автореферат диссертации по электронике, 05.27.01, диссертация на тему:Исследование и разработка методов формирования устройств наноэлектроники с применением технологии наноимпринт литографии

На правах рукописи

Зайцев Алексей Александрович

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ ФОРМИРОВАНИЯ УСТРОЙСТВ НАНОЭЛЕКТРОНИКИ С ПРИМЕНЕНИЕМ ТЕХНОЛОГИИ НАНОИМПРИНТ-ЛИТОГРАФИИ

05.27.01 - твердотельная электроника, радиоэлектронные компоненты, микро- и наноэлектроника, приборы на квантовых эффектах

Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

11 АВГ 2014

Москва-2014

005551910

005551910

Работа выполнена на кафедре "Квантовой физики и наноэлектроники" Национального исследовательского университета "МИЭТ"

Научный руководитель Кандидат технических наук, доцент

Егоркин Владимир Ильич

Официальные оппоненты: Казаков Игорь Петрович

Доктор физико-математических наук, зав. лабораторией молекулярно-ггучковой эпитаксии Физического института им. П.Н.Лебедева

Васильевский Иван Сергеевич Кандидат физико-математических наук, доцент кафедры «Физика конденсированных сред» Национального исследовательского ядерного университета «МИФИ»

Ведущая организация: ОАО «НПП «Исток» им. Шокина»

Защита состоится "16" сентября 2014 года в 16 ч. 00 мин. на заседании диссертационного Совета Д212.134.01 при Национальном исследовательском университете «МИЭТ» по адресу: 124498, Москва, г. Зеленоград, проезд № 4806, д. 5

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Национального исследовательского университета «МИЭТ»

Автореферат разослан " б " ^-й^с-ра 2014 года.

Ученый секретарь диссертационного д.т.н., профессор

Крупкина Т. Ю.

Общая характеристика работы

Актуальность работы. Прогресс в микроэлектронике, начало которого датируется серединой ХХ-го века, основан на достижениях в различных областях фундаментальных и прикладных наук. Одной из характеристик данного прогресса является постоянное уменьшение характерных размеров элементов интегральных схем (ИС) и связанное с этим улучшение их рабочих характеристик. Предпосылками к этому послужило много факторов, однако одним из основных является совершенствование технологии изготовления полупроводниковых приборов. Несомненно, что ключевой технологией во всем процессе формирования ИС является литография. На сегодняшний день промышленно создаются устройства с топологическими нормами 22 нанометра. Существует несколько разновидностей литографии, позволяющих создавать элементы с такими размерами.

Одной из наиболее развитых методик является фотолитография. Её суть заключается в изменении растворимости фоточувствительного материала (резиста), нанесенного на полупроводниковую пластину, после воздействия УФ-излучения. Для формирования заданного рисунка используются специальные маски, за счет которых воздействию подвергаются лишь определенные области резиста. Для технологического процесса с нормами 22-нм применяется излучение с длиной волны 193 нм (БИУ фотолитография). При этом используются несколько методик, такта как водная иммерсия, фазосдвигающие маски, внеосеовое излучение и других, позволяющих добиться улучшения разрешения фотолитографии. На следующих этапах технологического процесса предполагается переход к Е11У фотолитографии с длиной волны излучения 13,5 нанометра. Стоимость современного фотолитографического оборудования позволяет использовать его только крупным компаниям для массового производства ИС.

Электронно-лучевая литография наряду с ЕЦУ фотолитографией также является одной из технологий, позволяющих достичь сверхвысокого разрешения. В отличие от фотолитографии, воздействие на резист осуществляется фокусированным пучком электронов. Экспонирование резиста производится посредством отклонения пучка и не требует применения масок, что является основным преимуществом данной методики. Так как длина волны де Бройля для электронов мала, то эффекты дифракции не влияют на создаваемые структуры вплоть до размеров порядка 5 нанометров. Основным недостатком электронной

литографии является низкая производительность и требование к вакуумным условиям при экспонировании. По этой причине данная методика применяется преимущественно в мелкосерийном производстве, а также для создания шаблонов для фотолитографии.

Одной из альтернативных методик формирования наноразмерных элементов является наноимпринт-литография (НИЛ). Данная методика была изобретена в 1995 году S. Chou. Им же была продемонстрирована печать с разрешением менее 10 нанометров. НИЛ основана на механической деформации полимерного слоя при высоком давлении и температуре, превышающей температуру стеклования полимера. Такая модификация полимера обыкновенно осуществляется с помощью кремниевого шаблона (штампа) с поверхностным рельефом. Основными достоинствами наноимпринт-литографии являются высокая производительность и простота процесса, а также низкая стоимость оборудования, одновременно позволяющего достичь разрешения литографии менее 100 нм. Среди недостатков можно отметить проблему высокой дефектности, а также необходимость создания штампа, для чего используется электронно-лучевая литография. Большой интерес представляет внедрение наноимпринт-литографии в технологический процесс формирования устройств микро- и наноэлектроники.

Дальнейшее уменьшение размеров элементов интегральных схем требует совершенствования методов литографии. Такие крупные компании, как Intel и AMD планируют использовать для технологических норм 14 нм и менее EUV литографию. Однако актуальность исследования процесса наноимпринт-литографии подтверждается тем, что уже сегодня НИЛ используется несколькими компаниями для производства различных электронных устройств.

Цель диссертационной работы. Целями диссертационного исследования являлись разработка и исследование методик формирования наноразмерных элементов с применением наноимпринт-литографии, исследование возможности и методов использования наноимпринт-литографии в стандартной технологии формирования СВЧ транзисторов, а также исследование характеристик созданных устройств.

Достижение поставленной цели требовало решения ряда основных задач:

1. Исследование явлений, возникающих в процессе наноимпринт-литографии при использовании штампов с различным поверхностным рельефом.

2. Исследование процесса формирования антиадгезионного слоя на поверхности штампа при его осаждении из газовой фазы.

3. Исследование и разработка методов получения наноразмерных элементов с низким уровнем дефектов.

4. Разработка методов формирования штампов с субмикронным размером элементов.

5. Исследование и разработка методов наноимпринт-литографии для формирования субмикронных затворов СВЧ транзисторов.

6. Исследование характеристик СВЧ транзисторов с Т-образным затвором, сформированным наноимпринт-литографией.

Научная новизна работы

1. Экспериментально установлены закономерности влияния времени нанесения антиадгезионного покрытия и температуры полимера на силу адгезии между штампом и полимером.

2. Разработаны методы формирования наноразмерных и микрометровых структур, основанные на использовании многослойных систем в технологии НИЛ.

3. Разработана методика изготовления СВЧ транзисторов с Т-образным затвором с длиной основания менее 300 нм, формируемым с применением наноимпринт-литографии на первом этапе процесса и фотолитографии на втором этапе.

4. Разработана технология формирования наноразмерных устройств методом НИЛ, включая формирование штампа фокусированным ионным пучком.

Практическая ценность работы

- Разработана лабораторная методика создания СВЧ транзисторов с Т-образным затвором длиной порядка 250 нанометров, основание которого формируется наноимпринт-литографией.

- Разработана методика формирования встречно-штыревых структур на пьезоэлектрических подложках с шириной полос 200 нанометров и менее методом наноимпринт-литографии. Разработана методика формирования наноимпринт-литографией островковых структур с диаметром элементов 60

нанометров для роста структурированных массивов углеродных нанотрубок.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Наносимое на штамп антиадгезионное покрытие (трихлоро (3,3,4,4,5,5,6,6,7,7,8,8,8-тридекафтороктил) силан) обеспечивает наименьшую силу адгезии между штампом и полимером при времени нанесения от 20 до 40 секунд. Повышение температуры полимера приводит к снижению сил адгезии за счет изменения адгезионных свойств полимера.

2. Методика формирования структур с размерами 100 нанометров и менее, основанная на применении трехслойной системы резистов, в которой промежуточный слой представляет собой нитрид кремния толщиной порядка 40 - 50 нанометров, осажденный при температуре подложки менее 200 °С методом PECVD. Использование данной методики позволяет создавать структуры с высоким аспектным соотношением.

3. Технологический маршрут формирования СВЧ транзисторов с Т-образным затвором, основание которого создаётся наноимпринт-литографией. Использование НИЛ позволяет формировать затворы длиной менее 300 нм в стандартном технологическом процессе с нормами на уровне 0,8 мкм.

4. Технологический процесс изготовления наноразмерных штампов для НИЛ, включающий модификацию поверхности штампа фокусированным ионным пучком и плазмохимическое травление. Технологический процесс НИЛ для таких штампов.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы были представлены на следующих конференциях:

✓ Конференции «Нано 2011», ИМЕТ РАН, 2011.

S Конференции «Микроэлектроника и информатика», МИЭТ, 2011.

Конференции «ACN 2011», Санкт-Петербург, 2011.

S Конференции «Electronics and Nanotechnology», Киев, 2011.

•S IV международном форуме по нанотехнологиям, Москва, 2011.

S Конференции «Микроэлектроника и информатика», МИЭТ, 2013.

S Конференции «V Всероссийская молодежная конференция по фундаментальным и инновационным вопросам современной физики», ФИ АН, 2013

S Конференции «1st Russian-German Conference on Biomedical Engineering», Германия, Ганновер, 2013.

■S Конференции «Микроэлектроника и информатика», МИЭТ, 2014.

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 14 научных работ, из которых 4 - научные статьи, а 8 - тезисы докладов на конференциях. Из 4-х научных статей 3 опубликованы в рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК, а также получен патент на изобретение № 2421848 от 06.04.2010

Личный вклад автора. Все результаты, изложенные в диссертации и сформулированные в положениях, выносимых на защиту, получены автором лично или при его непосредственном участии.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырёх глав и заключения. Объём диссертации составляет 125 страниц печатного текста, в том числе 66 иллюстраций, 6 таблиц и список литературы из 116 наименований.

Содержание работы.

Во Введении обоснована актуальность диссертационной работы, сформулирована цель и аргументирована научная новизна исследований, показана практическая значимость полученных результатов, представлены выносимые на защиту научные положения.

В первой главе дан обзор литературы, посвященной основным методам литографии в микро- и наноэлектронике, а именно фотолитографии, литографии, основанной на использовании заряженных пучков частиц, а также наноимпринт-литографии. Описаны принципы работы данных методов, проанализированы их достоинства и недостатки. В сравнении с другими методами литографии показана перспективность применения технологии наноимпринт-литографии. Особенно актуальной на сегодняшний день является проблема внедрения наноимпринт-литографии в стандартный процесс формирования устройств микро- и наноэлектроники.

Одной из потенциальных областей применения наноимпринт-литографии может быть формирование СВЧ транзисторов с Т-образным затвором. Анализ литературы показал, что существующие методы формирования таких транзисторов основаны на использовании электронно-лучевой литографии для формирования Т-образного профиля затвора. Это приводит к значительному увеличению сложности и стоимости процесса формирования транзисторов. Использование наноимпринт-литографии для создания Т-образных затворов транзисторов может значительно упростить и удешевить процесс создания таких устройств. На сегодняшний день не существует разработанной лабораторной технологии создания СВЧ транзисторов с применением наноимпринт-литографии, позволяющей создавать транзисторы на любых типах полупроводниковых подложек.

Во второй главе представлены результаты исследования дефектов, возникающих при печати периодических массивов углублений и микрометровых структур, а также исследование антиадгезионных свойств пленок трихлоро(3,3,4,4,5,5,6,6,7,7,8,8,8-тридекафтороктил)силана (РИ-ТСБ), осаждаемых на поверхность штампа из газовой фазы для снижения сил адгезии.

