Формирование электропроводящих полосковых структур с нанометровыми размерами тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.13, кандидат технических наук Рыжиков, Илья Анатольевич

• Рыжиков, Илья Анатольевич
• кандидат технических наук
• 2000

Оглавление диссертации кандидат технических наук Рыжиков, Илья Анатольевич

ВВЕДЕНИЕ.

глава 1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР.

1.1. Метод молекулярно-пучковой эпитаксии и его применение в технологии создания полупроводниковых лазерных структур

1.2. Проблемы формирования объектов с нанометровыми размерами при помощи сканирующего туннельного микроскопа.

Глава 2. ФОРМИРОВАНИЕ ЗАРОЩЕННЫХ МЕЗА-ПОЛОСКОВЫХ ЛАЗЕРНЫХ СТРУКТУР С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МОЛЕКУЛЯРНО-ПУЧКОВОЙ ЭПИТАКСИИ

2.1. Формирование полуизолирующих и высокоомных полупроводниковых эпитаксиальных слоев А1хОа1хАз методом МПЭ.

2.2. Особенности создания зарощенных меза-полосковых структур.

2.3. Технологический маршрут создания зарощенной меза -полосковой лазерной структуры.

2.4. Обработка предростовой поверхности.

2.5. Формирование топологии и рельефа зарощенной меза-полосковой лазерной структуры.

2.6. Формирование оптимального теплового контакта.

2.7. Влияние характера загрязнений поверхности подложки на морфологию растущего эпитаксиального слоя

2.8. Реализации технологического маршрута зарощенной меза -полосковой лазерной структуры.

2.9. Повторный эпитаксиальный рост при формировании сложных структур на основе арсенида галлия методом МПЭ

Содержание

2.10.Некоторые проблемы метрологии при создании зарощенных меза-полосковых лазерных структур с применением МПЭ

2.11 .Выводы к Главе

Глава 3. ФОРМИРОВАНИЕ НАНОМЕТРОВЫХ ПОЛОСКОВЫХ ЭЛЕМЕНТОВ НА ПРОВОДЯЩИХ ПОВЕРХНОСТЯХ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СТМ.

3.1. Характеристика используемого метода формирования нанометровых объектов на поверхности твердого тела.

3.2. Возможные механизмы формирования нанообъектов при минимальной толщине адсорбированного слоя.

3.3. Комплекс оборудования для формирования объектов с нанометровыми характерными размерами на базе СТМ.

3.4. Объекты исследований, используемые реагенты, поверхностные тонкоплёночные структуры и подложки, используемые для формирования нанометровых объектов.

3.5. Локальное вакуумное осаждение полосковых проводящих элементов с помощью СТМ

3.6. Особенности формирования проводящих полосковых структур с нанометровыми размерами с использованием подложек различного состава.

глава 4. ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Формирование электропроводящих полосковых структур с нанометровыми размерами»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. Экспериментаторы и технологи достаточно давно оперируют со структурами и объектами, характеризуемыми нанометровы-ми размерами. Это относится, прежде всего, к различным поликристаллическим материалам, керамикам, многослойным тонкоплёночным структурам. Физические процессы, происходящие при формировании и функционировании структур с нанометровыми размерами, существенно отличаются от процессов, протекающих при использовании традиционных технологий и размеров [1]. Современное состояние вопроса характеризуется выделением нанотехнологии в самостоятельную научную и техническую дисциплину и её структурированием на более специальные разделы [1,2, 3]. Переход к нанометровым размерам позволяет формировать структуры и функциональные элементы с новыми свойствами.

Основой большинства элементов, используемых в СВЧ-технике, оп-то- и микроэлектронике, являются полосковые электропроводящие структуры. В последнее время интенсивно развивалась технология их формирования на основе объединения традиционных технологий микроэлектроники (термическое, электронно-лучевое, магнетронное и ионное распыление; фото-, и электронная литография; ионное, плазменное и химическое травление) с элементами высоких технологий (молекулярно-пучковая эпитак-сия (МПЭ) и сканирующая туннельная микроскопия (СТМ)). Особую актуальность приобрели методы формирования полосковых элементов на основе полупроводниковых и металл-диэлектрических многослойных структур (в том числе сверхрешетки) со слоями толщиной несколько нанометров или имеющих поперечный размер того же порядка [8,9,12]. Бурное развитие этой области и обуславливает необходимость разработки новых технологических методов формирования таких структур.

