

1. Доповнене рівняння Фаулера-Нордгейма дозволяє розраховувати густину автоемісійного струму напівпровідників із врахуванням їх властивостей, проникнення електричного поля та зонної структури.

2. Удосконалена 5-точкова розрахункова схема метода скінчених різниць та застосована інтерполяція Лапласа дозволяє з високою точністю розрахувати потенціали вакуумного проміжку мікрокатодів при їх субмікронних розмірах.

3. Розроблена модель сферичних фракталів та їх параметри дозволяють аналізувати просторову та часову стабільність автоемісійного струму.

4. Удосконалений алгоритм розрахунку траєкторій електронів дозволяє покращити їх колінеарність.

5. Розроблені двоелектродний і планарно-торцевий мікрокатоди, які мають підвищену стабільність (захищено патентами України).

6. Удосконалений спосіб і схема керування мікрокатодом дозволяє експонувати області різних розмірів та фоторезисти різної чутливості.

7. Розроблений спосіб виготовлення локальних тривимірних КНІ-структур дозволяє інтегрувати різнотипні елементи цифрових і аналогових схем (захищено патентом України).

8. Розроблений ключовий елемент на бар'єрах Шотткі з КНІ-структурами має пікосекундний час переключень (захищено патентом України).

9. Розроблений контакт в інтегральних пристроях з КНІ-структурами має менший опір та розміри порівняно з планарним (захищено патентом України).

Розроблені технології, удосконалені методи розрахунків, топології і тестові структури КНІ МОН-транзисторів використовуються у ТОВ “Квазар-мікро” (м. Київ), ВАТ НВП “Сатурн” (м. Київ), навчальному процесі кафедри радіофізики і електроніки та СНДЦ “Мікроелектроніка” Прикарпатського національного університету імені В. Стефаника (м. Івано-Франківськ).

Особистий внесок здобувача. Особиста участь автора полягає в обґрунтуванні задач та методів досліджень, виборі та вдосконаленні способів розв'язування поставлених задач, розробці технологій, топологій і тестових структур, проведенні експериментальних досліджень, узагальненні результатів, підготовці публікацій та участі в міжнародних конференціях: аналіз та розрахунок параметрів структурних елементів матрично-емітерної літографії [8, 9], розробка структури системи передачі і перетворення топологічної інформації в цифровій електронній літографії [7, 22], розробка технології формування та експонування топологічних елементів [10, 11, 12], розробка і моделювання технології виготовлення локальних КНІ-структур [4, 5, 17, 18], експериментальні дослідження провідності планарних і тривимірних контактів [14], розробка конструкцій мікрокатодів [2, 15, 16, 20], розробка моделі часової нестабільності та аналіз двозонної автоемісії кремнієвого мікрокатоду [1, 6], моделювання профілів легування і статичних характеристик високовольтного КНІ МОН-транзистора [3, 20], удосконалення розрахункової схеми методу скінчених різниць із змінним кроком [23] та методу розрахунку траєкторій електронів та іонів [6], розробка елементів схеми керування, топологій і тестових структур КНІ МОН-транзисторів, комп'ютерні та експериментальні дослідження їх характеристик [5, 9, 19].

Постановка задач та інтерпретація результатів проведені зі співавторами наукових праць.

Апробація результатів дисертації. Основні результати дисертації доповідались та обговорювались на наступних наукових конференціях: TCSET'2006 (February 28-March 4, 2006, Lviv-Slavsko), XI Міжнародна конференція “Фізика і технологія тонких плівок та наносистем” (Івано-Франківськ, 7-12 травня 2007), Восьмая международная научно-практическая конференция “Современные информационные и электронные технологии” (21-25 мая 2007 г., Одеcса), Третя міжнародна науково-практична конференція МЕТІТ-3 (21-23 травня 2008 р., Кременчук), 3-я Міжнародна науково-технічна конференція “Сенсорна електроніка та мікросистемні технології (СЕМСТ-3)” (2-6 червня 2008 р., Одеса), 9-я международная научно-практическая конференция “Современные информационные и электронные технологии” (19-23 мая 2008 г., Одеcса), 23^rd Symposium on Microelectronics Technology and Devices (September 1 - September 4, 2008, Gramado, Brazil) та на об'єднаних наукових семінарах кафедр “Радіофізики і електроніки”, “Матеріалознавства і новітніх технологій” Прикарпатського національного університету ім. В. Стефаника, кафедр “Напівпровідникової електроніки”, “Електронних приладів” Національного університету “Львівська політехніка”.

Публікації. Матеріали дисертаційної роботи викладені в 24 публікаціях, у тому числі в 9 статтях, опублікованих у фахових журналах, 9 патентах та матеріалах 6 міжнародних конференцій.