Основным типом дефектов, возникающих при печати периодических массивов углублений, является неполное заполнение элементов, расположенных в центре массива. Для печати структур с микрометровыми размерами элементов характерно появление области восстановления резиста в центре изображения. Возникновение данных дефектов связано с вязкоупругими свойствами расплавов полимеров при их сдавливании. Теоретические зависимости вязкости полимеров от температуры и прикладываемого давления сопоставлены с экспериментальными данными, что позволило определить основные закономерности выбора параметров процесса наноимпринт-литографии для штампов с различной геометрией поверхностного рельефа. При использовании резиста Мг-1 8020Е наилучшее качество литографии достигается при температуре более 200 °С и максимальной силе сдавливания 50 кгс как для микрометровых, так и для периодических структур.

Одной из основных проблем в наноимпринт-литографии является снижение адгезии между поверхностью штампа и полимерным резистом. При высоком значении силы адгезии возможно возникновение дефектов, обусловленных деформацией резиста при его

отделении от штампа. Наиболее распространенным методом уменьшения сил адгезии является нанесение антиадгезионных покрытий на поверхность штампа. Наилучшими характеристиками обладают слои, наносимые методом осаждения из газовой фазы. Актуальной является задача исследования влияния различных факторов на характеристики таких слоёв.

Для исследования сил адгезии использовались методы атомно-силовой микроскопии. АСМ зонды покрывались слоем антиадгезионного покрытия с использованием того же процесса, который применяется к штампам в наноимпринт-литографии. Измерение сил адгезии производится путем многократного измерения силовых кривых, которые представляют собой зависимости отклонений кантилевера от положения столика, на котором находится кремниевая подложка с нанесённым резистом, вдоль z-оси. Из разницы зависимостей отклонения кантилевера при подводе и отводе образца вычисляется сила адгезии.

В работе исследовались зависимости силы адгезии от температуры образца и от времени осаждения слоя антиадгезионного покрытия F13-TCS. Было установлено, что сила адгезии снижается с увеличением температуры подложки, что может быть связано с изменением свойств поверхности полимера. Влияние времени осаждения слоя антиадгезионного покрытия на силу адгезии носит нелинейный характер (рисунок 1). Наблюдается минимум силы адгезии при времени нанесения от 20 до 35 секунд, после чего её значение увеличивается.

—•—20°С —•—60° С —•—100°С

0,2 -

0,0

о

10

20

30

40

50

Время нанесения АСС, с

Рисунок 1. Зависимость усредненной силы отрыва от времени нанесения антиадгезионного покрытия при различных температурах

подложки.

Представленные результаты позволяют оптимизировать параметры процессов осаждения слоя антиадгезионного покрытия и наноимпринт-литографии, что является необходимым для формирования изображений с наименьшим количеством дефектов.

Третья глава посвящена разработке технологии формирования СВЧ транзисторов с Т-образным затвором с использованием наноимпринт-литографии и исследованию характеристик созданных образцов.

Разработанная технология формирования транзисторов состоит из следующих основных этапов:

1. Формирование штампа для наноимпринт-литографии с использованием фотолитографии и жидкостного травления.

2. Осаждение диэлектрика на подложку с выращенной гетероструктурой, нанесение резиста и формирование рисунка областей оснований Т-образных затворов с использованием наноимпринт-литографии.

3. Перенос рельефа затворов из полимера в диэлектрик с применением плазмохимического травления.

4. Формирование омических контактов стока и истока и изоляция транзисторов.

5. Фотолитография широкой части затвора и напыление металла затвора.

Штампы для НИЛ формировались с использованием фотолитографии и жидкостного травления. С помощью фотолитографии на кремниевой подложке с осажденным слоем 8Ю2 толщиной около 100 нм формировалась никелевая маска с размерами элементов затворов транзисторов, порядка 0,8 мкм. Следующей операцией в процессе формирования штампа является жидкостное травление слоя БЮг, которое осуществляется в буферном травителе (ЖЦР : ОТ). За счет изотропного характера травления происходит подтрав оксида кремния под никелевую маску. В результате этого происходит уменьшение латеральных размеров формируемого рельефа. РЭМ-изображение поверхности сформированного с применение описанной методики штампа показано на рисунке 2. Ширина элементов, соответствующих основаниям затворов Т-образных транзисторов составляет 230 нм.

Рисунок 2. РЭМ изображение рельефа на поверхности штампа, соответствующего основаниям Т-образных затворов.

Формирование транзистора осуществлялось на подложках с выращенными молекулярно-лучевой эпитаксией псевдоморфными гетероструктурами АЮаАзЛпОаАз/АЮаАБ и гетер о структурам и

AlGaN/GaN. На поверхность подложек последовательно наносились слои нитрида кремния и резиста Mr-I 8020Е толщиной 200 нм каждый. Наноимпринт-литографией в резисте формировался рисунок затворов транзисторов, соответствующий рельефу созданного штампа.

Для переноса изображения из резиста в слой нитрида кремния применялось плазмохимическое травление. Процесс с одной стороны должен обеспечивать приемлемую селективность травления, а с другой - оказывать малое влияние на характеристики слоев гетероструктуры. Максимальное соотношение скоростей травления Si3N4/Mr-I 8020Е достигалось при использовании газовой смеси CHF3/He (1:1) и давлении в реакторе 10 мТорр. За счет применения индуктивно-связанной плазмы потенциал смещения на пластине снижается до 40 В, при этом мощность ВЧ генератора равна 20 Вт, а индукционного генератора - 100 Вт. В результате исследование влияния плазмохимического травления на ток насыщения транзисторов и слоевую концентрацию заряда в р-НЕМТ гетероструктурах было установлено, что при понижении потенциала смещения с 470 В до 40 В значительно снижается деградация указанных характеристик. Воздействие на гетероструктуры AlGaN/GaN плазмохимического травления с потенциалом смещения 470 В приводит к смещению порогового напряжения транзистора в область положительных напряжений, что может быть использовано для создания схем с нормально закрытыми транзисторами. В результате травления в слое диэлектрика создаются щели шириной порядка 250 нм, которые являются основанием Т-образного затвора транзистора.

