Лекции по дисциплине «наноструктуры в электронных системах» для направления подготовки 210100. 68 «Электроника и наноэлектроника»

Факультет электронной техники

Кафедра электронных приборов

А.В. ШИРЯЕВ
ЛЕКЦИИ ПО ДИСЦИПЛИНЕ
«НАНОСТРУКТУРЫ В ЭЛЕКТРОННЫХ СИСТЕМАХ»

для направления подготовки 210100.68

«Электроника и наноэлектроника»

2014 г.

компоненты и др.

Основой современной информационной техники стали интегральные микросхемы, микропроцессоры, запоминающие устройства. Технологические и экономические факторы стали причиной роста степени интеграции и снижения размеров элементов в интегральных микросхемах (ИМС). Появление больших (БИС), сверхбольших (СБИС) и ультрабольших (УБИС) интегральных микросхем стало возможным благодаря росту степени интеграции входящих в них элементов, технология создания которых потребовала введения такого понятия, как объекты наноинженерии. При этом технологические процессы, включающие диффузию, окисление, эпитаксию; осаждение из газовой фазы; термическое вакуумное, катодное, высокочастотное и магнетронное напыление; сборку и герметизацию микросхем и т. д. – вплоть до функционального контроля микросхем – не только остаются основой, но и трансформируются в более сложные методы

формирования наноразмерных структур. Особенно отчетливо влияние применяемых традиционных технологий заметно на одном из ключевых процессов в достижении предельно возможных размеров – литографии. Перспективными методами литографии для производства структур с наноразмерными элементами (получение рисунка рабочих элементов покрытий) стали не только фотолитография в глубоком и экстремальном ультрафиолете, но и рентгенолитография и электронно–лучевая литография. Потребовались специальные источники ультрафиолетового и рентгеновского излучения, разработка новых материалов, таких как электронорезисты, рентгенорезисты и рентгеношаблоны. С учетом факторов, определяющих разрешающую способность и трудоемкость процесса, изменилась организация процесса экспонирования.

Микроэлектроника стимулировала самые существенные разработки в области наноэлектроники не столько своими успехами, сколько трудностями, возникающими при уменьшении микроэлектронных элементов и приближении к физическому пределу миниатюризации полупроводниковых ИМС.

Для преодоления этих трудностей потребовались глубокие физические исследования электронных, оптических и магнитных свойств наноразмерных объектов, а также процессов, с помощью которых можно создавать эти объекты.

Многие научные и технические разработки, открывающие перспективы создания наноэлектронных элементов, функционирующих на новых принципах, были бы трудно реализуемыми на практике, если бы не сопровождались разработками соответствующей исследовательской и технологической аппаратуры. К такой аппаратуре относятся прежде всего сканирующий туннельный микроскоп (СТМ) и сканирующий атомно–силовой микроскоп (АСМ).

Сканирующий туннельный микроскоп (1981) дает изображение металлических и полупроводниковых поверхностей с атомным разрешением. Он позволяет перемещать отдельные атомы вдоль поверхности, переносить их и помещать в заданные точки, производить поштучную укладку атомов и молекул, синтез и разложение отдельных молекул. Разработаны новые методы исследования морфологии поверхностей и распределения физических свойств поверхностей с атомным разрешением, а также методы локальной обработки и модификации поверхностей в масштабе единиц нанометров.

Сканирующий атомно–силовой микроскоп (1986) – это многофункциональный инструмент. Он дает, как и СТМ, изображение поверхностей с атомным разрешением. Используется для исследования морфологии поверхностей, распределений приповерхностных силовых и температурных полей, распределений физических свойств поверхностей и для исследования поверхностных процессов (например, травления). Используется, как и СТМ, для локальных модификаций поверхностей в нанометровом масштабе. На основе АСМ ведутся разработки ультраплотной записи информации и сверхчувствительных сенсоров.

Сканирующие зондовые микроскопы играют такую большую роль в нанотехнологиях, что их называют глазами и пальцами нанотехнологий.

