На правах рукописи

САГУНОВА ИРИНА ВЛАДИМИРОВНА

ИССЛЕДОВАНИЕ И МОДИФИКАЦИЯ НАНОСТРУКТУР

С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ТОКОВЫХ РЕЖИМОВ

ЗОНДОВОЙ МИКРОСКОПИИ И ЛИТОГРАФИИ

Специальность 05.27.01 –

твердотельная электроника, радиоэлектронные компоненты,

микро- и наноэлектроника, приборы на квантовых эффектах

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 2010

Работа выполнена на кафедре Интегральной электроники и микросистем Московского государственного института электронной техники (Технического университета).

Научный руководитель:

д.т.н., проф. Шевяков В. И.

Официальные оппоненты:

д. ф.-м.н., проф. Неволин В. К.

к. т. н. Лосев В.В.

Ведущая организация: ФГУП «НИИ физических проблем им. Ф.В.

Лукина»

Защита диссертации состоится “ 27 ” декабря 2010 г., в 14:30 часов на заседании диссертационного совета Д 212. 134. 01 при Московском государственном институте электронной техники по адресу:

124498, Москва, Зеленоград, проезд 4806, д.5.

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке МИЭТ

Автореферат разослан “ 17 ” ноября 2010 года

Ученый секретарь диссертационного совета:

д. т. н., проф. Крупкина Т. Ю.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы.

Сканирующая зондовая микроскопия (СЗМ) широко используется в настоящее время для исследования свойств поверхности нанообъектов.

Основными применяемыми е методами являются сканирующая туннельная микроскопия, атомно-силовая микроскопия (АСМ), микроскопия электростатических сил (МЭС), магнитно-силовая микроскопия.

С использованием АСМ и проводящих кантилеверов разработан метод модификации свойств поверхности потенциально окисляемых материалов – метод локального зондового окисления (ЛЗО). Метод обеспечивает возможность создания без использования дорогостоящего технологического оборудования ряда элементов наноэлектроники (квазиодномерные проводники, одноэлектронные транзисторы, нанорезисторы и т.д.). Однако, ряд существующих проблем, в частности: низкая его производительность, невысокое качество существующих в настоящее время проводящих кантилеверов сдерживают широкое применение данного метода.

Практический интерес для исследования проводящих нанообъектов, в том числе проводящих элементов наноэлектроники, представляет сканирующая электропроводящая микроскопия (СЭПМ), использующая режим АСМ в контактной моде и проводящий кантилевер, обеспечивающая проведение одновременного измерения топографии поверхности проводящих объектов и исследования картины растекания электрического тока на том же участке поверхности. Однако, несмотря на достоинства метода СЭПМ сведения о нем в литературе малочисленны, практически отсутствуют универсальные методики проведения на его основе измерений.

Поскольку методы ЛЗО и СЭПМ являются перспективными для исследования и модификации электрических свойств поверхности проводящих объектов с нанометровым разрешением, задача более детального их изучения является актуальной.

Цель диссертационной работы - развитие метода локального зондового окисления и сканирующей электропроводящей микроскопии для создания и диагностики наноструктур.

Для достижения поставленной цели решались следующие научно-технические задачи:

1. Исследование особенностей методики проведения измерений в СЭПМ, методики оценки качества проводящих кантилеверов, методики локального зондового окисления проводящих объектов.

2. Подготовка образцов сверхтонких металлических и полупроводниковых пленок для последующего их локального зондового окисления.

3. Определение долговременной стабильности сверхтонких аморфных и поликристаллических металлических пленок.

4. Разработка метода формирования кантилеверов со сверхтонким проводящим покрытием, характеризующихся пониженным значением радиуса кривизны острия игл.

5. Уточнение физико-химической модели процесса локального зондового окисления проводящих объектов, учитывающей приборное ограничение величины протекающего электрического тока в системе проводящий кантилевер - проводящий объект.

6. Исследование особенностей процесса локального зондового окисления, исследование факторов, определяющих разрешающую способность метода.

7. Исследование влияния свойств потенциально окисляемых материалов на кинетику процесса их локального зондового окисления.

8. Проведение комплексного исследования процессов и возможностей в сканирующей электропроводящей микроскопии.

Научная новизна.

1. Предложена уточненная физико-химическая модель процесса локального зондового окисления проводящих образцов, учитывающая приборное ограничение значения протекающего тока в системе проводящий кантилевер – проводящий образец.

