Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Формирование наноструктур посредством сканирующих зондовых микроскопов, механизмы локального оксидирования . 10
1.1 Методы локального оксидирования с помощью СЗМ 13
1.1.1. Локальное оксидирование с помощью СТМ 15
1.1.2. Локальное оксидирование с помощью АСМ 16
1.1.2.1. Локальное оксидирование с помощью ПКАСМ 18
1.2. Материалы для локального оксидирования с помощью АСМ 18
1.3. Факторы процесса локального оксидирования 21
1.3.1. Потенциал зонда 21
1.3.2. Время экспонирования 22
1.3.3. Влажность окружающей среды 24
1.3.4. Покрытие иглы зонда 25
1.3.5. Усилие зонда КАСМ 27
1.3.6. Амплитуда колебаний зонда ПКАСМ 27
1.3.7. Норма роста оксида 28
1.4. Преимущества и ограничения методов локального оксидирования с помощью СЗМ 28
1.4.1. СТМ-оксидирование 29
1.4.2. АСМ-оксидирование 31
1.4.2.1. Контактный режим 32
1.4.2.2. Полуконтактный режим 32
1.4.3. Рабочая атмосфера модификации 33
1.4.4. Перспективы развития методов СЗМ-оксидирования 33
1.5. Механизм локального оксидирования 34
1.5.1. Потенциал зондов относительно поверхности образца 34
1.5.2. Пороговое время пассивации поверхности 35
1.5.3. Свидетельства электрохимической природы формирования оксидов с помощью СЗМ 36
1.5.4. Химические реакции локального оксидирования 37
1.6. Физические ограничения метода локального оксидирования 37
ГЛАВА 2. Методика проведения экспериментов 40
2.1. Экспериментальная установка локального оксидирования 40
2.2. Методика локального оксидирования INGAAS 43
2.2.1. Контактный АСМ 43
2.2.2. Полуконтактный АСМ 44
2.3. Методика макрооксидирования поверхности n-ingaas в гликоль-водном растворе для анодизации (АГВ) 46
ГЛАВА 3. Экспериментальные результаты по локальному оксидированию N-INGAAS 47
3.1. Введение 47
3.2. Описание эксперимента 48
3.3. Результаты и обсуждения 49
3.3.1. АСМ-оксидирование в контактном режиме 49
3.3.2. АСМ-оксидирование в полуконтактном режиме 62
3.3.3. Травление оксидных линий в растворе HF 64
3.4. Выводы 68
ГЛАВА 4. Исследование механизмов и значимых факторов локального оксидирования 69
4.1. Введение 69
4.2. Описание эксперимента 75
4.3. Результаты и обсуждение 76
4.3.1. Результаты по АСМ-оксидированию и травлению 76
4.3.2. Обсуждение механизма оксидирования 91
4.3.3. Макрооксидирование в растворе АГВ при освещении образца 94
4.3.4. Воспроизводимость процесса АСМ-оксидирования 96
4.4. Выводы 100
5. Основные результаты и выводы 101
6. Список литературы 104
- Материалы для локального оксидирования с помощью АСМ
- Физические ограничения метода локального оксидирования
- Методика макрооксидирования поверхности n-ingaas в гликоль-водном растворе для анодизации (АГВ)
- АСМ-оксидирование в полуконтактном режиме
Введение к работе
В последнее время разнообразные виды нанопроизводственных технологий были исследованы в попытке получить квантовые и одноэлектронные приборы (ОЭП) с хорошими характеристиками. [55, 35] В числе таких технологий - процесс сухого травления, самоорганизованный и селективный рост наноструктурированных массивов, [20, 55, 35, 51, 24] технология оксидирования, зависящая от геометрии Si наноструктур (PADOX)[84] и оксидирование, базирующееся на сканирующей зондовой микроскопии (СЗМ). [32, 45, 66, 57,46, 33]
В отличие от перечисленных методов, СЗМ-оксидирование реализует резкую смену материала от полупроводника (или металла) к оксиду, обеспечивая резкий потенциальный барьер для носителей, что способствует сильной квантовой локализации и применению оксида в качестве барьеров тунеллирования. В добавок к тому, нанометровое разрешение и способность квазинепрерывного (in-situ) наблюдения за процессом также привлекательны для нанопроизводства с помощью СЗМ. И в самом деле, сканирующая туннельная микроскопия (СТМ) или атомно-силовая микроскопия (АСМ) уже применялась для формирования различных видов единичных квантовых приборов и ОЭП.[32,45]
Актуальность темы обусловлена тем, что метод оксидирования поверхности с помощью атомно-силового микроскопа (АСМ) стоит в ряду прецизионных методов экспериментальной физики, используемых при создании квантовых и одноэлектронных приборов, являющихся основой микро- и наноэлектроники ближайшего будущего. Для реализации подобного класса приборов необходима новая техника и методы литографии материалов с нанометровой точностью. В настоящее время ведется интенсивная разработка таких методов и процессов для литографии на нано-уровне.