Структура та обсяг дисертації. Робота складається зі вступу, чотирьох розділів, висновків, додатків та списку використаних літературних джерел. Загальний обсяг дисертаційної роботи 193 сторінки тексту, в тому числі 160 сторінок основної текстової частини, 88 рисунків, 30 таблиць, 9 додатків та 152 бібліографічних найменувань.

Основний зміст роботи

У вступі обґрунтовано актуальність дисертаційної роботи, розглянуто стан проблеми, визначено її мету та основні завдання досліджень, описані об'єкт, предмет та методи досліджень, відзначено наукову новизну та практичне значення. Приведені відомості про апробацію роботи, особистий внесок дисертанта, публікації, об'єм та структуру дисертації.

В першому розділі розглянуто стан проблеми створення автоемісійних мікрокатодів з елементами керування на КНІ-структурах. Проаналізовано літературні дані, висвітлено загальний стан досліджуваної теми. Розглянуто принцип функціонування, структуру і технології виготовлення автоемісійних мікрокатодів. Встановлено, що найбільш простою і перспективною для практичного застосування є технологія виготовлення кремнієвих мікрокатодів з використанням сухого травлення і окислюючого загострення. Розглянуто сучасний стан розвитку теорії автоемісії, яка ґрунтується на теорії вільних електронів Зоммерфельда і квантово-механічному одноелектронному тунелюванні через потенціальний бар'єр. Вияснено, що рівняння Фаулера-Нордгейма, за яким розраховується густина автоемісійного струму металів, містить математичні функції , які записуються через еліптичні інтеграли. Встановлено, що для розрахунку за цим рівнянням густини автоемісійного струму напівпровідників необхідно врахувати їх властивості, проникнення електричного поля, зонну структуру, а також отримати апроксимацію функцій з еліптичними інтегралами.

Проаналізовано рівняння Пуассона і Лапласа та числові методи їх розв'язування, моделі систем емітер-анод для розрахунку напруженості електричного поля, рівняння руху заряджених частинок у формі Ньютона. Встановлено, що оптимальним для розрахунку напруженості електричного поля є метод скінчених різниць, а траєкторій руху - метод Рунге-Кутта.

Проаналізовано способи стабілізації автоемісійного струму мікрокатодів з використанням захисних плівок (металів, алмазоподібних, карбідних) та електричних схем. Встановлено, що більш перспективними є електричні схеми зі зворотнім зв'язком на біполярних та МОН-транзисторах. Порівняння характеристик транзисторів, виготовлених за стандартною і КНІ-технологіями, показує, що в КНІ МОН-транзисторах не використовуються кишені, значно менші паразитні ємності p-n переходів, відсутній тиристорний ефект. Окрім цього, вони можуть працювати при підвищених температурах і напругах, радіаційно стійкі, займають значно меншу площу кристалу. Недоліком КНІ МОН-транзисторів є “плаваючий” об'ємний заряд в підканальній області, який спричиняє перегин вихідних характеристик (“кінк”-ефект). Розглянуто моделі і рівняння для моделювання МОН- і КНІ МОН-транзисторів. Встановлено область застосування компактних моделей, базових, дрейфово-дифузійних, термодинамічних, гідродинамічних та транспортних рівнянь.

На основі проведеного аналізу сформульовано висновки та постановку задач дисертаційних досліджень.

У другому розділі розглянуто теоретичні питання автоемісії кремнієвих мікрокатодів, руху електронів та заряджених іонів у вакуумному проміжку, теплового навантаження мікрокатодів та експонування фоторезисту.

Доповнено рівняння Фаулера-Нордгейма для металів з метою розрахунку автоемісії напівпровідників. Для цього отримано апроксимації функцій , , де E(k), K(k) повні еліптичні інтеграли першого і другого роду, а , які входять в рівняння, за допомогою розробленої MatLab програми із можливостями символьних обчислень - , , а також використано уточнення із літературних даних для роботи виходу і параметру у функцій для зони провідності , , і для валентної зони , , де - відносна діелектрична проникність напівпровідника, F - напруженість електричного поля, - ширина забороненої зони, - електронна спорідненість.

Встановлено, що при підвищенні напруженості поля спочатку насичується автоемісійний струм зони провідності, а потім валентної зони. Визначено ширину потенціального бар'єру на рівні зони провідності 6,2 Е і валентної зони - 9,5 Е при максимальній напруженості поля 5Ч10⁷ В/см. Встановлено, що ефект екранування не має суттєвого впливу на висоту і ширину потенціального бар'єру.

Для кремнієвого мікрокатода ізотропного травлення висотою 0,6 мкм, радіусом верхівки 5 нм та легованого фосфором (P: 3,5Ч10¹⁸ см^-3), на основі літературних даних про густину поверхневих станів і швидкості насичення електронів в кремнію, визначено робочі інтервали напруженості зовнішнього електричного поля (2,2ч5,1)Ч10⁷ В/см та автоемісійного струму 3 нАч3 мкА вяких розрахункові характерис-тики, отримані за доповненим рівнянням Фаулера-Нордгейма, несуттєво відрізняються від даних експериментів (рис. 1). Фізичні параметри мікрокатода =8,3 нм,=8,32Ч10^-7,=357, =1,2Ч10⁶ см^-1, =1,2Ч10^-14 см² також добре узгоджуються з розрахунковими.

