Разработка и исследование технологических основ процесса фотонностимулированного локального анодного окисления нано структур на основе si/sio 2 /ti

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

1. 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.
2. 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.
3. 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.
4. Проведены комплексные исследования режимов формирования оксидных наноразмерных структур в пленки титана методом ЛАО в условиях фотонной стимуляции некогерентным УФ- и ИК-излучением.

Практическая значимость:

1. 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.
2. 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.
3. 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.
4. Получены наноразмерные структуры логического вентиля, диода и выпрямителя на основе наноразмерных каналов проводимости в титановой пленке с помощью АСМ.
5. 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

1. 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.
2. 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.
3. Предложенный метод, основанный на фотонной стимуляции нанолитографии методом ЛАО, позволяет получать однородные наноразмерные каналы проводимоти с поперечными размерами порядка 10 нм.
4. 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.
5. 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.
6. 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+O2TiO2.

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.

В третьей главе представлены результаты экспериментальных исследований режимов формирования ОНС в тонкой пленки титана методом ЛАО, в условиях фотонной стимуляции. Экспериментальные исследования активируемых процессов формирования ОНС в пленке титана методом ЛАО проводилось на СЗМ Solver P47 Pro (производитель - ЗАО “Нанотехнология - МДТ”, г. Зеленоград) с использованием поставляемых в комплекте принадлежностей и программного обеспечения.

Описывается методика получения ОНС методом фотонностимулированного ЛАО, основанная на облучении области, в которой проводилось ЛАО, УФ-светодиодом (CREE, USA) и ИК-светодиодом (АЛ-103А) максимальные значения интенсивности излучения которых соответствовали длинам волн 395 и 900 нм. При проведении векторной нанолитография в динамическом режиме АСМ, интенсивность взаимодействия зонда с поверхностью подложки обратно-пропорциональна току цепи обратной связи системы управления сканирующего зондового микроскопа (в программе Nova RC1 – параметр Set Point). Влажность внутри технологической камеры контролировалась с помощью цифрового измерителя влажности Oregon Scientific ETHG913R и составляла 50, 70 и 90±1%. Используя кремниевые кантилеверы марки NSG10 с проводящим W2C покрытием, при приложении импульсов напряжения амплитудой в диапазоне от 5 до 10 В, длительностью 100 мс и скорости сканирования – 1 мкм/с, на поверхности тонкой пленки титана формировались матрицы регулярных оксидных наноразмерных структур в виде точек. Выбор структуры обусловлен тем, что, с одной стороны, она обеспечивает достаточное количество объектов для достоверной статистической обработки экспериментальных результатов, а с другой стороны широко применяется в приборах наноэлектроники в качестве матрицы центров рассеяния с регулируемыми топологией и параметрами. Затем проводилась статистическая обработка полученных АСМ-изображений с использованием программного пакета Image Analysis 2.0 (ЗАО “Нанотехнология-МДТ”, г. Зеленоград). По полученным статистическим данным были построены зависимости средних значений высоты и диаметра оксидных наноразмерных структур от амплитуды напряжения, приложенного к системе зонд-подложка, при различных значениях влажности и тока цепи обратной связи системы управления СЗМ, представленные на рис. 3-4.

а)	б)
Рис. 3 Зависимость высоты оксидных наноразмерных структур титана от приложенного напряжения при относительной влажности – 90% и а) – SetPoint=0,1 нА; б) – SetPoint=0,5 нА 1 – без стимуляции; 2 – ИК-стимуляция; 3 – УФ-стимуляция

Анализ полученных зависимостей показывает, что при увеличении тока цепи обратной связи системы управления СЗМ происходит уменьшение геометрических размеров оксидных наноразмерных структур (рис. 3). Причиной этого эффекта является увеличение расстояния между зондом и поверхностью подложки, за счет изменения параметра SetPoint. Помимо этого установлено, что стимуляция УФ- и ИК-излучением оказывает подавляющее воздействие на процесс ЛАО пленки титана, в результате чего происходило уменьшение высоты и диаметра оксидных наноразмерных структур. Также из полученных экспериментальных данных следует, что УФ-стимуляция процесса ЛАО пленки титана приводит к увеличению значение порогового напряжения с 5,5 до 6 В при относительной влажности 90% (рис. 3,а) и с 6 до 7 В при относительной влажности 50% (рис. 4,а).

а)	б)
Рис. 4 Зависимость высоты (а) и диаметра (б) ОНС титана от приложенного напряжения при относительной влажности – 50% и SetPoint=0,3 нА 1 – без стимуляции; 2 – ИК-стимуляция; 3 – УФ-стимуляция

Выявлены закономерности влияния длительности импульсов напряжения на геометрические параметры формируемых ОНС в пленке титана методом ЛАО в условиях фотонной стимуляции. ЛАО проводилось путем подачи импульсов напряжения амплитудой 10 В с длительностью в диапазоне от 10 до 1000 мс при трех значениях относительной влажности (50, 70 и 90%), как при стимуляции УФ- и ИК-излучением, так и без нее. Ток цепи обратной связи системы управления СЗМ (параметр SetPoint) составлял 0,5 нА, скорость сканирования – 1,5 мкм/с. На рис. 5,а показано АСМ-изображение полученных ОНС. В результате статистической обработки АСМ-изображений были получены зависимости высоты ОНС от длительности импульса приложенного напряжения, приведенные на рис. 5,б.

Из полученных зависимостей следует, что высота ОНС, сформированных при УФ- и ИК-стимуляции меньше, чем при проведении ЛАО без стимуляции, что подтверждает представленные ранее результаты, приведенные на рис. 3-4. Из представленных данных также следует, что при относительной влажности 50% УФ-стимуляция увеличивает пороговое значение длительности импульсов напряжения с 50 до 100 мс. Более слабое влияние УФ-стимуляции на пороговую длительность импульсов напряжения наблюдалась при относительной влажности 70 и 90%. Зависимость высоты оксида, сформированного при влажности 50% и УФ-стимуляции соответствует с рассчитанными зависимостями по разработанной модели.

а)	б)
Рис. 5 АСМ-изображение ОНС титана, сформированных методом ЛАО при различной длительности импульсов напряжения (а). Зависимость высоты оксидных наноразмерных структур титана от длительности импульсов напряжения при относительной влажности 50% (б)

Описываются закономерности влияния фотонной стимуляции на однородность и воспризводимость геометрических параметров ОНС, а также наноразмерных каналов, формируемых в пленке титана методом ЛАО в условиях фотонной стимуляции. В качестве основных параметров, характеризующих разрешающую способность и воспроизводимость процесса нанолитографии методом ЛАО, использовались средние значения и стандартные отклонения площади основания и максимальной высота оксидных наноразмерных структур. Плоскость сечения, в которой определялась площадь основания структур, проводилась параллельно плоскости подложки на высоте 0,5 нм. Затем, используя полученный массив данных и программный пакет MathCAD, построены гистограммы плотности распределения полученных геометрических параметров наноразмерных структур. Анализ полученных данных показывает, что при проведении ЛАО с УФ- и ИК- стимуляцией средние значения и стандартные отклонения площади основания и максимальной высоты наноразмерных структур меньше, чем при проведении нанолитографии без стимуляции. Меньшие значения стандартных отклонений указывают на большую однородность геометрических параметров наноразмерных структур при проведении ЛАО с УФ- и ИК- стимуляцией. В сочетании с уменьшением средних значений площади основания, это приводит к увеличению латеральной разрешающей способности и воспроизводимости нанолитографии методом ЛАО при УФ- и ИК- стимуляции.

Для проверки полученных выводов и исследования влияния фотонной стимуляции на процессы нанолитографии проводилось формирование наноразмерных каналов методом ЛАО. Растровая нанолитография, по шаблону в виде трех пар линий с одинаковым расстоянием между ними, проводилось на пленке титана при облучении области окисления источниками УФ- и ИК- излучения.