2. Выявлена корреляция толщины естественного оксида на поверхности сверхтонких металлических пленок с их структурой (аморфные и поликристаллические).

3. Выявлены особенности процесса локального зондового окисления сверхтонких халькогенидных пленок, полученных методом молекулярного наслаивания.

4. Разработан метод создания кантилевера со сверхтонким проводящим покрытием на основе газофазной карбидизации вольфрама.

5. Из анализа теоретического представления и результатов экспериментального исследования процесса локального зондового окисления выявлены свойства металлов, определяющие кинетику процесса. Сформулированы условия для проведения процесса с повышенной скоростью выращивания оксида.

Практическая значимость работы и использование полученных результатов.

Разработанный метод создания проводящих кантилеверов, характеризующихся пониженным значением радиуса кривизны острия игл, внедрен в ЗАО «НТ-МДТ», ЗАО «Силикон-МДТ».

Результаты исследования метода процесса локального зондового окисления являются основой для корректировки моды «Нанолитография» изготовителями сканирующих зондовых микроскопов. Результаты работы использованы при выполнении научно-исследовательских работ в рамках ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научнотехнологического комплекса России на 2007-2012 годы», ГК: № 2008по заданию министерства науки и образования РФ: № 762-ГБ-53-Гр.ст.ИЭМС.

Работа поддержана грантом Президента № НШ – 4097.2008.8, грантом РФФИ № 06-08-81009-Бел_а.

Результаты работы внедрены в учебный процесс на кафедре интегральной электроники и микросистем МИЭТ и используются в курсе лекций «Процессы микро- и наноинтегральной технологии» и соответствующем лабораторном практикуме (учебный план ЭКТ факультета, 9 семестр), направление подготовки 210100. "Электроника и микроэлектроника", специальность 210104. "Микроэлектроника и твердотельная электроника".

Апробация результатов работы.

Основные результаты работы докладывались на следующих международных и всероссийских научных конференциях и семинарах:

12-я Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика – 2005», Москва, 2005; V Международная научно-техническая конференция "Электроника и информатика – 2005", Москва, 2005, Всероссийская конференция инновационных проектов аспирантов и студентов «Индустрия наносистем и материалы», Москва, 2005; Всероссийская конференция инновационных проектов аспирантов и студентов «Индустрия наносистем и материалы», Москва, 2006; 9-я Международной конференция «Опто-, наноэлектроника, нанотехнологии и микросистемы», Ульяновск, 2007; 15-я Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика -2008», Москва, 2008; Международная научно-техническая конференция «Микроэлектроника и наноинженерия - 2008», Москва, 2008; 16-я Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика - 2009», Москва, 2009; Всероссийская научно-техническая конференция «Нанотехнологии и наноматериалы: современное состояние и перспективы развития в условиях Волгоградской области», Волгоград, Всероссийская межвузовская научно-техническая 2010; 17-я конференция студентов и аспирантов “Микроэлектроника и информатика - 2010”, Москва, 2010; Международная научно– техническая конференция «Проектирование систем на кристалле:

тенденции развития и проблемы», МИЭТ, 2010.

Публикации.

По материалам диссертации опубликовано 16 работ, включая статьи, в том числе 2 статьи в изданиях, входящих в перечень ВАК, положительное решение по заявке на изобретение, 11 - в специализированном сборнике научных трудов, в материалах, сборниках научных трудов и тезисах докладов научно-технических конференций.

На защиту выносятся:

Физико-химическая модель процесса локального зондового окисления проводящих образцов, учитывающая приборное ограничение значения протекающего тока в системе проводящий кантилевер – проводящий образец.

Метод создания кантилевера со сверхтонким проводящим покрытием на основе газофазной карбидизации вольфрама.

Полученная зависимость скорости роста оксида от свойств окисляемого материала в процессе его локального зондового окисления.

Выявленная корреляция толщины естественного оксида на поверхности сверхтонких металлических пленок с их структурой.

Структура и объем диссертации.

Диссертация состоит из введения, пяти глав с выводами, основных результатов и выводов по работе, списка использованных источников из 125 наименований, актов о внедрении и использовании результатов работы. Основное содержание работы

изложено на 134 страницах машинописного текста и содержит 92 рисунка и 4 таблицы.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении обоснована актуальность темы, определены цели и задачи исследования, изложены научная новизна и практическая значимость работы.

В первой главе рассмотрено современное состояние сканирующей зондовой микроскопии.