Наноэлектроника переживает в настоящее время такую же «болезнь роста», какую микроэлектроника переживала в период с 1958 по 1970 г. Этот период характеризовался жесткой конкурентной борьбой между разными потенциально перспективными направлениями развития интегральной электроники. К ним относятся: пленочная, твердотельная, ионная, полупроводниковая, диэлектрическая, магнитная, сегнетоэлектрическая, акустическая, оптическая и другие направления электроники. В результате конкурентной борьбы были, во–первых, найдены эффективные компромиссные решения, во–вторых, наиболее перспективные отрасли электроники нашли свои области применения. Компромиссом стало, например, объединение пленочной и твердотельной электроники. Теперь доминируют так называемые совмещенные ИМС. В этих ИМС некоторые элементы (в основном пассивные и соединительные) изготовлены в пленочном исполнении, а другие (активные) – в твердотельном. Опыт показал, что конкурентную борьбу выдерживает та электроника, которая допускает создание высокоэффективных массовых технологий, обеспеченных ресурсами. Например, в микроэлектронике – это интегральная твердотельная кремниевая электроника. Она может обеспечить любые масштабы производства, так как кремний составляет около 30 % земной коры.

Новые технологии построены на использовании современных достижений физики и химии в технологии производства: электронных, ионных, атомных, лазерных, фотонных пучках, плазме (химически активной плазме).

Создание, исследование, моделирование и эксплуатация наносистем, наноматериалов и компонентов (элементной базы) наносистемной техники построены на применении активных функциональных материалов, процессов нанотехнологии и нанодиагностики.

С приближением размера структуры прибора к нанометровой области проявляются квантовые свойства электронов. Этому явлению достаточно подробно посвящены разделы, описывающие новый класс полупроводниковых приборов – органические светодиоды (OLED). Класс полимеров, широко используемый в производстве компонентов электронной техники, впервые стал использоваться как активный функциональный материал, значение которого ставит его в один ряд с соединениями для оптоэлектроники А₃В₅. Новые материалы, новые знания стали основой новых нанотехнологий, обеспечивших переход от микро – к наноэлектронике.

Поэтому будущий специалист в области нанотехнологий должен знать:

– фундаментальные основы процессов синтеза, анализа и функционирования механизмов и устройств микро– и наноэлектромеханических устройств и систем;

– фундаментальные основы процессов синтеза, анализа и функционирования наноматериалов и компонентов наносистемной техники;

– физико-математические и физико–химические модели процессов нанотехнологии и методов нанодиагностики;

– основные системотехнические решения при создании наноматериалов и компонентов наносистемной техники, приборов, устройств, механизмов и машин на их основе;

– типовые программные продукты, ориентированные на решение задач моделирования наноматериалов и компонентов наносистемной техники, управление процессами нанотехнологии, обработку результатов, полученных методами нанодиагностики;

– базовые технологические процессы и оборудование, применяемые в производстве наноматериалов и компонентов наносистемной техники;

– базовое контрольно–измерительное оборудование для метрологического обеспечения исследований и промышленного производства наноматериалов и компонентов наносистемной техники;

– общие правила и методы наладки, настройки и эксплуатации технологического и контрольно–измерительного оборудования;

– основные виды нормативно–технической документации в области технологии, стандартизации и сертификации наноматериалов и компонентов наносистемной техники;

– эффективные направления применения наноматериалов, компонентов наносистемной техники, процессов нанотехнологии и методов нанодиагностики.

Итак, магистр должен быть подготовлен к деятельности, требующей углубленной фундаментальной и профессиональной подготовки, в том числе к научно – исследовательской работе, а при условии освоения соответствующей образовательной профессиональной программы педагогического профиля – к педагогической деятельности.

Магистру необходимо уметь:

• проводить теоретические и экспериментальные исследования с целью модернизации или создания новых материалов, компонентов, процессов и методов;

• физико–математическое и физико–химическое моделирование разрабатываемых материалов, компонентов и процессов с целью оптимизации их параметров;

• использовать типовые и разрабатывать новые программные продукты, ориентированные на решение научных, проектных и технологических задач в рамках направления профессиональной деятельности.

Хорошо известные в электронике электроизоляционные составы при достижении их структурными элементами наноразмеров под действием поверхностной энергии подложки переходят в проводящее состояние.

Формирование наноразмерных токопроводящих дорожек с использованием таких составов позволяет оперировать с отдельными молекулами и создавать уникальные приборы наноэлектроники.

Постепенно решается сложнейшая задача создания способов присоединения контактов к отдельным молекулам. Специалисты предсказывают появление молекулярных компьютеров. Если каждый транзистор будет состоять из одной молекулы, то процессор из 109 таких транзисторов будет размером с песчинку. При этом производительность его возрастет в сотни или даже тысячи раз по сравнению с современными, а энергопотребление будет очень малым.

Разрабатываются вопросы применения молекулярной электроники, возможности которой хорошо понятны специалистам в области органической химии, синтезирующим вещества с заранее заданными свойствами. Такой подход, по сути, и есть конструирование предельно малых по размеру структур, где наилучшим образом реализуются принципы органического химического синтеза, т. е. переход «от простых к сложным веществам». Также представлены особые формы модификаций углерода от графена до фуллеренов, область применения которых распространяется от прочных композиций до новых полупроводниковых приборов.

Существует два основных подхода к изготовлению наноструктур, которые условно называются технологиями «сверху вниз» и «снизу вверх».

В технологиях по принципу «сверху вниз» посредством химической, механической или других видов обработки из объектов больших размеров получают изделия намного меньшей величины. Пример – создание на поверхности кремниевой пластины схемных элементов ИМС литографическими методами. Разрешающая способность литографии непрерывно совершенствовалась в течение последних десятилетий и в настоящее время приближается к 10 нм.

В технологиях по принципу «снизу вверх» производится сборка макроструктуры из элементарных «кирпичиков» – атомов, молекул, кластеров, нанотрубок, нанокристаллов. Эти элементы в процессе сборки или самосборки должны укладываться в требуемом порядке. Пример – поштучное перемещение и укладка атомов зондом СТМ. Однако сборка макроскопического объекта поштучной укладкой атомов с помощью сканирующего туннельного микроскопа или даже нанороботов в условиях массового производства нереальна, это потребовало бы слишком большого времени. Методами создания макрообъектов по принципу «снизу вверх» должны стать управляемая самосборка и самоорганизация, когда атомы или молекулы сами выстраиваются в заданном порядке, как это имеет место, например, в биологических системах. Движущая сила самосборки – это стремление системы к минимуму энергии. Если энергия системы уменьшается при соединении молекул друг с другом, то молекулы будут соединяться. Если энергия системы уменьшается при переориентации молекул, они будут переориентироваться без технологического воздействия извне. Процессы самосборки идут под действием сил Ван–дер–Ваальса, водородных связей, химических связей и других взаимодействий. Пример – получение счетного количества монокристаллических слоев и упорядоченных массивов нанокристалликов (квантовых точек) при молекулярно–лучевой эпитаксии.

МЛЭ используется главным образом для получения высококачественных тонких пленок и гетероструктур с нанометровыми слоями на основе полупроводниковых соединений А₃В₅, А₂В₆, SiGe и ряда других полупроводников. Наногетероструктуры обеспечивают наивысшие скорости пролета электронов в приборных элементах, минимальные потери энергии, возможность управления шириной запрещенной зоны.

Для наногетероструктурных приборов необходимы атомарная гладкость границ слоев и достаточная резкость изменения состава на границах. Технология МЛЭ дает возможность получать слои с такими свойствами. Поэтому полупроводниковые наноструктуры производятся, в основном, по технологии МЛЭ. В настоящее время МЛЭ используется для получения не только плоских слоев, но и упорядоченных массивов квантовых точек в системах на основе А3В5 и SiGe. Лазеры на массивах квантовых точек в системах типа А₃В₅ уже производятся в промышленности. Разрабатываются ИК–фотоприемники на квантовых точках в соединении SiGe; прогнозируется их широкое применение.

В методе МЛЭ пучки атомов, являющихся компонентами растущего соединения (или элементарного полупроводника), направляются в сверхвысоком вакууме на нагретую подложку, где и происходит синтез соединения и рост эпитаксиального слоя. Источники пучков атомов – испарительные ячейки, в каждой из которых содержится свой материал. Испарительные ячейки называются также эффузионными ячейками Кнудсена

(эффузия – медленное истечение газа через малое отверстие).

Основные элементы ростовой камеры схематически показаны на рис. 1.

а) б)
Рис. 1. Схема эпитаксиального наращивания (а) и общая схема ростовой камеры (б)

Схема на рис. 1,а поясняет принцип эпитаксиального наращивания. Здесь 1 – источник нагрева подложки 2; 4 – испарительные ячейки для компонентов наращиваемого соединения (Ga, In, As, Р и т. д.); 5 – ячейки для испарения легирующих элементов, определяющих тип проводимости и величину электропроводности. I – зона генерации атомных пучков, II – зона

смешивания пучков, III – зона эпитаксиального роста.

Управляя температурами ячеек и подложки, можно получать слои заданного состава. Состав можно менять после завершения формирования любого слоя на подложке.

Пучок электронов из электронной пушки (см. устройство 5 на рис. 1,б) с энергией 10–50 кэВ падает на исследуемую поверхность под углом 1–2° (так называемый скользящий угол). В этих условиях электроны проникают в глубину всего на несколько атомных слоев, т. е. полученная информация относится только к поверхностному слою. Падающие на поверхность электроны испытывают дифракционное отражение и попадают на флуоресцентный экран (см. устройство 1 на рис. 1,б).

1. Возможность формирования атомарно–гладких границ слоев, что принципиально важно для наногетероструктурных приборов.

2. Получение счетного количества завершенных слоев, начиная с одного монослоя, что важно для структур с квантовыми ямами.

3. Возможность получения резких скачков концентрации компонентов в слоях.

4. Возможность создания структур со сложным распределением концентрации основных и примесных элементов.

5. Наличие сверхвысокого вакуума в рабочей камере (рис.1), что исключает недопустимо высокий уровень загрязнения подложки и растущих слоев.

6. Низкие температуры роста, что минимизирует диффузию в объеме, размывающую границы между слоями.

7. Возможность контроля и коррекции роста непосредственно в ходе процесса, диагностика роста, точный контроль температуры подложки и ячеек, компьютерное управление параметрами процесса.

Благодаря своим достоинствам, МЛЭ в настоящее время играет главную роль в развитии технологии получения полупроводниковых наногетероструктур.
3. Общие принципы сканирующей зондовой микроскопии.

Зондовые нанотехнологии

В настоящее время сканирующая зондовая микроскопия (СЗМ) является одним из наиболее эффективных методов исследования атомной структуры и локальных свойств поверхности. СЗМ основана на сканировании поверхности твердотельным зондом с тонким острием. Радиус кривизны острия 10–20 нм, в некоторых устройствах может быть менее 10 нм. Расстояние от острия зонда до поверхности в различных устройствах и при различных режимах работы изменяется в пределах 0,2–10 нм. Зонд может взаимодействовать с поверхностью посредством туннельного тока, теплообмена, межатомных, электрических или магнитных сил.

Перечисленные взаимодействия положены в основу функционирования различных видов сканирующих зондовых микроскопов: туннельного, атомно–силового, теплового, микроскопа на электростатических силах, на магнитных силах и т. д. В каждом случае локальное взаимодействие движущегося зонда с поверхностью сопровождается специфическим сигналом. По совокупности сигналов, полученных при сканировании, создается изображение поверхности и одновременно может определяться поверхностное распределение исследуемой величины, например намагниченности, электропроводности, температуры, напряженности электрического или магнитного поля. Метод СЗМ обладает высокой разрешающей способностью (вплоть до атомной).

С другой стороны, разработаны методы направленного и контролируемого воздействия зонда на поверхность, например, посредством сверхсильных электрических полей и сверхплотных токов в области острия, локального массопереноса, локальных химических реакций, наноиндентирования. На этих воздействиях основан ряд зондовых нанотехнологий, в том числе локальная модификация поверхности, нанолитография, сверхплотная запись информации, исследование механических свойств вещества и другие. Нанолитография достигает своего предельного разрешения, когда с помощью зонда производится перемещение

и позиционирование отдельных атомов.

Способы и приемы формирования, модификации и позиционирования элементов нанометровых размеров на поверхности подложек при помощи зондов с острием лежат в основе зондовых нанотехнологий. Современный зондовый микроскоп позволяет реализовать до 50 различных методик исследования и технологических операций. Зондовые технологии обладают предельной локальностью, возможностью неповреждающего взаимодействия с поверхностью при ее исследовании, визуализацией нанотехнологических операций на поверхности.

Развитие традиционных методов литографии может привести к созданию ИМС с элементами менее 10 нм. Развитие зондовых методов открывает перспективы создания элементов на основе отдельных атомов и молекул. Недостатком всех зондовых технологий является пока их низкая производительность.

Зондовые методы исследования и нанотехнологий применяются в диагностике полупроводниковых структур, исследовании процессов эпитаксиального роста, сверхчувствительной сенсорике, медицине, биологии и т. д.

Сканирующий атомно–силовой микроскоп (АСМ) впервые был сконструирован Г. Биннингом (одним из авторов сканирующего туннельного микроскопа (СТМ)) и его сотрудниками в 1986 г. АСМ, как и СТМ, является сканирующим зондовым микроскопом. Уже при разработке СТМ стало очевидным, что между зондом, близко расположенным к поверхности, и поверхностью действуют относительно большие силы. В АСМ силовое взаимодействие зонда с поверхностью используется для получения сигнала. В принципе, зондовый атомно–силовой микроскоп может работать на основе любых взаимодействий – межатомных, электрических, магнитных, тепловых и др. В настоящее время существует несколько разновидностей АСМ, работающих на основе различных взаимодействий. В наиболее распространенных АСМ используются межатомные силы притяжения и отталкивания. Далее рассматривается именно этот вариант АСМ. Для АСМ на межатомных силах проводимость подложки роли не играет, и можно осуществлять измерения не только на проводящих материалах, но также на диэлектриках, органических и биологических материалах. Поэтому АСМ более универсален, чем СТМ, и находит более широкое применение как в различных исследованиях, так и в нанотехнологиях.

Принцип работы АСМ поясняется на рис. 2.



а) б)

Рис. 2. Схема зондового датчика АСМ и оптической регистрации изгиба кантилевера (а). Зависимость силы межатомного взаимодействия от

расстояния z между зондом и поверхностью (б)
Поверхность образца 1 (рис.2,а) сканируется зондом 2. Зонд крепится на очень чувствительной к деформациям консоли 3, которую называют кантилевером; основание кантилевера 4 скреплено с трехкоординатным пьезосканером. Используются три режима работы кантилевера: контактный, бесконтактный, полуконтактный.

Контактный режим. На рис. 2,б представлена кривая зависимости межатомной силы от расстояния Z между острием зонда и поверхностью. При сближении острия зонда и поверхности между ними возникает притяжение, сила притяжения возрастает с уменьшением расстояния (область 2 на рис. 2,б). На некотором расстоянии электронные облака атомов начинают перекрываться, сила электростатического отталкивания облаков при сближении нарастает экспоненциально и ослабляет силу притяжения. На расстоянии Z₀ ~ 0,2–0,4 нм описанные две силы уравниваются. Когда суммарная сила становится положительной, т. е. отталкивающей, это означает, что атомы вступили в контакт (область 1 на рис. 2,б). При дальнейшем сближении сила отталкивания нарастает столь быстро, что будет уравновешивать практически любую силу, направленную на сближение. Если прижимать зонд к образцу упругой силой кантилевера, то он станет изгибаться. При большом усилии будет также деформироваться поверхность образца, но расстояние между острием и поверхностью не изменится. Такое расстояние можно называть контактным. Оно примерно равно Z₀.

При работе в контактном режиме используются силы отталкивания. В равновесии сила отталкивания компенсируется двумя силами, прижимающими зонд к поверхности. Во–первых, это упругая сила кантилевера. Во–вторых, в атмосферных условиях между зондом и поверхностью образуется водяной мениск и появляется капиллярная сила, которая является силой притяжения. Суммарная величина этих сил составляет 10^–7–10^–9 Н. Как показывает опыт, такая сила вызывает деформацию, поддающуюся измерению. Например, для пружины с жесткостью 1 Н/м удлинение составило бы 1–100 нм соответственно.

В контактном режиме обеспечивается постоянство силы, действующей на зонд. При этом оператором задается определенная величина прогиба кантилевера (обозначим ее ΔZ₀). Если в процессе сканирования зонд встречает выступ или впадину на поверхности, прогиб изменяется на некоторую величину ΔZ, что регистрируется оптической системой АСМ. Луч лазера 5 (рис. 2,а) отражается от верхней поверхности кантилевера и попадает в фотодетектор 6 (полупроводниковый фотодиод), регистрирующий фототок при изменении изгиба консоли. Значения фототока поступают в систему обратной связи, которая изменяя напряжение U_Z на пьезодвигателе, поднимает или опускает кантилевер с зондом. Таким образом, прогиб кантилевера поддерживается постоянным и равным ΔZ₀. Существуют и другие способы регистрации отклонения кантилевера.

При сканировании напряжение на Z–пьезодвигателе U_Z записывается в память компьютера. Визуализация изображения поверхности производится по тем же принципам, что и для СТМ. Изображение может быть, как и в случае СТМ, двухмерным (яркостным) или трехмерным.

Контактный режим применяется для исследования поверхностей с высокой твердостью и прочностью. Недостатки режима – большая вероятность повреждения зонда и поверхности.

Кроме того, этот режим не дает истинного атомного разрешения за исключением отдельных случаев). На практике чаще используют два других режима работы.