Введение к работе
Актуальность проблемы.
В настоящее время в связи с интенсивным развитием нанотехнологий повышенный научный и практический интерес в электронике вызывает получение нанокомпозитов на основе полупроводниковых материалов. Важнейшим отличием таких нанокомпозитов от самих полупроводниковых материалов является наличие в них наночастиц в форме нанокластеров (НКл) или нанокристаллов (НКр) однотипных атомов. Количество атомов в этих наночастицах могут колебаться от единиц до сотен. Если кластеры составляют основную часть материала, то изменение их размеров и концентрации приводит к изменению фундаментальных свойств материала: ширины запрещённой зоны (А Е), величины проводимости, относительной диэлектрической проницаемости, энергии фундаментальных оптических переходов и др.
Наибольшие успехи в получении и применении таких материалов имеются у разработчиков гетероструктур на основе полупроводниковых соединений А3В5. Здесь получены гетероструктуры с квантовыми ямами, квантовыми точками и сверхрешётками, и на их основе разработаны полупроводниковые лазеры. Указывается, что уже к концу 20-го столетия лазеры на квантовых точках по стабильности превосходили лучшие лазеры с квантовыми ямами в активной области.
Важное место в работах по созданию нанокомпозитных материалов и их применению в электронике отводится кремнию. Кремний - один из самых широко используемых материалов в современной полупроводниковой микроэлектронике и интегральной оптике. На его основе изготавливается большая часть элементов компьютеров и ЭВМ. В настоящее время микроминиатюризация СБИС на кремниевых подложках достигла значений, которые являются по некоторым параметрам предельными с точки зрения физических ограничений процессов, происходящих в структурах СБИС. Так, например, в настоящее время фирмой Intel выпускается микропроцессор Intel Core І7 с использованием 45-нанометровой технологии, и ведутся работы по внедрению в производство 32-нанометровой технологии. В этих технологиях многие области чипа микропроцессора имеют размеры, измеряемые нанометрами. Длина затворов МОП-транзсторов в них равна 32 нм, а толщина подзатворного окисла - 1,2 нм. Число транзисторов в чипе процессора превышает миллиард.
Поэтому, наряду с усовершенствованием КМОП-технологии, расширяются исследования по созданию нанокомпозитов с кластерами кремния в тонких слоях Si02. Как уже указывалось выше, при определённых условиях нанокластеры в диэлектриках, и в частности нанокластеры кремния (HKuSi) в Si02, существенно меняют свойства диэлектрика. Особенно это касается нанокомпозита, когда нанокластер .кремния имеет кристаллическую структуру (HKpSi). В этом случае квантование электронов в HKpSi,
располагающихся в диоксиде кремния, и туннелирование через потенциальный барьер (гетерограницу между HKpSi и Si02) обеспечивает практическое использование таких материалов в наноэлектронике. Например, HKpSi может заменить поликристлическии кремниевый электрод («плавающий затвор») в перепрограммируемой КЭШ памяти. В результате существенно увеличиваются степень интеграции и быстродействие запоминающего устройства. На основе композитных материалов, составной частью которых являются квантовые точки (КТ), квантовые нити (КН), нанокластеры, нанокристаллы, созданы одноэлектронные туннельные приборы и приборы - некоторое подобие МОП транзисторов. Делаются попытки создать с использованием нанокластеров кремния одноэлектронные запоминающие устройства с гегабитным объемом памяти, которые могли бы быть интегрированы с КМОП-структурами.
Другим важным требованием к нанокомпозитам на основе HKpSi -Si02, обеспечивающим возможность их применения в электронных устройствах, является необходимость получения упорядоченного массива нанокристаллов кремния в диоксиде кремния. В идеальном случае - это возможность получения регулярной решетки нанокристаллов путём самоформирования нанокластеров кремния. Существует несколько методов самоформирования нанообъектов в нанокомпозитных материалах: молекулярно-лучевой и газофазной эпитаксии, выращивания по механизму пар-жидкость-твёрдое тело, электрохимического травления, ионно-пучковой имплантации, метод лазерного облучения. Из перечисленных методов, метод лазерного облучения является, по нашему мнению, наиболее перспективным ввиду его универсальности, управляемости, производительности, простоты обработки и низкой стоимости.
Из выше изложенного следует, что разработка метода формирования нанокомпозита на основе HKpSi в БЮг и получение регулярной матрицы нанокластеров кремния в плёнке диоксида кремния на кремниевой подложке для формирования элементов и устройств вычислительной техники, является актуальной проблемой.
Цель работы
Целью диссертационной работы являлось - исследование влияния лазерного облучения на систему Si - Si02 , разработка метода формирования нанокластеров кремния в диоксиде кремния, разработка метода формирования регулярной матрицы нанокластеров кремния в слое диоксида кремния и исследование возможности использования полученных нанокомпозйтов в элементах и устройствах вычислительной техники.