Представлены сведения об особенностях метода локального зондового окисления и сканирующей электропроводящей микроскопии.

Отмечено, что сканирующая электропроводящая микроскопия, обеспечивающая возможность одновременного исследования топографии поверхности и картины растекания тока на одном и том же участке проводящего образца, до настоящего времени не получила должного развития. Сведения о методе в литературе малочисленны.

Показано, что возможность практического использования метода локальной зондовой модификации поверхности для создания квантовых приборов делает его существенным, и приводит к осознанию необходимости более детального его изучения.

Рассмотрены конструктивно- технологические особенности создания проводящих кантилеверов.

На основании проведенного анализа существующих проблем в методах сканирующей электропроводящей микроскопии и локального зондового окисления сформулированы цель и задачи диссертационной работы.

Вторая глава посвящена описанию методик проведения исследования ВАХ системы проводящий кантилевер- проводящая поверхность образца, исследований в режиме электропроводящей микроскопии, проведения процесса локального зондового окисления.

Показано, что для проведения исследований в СЭПМ и осуществления процесса локального зондового окисления проводящих образцов необходим предварительный анализ качества проводящих кантилеверов, необходимо задавать оптимальное усилие прижатия кантилевера к образцу для преодоления адсорбционного слоя и для обеспечения тесного контакта с образцом, проверять всякий раз настройки компьютерной программы, следовать процедурам осуществления соответствующих методов.

В третьей главе приведены результаты исследования методов осаждения сверхтонких проводящих пленок и создание проводящих кантилеверов СЗМ на основе газофазной карбидизации вольфрама.

Показано, что при подготовке тонкопленочных образцов для исследования их локального зондового окисления наиболее приемлемыми являются импульсно-плазменный метод осаждения и метод молекулярного наслаивания, обеспечивающие формирование сплошных пленок толщиной от 2 нм. Импульсно-плазменным методом осаждали сверхтонкие пленки металлов (V, Nb, Ta, Ti, TiN, W).

Методом молекулярного наслаивания формировали сверхтонкие пленки халькогенидов (сульфидов индия, кадмия, свинца).

Толщину проводящих пленок измеряли на основе АСМ в полуконтактном режиме. На рис. 1 приведено типичное АСМ изображение локального участка пленки PbS, полученной методом молекулярного наслаивания, (а) и профиль сечения ступеньки (б).

Рис. 1. Типичное АСМ изображение пленки PbS (а) и профиль сечения ступеньки (б).

Из результатов исследования кинетики осаждения пленок халькогенидов выявлено, что имеет место линейная зависимость толщины пленок от количества циклов осаждения. Формирование пленок происходит послойно и за один цикл формируется один монослой.

Показано, что толщина пленок металлов, полученных импульсноплазменным методом линейно зависит от количества импульсов осаждения. На рис. 2 приведены зависимости толщины пленок W от количества импульсов осаждения (а) и толщины пленок CdS от количества циклов осаждения монослоев в растворе при различных рН Na2S: 1- рН= 3; 2- рН= 7; 3- рН= 9 (б).

Рис. 2. Зависимости толщины пленок W от количества импульсов осаждения (а) и толщины пленок CdS (б) от количества циклов осаждения монослоев в растворе при различных рН Na2S: 1- рН= 3;

2- рН= 7; 3- рН= 9.

Представлены результаты исследования долговременной стабильности сверхтонких аморфных и поликристаллических металлических пленок. Выявлена корреляция толщины естественного оксида со структурой пленок.

Показано, что аморфные пленки металлов характеризуются более долговременной стабильностью. На рис. 3 приведены ВАХ систем проводящий кантилевер – поликристаллическая и аморфная пленки Ti на свежеприготовленных образцах и выдержанных на воздухе в течение 1 месяца (б).

Это вызвано тем, что аморфные пленки характеризуются меньшей плотностью поверхностных состояний, то есть меньшим числом реакционно-способных мест. На аморфных пленках затруднен процесс адсорбции окисляющих частиц. Кроме того, в случае с поликристаллическими пленками возможен ускоренный дрейф ионов титана к границе раздела: поверхность Ti – воздух по границам зерен, что также определяет кинетику процесса роста естественного оксида.

Рис. 3. ВАХ систем проводящий кантилевер – поликристаллическая (1) и аморфная (2) пленки Ti на свежеприготовленных образцах (а) и ВАХ систем проводящий кантилевер – аморфная (1) и поликристаллическая (2) пленки Ti на образцах, выдержанных на воздухе в течение 1 месяца (б).

Представлено описание разработанного способа формирования тонких пленок карбида вольфрама, включающего нанесение импульсноплазменным осаждением на подложку сверхтонкой пленки W и е карбидизацию путем помещения подложки на графитовый столик, термообработку в вакууме при давлении не выше 510-4 Па в диапазоне от 450 до 600оС не менее 40 минут.

На основе разработанного способа формирования тонких пленок карбида вольфрама предложен метод создания кантилеверов со сверхтонким проводящим покрытием W2C, характеризующихся пониженным значением радиуса кривизны острия игл.

Четвертая глава посвящена исследованию метода локального зондового окисления сверхтонких проводящих пленок металлов и халькогенидов.

Предложена уточненная физико-химическая модель процесса локального зондового окисления проводящих образцов, учитывающая ограничение значения протекающего тока в системе проводящий кантилевер – проводящий образец.

Согласно представлениям о кинетике анодного окисления металлов толщина образующегося оксида зависит от приложенного потенциала и длительности процесса. Эта зависимость описывается законом Фарадея в интегральной форме [1]:

константа, Aox - молярная масса образующегося вещества, ox - его удельная плотность, S – площадь окисленной поверхности, F постоянная Фарадея, Q - суммарный заряд, затраченный на окисление, - эффективность тока, I(t) - мгновенное значение силы тока, протекающего в цепи, z - число электронов необходимых для протекания реакции окисления.

Исходя из выражения (1), авторы получили временную зависимость толщины растущего оксида в потенциостатическом режиме.

Однако авторы не учитывали имеющее место в сканирующем зондовом микроскопе приборное ограничение величины тока. В работе показано, что при зондовом окислении низкоомных образцов высокопроводящими кантилеверами ток ограничивается величиной Imax и процесс протекает в гальваностатическом режиме. Выражения для временных зависимостей толщины растущего оксида в потенциостатическом (а) и гальваностатическом (б) режимах процесса локального зондового окисления имеют вид:

где U – величина клеммного напряжения, U0 – пороговое напряжение процесса образования оксидной пленки, Rc – суммарное сопротивление системы проводящий кантилевер – проводящий образец, Rип – сопротивление источника питания СЗМ.

Представлены результаты экспериментального исследования влияния радиуса кривизны острия игл и смачиваемости поверхности проводящего покрытия кантилевера на разрешающую способность метода. Подтверждено, что разрешающая способность метода в значительной степени связана с величиной радиуса кривизны острия иглы. Имеет место прямо-пропорциональная зависимость разрешающей способности метода от радиуса кривизны иглы кантилевера.

Выявлена корреляция смачиваемости материала проводящего покрытия кантилевера с разрешающей способностью метода локального зондового окисления.

В табл. 1 приведены данные о разрешающей способности метода при использовании кантилеверов с различным материалом проводящего покрытия (здесь CA – алмазоподобная пленка).

Табл. 1. Данные сравнительного анализа влияния характеристик проводящих кантилеверов на разрешающую способность метода.

Из анализа теоретического представления и результатов экспериментального исследования процесса локального зондового окисления выявлены свойства металлов, определяющие кинетику процесса.

Выражение для высоты выступа слоя оксида относительно уровня неокисленной поверхности металла имеет вид:

где k –отношение удельных объемов металла и образующейся из него окисной пленки.

Согласно (2) кинетика процесса модифицирования исходной пленки металла определяется электрическими режимами окисления и физикохимическими свойствами рассматриваемой системы, такими как удельное сопротивление металла, соотношение удельных объемов металла и оксида, напряженность электрического поля в растущем оксиде и электрохимическая константа процесса окисления.

В табл. 2 приведены данные о материальных константах различных металлов и их оксидов.

Табл. 2. Данные сравнительного анализа величин материальных констант, определяющих параметры анодного окисления ряда систем металл/анодный оксид.

*Значения удельного сопротивления металлов в таблице приведены для случая объемных материалов.

Исходя из проведенного теоретического анализа процесса зондового окисления металлов и данных таблицы, сделан вывод о том, что из перечисленного ряда металлов V и Nb потенциально должны обладать наиболее высокой скоростью процесса окисления.

Представлены результаты сравнительного анализа кинетики локального зондового окисления сверхтонких пленок металлов, проведенного в сопоставимых условиях, с целью экспериментального определения свойств материалов, которые обеспечивают повышенную производительность процесса. На рис. 4 приведен типичный пример осуществления процесса локального зондового окисления.

Рис. 4. АСМ изображение поверхности пленки Ta после ее локального зондового окисления (а) и профиль сечения поверхности поперек оксидных полосок, сформированных при различном напряжении (б): 1В, 2-9В, 3-8В, 4-7В.

Анализ ВАХ исследованных систем проводящий кантилевер металлическая пленка показал, что они различаются уровнем нарастания величины тока с ростом напряжения любой полярности (рис. 5). Это обусловлено различной величиной удельного сопротивления пленок металлов. Кроме того, на поверхности исследованных металлов (за исключением TiN) содержится пленка естественного оксида. Это приводит к падению в нем части прикладываемого к системе напряжения. Исследованные металлы имеют различную химическую активность.

Наличие естественного оксида различной толщины определяет различную минимальную величину прикладываемого к системе напряжения (порогового), при котором начинается процесс анодирования. Линейная экстраполяция наклона ВАХ к оси абсцисс позволила приближенно определить для каждого металла значение порогового напряжения, при котором начинает активно протекать процесс локального зондового окисления. Для V оно составило величину ~1В, для Nb ~1В, W ~ 2В, Ta ~ 2В, TiN ~ 4В, Ti ~ 6В.

Результаты исследования процесса локального зондового окисления металлов показали, что значения порогового напряжения для каждого металла хорошо согласуются с их оценками, полученными из ВАХ характеристик систем проводящий кантилевер – металлическая пленка.

Рис.5. Типичные ВАХ систем проводящий кантилевер – металлическая пленка.

Приведены результаты исследования кинетики процесса локального зондового окисления металлов.

Толщину слоя образовавшегося оксида определяли из экспериментально измеренных значений hox, представляющих собой изменение высоты выступа слоя оксида относительно уровня неокисленной поверхности металла. На рис. 6а приведены зависимости толщины оксида металлов от величины прикладываемого напряжения при скорости сканирования кантилевера в латеральном направлении, равной 1 мкм/с. Из результатов выявлено, что зависимости имеют линейный характер, что согласуется с теоретической оценкой (2). На рис. 6б приведены зависимости толщины оксидов металлов от скорости сканирования иглы кантилевера в латеральном направлении (по сути, от времени локального электрического воздействия на поверхность металла).

Рис. 6. Зависимости толщины образующего слоя оксида на металлических пленках от величины прикладываемого напряжения при скорости перемещения зонда 1 мкм/с (а) и от скорости сканирования иглы кантилевера в латеральном направлении при клеммном напряжении 6 В (б).

Определено, что при уменьшении скорости сканирования в латеральном направлении, а, следовательно, при увеличении времени локально электрического воздействия на поверхность металла толщина пленки оксида возрастала, что согласуется с теоретической оценкой.

Выявлено, что быстрее всех окисляются V и Nb, а наиболее медленно растет оксид Ti, что подтверждает проведенные теоретические оценки. Скорость окисления остальных исследованных металлов находится в промежуточном значении между характерными для Nb и Ti. Наблюдаемая более низкая, чем ожидалось, скорость окисления TiN вызвана тем, что в качестве исследуемого материала характеризующийся существенно более высоким удельным сопротивлением.

Таким образом, на основании теоретических оценок и результатов экспериментов выявлено, что кинетику процесса определяют такие свойства окисляемого материала, как его удельное сопротивление, наличие на поверхности естественной оксидной пленки и ее толщина, соотношение удельных объемов металла и оксида, электрохимическая константа процесса окисления.

Определено, что из исследованного ряда металлов для осуществления на их основе метода локального зондового окисления наиболее предпочтительным является ванадий, как обеспечивающий максимальную скорость окисления, а, следовательно, повышенную производительность метода.

Представлены результаты исследования процесса локального зондового окисления сверхтонких халькогенидных пленок, полученных методом молекулярного наслаивания. Продемонстрирована принципиальная их способность к окислению. Однако отмечено, что развитый рельеф пленок халькогенидов, полученных молекулярным наслаиванием, и значительное удельное сопротивление существенно затрудняют процесс их локального зондового окисления.

В пятой главе представлены результаты исследования процессов и возможностей в сканирующей электропроводящей микроскопии.

Приведены результаты исследования влияния величины усилия прижатия зонда к образцу на вид ВАХ системы проводящий кантилевер- проводящий образец. Показано, что при проведении измерений в СЭПМ необходимо обеспечивать задание оптимального усилия прижатия кантилевера к образцу для преодоления адсорбционного слоя и для обеспечения тесного контакта с исследуемой поверхностью.

Показано, что на основе СЭПМ, обеспечивающей возможность одновременного получения топографического изображения исследуемой поверхности образца и картины растекания тока на том же участке, возможна в отличие от АСМ, в которой часто наблюдается эффект конволюции, визуализация проводящих объектов с геометрическими размерами, меньшими, чем диаметр острия проводящего кантилевера, а также определение их реальных размеров, определение величины их сопротивления. Это иллюстрирует рис. 7, где приведена структура, представляющая собой диэлектрический слой с размещенными в нем наночастицами золота, расположенный на проводящей подложке.

Рис. 7. Схематичное изображение исследуемой структуры (а), АСМ изображение е поверхности (б) и изображение картины растекания тока на том же участке (в).

Приведены результаты исследования с помощью СЭПМ известной тестовой структуры на основе нанопрофилированного алюминия, предназначенной для определения радиуса кривизны острия игл кантилеверов сканирующей силовой микроскопии [2]. Уточнены е проводящие свойства. По сути, данная структура представляет собой алюминиевое основание с массивом острых оксидных выступов (рис.8).

Рис. 8. АСМ - изображение участка наноструктурированной поверхности алюминия (а) и картина растекания электрического тока на том же участке (б).

Приведены результаты исследования проводящих свойств массива латерально расположенных полупроводниковых углеродных нанотрубок. Проведена количественная оценка их сопротивлений.

Представлены результаты исследования на основе СЭПМ дефектов в проводниковых межсоединениях интегральной схемы с минимальным размером 0,09 мкм с открытым 5-м уровнем металлизации. В единичных ячейках в центральной ее части при помощи фокусированного ионного пучка было внесено 2 вида дефектов. Первый - это участки с обрывом металлизации 5-го уровня, сформированные путем перерезания металлической дорожки локальным ионным травлением. Второй – это участки металлизации с повышенным сопротивлением, сформированные путем частичного перерезания металлической дорожки локальным ионным травлением. Ширина металлических дорожек составляет 200нм, а высота - 20нм.

Электрическое напряжение подавали на боковую поверхность чипа макроконтактом, а для осуществления омического контакта в месте макроконтакта наносили каплю серебряного клея. Разность потенциалов в методе составляла 5В.

На рис. 9 приведены изображения картин растекания тока в центральной части единичной ячейки ИС, для случая обрыва металлизации (а), частичного обрыва металлизации (в) и их сечения по вертикали (б, г).

Рис. 9. Изображения картин растекания тока в центральной части единичной ячейки ИС, для случая обрыва металлизации (а), частичного обрыва металлизации (в) и их сечения по вертикали (б, г).

Данные примеры продемонстрировали возможность исследования в проводниковых межсоединениях нанодефектов. В первом случае в нижней части единичной ячейки ИС ток полностью отсутствовал, что обусловлено обрывом в электрической цепи. Во втором случае было зафиксировано уменьшение тока в дефектной части металлизации ячейки в 4 раза (с 16 нА до 4 нА), обусловленное повышенным на данном участке сопротивлением, вызванным частичным разрывом металлических дорожек.

Однако при исследовании на основе СЭПМ дефектов металлизации интегральных схем для сохранения их работоспособности необходимо подавать напряжение не большее, чем Uкрит., при котором происходит разрушение металлизации за счет электромиграции. Данное напряжение определяется опытным путем или рассчитывается, исходя из размера металлических дорожек схемы.

Поскольку метод СЭПМ имеет разрешение несколько десятков нанометров, то его можно использовать для диагностики дефектов в металлизации ИС с нанометровыми размерами, включая 45 и 32нм.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ:

Показано, что при подготовке тонкопленочных образцов для исследования их локального зондового окисления наиболее приемлемыми являются импульсно-плазменный метод осаждения и метод молекулярного наслаивания, обеспечивающие формирование сплошных пленок толщиной от 2 нм.

Из результатов исследования импульсно-плазменного метода металлов: V, Nb, Ta, Ti, TiN, W выявлено, что толщина пленок линейно зависит от количества импульсов осаждения, а из кинетики осаждения пленок сульфидов индия, кадмия, свинца молекулярным их наслаиванием определено, что имеет место линейная зависимость толщины пленок от количества циклов осаждения. Формирование пленок происходит послойно и за один цикл формируется один монослой.

Выявлена корреляция толщины естественного оксида на поверхности сверхтонких металлических пленок со структурой (аморфные и поликристаллические). Показано, что аморфные пленки металлов обладают более долговременной стабильностью и являются предпочтительными для использования при проведении метода локального окисления для создания элементов наноэлектроники.

На основе разработанного способа формирования тонких пленок карбида вольфрама предложен метод создания кантилеверов со сверхтонким проводящим покрытием W2C, характеризующихся пониженным значением радиуса кривизны острия игл.

Предложена уточненная физико-химическая модель процесса локального зондового окисления проводящих образцов, учитывающая приборное ограничение значения протекающего тока в системе проводящий кантилевер – проводящий образец. Показано, что при исследовании низкоомных образцов с использованием высокопроводящих кантилеверов процесс локального зондового окисления может протекать в гальваностатическом режиме.

Продемонстрирована принципиальная возможность локального зондового окисления сверхтонких халькогенидных пленок, полученных методом молекулярного наслаивания. Основные трудности, связанные с обеспечением воспроизводимости их локального зондового окисления, обусловлены значительным их удельным сопротивлением и развитым рельефом поверхности.

Результатами экспериментального исследования подтверждено, что разрешающая способность метода в значительной степени связана с величиной радиуса кривизны острия игл кантилевера. Имеет место прямо-пропорциональная зависимость разрешающей способности метода от радиуса кривизны острия игл. Выявлена корреляция смачиваемости материала проводящего покрытия кантилевера с разрешающей способностью метода локального зондового окисления.

Из анализа теоретического представления и результатов экспериментального исследования процесса локального зондового выявлены свойства металлов, определяющие кинетику процесса.

Сформулированы условия для проведения процесса с повышенной скоростью выращивания оксида. Из исследованного ряда металлов Nb, Ti, TiN, Ta, V, W выявлено, что для проведения локального зондового окисления предпочтительным является ванадий, обеспечивающий максимальную скорость окисления, а, следовательно, повышенную производительность метода.

Показано, что на основе СЭПМ, обеспечивающей возможность одновременного получения топографического изображения исследуемой поверхности образца и картины растекания тока на том же участке, возможна в отличие от АСМ визуализация проводящих объектов с геометрическими размерами, гораздо меньшими, чем диаметр острия проводящего кантилевера, а также определение их реальных размеров, определение величины их сопротивления.

Из экспериментальных результатов исследования с помощью СЭПМ известной тестовой структуры на основе нанопрофилированного алюминия для определения радиуса кривизны острия игл кантилеверов сканирующей силовой микроскопии уточнен е состав. По сути, данная структура представляет собой алюминиевое основание с массивом острых оксидных выступов.

Показано, что метод СЭПМ может быть эффективно использован для диагностики дефектов в металлизации ИС с нанометровыми размерами, включая 45 и 32 нм.

Цитируемая литература:

1. Гаврилов С.А., Путря М.Г., Шевяков В.И. Наноструктуры и элементы наноэлектроники на базе метода локального зондового окисления. В кн.

Нанотехнологии в электронике. Под ред. Ю.А. Чаплыгина // – М.:

Техносфера, 2005. С. 73- 98.

2. Белов А.Н., Гаврилов С.А., Орлов И.Ю., Тихомиров А.А., Шевяков В.И. Тестовая структура для оценки радиуса кривизны острия иглы кантилевера сканирующей зондовой микроскопии. Патент на изобретение № 2335735.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Белов А.Н., Гаврилов С.А., Сагунова И.В., Тихомиров А.А., Чаплыгин Ю.А., Шевяков В.И. Тестовая структура для определения радиуса кривизны микромеханических зондов сканирующей силовой микроскопии // Российские нанотехнологии. – 2010. - № 5-6. - С. 95-98.

2. Белов А.Н., Гаврилов С.А., Сагунова И.В., Шевяков В.И. Кинетика локального зондового окисления сверхтонких пленок металлов V, Nb, Ta, Ti, TiN, W//Известия вузов. Сер. Электроника.– 2010.- № 3.- С. 13-19.

3. Belov A.N., Gavrilov S.A., Sagunova I.V., Tikhomirov A.A., Chaplygin Yu.A., Shevyakov V.I. Test structure to determine tip sharpness of micromechanical probes of scanning force microscopy // Nanotechnologies in Russia. – 2010. - Vol. 5. - № 5-6. - P. 377-381.

4. S. A. Gavrilov, A. N. Belov, I. V. Sagunova, V. I. Shevyakov. Kinetics of Local Probe Oxidation of Ultrathin V, Nb, Ta, Ti, TiN, and W Metal Films.

Semiconductors. – 2010. - Vol. 44. - №. 13. - P. 1709–1713.

5. Положительное решение по заявке на изобретение № 2009135890 от 20.05.2010. Рощин В.М., Сагунова И.В., Силибин, М.В., Шевяков В.И.

Способ формирования тонких пленок карбида вольфрама.

6. Кондратьев А.В., Сагунова И.В. Влияние конструктивных параметров кантилеверов на эффективность метода сканирующей электропроводящей микроскопии // В. сб. тез. докл. 12-й Всеросс.

Межвузовск. научн. -техн. конф. студент. и аспир. МИЭТ. – 2005. - С. 24.

7. Краснобородько С.Ю., Сагунова И.В., Тихомиров А.А. Анализ возможностей и основных проблем процесса локального зондового окисления для задач наноэлектроники // В. сб. тез. докл. V Междунар.

научн.- техн. конф. "Электроника и информатика – 2005". МИЭТ. – 2005.

- С. 30.

8. Краснобородько С.Ю., Логинов В.В., Парута С.И., Сагунова И.В.

Повышение разрешающей способности нанолитографии на основе локального зондового окисления // В. сб. матер. конф. “Индустрия наносистем и метериалы”. Москва. – 2005. - С. 167-171.

9. Парута С.И., Рудаков Г.А., Сагунова И.В. Выбор проводящих кантилеверов для электропроводящей микроскопии // В. сб. матер. конф.

“Индустрия наносистем и метериалы”. Москва. – 2006. - С. 178-180.

10. Гаврилов С.А., Железнякова А.В., Сагунова И.В., Шевяков В.И.

Кинетика послойного осаждения пленок сульфидов металлов из водных растворов // В сб. научн. труд. 9-й Междун. конф. «Оптонаноэлектроника, нанотехнологии и микросистемы». Ульяновск. – 2007.

- С. 114.

11. Сагунова И.В., Сбитнев К.И. Исследование процесса локального зондового окисления сверхтонких пленок титана // В сб. науч. труд.

«Проектирование электронной компонентной базы и систем на кристалле». Москва. МИЭТ. – 2007. - С. 3-7.

12. Сагунова И.В., Сбитнев К.И. Исследование процесса локального зондового окисления сверхтонких металлических пленок // В. сб. тез.

докл. 15 Междунар. н научн. техн. конф. "Микроэлектроника и информатика -2008". МИЭТ. – 2008. - С. 22.

13. Сагунова И.В. Исследование процесса локального зондового окисления сверхтонких пленок халькогенидов, полученных методом молекулярного наслаивания // В сб. тез. докл. 16-й Всеросс. Мезвуз.

научн. техн. конф. студент. и аспир. “Микроэлектроника и информатика -2009”. МИЭТ. – 2009. - С. 22.

14. Сагунова И.В., Шевяков В.И. Физика и техника сканирующей электропроводящей микроскопии // В сб. матер. Всероссийск. научн.

техн. конф. «Нанотехнологии и наноматериалы: современное состояние и перспективы развития». Волгоград. – 2010. - С.128.

15. Сагунова И.В. Исследование кинетики процесса образования поликристаллических металлических пленок //В сб. тез. докл. 17-й Всеросс. Мезвуз. научн. техн. конф. студент. и аспир.

“Микроэлектроника и информатика -2010”. МИЭТ. – 2010. - С. 29.

16. Сагунова И.В. Применение сканирующей электропроводящей микроскопии для исследования дефектности металлизации СБИС с нанометровыми проектными нормами // В сб. тез. докл. Междунар.

научн.–техн. конф. «Проектирование систем на кристалле: тенденции развития и проблемы». МИЭТ. – 2010. - С. 51.

Подписано в печать:

Формат 60х84 1/16. Уч. –изд. л. Тираж 100 экз. Заказ № Отпечатано в типографии ИПК МИЭТ 124498, Москва, Зеленоград, проезд 4806, д. 5, стр. 1, МИЭТ