а)	б)
Рис. 6 3D АСМ-изображение поверхности пленки титана после проведения ЛАО (а). Профилограмма (б)

Анализ показывает, что при УФ-стимуляции между оксидными линиями формировался канал из титана с поперечными размерами порядка 11 нм, однородный по всей длине (рис. 6,а). В случае отсутствия фотонной стимуляции, и при облучении ИК-излучением оксидные линии сращивались, и канал не формировался (рис. 6,б).

Описывается методика исследования термической активации процессов формирования ОНС в пленке титана методом ЛАО. В которой подложка Si/SiO2 с нанесенной тонкой пленкой титана подвергалась нагреву с помощью температурного столика SU003 в диапазоне от 25 до 110 С. При проведении ЛАО влажность в технологической камере составляла 80±1%. Используя кремниевые кантилеверы с проводящим W2C покрытием, при приложении импульсов напряжения (длительность - 100 мс, амплитуда – 10 В, SetPoint - 0,1 нА, скорость сканирования - 0,5 мкм/с), в пленке титана формировались оксидные наноразмерные структуры в виде линий. На рис. 7 показаны АСМ-изображения ОНС, полученных при температуре подложки 25С (рис. 7,а) и 110 С (рис. 7,б).

По результатам статистической обработки полученных АСМ-изображений построены графики зависимости геометрических параметров (высота и ширина) ОНС от температуры подложки, показанные на рис. 8. Анализ зависимостей (рис. 8, а,б) показывает, что при повышении температуры подложки от 25 до 55С происходит постепенное увеличение высоты ОНС с 4,6±0,4 нм до 5,6±0,2 нм.

а)	б)
Рис. 7 АСМ-изображение поверхности пленки титана после проведения ЛАО при температуре подложки: а) – 25 С; б) – 110 С

В результате показано, что геометрические размеры ОНС, сформированных в пленке титана методом ЛАО, зависят от температуры подложки. Формирование ОНС при температуре 100С и выше показывает, что наличие пленки воды на поверхности подложки не является единственным лимитирующим фактором, ограничивающим проведение ЛАО.

а)	б)
Рис. 8 Влияние температуры подложки на высоту (а) и ширину (б) ОНС при проведении ЛАО

При исследовании влияния материала кантилеверов на геометрические параметры ОНС, зондовая нанолитография методом ЛАО проводилась в векторном режиме на пленке титана при подаче импульсов напряжения к системе зонд-подложка (амплитуда – 10 В, длительность импульсов – 300 мс, SetPoint – 0,3 нА). В условиях постоянной относительной влажности – 70±1% формировались ОНС в виде точек с использованием кремниевых кантилеверов с различным проводящим покрытием (W2C, Pt, TiN, поликремний и алмазное покрытие).

По полученным статистическим данным были построены зависимости высоты и диаметра ОНС от работы выхода материала покрытия кантилевера – К, а также разности работ выхода материала покрытия кантилевера и материала подложки (титан) К- Ti, приведенные на рис. 9.

Анализ полученных экспериментальных данных показал, что ОНС, сформированные кантилеверами с меньшей работой выхода материала проводящего покрытия (TiN) имели большие значения диаметра, по сравнению с другими покрытиями (W2C, поли-Si). При этом явно выраженной зависимости высоты ОНС от материала покрытия кантилевера не наблюдалось. Геометрические параметры ОНС, сформированных кантилеверами с алмазным покрытием, имели самые большие значения за счет большого диаметр зонда (~70 нм). Полученные экспериментальные результаты также коррелировали с результатами, показанными на рис. 4,б (в виде ), исследований разрешающей способности метода ЛАО от материала покрытия кантилевера [2]. Также при УФ-стимуляции ЛАО наблюдалось уменьшение геометрических параметров ОНС.

а)	б)
Рис. 9 Зависимость высоты (а) и диаметра (б) ОНС титана от работы выхода и разности работ выхода проводящего покрытия кантилевера и титана, сформированных методом ЛАО без () и с УФ-стимуляцией (), – экспериментальные результаты из [2]

Актуальной задачей является отработка режимов формирования каталитических центров на основе ОНС никеля, формируемых с помощью метода ЛАО, для повышения воспроизводимости синтеза упорядоченных массивов нанокристаллов, а также управление их геометрическими размерами. В диссертационной работе были отработаны режимы формирования ОНС в пленке никеля, которые могут быть использованы в качестве каталитических центров для роста углеродных нанотрубок, а также нитевидных нанокристаллов ZnO, ZnxMg1-xO.