Введение4

Цель работы — исследование процессов, протекающих при формировании полосковых проводящих структур с нанометровыми размерами и разработка новых технологических приемов создания таких структур. В технологическом плане такая задача требует нестандартных подходов, основанных на использовании существенно новых технических решений в комбинации с традиционными. Для достижения этой цели в работе решались следующие задачи: формирование полосковых элементов на основе многослойных полупроводниковых лазерных структур с толщиной активной области 10-20 нм; формирование проводящих полосковых элементов с нанометро-вой шириной (10-50 нм) и высотой (1-100 нм) на поверхности полупроводников.

Научная новизна. В работе обобщены результаты цикла исследований по формированию проводящих полосковых элементов с нанометровыми характерными размерами. Разработан общий подход, позволяющий использовать технологии разного уровня прецизионности в одном технологическом цикле.

В работе получены и выносятся автором на защиту следующие новые научные результаты:

1. Разработан технологический маршрут создания низкопороговой зарощенной меза-полосковой лазерной структуры (ЗМПЛС), включающей процессы разных уровней прецизионности и чистоты, объединенных путем введения группы технологических операций стандартизации поверхности.

2. Разработана технология повторного эпитаксиального роста на гофрированной поверхности ваАв и АУла^хАв при создании ЗМПЛС, включающая операции фотолитографии (ФЛ), ионного химического трав

Введение5 ления, обработки вакуумным ультрафиолетом (ВУФ) и МПЭ полуизолирующих слоев А1хОа].хА8 с использованием в условиях МПЭ оксидов мышьяка в качестве источника кислорода.

3. Исследованы процессы локального вакуумного осаждения и модификации поверхности с использованием электронно-полевого воздействия зондом СТМ на адсорбат контролируемого состава на полупроводниковый поверхности проводящих полосковых структур с нанометровыми размерами.

4. Впервые обнаруженны и исследованы новые электрофизические эффекты: сегрегация углерода на поверхности подложки ОаАв в процессе изотермического отжига; эффект «расщепления» при СТМ-формировании электропроводящих объектов на поверхности (1п20з)х (8п02)у в парах диэтило-вого эфира;

СТМ-индуцированный пороговый локальный переход проводник-диэлектрик на поверхности SiWx в парах хлороформа. эффект «близости» при СТМ-формировании диэлектрических областей на поверхности 81\¥х в парах хлороформа.

5. Разработан метод формирования полосковых проводящих структур с поперечными размерами порядка 200-400 А при СТМ-воздействии на поверхность (1п20з)х (8п02)у и 81\¥х в парах диэтилового эфира.

6. Предложен метод контроля качества подложек ОаАв путем определения зависимости интенсивности Оже-пика углерода от времени изотермического отжига и способа модуляции первичного пучка электронов пушки Оже-спектрометра.

Научная и практическая ценность. Полученные в диссертации результаты развивают существующие представления о методах нанотехноло

Введение6 гии и физических процессах, сопровождающих формирование многослойных и наноразмерных структур. В работе развит системный подход к реализации технологического маршрута их формирования, включающего как элементы высоких технологий, так и стандартные технологические процессы. Результаты диссертации могут быть использованы для развития технологической базы СВЧ-техники, опто- и микроэлектроники.

Апробация работы. Основные результаты, полученные в диссертации, докладывались и обсуждались на конференциях: 1-ой Всесоюзной конференции «Актуальные проблемы технологии композиционных материалов и радиокомпонентов в микроэлектронных информационных системах», Ялта, 1990; Всесоюзной конференции «Оптоэлектронные информационные системы и средства», Москва, 1990; International Conference NANO-1, Baltimore, 1990; IEEE International Solid-State Circuits Conference, San-Francisco, 1992; International Conference NANO-2, Moscow, 1993; International Conference NANO-3, Denver, 1994; "42-National Symposium of American Vacuum Society", Minneapolis, 1995; International Conference NANO-4, Beijing, 1996; Workshop "Russian Research and Development Activities on Nanoparticles and Nanostructured Materials", St.-Peterburg, 1997; 7-я Международная крымская конференция «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии» Крымико-97, Севастополь, 1997.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 23 печатных работы.

Заключение диссертации по теме «Электрофизика, электрофизические установки», Рыжиков, Илья Анатольевич

Заключение99

6. Экспериментально исследован процесс локального вакуумного осаждения полосковых проводящих элементов с нанометровыми размерами. Для осаждения используется электронно-полевое воздействие зондом СТМ на адсорбат контролируемого состава.

7. Обнаружен эффект «расщепления» при СТМ-формировании объектов с нанометровыми размерами на пленках (1п20з)х-(8п02)у и а-С:Н в парах диэтилового эфира.

8. Обнаружен и исследован СТМ-индуцированный пороговый локальный переход проводник-диэлектрик на поверхности в парах хлороформа.

9. На основе обнаруженного перехода проводник-диэлектрик предложен метод формирования полосковых непроводящих областей нанометровых размеров.

10. Обнаружен эффект «близости»: при формировании диэлектрического полоска (см. предыдущий пункт) соседний параллельный полосок может быть сформирован лишь на расстоянии > 0.4 мкм. На расстоянии < 0.2 мкм диэлектрические области сливаются, а при расстояниях 0.2-0.4 мкм диэлектризиции не происходит.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Рыжиков, Илья Анатольевич, 2000 год

1. Лускинович П.Н., Рыжиков И.А. Рейтблат Г.М., Мацнев Е.А. Разработка опытного образца передающего интегрально-оптического модуля для ВОЛС // Отчет НИИ «Дельта». Гр.ф. 22487. М. 1985. 81с.

2. Лускинович П.Н., Рыжиков И.А., Рейтблат Г.М., Федотов С.М., Варганов A.B. Создание физической модели, методов расчета и экспериментальное исследование интегрально-оптических схем // Отчет НИИ «Дельта» Гр.ф. 26282. М. 1986. 57с.

3. Соболев А.Г., Рыжиков И.А. Кочетков, Е.Д., Федотов С.М. Исследование возможности создания технологии изготовления активных структур типа металл-диэлектрик-металл// Отчет НИИ «Дельта» Гр.ф. 27194. М. 1987. 51с.

4. Леонов Ю.С., Меншутин JI.H., Рыжиков И.А., Федотов С.М. ВУФ-очистка подложек арсенида галлия от полимеров// Электронная промышленность. 1990. №5. С.3-5.

5. Nikishin V.I., Luskinovich P.N., Ryzhikov LA. Nanotechnological complex // Proc. NANO-1. Abstracts. Baltimore. 1990. P. 120.

6. Калинушкин В.П., Калмыков И.В., Рыжиков И.А., СимачевИ.Р., Шокин А.А. Формирование зарощенных меза-полосковых лазерных структур// Препринт ИОФ РАН №31, Отдел прикладных проблем. Микроэлектроника, Москва. 1991. 11 с.

7. И.Свахин А.С., Рыжиков И.А. Сегрегация углерода на поверхности в процессе изотермического отжига в вакууме //Известия АН. Сер. Неорганические материалы. 1991. Т.27. №11. С.2430-2432.

8. Рыжиков И.А., Меншутин JI.H., Филиппов А. С. Способ выращивания высокоомного слоя // Положительное решение ВНИИГПЭ от 10.04.91 г.

9. Louskinovich P.N., Nikishin V.I., Pyzhikov I.A. Nanoelectronics based on scanning tunneling microscopy// IEEE International Solid-State Circuits Conference, USA, Abstracts. 1992. P.64.

10. Nikishin V.I., Luskinovich P.N., Ryzhikov I.A., Denisov A.V. Nanotechnological systems // Proc. NANO-2. Herald of Russian Acad. Tech. Sci. 1994. V.l. N7. P. 18-28.1. Литература703

11. Ryzhikov I.A., Luskinovich P.N., Gutman E.E. Technological aspects of cluster films applications in nanoelectronics with the use of SIM// Proc. NANO-3. Abstracts. 1994. P.256.

12. Ryzhikov L.A., Kuzkin V.L, Maklakov S.A., Obukhov LA. The shade efect on STM-stimuleted local deposition of the organic nano-objects// Proc. NANO-4. Abstracts. Beijing. 1996. P.lll.

13. L.A. Ryzhikov, S.A. Maklakov, L.A. Obukhov II STM-induced local sensor effect on SiWx films. Proc. NANO-4. Abstracts. Beijing. 1996. P.113.

14. Ryzhikov L.A. Nanolitography onsurface of SiWx and ITO film by STM// Proc. "Russian Research and Development Activities on Nanoparticles and Nanostractured Materials". St.-Peterburg. 1997. P.81 -83.

15. Рыжиков И.А. Нанотехнология сегодня// 7-я Международная крымская конференция «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии» Крымико-97. Севастополь. 1997. Т. 1. С.69-12.

16. Пухов А.А., Рыжиков И.А. Формирование электропроводящих структур с нанометровыми размерами // Препринт ОИВТ РАН №1-442. Москва. 2000. 57с.1. Литература1041. ЛИТЕРАТУРА

17. Kirk W.P., Reed М.А. (Eds.) Nanostructures and Mesoscopic Systems. N.Y. Academic Press. 1992. 250p.

18. Marrian C.R.K, Cerrina F. (Eds.) Materials Fabrication and Patterning at the Nanoscale. N.Y. Materials. 1995. 203p.

19. Marrian C.R.K. (Ed) Technology of Proximal Probe Lithography N.Y. SOIE-International Society for Optical Engineering. 1993. 413p.

20. Hingle H.T., Gardener J.W. (Eds.) From Instrumentation to Nanotechnology. N.Y. Gordon & Breach Publishers. 1999. 336p.

21. Chimcky R.M. (Ed) Nano: The Emerging Science of Nanotechnology N.Y. Little, Brawn & Co. 1995. V.l. 325p.

22. Drexler K.E. Molecular manufacturing: perspectives on the ultimate limits of fabrication. Ultimate Limits of Fabrication and Measurement. Dordrecht. Kluwer Academic Publishers. N.Y. 1995. 273p.

23. Drexler K.E. Molecular tip arrays molecular imaging and nanofabrication: Journal of Vacuum Science and Technology 1991. V.B9. P.1394-1397.

24. National Nanotechnology Initiative: Leading to the Next Industrial Revolution. International government report to the President's FY 2001 Budget. N.Y. 2000. 106p.

25. Nanostructure Science and Technology. NSTC Report. Worldwide status and trends. Kluwer Academic Publishers. N.Y. 1999. 336p.

26. W.J. Lorenz (Ed) Electrochemical Nanotechnology: In Situ Local Probe Techniques at Electrochemical Interfaces. N.Y. Wiley John & Sons. Inc. 1998. 303p.

27. Luryi S., Zaslavsky AXu J. Future Trends in Microelectronics Reflections on the Road to Nanotechnology I I Proceedings of the NATO1. Литература105

28. Advanced Research Workshop. lie de Beudon, France. July 17-21. 1995. N.Y. Kluwer Academic Publishers. 1996. P.74-79

29. Roco M.C., Williams R.S., and Alivisator P. (Eds) Nanotechnology Research Directions. Vision for Nanotechnology in the Next Decade. N.Y. Kluwer Academic Publishers. 2000. 218p.

30. Jewell J.L., Harbision J.P., Softener A., Lee Y.H. and Florez L.T. Vertical-Cavity Surface-Emitting Lasers: Design, Growth, Fabrication, Characterization// IEEE Journal of Quantum Electronics. 1991. V.27. N6. P.1332-1346.

31. Рыжиков И.А. Нанотехнология сегодня // 7-я Международная крымская конференция «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии» Крымико-97. Севастополь. 1997. T.l. С.69-72.

32. Калинушкин В.П., Калмыков И.В., Рыжиков И.А., СимачевИ.Р., ШокинА.А. Формирование зарощенных меза-полосковых лазерных структур// Препринт ИОФ РАН №31, Отдел прикладных проблем. Микроэлектроника, Москва. 1991. 11с.

33. Свахин А. С., Рыжиков И.А. Сегрегация углерода на поверхности в процессе изотермического отжига в вакууме //Известия АН. Сер. Неорганические материалы. 1991. Т.27. №11. С.2430-2432.

34. Ryzhikov I.A., Kuzkin V.I., Maklakov S.A., Obukhov I.A. The shade efect on STM-stimuleted local deposition of the organic nano-objects// Proc. NANO-4. Abstracts. 1996. P.lll.1. Литература706

35. I.A. Ryzhikov, S.A. Maklakov, I.A. Obukhov// STM-induced local sensor effect on SiWx films. Proc. NANO-4. Abstracts. 1996. P.113.

36. Cho A. Y. Recent development in MBE // Journal of Vacuum Science and Technology. 1979. V.16. N2. P.272-284.

37. Hastimoto H., Hiyamizu S. MBE of 111-Y compounds and its applications for devices //Electrochemical Society Japan. 1982. V.50. N7. P.10-95.

38. Tsang W.T. Heterostructure Semiconductor lasers prepared by MBE // Journal of Quantum Electronics. 1984. V.QE-20. N10. P.1119-1153.

39. Foxon C.T., Joyce B.A. Fundamental aspects of MBE // Current Topics in Materials Science: E.Kaldiz.North Holland. 1981. V.l. P.276-305.

40. Ржаное А.В., Стенин С.И. Молекулярная эпитаксия: состояние вопроса, проблемы и перспективы развития // Рост полупроводниковых кристаллов и пленок. Новосибирск. 1984. С. 5-53.

41. Патент № 3928092. 1974. США.

42. Патент № 3929527. 1974. США.

43. Патент № 4447276. 1981. США.

44. Патент № 442637. 1981. США.

45. Заявка №59-33967. 1980. Япония.

46. Авторское свидетельство № 300714. 1977. СССР.

47. Заявка № 1574525. 1977. Великобритания.

48. Заявка № 59-17521. 1980. Япония.

49. Заявка № 58-41655. 1975. Япония.

50. Заявка № 58-11887. 1975. Япония.

51. Заявка № 2075555. 1981. Великобритания.

52. Патент № 4464342. 1982. США.

53. Заявка № 149207. 1973. Великобритания.

54. Патент№ 4088515. 1978. США.

55. Заявка № 60-15917. 1983. Япония.1. Литература107

56. Заявка № 26179125. 1983. Франция.

57. Патент 3 45518846. 1984. США.

58. Заявка № 25323334. 1982. Франция.

59. Патент № 4412771. 1981. США.

60. Заявка № 0113983. 1982. Европейское патентное ведомство.

61. Заявка № 55-28216. 1975. Япония.

62. Заявка № 60-22513. 1983. Япония.

63. Заявка № 60-22313. 1983. Япония.

64. Патент№4529455. 1983. США.

65. Херман М. Полупроводниковые сверхрешетки. М.: Мир. 1989. 240с.

66. Зи С. Физика полупроводниковых приборов. М.: Мир. 1984. Т.1,2. 912с.

67. Кейси X Лазеры на гетероструктурах. М.: Мир. 1981. Т. 1,2. 364с.

68. Леонов Ю.С., Меншутин Л.Н., Рыжиков И.А., Федотов С.М. ВУФ-очистка подложек арсенида галлия от полимеров // Электронная промышленность. 1990. №5. С.3-5.

69. Casey U.C., Cho I.A., Nicollian F.H. Use of oxygen-doping for design semuinsulated layers of AlxGai.xAs // Journal of Applied Physics Letters. 1978. V.32. N10. P.678-679.

70. Stall R.A., Zilko I. Morphology of GaAs and AlxGaixAs grown by MBE // Journal of Vacuum Science and Technology. 1985. V.B3. N2. P.524-527.1. Литература 108

71. Contour J.P., Massies I. Saletes A.X. X-Ray photoelectron Spectroscopy of GaAs (001) and InP (001) cleaning procedures prior to MBE // Japanese Journal of applied Physics. 1985. V.24. N7. P.563-565.

72. Wang Y.H., Liu W.C., Lido S.A. et al On the surface defects of MBE grown GaAs layers // Japanese Journal of Applied Physics. 1985. V.24. N5. P.628-629.

73. Watanabe N., Fukunaga Т., Kobanashi H.L.I. Surface defect formation in GaAs layers grown on intensionally contaminated substrate by MBE// Japanese Journal of Applied Physics. 1985. V.24. N7. P.498-5500.

74. Louskinovich P.N., Nikishin V.I., Pyzhikov LA. Nanoelectronics based on scanning tunneling microscopy// IEEE International Solid-State Circuits Conference, USA, Abstracts. 1992. P.64.

75. Быковский А.Ю., Кочетков Е.Д., Лускинович П.Н., Рыжиков И.А., С агатов С. И., Соболева Е.М., Соболев А.Г., Усков А.В., Шокин А.А.

76. Структура металл-барьер-металл (МБМ): нелинейные свойства и возможные применения // Интегральная оптика. Физические основы, приложения. Новосибирск. Наука. Сибирское отделение. 1986. С.25-36.

77. Лускинович П.Н., Рыжиков И.А. Рейтблат Г.М., Мацнев Е.А. Разработка опытного образца передающего интегрально-оптического модуля для ВОЛС // Отчет НИИ «Дельта». Гр.ф. 22487. М. 1985. 81с.1. Литература709

78. Лускинович П.Н., Рыжиков И.А., Рейтблат Г.М., Федотов С.М., Варганов А.В. Создание физической модели, методов расчета и экспериментальное исследование интегрально-оптических схем// Отчет НИИ «Дельта» Гр.ф. 26282. М. 1986. 57с.

79. Соболев А.Г., Рыжиков И.А. Кочетков, Е.Д., Федотов С.М. Исследование возможности создания технологии изготовления активных структур типа металл-диэлектрик-металл// Отчет НИИ «Дельта» Гр.ф. 27194. М. 1987. 51с.

80. Рыжиков И.А., Меншутин JI.H., Филиппов А.С. Способ выращивания высокоомного слоя // Положительное решение ВНИИГПЭ от 10.04.91 г.

81. Запорожченко В И, Матин Е М, Степанова М.Г. Изменение состава поверхности двухкомпонентной мишени под действием низкоэнергетических ионных пучков // Известия РАН сер. Физическая. 1995. Т.59. №10. С.147-151.

82. Nikishin V.L., Luskinovich P.N., Ryzhikov I.A. Nanotechnological complex // Proc. NANO-1. Abstracts. Baltimore. 1990. P. 120.

83. Nikishin V.L, Luskinovich P.N., Ryzhikov L.A., Denisov A.V. Nanotechnological systems // Proc. NANO-2. Herald of Russian Acad. Tech. Sci. 1994. V.l. N7. P.18-28.

84. Ryzhikov LA., Luskinovich P.N., Gutman E.E. Technological aspects of cluster films applications in nanoelectronics with the use of STM // Proc. NANO-3. Abstracts. 1995. P.256.1. Литература110

85. Monk P.M.S., Mortimes RJ., Rosseinsky D.R. Electrochromism: Fundamentals and Applications. Berlin. VCH Verlag. mbH. 1995. 203p.

86. Ryzhikov I.A. Nanolitography onsurface of SiWx and ITO film by STM// Proc. "Russian Research and Development Activities on Nanoparticles and Nanostructured Materials". St.-Peterburg. 1997. P.81-83.

87. Пухов А. А., Рыжиков И.А. Формирование электропроводящих структур с нанометровыми размерами// Препринт ОИВТ РАН №1-442. Москва. 2000. 57с.