Интенсивные исследования были проведены по СЗМ-оксидированию металлов, Si, GaAs, AlGaAs, GaSb, AlGaSb и других полупроводников. [32, 45, 66, 57, 46, 33] Основанные
5 на InGaAs/InAlAs переходах структуры занимают важное место в производстве будущих
высокотемпературных квантовых и одноэлектронных приборов благодаря наилучшим
транспортным свойствам и большому разрыву зоны проводимости. Наряду с этим,
основанная на зондовом оксидировании литография обладает рядом преимуществ перед
традиционными методами в плане величины вовлеченных в процесс энергий. Применение
процессов со сравнительно малыми значениями энергии ведет к снижению дефектности зон
литографии, прецизионности литографии, возможности наблюдения за результатами
литографии в процессе и относительной дешевизной оборудования и применяемых
материалов.
До настоящего времени не проводилось работ по зондовому нанооксидированию п-InGaAs, несмотря на эффективность и прецизионность метода АСМ-оксидирования и непревзойденные электронные качества указанного материала при производстве квантовых и одноэлектронных приборов.
Также, несмотря на множество публикаций по АСМ-литографии, до настоящего
времени проблема воспроизводимости процесса нанолитографии с помощью АСМ не была
рассмотрена детально.
Цель диссертационной работы - исследование основных закономерностей процесса АСМ-литографии и выявление механизмов локального оксидирования n-InGaAs. Основные задачи работы включали:
Создание методики АСМ-литографии и экспериментальной установки на базе сканирующих зондовых микроскопов (СЗМ) NanoScope II и Ilia (Digital Instruments).
Развитие метода локального оксидирования применительно к слоям InGaAs, согласованным по параметру решетки с InP.
Определение основных параметров процесса оксидирования слоя InGaAs, оптимальных для прямого формирования потенциальных барьеров квантовых приборов.
Экспериментальное подтверждение электрохимической природы окисных образований, полученных с помощью АСМ-литографии, в терминах модели Кабрера-Мотта оксидирования полупроводников под воздействием электромагнитного поля.
Экспериментальное исследование зависимостей основных геометрических параметров сформированных окисных образований от разницы потенциалов зонда и поверхности, времени экспонирования потенциала зонда, влажности рабочей атмосферы и рабочего усилия зонда.
Сравнительное исследование геометрических параметров наноструктур, полученных при помощи АСМ-оксидирования в контактном и полуконтактном (tapping) режимах.
Научная новизна работы состоит в комплексном исследовании процесса и механизмов локального оксидирования n-InGaAs. В результате проведенных исследований получены следующие новые результаты:
1) Исследованы зависимости геометрических характеристик сформированных линий и точек от разности потенциалов между зондом и поверхностью InGaAs, скорости сканирования зонда при формировании оксида, влажности окружающей среды и силе взаимодействия зонда и поверхности.
2) Проведена экспериментальная оценка величины капиллярной составляющей силы
взаимодействия зонда и поверхности в процессе оксидирования InGaAs;
3) Показана электрохимическая природа локального образования оксида.
4) Показана возможность формирования на поверхности n-InGaAs оксидных линий с
высокой степенью равномерности по высоте и ширине на длине до 2 микрометров.
Практическая значимость работы заключается в том, что в ней:
показана возможность формирования линий шириной менее 30 нм и высотой более 5 нм, геометрические характеристики которых удовлетворяют условиям формирования одноэлектронных структур;
показана возможность формирования линий и точек на поверхности InGaAs методом зондового оксидирования с флуктуацией высоты и ширины по длине линий в пределах шероховатости исходной поверхности;
показано, что оксидные формирования на InGaAs легко стравливаются в растворе HF.
экспериментально показано, что смещение порогового напряжения АСМ-оксидирования обусловлено износом проводящего покрытия вершины иглы зонда, в то время как норма оксидирования зависит от электрохимической природы процесса.
Представляемые к защите научные положения.
1. Процесс АСМ-нанооксидирования представляет собой комбинацию традиционной
модели Кабрера-Мотта и наведенного пространственного заряда в оксиде в процессе
оксидирования.
