Введение к работе
Актуальность темы. Развитие электроники и физики поверхности невозможно без развития методов диагностики, которые способствуют решению фундаментальных и прикладных задач микро- и наноэлектроники, связанных с характеризацией морфологических и электрофизических свойств микро- и наноструктур.
Наиболее распространенными методами решения таких задач являются растровая электронная микроскопия (РЭМ), просвечивающая электронная микроскопия (ПЭМ), атомно-силовая микроскопия (АСМ), сканирующая туннельная микроскопия (СТМ), микроскопия на основе фокусированных ионных пучков, вторичная ионная масс-спектрометрия, оже-спектроскопия и другие. Для исследования электрофизических свойств поверхности (в частности, I-V и C-V характеристик, стационарное и динамическое распределение поверхностного потенциала) используются контактные зондовые методы (метод проводимости, квазистатический C-V-метод, метод высокочастотных C-V характеристик) и бесконтактные методы (метод полного тока, калориметрический метод определения работы выхода, метод Ричардсона, Зисмана-Томсона, метод Андерсона). Однако они наиболее приспособлены для исследования (контроля) свойств объемных материалов либо протяженных участков поверхности. С точки зрения исследования электрофизических свойств структур с высоким латеральным разрешением (менее 10 нм) наиболее перспективной является сканирующая зондовая микроскопия (СЗМ): атомно-силовая микроскопия (АСМ) и сканирующая туннельная микроскопия (СТМ).
Тем не менее, стандартные методы сканирующей зондовой микроскопии не позволяют количественно характеризовать электрофизические свойства объектов наноэлектроники. Это обусловлено низкой повторяемостью и воспроизводимостью результатов измерений. Для обеспечения стабильности и воспроизводимости измерений в первую очередь требуется создание специальных зондов (или специальная подготовка серийных), разработка способов калибровки измерительных средств и разработка методик выполнения измерений, создание тестовых структур для контроля качества зондов и калибровки.
Примером применения СЗМ для решения задач микро- и наноэлектроники, требующих изучения электрофизических свойств поверхности, является определение I-V и C-V характеристик субмикронных МДП структур на основе оксидов металлов с высокой диэлектрической проницаемостью. Интерес создания подобных структур обусловлен тем, что для создания современных полевых транзисторов с технологической нормой ниже 65 нм требуется уменьшение толщины подзатворного оксида до размеров менее 1 нм. В качестве альтернативы SiO2 в последние годы производители интегральных схем начали использовать диэлектрики с высокой диэлектрической проницаемостью, обеспечивающие требуемую «эквивалентную» толщину при достаточно большой физической толщине диэлектрика.
При изучении электрофизических свойств поверхности неизбежно электрическое воздействие на нее, которое очень часто приводит к модификации рельефа поверхности и ее свойств. По этой причине исследование физико-химических процессов зондовой модификации поверхности позволяет выбрать оптимальные режимы измерений, обеспечив неразрушающий контроль. Кроме этого, локальная зондовая модификация поверхности может иметь самостоятельный интерес для создания тестовых наноструктур. Например, ультратонкие алмазоподобные пленки a-C:H, осажденные на подложке из кремния, который является базовым материалом электроники, являются удобным «модельным» материалом для изучения механизмов наноструктурной модификации углеродных материалов с помощью СТМ. Другим применением СЗМ для изменения структуры и электрофизических свойств поверхности является локальная модификация эпитаксиальных высокотемпературных сверхпроводящих пленок YBa2Cu3O7-x, которые применяются для создания джозефсоновских переходов. Локальная СЗМ модификация позволяет повысить резкость границ переходов, которую не обеспечивает использующаяся в настоящее время оптическая литография.
Целью работы являлось исследование возможностей сканирующей зондовой микроскопии для изучения электрофизических параметров микро- и наноструктур с высокой степенью локальности и разработка новых методов измерений.
Для достижения цели автором были поставлены следующие основные научно-технические задачи:
Разработка методики подготовки АСМ зондов для выполнения электрических АСМ измерений и электрохимической литографии.
Характеризация формы и электрических свойств АСМ зондов с помощью методов атомно-силовой микроскопии.
Разработка методики выбора оптимальной силы взаимодействия «зонд-образец» для контроля процесса износа.
Разработка и реализация комплексного АСМ метода измерений туннельных I-V и квазистатических C-V характеристик многослойных наноструктур.
Разработка и изготовление тестовых многослойных наноструктур, включающих сверхтонкие диэлектрические слои, для калибровки и определения чувствительности методики измерений I-V и квазистатических
C-V характеристик.
Изучение характера влияния атмосферного кислорода и конденсированной влаги в зазоре между СЗМ зондом и поверхностью на механизмы локальной СЗМ наномодификации поверхности материалов наноэлектроники.
Минимизация возможного электрического воздействия в ходе электрохимической литографии для предотвращения модификации электрофизических свойств поверхности высокотемпературных сверхпроводников.
Научная новизна работы состоит в следующем:
Разработан и апробирован комплексный способ подготовки и характеризации АСМ зондов для выполнения электрических измерений и электрохимической литографии. Данный способ включает в себя подготовку зондов путем нанесения на них проводящего коллоидного состава, калибровку работы выхода зонда для количественных электрических измерений и контроль формы (степени изношенности) зонда.
Разработанная модель силового взаимодействия зонда с образцом позволила разработать способ контроля формы зонда in situ с помощью методов атомно-силовой микроскопии.
Разработан метод количественной калибровки латеральных сил, который позволяет осуществлять выбор оптимальной силы взаимодействия зонда c поверхностью образца для контроля процесса износа зонда и повышения срока службы зонда.
Разработан комплексный метод измерений туннельных I-V и квазистатических C-V характеристик многослойных наноструктур, позволяющий в ходе одного измерения одновременно получать I-V и C-V характеристики.
Установлено влияние атмосферного кислорода и конденсированной влаги в зазоре между СТМ иглой и поверхностью на результаты СТМ модификации ультратонких алмазоподобных a-C:H пленок.
Экспериментально установлены параметры электромеханической АСМ нанолитографии, позволяющие минимизировать электрическое воздействие на образец для предотвращения модификации электрофизических свойств поверхности высокотемпературных сверхпроводников.
На защиту выносятся следующие научные положения:
Разработанный комплексный способ подготовки и характеризации зондов для электрических методов обеспечивает создание зондов с сопротивлением контакта «зонд-образец» не более 10 кОм (при типичных нагрузках 10-100 нН), калибровку работы выхода зонда для количественных электрических измерений и контроль формы зонда in situ в атомно-силовом микроскопе с учетом разработанной модели силового взаимодействия зонда с поверхностью образца.
Разработанный метод количественной калибровки латеральных сил позволяет количественно оценивать силу трения между АСМ зондом и поверхностью и, тем самым, осуществлять выбор оптимальной силы взаимодействия зонда с образцом для контроля процесса износа и повышения срока службы зонда.
Разработанный комплексный метод измерений I-V и квазистатических C-V характеристик позволяет в ходе одного измерения одновременно получать I-V и C-V характеристики, обеспечивая, тем самым, получение корректной информации об электрофизических свойствах материалов для наноэлектроники и структур на их основе. Порог чувствительности метода по току составляет 30 пА, по емкости 0.5 пФ.
Экспериментально установлено, что процесс модификации ультратонких алмазоподобных a-C:H пленок носит пороговый характер. Значение порогового напряжения увеличивается при уменьшении влажности и уменьшается при уменьшении давления. В частности, при длительности электрического воздействия 10 мс в условиях комнатной среды (температура 23 оС, влажность 40 %, давление 105 Па) пороговое напряжение составляет 3.75 В; в аргоновой атмосфере (влажность 1-3 %, давление 105 Па) 4.2 В; в низком вакууме (давление остаточных газов около 2.510-2 Торр) ) 3.2 В.
Практическая значимость заключается в возможности использования полученных результатов при разработке приборов микро- и наноэлектроники, а также для развития электрических СЗМ методов. Разработанный и апробированный комплексный способ подготовки и характеризации АСМ зондов для выполнения электрических измерений и электростимулированной литографии позволяет добиться стабильного электрического контакта в АСМ экспериментах и при этом увеличить срок эксплуатации проводящих зондов. Данный способ также позволяет осуществлять контроль качества формы (степени изношенности) зондов in situ в АСМ эксперименте, без использования дополнительного дорогостоящего оборудования и специальных тестовых структур. Разработанный метод количественной калибровки латеральных сил позволяет количественно оценивать силу трения между АСМ зондом и поверхностью и, тем самым, позволяет контролировать степень износа зонда и образца. В результате срок эксплуатации зондов существенно увеличивается и предотвращается повреждение наноструктурированной поверхности. Данные методы дают существенный стимул для широкого применения электрических СЗМ методов.
Разработанный комплексный метод измерений туннельных I-V и квазистатических C-V характеристик многослойных наноструктур, позволяющий в ходе одного измерения одновременно получать I-V и C-V характеристики, предназначен для оценки качества и характеризации электрофизических свойств материалов для микро- и наноэлектроники и многослойных наноструктур на их основе. Такие исследования востребованы при разработке современных полевых транзисторов, устройств для считывания и записи информации на основе магниторезистивных датчиков.
Апробация работы. В основе диссертации лежат результаты, опубликованные в 4-х печатных источниках и 12-ти докладах (тезисах докладов) на научных конференциях. Основные результаты работы обсуждались на следующих конференциях:
Международная научная молодежная школа «Микросистемная техника». Крым, 2004 г.
7-я Международная конференция «Опто-, наноэлектроника, нанотехнологии и микросистемы». Владимир, 2005г.
46-я – 50-я научная конференция МФТИ «Современные проблемы фундаментальных и прикладных наук». Долгопрудный, 2003 – 2007 г.
9-я, 10-я Международная конференция «Водородное материаловедение и химия углеродных наноматериалов». Крым, 2005 г., 2007 г.
2-я Всероссийская молодежная научная школа «Микро-, нанотехнологии и их применение». Черноголовка, 2005 г.
2-я Всероссийская конференция по наноматериалам «Нано-2007». Новосибирск, 2007 г.
7-й Международный симпозиум «Нанофизика и наноэлектроника». Нижний Новгород, 2008 г.
Структура и объем диссертации. Работа состоит из пяти глав, введения, заключения и списка литературы; изложена на 178 листах машинописного текста, содержит 145 рисунков и 8 таблиц; список литературы включает 192 наименования.