Омические контакты к GaAs рНЕМТ гетероструктурам создаются на основе эвтектического сплава Au/Ge/Ni, а к AlGaN/GaN гетероструктурам - на основе сплава Ti/Al/Ni/Cu. После «взрыва» резиста (lift-off) производится термообработка контактов при температуре 300 - 350 °С для Au/Ge/Ni (180нм/40нм/10нм) и температуре 800-850 °С для AlGaN/GaN. Изоляция транзисторов осуществлялась с помощью формирования жидкостным травлением в растворе NH4OH/H2O2/H2O меза структур для GaAs рНЕМТ. Для изоляции транзисторов на основе AlGaN/GaN гетер о структур осуществлялось плазмохимическое травление нитрида галлия в смеси СС14, 02 и Не. Измерение сопротивления омических контактов осуществлялось методом длинной линии и составило 0,2 Ом*мм для GaAs и 2 Ом*мм для GaN. Вольт-амперные характеристики омических контактов на основе Ti/Al/Ni/Cu имели нелинейную зависимость и требуют дальнейших исследований.

Для создания Т-образного затвора над уже сформированной в диэлектрике Si3N4 щелью фотолитографией формируется широкая часть затвора. Так как изготовление штампа для НИЛ и широкой части затвора производится на основе фотошаблонов с одинаковой топологией, то удается достигнуть высокой степени совмещения Т-образного затвора по площади подложки. Травление подзатворной области в GaAs рНЕМТ гетероструктуре до необходимого напряжения отсечки осуществлялось в растворе NH^OHiHaCV.HjO (1:1:160). Особенности конструкции транзисторов на основе нитрида галлия позволяют формировать транзисторы без осуществления операции травления подзатворной области.

Осаждение затворной металлизации V/Au (20/200 нм) для гетероструктур AlGaAs/InGaAs/AlGaA производилось методом термического испарения, а металлизации Ti/Cu (20/200 нм) для гетероструктур AlGaN/AlN/GaN - методом электронно-лучевого испарения. Профиль Т-образного затвора показан на рисунке 3. Длина основания затвора составила 250 нм, верхней области шляпки затвора -2 мкм, высота основания равна 260 нм.

Рисунок 3. Поперечное сечение Т-образного затвора транзистора.

На Рисунке 4 показаны БС-параметры ОаАБ рНЕМТ и ваК транзисторов, созданных с применением разработанной методики. Значения измерялись на двухсекционных транзисторах с общей шириной 100 мкм, расстояние между омическими контактами составляло 4 мкм. Разработанный ОаАв транзистор имел ток стока 350 мА/мм при К3=0,46 В и максимальную крутизну более 350 мСм/мм при напряжениях Уси~\ В и У3~0,4 В. ОаИ транзистор имел крутизну порядка 120 мСм/мм при К3=-1,5 В и Ксн=8 В. Были также измерены

зависимости ёмкостей затвор-сток (Сзс) и затвор-исток (Сзн) от напряжения на затворе (У3). Для ваАБ рНЕМТ транзистора при У3= О В, Сзс= 3,9* 10"13 Ф и Сзк= 3,8*10"13 Ф, а для ваИ транзистора Сзс= 9,6*10"13 ФиСзи=9,4*10",3Ф.

основе гетероструктур a) GaAs рНЕМТ и б) GaN.

СВЧ характеристики измерялись только для GaAs транзисторов и были получены с помощью анализатора цепей Agilent PNA-X в полосе частот от 10 МГц до 67 ГГц. По измеренным S-параметрам транзисторов производился расчет частотных зависимостей коэффициентов усиления по току h2] и максимально достижимого/стабильного коэффициента усиления (MaxGain) (рисунок 5). Максимальная частота усиления по току ft составляла 40 ГГц при Кси=1,5 В, а максимальная частота генерации/вв - 50 ГГц при Кси=3 В.

Измеренные DC- и RF-параметры созданного с применением разработанной методики рНЕМТ-транзистора сопоставимы с параметрами аналогичных транзисторов с затворами, сформированными методами электронно-лучевой литографии и фотолитографии. Применение штампов с меньшими топологическими нормами позволит снизить длину канала транзистора и повысить его рабочие характеристики.

-Tgate Transistor (MaxGain) ----Tgate Transistor (H21)

Рисунок 5. Зависимости коэффициента усиления по току (Н21) и максимального коэффициента усиления (MaxGain) от частоты

В четвертой главе описывается исследование методов формирования встречно-штыревых структур на пьезоэлектрических подложках, а также островковых каталитических наноструктур, предназначенных для роста углеродных нанотрубок (УНТ).

Для формирования встречно-штыревых структур наноимпринт-литографией, применялся штамп, созданный с применением фокусированного ионного пучка. При воздействии пучка ионов Ga+ на кремниевую подложку с ускоряющим напряжением 30 кВ происходит её легирование в областях воздействия. В процессе плазмохимического травления кремния, легированные участки обладают меньшей скоростью травления за счет того, что имплантированные ионы галлия выступают в качестве маски травления, что позволяет формировать поверхностный рельеф штампа. На рисунке 6 показано изображение встречно-штыревых элементов на поверхности штампа.

Рисунок 6. РЭМ изображение кремниевого штампа с полосками шириной 200 нм.

Для формирования встречно-штыревых структур на подложках ниобата лития параметры процесса наноимпринт-литографии модифицировались таким образом, чтобы разница в температуре печати и разъединения была минимальной. Это необходимо для устранения дефектов, возникающих из-за сильной температурной зависимости свойств материала подложки. Хрупкость ниобата лития ограничивает также максимальную силу сдавливания штампа и подложки. Параметры процесса НИЛ, позволяющие достичь стабильного формирования элементов на подложках ниобата лития: давление - 20 кгс, температура процесса - 190 °С, температура разъединения - 130 °С.

