автореферат диссертации по электронике, 05.27.01, диссертация на тему:Формирование и электрофизические свойства двухэлектродных планарных элементов наноэлектроники

ВВЕДЕНИЕ

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ПОСТАНОВКА

1.1. ЛИТОГРАФИЯ. ПОНЯТИЕ И МЕТОДЫ.ю

1.2. ЛИТОГРАФИЯ С ПОМОЩЬЮ СКАНИРУЮЩЕГО ЗОНДОВОГО МИКРОСКОПА.и

1.2.1. Механическая модификация.J

1.2.2. Испарение в поле.

L2S Локальное отслтш поверхностей,

1.2.4. «Dip-реп» литография.

1.2.5. Раэеитие методики.

1.3. ПРОЦЕСС ОКИСЛЕНИЯ КРЕМНИЯ^ МЕТАЛЛОВ.

1.3.1. Окисление кремния.

1.3.2. Окисятие металлов.

1.4. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ОКИСЛЕНИЯ МЕТАЛЛОВ.

1.5. КВАНТОВЫЕ СВОЙСТВА НАНОПРОВОДНИКОВ.

1.6. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ПО РЕАЛИЗАЦИИ АППАРАТНЫХ СРЕДСТВ И МЕТОДИК ФОРМИРОВАНИЯ И ИССЛЕДОВАНИЯ ДВУХЭЛЕКТРОДНЫХ ПЛАНАРНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ НАНОЭЛЕКТРОНИКИ.Ш

2. РАЗРАБОТКА МЕТОДИК ФОРМИРОВАНИЯ ДВУХЭЛЕКТРОДНЫХ ПЛАНАРНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ НАНОЭЛЕКТРОНИКИ.

2.1. ВЫБОР МЕТОДИКИ НАНЕСЕНИЯ ТИТАНОВЫХ ПЛЕНОК.

2.2. ВЫБОР МЕТОДЖИ ЛОКАЛЬНОГО АНОДНОГО ОКИСЛЕНИЯ.

2.2.1. Влияние взаимодействия иглы атомно-силового микроскопа с поверхностью исследуемого объекта на процесс локального окисления.

2.2.2. Развитие методики работы АСМ.

2.3. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ОКИСЛЕНИЯ ТИТАНОВЫХ ПЛЕНОК.

2.3.1. Процесс естественного окисления титановых поверхностей.

2.3.2. Исходные характеристики титановых пленок.

-32.3Л Окисление тгтанаеых тенок с помощью АСМ.—

2.3.4. Состав оксида.

2.3.5. Влияние отрицательного приложенного напряжения.

2.4. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ЭКСПЕРИМЕНТОВ С ЛОКАЛЬНЫМ ОКИСЛЕНИЕМ.

2.4.1. Разработка устройства держателя образца.

2.4.2. Интерфейс для обработки вольтамперныххарактеристик.

2.5. ФОРМИРОВАНИЕ ДОРОЖЕК ПОСРЕДСТВОМ АНОДИРОВАНИЯ.

2.5.1. Теоретическое обоснование локалыюго анодного окисления с учетом протекания переменного тока в диэлектрике.

25.2 Технология изготовления исследуемых наноструктур.

2.5.3. Сужение дорожек посредством локального анодного окисления.

2.5.4. Электрические измерения.

Задача уменьшения линейных размеров используемых элементов - одна из основных в микросиетемной технике. Создание элементов устройств с характерными размерами порядка единиц и десятков нанометров качественно меняет электронику явлений и переводит ее в новую область - наноэлектронику [1]. Изменяются и физические явления, лежащие в основе работы элементов -ОНИ будут работать преимущественно на принципах квантовой механики.

На протяжении последних 40 лет размеры ачектронных устройств постоянно уменьшались. Огромные инвестиции в исследования и разработку привели к возможности создания структур с микрометровыми размерами. Промышленность находится в состоянии постоянной погони за дальнейшим уменьшениш размеров интегральных схем (ЙС) для того, чтобы увеличивать скорость и уменьшать потребление энергии и стоимость изготовления одного транзистора. Компоненты меньшего размера, больше компонентов на одной подложке, и, следовательно, выше выработка с пластины.

Производство ИС основывается на процессе оптической литографии. Хотя на протяжении многих лет размер ШСТем рассматривался как предельное ограничение д-дя оптической литографии, промышленность преуспела в сдвиге этого предела в меньшую сторону. Традиционные методы, включающие создание масок на поверхности полупроводниковых пластин с последующим применением микролитографий все более высокого, в том числе рентгене-, электроно- и ионной литографий, а также синхротронного излучения, возмстно приведут к созданию элементов с нанометровыми поперечными размерами [2]. Однако, в конечном счете, оптическая литография достигнет физического предела, и, понадобятся новые технологии для производства устройств с нанометровыми размерами.

В настоящее время ведется большое количество разработок в направлении развития литографических инстрзшентов для производства структур меньше чем ЮОнм. Альтернативным подходом к созданию функциональных элементов ванометровьщ размеров явдяетеж ппйвлечеЕие методов лттруктт туннельной и атомно-силовой микроскопии, в основе которой лежит использование зонда с минимально возможным радиусом острия для «осязания» поверхности исследуемых образцов. Зонд можно использовать не только для визуализации объектов на подложке, но и для формирования их в нанометровых областях [3]. Совокупность способов и приемов создания функциональных элементов нанометровых размеров на поверхности подложек с помощью зонда с возможностью одновременной визуализации и контроля называют туннельно-зондовой нанотехнологией. Одной из многообещающих методик является методика локального окисления с помощью атамно-силового микроскопа (АСМ). Металл превращается в диэлектрик локально путем приложения напряжения между АСМ-иглой и металлом. При использовании тонких пленок, они [пленки] могут быть окислены полностью до подложки, тем самым, позволяя создавать изолирующие области, которые разделяют металлические области.

Возможность применения зондовой микроскопии для решения различных задач определяется наличием не только прибора, но и специальных методик для исследования тех или иных объектов. Поскольку эта техника находится в процессе развития, к настоящему времени не создан стандартный набор методик, какз например, а электронной микроскопии. Поэтому для расширения области применения зондовой нанотехнологии актуально развитие методик и адаптация их для проведения различных исследований.

Уменьшение размеров электронных устройств также интересно с физической точки зрения. В определенный момент времени раЛхЛэы созданных структур становятся сравнимы с характеристическими длинами для электронов. Эти феномены обычно можно наблюдать только при очень низких температурах (4,2К). Однако, когда размеры становятся достаточно малыми, некоторые квантовые феномены можно наблюдать даже при комнатной температуре.

Целью диссертационной работы является {шработка методов формирования двухэлектродных штанарных элементов наноэлектроники при комнатной температуре с помощью атомно-силового микроскопа, исследование шк электрофизических, свойств и создание макета устройств ш их. основе. В круг исследуемых задач входят;

- изучение процессов переноса в структурах с низкой размерностью;

- разработка метода формирования планарных элементов с нанометровыми поперечными размерами с помощью атсшно-еиловей дртографш1

- изучение механизмов и кинетики процессов формирования нанопроводников;

- усоверщенствование теории локального зондового анодного окисления с учетом протекания переменного тока в диэлектрике;

- исследование электрофизических характеристик получаемых нанопроводников;

- создание макетов двухэлектродных элементов на основе формируемых нанопроводников.

Научная новязна работы:

- 18 разработанном методе формиротадя нансдарово.щиков в воздуцщой среде с помощью атомно-силового микроскопа;

- в модернизации атомно-силового микроскопа в виде держателя кристаллов с возможностью проведения электрических измерений "т-зИп";

- в усовершенствовании теории локального зовдового анодного окисления с учетом протекания переменного тока в диэлектрике;

- в обнаружении особенностей в дифференциальной проводимости пианарных нанопроводников.

На защятЛЛ вынесется €леду«щневвложения:

- обосдовщие формирования даухэлектродньрс дданарных эдементов наноэлектроники методом нанооксидирования с помощью атомно-силового микроскопа;

-7- ашлЕз дроцессав анодного ожвсдендЕ металлов да основе теоретических моделей и совершенствование теории локального зондового анодного окисления с учетом протекания переменного тока в диэлектрике;

- объяснение особенностей проводимости нанопроводников при комнатной температуре на оснше физических процессов, определяющих свойства электронного переноса в наноразмерных проводниках.