В четвертой главе приведены экспериментальные результаты влияния фотонной стимуляции некогерентным УФ- и ИК-излучением на процесс формирования и геометрические характеристики (поперечная ширина) наноразмерных каналов проводимости в пленке титана. Формирование наноразмерных каналов проводилось в режиме растровой нанолитографии методом ЛАО при подаче импульсов напряжения амплитудой 10 В, скорости сканирования – 1 мкм/с, относительной влажности 70±1% и SetPoint -0,5 нА. На рис. 10 приведены АСМ-изображения полученных наноразмерных каналов проводимости методом фотонностимулированного ЛАО некогерентным УФ- и ИК-излучением. Светлые области на скане соответствуют оксиду титана, тёмные соответствуют неокисленным участкам плёнки титана.

Анализ АСМ-изображений показывает, что наиболее однородный по всей длине канал шириной порядка 10 нм (рис. 10, г), показанный на рис. 10, в, был получен при УФ-стимуляции. При проведении ЛАО в условиях стимуляции ИК-излучением и без сформированнные наноразмерные каналы (рис. 10, а и д) при одних и тех же режимах были неоднородными по всей длине (рис. 10, б), а также в некоторых областях канала происходило сращивание двух оксидных линий между собой, при этом канал не формировался (рис. 10, е).

а)	б)
в)	г)
д)	е)
Рис. 10 АСМ-изображения наноразмерного канала проводимости после проведения ЛАО на поверхности пленки титана: а) – без фотонной стимуляции; в) – при УФ-стимуляции; д) – при ИК-стимуляции; б, г, е) – профилограммы вдоль линии на а, в и д соответственно

На рис. 11 и 12,а показаны АСМ-изображения наноразмерных структур на основе каналов проводимости с поперечными размерами порядка 10 нм, сформированных методом ЛАО с помощью СЗМ Solver P47 Pro, используя кремниевых кантилеверы с W2C покрытием в атмосфере влажного воздуха, относительная влажность которого поддерживалась постоянной и составляла 80 ±1%, при приложении импульсов напряжения 10 В, скорости сканирования – 1 мкм/с. На рис. 12,б приведена ВАХ наноразмерной структуры, измеренная в режиме АСМ спектроскопии. Схема проведения измерений показана на рис. 12,б. На ВАХ структуры с наноразмерным каналом проводимости, показанной на рис. 12,б, наблюдается несколько ступенек проводимости, что может быть связано с квантованием проводимости наносужения. ВАХ пленки титана, измеренная за пределами оксидной наноструктуры, была омической и имела много большие значения проводимости.

Рис. 11 АСМ-изображение наноразмерной структуры диода, сформированного в пленке титана методом ЛАО

а)	б)
Рис. 12 АСМ-изображение структуры с наноразмерным каналом (а). ВАХ структуры с наноразмерным каналом (б).

Структуры с такими характеристиками могут быть пригодны для создания диодов наноэлектронных цепей. Кроме того такие структуры, сформированные в полупроводниковых гетероструктурах, содержащих двумерный электронный газ, могут использоваться в качестве наноразмерных ячеек памяти [3].

Представлены разработанные топологии различных типов наноэлектронных структур. Такие структуры могут быть сформированы как на системах металл-окисел-полупроводник, так и на полупроводниковых гетероструктурах, содержащих слой двумерного электронного газа.

Формирование структур элементов наноэлектроники проводилось на поверхности пленки титана с помощью зондовой нанолаборатории (ЗНЛ) Ntegra Aura (производитель – ЗАО “Нанотехнология–МДТ”, г. Зеленоград) методом ЛАО в динамическом режиме АСМ.

