1. На главную
  2. Электронные версии
  3. Микроэлектроника
  4. T. 48, № 2, 2019

Микроэлектроника, 2019, T. 48, № 2, стр. 90-96

Наноразмерное профилирование поверхности кремния методом локального анодного окисления

В. В. Полякова 1, *, И. Н. Коц 1, В. А. Смирнов 1, О. А. Агеев 2

1 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования “Южный федеральный университет”, Институт нанотехнологий, электроники и приборостроения, кафедра нанотехнологий и микросистемной техники
347922 Таганрог, ул. Шевченко, 2, ЮФУ, Россия

2 Научно-образовательный Центр “Нанотехнологии” Южного федерального университета
347928 Таганрог, ул. Шевченко, 2, Россия

* E-mail: vpolyakova@sfedu.ru

Поступила в редакцию 15.10.2018

Полный текст (PDF)

Аннотация

Представлены результаты исследований режимов наноразмерного профилирования поверхности подложки кремния КЭФ – 5 (111) методом локального анодного окисления. Показано, что изменение амплитуды импульсов приложенного напряжения от 5 до 12.5 В и влажности от 30 ± 1 до 70 ± 1% при локальном анодном окислении позволяет формировать на поверхности подложки кремния оксидные структуры высотой от 0.5 ± 0.3 до 2.1 ± 0.1 нм и профилированные структуры глубиной от 0.4 ± 0.3 до 1.5 ± 0.2 нм. Полученные результаты могут быть использованы при разработке технологических процессов изготовления элементной базы наноэлектроники на основе кремния с использованием зондовых нанотехнологий.

ВВЕДЕНИЕ

Одной из основных проблем при изготовлении элементов наноэлектроники является необходимость совершенствования методов литографии, которые должны обеспечивать точность и воспроизводимость изготовления наноразмерных структур [1–5].

Одним из перспективных методов литографии является локальное анодное окисление (ЛАО), которое обеспечивает высокое пространственное разрешение и воспроизводимость, а также возможность прямой модификации поверхности подложки без дополнительных операций, характерных для фотолитографии [6]. Метод ЛАО позволяет формировать оксидные наноразмерные структуры (ОНС) на поверхности различных материалов, которые могут быть применены при разработке и создании элементов микро- и наноэлектроники, элементов резистивной памяти на основе мемристорных структур, литографических масок, а также каталитических центров для выращивания нитевидных наноструктур [7–12]. Кроме того, сочетание метода ЛАО и жидкостного травления позволяет осуществлять профилирование поверхности подложек для формирования структур микро и наноэлектроники, которые могут быть использованы для создания нанопроводов, сенсорных датчиков и транзисторов [8–13].

Однако, несмотря на достаточно большое количество научных публикации по данной проблеме [3–14], закономерности влияния технологических режимов локального анодного окисления на геометрические параметры профилированных наноразмерных структур (ПНС) на поверхности кремния остаются недостаточно изученным.

Целью данной работы является проведение исследований режимов и определение закономерностей наноразмерного профилирования поверхности кремния методом локального анодного окисления.

МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА

Для проведения экспериментальных исследований режимов наноразмероного профилирования поверхности кремния была реализована методика представленная в [15].

При проведении исследований использовались подложки кремния КЭФ 5 (111), которые проходили очистку в ацетоне и изопропиловом спирте при температуре 70○C, в течение 10 мин, а также обработки в водном растворе HF (10%) в течение 30 с. Затем, с использованием зондовой нанолаборатории (ЗНЛ) Ntegra (НТ-МДТ, Россия) проводилась нанолитография методом ЛАО поверхности кремния в контактном режиме атомно силовой микроскопии (АСМ) кантилеверами марки NSG 10 с проводящим покрытием из Pt, при следующих параметрах: амплитуда импульсов напряжения изменялась от 5 до 12.5 В, длительность импульсов напряжения составляла 100 мс, частота колебаний зонда 0.03 Гц, ток цепи обратной связи (в программе управления ЗНЛ параметр Set Point) 0.3 нА. Относительная влажности воздуха при ЛАО контролировалась с использованием измерителя влажности Oregon Scientific ETHG913R и изменялась от 30 ± 1 до 70 ± 1%. В результате на поверхности подложки кремния формировались матрицы из 49 оксидных наноразмерных структур (рис. 1а).

Рис. 1.

АСМ-изображения поверхности: а – после формирования ОНС методом ЛАО; б – после формирования ПНС; в – профилограммы вдоль линий на а и б.

Для исследования режимов профилирования кремния по разработанной методике [15], полученные методом ЛАО ОНС удалялись методом жидкостного травления в водном растворе HF (1 : 3) при комнатной температуре. В результате на поверхности кремния формировались профилированные наноразмерные структуры (рис. 1б). Профилограмма полученных структур до и после травления в растворе HF представлена на рис. 1в.

Исследование морфологии поверхности структур проводилось методом атомно-силовой микроскопии в контактном режиме с использованием кантилеверов NSG 10. Обработка АСМ-изображений, включая деконволюцию и статистическую обработку, проводилась с использованием программного пакета Image Analysis 3.5 по разработанной методике [15].

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

По результатам обработки АСМ изображений получены зависимости геометрических параметров ОНС (высоты и диаметра) и ПНС (глубины и диаметра), от амплитуды импульсов напряжения и относительной влажности (рис. 2, 3).

Рис. 2.

Зависимости геометрических параметров наноструктур от амплитуды напряжения при ЛАО, при различной относительной влажности (1, 1' – 30 ± 1%; 2, 2 ' – 50 ± 1%; 3, 3 ' – 70 ± 1%): а – высоты ОНС (1–3) и глубины ПНС (1'–3'); б – диаметров ОНС (1–3) и ПНС (1'–3 ').

Рис. 3.

Зависимости геометрических параметров наноструктур от относительной влажности при различной амплитуде напряжения (1, 1' – 10 В; 2, 2 ' – 12.5 В): а – высота ОНС и глубина ПНС; б – диаметры ОНС и ПНС.

Геометрические параметры сформированных структур определялись по АСМ-профилограмме, по точкам, находящимся на 5% выше усредненного уровня поверхности подложки.

Анализ рис. 2 показал, что увеличение амплитуды импульсов напряжения от 5 до 12.5 В приводит к линейному увеличению геометрических размеров ОНС и ПНС, что можно объяснить увеличением плотности потока ионов кислорода к реакционной области при увеличении напряженности электрического поля в зазоре зонд–подложка [16].

На рис. 3 представлены зависимости геометрических параметров ОНС и ПНС, полученных при напряжении 10 и 12.5 В при различной относительной влажности. Увеличение уровня относительной влажности приводит к увеличению геометрических размеров ОНС и ПНС, что объясняется увеличением концентрации окислителя.

На рис. 4, представлены зависимости отношений геометрических параметров ОНС и ПНС кремния от амплитуды напряжения и относительной влажности при проведении ЛАО, из анализа которых следует, что отношения hОНС/hПНС составляют 1.37 ± 0.2 (рис. 4а) и 1.59 ± 0.2 (рис. 4б) и практически не зависят от амплитуды импульсов приложенного напряжения и влажности.

Рис. 4.

Зависимость отношений высоты ОНС/глубина ПНС и диаметр ОНС/ диаметр ПНС от: а – амплитуды импульсов напряжения при относительной влажности 70%; б – различной относительной влажности при амплитуде импульсов 15 В.

Учитывая, что в процессе ЛАО формирование оксида происходит за счет потребления материала подложки, используя закон сохранения масс можно оценить плотность оксидного материала, получаемого методом ЛАО [15]. Анализ показал, что для полученных отношений hОНС/hПНС значения плотности оксидного материала составляют в среднем 2.2 г/см3 что согласуется с плотностью диоксида кремния [17].

Полученные зависимости (рис. 4) показывают соответствие и хорошую корреляцию геометрических параметров ОНС и ПНС, что позволяет, задавая параметры ОНС, контролировать параметры ПНС. Ранее в [15] были представлены аналогичные зависимости для подложек кремния, кристаллографической ориентации (100), использование которых позволяет произвести сравнение полученных результатов (табл. 1).

Таблица 1.  

Параметры наноразмерных структур на подложках кремния различной кристаллографической ориентации

Параметр Ориентация Si Влажность
30% 50% 70%
hонс/hпнс 100 1 1.12 1.31
111 1.6 1.7 1.49
dонс/dпнс 100 1.21 1.9 0.95
111 0.85 0.9 1
ρ, г/см3 100 2.32
111 2.2

Анализ результатов, представленных в табл. 1 показал, что кристаллографическая ориентация подложки влияет на размеры и формы получаемых методом ЛАО наноразмерных структур, что соответствует известным моделям термического окисления кремния и может быть связано с различными значениями коэффициента диффузии окислителя [18].

Полученные результаты позволяют реализовывать профилирование поверхности подложки и эпитаксиальных слоев кремния с наноразмерной точностью и могут быть востребованы при разработке, газовых сенсоров, элементов микро и наноэлекроники, а также перспективных приборов МЭМС и НЭМС.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате проведения исследований были изучены закономерности наноразмерного профилировании поверхности кремния ориентации (111) на основе метода локального анодного окисления. Установлено, что увеличение амплитуды импульсов приложенного напряжения во время ЛАО приводит к увеличению высоты и диаметра ОНС, а также увеличению глубины и диаметра ПНС на поверхности кремния.

Показано, что увеличение относительной влажности при ЛАО, приводит к увеличению высоты, глубины и диаметра сформированных оксидных и профилированных наноразмерных структур кремния.

Оценочные оценки показали, что плотность оксидного материала, образовавшегося в процессе ЛАО поверхности кремния, хорошо коррелирует с плотностью диоксида кремния. Таким образом, показано, что локальное анодное окисление является перспективным методом нанолитографии, использование которого позволяет проводить профилирование поверхности кремния в нанометровом масштабе. Полученные результаты могут быть использованы при разработке технологических процессов формирования перспективных элементов наноэлектроники и наносистемной техники с использованием методов зондовой нанолитографии.

Работа выполнена при финансовой поддержке Российского Фонда Фундаментальных Исследований (проект № 18-29-11019мк) и внутреннего гранта Южного Федерального Университета (проекты: № ВнГр-07-/2017-26 и № ВнГр-07/2017-02) с использованием оборудования Научно-образовательного центра и Центра коллективного пользования “Нанотехнологии” Южного федерального университета.

Список литературы

  1. Неволин В.К. Зондовые нанотехнологии в электронике. Москва: Техносфера, 2014. С. 176.

  2. Baker Mohammad, Maguy Abi Jaoude, Vikas Kumar, Dirar Mohammad Al Homouz, Heba Abu Nahla, Mahmoud Al-Qutayri and Nicolas Christoforou. State of the art of metal oxide memristor devices // Nanotechnol Rev 2015. V. 3. № 5. P. 301–309.

  3. Avilov V.I., Ageev O.A., Kolomiitsev A.S., Konoplev B.G., Smirnov V.A. The formation and study of the memristors matrix based on titanium oxide by using probe nanotechnologies methods // Semiconductors. 2014. V. 48. № 13. P. 1757–1762.

  4. Avilov V.I., Ageev O.A., Smirnov V.A., Solodovnik M.S., Tsukanova O.G. Studying the Modes of Nanodimensional Surface Profiling of Gallium Arsenide Epitaxial Structures by Local Anodic Oxidation // Nanotechnologies in Russia. 2015. V. 10. № 3–4. P. 214–219.

  5. Miakonkikh Andrey V., Tatarintsev Andrey A., Rogozhin Alexander E., Rudenko Konstantin V. // Technology for fabrication of sub-20 nm Silicon planar nanowires array Moscow,Russia, The International Conference on Micro- and Nano-Electronics 2016. P. 136.

  6. Chung T.H., Liao W.H., Lin S.Y. The fabrication of nanomesas and nanometal contacts by using atomic force microscopy lithography // J. of Applied Physics 2010. № 108. P. 298–300.

  7. Zheng J. Chew, Lijie Li A discrete memristor made of ZnO nanowires synthesized on printed circuit board // Materials Letters, 2013. V. 91. P. 298–300.

  8. Ghenzi N., Rubi D., Mangano E., Gimenez G., Lell J., Zelcer A., Stoliar P., Levy P. Building memristive and radiation hardness TiO2-based junctions // Thin Solid Films, 2014. V. 550. P. 683–688.

  9. Gemma Rius, Matteo Lorenzoni, Soichiro Matsui1, Masaki Tanemura1, Francesc Perez-Murano. Boosting the local anodic oxidation of silicon through carbon nanofiber atomic force microscopy probes // Beilstein J. Nanotechnol. 2015. № 6. P. 215–222.

  10. Aung K. Soea, Saeid Nahavandia, Khashayar Khoshmanesh Neuroscience goes on a chip // Published in Biosensors & Bioelectronics Article. 2012. V. 1. № 35. P. 1–13.

  11. Athanasios T. Giannitsis, Microfabrication of biomedical lab-on-chip devices // Estonian J. Engineering 2011. № 17. P. 109–139.

  12. Radmila Panajotović. Cleaning silicon and gold-coated substrates for SPM measurements // European network on applications of Atomic Force Microscopy to Nano Medicine and Life Sciences. 2013. www.afm4nanomedbio.eu.

  13. Avilov V.I., Ageev O.A., Blinov Yu.F., Konoplev B.G., Polyakov V.V., Smirnov V.A., Tsukanova O.G. Simulation of the Formation of Nanosize Oxide Structures by Local Anode Oxidation of the Metal Surface // Technical Physics. 2015. V. 60. № 5. P. 717–723.

  14. Ageev O.A., Smirnov V.A., Solodovnik M.S., Rukomoikin A.V., Avilov V.I. A study of the formation modes of nanosized oxide structures of gallium arsenide by local anodic oxidation // Semiconductors. 2012. V. 46. № 94. P. 1616–1621.

  15. Polyakova V.V., Smirnov V.A., Ageev O.A. Study of Nanoscale Profiling Modes of a Silicon Surface via Local Anodic Oxidation // Nanotechnologies in Russia. 2018. V. 13. № 1–2. P. 84–89.

  16. Шевяков В.И., Локальное зондовое окисление. Основные проблемы // Известия ЮФУ. Технические науки. 2011. Т. 117. № 4. С. 35–39.

  17. Волков А.И., Жарский И.М. Большой химический справочник // Минск: Современная школа, 2005. С. 139.

  18. Александров О.В., Дусь А.И. Модель термического окисления кремния с релаксацией коэффициента диффузии // Известия высших учебных заведений. Электроника. 2009. Т. 78. № 4. С. 9–18.

Дополнительные материалы отсутствуют.

Инструменты

следующая статья выпуска предыдущая статья выпуска содержание выпуска

Микроэлектроника

Архивы выпусков Информация о журнале Отправить рукопись в журнал