Защищаемые положения изложены в статьях и в тезисах докладов международных и российских научно-технических конференций.

Выбор титана основьшаетея на том факте, что титан обра:А?ет очень и и и 1—1 с» устоичивыи и стабильный оксвд. Более того, в лаборатории теоретической физики в МИЭТ на протяжении многих лет исследовался феномен электронного транспорта в титановых пленках.

Следует подчеркнуть, что данная работа преследует своей целью достижение не только минимальных поперечных размеров элементов в процессе локального окисления. Интересы были направлены на контролирование параметров, которые управляют окислением, и получение воспроизводимых результатов.

Диссертация состоит из введения, трех глав, выводов и списка литературы. В первой главе представлен обзор состояния вопроса и постановка задачи для создания необходимых методик. В разделе 1.1. дан краткий обзор существующей оптической литографии и возможных альтернативных литографических методик. Одной из альтернатив является литография с помощью АСМ, для которой показаны некоторые специфические примеры (раздел 1.2.). Также более подробно описана методика локального окисления. Описывается теория окисления металлов (раздел 1.З.). В разделе 1.4. представлено теоретическое обоснование окисления металлов. Далее рассматриваются требования к проводникам для наблюдения у них квантовых свойств (раздел 1.5.}. Наконец, в разделе 1.6. ставятся задачи но реализации аппаратных средств и методик формирования и исследования двухэдектродных планарных элементов наноэлектроники.

Выводы.

1. Изучена возможность и нродежунстрирована перснективность методов атомно-силовой мивфоскопии для формирования и исследования элементов наноэлектроники, показано, что в отличие от традиционных методов высокого разрешения (например, электронной микроскопии), зондовая микроскопия позволяет не только исследовать морфологию поверхности, но и проводать формирование нанообъектов с одновременным контролированием процессаА.

2. На примере титановых структур разработана методика формирования двухэлектродных планарных элементов наноэлектроники.

3. Усовершенствована теория локального зондового анодного окисления с учетом протекания переменного тока в диэлектрике.

4. Экспериментально доказаны особенности проводимости квазиодномерных контактов при комнатных температурах.

5. Экспериментально доказана возможность полного окисления титановых проводящих дорожек, имеющих кластерный характер, толщиной до 50НМ.,

6. Созданы макеты двухэлектродных элементов на основе формируемых нанопроводников.

Таким образом, методы зондового формирования позволяют создать двутсэлектродны© планарные элементы е множеством нелинейных ВАХ, имеющих радаичные функциональные назнанения.

Заключение. в данной главе исследованы двухэлектродные элементы на основе формируемых наносужений. Для создания надежных изолирующих областей необходимо применять переменный ток, который не повреждает диэлектрик. В связи с этим, в данной главе теоретически обосновывалось локальное анодное окисление с учетом протекания переменного тока в диэлектрике. Бьш выведен закон нарастания окисла со времен. Полученные закономерности качественно

Лщита активной области кристалла

Стандартный СВ коопус кТ-22

Золотые подводящие проволочки

Рис. 3.6. Лабораторный макет пяаиарпого двухэлеюпродного элемента в стандартном СВЧ-корпусе КТ-22.

-102согдасуютса с йзвесхщши эксдеримеетальиымк данными [81321 и одужат ориентиром для оптимизации процесса анодного окисления проводящих пленок.

Далее исследовались электрофизические свойства сформированных проводников с помощью созданного интерфейса для наблюдения элшстрофйэическйх свойств т-зИи.

Показано, что созданные устройства наноэлектроники с планарными металлическими наносужениями имеют особенности в дифференциальной проводимости и, по-видимому, обладают квантовыми свойствами. Несовершенство сформированных структур объясняет отличие результатов от теоретических значений, предсказываемых для идеального квантового провода. СтупениА присутствующие на характеристикеА свидетельствуют о расщеплении спектра квантования при комнатной температуре, но уровни энергии оказываются размытыми в том числе из-за присутствия подуровней поверхностных состояний. Особенность данной методики создания наиосужений состоит в том, что при изготовлении наносу<жений возможно контролировать их вольтамперные характеристики и останавливать процесс окисления в необходимый момент.

