научная статья по теме МЕТОД ДЕЛЬТАОБРАЗНОИ ИМПЛАНТАЦИИ В КРИСТАЛЛИЧЕСКИЕ ПОЛУПРОВОДНИКИ ИОНОВ ЛЕГИРУЮЩИХ МЕТАЛЛОВ АL И SB С ПОМОЩЬЮ БЕЗРЕЗИСТНОЙ FIB-ТЕХНОЛОГИИ Электроника. Радиотехника

Текст научной статьи на тему «МЕТОД ДЕЛЬТАОБРАЗНОИ ИМПЛАНТАЦИИ В КРИСТАЛЛИЧЕСКИЕ ПОЛУПРОВОДНИКИ ИОНОВ ЛЕГИРУЮЩИХ МЕТАЛЛОВ АL И SB С ПОМОЩЬЮ БЕЗРЕЗИСТНОЙ FIB-ТЕХНОЛОГИИ»

МИКРОЭЛЕКТРОНИКА, 2004, том 33, № 6, с. 445-458

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ^^^^^^^^^^^^^^ ПРОЦЕССЫ

УДК 621.385.833

МЕТОД ДЕЛЬТАОБРАЗНОЙ ИМПЛАНТАЦИИ В КРИСТАЛЛИЧЕСКИЕ ПОЛУПРОВОДНИКИ ИОНОВ ЛЕГИРУЮЩИХ МЕТАЛЛОВ Al И Sb С ПОМОЩЬЮ БЕЗРЕЗИСТНОЙ FIB-ТЕХНОЛОГИИ

© 2004 г. В. А. Жуков1, Н. Т. Баграев2, А. И. Титов3, Е. Е. Журкин3

1Санкт-Петербургский институт информатики и автоматизации Российской АН, 2Физико-Технический институт им. А.Ф.Иоффе, 3Санкт-Петербургский Государственный Технический университет E-mail: v-zhukov@cards.lanck.net Поступила в редакцию 14.04.2004 г.

Рассматриваются возможности использования дельтаобразной имплантации легирующих примесей с помощью ионно-оптических устройств со сфокусированным пучком (FIB) для получения квантовых проволок и квантовых точек и их различных комбинаций с предсказуемой топографией. Суть метода состоит в получении непосредственно под поверхностью полупроводниковой мишени растрового или векторного ионно-оптического изображения квантовых наноструктур, которое определяется пространственным распределением концентрации легирующих примесей. На основе ионно-оптического анализа и расчетов рассеяния медленных ионов металлов при столкновении с поверхностью полупроводниковых кристаллов методом MD (molecular dynamics) и расчетов методом Монте-Карло (SRIM42003) предлагается для имплантации на малую глубину (1-5 нм) использовать ионы Al и Sb с энергией 100-300 эВ.

Выводятся формулы, применимые для определения величины наилучшего разрешения и производительности при дельтаобразной имплантации с помощью FIB-систем с гауссовым зондом и с фигурным зондом изменяемой формы и размера, а также при дельтаобразной имплантации с помощью IPL-систем.

Демонстрируется, что латеральное разрешение при дельтаобразной имплантации при помощи FIB - систем с электростатическим объективом может быть менее 20 нм.

Демонстрируется также, что производительность FIB-систем с векторной адресацией и с фигурным зондом изменяемой формы и размера позволит создать демонстрационный макет квантового компьютера, содержащего до 106 кубитов.

1. введение

В настоящее время делаются многочисленные попытки осуществить так называемую "дельтао-бразную" имплантацию легирующих ионов в полупроводниковую кристаллическую матрицу [1]. Подобные "дельтаобразные" распределения легирующих ионов могут быть использованы в качестве сильнолегированных 5-барьеров, между которыми образуются кремниевые наноструктуры с различной кристаллической ориентацией: квантовые ямы, квантовые проволоки и точки [2]. Отличительной особенностью данных 5-барьеров являются недавно обнаруженные сегнетоэлектри-ческие свойства, благодаря которым реализуется короткодействующий рассеивающий потенциал, что приводит к высокой подвижности носителей тока в формируемых между ними кремниевых наноструктурах [3].

Нами были проделаны расчеты методом молекулярной динамики процессов рассеяния при малых энергиях, 100 эВ-150 эВ, ионов А1 и БЪ при взаимодействии с поверхностью монокристаллического

кремния. Результаты этих расчетов свидетельствуют о возможности формирования сверхузких распределений их концентрации по глубине (см. Рис. 1. (а и б)) и в латеральном направлении (см. Рис. 2. (а и б)).

Конечная цель упомянутых выше попыток дельтаобразной имплантации заключается в получении квантовых точек и квантовых проволок и их комбинаций с заранее заданной топографией. Такая топография должна позволить соединять данные элементарные наноустройства с другими схемотехническими элементами (например, управляющими наноэлектродами, наноподвода-ми). Это позволит, в перспективе, получать схемы с высокой степенью интеграции (до 108) различных квантовых наноэлементов обработки информации на одном чипе [4]. Основная проблема при дельтаобразной имплантации заключается в том, чтобы создать в приповерхностном слое полупроводника распределение легирующих ионов, компактное как в направлении, перпендикулярном к поверхности, так и в латеральном направлении. Согласно нашим оценкам, полуширина

с, ион/Л 0.40,-

(а)

Профиль имплантации: распределения по глубине Л1(100 эВ)-> 81(100)

■ Т = 300К

и\

с, ион/Л 0.30,-

0.25 0.20 0.15 0.10 0.05

(б)

Л

Профиль имплантации: распределения по глубине 8Ь(150 эВ)-> 81(100)

I

Т = 300К

V

_1_I_I '— I_I_I_I_I.

J___I_I_I_|_

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30

Глубина, Л Глубина, Л

Рис. 1. Распределение пробегов имплантированных ионов Л1 по глубине мишени при начальных энергиях ионов 100 эВ (а). Распределение пробегов имплантированных ионов БЬ по глубине мишени при начальных энергиях ионов 150 эВ (б).

с, ион/Л 0.25

0.20

0.15

0.10

0.05

п

(а)

0

Профиль имплантации: распределения по глубине Л1(100 эВ)-> 81(100)

-Т =300К

2468

с, ион/Л 0.40

10 12 14 16 18 20 Глубина, Л

0.35 0.30 0.25 0.20 0.15 0.10 0.05

0

(б)

Профиль имплантации: распределения по глубине 8Ь(150 эВ)-> 81(100)

-Т=300К

1 2 3 4 5 6 7

8 9 10 Глубина, Л

Рис. 2. Распределение радиальных пробегов имплантированных ионов Л1 при начальной энергии ионов 100 эВ (а). Распределение радиальных пробегов имплантированных ионов БЬ при начальной энергии ионов 150 эВ (б).

распределения ионов в латеральном направлении должна быть не более 35 нм, полуширина в направлении, перпендикулярном поверхности, не более 3 нм. В идеале это должны быть образования прямоугольного сечения, изображенные на рисунке 3 а. На рисунке 36 изображено распределение легирующих ионов Л1 (БЬ), близкое к реальному распределению. Контраст рисунка примерно передает концентрацию легирующих атомов. Черному цвету на рис. 36 соответствует максимальная объемная концентрация примесей «ушах ~ 1026 атом/м3.

В настоящее время в экспериментах по дельта -имплантации, практически исключительно, исполь-

зуют НВ-устройства с размером ионного пятна на мишени порядка 1 мкм и более. В этих устройствах используются либо газоразрядные источники ионов неметаллов (В, Р, Б1), либо жидкометалли-ческие источники (ва, 2и) с энергией ионов в диапазоне (300-1000 эВ) [1].