Макро- и АСМ-нанооксидирование имеют единую природу; на это указывает близость значений порогового напряжения и нормы роста оксидов.
Норма роста оксида обусловлена природой электрохимических реакций, происходящих в процессе АСМ-оксидирования.
Смещение порогового напряжения в область большего напряжения со временем эксплуатации зонда при АСМ-оксидировании вызвано, в основном, износом проводящего покрытия на вершине зонда.
Уменьшение доли времени пассивации в общем времени процесса локального оксидирования приводит к улучшению однородности размеров сформированных линейных наноструктур по сравнению с точечными наноструктурами.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались:
на национальных конференциях Японского Общества Прикладной Физики, Токио, Акита, Фукуока, 1998-1999;
на международном симпозиуме International Symposium on Surface Science for Micro- and Nano-Device Fabrication (ISSS-3), Токио, 1999;
на региональных конференциях Японского Общества Прикладной Физики, Хакодате, Саппоро, 1998-1999;
на научных семинарах Научно-исследовательского Центра квантовой электроники университета Хоккайдо, в Физико-Техническом институте им. А.Ф. Иоффе и Институте Аналитического Приборостроения Российской академии наук, 2000-2001.
Публикации. Основное содержание работы раскрыто в публикациях:
Соколов Д.В. Нанооксидирование и нанотравление n-Ino 53^ао 47 As с помощью атомно-силового микроскопа: Научное приборостроение (2001) 11, 1, с.15-21.
Соколов Д.В. Воспроизводимость процессов нанооксидирования n-Ino.53Ga0.47As с помощью атомно-силового микроскопа: Микросистемная техника (2001), 5, с.25-29.
Sokolov, D. V.; Fujikura, Н.; Hasegawa, Н. "Scanned-Probe Nano-Scale Oxidation and Etching of n-Type In_0.53Ga_0.47As" In International Symposium on Surface Science for Micro- and Nano-Device Fabrication (ISSS-3): Tokyo, Japan, 1999; p 45.
Sokolov, D. V.; Fujikura, H.; Hasegawa, H. "Nanometer-Scale Patterning on n-InGaAs by AFM Probe-Induced Oxidation in Air (2)" In The 60th Autumn Meeting, 1999; The Japan Society of Applied Physics and Related Societies: Kobe, Japan, 1999.
Sokolov, D. V.; Fujikura, H.; Hasegawa, H. "Nanometer-Scale Patterning on n-InGaAs by AFM Probe-Induced Oxidation in Air" In The 46th Spring Meeting, 1999; The Japan Society of Applied Physics and Related Societies: Tokyo, 1999; Vol. 1; p 520.
8 Содержание работы излагается в четырех главах.
В первой главе представлен обзор работ по получению наноструктур посредством
сканирующих зондовых микроскопов и обзор возможных механизмов локального
оксидирования.
Вторая глава посвящена описанию методик эксперимента. Приведено описание установки,
на которой производилось локальное оксидирование поверхности InGaAs; процесса
локального оксидирования в контактном и полуконтактном режимах АСМ; методики
макроанодизации образца InGaAs в гликоль-водном растворе для анодизации (АГВ) на базе
виноградной кислоты.
В третьей главе представлены результаты исследований локального образования оксида п-
InGaAs посредством сканирующей зондовой микроскопии; приведены результаты по
травлению окисных образований в растворе HF.
В четвертой главе представлены результаты экспериментов по определению механизма
локального оксидирования и значимых факторов воспроизводимости процесса АСМ-
оксидирования. Представлены результаты электронно-зондового микроанализа (ЭЗМА)
окисных образований, полученных методом зондовой литографии. Заметное увеличение
концентрации оксида в месте локальной модификации поверхности позволяет говорить о
преимущественно окисном характере роста образований. Обсужден предполагаемый
механизм локального оксидирования и описан процесс формирования окисного слоя при
макроанодизации в АГВ. Сравнение зависимостей толщины оксидного слоя от
приложенного напряжения при макро- и локальном оксидировании показало полное
соответствие порогового напряжения формирования оксида при КАСМ-оксидировании и
нормы роста оксида в полуконтактном режиме соответствующим величинам процесса
макрооксидирования. Представленные результаты травления локального оксида в
плавиковой кислоте в течение 10 секунд выявили соотношение глубина канавки/высота
оксида, равное 1.5, что находится в хорошем соответствии с результатами по травлению
9 локальных оксидов на материалах с близкими химическими свойствами (GaAs и InAlAs).
Уменьшение ширины после травления в плавиковой кислоте говорит об отсутствия бокового
растравливания образца. Этот факт также является косвенным свидетельством окисной
природы образований при зондовой литографии в силу высокой селективности плавиковой
кислоты при травлении оксида InGaAs на InGaAs.
Диссертационную работу завершает раздел "Основные результаты и выводы".
Формулы и рисунки пронумерованы по главам. Нумерация цитируемой литературы - единая
для всей диссертационной работы.
Материалы для локального оксидирования с помощью АСМ
Возможности СТМ по модификации поверхностей были реализованы вскоре после его изначального изобретения в качестве инструмента для микроскопии на атомарном уровне. СТМ, работающий на воздухе, был использован при оксидировании локализированных участков поверхностей Si(lll), пассивированных водородом. Оксидированные участки поверхности были использованы в качестве маскирующего покрытия при травлении. [12] Механизмы локального оксидирования поверхности кремния, пассивированной водородом, на воздухе и в сверхвысоком вакууме существенно отличны. В процессы оксидирования на воздухе вовлечены электрохимические реакции. Рабочей средой, определяющей процесс окисления на воздухе является тонкая пленка воды на поверхности образца. В сверхвысоком вакууме имеет место депассивация поверхности кремния с последующим селективным окислением при экспонировании образца в атмосфере кислорода. [69] В данном процессе электрон, испускаемый с зонда СТМ, возбуждает электроны связи атомов водорода с кремнием. Электрон, прошедший туннельный зазор, обладает малой энергией, но ее достаточно для разрушения связи атомов. Таким образом, селективное удаление атомов водорода с поверхности кремния приводит к образованию областей поверхности со свободными связями атомов кремния, активно вступающих в реакцию с молекулярным кислородом, поданным в вакуумную камеру после литографической операции.
Предоставленные возможности сканирующих зондов СТМ снимать изображения и модифицировать поверхности на атомарном уровне вызвали значительный интерес в плане их использования для производства наноструктур. [68, 90] Однако, АСМ обладает ощутимыми преимуществами перед СТМ в качестве инструмента для литографии. Наиболее существенным преимуществом является то обстоятельство, что экспозиционный механизм, обычно электрическое поле или ток, может быть приложен независимо от контроля расстояния между вершиной зонда и поверхностью образца. В отличие от СТМ, в АСМ следящая система взаимодействия зонда с поверхностью контролирует отклонение консоли зонда от равновесного состояния. Такая разделение контроля следящей системы и экспозиционного механизма обеспечивает возможность функционирования АСМ как на проводящих поверхностях, так и на поверхностях изоляторов.
АСМ стал привлекательной альтернативой для выполнения работы по локальному оксидированию поверхностей потому, что наряду с другими причинами, в отличие от СТМ он позволяет осуществлять независимый контроль механизма оксидирования благодаря существованию контактного усилия зонда с поверхностью образца.
Одним из важных параметров окисных структур, получаемых методом локального оксидирования, является ширина линий. Несмотря на непревзойденные характеристики структур на кремнии, сформированных с помощью СТМ в сверхвысоком вакууме (с характерной шириной около 1 нм), [41] модификация поверхностей образцов на воздухе с помощью АСМ является более дешевой и легкой в реализации. Ширина лучших структур, сформированных на воздухе на поверхностях различных материалов, лежит в диапазоне 10-40 нм для всех видов СЗМ-модификаций, [23, 72] но в ряде публикаций преимущество отдается таппинг (tapping) АСМ как обеспечивающему лучшую воспроизводимость процесса оксидирования и, соответственно, лучшую однородность получаемых структур. [23] Как правило, структуры с малыми латеральными размерами обладают низкой высотой относительно поверхности образца. При наличии высоко селективного травителя оксида на базовом материале, как в случае с оксидом кремния на кремнии, для переноса рисунка маски вглубь материала подложки оказывается достаточным 1-2 нм сформированного оксида. К сожалению, для производства реально действующих приборов, основанных на квантовых эффектах, такой метод оказался непривлекательным по ряду причин, и большинство приборов, реализованных методом локальной модификации поверхности с помощью СЗМ, были выполнены с интеграцией оксидов в существующие пленочные структуры на базе металлов [44] и полупроводников.
При производстве указанных приборов оказалось необходимым либо обеспечение полной электрической изоляции электродов одноэлектронного транзистора (ОЭТ) посредством оксидирования пленки металла на всю толщину пленки, [44] либо создание локализованной области двумерного электронного газа посредством изгиба слоя, обедненного носителями заряда, под локально оксидированными областями поверхности образца. [58]
Еще одним параметром, важным для всех видов наноэлектронных приборов является геометрический фактор (aspect ratio), или отношение высоты оксидных формирований к их ширине (WW). Геометрический фактор может служить в качестве критерия литографии для окисной маски. Как было отмечено в ряде публикаций, ширина лишь незначительно зависит от факторов формирования окисных структур для заданных высот оксида. [23] Считается, что наиболее значимым фактором при достижении оптимальных размеров структур является форма вершины зонда.
И действительно, в приведенной диаграмме ширина/высота сформированных оксидных линий для различных потенциалов и скоростей сканирования зонда вдоль поверхности ([23], Рис. 11) отчетливо видны две группы данных: для диапазона напряжений 4-8 В и 10-12 В. Подобная флуктуация данных наблюдалась и в данной работе. Предполагается, что подобная флуктуация, или разделение данных с изменением потенциала зонда, вызвана изменением формы вершины иглы зонда при превышении потенциала зонда некоторой пороговой величины, близкой к 8-10 В.
Физические ограничения метода локального оксидирования
Оксиды, как правило, слабо проводят ток. Во избежание механического контакта зонд СТМ должен находиться на расстоянии более 4 нм от поверхности [23]. Это означает прекращение тока тунеллирования и переход к режиму электрохимического СТМ, что подтверждает наличия пленки воды на поверхности образца во время оксидирования. Ток Фарадея, измеренный в ходе эксперимента, также свидетельствует о том, что оксидирование идет посредством ионов, предположительно ОН", из слоя воды.
Удивительно, что 20 нм образования могут быть сформированы зондом с большим диаметром вершины. С приложением к зонду импульсов напряжения могут быть сформированы точки размером около 10 нм. [74] Под оксидной точкой в данной работе подразумеваются оксидные образования, полученные при фиксированном положении зонда относительно поверхности под воздействием импульса напряжения между зондом и поверхностью. Объяснение формирования 10-нанометровых оксидных образований может быть найдено в кинетике процесса формирования оксида, а именно в существовании времени пассивирования, что было обнаружено при формировании точек импульсами напряжения различного значения и длительности.[58]
Расчет напряженности электрического поля в близости к вершине иглы зонда в вакууме показал острый пик напряженности в непосредственной близости к вершине зонда на радиальном расстоянии около 10 нм. [2] Несмотря на это, рост слоя оксида равномерен в радиальном направлении, то есть, в поперечном сечении оксидных образований пик толщины окисла обнаружен не был. Следовательно, напряженность электрического поля в непосредственной близости к игле практически не меняется на протяжении десятков нанометров. Это противоречит распределению напряженности электрического поля в вакууме, которое должно уменьшаться обратно пропорционально расстоянию до иглы зонда. Противоречие объяснено конечной электрической проводимостью пленки воды между поверхностью и иглой зонда. В электрохимической среде электрический потенциал почти постоянен в толще водного слоя и падает только в близости к границе с электродом, т.е. в электрохимическом двойном слое. Пленка воды "дефокусирует" электрическое поле и ухудшает латеральное разрешение метода. Формирование и протяженность указанной пленки воды определяется капиллярными силами, градиентами электрического поля на вершине иглы зонда, смачиванием подложки и иглы зонда и относительной влажностью рабочей среды. Таким образом, АСМ-литография гидрофобными карбоновыми нанотрубками выглядит более перспективной. 1.5.4. Химические реакции локального оксидирования. Химические реакции локального оксидирования представлены на примере кремния: Si + 4h+ + 20Н- - Si02 + 2H+ Эффективность реакции локального оксидирования кремния определена равной 50%. [2] Реакция изменчива во времени и неустойчива, причиной чему является оксидирование вершины p++-Si зонда и неравномерность пассивации поверхности кремния. В одной из работ был предложен следующий механизм локального оксидирования. С приложением отрицательной относительно поверхности образца разности потенциалов к проводящему зонду АСМ на поверхности образца создается интенсивное и сильно локализированное электрическое поле, производящее ионы О", которые оксидируют поверхность. Генерация дырок на поверхности не является лимитирующим фактором скорости роста оксида, так как схожее поведение наблюдалось для образцов как п-, так и р типов. Лимитирующим фактором роста оксида на начальных стадиях роста является скорость