Полученные структуры на основе каналов проводимости будучи планарными структурами, являются гибкими элементами для конструирования схем наноэлектроники, имеющих относительно меньшие проблемы соединения элементов. Это может быть показано на примере разработки и формирования выпрямителя на основе 4-х наноразмерных каналов (рис. 13). Основным достоинством таких структур является то, что операция литографии осуществляется за один шаг.

а)	б)
Рис. 13 Схемы (а) и АСМ-изображение (б) структуры выпрямителя, сформированного в пленке титана методом ЛАО

На рис. 14 показано АСМ-изображение структуры логического вентиля (ИЛИ) на основе двух наноразмерных каналов проводимости, сформированного в пленке титана методом ЛАО. Такая простая планарная структура при приложении напряжения к входу 1 и входу 2 может выполнять функцию логического вентиля, работающего при комнатной температуре.

Для формирования элементов наноэлектроники на основе наноразмерных каналов проводимости, выполненных в тонкой пленке титана методом ЛАО, был разработан шаблон многофункциональной тестовой структуры с использование многофункционального нанотехнологического комплекса НАНОФАБ НТК-9 (ЗАО “Нанотехнология-МДТ”, г. Зеленоград). Внешние электроды связаны с центральной модифицируемой областью, в основе которой лежит анодоокисляемый материал. Ширина дорожек связана с минимальным размером фотолитографии. Критическим параметром является шероховатость модифицируемой части образца в виде «квадрата», которая должна удовлетворять следующим требованиям:

1. обеспечение стабильного протекания тока с минимальным вкладом собственного сопротивления;

2. прокисление металлической пленки на всю толщину.

Многофункциональный нанотехнологический комплекс НАНОФАБ НТК-9 (ЗАО “Нанотехнология-МДТ”, г. Зеленоград) является модульной технологической платформой, включающей технологические установки с возможностями групповых и нанолокальных методов обработки подложек диаметром до 100 мм. В единую в сверхвысоковакуумную систему технологических модулей входят модули для групповых (МЛЭ) и для локальных воздействий (ФИП, СЗМ и др.) с возможностью прецизионного транспорта и позиционирования образца. Технический потенциал НАНОФАБ НТК-9 позволяет формировать наноразмерные структуры методами зондовой нанолитографии и методом фокусированных ионных пучков, что характеризует данное устройство, как мощный инструмент для разработки и изготовления наноструктур и элементов наноэлектроники на их основе.

Для реализации приборов были разработаны технологические маршруты изготовления элементов наноэлектроники на основе металлических пленок и полупроводниковой гетероструктуры применительно к НАНОФАБ НТК-9.

Рис. 14 АСМ-изображение структуры логического вентиля (ИЛИ), сформированного в пленке титана методом ЛАО

В заключении сформулированы основные результаты работы.

1. Проведен анализ влияния фотонного излучения на процессы формирования оксидных наноразмерных структур методом локального анодного окисления. Показано, что фотонное излучение оказывает дополнительное внешнее воздействие на кинетику процесса ЛАО, что может быть использовано для управления параметрами формируемых ОНС и модификации их свойств.
2. Разработана математическая модель процессов формирования наноструктур методом ЛАО, учитывающая напряженность электрического поля системы зонд-подложка, фотонную стимуляцию и относительную влажность
   внутри технологической камеры. Использование этой модели позволяет определить режимы формирования наноструктур в условиях фотонной стимуляции.
3. Определены режимы фотонностимулированного ЛАО пленки титана, которые позволили позволили повысить разрешающую способность и воспроизводимость данного метода зондовой нанолитографии.
4. .
5. Выявлены закономерности влияния материала проводящего покрытия кантилеверов на геометрические параметры формируемых методом ЛАО оксидных наноразмерных структур. Показано, что при уменьшении работы выхода проводящего покрытия кантилеверов происходит увеличение диаметра формируемых ОНС за счет увеличения диаметра пятна автоэлектронной эмиссии с зонда АСМ.
6. Разработана методика и получены режимы воспроизводимого формирования однородных наноразмерных каналов проводимости методом ЛАО с поперечными размерами порядка 10 нм, основанная на облучении локальной области под зондом АСМ некогерентным УФ- и ИК-излучением. Показано, что при УФ-стимуляции формировался однородный по всей длине канал шириной порядка 10 нм.
7. Экспериментально реализованы наноразмерные структуры на основе наноразмерных каналов проводимости в тонкой пленке титана методом ЛАО, ВАХ которых имели ассиметричный вид, а также имели несколько ступенек проводимости, что может быть связано с квантованием проводимости наноразмерного сужения.
8. Разработаны и экспериментально реализованы наноразмерные структуры диода, логического вентиля и выпрямителя на основе наноразмерных каналов проводимости в пленке титана с помощью нанолиографии методом ЛАО.
9. Разработана топология тестовой структуры для создания планарных элементов наноэлектроники и технологические маршруты его изготовления на основе металлических пленок и полупроводниковых гетероструктур по микроэлектронной технологии применительно к НАНОФАБ НТК - 9.

В приложениях приведены: список публикаций по теме диссертации, акты внедрения на промышленных предприятиях и в научных организациях, акты использования научных результатов в учебном процессе.

ЦИТИРУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА

1.Асеев, А.Л. Нанотехнологии в полупроводниковой электронике [Текст] / А.Л. Асеев. – Новосибирск: Издательство СО РАН, 2004. – 368 с.

2. Белов, А.Н. Нанотехнологии на основе анодных оксидов материалов [Текст] / А.Н. Белов, С.А. Гаврилов, М.Г. Путря, В.И. Шевяков // Известия Вузов. Электроника. – 2006. – № 5. – С. 93-98.

3. Кравченко, А.Ф. Электронные процессы в твердотельных системах пониженной размерности [Текст] / А.Ф. Кравченко, В.Н. Овсюк. – Новосибирск: Изд-во Новосиб. ун-та, 2004. – 448 с.

Основные публикации по теме диссертационной работы

1. Агеев О.А., Смирнов В.А. Нанолитография методом локального анодного окисления полупроводников и металлов // Известия ТРТУ, 2005, №9, с. 97
2. Агеев О.А., Коломийцев А..С., Поляков В.В., Светличный А.А., Смирнов В.А. Исследование процесса локального анодного окисления пленки титана при стимуляции ультрафиолетовым излучением // Труды МНК «Тонкие пленки и наноструктуры» (ПЛЕНКИ - 2005) 22-26 ноября 2005 г., г. Москва, – Ч.1, – С. 160-163
3. Смирнов В.А. Формирование наноразмерных структур методом локального анодного окисления пленки титана // Материалы первой ежегодной научной конференции студентов и аспирантов базовых кафедр Южного научного центра РАН. г. Ростов-на-Дону, 2005, с. 268-269.
4. Смирнов В.А. Исследование фотонно-стимулированных процессов локального анодного окисления для формирования элементов металлической наноэлектроники // Материалы второй ежегодной научной конференции студентов и аспирантов базовых кафедр Южного научного центра РАН. г. Ростов-на-Дону, 2006, с. 156-157.
5. Агеев О.А., Поляков В.В., Смирнов В.А. Исследование влияния фотонной стимуляции на процессы локального анодного окисления // Известия ТРТУ №9 Материалы LII Научно-технической конференции профессорско-преподовательского состава, аспирантов и сотрудников Таганрогского государственного радиотехнического университета (ТРТУ), Таганрог, 2006, с. 117.
6. Агеев О.А., Коломийцев А.С., Светличный А.М., Смирнов В.А. Исследование режимов формирования элементов наноэлектроники методом локального анодного окисления // материалы VIII Всероссийской научной конференции студентов и аспирантов «Техническая кибернетика, радиоэлектроника и системы управления», Таганрог, 2006, стр. 262-263.
7. Агеев О.А., Светличный А.М., Смирнов В.А. Исследование влияния режимов фотонной стимуляции на процессы нанолитографии методом локального анодного окисления // материалы конференции «Микроэлектроника и информатика 2006», Зеленоград, 2006, стр. 4.
8. Агеев О.А., Поляков В.В., Светличный А.М., Смирнов В.А. Исследование режимов активируемых процессов локального анодного окисления пленки титана // Материалы конференции “Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники, ПЭМ 2006”, п. Дивноморское, Краснодарский край, 24-29 сентября 2006г., с. 32-35.
9. Агеев О.А., Коломийцев А.С., Поляков В.В., Светличный А.М., Смирнов В.А. Исследование режимов зондовых технологических процессов формирования оксидных наноструктур // Материалы VI Международной научной конференции «Химия твердого тела и современные микро- и нанотехнологии» г. Кисловодск, 2006, с. 421-422.

10. Агеев О.А., Коломийцев А.С., Поляков В.В., Светличный А.М., Смирнов В.А. Формирование наноразмерных структур в пленке титана методом фотонно-стимулированного локального анодного окисления // Материалы IV Международной научной школы-конференции “Молодыеученые – науке, технологии и профессиональному образованию в электронике”«Молодые ученые - 2006» г. Москва, 2006 г., Т. 2, стр. 219-222.
11. Агеев О.А., Коноплев Б.Г., Поляков В.В., Светличный А.М., Смирнов В.А. Зондовая фотонно-стимулированная нанолитография структур на основе пленки титана // Микроэлектроника, Том 36, № 6, 2007. - С. 403-408
12. Агеев О.А., Поляков В.В., Светличный А.М., Смирнов В.А., Коломийцев А.С. Исследование режимов фотонностимулированной зондовой нанолитографии методом локального анодного окисления // Материалы XI Международного симпозиума «Нанофизика и наноэлектроника» Нижний Новгород, 2007, с. 448-449
13. Смирнов В.А. Влияние УФ- и ИК- излучения на закономерности образования наноразмерных структур методом локального анодного окисления // Материалы третьей ежегодной научной конференции студентов и аспирантов базовых кафедр ЮНЦ РАН. Ростов-на-Дону, 5-24 апреля 2007 г., стр. 189-190
14. Смирнов В.А. Исследование влияния процессов термической активации на формирование наноструктур методом локального анодного окисления // Тезисы докладов IV ежегодной научной конференции студентов и аспирантов базовых кафедр Южного научного центра РАН. 9-18 апреля Ростов-на-Дону. Ростов н/Д: Изд-во ЮНЦ РАН, 2008. – С. 152-153.
15. Агеев О.А., Поляков В.В., Светличный А.М., Смирнов В.А. Исследование термической активации зондовой нанолитографии методом локального анодного окисления пленки титана // Материалы XII Международного симпозиума «Нанофизика и наноэлектроника» Нижний Новгород, 2008. – Т. 2. – С. 408-409.
16. Агеев О.А., Коноплев Б.Г., Поляков В.В., Светличный А.М., Смирнов В.А. Исследование режимов фотонностимулированной зондовой нанолитографии методом локального анодного окисления пленки титана // Нано- и микросистемная техника. – 2008. – №1. – С. 1-3.

В работах, опубликованных в соавторстве, лично автору принадлежат: в [1-4] – результаты теоретического анализа основных наноразмерных структр, формируемых методом ЛАО; [2,6,7-16] – экспериментальные результаты по исследованию влияния фотонного излучения на геометрические параметры формируемых методом ЛАО ОНС; [3,13] – модель расчета скорости ЛАО при формировании оксидных наноразмерных структур в пленке титана; [5,7-16] – АСМ-изображения ОНС; [10,11] – технологические маршруты формирования элементов наноэлектроники на основе каналов проводимости; [14,15] – экспериментальные зависимости влияния температуры подложки на геометрические параметры формируемых методом ЛАО ОНС; [10,11,16,] – анализ механизмов при фотонной стимуляции ЛАО.

Тип. ТТИ ЮФУ Заказ № тир. Экз. 100

Издательство Технологического института Южного федерального университета в г. Таганроге

ГСП - 17А, Таганрог, 28, Некрасовский, 44

Типография Технологического института Южного федерального университета в г. Таганроге

Таганрог, 28, ГСП 17А, Энгельса, 1