Содержание к диссертации
Введение
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 DUV и EUV 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 DC- и RF-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
- Литография, основанная на заряженных пучках частиц
- Теоретические основы вязкоупругого поведения полимеров при сжатии
- Технология формирования СВЧ транзисторов с Т-образным затвором методом наноимпринт литографии
- Формирование каталитических островковых структур для роста вертикально ориентированных углеродных нанотрубок
Введение к работе
Актуальность работы. Прогресс в микроэлектронике, начало которого датируется серединой XX-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 (DUV фотолитография). При этом используются несколько методик, таких как водная иммерсия, фазосдвигающие маски, внеосеовое излучение и других, позволяющих добиться улучшения разрешения фотолитографии. На следующих этапах технологического процесса предполагается переход к EUV 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 EUV 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:
-
Исследование явлений, возникающих в процессе наноимпринт-литографии при использовании штампов с различным поверхностным рельефом.
-
Исследование процесса формирования антиадгезионного слоя на поверхности штампа при его осаждении из газовой фазы.
-
Исследование и разработка методов получения наноразмерных элементов с низким уровнем дефектов.
-
Разработка методов формирования штампов с субмикронным размером элементов.
-
Исследование и разработка методов наноимпринт-литографии для формирования субмикронных затворов СВЧ транзисторов.
-
Исследование характеристик СВЧ транзисторов с Т-образным затвором, сформированным наноимпринт-литографией.
Научная новизна работы
-
Экспериментально установлены закономерности влияния времени нанесения антиадгезионного покрытия и температуры полимера на силу адгезии между штампом и полимером.
-
Разработаны методы формирования наноразмерных и микрометровых структур, основанные на использовании многослойных систем в технологии НИЛ.
-
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.
-
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 c диаметром элементов 60 нанометров для роста структурированных массивов углеродных нанотрубок.
Научные положения, выносимые на защиту:
-
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.
-
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 C методом PECVD. Использование данной методики позволяет создавать структуры с высоким аспектным соотношением.
-
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.
-
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.
Конференции «Микроэлектроника и информатика», МИЭТ, 2011.
Конференции «ACN 2011», Санкт-Петербург, 2011.
Конференции «Electronics and Nanotechnology», Киев, 2011.
IV международном форуме по нанотехнологиям, Москва, 2011.
Конференции «Микроэлектроника и информатика», МИЭТ, 2013.
Конференции «V Всероссийская молодежная конференция по фундаментальным и инновационным вопросам современной физики», ФИАН, 2013
Конференции «1st Russian-German Conference on Biomedical Engineering», Германия, Ганновер, 2013.
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.
Литография, основанная на заряженных пучках частиц
В фотолитографии, излучение, с помощью которого формируются элементы в слое фоторезиста, создается с помощью различных источников. Входящая в формулу (1.2) длина волны определяется типом используемого источника. В ходе развития технологии фотолитографии происходил переход от использовавшихся сначала ртутных ламп с длиной волны 436 нм и 365 нм к эксимерным лазерам, имеющим длину волны излучения до 126 нм. Использование эксимерных лазеров в качестве источников излучения принято считать точкой перехода к фотолитографии в глубоком ультрафиолете (DUV).
Существует несколько основных типов эксимерных лазеров, различающихся по длинам волн и мощности излучения. На сегодняшний день, основной технологией следующего поколения принято считать фотолитографию на основе экстремального ультрафиолета (EUV) [6]. Основные этапы развития технологии фотолитографии продемонстрированы в таблице 1.1.
Минимальный 7000-1000 1000-350 350-180 180-24 24 и менее размер элемента (нм) Длина волны 436 (G- 365 (I- 248 (DUV) 193 13 (EUV) излучения (нм) линия) линия) (DUV) Таблица 1.1. Соотношение длины волны излучения и размеров элементов, которые можно получить с её применением.
Излучение с длиной волны 13 нм, которое получило название EUV, строго говоря, уже не относится к оптическому излучению [7]. В данной области длин волн традиционные оптические системы, основанные на преломлении излучения, уже не работают. Причиной этому является сильное поглощение EUV излучения практически во всех материалах. Решением данной проблемы стало использование оптики для EUV фотолитографии, представляющей собой систему зеркал [8]. Излучение от источника с помощью зеркал проецируется на фотошаблон, содержащий отражающие и поглощающие области. Отраженное изображение маски фотошаблона затем фокусируется и проецируется с помощью другой системы зеркал на подложку, на поверхность которой нанесён фоторезист. Фотолитография, основанная на EUV излучении, должна осуществляться в условиях вакуума, с целью снижения поглощения излучения атмосферой.
EUV излучение может быть генерировано двумя основными способами: с помощью плазменного разряда и с помощью синхротронного источника. В промышленном производстве наиболее распространенными являются источники излучения на основе плазмы. Основной сложностью при создании источников EUV излучения является получение выходной мощности, достаточной для использования таких источников в промышленном производстве. Созданные на сегодняшний день источники не обладают необходимой выходной мощностью [9].
Ключевым компонентом оптических EUV систем является многослойное зеркало. Отражение излучения с длиной волны 13,5 нм от любого материала является недостаточным для формирования отражающих элементов. Для получения высокого коэффициента отражения поверхность зеркала покрывается многослойным покрытием, состоящим из тонких пленок материалов с разной диэлектрической постоянной. Такие покрытия являются одномерными фотонными кристаллами и относятся к классу распределенных Брэгговских отражателей.
Фотошаблон для EUV фотолитографии работает по тому же принципу, что и оптическая система. Он состоит из отражающих областей, представляющих собой Брэгговские отражатели, и из областей, способных поглощать EUV излучение. В качестве поглощающих слоев могут быть использованы различные металлы: Al, Cr, Ta, W. Для формирования элементов фотошаблона обыкновенно применяется электронно-лучевая литография и реактивно-ионное травление.
Несмотря на то, что EUV фотолитография разрабатывалась с целью полного замещения DUV фотолитографии в промышленном производстве, технические трудности не позволяют использовать её в массовом производстве ИС. Другим ограничивающим фактором является стоимость таких систем, которая значительно превосходит стоимость промышленных установок DUV фотолитографии. Еще одной из причин задержки перехода к таким системам является то, что с применением различных методов улучшения разрешения, DUV фотолитография позволила достичь тех технологических норм, которые изначально рассчитывалось достигнуть с применением EUV фотолитографии.
Длина волны излучения является не единственным параметром, влияющим на предельное разрешение в фотолитографии. Вторым параметром, как следует из формулы (1.2), является числовая апертура оптической системы установки фотолитографии. Она по своей сути эквивалентна диаметру собирающей линзы объектива. При прохождении излучением элементов фотошаблона, происходит его рассеяние. Использование линз с большим диаметром позволяет фокусировать большее количество рассеянного излучения. Фокусирование излучения, рассеянного на большие углы, является важным по той причине, что оно содержит информацию о деталях элементов в маске фотошаблона. Дифракция излучения на малых элементах происходит таким образом, что при уменьшении их размеров происходит увеличение угла рассеяния [10]. Cледовательно, увеличение NA позволяет получить большую детализацию изображения.
Увеличение числовой апертуры в фотолитографии с одной стороны приводит к улучшению разрешения, однако её максимально допустимое значение ограничено глубиной фокуса оптической системы. Его значение связано с длиной волны излучения , числовой апертурой NA, а также фактором к2, отражающим характеристики оптической системы установки фотолитографии и фоторезиста [4]:
В промышленном производстве глубина фокуса является важным параметром. При его малом значении, фокусирование изображения на поверхности пластины происходит в малом диапазоне расстояний, что может приводить к значительной разнице размеров элементов, недопустимой при промышленном производстве ИС.
Одним из наиболее важных технических решений в фотолитографии стало использование иммерсионных технологий [11]. Технология водной иммерсии применялась в области оптической микроскопии задолго до её внедрения в фотолитографию. Основным принципом данной технологии является заполнение жидкостью пространства между объективом и подложкой. Для этой цели может применяться как обычная деионизованная вода, так и другие типы жидкостей.
Очевидно, что введение жидкости в область между объективом и подложкой позволяет повысить числовую апертуру оптической системы за счет того, что индекс преломления данной области повышается с п=1 для воздуха до п 1 для жидкостей. Это приводит к тому, что NA иммерсионных систем может превышать единицу.
Теоретические основы вязкоупругого поведения полимеров при сжатии
Сила адгезии минимальна в момент формирования моноатомного слоя антиадгезионного покрытия. Как видно из графика, минимальное значение силы адгезии достигается при времени нанесения антиадгезионного покрытия от 25 до 30 секунд. Отсюда можно заключить, что, в среднем, на поверхности кантилевера за это время формируется моноатомный слой такого покрытия. Так как время формирования зависит только от парциального давления F13CS и не зависит от площади поверхности, то время формирования монослоя F13CS на поверхности шаблона с произвольным рельефом при тех же условиях также будет в среднем равно 30 секундам. Повышение силы адгезии при времени нанесения более 30 секунд можно связать с тем, что при толщине покрытия, превышающей толщину монослоя, излишки антиадгезионного вещества при взаимодействии с водяными парами, содержащимися в атмосфере, полимеризуются. По этой причине изменяются когезионные свойства антиадгезионного покрытия, а также увеличивается его адгезия к резисту, что приводит к быстрой деградации слоя F13CS в процессе наноимпринт литографии. Вследствие этого, определение оптимального времени формирования слоя является необходимым условием улучшения качества печати в наноимпринт литографии.
Проведенные исследования позволяют определить оптимальные параметры нанесения антиадгезионных слоев, соответствующие наименьшей силе адгезии между штампом и полимером при заданной температуре процесса, что является необходимым требованием в наноимпринт литографии. Измерение температурных зависимостей силы адгезии показало, что при повышении температуры сила адгезии уменьшается, за счет чего можно уменьшать время нанесения антиадгезионного покрытия без ухудшения качества получаемых оттисков.
В данной главе было представлены результаты исследования различных эффектов, возникающих в процессе наноимпринт литографии и являющихся причиной дефектов в формируемых микро- и наноструктурах. Возникновение дефектов, связанных с восстановлением резиста в центре микрометровых элементов и неполным заполнением периодических углублений на поверхности штампа, зависит от параметров использующегося процесса наноимпринт литографии. В результате исследований были установлены параметры НИЛ (температура, сила, время процесса) обеспечивающие минимальное количество возникающих дефектов.
Во второй части данной главы описано исследование свойств антиадгезионных слоев, наносимых на поверхность штампа. Для этого применялись средства атомно-силовой микроскопии. Было установлено, что увеличение температуры полимера приводит к понижению сил адгезии, возникающих при контакте полимера и поверхности кремния, покрытой слоем антиадгезионного покрытия F13CS. Измерение сил адгезии при различном времени осаждения антиадгезионного слоя показало, что минимальное значение силы достигается при времени нанесения от 20 до 35 секунд.
Результатом исследований, представленных во второй главе, является разработка оптимизированного процесса НИЛ, позволяющего добиться стабильного формирования элементов различной геометрии с малым количеством дефектов создаваемых структур. Глава 3. Формирование СВЧ транзисторов с Т-образным затвором методом наноимпринт литографии и исследование их электрофизических характеристик
Исследования в области совершенствования технологии и характеристик СВЧ транзисторов вызваны постоянно растущими требованиями в данном сегменте электронных устройств. Основной технологией формирования транзисторов с субмикронным затвором на сегодняшний день является электронно-лучевая литография. Как уже упоминалось ранее, данная технология, обладая рядом преимуществ над другими методами нанолитографии, в то же время имеет существенный недостаток – малую производительность. Это означает значительные временные и финансовые затраты на формирование интегральных схем на основе данных элементов.
В главе 1 были описаны методы создания Т-образных затворов наноимпринт литографией, однако внедрение данных методов в стандартный технологический процесс формирования ИС представляет собой сложную задачу. В данной главе представлено исследование технологии формирования СВЧ транзисторов с Т-образным затвором с использованием наноимпринт литографии, предназначенной для более широкого внедрения в стандартный технологический процесс. Целью исследования является разработка самосовмещенного процесса формирования СВЧ транзисторов, в котором наноразмерная область Т-образного затвора формируется с применением технологии НИЛ.
В наноимпринт литографии структурирование резиста осуществляется с
помощью специального штампа. Основным методом формирования таких штампов является электронно-лучевая литография. В главе 1 описывались методы формирования штампов для получения Т-образных затворов методом НИЛ и электронно-лучевой литографии. Основным недостатком данных методов является высокая сложность и значительное время, требующееся для формирования штампов. Другим недостатком является сложность формирования конечного устройства – сложность интеграции НИЛ в существующие технологические процессы. Рисунок 3.1. Основные этапы создания штампа для наноимпринт литографии.
Микрофотография рельефа затвора на поверхности штампа. В данной работе, штампы для наноимпринт литографии формировались с использованием стандартной фотолитографии с нормами 0,8 мкм и жидкостного травления. С помощью фотолитографии на кремниевой подложке с осажденным слоем SiO2 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 SiO2, которое осуществляется в буферном травителе (NH4F : HF). За счет изотропного характера травления происходит подтрав оксида кремния под никелевую маску. В результате этого происходит уменьшение латеральных размеров формируемого рельефа. Время процесса травления SiO2 подбирается таким образом, чтобы обеспечить с одной стороны малые размеры элементов штампа, а с другой – малое количество дефектов, которые могут возникать при «перетравливании» слоя оксида кремния. Экспериментально было установлено, что данным условиям удовлетворяет время травления, соответствующее размерам элементов порядка 200-250 нанометров. После окончания травления SiO2 никелевая маска селективно удаляется в растворе HCl:H2O2.
Технология формирования СВЧ транзисторов с Т-образным затвором методом наноимпринт литографии
Контроль тока насыщения транзисторов и получение нормально-закрытых транзисторов на основе гетероструктур нитрида галлия является сложной задачей. Существует несколько способов снижения концентрации носителей в канале (и соответственно повышения порогового напряжения Vt). Одним из подходов является использование углубленного затвора (recessed gate) [104]. Этот метод заключается в плазмохимическом травлении слоя AlGaN в подзатворной области транзистора, что приводит к снижению величины поляризованности слоя AlGaN и, следовательно, концентрации носителей. Другим способом повышения порогового напряжения является легирование подзатворной области заряженными ионами фтора за счет воздействия на гетероструктуру плазмы в процессе реактивно-ионного травления [105]. В ходе процессов травления возможно внесение дефектов в активные слои гетероструктуры, что может приводить к снижению подвижности носителей в двумерном электронном газе. Для восстановления характеристик транзисторов применяют термический отжиг, что позволяет снизить количество дефектов. В разработанной технологии управление пороговым напряжением может осуществляться на этапе травления щели в слое Si3N4. Было установлено, что травление в процессе с потенциалом смещения 470 вольт приводит к увеличению порогового напряжения. Необходимое время травления гетероструктуры GaN подбиралось экспериментально по измерению тока насыщения между стоком и истоком.
Для формирования затвора, фотолитографией в резисте формируются широкие области, совмещенные со щелями в слое Si3N4. Ширина данных областей определяет размеры верхней части затвора и соответствует размерам элементов фотошаблонов. Травление подзатворного углубления в гетероструктурах GaAs производилось в растворе NH4OH:H2O2:H2O (1:1:160) с контролем тока насыщения между стоком и истоком транзисторов. При достижении требуемого значения тока насыщения, производилось напыление металлизации затвора на основе V/Au (20/200 нм) методом термического испарения. Для гетероструктур нитрида галлия напылялась система металлов Ti/Cu (20/200 нм). После операции напыления металлов, непроявленные области резиста удалялись в горячем ДМФА.
Исследование параметров Т-образного затвора транзистора осуществлялось с помощью растрового электронного микроскопа системы FEI Helios. Длина основания затвора составила 250 нм, верхней области – 2 мкм, высота основания равна 260 нм (Рис. 3.11). Размеры основания затвора незначительно отличаются от размеров элементов на поверхности штампа.
Формирование металлизации 1-го уровня разводки
Для формирования 1-го уровня металлизации разводки транзистора на поверхность подложки предварительно осаждается пассивирующий слой Si3N4 толщиной 300 нм, который выполняет функцию изоляции уже сформированных элементов и разводки, а также необходим для пассивации и предотвращения деградации подложки. Первые работы, посвященные исследованию пассивирующих свойств слоев нитрида кремния относятся к 1990-м годам [106, 107].
Для создания контакта металлизации к уже сформированным элементам, в пассивирующем слое нитрида кремния необходимо сформировать «окна» к омическим контактам и затворной контактной площадке. Для этого фотолитографией формируется маска резиста, по которой осуществляется жидкостное травление диэлектрика в буферном травителе. После травления производится повторная фотолитография с фотошаблоном металлизации разводки и производится напыление системы V/Au (20/350 нм) для pHEMT транзисторов и Ti/Cu (20/350 нм) для GaN транзисторов, после чего осуществляется «взрыв» резиста. Микрофотография транзистора с металлизацией 1-го уровня показана на рисунке 3.12.
Напыление разводки металлизации 1-го уровня позволяет значительно уменьшить сопротивление омических контактов, что является необходимым для достижения высоких частотных и усилительных характеристик. Для достижения максимально возможных частотных характеристик транзистора необходимо формирование разводки с «воздушными мостиками». Применение данной технологии позволяет снизить паразитные ёмкости между разводкой 1-го уровня и элементами металлизации затвора и каналов транзисторов за счет разницы диэлектрических постоянных Si3N4 ( 7) и воздуха ( 1). В данной работе такой тип металлизации не применялся.
Формирование металлизации 1-го уровня является последним этапом технологического маршрута, необходимым для измерения рабочих характеристик создаваемых транзисторов. Дальнейший технологические операции, такие как формирование металлизации 2-го уровня, формировние дорожек скрайбирования и другие приводят к несущественным изменениям усилительных и частотных характеристик транзисторов.
Формирование каталитических островковых структур для роста вертикально ориентированных углеродных нанотрубок
Одной из возможностей атомно-силовой микроскопии является метод латеральных сил. Он позволяет различать области с различными коэффициентами трения, а также подчеркивать особенности рельефа поверхности. Эти возможности могут быть использованы одновременно с получением рельефа поверхности для более полной характеризации исследуемого образца. Физические основы Метода Латеральных Сил заключаются в следующем. При сканировании по Методу Постоянной Силы перпендикулярно продольной оси кантилевера помимо изгиба кантилевера в нормальном направлении происходит также и его торсионный изгиб. Он обусловлен моментом силы действующей на зонд. Для малых отклонений угол закручивания пропорционален поперечной (латеральной) силе. Торсионное закручивание кантилевера измеряется оптической следящей системой микроскопа. Из всего сказанного выше следует, что применение данного метода может дать дополнительную информацию о структуре образца. На рисунке 4.12 показано АСМ изображение, полученное по методу латеральных сил. Анализ этих данных показывает различие в коэффициентах трения металла и подложки, что подтверждает формирование островков катализатора.
Из вышесказанного следует, что нами была создана технология устойчивого формирования островков металла, которая может найти применение не только для роста УНТ.
Одной из интересных возможностей является создание реплик шаблона. Обыкновенно, шаблоны с высоким разрешением создаются специализированными фирмами, и стоят несколько тысяч долларов. Однако штамп для наноимпринт литографии со временем накапливает дефекты и после определенного количества оттисков становится непригодным к использованию. Не каждая лаборатория может позволить себе закупать их в большом количестве. Следовательно, остро встает вопрос о возможности собственного изготовления шаблонов с нанометровым размером элементов. Одним из решений данной проблемы является использование так называемого мастер-штампа. Эта концепция заключается в том, что существует основной шаблон, который используется только для создания реплик. Технология создания такой копии шаблона основана на формировании металлической маски на поверхности кремния или оксида кремния. Такая маска необходима для последующего плазмохимического или реактивно-ионного травления. Нами использовалась описанная выше технология, с тем отличием, что первой операцией являлось осаждение на поверхность кремния пленки SiO2 толщиной 100 нм. Далее проводились те же самые технологические операции, и на поверхности оксида кремния формировалась никелевая маска. Следующей операцией является плазмохимическое травление оксида кремния в атмосфере CHF3. Использование металлической маски позволяет сформировать рисунок с практически вертикальными стенками. Такой рельеф необходим для последующих технологических операций. Например, в процессе lift-off необходимо, чтобы металл не покрывал стенки резиста. Существует небольшой подтрав оксида кремния под маску резиста, однако это позволяет добиться уменьшения размера формируемого рисунка. Опыты показали, что рельеф мастер-штампа практически полностью переносится на реплику, однако её использование для дальнейшего создания штампа не является целесообразным. С увеличением количества промежуточных штампов будет увеличиваться количество дефектов, что является недопустимым при размерах элементов в десятки нанометров.
Синтез УНТ производился на установке CVDomna (Рис. 4.13) по технологии каталитического пиролиза этанола, при 600 C и давлении паров этанола 10 кПа. Эта установка позволяет получать углеродные нанотрубки и нановолокна как на катализаторах произвольной формы, так и на пластинах диаметром до 75 мм, с предварительно сформированным рисунком катализатора. Теоретические основы роста углеродных нанотрубок достаточно полно исследованы. При нагреве сформированные кластеры стараются минимизировать свою поверхностную энергию и образуют сферическую форму. От диаметра этого металлического шара будет зависеть диаметр выращиваемой нанотрубки. Единственным способом повлиять на этот диаметр является толщина осаждаемого металла. Ее следует делать как можно меньшей. Нами было выбрана толщина пленки 10 нм, так как при этом из частицы катализатора должна образовываться одностенная УНТ.
После нагрева подложки, на поверхности которой содержится каталитический массив островков, в рабочую камеру подаются пары этанола, которые разлагаются с образованием монооксида углерода. Образовавшийся монооксид углерода адсорбируют на своей поверхности частицы катализатора, после чего происходит диспропорционирование молекул на поатомно растворяющийся в катализаторе углерод и десорбирующийся и удаляющийся углексилый газ. Затем происходит рост нанотрубки. То, что диаметр нанотрубки должен определяться радиусом кривизны кластера катализатора, т.е. его размерами, подтверждается полученным результатом, где диаметр нанотрубок 30 нм – который соответствует размерам шаров, объём которых равен объёму сформированных кластеров:
