CC BY
10НАНОТЕХНОЛОГИЯ
УДК 621.38-022.532
Исследование режимов формирования оксидных наноразмерных структур арсенида галлия методом локального анодного окисления
О.А. Агеев, В.А. Смирнов, М.С. Солодовник, А.В. Рукомойкин, В.И. Авилов Технологический институт Южного федерального университета в г. Таганроге
Представлены результаты исследования влияния технологических режимов локального анодного окисления (ЛАО) на процесс формирования оксидных наноразмерных структур (ОНС) на поверхности арсенида галлия. Исследовано влияние амплитуды и длительности импульсов напряжения, прикладываемого к системе зонд-подложка, уровня относительной влажности воздуха в технологической камере и амплитуды колебаний кантилевера на геометрические параметры ОНС арсенида галлия. Установлено, что увеличение уровня относительной влажности с 60 до 90% приводит к снижению порогового напряжения ЛАО с 7,0 до 6,0 В. Показано, что увеличение амплитуды колебания с 0,1 до 2,8 нм приводит к уменьшению высоты ОНС от 3,20 ± 0,34 до 1,10 ± 0,13 нм и диаметра ОНС от 218,4 ± 29,5 нм до 78,1 ± 10,3 нм.
Ключевые слова: нанолитография, локальное анодное окисление, атомно-силовая микроскопия, оксидные наноразмерные структуры, арсенид галлия.
Локальное анодное окисление (ЛАО) с помощью сканирующего зондового микроскопа (СЗМ) является перспективным методом нанолитографии, который имеет ряд преимуществ перед оптической литографией и позволяет получать наноразмерные структуры на поверхности широкого диапазона материалов [1-4].
Формирование оксидных наноразмерных структур (ОНС) на поверхности подложки методом ЛАО происходит за счет приложения к системе зонд-подложка импульсов напряжения. При этом в образующемся между зондом и подложкой мениске из адсор-бата протекает электрохимическая реакция, сопровождающаяся процессами электро- и массопереноса ионизированных атомов подложки и гидроксильных групп с образованием оксидов и водорода [3].
Арсенид галлия GaAs и твердые растворы на его основе (AlGaAs, InGaAs и др.) являются перспективными материалами наноэлектроники, которые широко используются при производстве ИС, работающих на частотах свыше 10 ГГц, а также малошумящих и мощных СВЧ-приборов. К основным преимуществам соединений на основе арсенида галлия можно отнести большой диапазон варьирования параметров растворов за счет использования расширенного набора исходных материалов, прямозонную структуру, высокую радиационную стойкость и высокие значения подвижностей носителей [2]. К недостаткам относят низкую теплопроводность, несовместимость с кремниевой технологией микрообработки, высокую стоимость подложек арсенида галлия [2].
© О.А. Агеев, В.А. Смирнов, М.С. Солодовник, А.В. Рукомойкин, В.И. Авилов, 2012
Цель настоящей работы - исследование влияния режимов локального анодного окисления эпитаксиальных структур арсенида галлия (амплитуды и длительности импульсов напряжения, прикладываемого к системе зонд-подложка, амплитуды колебания кантилевера, а также относительной влажности внутри технологической камеры) на особенности формирования оксидных наноразмерных структур арсенида галлия.
Методика эксперимента. Экспериментальные образцы структур арсенида галлия получены методом молекулярно-лучевой эпитаксии в модульной системе ростового кластера нанотехнологического комплекса НАНОФАБ НТК-9 (ЗАО «НТ-МДТ» г. Зеленоград) [5]. Структуры выращивались на пластинах «epi-ready» полуизолирующего GaAs кристаллографической ориентации (100). После удаления пассивирующего слоя окисла на поверхности пластин формировался буферный слой нелегированного GaAs толщиной 0,8 мкм. Затем выращивался слой GaAs толщиной 2 мкм, легированный кремнием. По результатам измерений холловской подвижности носителей на установке Ecopia HMS-3000 фоновая концентрация примеси в буферном слое составила 71012 см-3,
17 —3
концентрация примеси в легированном кремнием слое - 5 10 см . Средняя шероховатость поверхности структур определялась методом атомно-силовой микроскопии (АСМ) и составила 0,76 ± 0,15 нм.
Исследование режимов формирования оксидных наноразмерных структур арсенида галлия методом ЛАО проводилось с помощью СЗМ Solver P47 Pro кантилеверами марки DSP 20 с проводящим углеродным покрытием [5]. Нанолитография выполнялась в полуконтактном режиме АСМ с использованием пакета прикладных программ Nova 1.0.26.1511, относительная влажность воздуха внутри технологической камеры контролировалась с помощью цифрового измерителя влажности Oregon Scientific ETHG913R.