Удосконалено 5-ти точкову розрахункову схему метода скінчених різниць із змінним кроком для визначення потенціалів у вузлових точках

.

При заданих потенціалах катоду, електродів і граничних умовах визначено потенціали і їх градієнти у вакуумному проміжку мікрокатода. Потенціали у невузлових точках розрахункової сітки, які описують поверхні з нанометровими розмірами (верхівка мікрокатода, краї електродів), визначено інтерполяцію Лапласа. Отримано, з градієнтів потенціалів, розподіл напруженості поля вакуумного проміжку мікрокатода. Встановлено, що напруженість поля найбільша на верхівці мікрокатода. Отримано залежність напруженості поля на верхівці досліджуваного мікрокатода , де - радіус верхівки (0,1ч80), нм, - кут нахилу радіус-вектора r до осі Y (0ч90є).

Мікронерівності поверхні верхівки мікрокатода враховано сферичними фракталами. Отримано теоретичну залежність автоемісійного струму від часу з врахуванням трьох рівнів фрактальної ієрархії та розпорошення мікронерівностей під дією іонів , , , де A_i, T_i, щ_i - відносні величини струмів, параметрів розпорошення, кругових частот імпульсів струмів i-го рівня ієрархії. Встановлено, що при зменшенні розмірів мікронерівностей поверхні, які моделювались півсферами з радіусами 0,4 нм та 0,04 нм, струми автоемісії зростають в ~20 і ~300 разів відповідно.

Удосконалено алгоритм та розраховано траєкторії електронів у вакуумному проміжку мікрокатода без (рис. 2, а) і з (рис. 2, б) врахуванням просторового заряду. Показано, що просторовий заряд викривляє розбіжні траєкторії електронів, а верхівка мікрокатода піддається дії заряджених іонів, що спричиняє їх адсорбцію (рис. 2, в). Запропоновано міняти полярності катод-електродних потенціалів для керування процесами адсорбції-десорбції.

Промодельовано двоелектродний та планарно-торцевий мікрокатоди з фокусуючими електродами, які дозволяють експонувати в площині аноду області діаметром 0,8 мкм (рис. 3). Встановлено, що оптимальною є мінімальна товщина ізолятора між фокусуючим та екстракційним електродами, яка визначається з умови його електричного пробою (рис. 3, а), а при її збільшенні зростає паразитний струм (рис. 3, б). Планарно-торцевий мікрокатод має підвищену стабільність емісії і тривалість роботи порядку тисяч годин за рахунок значно більшої емісійної площі катоду (рис. 3, в).

Розраховано теплове навантаження кремнієвого мікрокатода від електронного і іонного струмів. Визначено нижню межу легування фосфором (P: 7,9Ч10¹⁷ см^-3) при якій кремнієвий мікрокатод розігріється до власної температури плавлення. Отримано оцінку чутливості та час експонування фоторезисту ma-N 2400 DUV автоемісійними електронами з енергією 200 еВ.

У третьому розділі розглянуто питання стабілізації і регулювання автоемісійного струму кремнієвого мікрокатода та моделювання характеристик і параметрів КНІ МОН-транзисторів схеми керування.

Показано, що послідовне електричне з'єднання КНІ МОН-транзистора і мікрокатода (рис. 4, а) стабілізує автоемісійний струм. При варіаціях автоемісійного струму робоча точка 1 переміщається по горизонтальному відрізку а-b навантажувальної характеристики КНІ МОН-транзистора (рис. 4, б), стабілізуючи струм I інтегрованого пристрою.

Проаналізовано існуючі аналітичні і компактні моделі МОН- і КНІ МОН-транзисторів. Компактні моделі МОН-транзисторів стандартизовані, а КНІ МОН-транзисторів (BSIM SOI, EKV SOI, SP SOI) є експериментальними. Встановлено, що компактні моделі низьковольтних МОН-транзисторів дійсні і для КНІ МОН-транзисторів при заземленні контакту підканальної області (зникає “кінк”-ефект). Розроблено MatLab програму компактної зарядо-базованої моделі МОН-транзистора Енза-Крюменахера-Віттоза (EKV) з одним аналітичним рівнянням стокового струму в області сильної та слабкої інверсії. Статичні вихідні характеристики МОН-транзисторів, отримані розробленою і TopSPICE програмами, співпадають при понижених напругах затворів.

