книги / Методы повышения параметров БИС

чения создается различными путями:

с помощью сужения сверхпроводящей пленки по ширине (мос­ тик постоянной толщины); за счет понижения сверхпроводимос­ ти в участке сверхпроводника, на который напылена пленка нор­ мального металла (мостик Нотариса—Мерсеро); путем использо­ вания между сверхпроводящими электродами перемычки из сверхпроводника (или нормального металла) значительно мень­ шей толщины (мостик переменной толщины) [54]. Основным технологическим процессом создания мостиков, содержащих структуры субмикронных размеров, является микролитогра­ фия.

Аналогичный тип слабой связи сверхпроводников (однако с возможностью и туннельного эффекта) осуществляется в точеч­ ных контактах, а также в так называемой капле Кларка. Точеч­ ный контакт образуется путем легкого прижатия заостренного сверхпроводящего электрода (с радиусом кривизны порядка 1 мкм) непосредственно или через изолирующую прослойку к плоскости второго сверхпроводника. Такие контакты обеспечи­ вают высокое сопротивление перехода, просты в изготовлении, однако имеют низкую стабильность.

В последние годы разработаны конструкции туннельных пере­ ходов, в которых окисный барьерный слой выращивается не на плоской поверхности тонкой металлической пленки, а на ее тор­ це (рис.‘ 26). Такие структуры имеют малую площадь (при тол­ щине пленки 1(Г2 мкм площадь перехода составляет 1СГ2мкм2) и соответственно малую емкость. На основе торцевых переходов методами интегральной технологии легко создавать многоэлементные БИС.

Новые разработки конструкций и технологии джозефсоновских приборов направлены на достижение предельно возможных харак­ теристик, Для идеальных микромостиков должно выполняться ус­

щина мостика, Хпр —лондоновская длина проникновения [25, 30]. Созданы, например, джоэефсоновские мостики с наимень­ шей шириной 50 нм и достаточно высоким сопротивлением в нормальном состоянии (6,8 Ом), что приближается к пределам

51

Рис. 27. Логические задержки для 2,5-и 5-микронных четырехпереход­ ных логических вентилей в зави­ симости от нормализованного тока вентиля:

I - минимальный топологический размер 5 мкм; 2 —2,5 мкм.

соответственно 10...20 нм и 10 Ом (для частот свыше 100 ГГц), необходимым для получения в широком диапазоне температур и частот характеристик,близких к идеальным [141J.

Чрезвычайно малые размеры перехода (площадь 10”2 мкма) [128] позволяют достичь быстродействия для приборов Джозефсона около 1 пс, а при работе в системе —менее 10 пс, по­ скольку паразитные сопротивление и емкость, обычно приводя­ щие к появлению задержек сигнала и гистерезиса, пренебрежимо малы. Такой переход состоит из слоя сплава свинец —индий, Свинцовой полоски, полученных методом термического напыле­ ния на кремниевую подложку, и разделяющего их сверхтонкого изолирующего слоя, созданного путем окисления первого метал­ лического слоя. С целью обеспечения столь малых размеров пе­ рехода используется метод косого напыления [141], а в фотоли­ тографическом процессе - двухслойный электронорезист. Соббт-, венно переход создается с помощью небольшого поворота плас­ тины по отношению к источнику перед напылением второго ме­ таллического слоя, что вызывает изменения угла напыления и сдвиг второго слоя по отношению к первому; площадь перехо­ да определяется перекрытием этих слоев. Разработан экспери­ ментальный джозефсоновскйн прибор, не содержащий перехо­ дов и имеющий размеры порядка нанометров (так называемый наномостик) .[128]. В таком приборе узкие полоски (толщиной и шириной 10...20 нм) действуют как сужения между тонкопле­ ночными сверхпроводящими площадками больших размеров (порядка микрометров); время переключения составляет всего лишь несколько пикосекунд.

Путем формирования, с использованием методов высокораз­ решающей литографии, на одном кристалле системы джозефсоновских переходов с субмикронными зазорами между ними соз­ даются, различные виды логических, запоминающих и функцио­ нальных устройств со сверхвысоким быстродействием и низким энергопотреблением. Разработан, например, джозефсоновский четырехнереходный логический вентиль наоснове сплавов свинца,

52

имеющий при минимальном размере 2,5 мкм2 время задержки 7 пс и мощность рассеяния 4 мкВт/вентиль [184]: Сравнение приведенных на рис. 27 зависимостей времени задержки гзд от нормализованного тока / ИОрм вентилей иллюстрирует улучше­ ние временных характеристик с уменьшением топологических размеров.

1.6.СТРУКТУРЫ НА ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ МАГНИТНЫХ ДОМЕНАХ

Вмонокристаллических тонких пленках ряда магнитно-одно­ осных (иногда двуосных) материалов, ось легкого намагничива­ ния которых направлена перпендикулярно поверхности пленки,

вразмагниченном состоянии образуются домены в виде узких антипараллельно намагниченных полосок [13, 118, 147]. В слу­

чае воздействия внешнего магнитного поля смещения, перпен­ дикулярного поверхности пленки, домены с намагниченностью, совпадающей по направлению с внешним полем, расширяются, а с противоположной намагниченностью сужаются вплоть до пол­ ного исчезновения с увеличением поля до некоторого значения. При этом достигается полная намагниченность пленки вдоль поля, а домены приобретают цилиндрическую форму (рис. 28). С увеличением поля смещения до значения поля коллапса цилинд­ рические магнитные домены (ЦМД) исчезают, а при его последу­ ющем снижении ЦМД появляется только на том дискретном участке пленки, где приложено обратное поле, превышающее поле коллапса # кол. Этот вновь появившийся ЦМД сохраняется и после снятия обратного поля; продвижение его по пленке воз­ можно под. действием дополнительного неоднородного магнит­ ного поля, создаваемого, например, с помощью пермаллоевых аппликаций на поверхности плёнки. Наличие его может быть за­ регистрировано (считано), например, на основе использования эффекта Фарадея и эффекта Холла.

Такое поведение ЦМД соответствует принципу работы запо­ минающих и. логических устройств. Достоинством таких уст-

Небозмщенная граница оомена

Грат

Т

ооме>

Рис. 28. Вид изолированного ЦМД в магнитоодноосной пластине

53

ройстэ на ЦМД является возможность создания путем соответст­ вующего наложения аппликаций однородной вычислительной среды, реализующей требуемые функции.

Диаметр домена dR0M обусловлен как технологическими фак­ торами, так и ограничениями физических процессов. Минимально возможный диаметр домена определяется из условий достиже­ ния максимальной устойчивости домена к флуктуациям формы и размера в присутствии коэрцитивной силы Як для движения доменной стенки [147]. Минимальное флуктуационное отклоне­ ние (А гДом)мни радиуса домена гдом (см. рис. 28) может быть описано следующим выражением [147]:

где М - намагниченность насыщения; hnn - толщина пластины; /х = а 1(4 я М1) - характеристическая длина материала; v - энергия доменной стенки на единицу поверхности; sCTaб - функция стабильности.

На размеры ЦМД и их устойчивость в зависимости от полей подмагничивания (характеризуемую функциями податливости JV*0 иЛ£, где п»[2, °°[,в присутствии коэрцитивной силы) боль­ шое влияние оказываетвеличинаошошенияЛПл//'Изрис.29 [147] видно, что наименьший размер домена ((dR0M) мин ^ 4 /х) дос­ тигается при hnn I 1Х ~ 3,3; минимум флуктуаций соответст­ вует более высоким значениям йпл / /х. На практике выбирается компромиссное значение Лпд / /х = 4; при этом диаметр домена в центре области устойчивости dR0M « 8 /х и обеспечивается при поле подмагничивания Н =* 0,3 (4 я М) (рис. 29, в). В сипу влия­ ния магнитостатического взаимодействия между доменами рас­ стояние между ними ограничивается до величины (3.. .4) </дом.

Скорость движения ЦМД повышается с увеличением подвиж­ ности доменной стенки, которая прямо пропорциональна ее толщине Лст. Поскольку величина hCT связана с важнейшей ха­ рактеристикой материала - факторомкачестваЯкач= £ а /(2 яМ4) (где &а - константа анизотропии), для увеличения Ист необхо­ димо уменьшить Ркач* Однако это противоречит требованию по-, вышения FKa4 для обеспечения существования устойчивых ЦМД)

Повышение скорости ЦМД также достигается обеспечением наименьшего значения коэрцитивной силы. Для этого необходи­ ма тщательная отбраковка кристаллов по дефектам, которые могут увеличивать коэрцитивную сипу на несколько порядков.

54

I

300

з?

При обеспечении условий, оптимальных в отношений физичес­ ких ограничений, могут быть получены ЦМД радиусом в доли микрометра; минимальные размеры ЦМД-устройств практичес­ ки определяются размером аппликаций. Поэтому при использо­ вании прецизионной технологии получают чрезвычайно высокую плотность компоновки элементов [81,891.

Современные приборы на основе ЦМД имеют пленочную структуру, в которой магнитная пленка формируется на немаг­ нитной подложке. Для выполнения условий возникновения, продвижения с достаточной скоростью и стабильности доме­ на материал пленки должен обладать определенными магнит­ ными свойствами. Так, чтобы при движении ЦМД изменения его радиуса не превышали 10%, должно выполняться усло­ вие~Нк[М н < 0,01, где Нк - коэрцитивная сила, Мн - намагни­ ченность насыщения, а во избежание образования зародышей перемагничивания должно выполняться условие;

Нй >М н,

гдеЯа - напряженность поля анизотропии [1451.

55

Необходимым требованиям удовлетворяет большинство орто­ ферритов редких земель RFe03 (где R - общий символ редко­ земельного элемента) и гексагональньис ферритов’, магнитные гранаты R3 FesO1а - ферромагнитные окиси с кубической крис­ таллической структурой, а также шпинели RFe04 (13,118,145].

При выборе магнитного материала для создания устройств на основе ЦМД исходят из требований обеспечения определенных соотношений магнитных свойств, диаметра домена, температур­ ных зависимостей параметров и т. п.

Слои указанных магнитных материалов выращиваются эпи­ таксиальным способом (чаще всего жидкостным) на пластине не­ магнитного кристалла, причем в такой паре параметры кристал­ лических решеток должны быть, как правило, близкими по вели­ чине (13]. Система подложка — эпитаксиальная пленка с не­ сколько отличающимися параметрами решеток используется в целях получения наведенной одноосной анизотропии за счет нап­ ряжений в пленке.

Создаются также структуры ЦМД-приборов, в которых носи­ телем доменов является аморфный металлический магнитный слой (например,СаСоМо), напыленный на стеклянную или подоб­ ную стеклу подложку.

Прочие элементы приборов на основе ЦМД (например, изоли­ рующие слои, проводники, аппликации) также изготавливаются с помощью общепринятых в микроэлектронике технологичес­ ких методов. Развитие ЦМД-приборов идет по пути совершенст­ вования технологии (литографии, ионной имплантации и т. п.) с цельюуменьшения размеров домена, а также повышения плотности упаковки с помощью новых типов продвигающих структур.

Например, для снятия механических напряжений на поверх­ ность пленки магнитного граната напыляется тонкий слой двуо­ киси кремния (13, 118]. Затем напыляется пленка сплава алю­ минии - медь и путем микролитографии и ионного или жид­ костного травления ее формируются проводниковые шины и петли для управления доменами. После этого напыляется изоли­ рующий слой окиси кремния, на нем располагается слой пермал­ лоя, в котором теми же методами создаются структуры для продвижения и считывания доменов. При такой технологии ми­ нимальные размеры доменов ограничены сложностью получения непрерывного слоя пермаллоя из-за наличия ступенек в местах над проводниками из сплава. Были получены ЦМД-приборы с диаметром доменов более 3 мкм и периодом структуры более Юмкм (13,118].

Данное ограничение преодолено в новом технологическом процессе, позволяющем получать ЦМД-структуры. с размерами

56

'Слой

Рис. 30. Структура продвижения ЦМД с соприкасающимися дисками

элементов 1 мкм и с погрешностью совмещения 0,25 мкм [85]. На первом этапе производится осаждение тройного слоя из спла­ ва алюминий — медь, двуокиси кремния и пермаллоя; далее - микролитография и ионное травление пермаллоевого слоя (при этом слой сплава остается везде, где есть пермаллой), а затем - микролитография и плазменное травление нижележащих слоев двуокиси кремния и сплава.