В заключение, в настоящей главе описьшаются лабораторные макеты двухэлектродных элементов на основе формируемых нанопроводников. в. Все харшсгерйстхнй! элелюитоэ я®ляк>тея нелинейными с различжж крутизной и остаются неизменными в течение более трех месяцев.

1. Bate R. Т. Nemoelectronies//SolidState Technology. 1989. M1. P. im-IOS.

2. Smith H.I., Craighead KG. Nanofabrication//Phys. Today. 1990. P.24-30.

3. Неволт ß.R. Физические основы тутелъно-зондовой нанотехнологии// Электронная промыишенность, 1993. №10, С.8-15.

4. G.E. Moore, Proc. IEEElEDM, 11 (1975).

5. Intenational Technology Roadmap for Semiconductors (Semiconductor Industry Association, San Jose, CA, 1998).

6. K.A. Valiev, The physics ofsubmieron Utltography-microdevices: Physics and fabrication technologies (Plenum Press, New York, 1992).

7. E. Abbe, Archif/Mikroskop. 9, 413 (1873).

8. S.D. BergerandJ.M. Gibson, ApplPhys. Lett. 57,153 (1990).

9. Y. Lee, RA. Gough, K.N. Leung J. Vujic, M.D. Williams, N. Zahir, W. Fallman, M. Tockler, and W. Bruenger, J. Vac. Sei. Technol. В16, 3367 {1998).

10. Park S. -l, Park S. How to buy Scanning Probe Microscope //Booklet ofthe firm

11. Park Scientific Instruments ". 1994. 45p.

12. DreierM., AnselmettiD., RichmondT. etal. //J. Appl. Phys. 1994. V. 76. №9. p.3386-3396

13. D.M. Eigler andE.K. Schweizer, Nature 344, 524 (1990).

14. M.F. Crommie, CP. Lutz, and D.M. Eigler, Science 262, 218 (1993). 14 J. W. Lyding Proceedings of the IEEE 85, 589 (1997}.

15. E.J. Van Loenen, D. Dijkkamp, A.J. Hoeven, J.M. Lenssinck, and J. Dieleman, Appl Phys. Lett. 55,1312 (1989).

16. H.J. Mamin, P.H. Guethner, andD. Rugar, Phys. Rev. Lett. 65, 2418 (1990).

17. J.Ä. Dagata, J. Schneir, В.И. Uarary, C.J. Evans, M. T. Postek, and J. Bennett, Appl. Phys. Lett. 56, 2001 (1990).

18. S". Hong, JZhu, andC.A. Mirkin, Science 286, 523 (1999).

19. SC. Mimie, SR. ManaJis, A. Atalar, andC.F. Quate, J. Vac. Sei. Technol. В14. 2456 (1996).

20. SC. Minne, G. YaraUoglu, SR. Manalis, J.D. Adams, J. Zesch, A. Atalar, and C.F. Quate, Appl. Phys Lett. 72, 2340 (1997).

21. S. Y. Chou, P.R. Krauss, and P.J Renstrom, Appl. Phys. Lett. 67, 3114 (1995).

22. W. Wu, B. Cui, X. Sun, W. ZhangL. Zhuang, L. Kong andSY. Chou, J Vac. Sei. Technol. В16, 3825 (1998).

23. H. C. Day and D.R Allee, Appl Phys. LeU. 62(21), 2691 (1993).

24. H. Sugimura, T. Uchida, N. Kitamura, andH. Masuhara, Appl Phys. Lett. 63, 1288 (1993).

25. E.SSnow and P.M. Campbell, Science 270,1639 (1995).

26. K. Matsumoto, M. Ishii, Y. Oka, B.J. Vartanian, andJ.S. Harris, Appl Phys. Lett. 68, 34 (1995).

27. А. Т. FromhoJd, Theory qf rnetal oxidation, Volume I: Fundamentals (North Holland Publishing Company, Amsterdam, 1976).

28. A. T. Fromhold, Jr., in Tlte anodic behavior ofmetals arid semiconductor series, editedbyJ.W. Diggle andA.K. Vijh (MarcelDekker, Inc., New York, 1976).