В компактних моделях пробивні характеристики моделюються наближено, тому високовольтний КНІ МОН-транзистор електричної схеми (рис.4, а) із потенціалом екстракційного електрода V_e=100 В промодельовано в програмі Dessis з використанням дрейфово-дифузійних рівнянь, доповнених емпіричними залежностями рухливості носіїв заряду від їх концентрації і напруженості електричного поля. Залежності рухливості носіїв від швидкості насичення і величини електричного поля враховано рівнянням Каналі, а від концентрації іонізованих домішок - рівнянням Мазетті. Рекомбінації носіїв заряду через глибокі рівні забороненої зони і між зонами враховано моделлю Шоклі-Ріда-Холла та Аугера. Для описання лавинної генерації носіїв заряду використано модель Окуто-Кровела. За результатами моделювання розроблено латерально збіднений високовольтний КНІ МОН-транзистор, монолітно інтегрований з мікрокатодом (рис. 5).

Отримано пробивну напругу в 1,7 рази більшу порівняно з резистивною моделлю. Побудовано графіки залежності пробивних напруг від концентрацій носіїв заряду в підзатворній і дрейфовій областях, розподілів потенціалів і напруженості поля, концентрацій і швидкостей носіїв в перерізі високовольтного КНІ МОН-транзистора з врахуванням профіля легувань.

Передавальна характеристика високовольтного КНІ МОН-транзистора є нелінійною, а для експонування областей різних розмірів і фоторезистів різної чутливості потрібне лінійне регулювання автоемісійних струмів. Розроблено схему керування мікрокатодом, в якій високовольтний КНІ МОН-транзистор тільки стабілізує автоемісійний струм, а регулює його імпульсно-амплітудний модулятор на 8-ми КНІ МОН-транзисторах. Розраховано ширину/довжину каналів (параметри W/L в мкм) КНІ МОН-транзисторів модулятора T₁(0,6/0,6), T₂(1,2/0,6), T₃(2,4/0,6), T₄(4,8/0,6) при U_зат=1,5 В і T₅(0,6/4,8), T₆(0,6/2,4), T₇(0,6/1,2), T₈(0,6/0,6) при U_зат=2 В, які дозволяють отримати 2⁸=256 лінійно наростаючих значень струмів із кроком 12 нА. Напруги на затворах 1,5 і 2 В отримано подільниками на n⁺-КНІ плівках з опором с_s=93,7 ом/ (рис. 6).

Вхідна інформація модулятора зберігається у двійковому коді в комірках пам'яті статичного типу. Розроблено схему читання/запису вмісту комірок пам'яті з використанням буферів на 3 стани (рис. 7, а) і двокаскадний формувач для малопотужної комірки пам'яті (рис. 7, б), який підсилює сигнал і повторює його рівень на вході. Схеми читання/запису і малопотужної комірки пам'яті промодельовано в програмі Spice та отримано часові діаграми сигналів на інформаційних та керуючих шинах.

Розроблено топологію КНІ МОН-транзисторів, із затворами прямокутної і кільцевої форми, у яких підканальна область підключена до витоку (рис. 8). В програмі Spice промодельовано статичні характеристики транзисторів комірок пам'яті з різною шириною і довжиною каналів. Статичні характеристики транзисторів імпульсно-амплітудного модулятора, в інтервалі стокових струмів 3 нАч3 мкА, отримано налаштуванням профілів легування в програмі Dessis. Показано, що характеристика модулятора є лінійною для всього набору вхідних двійкових кодів.

Розроблено топології комірок пам'яті із планарною і тривимірною структурами для КНІ КМОН-технології (рис. 9), площі яких менші від площі комірки пам'яті для стандартної n-МОН-технології (1050 мкм²) в 2,2 і 3,2 рази відповідно. Топології ущільнено за рахунок спільного використання шин, зменшення кількості контактів, симетризації для подальшого тиражування. Для надійного переключення тригерів відношення W/L ключових транзисторів T₅, T₆ прийняті в 4 рази більшими від W/L транзисторів інверторів Т₁-Т₄.

У четвертому розділі розглянуто комплекс питань стосовно передачі і перетворення топологічної інформації, способів формування локальних тривимірних КНІ-структур та елементів на їх основі, розробки топологій, експериментальних вимірювань тестових структур елементів схеми керування.

Розроблено нову структуру системи передачі і перетворення топологічної інформації для цифрової електронної літографії в якій використовуються пікселізація топології, нові формати топологічних файлів, високошвидкісні шини, мікрокатоди різних розмірів і форм. Показано, що така структура системи забезпечує передачу даних і експонування фоторезисту 100 мм кремнієвих пластин в режимі реального технологічного часу.

Розроблено спосіб виготовлення локальних тривимірних КНІ-структур (рис. 10) в якому кремній термічно окислюється під поверхнею пластини через горизонтальні тунелі. На відміну від промислових процесів виготовлення КНІ-пластин на основі іонної імплантації (SIMOX), зрощування (BESOI), розщеп-лення (ELTRAN, SmurtCut/Unibond), які формують суцільні планарні КНІ-плівки, запропонованим способом можна формувати КНІ-плівки різної товщини і розміщувати їх у потрібних місцях, та використовувати як об'ємний кремній, так і КНІ-структури для монолітної інтеграції різнотипних елементів.

На локальній тривимірній структурі розроблено швидкодіючий ключовий елемент на бар'єрах Шотткі (рис. 11).

В запропонованому приладі діоди VD₁, VD₂ утворені переходами кремній-метал на вертикальних стінках КНІ-плівки 2. Керуючий затвор 3 сформований з металу, тому його ширина фактично не впливає на транспорт носіїв через нього. При змінах струмів чи напруги в колі керуючого затвору, а також при переключеннях з прямого зміщення на зворотне, час таких переключень визначається тільки ємностями бар'єрів Шотткі. Оскільки площа бар'єрів Шотткі є дуже малою, то оціночний час переключень таких елементів становить одиниці пікосекунд.

Розроблено тривимірний контакт на локальних КНІ-структурах (рис. 12) і показано його застосування в КНІ МОН-транзисторах (рис. 13).

Результати експериментальних досліджень показали, що тривимірні контакти мають меншу площу і опір на 25 % і 66,4 % відповідно порівняно з планарними. Конфігурація тривимірних контактів КНІ МОН-транзисторів дозволяє ущільнити топологію розроблюваних схем порівняно з планарними.

Проведено експериментальні вимірювання виготовлених промисловим способом з роздільною здатністю 2 мкм розроблених тестових структур дифузійних областей, контактів, МОН- і КНІ МОН-транзисторів. Результати експериментальних вимірювань показали співпадіння в межах інженерної точності розрахункових і експериментальних вихідних характеристик КНІ МОН-транзисторів при понижених напругах затвору (рис. 14).

Використовуючи правила масштабування, розроблено і верифіковано топологію схеми керування мікрокатода для виготовлення експериментальної тестової структури з проектними нормами 0,6 мкм (рис. 15).

У додатках наведено проміжні математичні доведення, формули та розрахунки, розроблені програми, схеми експериментальних вимірювань, правила проектування, топологію матриць мікрокатодів зі схемами керування, тестові структури, документи про використання результатів дисертаційної роботи.

висновки

1. В роботі показано, що кремнієві автоемісійні мікрокатоди, монолітно інтегровані з послідовно включеними високовольтними КНІ МОН-транзисторами для стабілізації автоемісії, електронною оптикою, яка екстрагує, фокусує і формує колінеарні електронні пучки для експонування фоторезисту, елементами на КНІ-структурах схем керування, комірками пам'яті та імпульсно-амплітудними модуляторами, які забезпечують введення інформації з частотою 5 МГц в двійковому коді і перетворення її в аналогову форму для керування автоемісією мікрокатодів з врахуванням переміщення 100 мм пластини з фоторезистом, мають характеристики і параметри, які дозволяють використовувати їх як фотошаблони у цифровій електронній літографії.

2. Доповнено рівняння Фаулера-Нордгейма, що дозволяє розраховувати двозонну автоемісію напівпровідників, апроксимаціями функцій , які входять в рівняння і містять еліптичні інтеграли, та уточненими роботою виходу і параметром функцій , в яких враховано діелектричну проникність, зонну структуру та вплив зовнішнього електричного поля. Встановлено, що для кремнієвого мікрокатода (висотою 0,6 мкм, радіусом верхівки 5 нм та легованого фосфором P: 3,5Ч10¹⁸ см^-3), в інтервалі напруженостей електричного поля (2,2ч5,1)Ч10⁷ В/см автоемісійні струми в межах 3 нАч3 мкА співпадають з експериментальними, а емісія із зони провідності є основною. Вияснено, що при зменшенні концентрації донорів до см^-3 кремнієвий мікрокатод, за рахунок тепла Джоуля, розігріється до власної температури плавлення.

3. Дістали подальший розвиток методи розрахунку потенціалів та напруженості поля вакуумного проміжку мікрокатода. Отримана апроксимація рівняння Лапласа на сітці із змінним кроком для 5-точкової розрахункової схеми методу скінчених різниць та застосована інтерполяція Лапласа, дозволяють з високою точністю розрахувати потенціали, а на їх основі градієнти та напруженість поля, як у вузлових точках вакуумного проміжку, так і у невузлових точках елементів з нанометровими розмірами (верхівка мікрокатода, краї електродів).

4. Досліджено вплив мікронерівностей поверхні верхівки мікрокатоду, з використанням геометричної моделі сферичних фракталів, на автоемісійний струм. Встановлено, що при зменшенні розмірів мікронерівностей поверхні, які моделювались півсферами з радіусами 0,4 нм та 0,04 нм, струми автоемісії зростають в ~20 і ~300 разів відповідно. Показано, що залежність автоемісійного струму від часу має високо- і низькочастотні складові. Високочастотні складові залежать від кількості і розмірів мікронерівностей і є несучими, а низькочастотні - залежать від часу розпорошення мікронерівностей і є модулюючими.

5. Встановлено, що просторовий заряд викривляє розбіжні траєкторії автоемісійних електронів, тому для усунення їх викривлення і покращення колінеарності збільшено потенціал фокусуючого електроду. Показано, що область верхівки мікрокатода найбільше піддається дії заряджених іонів, що спричиняє їх адсорбцію. Вияснено, що керувати процесами адсорбції-десорбції на поверхні мікрокатоду можна зміною полярності потенціалів на катоді і екстракційному електроді. Встановлено, що автоемісійні пучки електронів з енергією 200 еВ можуть експонувати фоторезисти з товщиною не більше 100 нм та хімічними підсилювачами чутливості в діапазоні 0,6ч40 мкКл/см².

6. Вияснено, що автоемісійний струм кремнієвого мікрокатода стабілізується при послідовному електричному з'єднанні з КНІ МОН-транзистором, а його лінійне регулювання в робочому інтервалі 3 нАч3 мкА забезпечує 8-бітовий імпульсно-амплітудний модулятор з комірками пам'яті статичного типу. Показано, що модулятор перетворює інформацію про величину автоемісійного струму з 8-ми комірок пам'яті у двійковому коді в аналогову форму і має лінійну передаточну характеристику. Підтверджено часовими діаграмами зміни стану сигналів, що схема вводу/виводу даних з буферами на три стани і двокаскадний формувач забезпечують записування і зчитування інформації з комірок пам'яті.

7. Досліджено, на прикладі моделі EKV, що стандартні компактні моделі МОН-транзисторів можна застосовувати для моделювання КНІ МОН-транзисторів при умові заземлення контактів витоку і підканальної області. Показано, що розрахункові і експериментальні статичні характеристики КНІ МОН-транзисторів із заземленим витоком та контактом до підканальної області при напругах стоку до 5 В і напругах затвору до 2 В практично співпадають.

8. Показано, що розроблений спосіб виготовлення локальних тривимірних КНІ-структур не пошкоджує поверхневий приладний шар монокристалічного кремнію, дозволяє формувати КНІ-плівки різної товщини і розміщувати їх у потрібних місцях, використовує як об'ємний кремній, так і КНІ-структури для монолітної інтеграції різнотипних елементів цифрових і аналогових схем. Отримано оцінку швидкості переключення ключових елементів на бар'єрах Шотткі, сформованих на локальних тривимірних КНІ-структурах, порядку одиниць пікосекунд. Встановлено, що тривимірні контакти мають меншу площу і опір на 25 % і 66,4 % порівняно з планарними.

9. Підтверджено, на прикладі матриці розміром 3-на-2, що розроблену топологію схеми керування, інтегрованої з мікрокатодом, можна тиражувати і на більші розміри при створенні матриць керованих автоемісійних мікрокатодів для цифрової електронної літографії.

CПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Фреїк Д.М. Аналіз сплеск перетворень і їх прикладне застосування / Д.М. Фреїк, В.І. Голота // Фізика і хімія твердого тіла. Т. 6. № 2 (2005). С. 181-193.

2. Дружинин А.А. Технология изготовления автоэмиссионных кремниевых катодов субмикронных размеров / А.А. Дружинин, В.И. Голота, И.Т. Когут // Технология и конструирование в электронной аппаратуре. 2007. №5 (71). С. 50-53.

3. Голота В.І. Керований автоемісійний кремнієвий катод субмікронних розмірів на основі структур кремній на ізоляторі / В.І. Голота, І.Т. Когут // Фізика і хімія твердого тіла. 2007. Т. 8, № 4. С. 856-860.

4. Голота В.І. Приладно-технологічне моделювання мікроелектронних пристроїв на основі локальних КНІ-структур / В.І. Голота, І.Т. Когут, С.В. Сапон, А.Р. Варцабюк // Нові технології. 2008. № 2 (20). С. 205-213.

5. Druzhynin A. The Device-Technological Simulation of the Field-Emission Micro-Cathodes Based on Three-Dimensional SOI-Structures / A. Druzhynin, V. Holota, I. Kohut, S. Sapon, Y. Khoverko // Electrochemical Society Trans. 2008. Vol. 14 (1). P. 569-581.

6.1.Голота В.І. Особливості автоелектронної емісії напівпровідникових пристроїв / В.І. Голота // Східно-Європейський журнал передових технологій. 2008. № 5/4 (35). С. 4-8.

6.2.Голота В.І. Розрахунок напруженості електростатичного поля і автоемісійного струму кремнієвого мікрокатоду / В.І. Голота // Східно-Європейський журнал передових технологій. 2008. № 5/4 (35). С. 8-16.