Влияние амплитуды импульсов прикладываемого напряжения на геометрические параметры сформированных методом ЛАО оксидных наноразмерных структур исследовалось при относительной влажности внутри технологической камеры СЗМ 60 ± 1, 70 ± 1, 80 ± 1 и 90 ± 1%. При приложении импульсов напряжения амплитудой в диапазоне от 5,0 до 10,0 В с длительностью 1000 мс, при токе цепи обратной связи системы управления СЗМ (параметр SetPoint) 0,1 нА на поверхности арсенида галлия формировались массивы оксидных наноразмерных структур.
Для исследования влияния длительности импульсов прикладываемого напряжения на геометрические параметры оксидных наноразмерных структур проводилось локальное анодное окисление поверхности арсенида галлия путем приложения импульсов напряжения амплитудой 10,0 В с длительностью в диапазоне от 10 до 500 мс, параметр SetPoint составлял 0,1 нА, относительная влажность 90 ± 1%.
При исследовании влияния амплитуды колебания кантилевера на геометрические параметры ОНС зондовая нанолитография проводилась на поверхности арсенида галлия при подаче импульсов напряжения амплитудой 10,0 В с длительностью 100 мс. В условиях постоянной относительной влажности 80 ± 1%, в полуконтактном режиме АСМ с использованием кантилеверов DSP 20 формировались массивы ОНС арсенида галлия при изменении параметра SetPoint в диапазоне от 0,01 до 0,3 нА. Затем проводилась АСМ-спектроскопия, в результате получены зависимости сигнала Mag от параметра SetPoint, который позволяет определить амплитуду колебаний кантилевера для заданного значения тока цепи обратной связи системы управления СЗМ.
Электрические свойства ОНС на поверхности арсенида галлия исследовались с помощью нанолитографии тестовой структуры в виде квадрата в растровом режиме с использованием специального шаблона (графического файла формата *.bmp). Нанолитография проводилась полуконтактным методом АСМ при подаче импульсов напряжения
амплитудой 10,0 В, скорости сканирования 0,6 мкм/с, относительной влажности 80 ± 1% и параметре SetPoint равном 0,1 нА. Далее в режиме отображения сопротивления растекания проводилось сканирование тестовой структуры ОНС арсенида галлия контактным методом АСМ при приложении напряжения амплитудой 4,0 В. Получены вольт-амперные характеристики на поверхности ОНС и арсенида галлия.
Значения геометрических параметров ОНС (высота и диаметр) определялись путем статистической обработки полученных АСМ-изображений массивов, состоящих из 49 ОНС арсенида галлия, с использованием программного пакета Image Analysis 3.5 по разработанной методике измерений, аттестованной в соответствии с ГОСТ Р8. 563-96 [6, 7]. Использование массивов с большим количеством ОНС позволяет повысить достоверность статистической обработки данных.
Результаты и их обсуждение. По полученным статистическим данным построена зависимость средних значений высоты h и диаметра d ОНС от амплитуды импульса прикладываемого напряжения при различных значения относительной влажности (рис. 1).
Рис. 1. Зависимость высоты (а) и диаметра (б) ОНС арсенида галлия от амплитуды приложенного напряжения при относительной влажности: 1 - 60 ± 1%; 2 - 70 ± 1%; 3 - 80 ± 1%; 4 - 90 ± 1%
Анализ полученных зависимостей показал, что увеличение амплитуды импульсов напряжения с 6,0 до 10,0 В при относительной влажности 90% приводит к увеличению высоты ОНС от 1,24±0,11 до 4,13±0,20 нм и диаметра ОНС от 109,8±9,8 до 156,9±10,5 нм. После проведения ЛАО при напряжении амплитудой 5,0 В оксидные наноразмерные структуры не были обнаружены. Такое влияние амплитуды напряжения между зондом и подложкой можно объяснить двумя основными факторами. Во-первых, увеличение напряженности электрического поля приводит к увеличению числа активных частиц (ионов кислорода и гидроксильных групп), образовавшихся в результате разложения молекул воды в электрическом поле. Во-вторых, напряженность электрического поля непосредственно влияет на диффузионный поток этих частиц в зону ЛАО, что приводит к увеличению скорости роста ОНС.
Кроме того, анализ рис.1 показал, что при повышении относительной влажности с 60 ± 1% до 90 ± 1% происходит снижение амплитуды напряжения, при котором наблюдается процесс ЛАО, с 7,0 до 6,0 В, а также увеличение высоты и диаметра формируемых ОНС арсенида галлия. Этот эффект может быть обусловлен увеличением количества молекул воды в системе зонд-подложка. При низкой относительной влажности количества молекул адсорбированной воды недостаточно, чтобы обеспечить протекание реакции окисления поверхности подложки. Поэтому напряжение, при котором на-
блюдается процесс окисления, будет уменьшаться с увеличением относительной влажности внутри технологической камеры СЗМ.
С использованием полученных статистических данных построена зависимость высоты и диаметра ОНС арсенида галлия от относительной влажности КИ для ОНС, сформированных при амплитуде напряжения 7,0 и 10,0 В (рис.2). Увеличение геометрических параметров сформированных ОНС при повышении относительной влажности можно объяснить увеличением диаметра сформированного водного мениска.
Рис.2. Зависимость высоты и диаметра ОНС арсенида галлия от относительной влажности при напряжении: а - 7 В; б - 10 В
После обработки данных АСМ-изображений, частично представленных на рис.3, построены зависимости средней высоты и диаметра сформированных ОНС арсенида галлия от длительности импульсов напряжения (рис.4). Анализ полученных зависимостей по-
мкм
Рис.3. АСМ-изображение (а) и профилограмма (б) ОНС арсенида галлия, полученных при различных длительностях импульса напряжения
казал, что при увеличении длительности импульсов напряжения с 10 до 500 мс происходит увеличение высоты ОНС с 0,59 ± 0,08 до 4,64 ± 0,42 нм и диаметра ОНС с 37,1 ± 4,3 до 101,3 ± 15,5 нм.
Снижение скорости роста ОНС можно объяснить влиянием времени диффузии активных частиц через слой оксида в зону ЛАО. При увеличении времени окисления наблюдается снижение скорости роста ОНС за счет уменьшения напряженности электрического поля вследствие увеличения толщины оксида. Вследствие этого число активных частиц сокращается и уменьшается дрейфовая составляющая их потока.
В результате статистической обработки АСМ-изображений и данных спектроскопических измерений получены зависимости геометрических параметров ОНС от амплитуды колебания кантилевера А (рис.5).
Рис.5. Зависимость высоты (а) и диаметра (б) ОНС арсенида галлия от амплитуды колебания кантилевера
Из полученных результатов следует, что при увеличении амплитуды колебания с 0,1 до 2,8 нм происходит уменьшение высоты ОНС от 3,20 ± 0,34 до 1,10 ± 0,13 нм и диаметра ОНС от 218,4 ± 29,5 нм до 78,1 ± 10,3 нм. Такая зависимость геометрических
параметров ОНС арсенида галия может быть объяснена тем, что при проведении ЛАО в полуконтактном режиме АСМ колебания кантилевера вызывают периодическое формирование и разрушение водного мениска, во время существования которого происходит окисление [8]. На рис.6 представлена схема процесса ЛАО в полуконтактном режиме АСМ, из анализа которой видно, что при толщине пленки адсорбата Б, определяемой уровнем относительной влажности, увеличение амплитуды колебания кантилевера от Л1 до А3 приводит к сокращению времени существования мениска с йЬ до а следовательно, и времени окисления за один период колебания. При этом окисление поверхности происходит не в течение всей длительности импульса прикладываемого напряжения, а в дискретные отрезки времени &, зависящие от амплитуды колебаний кантилевера.
Рис. 6. Схема процесса ЛАО в полуконтактном режиме АСМ
Анализ АСМ-изображений тестовой структуры ОНС, представленных на рис.7, показал, что сформированная тестовая структура ОНС размером 1*1 мкм имеет более высокое сопротивление, чем исходный арсенид галлия. При подаче напряжения смещения 4,0 В к системе зонд-подложка ток растекания по поверхности арсенида галлия равен 15,4 ±1,5 нА, а ток растекания по поверхности тестовой структуры ОНС арсенида галлия - 9,7 ± 1,9 пА. Полученные результаты хорошо коррелируют с данными вольт-амперных характеристик (рис.8), измеренных на поверхности сформированной тестовой структуры ОНС и арсенида галлия (точки 1 и 2 на рис.7,а соответственно), что указывает на диэлектрическую природу ОНС арсенида галлия. Следовательно, оксидные пленки,
И
2 О
Рис. 7. АСМ-изображения тестовой структуры ОНС арсенида галлия: а - топология; б - карта распределения тока растекания
сформированные методом ЛАО, могут найти применение для создания изолирующих слоев при изготовлении элементов микро- и наноэлектроники на основе арсенида галлия.
Рис.8. Вольт-амперная характеристика, измеренная в точке 1, на вставке - в точке 2 (см. рис.7,а)
В результате проведенных исследований получены зависимости геометрических параметров оксидных наноразмерных структур арсенида галлия от амплитуды и длительности импульсов напряжения, приложенного к системе зонд-подложка, уровня относительной влажности в технологической камере и амплитуды колебания кантилевера в полуконтактном режиме ЛАО. Установлено, что увеличение амплитуды и длительности импульсов приложенного напряжения приводит к увеличению высоты и диаметра ОНС арсенида галлия. Повышение относительной влажности внутри технологической камеры СЗМ приводит к снижению напряжения, при котором начинает наблюдаться процесс ЛАО, а также к увеличению геометрических параметров ОНС арсенида галлия. Показано, что амплитуда колебаний кантилевера также является управляющим параметром процесса ЛАО, при ее увеличении происходит уменьшение высоты и диаметра формируемых оксидных наноразмерных структур. Выявлено, что в исследуемых структурах токи растекания в ОНС на три порядка ниже, чем в арсениде галлия.
Таким образом, локальное анодное окисление является перспективным методом литографии с нанометровым разрешением. Полученные результаты могут быть использованы при разработке технологических процессов изготовления элементной базы на-ноэлектроники.
Литература
1. Нанотехнологии в электронике / Под ред. Ю.А. Чаплыгина. - М.: Техносфера, 2005. - 448 с.
2. Асеев А.Л. Нанотехнологии в полупроводниковой электронике. - Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2004. - 368 с.
3. Garcia R., Ramses V. Nano-chemistry and scanning probe nanolithographies // Chem. Soc. Rev. -2006. - Vol. 35. - P. 29-38.
4. Шевяков В.И. Локальное зондовое окисление. Основные проблемы // Изв. ЮФУ. Технические науки. - 2011. - Т. 117. - № 4. - С. 35-39.
5. Коноплев Б.Г., Агеев О.А. Элионные и зондовые нанотехнологии для микро- и наносистемной техники // Изв. ЮФУ. Технические науки. - 2008. - Т. 89. - № 12. - С. 165-175.
6. Ageev O.A., Konoplev B.G., Smirnov V.A. Photoactivation of the processes of formation of nanostructures by local anodic oxidation of a titanium film // Semiconductors. - 2010. - Vol. 44. - № 13. -P.1703-1708.
7. Агеев О.А., Смирнов В.А. Методика выполнения измерений геометрических параметров массивов оксидных наноразмерных структур методом атомно-силовой микроскопии // МВИ 14-2009.
8. Nishimura S., Ogino T., Takemura Y. Tapping mode SPM local oxidation nanolithography with sub-10 nm resolution // J. of Physics. - 2008. - Vol. 100. - P. 2-5.
Статья поступила 26 декабря 2011 г.
Агеев Олег Алексеевич - доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой технологии микро- и наноэлектронной аппаратуры ТТИ ЮФУ. Область научных интересов: стимулированные фотонным, ионно- и электронно-лучевым воздействием физико-химические процессы технологии микро- и наноэлектроники; разработка и исследование технологических процессов изготовления элементной базы приборов наноэлектроники; твердофазные процессы в полупроводниках и диэлектриках при импульсной термообработке некогерентным излучением и электронно-лучевыми потоками; разработка и исследование технологических процессов формирования контактов к активным элементам приборов экстремальной электроники. E-mail: ageev@tti.sfedu.ru
Смирнов Владимир Александрович - кандидат технических наук, доцент кафедры технологии микро- и наноэлектронной аппаратуры ТТИ ЮФУ. Область научных интересов: сканирующая зондовая микроскопия, фотонно-стимулированные физико-химические процессы технологии микро- и наноэлектроники, разработка и исследование технологических процессов изготовления элементной базы приборов наноэлектроники.
Солодовник Максим Сергеевич - аспирант кафедры технологии микро- и нано-электронной аппаратуры ТТИ ЮФУ. Область научных интересов: наноэлектрони-ка, наноматериалы, молекулярно-лучевая эпитаксия.
Рукомойкин Андрей Васильевич - аспирант кафедры технологии микро- и наноэлектронной аппаратуры ТТИ ЮФУ. Область научных интересов: нанотехноло-гии, наноэлектроника, наноматериалы, сканирующая зондовая микроскопия, локальное анодное окисление.
Авилов Вадим Игоревич - магистрант кафедры технологии микро- и наноэлектронной аппаратуры ТТИ ЮФУ. Область научных интересов: исследование режимов и разработка модели формирования оксидных наноразмерных структур методом локального анодного окисления с помощью СЗМ.