29. G. Tamman, Zeitschriftf. игAnorganische Chemie 111, 78 (1920).

30. N. В. Pilling and R. E. Bedworth, J Inst Metals 29, 529 (1923).

31. NF. Mott, Trans Farady Soc. 35,1175 (1939).

32. N.F. Mott, Trans. Farady Soc. 36, 472 (1940).

33. N.F. Mott, Trans Farady Soc. 43, 429 (1947).

34. N. Cabrera andN. F. Mott, Rep. Prog. Phys. 12, 163 (1949).

35. J. A. Dagata, T. Inoue, J. It oh, K. Matsumoto, and H. Yokoyama, J. Appl. Phys. 84, 6891 (1998).

36. Касумое А.Ю., Кислое H.A., Кононенко O.B. и др. Новая концепция создания модельных элементов наноэлектроники //Микроэлектроника. 1994. т. 23. №5. с.52-60.

37. Неволин В.К. Двухэлектродные элементы наноэлектроники на основе квантовых проводов. Микроэлектроника. 1999. Т.28. ЛЫ. С.293-300.

38. Лихарев К. К. О возможности создания аналоговых и цифровых интегральных схем на основе эффекта дискретного туннелирования. // Микроэлектроника. 1987. т. 16. №3. с. 195-209.

39. Киселевский Л.И., Антонов Г. С. Получение направленных плазменных потоков в поле ионизированного светового излучения, //в кн. : Материалы семинара "Исследование и применение низкотемпературной плазмы в литейном производстве ". М. 1978.

40. Анисимов СИ., ИмасЯ.А. и др. Действие излучения большой мощности на металлы. //М. Наука. 1970. 272с.

41. НГ. Басов и др. Нагревание и разлет плазмы, образующейся при воздействии сфокусированного гигантского импульса лазера на твердую мишень. //ЖЭТФ. 1966. т.51. с.989-991.

42. Топоп G. Spectres de l'énergie des ions émis par le berylliume, le carbon et le molibdene sous l'action dufaisceau d'un laser. //CRAcadSci. 1966. V.262. p.706-709.

43. D. Sarid, Scanning Force Microscopy (Oxford University Press, Oxford, 1994).44. http://www, thermomicroscopes, com/spmguide/contentshtm.

44. S.L. Konsek, R.J.N. Coope, TP. Pearsall, and T. Tiedje, Appl. Phys Lett. 70, 1846 (1997).

45. SBelaidi, P. Girard, and GLeveque, J Appl. Phys. 81,1023 (1997).

46. J.S Villarubia, J Res Natl. Ins. Stared. Technol. 102, 425 (199 7).

47. Hasma P.K., et al. Tapping mode atomic force microscopy in liquids //Appl/ Phys. Lett. 1994. УЖp.m-932.

48. НКорнеев, М.Монтрель, В.Быков. Влияние заряда поверхности полиэлектролитной пленки на связывание нуклеозидмонофосфата. Извест.ияВУЗов. Электроника. М1-2. 1999.

49. Н. Корнеев, Е.Косенко, Ю.Каминский. Атомно-силоваямикроскопия в исследовании взаимодействия каталазы с ингибитором. П съезд биофизиков России. 23-27 августа 1999г. Москва.5L К Kramer, -L JorriMma, Ж Birk, and С Shonenberger, Microel Eng. 27. 47 (1995).

50. M. Van Bael, Regular arrays ofmagnetic dots and their их pinning properties (Ph.D. Thesis, Lernen 1998).53. feiier and fosser. Thin Solid Films 37, 207 (T976).

51. K. Fuchs, Proc. Camb. Philos. Soc. 34,100 (1934).

52. A.F. Mayadas andM. Shatzkes, Phys. Rev. В1, 1382 (1970).

53. J.R Sambles, Thin Solid Films 106, 321 (1983).

54. C. Vlekken, De metaal-isolator overgang inzuurstofrijke Ti-lagen (Ph.D. Thesis, Leuven 1993). Saunders International, London, 1976).

55. H. Sugimura, N. Kitamura, andH. Masuhara, Jpn. J. ApplPhys. 1 33, LI43 (1994).

56. J. Servat, G.P. Gorostiza, F. Sanz, X.F. P^erez-Murano, J.N. BarniolP. G. Abadal and FX. Aymerich, J Vac. Set Technol A 14, 1 (1996).

57. ML Yasutake, Y. Y. Ejiri, and T. Hattori, Jpn. J. Appl Phys. 133, 2586 (1993).

58. T. Teuschler, K. Mahr, S. Miyazaki, M. Hundhausen, andL. Ley, Appl Phys. Lett. 66, 2499 {Ш5).

59. P. Avouris, T. Hertel andR. Martel, Appl Phys. Lett. 71, 285 (1997).

60. M.Z. Massoud, J.D. Plummer, andE.A. Irene, J Electrochem. Soc 132, 2693 (1985).

61. D. Sti evenard, P.A. Fontaine, andE. Dubois, Appl Phys. Lett. 70, 3272 (1997).

62. N. Kramer, J. Jorritsma, H. Birk, and C. Sh.onenberger, J. Vac. ScL Technol B. 13, 805 (1995).

63. P.A. Fontaine, E. Dubois, ottäD. Säeveitard, J. Appl Phys. 84,1776 (1998).

64. АдамовЮ.Ф., Корнеев HB., Мокеров В.Г., Неволин B.K. Формирование и электрические свойства планарных 2D-HaHopa3MepHbix структур// Микросистемная техника. 2000. Ml.

65. М. Binggeli and CM. Mate, J Vac. Set Technol В13, 1312 (1995).

66. Ph. Avouris, R. Martel, T. Hertel andR. Sandstrom, Appl Phys. A 66, S659 (1998).

67. A.E. Gordon, RT. Fayeld, D.D. Litji, and Т.К. Higman, J Vac. Sei. Technol В 13, 2805 (1995).

68. F. Marchi, V. Bouchiat, H. Dattaporta, VSafarov, D. fonneau, and P. Doppelt, J Vac. Set Technol В16, 2952 (1998).

69. J.L. Pyle, T. G. Ruskell, RK Workman, X. Yao, andD. Sarid J Vac. Set Technol В 15, 38 (1997).

70. R Garcia, M. Calleja, andF. Perez-Murano, Appl Phys. Lett. 72, 2295 (1998).

71. K. Matsumoto, Proc. IEEE 85, 612 (1997).

72. B. Irmer, M. Kehrte, H. Lorenz, andJ.P. Kotthaus, Appl Phys. Lett 71, 1733 (1997).

73. J.L. Murray and HA. Wriedt, in Phase diagrams of binary titanium alloys, edited by J.L. Murray (ASMInternational Materials Park, Ohio, 1987).

74. C. Vlekken, J. Vangrunderbeek, C. Van Haesendonck, and Y. Bruynseraede, PhysicaB175,54(1991).

75. StievenardD., Fontaine Р.АЛ., Dubois Е. Nanooxidation using а scanningprobe microscope: An analytical model based onfield induced oxidation. Appl. Phys. Lett mi. V. 70. No.24. p.3272-3274.

76. Гаврилов С, Лемешко С, Рощин В., Соломатенко Р., Шевякое В. Исследование особенностей процесса локального окисления пленок титана на основе сканирующейзондоеоймикроскопии. Известия ВУЗов. Электроника. 2000. №3.

77. Корнеев Н, Неволин В. Электронные устройст.ва с кеазиодномерными микроконтактами. Микросистемная техника. 2000. №2. с. 6-9.

78. Физика тонких пленок. Современное состояние исследований и технические применения. Том 6. Перевод с англ. М. Мир. 1973. С.97.

79. Matsumoto й., Takahashi S., Ishii V. andan. Application of STMNanometer-Size Oxidation Process to Planar-Tipe MM Diode. Jpn. J. Appl Phys. 1995. V.34. Part 1, No.2B. P.l387-1390.

80. И.И. Бобринецкий, H.B. Корнеев, B.K. Неволин. Особенности планарных метачлическик наносужений. //Известия ВУЗов. Электроника. 2001. №3. с.17-22.

81. И.И. Бобринецкий, НВ. Корнеев, В.К. Неволин. Дифференциальная проводимость планарных нанодиодое. // Тезисы докладов 3-й международной научно-технической конференции "Электроника и информатика -XXL век". Зеленоград. 22-24 ноября. 2000.

82. Физические величины. Справочник под. Ред. И.С. Григорьева, Е.З. Мейлихова. М. Энергоиздат. 1991. с.438.