Введение к работе
Актуальность диссертационной работы
На современном этапе развития электроники тенденции к микроминиатюризации элементов СБИС и повышения плотности их компоновки приводят к необходимости разработки новых методов формирования перспективной элементной базы радиоэлектронной аппаратуры. Одной из основных проблем при изготовлении функциональных элементов наноэлектроники, микро- и наносистемной техники является необходимость разработки и совершенствования методов субмикронного профилирования поверхности подложек, которые должны обеспечивать высокую точность и разрешающую способность изготовления элементов приборов с размерами менее 100 нм. Метод локального ионно-лучевого травления фокусированным ионным пучком (ФИЛ) является на сегодняшний день одним из наиболее перспективных методов субмикронного профилирования поверхности твердых тел [1].
Традиционные методы субмикронного профилирования, основанные на литографических процессах в сочетании с жидкостным или плазменным травлением, обладают радом существенных недостатков, проявляющихся при формировании структур размером менее 100 нм. Это связано с дифракционными ограничениями процессов оптической литографии, эффектами близости, ограничениями используемых резистов и масок, а также эффектами подтравливания при использовании процессов химического и плазменного травления.
Применение метода ФИП позволяет устранить ограничения технологических процессов связанных с использованием резистов, масок и травителей. Возможности изменять параметры ФИП при ионно-лучевом травлении в широком диапазоне в сочетании с высоким пространственным разрешением метода позволяют варьировать режимы субмикронного профилирования в широких пределах для достижения необходимых геометрических параметров формируемых наноразмерных структур.
В настоящее время процессы формирования субмикронного профиля на поверхности твердых тел методом ионно-лучевого травления с помощью ФИП недостаточно изучены. Поэтому проведение этих исследований актуально для разработки технологических процессов формирования перспективной элементной базы наноэлектроники, микро- и наносистемной техники.
Цель и задачи диссертационной работы
Целью диссертационной работы является разработка и исследование технологических основ субмикронного профилирования поверхности подложек методом фокусированных ионных пучков для создания перспективной элементной базы наноэлектроники, микро- и наносистемной техники.
Для достижения данной цели были поставлены следующие задачи:
Анализ основных параметров фокусированного ионного пучка, определение закономерностей процессов модификации приповерхностного слоя подложки при воздействии ионов в методе ФИП;
Разработка математической модели расчета двумерной морфологии поверхности твердого тела при травлении фокусированным ионным пучком с
учетом параметров пучка, режимов экспонирования, а также закономерностей взаимодействия ионов с подложкой;
Разработка методики и программных средств генерации растровых шаблонов для безмасочного структурирования подложек методом фокусированных ионных пучков с учетом параметров пучка, режимов экспонирования, а также закономерностей взаимодействия ионов с подложкой;
Исследование режимов субмикронного профилирования полупроводниковых подложек методом ФИЛ;
Разработка и исследование методик определения разрешающей способности и точности переноса топологического рисунка шаблона на подложку при субмикронном профилировании подложек методом ФИЛ;
Разработка технологических маршрутов формирования микро- и наноструктур перспективных элементов оптоэлектроники и наносистемной техники методом ФИЛ на основе использования многофункционального сверхвысоковакуумного нанотехнологического комплекса НАНОФАБ НТК-9.
Научная новизна работы:
Теоретически определены закономерности модификации приповерхностного слоя подложек Si, SiC, GaAs, SiC>2 и Al при травлении фокусированным ионным пучком галлия с энергией 5-30 кэВ, которые позволяют разработать математические модели и методики субмикронного профилирования поверхности методом ФИЛ. Результаты расчетов подтверждены экспериментальными данными для Si.
Разработана математическая модель расчета двумерной морфологии поверхности твердого тела при травлении фокусированным ионным пучком с учетом неоднородности распределения интенсивности потока ионов в пучке, режимов экспонирования, особенностей взаимодействия ионов с подложкой, а также угловой зависимости коэффициента распыления, которая позволяет прогнозировать характеристики рельефа поверхности.
Разработан способ управления фокусированным ионным пучком за счет экспонирования по специализированным растровым шаблонам, учитывающим параметры ионного луча и формируемой структуры, который позволяет повысить точность переноса топологического рисунка.
Экспериментально установлены закономерности влияния режимов субмикронного профилирования поверхности полупроводниковых подложек ионно-лучевым травлением ФИЛ на морфологию поверхности с учетом параметров ионного пучка и режимов экспонирования.
Практическая значимость:
Определены режимы субмикронного профилирования поверхности кремния методом ФИЛ. Показано, что в диапазоне токов 1 пА - 7 нА определяющим фактором, влияющим на скорость латерального (19 - 32 нм) и нормального (42 - 92 нм/мс) травления, является ток ионного пучка. Установлено, что время воздействия ионного пучка в точке позволяет прецизионно управлять скоростью травления кремния по нормали.
Разработана методика определения разрешающей способности метода ФИЛ. Установлено, что основным параметром, влияющим на геометрические
размеры формируемых структур, является ток ионного пучка. Показано, что при токе ионного пучка 1 пА минимальная ширина формируемой линии на кремнии составляет — 15 нм.
Разработаны методики модификации зондовых датчиков-кантилеверов АСМ методом ФИП, которые позволяют формировать острия зондов радиусом до 5 нм, аспектным соотношением до 1:50 и углом конусности до 5 для специализированных задач нанодиагностики.
Разработано программное обеспечение генерации растровых шаблонов для безмасочного структурирования подложек с учетом параметров пучка, режимов экспонирования, а также закономерностей взаимодействия ионов с подложкой, позволяющее повысить точность переноса топологического рисунка при субмикронном профилировании методом ФИП.
Разработаны технологические маршруты формирования микро- и наноструктур перспективных элементов оптоэлектроники и наносистемной техники методом ФИП на основе использования многофункционального сверхвысоковакуумного нанотехнологического комплекса НАНОФАБ НТК-9.
Положения, выносимые на защиту:
Математическая модель расчета двумерной морфологии поверхности твердого тела при травлении фокусированным ионным пучком с учетом неоднородности распределения интенсивности потока ионов в пучке, режимов экспонирования, особенностей взаимодействия ионов с подложкой, а также угловой зависимости коэффициента распыления, которая позволяет прогнозировать характеристики рельефа поверхности после травления фокусированным ионным пучком.
Закономерности влияния режимов субмикронного профилирования поверхности полупроводниковых подложек методом ФИП на морфологию поверхности с учетом параметров ионного пучка и режимов экспонирования.
Способ управления фокусированным ионным пучком за счет экспонирования по специализированным растровым шаблонам, учитывающим параметры ионного луча и формируемой структуры, который позволяет повысить точность переноса топологического рисунка.
Методика определения разрешающей способности метода ФИП, которая позволяет оценить минимальные размеры формируемых структур с учетом значений тока ионного пучка.
Методики модификации зондовых датчиков-кантилеверов АСМ методом ФИП, которые позволяют формировать острия зондов радиусом до 5 нм, аспектным соотношением до 1:50 и углом конусности до 5 для специализированных задач нанодиагностики.
Реализация результатов работы
Диссертационная работа выполнялась в соответствии с планом госбюджетных научно-исследовательских работ кафедры ТМ и НА и НОЦ «Нанотехнологии» в 2008 - 2011 гг.: ««Проведение поисковых научно-исследовательских работ в области микро- и наноструктур на основе оксидных, органических и биологических материалов, разработка технологии их получения для развития перспективной сенсорики, основанной на новых физических
принципах в центре коллективного пользования научным оборудованием «Высокие технологии»» в рамках ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2012 годы» (внутр. № 13013); «Исследования и разработка технологических процедур для производства элементов изделий микро- и наноэлектронной техники на основе использования сверхвысоковакуумной технологической автоматизированной платформы кластерного типа» внутр. № 13309); «Разработка технологии и изготовление опытных образцов масок для глубокой рентгеновской литографии» внутр. № 13308).
Результаты диссертационной работы внедрены в НИЦ «Курчатовский институт» (г. Москва), на промышленном предприятии ЗАО «Нанотехнологии -МДТ» (г. Москва), в Институте физики микроструктур РАН (г. Нижний Новгород), в ФГУ «Ростовский ЦСМ» (г. Ростов-на-Дону), а также в учебный процесс на кафедре ТМиНА ТТИ ЮФУ.
Апробация работы
Основные научные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на различных международных и всероссийских научных конференциях и семинарах, в частности: Международный конкурс научных работ молодых ученых в области нанотехнологии. Международный форум по нанотехнологиям (г. Москва, 2009, 2010), Российский симпозиум по растровой электронной микроскопии и аналитическим методам исследования твердых тел (г. Черноголовка, 2009, 2010), Международный симпозиум «Нанофизика и наноэлектроника» (г. Нижний Новгород, 2009, 2011), Международная конференция по актуальным проблемам физики, материаловедения, технологии и диагностики кремния, нанометровых структур и приборов на его основе «Кремний 2010», (г. Нижний Новгород, 2010), Международная научная конференция «Химия твердого тела и современные микро- и нанотехнологии» (г. Кисловодск, 2008, 2009), Международная научно-техническая конференция «Микроэлектроника и наноинженерия - 2008» (г. Москва, 2008), VII 17-й Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика - 2010» (г. Москва, 2010), Третья Всероссийская школа-семинар студентов, аспирантов и молодых ученых по направлению «Наноинженерия», «Наноинженерия-2010» (г. Калуга, 2010), Ежегодная научная конференция студентов и аспирантов базовых кафедр Южного научного центра РАН (г. Ростов-на-Дону, 2008-2011), Международная научно-техническая конференция и молодежная школа-семинар «Нанотехнологии-2010», (пос. Дивноморское, 2010).
Результаты работы отмечены дипломами ряда конференций и конкурсов научных работ: Международного конкурса научных работ молодых ученых в области нанотехнологии (г. Москва, 2009, 2010), Конференции Южного научного центра РАН (г. Ростов-на-Дону, 2010), IX Всероссийской научной конференции студентов и аспирантов «Техническая кибернетика, радиоэлектроника и системы управления» (г. Таганрог, 2008).
Публикации
По теме диссертации опубликовано 39 печатных работ, из них 5 работ опубликовано в журналах, входящих в Перечень ВАК. В ВНИИТЦ зарегистрировано 3 отчета по НИР. Получен патент РФ на полезную модель № 88187, приоритет от 15.06.2009 г.
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка цитируемой литературы и приложений. Содержание диссертации изложено на 187 страницах и включает: 82 страницы с рисунками, 5 страниц с таблицами и список использованных источников, включающий 125 наименований. В приложениях содержатся акты о внедрении результатов исследований диссертационной работы.