Предусмотрено также использование промежуточных фотошаб­ лонов в масштабе 10 1, изготавливаемых электронно-лучевым -методом.

Обычно для продвижения доменов используются пермаллоевые продвигающие структуры в виде С-образных или асим­ метричных шевронных аппликаций.

- Повышение плотности упаковки при менее жестких требова­ ниях к разрешающей способности литографии достигается в слу­ чае использования перспективных продвигающих структур типа соприкасающихся дисков (рис. 30). При этом можно получить плотно упакованные домены диаметром всего 0,25.. .0,5 мкм, т. е. меньшим, чем минимальный размер, обеспечиваемый методом литографий [81]. При изготовлении таких Структур вместо пермаллоевых. элементов в слое граната создаются продвигающие области (путем ионной имплантации через маску из золота в ви­ де соприкасающихся дйсков), вектор намагниченности которых параллелен плоскости слоя. Продвижение доменов от одного диска к другому осуществляется с помощью вращающихся вок­ руг каждого диска магнитньщ зарядов, возникающих при наличии управляющего вращающегося магнитного поля. Ограниче-

' 57

гош на характеристики таких ЦМД-приборов накладываются в основном управляющими цепями вращающегося магнитного поля.

В одной из разновидностей ЦМД-приборов указанного типа процесс изготовления включает три фотолитографические опе­ рации (для формирования элементов считывания, для получения сквозных отверстий, а также для создания проводников и ион­ но-легированных областей) [117]. Продвигающие структуры об­ разуются в монолитном слое граната, который одновременно со­ держит домены и служит подложкой прибора; на этот слой осаждается фоторезист, и выполняется имплантация примесей

внего. В этом случае критичными являются материал подложки

иконечная толщина элемента считывания доменов, поэтому уп­ равление операцией ионного травления должно осуществляться с большой точностью. В иной структуре магнитный эпитаксиальный спой, содержащий домены, выращивается на подложке из немаг­ нитного материала; поверх него выращивается еще один магнит­ ный слой, подвергаемый имплантации. Для формирования рисун­ ка продвигающих структур фоторезист наносится на промежу­ точный слой золота. Сквозные отверстия здесь не нужны; фор­ мирование элементов считывания, проводников и ионная им­ плантация осуществляются через трехуровневую маску (изготав­ ливаемую методом электронолитографии), и процесс сводится к одной операции фотолитографии. Наличие только одного изоли­ рующего слоя окисла кремния позволяет использовать ионную имплантацию с меньшей, чем для первого варианта, энергией внедрения, а также повысить выход годных из-за уменьшения разброса толщины.

Результаты современных конструктивно-технологических разработок ЦМД-приборов удовлетворяют необходимым требо­ ваниям для изготовления запоминающих устройств (ЗУ) с очень высокой информационной емкостью - 256 Кбит...1 Мбит.

В опытных образцах ЦМД ЗУ с диаметром доменов 1 мкм достигается плотность записи информации до 4 Мбит/см2; есть реальные основания для дальнейшего её повышения (например, до 15 Мбит/см2 при диаметре домена 0,5 мкм) [117]. Конструк­ ция ЦМД-приборов с продвигающими структурами типа сопри­ касающихся дисков позволяет в перспективе создать на их осно­ ве многослойные трехмерные матрицы ЗУ (с информационной емкостью порядка сотен мегабит).

Одним из эффективных путей решения проблемы, связанной с организацией выборки в ЦМД ЗУ, является применение токо­ вой выборки [33]. Использование ее позволяет преодолеть огра­ ничения быстродействия, имеющие место при выборке с по­

58

мощью магнитного ш ля, и в принципе обеспечить частоты сдви­ га доменов порядка мегагерц; дает возможность снизить напря­ жение питания и облегчить сборку в корпус из-за отсутствия катушек управления, а также реализовать трехмерные устройст­ ва. Одной из проблем в разработке таких приборов является не­ обходимость создания материалов с меньшей динамической коэрцитивной силой.