6.3.Голота В.І. Розрахунок траєкторій руху електронів у вакуумному проміжку автоемісійного мікрокатоду / В.І. Голота // Східно-Європейський журнал передових технологій. 2008. № 5 (35). С. 16-21.

7. Дружинин А.А. Приборно-технологическое моделирование автоэмис-сионных кремниевых микрокатодов / A.A. Дружинин, В.И. Голота, И.Т, Когут С.В. Сапон, Ю.М. Ховерко // Технология и конструирование в электронной аппаратуре (TKЭА). 2008. №5 (77). С. 43-49.

8. Голота В.І. Сучасний стан і напрямки досліджень нанометрової літографії. Огляд / В.І. Голота, А.О. Дружинін, І.Т. Когут // Вісник НУ “Львівська Політехніка”. Електроніка. Львів, 2006. № 558. С. 20-27.

9. Голота В.І. Елементи архітектури матрично-емітерної нанометрової літографії / В.І. Голота, І.Т. Когут // Вісник Прикарпатського університету. Математика. Фізика. Випуск III. Івано-Франківськ, 2007. № 1. С. 89-97.

10.Пат. № 24157 Україна, МКІ H05K 3/00. Спосіб експонування топографічних зображень із використанням рядів матриць із автоелектронними випромінювачами різних розмірів / Когут І.Т., Голота В.І.; Прикарпатський НУ ім. В. Стефаника; заявл. 02.01.07; опубл. 25.06.07, Бюл. № 9. 6 c.

11.Пат. № 18536 Україна, МКІ HO5K 3/02. Спосіб формування топологічних зображень мікроелектронних пристроїв / Когут І.Т., Дружинін А.О., Голота В.І.; Прикарпатський НУ ім. В. Стефаника; заявл. 03.05.06; опубл. 15.11.07, Бюл. № 11. 4 с.

12.Пат. № 20074 Україна, МКІ H01L 31/00. Спосіб експонування топографічного зображення мікроелектронних пристроїв / Голота В.І., Когут І.Т.; Прикарпатський НУ ім. В. Стефаника; заявл. 20.06.06; опубл. 15.01.07, Бюл. № 1. 3 с.

13.Пат. № 29698 Україна, МКІ H01L 29/66. Ключовий елемент на діодах Шотткі зі структурами “кремній-на-ізоляторі” / Когут І.Т., Голота В.І., Дружинін А.О.; Прикарпатський НУ ім. В. Стефаника; заявл. 17.09.07; опубл. 25.01.08, Бюл. № 1. 10 c.

14.Пат. № 29701 Україна, МКІ H01L 29/66. Контакт в інтегральних пристроях зі структурами “кремній-на-ізоляторі” / Когут І.Т., Дружинін А.О., Голота В.І.; Прикарпатський НУ ім. В. Стефаника; заявл. 17.09.07; опубл. 25.01.08, Бюл. № 1. 10 c.

15.Пат. № 32528 Україна, МКІ H01L 21/00. Спосіб виготовлення мікровакуумного автоемісійного випромінювача з планарно-торцевим катодом / Голота В.І.; Прикарпатський НУ ім. В. Стефаника; заявл. 17.09.07; опубл. 26.05.08, Бюл. № 10. 8 с.

16.Пат. № 34271 Україна, МКІ H05K 3/00. Спосіб виготовлення двоелектродних кремнієвих катодів субмікронних розмірів / Голота В.І., Когут І.Т., Дружинін А.О.; Прикарпатський НУ ім. В. Стефаника; заявл. 04.02.08; опубл. 11.08.08, Бюл. № 15. 14 с.

17.Пат. № 34277 Україна, МКІ C04B 41/00. Спосіб формування локальних мікроструктур типу “кремній-на-ізоляторі” / Когут І.Т., Голота В.І., Дружинін А.О., Сапон С.В.; Прикарпатський НУ ім. В. Стефаника; заявл. 04.02.08; опубл. 11.08.08, Бюл. № 15. 10 с.

18.Пат. № 36463 Україна, МПК С30В 31/00. Спосіб виготовлення локальних тривимірних структур “кремній-на-ізоляторі” / Когут І.Т., Голота В.І., Дружинін А.О., Сапон С.В.; Прикарпатський НУ ім. В. Стефаника; заявл. 19.05.08; опубл. 27.10.2008, Бюл. № 20. 14 с.

19.Holota V. Compressible placing of dummy element in nano-scale VLSI layout / V. Holota // TCSET'2006, February 28-March 4, 2006. Lviv, 2006. P. 568-569.

20.Голота В.І. Керований автоемісійний кремнієвий катод субмікронних розмірів на основі КНІ-структур / В.І. Голота, І.Т. Когут // Фізика і технологія тонких плівок та наносистем: XI Міжнар. конф., 7-12 трав. 2007 р.: тези допов. Ів.-Франк., 2007. С. 211-212.