формирования ионов кислорода на поверхности полупроводника. После начальной стадии формирования оксида ( 1 нм) скорость формирования оксида падает, что привело к предположению, что лимитирующим фактором роста оксида является диффузия ионов кислорода сквозь оксидную пленку материала вглубь подложки. [39] Gordon et al. [26] вслед за Snow et al. [74] предположили об ограничении скорости роста оксида вследствие низкой исходной плотности группы ОН" на поверхности образца. Модель Кабрера-Мотта может быть определена как модель оксидирования тонких пленок поверхности под воздействием электрического поля, понижающего потенциальный барьер для движения ионов вглубь оксидной пленки. Уменьшение скорости роста оксида вызывается уменьшением напряженности электрического поля с увеличением толщины оксида и образованием механических напряжений. [2] Отклонения кинетики оксидирования от кинетики типа Кабрера-Мотта были также обнаружены и при термическом оксидировании. Механические напряжения повышают энергию активации оксидирования, так как часть энергии расходуется на увеличение объема материала AV+ в переходной фазе оксидирования. Скорость реакции может быть записана как ks = k0 exp(-aAV+/kT), где a - механическое напряжение, k0 дает скорость роста оксида при отсутствии механических напряжений. В ходе термического оксидирования кремния при температуре более 800С напряжение снимается благодаря вязкому течению Si02- [42] Благодаря такому течению оксида скорость роста оксида возрастает. Аналогичный рост скорости роста оксида наблюдался и с ростом напряженности электрического поля. Таким образом, в работе [2] сделано предположение о вкладе электрического поля в снятие напряжений в оксиде и о диффузии материала подложки в слой оксида, что ведет к образованию оксида с большим количеством дефектов. Одним из показателей ограничения скорости роста оксидов является норма роста оксида, или увеличение толщины оксида на каждый дополнительный вольт напряжения. Норма роста известна для ряда модифицируемых методом анодизации на макроуровне материалов и может служить критерием близости процессов нано- и макрооксидирования. Как видно из таблицы 8, норма роста высоты оксида лишь в ряде случаев превышает 1 нм/В.
Методика макрооксидирования поверхности n-ingaas в гликоль-водном растворе для анодизации (АГВ)
В последнее время разнообразные виды нанопроизводственных технологий были исследованы в попытке получить квантовые и одноэлектронные приборы (ОЭП) с хорошими характеристиками.[55, 35] В числе таких технологий - процесс сухого травления, самоорганизованный и селективный рост наноструктурированных массивов,[20, 55, 35, 51, 24] технология оксидирования, зависящая от геометрии Si наноструктур (PADOX)[84] и оксидирование, базирующееся на сканирующей зондовой микроскопии (СЗМ).[32, 45, 66, 57, 46, 33]
В противоположность к перечисленным методам, СЗМ-оксидирование реализует резкую смену материала от полупроводника (или металла) к оксиду, обеспечивая резкий потенциальный барьер для носителей, что является приемлемым для получения сильной квантовой локализации и для применения в качестве барьеров тунеллирования. В добавок к тому, их нанометровое разрешение и способность непрерывного наблюдения за процессом также привлекательны для нанопроизводства. И в самом деле, сканирующая туннельная микроскопия (СТМ) или атомно-силовая микроскопия (АСМ) уже применялась для формирования различных видов отдельных квантовых приборов и ОЭП.[32, 45]
Интенсивные исследования были проведены по СЗМ-оксидированию металлов, Si, GaAs, AlGaAs, GaSb, AlGaSb и других полупроводников. [32, 45, 66, 57, 46, 33] Система материалов Ino.53 a0.47и 1п0.52 0.48 совмещенных с InP, известна как лучшая система для высокотемпературных квантовых приборов и ОЭП из-за превосходных свойств электронного транспорта и большого разрыва зоны проводимости. Однако, до настоящего времени нет сообщений по СЗМ-нанооксидированию системы материалов InGaAs.
Цель этой работы - показать как применимость АСМ-оксидирования для слоя InGaAs, совмещенного с InP, так и выяснить основные характеристики оксидирования указанного слоя, оптимальные для непосредственного формирования потенциальных барьеров квантовых приборов. Сформированы оксидные выступы в форме точек, линий и относительно больших образований квадратной формы при разнообразных условиях оксидирования. Их характеристики были исследованы с помощью АСМ в ходе процесса оксидирования. Под оксидной точкой в данной работе подразумеваются оксидные образования, полученные при фиксированном положении зонда относительно поверхности под воздействием импульса напряжения между зондом и поверхностью. В данном исследовании в качестве подложки была использована полуизоляционная подложка InP со слоем п-типа Ino.53Gao.47A3 (п = 5x10 см З), выращенного методом молекулярно-пучковой эпитаксии (МПЭ). После формирования точечного омического In контакта на лицевой поверхности образца он был помещен в раствор HF на 15 с для удаления естественного слоя оксида.
Экспериментальная установка для локального нанооксидирования, использованная в этом исследовании, показана схематически на Рис. 2.1. В качестве базовой была использована система АСМ с сильно легированными p+-Si зондами, покрытыми Pt пленкой толщиной около 20 нм. Для поддержания влажности окружающей среды на уровне 40 % вся система была помещена в пластиковую камеру, наполненную влажным азотом. Контроль влажности осуществлялся смешиванием непосредственно перед запуском в камеру насыщенного водными парами и сухого азота. Для нанооксидирования поверхности образца к зонду АСМ было приложено отрицательное напряжение, V p, в диапазоне 1 - 20 В. АСМ оксидирование было проведено в условиях темноты и облучения светом Аг+ лазера. Свет лазера с длиной волны в 488 нм был введен в камеру посредством оптического волокна, подведенного к зонду на расстояние около 0,5 мкм под углом около 20 градусов во избежание затенения места модификации пластиной зонда. [100] Сначала была проверена возможность оксидирования поверхности n-InGaAs при приложении к зонду отрицательного потенциала, Vnp, равного 15 В при сканировании квадратного участка поверхности площадью с размерами около 1500 х 1500 нм . После формирования оксидных точек и линий при различных условиях были исследованы основные характеристики процесса АСМ-оксидирования. Для формирования оксидных точек к зонду было приложено отрицательное напряжение 1 - 10 В при фиксированном положении зонда в течение времени оксидирования, tox, 60 с. Для формирования оксидных линий применялось сканирование зонда на длине 0,2 - 2 мкм с приложением отрицательного потенциала V p в диапазоне 5-30 В. Скорость сканирования зонда варьировалась в диапазоне 10 - 260 нм/с. Для характеризации результатов оксидирования и геометрических параметров оксидных формирований изображения полученных на поверхности структур были сняты тем же зондом, что использовался в локальном оксидировании. Также была исследована возможность переноса оксидного рисунка вглубь слоя InGaAs при травлении образца в растворе HF. Подобно процессам АСМ-оксидирования Si и GaAs оксидные выступы на поверхности были успешно сформированы методом АСМ-оксидирования даже на поверхности n-InGaAs, которая известна крайне малой скоростью оксидирования при комнатных условиях и используется в качестве защитного слоя при формировании гетероструктур. Для подтверждения возможности локального модифицирования поверхности InGaAs и определения композиционного состава образований сначала было проведено оксидирование сравнительно большого участка поверхности. На Рис. 3.1(a) показано АСМ изображение оксидного образования, сформированного приложением к зонду отрицательного напряжения 15 В при сканировании площадки размером около 1,5 х 1,5 мкм2. Несмотря на то, что образец пребывал на воздухе и вся поверхность была покрыта пленкой естественного окисла, на месте модификации было обнаружено увеличение концентрации атомов кислорода при помощи электронно-зондового микроанализатора (electron-probe microanaliser (EPMA)). На Рис. 3.1(b) представлена карта распределения кислорода по поверхности InGaAs после модификации с помощью АСМ. Яркое пятно соответствует участку с повышенным содержанием кислорода. Координаты этого участка, измеренные относительно маркера, указанного на Рис. 3.1(a) точно совпадают с оксидированным участком. Маркер сформирован скрайбированием поверхности ножом из нержавеющей стали. В силу малой скорости оксидирования поверхности образца маркер не виден на карте кислорода, но виден на изображении, сделанном на сканирующем электронном микроскопе (СЭМ).
АСМ-оксидирование в полуконтактном режиме
Факт необходимости водной пленки для локального оксидирования был продемонстрирован Sugimura et al. [81] в качестве подтверждения аналогичности процессов локального оксидирования и электрохимической анодизации. Оптимизация влажности воздуха для формирования оксидных образований высотой более 5 нм была проведена в работе. [100]
Подтверждение наличия пленки воды при относительной влажности рабочей среды более 1 % является наличие "прыжка на поверхность" ("jump-in") на кривой сил АСМ. [87] Приближение зонда на близкое расстояние к поверхности образца вызывает внезапное движение зонда к поверхности с силой, превышающей силу упругости зонда (cantilever spring constant), что определялось по отношению наклона кривой сил к постоянной упругости зонда. При отходе зонда от поверхности выход из контакта происходит на расстоянии, превышающем расстояние, на котором наблюдался "jump-in", то есть наблюдался гистерезис в кривой сил АСМ, свидетельствующий о наличии тонкого слоя воды на поверхности. Капиллярные силы захватывают острие зонда при сближении и притягивают зонд до контакта с поверхностью твердого тела, где преобладание отталкивающих сил Ван-дер-Ваальса над силами притяжения атомов поверхности вызывают прекращение сближения вершины зонда с поверхностью. Подобный "jump-in" и сильно выраженный гистерезис кривой сил постоянно наблюдался и в наших экспериментах при проверке и выставлении точного значения силы взаимодействия зонда с поверхностью.