Основные задачи
Основные задачи работы заключались в следующем: 1. Изучение методов формирования нанокластеров кремния в системе кремний - диоксид кремния и выбор метода для формирования
нанокластеров кремния в системе Si - Si02 и получения упорядоченных массивов кластеров кремния.
Исследование влияния лазерного излучения на электрофизические и структурные свойства системы Si - Si02. Выбор режимов лазерной обработки структур Si - Si02, обеспечивающих формирование нанокластеров кремния в слое диоксида кремния.
Исследование структурных и электрофизических параметров полученных нанокомпозитных структур, подтверждающих возможность их использования в элементах и устройствах вычислительной техники.
Разработка метода формирования упорядоченного массива нанокластеров кремния в слое диоксида кремния - основы для создания наноэлектронных устройств вычислительной техники.
Методы исследований.
При исследовании электрофизических параметров экспериментальных структур использовался метод высокочастотных вольт-фарадных характеристик (ВФХ) и метод вольт-амперных характеристик (ВАХ). Исследование структурных особенностей нанокомпозита на основе кремний - диоксид кремния и в целом структуры кремниевая подложка -нанокомпозит производилось следующими методами: металлографии, локальной катодолюминесценции и электронной микроскопии.
Научная новизна работы.
Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:
Предложен метод управления плотностью заряда в диоксиде кремния в системе Si - Si02, путём лазерного облучения, что позволяет управлять пороговыми напряжениями МОП - транзисторов.
Впервые обнаружен эффект дальнодействия, проявляющийся в изменении электрофизических параметров системы Si - Si02 на значительных расстояниях от зоны лазерного облучения.
Исследована зависимость процесса формирования нанокластеров кремния от плотности мощности лазерного излучения. Найдена пороговая плотность мощности, при достижении которой в окисле начинается образование нанокластеров кремния.
Лазерное облучение системы Si - Si02 приводит к существенному увеличению коэффициента пропускания системы, что обусловлено появлением нанокластеров кремния в слое Si02.
Предложен интерференционно-проекционный метод облучения лазером окисленной кремниевой подложки, обеспечивающий возможность формирования регулярного массива нанокласстеров кремния в системе кремний-диоксид кремния. Метод позволяет использовать такой нанокомпозит для проектирования изделий наноэлектроники.
6. Показана возможность применения разработанных нанокомпозитов в элементах и устройствах вычислительной техники.
Практическая ценность.
Результаты исследований значительно расширяют представление о природе процессов, ответственных за изменение электрофизических свойств системы Si-Si02 при воздействии лазерного излучения. Полученные результаты позволяют улучшить электрические параметры КМОП ИМС и других устройств вычислительной техники. Создание регулярного массива нанокластеров кремния в слое Si02 даёт возможность проектирования наноэлектронных устройств вычислительной техники.
Результаты, выносимые на защиту
На защиту выносятся следующие результаты:
Метод формирования нанокластеров кремния в плёнке Si02 в системе Si - Si02 с помощью лазерного облучения системы.
Метод управления плотностью заряда в системе Si - Si02 путём лазерного облучения.
Эффект дальнодействия, проявляющийся в изменении электрофизических параметров системы Si - Si02 на значительных расстояниях от области лазерного облучения.
Интерференционно-проекционный метод облучения лазером окисленной кремниевой подложки, обеспечивающий возможность формирования регулярного массива нанокласстеров кремния в системе Si - Si02.
Апробация работы.
Обсуждение материалов работы проводилось на следующих конференциях: П межвузовской конференции молодых ученых (СПбГУИТМО, 28-31 марта 2005г); Ш межвузовской конференции молодых ученых (СПбГУИТМО, 10-13 апреля 200бг); IV межвузовской конференции молодых ученых (СПбГУИТМО, 10-13 апреля 2007г); XXXVII научной и учебно-методической конференции (СП6ТУ ИТМО, 29 января - 01 февраля 2008г); V Межвузовской конференции молодых ученых (СПбГУИТМО 15 -18 апреля 2008г); 16-й Всероссийской межвузовской научно-технической конференции студентов и аспирантов "Микроэлектроника и информатика -2009" (МИЭТ, Зеленоград - Москва, 22-24 апреля 2009г).
Публикации
По материалам диссертации опубликовано 10 работ, в том числе 4 работы, входящие в перечень журналов, рекомендованных ВАК РФ для защиты кандидатских диссертаций. Полный список публикаций приведен в конце автореферата.
Структура и объем диссертации.
Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения и списка литературы. Материал изложен на 131 страницах машинописного текста и содержит 37 рисунков и 4 таблицы.