Другой проблемой при формировании встречно-штыревых структур является реализация процесса «взрыва» резиста. Высота формируемых на поверхности штампа описанным ранее методом структур составляет менее 50 нм. Это приводит к возникновению значительного количества дефектов вследствие малой толщины резиста. Получение структур методом lift-off на однослойном резисте может осуществляться только при малой толщине напыляемого металла. На рисунке 7 показана металлическая наноструктура, полученная методом lift-off одиночного слоя резиста. Для процесса наноимпринт-литографии применялся штамп, полученный методом легирования кремния и плазмохимического травления. Минимальный размер полученных элементов составил порядка 50-60 нанометров.

Рисунок 8. РЭМ изображение встречно-штыревой металлической структуры на поверхности нитрида алюминия.

Для решения проблемы напыления толстых слоев металла была разработана трёхслойная система РММА/^з^/ЬСЖ (100 нм/50 нм/350 нм). После наноимпринт-литографии производится плазмохимическое травление промежуточного слоя 813К4 в атмосфере СШУАг по маске РММА. На втором этапе с помощью плазмохимического травления в

атмосфере Ог производится травление подслоя LOR по маске Si3N4. Использование плазмохимического травления на всех этапах процесса обеспечивает высокое аспектное соотношение формируемых структур. Большая толщина подслоя LOR обеспечивает стабильность формирования металлических структур, получаемых с помощью lift-off. На рисунке 8 показано РЭМ изображение металлических структур, сформированных на поверхности нитрида алюминия с применением разработанной методики.

Во второй части главы описывается исследование метода формирования наноразмерных каталитических структур, основанного на применении наноимпринт-литографии, и характеристики вертикально ориентированных углеродных нанотрубок, синтезированных на данных структурах. Для создания каталитических структур использовался сформированный электронно-лучевой литографией штамп (рисунок 9,а), содержащий цилиндрические выступы с высотой и диаметром около 60 нм. С применением данного штампа наноимпринт-литографией структурировался слой РММА толщиной 100 нм. Остаточный слой резиста удалялся плазмохимическим травлением. После напыления слоя никеля толщиной 10 нм и «взрыва» резиста на поверхности подложки формировалась островковая структура (рисунок 9,6) с диаметром элементов, соответствующим размеру элементов на поверхности штампа. Малая толщина напыляемого металла позволяет формировать элементы методом lift-off без использования специальных подслоев.

Рисунок 9. РЭМ изображения а)штампа, предназначенного для создания островковых наноструктур и б)островкового каталитического

массива

Синтез УНТ производился на установке СУБошпа по технологии каталитического пиролиза этанола, при 600 °С и давлении паров этанола 10 кПа. На рисунке 10 показано РЭМ изображение синтезированного массива УНТ. Показано, что диаметр нанотрубок точно соответствует размерам никелевых островков, а также

Рисунок 10. РЭМ изображение массива УНТ, выращенного на никелевых островках.

В заключении изложены основные результаты и выводы диссертационной работы.

В приложении представлены акты использования диссертационной работы и свидетельство о патентовании технологии формирования транзисторов методом наноимпринт-литографии.

Основные результаты и выводы.

1. Результаты исследования влияния параметров процесса наноимпринт-литографии на возникновение дефектов в слое резиста. Определены оптимальные параметры, позволяющие избежать возникновения дефектов.

2. Результаты исследования свойств антиадгезионных слоев, осаждаемых на поверхность штампов, позволили установить, что минимальное значение сил адгезии достигается при времени процесса осаждения от 20 до 35 секунд. Показано

снижение сил адгезии при увеличении температуры ПММА за счет изменения как его адгезионных свойств, так и изменения поверхностного натяжения адсорбированного на поверхности полимерной пленки слоя воды.

3. Разработаны методы формирования штампов для наноимпринт-литографии, основанные на использовании фотолитографии и последующего жидкостного травления, а также фокусированных ионных пучков и последующего плазмохимического травления.

4. Разработан метод формирования СВЧ транзисторов с Т-образным затвором, основанный на использовании наноимпринт-литографии для создания основания затвора с длиной менее 300 нм. Измерены DC- и RF-параметры созданных с применением разработанного метода транзисторов, сопоставимые с характеристиками транзисторов, полученных другими методами.

5. Разработан метод формирования встречно-штыревых и островковых структур, основанный на использовании наноимпринт-литографии и трехслойной системы PMMA/Si3N4/LOR и позволяющий формировать структуры с высоким аспектным соотношением. Продемонстрировано формирование полосковых структур с величиной половины шага 200 нм и островковых структур с диаметром элементов 60 нм.

6. Показано формирование массива нано катодов на основе углеродных нанотрубок, синтез которых осуществлялся на сформированных методом НИЛ высокоплотных массивах каталитических островков.

Список публикаций

AI. В.И. Егоркин, Д.Н. Никифоров, A.A. Зайцев, М.М. Симунин., Выращивание углеродных нанотрубок на кластерах, сформированных наноимпринт литографией // IV Всероссийская конференции по наноматериалам. Тезисы докладов. М: ИМЕТ РАН.-2011 - С. 200.

А2. Egorkin V.l., Nikiforov D.N., Zaytsev A.A. Technology of nanoimprint lithography in the creation of nanoelectronics devices^

XXXI International Scientific Conference. Тезисы докладов. Киев, Украина. - 12-14 апреля 2011. - С. 29.

A3. Зайцев A.A. Разработка процесса формирования наноразмерного Т-образного затвора методом наноимпринт литографии // 18-я Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика-2011». Тезисы докладов. М.:МИЭТ. - 2011, - С. 9.

A4. Zaytsev A.A., Simunin М.М., Egorkin V.l., Solovyeva N.A., Nikiforov D.N. Growth of vertically oriented nanotubes on clusters, made by nanoimprint lithography // Конференция «ACN 2011». Тезисы докладов. Санкт-Петербург. - 2011, - С. 159.

А5. Егоркин В.И., Никифоров Д.Н., Зайцев A.A., Симунин М.М. Формирование кластеров никеля для роста углеродных нанотрубок // Известия вузов. Электроника - 2013. - №2. - С. 3335.

А6. Egorkin V.l., Zaitsev A.A., Nevolin V.K., Simunin М.М. Formation of nickel clusters for the growth of carbon nanotubes // Semiconductors - 2013.-V.47. - P. 1697-1698.

A7. Зайцев A.A. Формирование встречно-штыревых структур с применением наноимпринт литографии // 20-я Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика-2013». Тезисы докладов. М.:МИЭТ. - 2013. - С. 9.

А8. Громов Д.Г., Шулятьев A.C., Егоркин В.И., Зайцев A.A., Скорик С.Н., Галперин В.А., Павлов A.A., Шаманаев A.A. Формирование массива упорядоченных нанокатодов на основе углеродных нанотрубок методом наноимпринт литографии и процессов ПСХПО // Известия вузов. Электроника - 2013. - №3. - С. 43-47.

А9. Зайцев A.A., Егоркин В.И., Шмелев С.С. Исследование методов формирования наноразмерных каналов СВЧ транзисторов на основе III-V гетероструктур // «V Всероссийская молодежная конференция по фундаментальным и инновационным вопросам

современной физики». Тезисы докладов. ФИАН, Москва. -2013. -С. 128.

А10. A.A. Zaitsev, К.А. Tsarik, K.K. Lavrentiev, V.K. Nevolin, LI. Bobrinetskiy Development of biological sensors based on GaN substrates and made by nanoimprint lithography // «1 Russian-German Conference on Biomedical Engineering». Тезисы докладов. Hanover, Germany.-2013-С. 78.

All. Бобринецкий И.И., Волкова A.B., Зайцев A.A., Неволин В.К., Царик К.А., Чудинов A.A. Формирование кремниевых наноструктур плазменным травлением через маску, созданную фокусированным пучком ионов Ga+ // Известия вузов. Электроника. - 2014. - №2. - С. 43-50.

А12. Зайцев A.A., Гармаш В.И., Гусев Е.Э. Влияние технологических операций плазменной обработки на параметры транзисторов на основе нитрида галлия // 21-я Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика-2014». Тезисы докладов. М/.МИЭТ. - 2014. - С.9.

А. 13. Патент на изобретение RU2421848, Российская Федерация, МПК В82ВЗ H01L21/338. Способ изготовления полупроводникового прибора с Т-образным управляющим электродом. // Егоркин В.И. Шмелев С.С. Трегубова Е.В. Зайцев A.A. Никифоров Д.Н.; заявитель и патентообладатель МИЭТ.

Подписано в печать:

Заказ№4Л. Тираж 100 экз. Уч.-изд. л. _1,3_ Формат 60x84 1/16.

Отпечатано в типографии НИУ МИЭТ.

124498, Москва, г. Зеленоград, проезд 4806, д.5, НИУ МИЭТ.

Национальный исследовательский университет МИЭТ

На правах рукописи

04201460509

Зайцев Алексей Александрович

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ ФОРМИРОВАНИЯ УСТРОЙСТВ НАНОЭЛЕКТРОНИКИ С ПРИМЕНЕНИЕМ ТЕХНОЛОГИИ

НАНОИМПРИНТ ЛИТОГРАФИИ

Специальность: 05.27.01 - твердотельная электроника, радиоэлектронные компоненты, микро- и наноэлектроника, приборы на квантовых

эффектах

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель Кандидат технических наук, доцент Егоркин В.И.

Москва-2014

ОГЛАВЛЕНИЕ

ОГЛАВЛЕНИЕ........................................................................................................2

Введение..................................................................................................................4

Глава 1. Обзор основных методов литографии, методов создания Т-образных затворов и принципов работы СВЧ транзисторов..........................................9

1.1 Основные методы литографии в микро и наноэлектронике.........................9

1.1.1 Фотолитография на основе БЦУ и ЕЦУ источников излучения.........9

1.1.2 Литография, основанная на заряженных пучках частиц....................16

1.1.3 Наноимпринт литография....................................................................25

1.2 Принципы работы СВЧ транзисторов с высокой подвижностью носителей

заряда. Методы формирования Т-образных затворов с использованием технологий нанолитографии......................................................................33

1.2.1. Принципы работы и конструкция СВЧ транзисторов.......................33

1.2.2 Методы формирования Т-образных затворов транзисторов..............37

1.4 Выводы по главе 1.........................................................................................41

Глава 2. Исследование технологии наноимпринт литографии...........................43

2.1 Особенности вязкоупругого течения полимеров.........................................43

2.1.1. Теоретические основы вязкоупругого поведения полимеров при сжатии...................................................................................................................43

2.1.2. Исследование процесса формирования микрометровых элементов и наноразмерных периодических структур в технологии наноимпринт литографии...........................................................................................................47

2.2 Исследование и оптимизация параметров нанесения антиадгезионных слоев в наноимпринт литографии..............................................................53

2.3 Выводы по главе 2.........................................................................................61

Глава 3. Формирование СВЧ транзисторов с Т-образным затвором методом наноимпринт литографии и исследование их электрофизических характеристик..................................................................................................62

3.1. Формирование штампа для наноимпринт литографии...............................62

3.2 Технология формирования СВЧ транзисторов с Т-образным затвором

методом наноимпринт литографии............................................................65

3.2.1. Гетероструктуры для СВЧ транзисторов............................................66

3.2.2. Формирование наноразмерных областей Т-образных затворов методом наноимпринт литографии.....................................................................68

3.2.3. Плазмохимическое травление элементов Т-образных затворов в слое нитрида кремния..................................................................................................70

3.2.4. Формирование омических контактов..................................................73

3.2.5. Изоляция активных областей транзисторов.......................................76

3.2.6. Формирование Т-образного затвора транзистора..............................78

3.2.7. Формирование металлизации 1-го уровня разводки..........................80

3.3 Исследование БС- и Ш^-параметров сформированных СВЧ транзисторов

.....................................................................................................................82

Выводы по главе 3...............................................................................................92

Глава 4. Формирование и исследование встречно-штыревых и островковых наноструктур, созданных с применением наноимпринт литографии..........94

4.1. Встречно-штыревые структуры, формируемые методом наноимпринт литографии на пьезоэлектрических подложках........................................94

4.2. Формирование каталитических островковых структур для роста вертикально ориентированных углеродных нанотрубок........................101

Выводы по главе 4.............................................................................................110

Заключение..........................................................................................................111

Список использованных источников.................................................................112

ПРИЛОЖЕНИЕ...................................................................................................123

Введение

Актуальность темы

Прогресс в микроэлектронике, начало которого датируется серединой ХХ-го века, основан на достижениях в различных областях фундаментальных и прикладных наук. Одной из характеристик данного прогресса является постоянное уменьшение характерных размеров элементов интегральных схем (ИС) и связанное с этим улучшение их рабочих характеристик. Предпосылками к этому послужило много факторов, однако одним из основных является совершенствование технологии изготовления полупроводниковых приборов. Несомненно, что ключевой технологией во всем процессе формирования ИС является литография. На сегодняшний день промышленно создаются устройства с топологическими нормами 22 нанометра. Существует несколько разновидностей литографии, позволяющих создавать элементы с такими размерами.

Одной из наиболее развитых методик является фотолитография. Её суть заключается в воздействии излучения на слой фоточувствительного материала (резиста), нанесенного на полупроводниковую пластину. Для формирования заданного рисунка используются специальные маски, за счет которых воздействию подвергаются лишь определенные области резиста. Для 22-нм техпроцесса применяется излучение с длиной волны 193 нм (БЦУ фотолитография). При этом используются несколько методик, таких как водная иммерсия, фазосдвигающие маски, внеосеовое излучение и других, позволяющих добиться улучшения разрешения фотолитографии. На следующих этапах техпроцесса предполагается переход к ЕЦУ фотолитографии с длиной волны излучения 13,5 нанометра. Стоимость современного фотолитографического оборудования позволяет использовать его только крупным компаниям для массового производства ИС.

Электронно-лучевая литография наряду с ЕЦУ фотолитографией также является одной из технологий, позволяющих достичь сверхвысокого разрешения. В отличие от фотолитографии, воздействие на резист осуществляется фокусированным пучком электронов. Экспонирование резиста производится посредством отклонения пучка и не требует применения масок, что является основным преимуществом данной методики. Так как длина волны де Бройля для электронов мала, то эффекты дифракции не влияют на создаваемые структуры

4

вплоть до размеров порядка 5 нанометров. Основным недостатком электронной литографии является низкая производительность. По этой причине данная методика применяется преимущественно в лабораторных условиях, а также для создания шаблонов для фотолитографии.

Одной из альтернативных методик формирования наноразмерных элементов является наноимпринт литография (НИЛ). Данная методика была изобретена в 1995 году S. Chou. Им же была продемонстрирована печать с разрешением менее 10 нанометров. НИЛ основана на механической деформации полимерного слоя при высоком давлении и температуре, превышающей температуру стеклования полимера. Такая модификация полимера обыкновенно осуществляется с помощью кремниевого шаблона (штампа) с поверхностным рельефом. Основными достоинствами наноимпринт литографии являются производительность и простота процесса, а также низкая стоимость оборудования. Среди недостатков можно отметить проблему высокой дефектности, а также необходимость создания штампа, для чего используется электронно-лучевая литография. Большой интерес представляет внедрение наноимпринт литографии в технологический процесс формирования устройств микро- и наноэлектроники.

Дальнейшее уменьшение размеров элементов интегральных схем требует совершенствования методов литографии. Такие крупные компании, как Intel и AMD планируют использовать для технологических норм 14 нм и менее EUV литографию. Однако актуальность исследования процесса наноимпринт литографии подтверждается тем, что уже сегодня НИЛ используется несколькими компаниями для производства различных электронных устройств.

Основной целью работы являлись разработка и исследование методик формирования наноразмерных элементов с применением наноимпринт литографии, исследование возможности и методов использования наноимпринт литографии в стандартной технологии формирования СВЧ транзисторов, а также исследование характеристик созданных устройств.

Достижение поставленной цели требовало решения ряда основных задач:

1. Исследование явлений, возникающих в процессе наноимпринт литографии при использовании штампов с различным поверхностным рельефом.

2. Исследование процесса формирования анти-адгезионных слоев на поверхности штампа при их осаждении из газовой фазы.

3. Исследование и разработка методов получения наноразмерных элементов с низким уровнем дефектов.

4. Разработка методов формирования штампов с субмикронным размером элементов.

5. Исследование и разработка методов использования наноимпринт литографии для формирования субмикронных затворов СВЧ транзисторов.

6. Исследование характеристик СВЧ транзисторов с Т-образным затвором, сформированным наноимпринт литографией

Научная новизна работы

1. Экспериментально установлены закономерности влияния времени нанесения покрытия и температуры полимера на силу адгезии между штампом и полимером.

2. Разработаны методы формирования наноразмерных и микрометровых структур, основанные на использовании многослойных систем в технологии НИЛ.

3. Разработан технологический процесс изготовления СВЧ транзисторов с Т-образным затвором менее 300 нм, формируемым с применением наноимпринт литографии.

4. Разработана технология формирования наноразмерных устройств методом НИЛ, включая формирования штампа фокусированным ионным пучком.

Практическая ценность работы

- Разработана методика создания транзистора с Т-образным затвором длиной порядка 250 нанометров, формирующегося методом наноимпринт литографии

- Разработана методика формирования встречно-штыревых структур на пьезоэлектрических подложках с шириной полос 200 нанометров и менее методом наноимпринт литографии

- Разработана методика формирования наноимпринт литографией островковых структур с диаметром элементов 60 нанометров для роста структурированных массивов углеродных нанотрубок

Научные положения, выносимые на защиту

1. Наносимое на штамп антиадгезионное покрытие обеспечивает наименьшую силу адгезии при времени нанесения от 20 до 40 секунд. Повышение температуры полимера приводит к снижению сил адгезии.