Перспективным в плане повышения плотности упаковок, но еще нуждающимся в дальнейших исследованиях является метод построения ЦМД ЗУ с использованием доменных решеток, использующий принципиально отличающийся способ представ­ ления информации (Не в виде наличия или отсутствия домена, а как различие направлений вектора намагниченности в стенке стационарного домена).

Существует возможность создания логических приборов на основе ЦМД, что позволяет изготавливать ЦМД-кристаллы с высокой плотностью упаковки, содержащие одновременно схе­ мы памяти и логики.

1.7. ОПТОЭЛЕКТРОННЫЕ И АКУСГОЭЛЕКТРОННЫЕ ИНТЕГРАЛЬНЫЕ СТРУКТУРЫ

Высокие параметры и разносторонние возможности опто­ электронных приборов обусловливаются такими достоинства­ ми использования оптической связи, как бесконтакхность, од­ нонаправленность, зарядовая нейтральность, высокая информа­ ционная емкость светового поля, высокие достижимые плотнос­ ти светового потока, возможность использования для обработки потоков информации различных характерных явлений электро­ магнитного излучения оптического диапазона: интерференции, дифракции, поляризации, дисперсии, а также большого коли­ чества физических явлений, происходящих при взаимодействии световых, электрических, магнитных, акустических полей с твердым телом [66,77,78,83,87,120,142,143].

Специфической особенностью изготовления пассивных и ак­ тивных элементов оптоэлектронных интегральных микросхем (ОИС) являются высокая точность и чистота обработки материа­ лов, их большое разнообразие. При этом применяются те же технологические приемы, что и в производстве электронных ин­ тегральных микросхем. Для ОИС необходимо создание тонко­ пленочных структур, содержащих большое количество слоев ма­ лой толщины (до 1 мкм и менее) с резкими и структурно со­ вершенными границами и субмикронными размерами элементов.

59

Одной из важных проблем является разработка материалов элементов: монокристаллических, поликристаллических и аморф­ ных полупроводников, жидких кристаллов, сегнетоэлектриков, окислов переходных металлов, стекол, органических лаков и других. Все эти материалы должны характеризоваться высо­ кой чистотой, стехиометричностью состава и стабильностью во времени свойств сложных соединений [120]. Поскольку незави­ симо от выполняемых электронно-оптических функций все компоненты ОИС должны эффективно каналировать свет, мате­ риал элемента должен быть оптически более плотным, чем мате­ риал подложки, и затухание света в нем, определяемое поглоще­ нием и -рассеянием на неоднородностях оптической плотности плешей и на микронеровностях, - быть небольшим.

Наиболее перспективным}! для решения разнообразных задач интегральной оптики являются такие материалы, как GaAs и тройные соединешя на его основе, в частности соединения типа Gai.xAlxAs, InGaAs [66, 83,120]. Хотя эти материалы, в принципе,- позволяют создавать ОИС, в которых все компоненты вы­ полнены из одного материала, существует ряд проблем, препятстьуюших реализации таких монолитных ОИС. Это, прежде всего, высокий показатель преломления GaAs, затрудняющий монтаж ОИС в системы, элементы которых созданы из других матери­ алов. Кроме того, световоды из GaAs характеризуются больши­ ми потерями.

Высокими электрооптическими и пьезоэлектрическими ка­ чествами обладает легированный ХлЫЬОз, отличающийся высо­ ким показателем преломления и сильной зависимостью затуха­ ния сигнала в световоде от степени совершенства его кристалли­ ческой структуры. Для ОИС дальней ИК области перспективны­ ми считаютсяуэкоэонные полупроводники на основе солей свинца. Довольно широко используются высокопрозрачные и легко поддающиеся'обработке органические материалы, однако их не­ достатком при использовании в качестве пассивных световодов является низкий показатель преломления.

По и с к материалов, допускающий выращивание совершенных

воптическом отношении монокристаллических пленок с явно выраженными магнитооптическими и световодными свойства­ ми, привел к появлению сложных феррит-гранатовых материа­ лов, пленки которых используются при создании систем памяти на ЦМД [87]. Технология кристаллических световодных пленок развивалась по пути модернизации и оптимизации технологии микроэлектроники. Для создания пленочных структур' элемен­ тов интегральной оптики (электрооптических, магнитооптичес­ ких, лазерных активных световодных слоев) большими воэмож-

60