Введение к работе
Актуальность проблемы. Долговременная тенденция повышения ггепени интеграции при изготовлении интегральных схем (ИС), которая иблюдается с начала развития микроэлектроники и обеспечивается, в )сновном, за счет уменьшения размеров элементов, сделала актуальными в «стоящее время исследования и разработки приборов с нанометровыми >азмерами, а также технологии изготовления соответствующих гвердотельных структур. Мощным фактором, стимулирующим усилия в швитии нанотехнологии, послужило появление таких прецизионных шструментов как сканирующий туннельный микроскоп (СТМ) и его технологические модификации, которые открыли новые возможности для >еализации нанолитографии и контроля наноструктур. Из-за ограниченной тооизводительности вряд ли можно рассчитывать на применение их в :ерийном и массовом производстве ИС,тем не менее они определённо будут іметь важное значение на этапе исследований и разработок приборов ганоэлектроники.
Освоение нанометрового диапазона размеров элементов резко осложняет технологию, а в ряде случаев сталкивается с новыми проблемами, >ешение которых требует нетрадиционных подходов. Один из них состоит в {спользовании процессов самоорганизации пространственных наноструктур уш формирования элементов наноэлектроники. В широком смысле под ;амоорганизацией понимают самопроизвольное, не требующее внешних )рганизующих воздействий, установление в неравновесных диссипативных ;редах устойчивых регулярных структур. Параметры установившихся лруктур не зависят, в определенных пределах, от изменения начальных условий и определяются только свойствами среды. Применительно к иноструктурам это означает наличие в системе таких взаимодействий, соторые навязывают образующимся объектам определенные форму и шмеры, лежащие в нанометровом диапазоне, подавляя все отклонения от iToro стационарного состояния. В связи со сложностью и недостаточной ісследованностью процессов самоорганизации в твёрдом теле вообще, и в танометровых пространственных масштабах в особенности, они представляют и самостоятельный научный интерес.
Очевидна привлекательность процессов самоорганизации для инотехнологии. Понятно, что такой подход не обладает желаемой
универсальностью, и с его помощью удастся формировать только некоторые специфические структуры в ограниченных условиях, тем не менее использование самоорганизации даже в узких целях представляете* целесообразным. Наибольший эффект будет получен совместным применением традиционной микротехнологии, которая может обеспечил универсальность создаваемой конструкции, и методов самоорганизации наноструктур, которые должны выступать в виде надстройки над хороше развитой в настоящее время технологией микроэлектроники.
В данной работе исследуется один из таких процессов самоорганизации наноструктур. Он имеет место в случае приложения внешнего напряжения * узким изолирующим зазорам, содержащим среду с переменной проводимостью, меняющейся при прохождении через неё потока электронов за счет изменения состава и молекулярной структуры среды. Аналогичный по сути процесс, называемый электроформовкой и состоящий в необратимых изменениях электрических характеристик структур металл-изолятор-металл (МИМ-структур), помещенных в углеродсодержащую среду, при воздействии внешнего напряжения, но рассматривавшийся с других позиций, изучается уже в течение нескольких десятилетий. Предлагаемые в данной работе подходы позволили совершенно с новой точки зрения взглянуть на электроформовку, установить её близость к процессам, имеющим место при модификации поверхности с помощью СТМ, более глубоко понять их механизмы и на этой основе предложить ряд новых представлений, моделей и технических решений.
Целью работы являлось исследование процессов в углеродсодержащем материале с проводимостью, активируемой потоком электронов, в сильном электрическом поле, которые в определённых условиях могут приводить к самоорганизации устойчивых наноструктур в образующейся углеродистой проводящей среде, и создание на основе этих исследований физических и методических основ формирования и использования таких наноструктур.
Для достижения этой цели решались следующие основные задачи:
теоретически и экспериментально исследовать поведение изолирующего зазора СТМ с внешней обратной связью, стабилизирующей туннельный ток, работающего в эмиссионном режиме (при относительно больших напряжениях на зонде), в случае наличия в зазоре тонкого слоя диэлектрика;
- на основе результатов, полученных в ходе исследоваїшй СТМ,
работающего в эмиссионном режиме при наличии в изолирующем зазоре
углеродсодержащего материала, а также имеющихся в литературе
экспериментальных данных по электроформованным МИМ-структурам
разработать механизм и модели процессов в углеродистой среде,
акттгвируемой потоком электронов, в сильных электрических полях (анализ
этих моделей и привел к пониманию того, что в таких объектах имеет место
процесс самоорганизации наноструктур в возникающей проводящей среде);
разработать конструкцию и лабораторную технологию изготовления МИМ-структуры с изолирующей щелью шириной несколько десятков нанометров (нано-МИМ-диода с углеродистой активной средой) как нового прибора наноэлектроники, предложенного на основе развитых механизма и моделей процессов в углеродистой среде, с проводимостью, активируемой потоком электронов;
выполнить экспериментальные исследования процесса электроформовки и электрофизических характеристик нано-МИМ-диода в виде предложенной открытой [ "сэндвич"-структуры, изучить особенности процесса самоорганизации наноструктур в образующейся проводящей углеродистой среде в таких объектах;
- исследовать возможности практического использования процесса
самоорганизации проводящих наноструктур, наметить пути применения
нано-МИМ-диода с проводящей активной средой для построения
энергонезависимой памяти.
Научная новизна работы состоит в следующем.
-
Выявлены близость условий и идентичность физико-химических процессов, имеющих место, с одной стороны, в электроформованных МИМ-структурах, а с другой, - в СТМ при модификации поверхности в присутствии на ней органических молекул.
-
Впервые на простой модели показана возможность существования эффекта переключения величины изолирующего зазора СТМ, работающего в эмиссионном режиме, при наличии в зазоре тонкого слоя диэлектрика (бифуркации состояний равновесия); исследована зависимость особых точек от основных параметров, характеризующих такую систему; присутствие эффекта переключения подтверждено экспериментально для случая тонкого слоя диэлектрического адсорбата на металлической поверхности.
3. Предложены механизм и модели процессов в электроформованных
МИМ-структурах для условий сильных электрических полей, которые
учитывают наличие внутренних обратных связей в таких системах и в основе
которых лежат туннелирование через потенциальный барьер с переменной
(модулируемой) прозрачностью, возникающий в нанометровом
изолирующем зазоре структуры, и образование частиц проводящей фазы с
интенсивностью, пропорциональной плотности потока электронов, за счет
диссоциативного прилипания электрона к органической молекуле;
рассмотрены возможные механизмы модуляции прозрачности
потенциального барьера.
-
Предложен механизм изменения ширины изолирующего зазора электроформованной МИМ-структуры за счет перколяции при образовании частиц проводящей фазы в диэлектрической среде (формованном диэлектрике), активируемой потоком электронов, которое уравновешивается термически активируемым процессом их удаления; показано, что стационарный зазор имеет принципиально нанометровую ширину.
-
На основе анализа предложенных моделей, а также имеющихся экспериментальных данных показано, что электроформовка в МИМ-структурах, сопровождающаяся созданием сильных электрических полей г активированием проводимости углеродсодержащей среды потоком электронов, по своей сути есть процесс самоорганизации нанометровогс изолирующего зазора в возникающей углеродистой проводящей среде.
-
Экспериментально исследованы основные особенности процесс* самоорганизации углеродистых проводящих наноструктур в открыты? "сэндвич"-структурах Al-Al203-W и Si-Si02-W, торец которых, свободные для доступа органических молекул, представляет собой изолирующую щеш нанометровой ширины; продемонстрирована существенная роль тонкой слоя окисла, расположенного в изолирующей щели на поверхности одного и металлических электродов; показано, что для таких систем в процесо электроформовки при определенных условиях образуются единичньи структуры, имеющие нанометровые размеры по всем трем измерениям.
Практическая значимость работы состоит в следующем.
I. На основе анализа механизмов и моделей процессов і углеродсодержащей среде, активируемой потоком электронов, в сильны: электрических полях предложен новый прибор - нано-МИМ-диод с активно] углеродистой средой, представляющий собой МИМ-структуру с открытси
им доступа органических молекул изолирующей щелью шириной несколько іесятков нанометров; процесс электроформовки в таком приборе не пжводит к разрушению элементов конструкции, как это имеет место в градиционном МИМ-дноде, а область с углеродистой активной средой имеет шмеры порядка ширины изолирующей щели.
2. Предложена конструкция нано-МИМ-диода в виде открытой
'сэндвич''-МДМ(металл-диэлектрик-металл)-структуры, которая может быть
шюсительно просто реализована с применением традиционных методов
яикротехнологии; разработаны несколько вариантов, лабораторной
ехнологии изготовления открытых "сэндвнч"-МДМ-структур с шириной
солирующей щели несколько десятков нанометроа
-
Предложен способ формирования в изолирующей щели шириной горядка десятков нанометров, расположенной между двумя электродами, циничного проводящего элемента, имеющего нанометровые размеры по ісем трем измерениям, за счет процесса его самоорганизации в среде с іктивируемой потоком электронов проводимостью при подаче напряжения.
-
Предложена концепция построения энергонезависимой памяти на існове нано-МИМ-диодов с проводящей активной средой в форме открытых сэндвич"-структур, функционально являющейся электрически іерепрограммируемьш ПЗУ. Проработаны базовые технические решения, гозволяющие реализовать такую память в виде матрицы нано-МИМ-диодов.
Основные положения, выносимые на защиту, включают:
-
Установление близости условий и идентичности физико-химических іроцессов, имеющих место в электроформованных МИМ-структурах и в УТМ, работающем в режиме модификации поверхности при наличии на ней ірганических молекул.
-
Демонстрация на простой модели наличия бифуркации состояний явновесия в системе «СТМ с тонким слоем диэлектрика в изолирующем азоре, работающий в эмиссионном режиме», проявляющейся в іереключении величины зазора; исследование характера зависимости ісобьіх точек от основных параметров, характеризующих систему (толщины лоя диэлектрика, его диэлектрической проницаемости, напряжения на зонде "ТМ); экспериментальное подтверждение наличия эффекта переключения ля случая тонкого слоя диэлектрического адсорбата на металлической юверхности.
3. Механизм и модель процессов в электроформованных МИМ
структурах для условий сильных электрических полей, объясняющие, 1
частности, их N-образные вольт-амперные характеристики (ВАХ) і
включающие следующие пршщипиальные элементы:
ограничение тока туннелированием через потенциальный барьер і переменной (модулируемой) прозрачностью, возникающий в нанометровог* изолирующем зазоре структуры на границе с катодом;
образование в изолирующем зазоре частиц проводящей фазы і интенсивностью, пропорциональной току, за счёт диссоциативноп прилипания электрона к органическим молекулам;
- наличие замкнутых контуров внутренней обратной связи
объединяющих процессы, имеющие место в такой системе, и приводящих ]
самоформированию структуры (определённому пространственном]
распределению частиц проводящей фазы) в изолирующем зазоре.
Возможные механизмы модуляции прозрачности потенциальноп барьера в такой системе.
-
Механизм и модель изменения ширины изолирующего зазор, электроформованной МИМ-структуры за счет перколяции при образованиі частиц проводящей фазы в диэлектрической среде (формованноа диэлектрике), находящейся в изолирующей щели и активируемой потоко? электронов, которое уравновешивается термически активируемьи процессом их удаления, что приводит к существованию стационарнол изолирующего зазора принципиально нанометровой ширины, обусловленноі туннельным механизмом протекания тока.
-
Концепция электроформовки в МИМ-структурах как процесс самоорганизации нанометрового изолирующего зазора в возникающе углеродистой проводящей среде, для запуска которого достаточн обеспечить начальную электрическую проводимость МИМ-структурь: помещенной в углеродсодержащую среду; этот процесс развивается ка результат неустойчивости, возникающей в системе в условиях прохожденн потока электронов и активируемого им образования частиц проводяще фазы.
-
Новый прибор - нано-МИМ-диод с углеродистой активной средой представляющий собой МИМ-структуру с открытой для доступ органических молекул изолирующей щелью шириной несколько десятко нанометров; необходимая начальная проводимость в нем обеспечивается з
счет высокой напряженности электрического поля при относительно малых напряжениях, поэтому процесс электроформовки в таком приборе не приводит к разрушению элементов конструкции, а область с углеродистой активной средой имеет размеры порядка ширины изолирующей щели; прибор сохраняет основные особенности традиционных МИМ-диодов: N-образную ВАХ, эффекты переключения и памяти.
7. Конструкция нано-МИМ-диода с углеродистой активной средой в
виде открытой "сэндвич"-МДМ(МДП)-структуры с изолирующей щелью в
форме свободного для доступа органических молекул торца диэлектрической
пленки толщиной несколько десятков нанометров и лабораторная
технология её изготовления на базе структур АІ-АЬОз-W и Si-Si02-W,
8. Результаты экспериментального исследования процесса
самоорганизации углеродистых проводящих наноструктур в открытых
"сэндвич"-структурах A1-A1203-W и Si-Si02-W с шириной изолирующей
щели несколько десятков нанометров, в которых, в частности, выявлен
особый характер электроформовки, продемонстрирована существенная роль
тонкого слоя окисла, расположенного в изолирующей щели на поверхности
анода, а также сопротивления растекания в аноде в случае его выполнения в
кремнии р-типа.
-
Способ формирования в изолирующей щели шириной порядка десятков нанометров, расположенной между двумя электродами и содержащей среду с активируемой потоком электронов проводимостью, единичного проводящего элемента, имеющего нанометровые размеры по всем трем измерениям, за счет его самоорганизации при подаче напряжения в условиях наличия отрицательной обратной связи между током и напряжением.
-
Концепция энергонезависимой памяти на основе нано-МИМ-диодов с проводящей активной средой, в виде открытых "сэндвич"-структур, представляющей собой электрически перепрограммируемое ПЗУ с высокой плотностью записи информации; целесообразность её построения на базе структуры Si(p-THna)-Si02-W.
Объём и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, семи глав и выводов. Работа изложена на 311 страницах, включая 106 рисунков и 1 таблицу. Список использованной литературы насчитывает 199 наименований.
Публикации и апробация результатов диссертации. По материалам диссертации опубликовано 33 работы, в том числе 18 статей и 3 патента Российской Федерации.
Основные результаты докладывались и обсуждались на Третьем Всесоюзном семинаре "Микролитография" (Черноголовка, 1990), IV Всесоюзном семинаре "Микролитография-92" (Черноголовка, 1992), Второй международной конференции по физике и технологии наноструктур (NANO-2, Москва, 1993), Международной научно-технической конференции "Микроэлектроника и информатика" (Зеленоград, 1993), Международном совещании по физике и технологии мезоскопических структур (Meso-94, Черноголовка, 1994), Российской конференции "Микроэлектроника-94" (Москва, 1994), Второй международной конференции Физика низкоразмер-ных структур (PLDS-2, Дубна, 1995), Всероссийской научно-технической конференции "Микро- и наноэлектроника-98" (Звенигород, 1998), Научной сессии Совета Отделения информатики и автоматизации РАН "Элементная база", посвященной 275-летию РАН (Москва, 1999), X Международном симпозиуме "Тонкие плёнки в электронике" (Ярославль, 1999).
Кроме того, результаты работы докладывались и обсуждались на ежегодных конференциях Института микроэлектроники РАН в 1990 - 1999 годах, на научных семинарах Физико-технологического института РАН и Московского государственного института электронной техники.