Основная цель данной работы - исследовать возможности безрезистной Б1В-технологии для получения с помощью дельтаобразной имплантации ионов алюминия и сурьмы интегральных чипов, содержащих квантовые вычислительные элементы с размерами затворов порядка 20 нм и степенью интеграции до 106 квантовых наноэле-ментов на одной БИС. Такая степень интеграции

Рис. 3. Квантовая проволока из кремния, образованная четырьмя дельтаобразными барьерами из кремния, легированного атомами металла: (а) - идеальное распределение легирующих атомов; (б) - распределение примесей, близкое к реальному. Контраст рис. 2(6) примерно передает концентрацию легирующих атомов. Черному цвету на рисунке соответствует максимальная объемная концентрация примесей «ушах ~ 10 атом/м3.

позволила бы создать демонстрационную модель твердотельного квантового компьютера [5], превосходящего возможности обычных компьютеров, например, в решении задач факторизации. Вторая цель работы - вывести математический аппарат, необходимый для исследования возможностей дельтаобразной имплантации с помощью ионно-проекционной (1РЬ)-технологии.

2. постановка задачи

2.1. Требования к размеру квантовых чипов и деталей наноэлементов

Предположим, что в результате экспериментальных исследований удалось разработать твердо-

тельный планарный квантовый наноэлемент обработки информации - квантовую вычислительную ячейку, имеющую, согласно [5], вероятность отказов на одну операцию, равную или меньшую 10-6. Пусть этот элемент состоит из упомянутых выше деталей: наноподводов, наноэлектродов и квантового бита, реализованного на квантовой точке или квантовых проволоках. Примем средний размер затвора, содержащегося на этом устройстве, равным 20 нм [6]. Пусть средняя площадь, занимаемая таким наноустройством на чипе, равна 200 х 200 нм2 [6]. Для успешной конкуренции с классическими компьютерами в решении одной только задачи факторизации необходимо, согласно [5], создать квантовый регистр - БИС (Большую

Интегральную Схему), содержащую 106 квантовых вычислительных элементов (200 х 200 нм2, каждый). Эта БИС будет иметь вид квадрата ~0.2 х х 0.2 мм2. Размер стороны такого квадрата на полупроводниковой пластине (wafer), равный в нашем случае 0.2 мм, в западной литературе обозначается аббревиатурой SF (sub field).

2.2. Требования к ионной оптике для безрезистной нанолитографии

На основании сделанных предположений о размерах затворов и полном размере квантовых чипов сформулируем требования к ионной оптике пригодных для их изготовления РШ-устройств.

Результирующее скрытое имплантационное изображение на мишени в случае безрезистной ионной литографии (имплантации) представляет собой латеральное распределение проекции объемной концентрации атомов металлов п^ созданной под поверхностью полупроводниковой мишени в результате имплантации ионов (А1, БЪ), на поверхность кристалла. Проекция объемной концентрации на поверхность кристалла N (или поверхностная концентрация) представляет собой интеграл по полупространству от объемной концентрации по координате г, перпендикулярной поверхности кристалла:

N(x„ yt) = J nv(x„ y„ zt)dzt.

(1)

Предположим, что объемная концентрация им- светке" ионами поверхности кристалла подчиня-плантированных ионов nv при однородной "за- ется гауссовому закону вида:

nv(x„ yt, zt) = nFmax x exp(-(zt - R„)2/(2 x ARp)),

(2)

где п^х - ожидаемая объемная концентрация в максимуме распределения, Rp - глубина залегания этого максимума под поверхностью кристалла, ARp - дисперсия гауссового распределения вдоль координаты г. Можно показать, что дисперсия гауссового распределения ARp связана с его полу-

шириной FWHMd (full width at half maximum) соотношением FWHMd = 2.35 х ARp. Подставляя выражение для объемной концентрации (2) в интеграл (1), получим выражение для поверхностной концентрации при однородной ионной "засветке" мишени:

Ns = nvmax x 0.53FWHMd x( 1 + erf (1.662 x Rp/FWHMd)).

(3)

В случае неоднородной "засветки" с помощью поверхностная концентрация ионов будет иметь сфокусированных ионных пучков (РТВ-сис

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком