книги / Электрохимические процессы в технологии микро- и наноэлектроники

3.3. Применение барьерных анодных оксидов в , микроэлектронике 151

(3.27)

где Етах — напряженность электрического поля в условиях лавинного пробоя области пространственного заряда.

Уравнение (3.27) справедливо только для случая W « 1/а. При получении более тонких активных слоев не­ обходимо использовать точное решение уравнения (3.23) для определения зависимости NDd = /(Ф ,/а).

Рассмотренный метод выравнивания активных слоев выгодно отличается от способа прецизионного химическо­ го утончения активного слоя. При химическом травлении удается контролировать только параметр d. Это вынуждает производить многократный контроль порогового напря­ жения тестового транзистора, что существенно снижает производительность операции выравнивания. Более того, неоднородность электронных свойств границы раздела ПИ GaAs/активный слой также сильно влияет на параметры активного слоя.

3.3.3. Автография дефектных областей полуизолирующего GaAs

Базовым материалом технологии ИМС на арсениде галлия являются круглые подложки высокой чистоты из слитков, выращенных вытягиванием из расплава по Чохральскому. Воспроизводимое получение однородных по своим свойствам подложек с низким содержанием дефек­ тов — необходимое условие повышения уровня технологии приборов на арсениде галлия. Значительное место в про­ грессе арсенидгаллиевой технологии занимают методы ис­ следования неоднородности материала. Без качественного и количественного расширения методов анализа дефектно­ сти подложек дальнейшее повышение качества исходного материала представляется затруднительным.

Самым распространенным методом определения неод­ нородности ПИ GaAs является ИК-спектроскопия, которая основана на избирательном поглощении или рассеянии из­ лучения областями различной дефектности и отдельными собственными и примесными дефектами структуры. Метод является неразрушающим, отличается высокой воспроиз­ водимостью и позволяет изучать распределение точечных дефектов вокруг отдельных дислокаций, получать количе­ ственные карты распределения дефектов, соответствующего

152 Глава 3. Анодные оксидные пленки в технологии полупроводников.

глубокому донорному уровню EL2, изучать распределение остаточных напряжений в подложках. ИК-спектроскопия позволяет получать карты распределения дислокаций, микропреципитатов и глубоких уровней как в масштабе подложки, так и с довольно высоким (десятки микрон) разрешением, а также изучать примесные атмосферы от­ дельных дислокаций и проводить количественную оценку концентрации EL2, определять распределения напряжений в подложках.

Автографические методы изучения полуизолирующего арсенида галлия занимают одно из основных мест среди ме­ тодик картирования неоднородности материала. Наиболее используемым среди них является селективное химическое травление поверхности. Селективное травление часто ис­ пользуется в комбинации с инструментальными методика­ ми для выявления единичных дислокаций, построения карт их распределения. Для выявления дислокаций в ПИ GaAs широко применяется травление в расплаве щелочи (КОН, NaOH или их смеси) при температуре 350—450 °С в тече­ ние десятков минут. В результате в месте выходов дисло­ каций на поверхность вытравливаются ямки, наблюдаемые при небольшом увеличении оптического микроскопа. Эта методика активно используется для топографирования плотности дислокаций в микромасштабе, существует воз­ можность автоматизации измерений, например, регистра­ цией интенсивности рассеянного на ямках светового луча, сканирующего поверхность.

Зависимость толщины АОП от затраченного на ее фор­ мирование заряда принципиально позволяет использовать анодное окисление для автографии неоднородности сопро­ тивления материала. Визуализация неоднородности может быть основана на интерференционном эффекте, известном как информативный способ индикации физико-химических процессов. Наличие у АОП GaAs яркой интерференционной окраски, связанной с толщиной оксида, обеспечивает воз­ можность проявления электрической неоднородности в виде цветовой картины. Интерференционная окраска АОП связа­ на с толщиной, определяемой затраченным в ходе процесса зарядом. Диапазон толщин АОП 50—500 нм соответствует трем порядкам интерференции, каждый из которых содер­ жит семь элементарных визуально различимых цветов.

В силу высокого сопротивления полуизолирующего ма­ териала, падение напряжения в полупроводнике оказывается

3.3. Применение барьерных анодных оксидов в , микроэлектронике 153

соизмеримым с падением напряжения в оксиде. В дефектной области (скопления примеси вблизи дислокаций) сопротив­ ление подложки значительно ниже, поэтому при потенциостатическом анодировании в этой части кристалла образуется более толстый оксид. Это хорошо иллюстрируется следую­ щим уравнением, учитывающим распределение приложенно­ го напряжения U{)в полупроводнике Uи оксиде U0:

U0=U+Uo=U+Eho. (3.28)

Следовательно, толщина оксидной пленки на i-м участ­ ке поверхности пропорциональна величине проводимости в локальной области подложки, что проявляется в разли­ чии интерференционной окраски оксида на различных уча­ стках поверхности пластины.

3.3.4. Применение барьерных анодных оксидов в технологии создания наноструктр. Метод локального зондового окисления

К настоящему времени наиболее широко применяют четыре метода создания наноструктур: 1) электронолитография и наноимпрингииг; 2) локальная эпитаксия и эпи­ таксия поверхностно напряженных структур; 3) самоформирование и синтез в матрицах (темплатный синтез; 4) зондовые методы литографии.

Среди наиболее доступных методов создания нано­ структур можно выделить зондовые методы нанолитогра­ фии. С момента создания сканирующего туннельного, а за­ тем и атомно-силового микроскопов (ACM) сканирующие зондовые микроскопы (СЗМ ) из аналитических приборов превратились в инструменты локального модифициро­ вания и структурирования материалов на нанометровом уровне. Методы локального зондового воздействия мож­ но классифицировать в зависимости от вида физического и химического воздействия, определяемого средой, которая разделяет зонд и подложку.

Сканирующие зондовые микроскопы — это системы, способные контролировать перемещение атомарно-острого зонда в непосредственной близости от поверхности, с суб­ нанометровой точностью. Зондовые микроскопы обычно используют в атмосферных условиях или в вакууме. В атмо­ сферных условиях вода, адсорбированная на поверхности, формирует мениск между зондом и поверхностью, который играет важную роль в зондовых методах нанолитографии.

154 Глава 3. Анодные оксидные пленки в технологии полупроводников.

В большинстве методов локального зондового модифици­ рования поверхности требуется создание напряженности поля между зондом и подложкой, достаточной для актива­ ции физико-химических процессов.

СЗМ можно использовать как источник электронов для экспонирования электронорезистов. При этом применяют различные режимы эмиссии электронов: режим постоян­ ного туннельного тока, бесконтактный режим атомного си­ лового микроскопа с использованием электропроводящего зонда и т.д. Экспонирование проводят в режиме сканиро­ вания зондом, на который подают отрицательное смещение в несколько десятков вольт. Проявление экспонированной области осуществляют в стандартных растворах, при этом достигается разрешение порядка 50 нм.

К новым методам зондовой нанолитографии можно от­ нести так называемый метод «погруженного пера». Этот метод основан на переносе молекул с зонда на подложку посредством диффузии частиц через мениск воды, соеди­ няющий зонд и подложку. Данный метод позволяет форми­ ровать линии шириной до 12 нм на расстоянии 5 нм одна от другой.

Существуют и другие методы формирования нанометро­ вых рисунков с помощью зонда ACM. Например, возмож­ но механическое модифицирование поверхности, которое проводят в режиме постоянного и импульсного (ударного) давления на поверхность.

Значительные успехи достигнуты в настоящее время при использовании комбинирования механического и тер­ мического воздействий (термомеханическая литография). Данный метод обеспечивает формирования субстонано­ метровых углублений в пленках поликарбоната за счет термомеханического стимулирования фазового перехода полимер — стекло. Термомеханическая литография явля­ ется базовой идеей терабитных запоминающих устройств, пропагандируемой компанией IBM.

Металлы можно локально осаждать в зазоре между зон­ дом и подложкой в атмосфере металлоорганических соеди­ нений, молекулы которых способны диссоциировать под действием электрического тока. Локальное электрохимиче­ ское растворение и осаждение можно осуществлять в элек­ трохимических зондовых микроскопах с субстонанометро­ вым разрешением.

156 Глава 3. Анодные оксидные пленки в технологии полупроводников.

образования оксида определяется разностью потенциалов в каждой точке окисляемой поверхности, что приводит к зависимости толщины оксида от расстояния между зон­ дом и данной точкой на поверхности.

Процесс анодного окисления элементарного металла можно описать рядом уравнений. На металлическом аноде М возможно протекание следующих двух реакций:

Одновременно на катоде возможно выделение водорода

А в зазоре между зондом и подложкой устанавливается равновесие

В условиях обычной электролитической ячейки, т.е. при полубесконечном объеме электролита, протекание реакций (3.29) и (3.30) приводит к локальному изменению pH вбли­ зи анода. Однако в условиях зондового окисления, катод и анод расположены настолько близко, что ионы Н+ и ОН-, образующиеся в результате реакций (3.29—3.31), рекомби­ нируют мгновенно по реакции (3.32). Поэтому в зондовом окислении можно пренебречь изменением pH в приэлектродном пространстве. Однако зондовое окисление имеет ту особенность, что на начальных стадиях окисления су­ щественную роль могут играть процессы туннельного пе­ реноса электронов с зонда в подложку через естественный оксид. Этот процесс можно условно описать следующей условной схемой:

Следует отметить, что схема (3.33) может стать прева­ лирующей на всем протяжении процесса зондового воз­ действия, если зонд и подложка разделены вакуумом (или

вотсутствии адсорбированной воды на поверхности). Тогда

впленке могут происходить локальные разогревы, сопрово­ ждающиеся фазовыми или структурными превращениями,

ав случае органических адсорбатов — полимеризацией.

158 Глава 3. Анодные оксидные пленки в технологии полупроводников.

где цн 0(/) и Цн о(£) ~ химические потенциалы соответст­ венно жидкой и’газообразиой воды в отсутствие электриче­ ского поля; т — дипольный момент молекул воды; а — угол между нормалью к поверхности и линией, соединяющей

влаги. Например, при относительной влажности 33% конден­ сация будет происходить при Е > 150 МВ/м. Относительная влажность оказывает существенное влияние не только на ве­ личину пороговой напряженности поля, но и на латеральные размеры формируемых оксидных областей. Это объяснятся зависимостью формы мениска воды, соединяющего зонд и подложку, как от толщины слоя адсорбированной воды, так от расстояния между зондом и подложкой. Природа этой зависимости наглядно иллюстрируется геометрической мо­ делью, представленной на рис. 3.3.

Очевидно, что одним из путей уменьшения ширины ли­ ний, формируемых при окислении, является увеличение расстояния между зондом и подложкой. Максимально до­ пустимый подъем зонда над поверхностью следует опреде­ лять по величине силового гистерезиса, устанавливаемого

160 Глава 3. Анодные оксидные пленки в технологии полупроводников.

Эти размеры определяются силой поверхностного натяже­ ния F{.

и разницей давлений АР, вызванной кривизной седловид­ ной поверхности мениска:

где у — коэффициент поверхностного натяжения.

Сила, обусловленная этим давлением, определяется

Баланс между силами Fx и F2определяется условием

FX+F2=0. (3.41)

Соотношение между характерными размерами системы задается условием, вытекающим из свойств прямоугольно­ го треугольника ACtCwCk:

Совместное решение уравнений (3.41) и (3.42) позволяет определить г0 и rk при известном расстоянии между зондом и подложкой D. Расчеты показывают, что радиус мениска убывает с увеличением расстояния зонда от подложки. Од­ нако основное влияние на размер линий оказывает радиус закругления острия зонда.

Согласно представлениям о кинетике анодного окисле­ ния толщина образующегося оксида зависит от приложен­ ного потенциала и длительности процесса. На практике в СЗМ удается измерить не толщину оксида, а изменение высоты выступа относительно уровня неокисленной по­ верхности. Поэтому необходимо различать толщину оксида h0, который формируется, и изменение высоты Ah0, которое измеряется. Толщину образующегося при анодной поляри­ зации оксида можно рассчитать на основании закона Фара­ дея следующим образом: