  
На правах рукописи
СМИРНОВ Владимир Александрович
Разработка и исследование ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ОСНОВ ПРОЦЕССА фотонностимулированнОГО ЛОКАЛЬНОГО АНОДНОГО ОКИСЛЕНИЯ НАНОСТРУКТУР НА ОСНОВЕ Si/SiO2/Ti
Специальность 05.27.01 - Твердотельная электроника, радиоэлектронные компоненты, микро- и наноэлектроника, приборы на квантовых эффектах
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Таганрог - 2008
Работа выполнена в Технологическом институте
Южного федерального университета
в г. Таганроге
на кафедре “Технологии микро- и наноэлектронной аппаратуры”
Научный руководитель:
|
кандидат технических наук, профессор
|
|
А.М. Светличный (ТТИ ЮФУ, г. Таганрог);
|
|
|
Официальные оппоненты:
|
кандидат технических наук
|
|
И.И. ПИВОВАРОВ (НИИ СВЯЗИ, г. Таганрог)
|
|
|
|
доктор технических наук, профессор
|
|
А.Г. ЗАХАРОВ (ТТИ ЮФУ, г. Таганрог)
|
|
|
Ведущая организация:
|
Закрытое акционерное общество "Нанотехнология – МДТ" (г. Москва)
|
Защита состоится «28» августа 2008 г. в 10 ч. 20 мин. на заседании диссертационного совета Д212.208.23 в Технологическом институте Южного федерального университета в г. Таганроге по адресу: 347928, г. Таганрог, ул. Шевченко,2, ауд. Е-306
С диссертацией можно ознакомиться в Зональной библиотеке Южного федерального университета.
Автореферат разослан «____»____________ 2008 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета
доктор технических наук, профессор Н.Н.Чернов
общая характеристика работы
Актуальность работы
Разработка элементной базы наноэлектроники предъявляет повышенных требований к разрешающей способности и точности выполнения технологических операций. Одной из основных проблем при изготовлении элементов наноэлектроники является необходимость разработки и совершенствования методов литографии, которые должны обеспечивать воспроизводимость изготовления элементов приборов атомного масштаба. Зондовая нанолитография методом локального анодного окисления (ЛАО) является мощным и многофункциональным методом получения оксидных наноразмерных структур (ОНС) с помощью атомно-силового микроскопа (АСМ).
Известно, что процессы формирования наноразмерных структур характеризуются недостаточной воспроизводимостью. Это связано с сильным влиянием параметров технологической среды (влажность, температура) и качества подложки (зернистость пленки металла, наличие нарушенного слоя на поверхности полупроводниковых подложек и т.д.). Также при проведении нанолитографии локальные неоднородности свойств материалов приводят к нестабильности процессов токо- и массопереноса в зазоре зонд-подложка, следствием этого является неравномерность геометрических параметров оксидных наноструктур и снижение разрешающей способности и воспроизводимости процесса нанолитографии методом ЛАО.
В микроэлектронике накоплен значительный положительный опыт по применению некогерентных и лазерных световых потоков на различных стадиях технологического процесса изготовления интегральных микросхем (ИМС). В том числе и на операциях получения ультратонкого диэлектрика. Установлено, что применение фотонного излучения наиболее эффективно, а в некоторых случаях является единственным решением, при изготовлении ИМС с минимальными размерами менее 1 мкм. Поэтому актуальным способом повышения разрешающей способности зондовой нанолитографии является введение в зазор зонд-подложка фотонного излучения, оказывающего значительное влияние на процесс формирования однородного окисла и снижающее влияние неоднородных свойств материалов. В настоящее время механизм получения ультратонких диэлектрических пленок, влияния поля и фотонного излучения на эти процессы достаточно не изучен. Поэтому проведение этих исследований актуально для получения оксидных наноразмерных структур и разработки элементной базы наноэлектроники зондовыми методами.
Цель и задачи диссертационной работы
Целью диссертационной работы является разработка и моделирование фотонностимулированного технологического процесса локального анодного окисления наноструктур на основе Si/SiO2/Ti для создания элементной базы наноэлектроники.
Для достижения данной цели были поставлены следующие задачи:
определить возможности применения фотонной стимуляции при формирования структур и устройств наноэлектроники;
определить основные механизмы процессов локального анодного окисления металлов, а также массопереноса в межэлектродном зазоре зонд-подложка АСМ;
разработать математическую модель процессов формирования наноструктур методом ЛАО в условиях фотонной стимуляции;
исследовать режимы формирования наноразмерных структур методом ЛАО с использованием фотонной стимуляции;
исследовать влияние фотонной стимуляции на воспроизводимость и однородность наноразмерных структур, сформированных методом ЛАО;
разработать топологию и технологические маршруты формирования структур наноэлектроники на основе наноразмерных каналов проводимости применительно к многофункциональному сверхвысоковакуумному нанотехнологическому комплексу НАНОФАБ НТК-9.
Научная новизна работы
Проведена оценка распределения температуры в области воздействия зонда при проведении ЛАО пленки, в результате которой было показано, что в локальной области диаметром порядка 10 нм под зондом АСМ при приложении импульсов напряжения амплитудой 10 В и расстоянии зонд-подложка 0,5 нм, температура подложки много больше температуры испарения воды, и поэтому можно сделать вывод, что активные частицы окислителя поступают в зазор зонд подложка из газовой атмосферы воздуха в технологической камере и переносятся в зоне реакции под действием электрического поля.
Предложена математическая модель расчета скорости роста оксидных наноразмерных структур при ЛАО поверхности металла с учетом напряженности поля системы зонд-подложка, фотонной стимуляции, а также относительной влажности воздуха внутри технологической камеры.
Предложена методика получения оксидных наноразмерных структур методом ЛАО в условиях фотонной стимуляции, позволяющая определять режимы формирования ОНС, а также воспроизводимо создавать однородные наноразмерные каналы проводимости с поперечными размерами порядка 10 нм.
Проведены комплексные исследования режимов формирования оксидных наноразмерных структур в пленки титана методом ЛАО в условиях фотонной стимуляции некогерентным УФ- и ИК-излучением.
Практическая значимость:
Получены режимы ЛАО пленки титана в условиях фотонной стимуляции некогерентным УФ- и ИК-излучением, использование которых позволило повысить разрешающую способность и воспроизводимость данного метода нанолитографии.
Получены структуры каналов проводимости методом фотонностимулированного ЛАО в пленке титана с поперечными размерами порядка 10 нм, которые могут быть использованы при разработке и формировании элементной базы наноэлектроники.
Определены режимы формирования оксидных наноразмерных структур в пленке никеля методом ЛАО, которые могут быть использованы в качестве каталитических центров при росте углеродных нанотрубок, а также нанокристаллов ZnO, ZnxMg1-xO.
Получены наноразмерные структуры логического вентиля, диода и выпрямителя на основе наноразмерных каналов проводимости в титановой пленке с помощью АСМ.
Разработана топология и технологические маршруты изготовления тестового кристалла для создания планарных элементов наноэлектроники, методом фотонностимулированного ЛАО, применительно к многофункциональному сверхвысоковакуумному нанотехнологическому комплексу НАНОФАБ НТК-9.
Положения, выносимые на защиту
Модель расчета скорости роста оксидных наноразмерных структур при ЛАО поверхности металла с учетом напряженности электрического поля системы зонд-подложка, фотонной стимуляции, а также относительной влажности воздуха внутри технологической камеры.
Закономерности формирования оксидных наноразмерных структур методом ЛАО от температуры подложки, материала проводящего покрытия кантилеверов, амплитуды и длительности импульсов напряжения, прикладываемого к системе зонд-подложка в условиях фотонной стимуляции.
Предложенный метод, основанный на фотонной стимуляции нанолитографии методом ЛАО, позволяет получать однородные наноразмерные каналы проводимоти с поперечными размерами порядка 10 нм.
Применение стимуляции УФ- и ИК-излучением увеличило латеральное разрешение зондовой нанолитографии методом ЛАО с помощью АСМ по сравнению с существующей технологией, а также повысило однородность и воспроизводимость формирования ОНС.
Метод ЛАО позволяет формировать оксидные наноразмерные структуры в пленке никеля в виде точек с диаметром от 25 до 100 нм, которые могут быть использованы в качестве каталитических центров при росте углеродных нанотрубок, а также нанокристаллов ZnO,ZnxMg1-xO.
Топологии и технологический маршрут формирования наноразмерных диодных структур, структуры логического вентиля и выпрямителя на основе наноразмерных каналов проводимости в титановой пленке в условиях фотонной стимуляции.
Реализация результатов работы
Диссертационная работа выполнялась в соответствии с планом госбюджетных научно-исследовательских работ кафедры ТМ и НА и НОЦ «Нанотехнологии» в 2005 – 2008 гг.: «Разработка теоретических основ построения систем мониторинга природной среды на базе микро- и нанотехнологий» (№ гос. регистрации 01200402781); «Проведение исследовательской работы в области нанотехнологий с привлечением студентов и аспирантов ТРТУ» (№ гос. регистрации 01200508390); «Разработка принципов
построения и основ теории нетермически активируемых технологических процессов создания элементной базы наноэлектроники» (№ гос. регистрации 01200501949); «Исследование принципов построения и процессов формирования структур нано- и микроэлектроники фотонно-стимулированными зондовыми методами и мощными потоками ИК- излучения» (№ гос. регистрации 02200607615).
Результаты диссертационной работы внедрены на промышленном предприятии: ЗАО «Нанотехнология – МДТ» (г. Москва), а также в учебный процесс на кафедре ТМ и НА ТТИ ЮФУ.
Апробация работы
Основные научные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на различных международных и всероссийских научных конференциях и семинарах, в частности: XIII Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика» (Зеленоград, 2006); VIII Всероссийская научная конференция студентов и аспирантови «Техническая кибернетика, радиоэлектроника и системы управления» (Таганрог, 2006); X Международная научная конференция и школа-семинар «Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники» (Дивноморское, Россия, 2006); VI Международная научная конференция «Химия твердого тела и современные микро- и нанотехнологии» (Кисловодск, 2006); Ежегодная научная конференция студентов и аспирантов базовых кафедр южного научного центра РАН (Ростов-на-Дону, 2005-2008); Международная научная конференция «Тонкие пленки и наноструктуры» (Москва, 2005); Международная научно-техническая школа-конференция «Молодые ученые – науке, технологиям и профессиональному образованию в электронике» (Москва, 2006); Международный симпозиум «Нанофизика и наноэлектроника» (Нижний Новгород, 2007, 2008).
Результаты работы отмечены дипломами ряда конференций и конкурсов научных работ: Всероссийского смотра-конкурса научно-технического творчества (Новочеркасск, 2005), Конференции Южного научного центра РАН (2005-2008), Всероссийской научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Техническая кибернетика, радиоэлектроника и системы управления» (Таганрог, 2006), Международной научно-технической школы-конференции «Молодые ученые – науке, технологиям и профессиональному образованию в электронике» (Москва, 2006).
Публикации
По теме диссертации опубликовано 12 печатных работ, в том числе, 4 статьи опубликовано в журналах, входящих в Перечень ВАК. В ВНИИТЦ зарегистрировано 7 отчетов по НИР.
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников. Содержание диссертации изложено на 150 страницах и включает: 59 страниц с рисунками, 4 страницы с таблицами и список использованных источников, включающий 103 наименований. В приложениях содержатся акты о внедрении результатов диссертационной работы.
КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
В введении обоснована актуальность темы диссертации, приведены цель работы, основные задачи исследований, научная новизна и практическая значимость работы, приведены сведения об апробации работы и структуре диссертации.
В первой главе представлен обзор современных литографических методов формирования структур интегральных микросхем, таких как: оптическая, электронно-лучевая, ионно-лучевая, рентгеновская литография, литография в экстремальном ультрафиолете. Рассмотрены основные принципы действия, достоинства и недостатки альтернативных методов нанолитографии, основанных на использовании сканирующего зондового микроскопа: динамическая атомно-силовая литография, полевое испарение, dip-pen нанолитография, локальное анодное окисление. Описаны конструкции и электрические характеристики устройств наноэлектронки, созданных методом локального анодного окисления. Рассмотрены подходы к модернизации нанолитографии методом ЛАО, показана перспективность применения фотонной стимуляции при формировании оксидных наноразмерных структур методом ЛАО. Сделан вывод, что для повышения однородности и воспроизводимости формирования оксидных наноразмерных структур методом ЛАО необходимо в зазор зонд-подложка АСМ ввести излучение, оказывающее дополнительное управляющее воздействие на рост ОНС.
Во второй главе представлены результаты моделирования и анализа механизмов локального анодного окисления металла. Показано, что на данный момент, несмотря на большое количество экспериментальных исследований метода ЛАО, механизм ЛАО точно не определен. Для выявления наиболее вероятных реакций, протекающих при ЛАО пленки титана, были проведены термодинамические расчеты, в результате которых показано, что наиболее вероятным является процесс Ti+O2 TiO2.
Проведена оценка распределения температуры в области воздействия зонда при ЛАО титана, в результате которой было показано, что в локальной области, определяемой радиусом закругления острия, под зондом АСМ температура подложки выше температуры испарения воды, и поэтому можно сделать вывод, что активные частицы окислителя поступают в зазор зонд-подложка не из пленки адсорбированной на поверхности подложки вода, а из газовой фазы атмосферы воздуха в технологической камере.