2. Разработана методика формирования структур с размерами 100 нанометров и менее, основанная на применении трехслойной системы резистов, в которой промежуточный слой представляет собой нитрид кремния толщиной порядка 40 - 50 нанометров, осажденный при температуре подложки 200 °С методом PECVD.

3. Разработана методика формирования СВЧ транзисторов с Т-образным затвором, основание которого создаётся наноимпринт литографией. Использование НИЛ позволяет формировать затворы длиной менее 300 нм в стандартном технологическом процессе с нормами на уровне 0,8 мкм.

4. Разработан технологический процесс изготовления наноразмерных штампов для НИЛ, включающий модификацию поверхности штампа фокусированным ионным пучком и разработан техпроцесс НИЛ для таких штампов.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы были представлены на следующих конференциях и конкурсах научных работ:

V Конференции «Нано 2011», ИМЕТ РАН, 2011. S Конференции «Микроэлектроника и информатика», МИЭТ, 2011. ^ Конференции «ACN 2011», Санкт-Петербург, 2011. S Конференции «Electronics and Nanotechnology», Киев, 2011. S IV международном форуме по нанотехнологиям, Москва, 2011. S Конференции «Микроэлектроника и информатика», МИЭТ, 2013.

S Конференции «V Всероссийская молодежная конференция по фундаментальным и инновационным вопросам современной физики», ФИАН, 2013

S Конференции «1st Russian-German Conference on Biomedical Engineering», Германия, Ганновер, 2013.

S Конференции «Микроэлектроника и информатика», МИЭТ, 2014. Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 14 научных работ, из которых 4 - научные статьи, а 8 - тезисы докладов на конференциях. Из 4-х научных статей 3 опубликованы в рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК, а также получен патент на изобретение № 2421848 от 06.04.2010

Личный вклад автора. Все результаты, изложенные в диссертации и сформулированные в положениях, выносимых на защиту, получены автором лично или при его непосредственном участии.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырёх глав и заключения. Объём диссертации составляет 125 страниц печатного текста, в том числе 66 иллюстраций, 6 таблиц и список литературы из 116 наименований.

Глава 1. Обзор основных методов литографии, методов создания Т-образных затворов и принципов работы СВЧ транзисторов

Стремительное развитие устройств электроники обусловлено совершенствованием технологий микроэлектроники и быстро развивающейся областью нанотехнологий. Одной из основных операций при формировании элементов наноэлектроники является литография. Ниже представлен обзор литературы, посвященный методам нанолитографии, позволяющим создавать элементы с размерами менее 100 нанометров.

1.1 Основные методы литографии в микро и наноэлектронике

Литография является ключевой технологией, обеспечивающей

масштабирование элементов ИС и выполнение закона Мура [1]. За несколько последних десятилетий минимальный размер элементов, получаемых в промышленном производстве, уменьшился с единиц микрометров до 22 нанометров на сегодняшний день [2]. При этом литография является основной технологией, определяющей достигнутый технологический уровень полупроводниковой промышленности. Существует множество разновидностей данной технологий: фотолитография, электронно-лучевая литография, рентгеновская и наноимпринт литографии, литография с применением фокусированных ионных пучков, атомно-силовой микроскопии и другие виды [3]. В данном разделе главы 1 будет представлен обзор основных методов литографии, использующихся для формирования структур и схем с наноразмерными элементами в их составе.

1.1.1 Фотолитография на основе БиУ и ЕПУ источников излучения

Основной методикой, использующейся в промышленном производстве интегральных схем (ИС), является фотолитография. Данный метод основан на взаимодействии излучения ультрафиолетового и других диапазонов с резистом -фоточувствительным материалом, который под воздействием излучения изменяет свои физико-химические свойства. Существует два основных подхода в фотолитографии - контактная и проекционная [4]. При контактной фотолитографии фотошаблон находится в механическом контакте с резистом, в то время как в проекционной фотолитографии изображение рисунка на фотошаблоне проецируется на поверхность резиста с помощью оптических систем с

уменьшением размеров элементов. В промышленном производстве ИС с субмикронными топологическими нормами наибольшее распространение получила проекционная фотолитография, так как она позволяет формировать элементы с меньшими размерами чем контактная фотолитография. Другим её преимуществом является то, что она позволяет снизить повреждения и загрязнения фотошаблона, так как отсутствует его механический контакт с резистом.

Одним из главных эффектов, ограничивающих минимально достижимые размеры элементов в фотолитографии, является дифракция излучения при его прохождении сквозь фотошаблон [5]. При дифракции света на двух элементах, расположенных достаточно близко друг к другу, возможна ситуация, при которой они становятся неразличимыми. Уменьшение длины волны излучения приводит к снижению дифракционных эффектов.

Дифракция света не является единственным эффектом, ограничивающим разрешение фотолитографии. Излучение, проходящее через фотошаблон, фокусируется на поверхности подложки с помощью линзы. Диаметр апертуры линзы определяет угол расхождения рассеянного на элементах фотошаблона света, который может быть сфокусирован линзой. Числовой апертурой оптической системы называется величина, характеризующая способность такой системы фокусировать излучение в пределах угла 0 [4]:

Ш = пхб И10, (1.1)

где п - показатель преломления среды между линзой и проекционной плоскостью.

Разрешение в проекционной фотолитографии определяется величиной

к=кт ™

здесь К\ - коэффициент, определяющийся технологией, Я - длина волны излучения [4]. Как видно из уравнения (1.2), снижение длины волны и коэффициента К\, а также увеличение числовой апертуры приводит к повышению разрешения фотолитографии.

В фотолитографии, излучение, с помощью которого формируются элементы в слое �