21.Дружинин А.А. Технология изготовления автоэмиссионных кремниевых катодов субмикронных размеров / А.А. Дружинин, В.И Голота., И.Т. Когут // Современные информационные и электронные технологии: 8-я Межд. науч.-практ. конф., 21-25 мая 2007 г.: тезисы докл. Одесса, 2007. С. 367.

22.Дружинін А.О. Приладно-технологічне моделювання автоемісійних кремнієвих мікрокатодів / А.О. Дружинін, В.І. Голота, І.Т. Когут // Современные информационные и электронные технологии: 9-я Межд. науч.-прак. конф., 19-23 мая 2008 г.: тезисы докл. Одесса, 2007. Т. 2. С. 154.

23.Дружинін А.О. Електронно-оптичне моделювання автоемісійних мікрокатодів / А.О. Дружинін., В.І. Голота, І.Т. Когут, Ю.М. Ховерко // Сенсорна електроніка та мікросистемні технології (СЕМСТ-3): 3-я Міжнар. наук.-техн. конф., 2-6 черв. 2008 р.: тези допов. Одеса, 2008 р. С. 196.

24.Голота В.І. Приладно-технологічне моделювання мікроелектронних пристроїв на основі локальних КНІ-структур / В.І. Голота, І.Т. Когут, С.В. Сапон, А.Р. Варцабюк // Матеріали електронної техніки та сучасні інформаційні технології: 3-я Міжнар. наук.-прак. конф. МЕТІТ-3, 21-23 травня 2008 р.: тези допов. Кременчук, 2008. С. 99-100.

АнотаціЯ

Голота В.І. Автоемісійні мікрокатоди з елементами керування на структурах «кремній-на-ізоляторі». - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.27.01 - твердотільна електроніка. Національний університет “Львівська політехніка”, Львів, 2009.

У дисертації представлені результати дослідження кремнієвих автоемісійних мікрокатодів з елементами керування на структурах «кремній-на-ізоляторі» для застосування у цифровій електронній літографії. Доповнено рівняння Фаулера-Нордгейма з метою розрахунку автоемісії напівпровідників. Удосконалено методи розрахунку електронної оптики мікрокатода, спосіб і схему керування мікрокатодом. Обґрунтовано умови застосування компактних моделей МОН-транзисторів. Розроблено спосіб виготовлення локальних тривимірних КНІ-структур і показано приклади їх застосування. Розроблено і верифіковано топологію схеми керування, інтегрованої з мікрокатодом, та наведено приклад її тиражування в матрицю. Показано розрахункові та експериментальні характеристики тестових структур.

Ключові слова: кремнієвий мікрокатод, автоемісія, елемент керування, структура «кремній-на-ізоляторі», МОН-транзистор, топологія.

Аннотация

Голота В.И. Автоэмиссионные микрокатоды с элементами управления на структурах «кремний-на-изоляторе». - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.27.01 - твердотельная электроника. Национальный университет “Львовская политехника”, Львов, 2009.

В диссертации представлены результаты исследований кремниевых автоэмиссионных микрокатодов с элементами управления на структурах «кремний-на-изоляторе» для использования в цифровой электронной литографии. Дополнено уравнение Фаулера-Нордгейма с целью расчета автоэмиссии полупроводников. Усовершенствованы методы расчета электронной оптики микрокатода, способ и схема управления микрокатодом. Обоснованы условия применения компактных моделей МОП-транзисторов. Разработан способ изготовления локальных трехмерных КНИ-структур и показаны примеры их применения. Разработано и верифицировано топологию схемы управления, интегрированной с микрокатодом, и приведен пример мультиплицирования в матрицу. Показаны расчетные и экспериментальные характеристики тестовых структур.

Ключевые слова: кремниевый микрокатод, автоэмиссия, элемент управления, структура «кремний-на-изоляторе», МОП-транзистор, топология.

Summary

Holota V.I. The field emission microcathodes with control elements on «silicon-on-insulator» structures. - Manuscript.

The dissertation for the Candidate Degree in Technics. Speciality 05.27.01 - Solid State Electonics. National University “Lvivska politechnika”, Lviv, 2009.

In this thesis the research results of field emission silicon microcathodes with control elements on «silicon-on-insulator» structures are presented. Fowler-Nordheim's equation is extended in order to calculate semiconductor's field emission. The calculation methods of the microcathode electronic optics and the way and control circuits of the microcathode are improved. Applicable conditions of MOS-transistors compact models are proved. The method of localised three-dimensional structures manufacturing is developed and examples of their application are shown. It is developed and verified layout of the microcathode control circuit, integrated with the microcathode, and such layout example multiplication is shown. Calculated and experimentally obtained characteristics of test structures are shown.

Keywords: silicon microcathode, field emission, control element, «silicon-on-insulator» structure, MOS-transistor, layout.

Размещено на Allbest.ru

...