В рамках классической физической модели рассматривается зависимость толщины формируемых ОНС от времени роста, при этом связь между x0(t) и технологическими параметрами можно установить через потоки J1, J2 и J3. Транспорт молекул окислителя из объема газовой фазы к поверхности природного оксида металла, можно описать потоком J1, транспорт растворенных в оксиде молекул окислителя через слой природного оксида металла к границе MeOx-Me, характеризуемый потоком J2 и химическая реакция окисления металла, протекающая на границе MeOx-Me и характеризуемая потоком J3. В стационарном режиме потоки равны J1=J2=J3=J. Т.к. образование оксида непрерывно, происходит обеднение приповерхностной области газовой фазы за счет растворения молекул окислителя в MeOx, при этом в приповерхностном диффузионном слое толщиной  возникает градиент концентрации молекул окислителя, который создает диффузионный поток по направлению к границе.
 ,
|
(1)
|
где  – коэффициент массопереноса в газовой фазе, связанный с коэффициентом диффузии молекул окислителя  следующим выражением  ;  – концентрация молекул окислителя;  – поверхностная концентрацию молекул окислителя. Толщина диффузионного слоя является феноменологическим параметром и определяется экспериментально.
 ,
|
(2)
|
где  – толщина оксида;  – вероятность захвата свободного электрона нейтральным атомом кислорода;  – напряженность электрического поля системы зонд-подложка;
 ,
|
(3)
|
где k1 – константа скорости реакции окисления металла
В результате получены расчетные выражения для скорости роста оксида и зависимости толщины оксида от времени:
 ,
|
(4)
|
где  – удельная плотность атомов в оксиде (число атомов необходимое для образования единицы объема оксида);  – коэффициент массопереноса молекул окислителя в газовой фазе;  – коэффициент диффузии частиц окислителя.
Проинтегрировав выражение (4) было получено выражение зависимости толщины оксида от времени:
 .
|
(5)
|
В результате моделирования были получены зависимости скорости роста ОНС от толщины оксида титана (рис. 1) и зависимости высоты ОНС от времени проведения ЛАО при различной влажности воздуха и фотонной стимуляции УФ- и ИК-излучением (рис. 2).
|
Рис. 1 Зависимость скорости роста ОНС титана от толщины окисла при влажности 70%:
1 – теоретическая; 2 – экспериментальная; 3 – при ИК-стимуляции; 4 – при УФ-стимуляции
|
|
Рис. 2 Зависимость высоты ОНС от времени проведения ЛАО при различной влажности воздуха: 1, 2, 3 – теоретические результаты при 50%, 70% и 90%, соответственно; 4 – экспериментальные результаты при 70%;
5 – экспериментальные результаты из [1]
|
Анализ зависимости, представленной на рис. 1 показал, что по мере увеличения толщины формируемого оксида при относительной влажности 70% скорость его роста уменьшается экспоненциально, тогда как экспериментальная кривая при такой же влажности сначала уменьшается по линейной зависимости (толщина оксида 3 нм), а затем наблюдается уменьшение скорости по экспоненте. При толщине оксида порядка 4,2 нм скорость практически равна нулю и процесс окисления прекращается. Также из рис. 1 видно, что скорость окисления при УФ- и ИК-стимуляции меньше, чем без нее и также имеет линейный и экспоненциальный участки на кривых, что коррелирует с экспериментальными данными, представленными в третьей главе. Анализ зависимости толщины формируемого оксида от длительности импульсов (времени) напряжения, прикладываемого к системе зонд-подложка, приведенной на рис. 2 показал, что при увеличении относительной влажности происходит рост кривых, однако экспериментальная зависимость, полученная при 70%, имела большее насыщение на начальном этапе роста (до 100 мс) по сравнению с рассчитанной по модели. При этом экспериментальные данные (из главы 3), подтверждаются данными из [1].
Изменение геометрических размеров формируемого оксида может быть связано с влиянием излучения на процессы образования ионов в области окисления. Из модели низкотемпературного окисления известно, что в процессе формирования оксида участвуют ионы Ti2+, O2- и OH-, которые под действием приложенного потенциала диффундируют через окисел и стимулируют образование на поверхности титановой пленки нестабильное соединение, которое распадается на TiO2 и водород. Концентрация ионов окислителя зависит от влажности окружающей среды. Поскольку при проведении экспериментальных исследований влажность внутри технологической камеры поддерживалась постоянной, то уменьшение геометрических размеров формируемого оксида связано с уменьшением концентрации ионов O2- и OH- при воздействии излучения.
Вторым возможным механизмом влияния излучения на изменение геометрических параметров наноразмерных структур оксида титана являются эффекты изменения величины и перераспределения поверхностного заряда и связанные с этим изменения поверхностного потенциала, удельного сопротивления материала в приповерхностном слое и сопротивления растекания, что приводит к изменению характерного диаметра области, в которой протекают основные процессы токо и массопереноса при локальном анодном окислении.
|