Формирование водного мениска и захват зонда мениском происходит еще до контакта зонда с поверхностью жидкости благодаря изгибу поверхности водного слоя в направлении острия зонда из-за действия притягивающих сил Ван-дер-Ваальса. При отходе зонда происходит удержание зонда в контакте с поверхностью твердого тела до того момента, пока сила упругости пружины зонда не превысит силы капиллярного взаимодействия.
Для определения химической природы выступов на поверхности, сформированных с помощью АСМ, ранее была использована Оже-электронная спектроскопия. Как правило, образцы на воздухе покрыты тонким слоем окисла. И как правило, об окисной природе СЗМ-образований можно судить лишь по отношению интенсивностей сигналов кислорода модифицированной и исходной поверхности образца (кремнии [22], хром[87])
Использование СЗМ-оксидов в качестве интегральных частей будущих полупроводниковых ОЭП невозможно без подтверждения химической и электрической стабильности СЗМ-оксидов. Формирование эффективных потенциальных барьеров для электронного переноса было продемонстрировано в работе [54]. Нелинейные вольт-амперные характеристики (ВАХ) туннельного диода (Т = 15 К) показали существование плато, интерпретированные как Кулоновские ступеньки. Кулоновские ступеньки наблюдались и при температуре 300 К, хотя и были размыты из-за влияния температуры и возросших токов утечки. Таким образом, продемонстрирована возможность формирования эффективного туннельного барьера при помощи техники АСМ зондового оксидирования и возможность интеграции подобных приборов в будущие ОЭП. Температурная зависимость тока стока от напряжения между стоком и истоком туннельного диода на квантовой точке [54] невелика. Таким образом, в направлении, поперечном оксидному барьеру, преобладает туннельная проводимость, а не проводимость типа проводимости Шоттки.
Известно, что лучшими изоляционными характеристиками обладают кристаллические оксиды. Однако в условиях неравномерного в латеральном направлении окисления возможно формирование только аморфного оксида. Один из косвенных методов определения структуры полученного оксида является метод расчета расширения объема продукта после реакции. Так, при локальном оксидировании n-Si(lOO) обнаружено увеличение объема полученного оксида в 3,0±0,4, что превысило ожидаемое значение увеличения объема материала при получении аморфного оксида SiC 2 (примерно 2,27).[43] Таким образом,
предполагается наличие молекул воды в аморфном оксиде кремния при локальном
оксидировании.
Для определения коэффициента объемного расширения при оксидировании важным параметром является отношение глубины проникновения оксида внутрь материала подложки к высоте соответствующих окисных образований. Для определения глубины проникновения оксида применяют селективное травление оксидов на соответствующем материале подложки. Глубина полученных канавок соотносится к объему потребленного материала подложки в ходе процесса локального окисления. К сожалению, лишь небольшая часть работ по локальному оксидированию содержит подобную информацию.
Так, отношение глубины к высоте оксида для кремния в разных источниках составило 0,38 при оксидировании в КАСМ [2] и 0,67 (отношение высоты к общей толщине оксида составило 0,6) при оксидировании в режиме ПКАСМ. [23] Отношение глубины к высоте оксида для GaAs составило 0,5 при оксидировании в КАСМ (отношение общей толщины к высоте оксида составило 1,5).[58]
Похожее значение коэффициента объемного расширения (3,0) было получено и при оксидировании AlGaAs.[54] Таким образом, предполагается большое рассогласование постоянной решетки оксида и материала подложки, что ведет к образованию локальных механических напряжений.
Экспериментально было показано, что линии высотой около 10 нм и шириной 150 нм на поверхности Ga[Al]As способны создавать области, обедненные носителями заряда в электронном газе, расположенном на 40 нм ниже поверхности образца. [30] При этом ширина обедненной области составила всего 15 нм, что достаточно для получения квантовых эффектов, таких как Шубников-де Гаас осцилляции, присущих квантовым проволокам при температурах жидкого гелия.
