Применение методов сканирующей зондовой микроскопии для анализа и модификации полупроводниковых структур Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

УДК 539.232

ПРИМЕНЕНИЕ МЕТОДОВ СКАНИРУЮЩЕЙ ЗОНДОВОЙ МИКРОСКОПИИ ДЛЯ АНАЛИЗА И МОДИФИКАЦИИ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ СТРУКТУР

Е. В. Королёв, Г. А. Александрова

Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева

Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31

E-mail: [email protected]

Представлены результаты исследований процессов формирования оксидных наноразмерных структур (ОНС) методом локального анодного окисления (ЛАО). Установлено, что увеличение относительной влажности с (45±3) до (85±3) % приводит к увеличению высоты и диаметра ОНС кремния и сопровождается снижением порогового напряжения начала процесса ЛАО с -6 до -5 В.

Ключевые слова: локальное анодное окисление, атомно-силовая микроскопия, нанолитография, оксидные наноразмерные структуры.

APPLICATION OF METHODS OF THE SCANNING PROBE MICROSCOPY FOR ANALYSIS AND MODIFICATION OF SEMICONDUCTOR STRUCTURES

E. V. Korolev, G. A. Alexandrova

Reshetnev Siberian State Aerospace University 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation E-mail: [email protected]

It presents the results of researches processes formation of oxide nanoscale structures (ONS) by local anodic oxidation (LAO). An increase of relative humidity (45±3) to (85±3) % leads to an increase in height and diameter silicon ONS and accompanied by decrease in the threshold voltage of the start process with LAO -6 to -5 volts.

Keywords: local anodic oxidation, atomic force microscopy, nanolithography, oxide nanoscale structures.

В настоящее время в связи с развитием нанотехнологий востребованы методы исследования и модификации поверхности подложки с нанометровым разрешением. Одним из распространенных методов исследования и формирования наноразмерных структур на поверхности полупроводников и металлов является ЛАО с помощью атомно-силового микроскопа (АСМ) [1-2].

Нанолитография методом ЛАО с использованием АСМ является одним из перспективных методов формирования элементной базы наноэлектроники, например, при изготовлении тонкопленочных транзисторов, что открывает широкие возможности для применения в различных отраслях, в том числе и в космической отрасли. Данный метод позволяет переводить полупроводниковые (металлические) подложки в диэлектрические структуры и одновременно проводить контроль сформированных объектов [2].

Модификация поверхности этим методом не вызывает возмущение в нетронутой области, тогда как, например, ионная или электронная литография сильно искажают потенциальный профиль получаемой структуры, легируют материал подложки, иногда даже разрушают его атомный порядок. Следует отметить, что метод не критичен к чистоте поверхности, для него не требуется вакуумных условий [3].

Целью настоящей работы является исследование процессов формирования наноразмерных структур методом ЛАО с помощью АСМ.

В процессе исследования в качестве исследуемого образца использовалась поверхность Si(111) n-типа, покрытая слоем естественного оксида. По АСМ данным среднеквадратичная шероховатость такой поверхности не превышала 0,4 нм. Исследование проводилось с помощью АСМ на базе платформы зондовой нанолаборатории ИНТЕГРА Аура компании НТ-МДТ.

Актуальные проблемы авиации и космонавтики - 2016. Том 1

При исследовании влияния приложенного отрицательного потенциала между зондом и поверхностью образца при относительной влажности (45±3) % происходило локальное окисление. На рис. 1 представлено АСМ-изображение модифицированной поверхности 81(111) после проведения ЛАО при различных напряжениях между зондом и поверхностью образца от -5 до -10 В. Увеличение потенциала от массива к массиву на рисунке схематично показано ниже.

12345678 fini

Рис. 1. АСМ-изображения поверхности 81(111) с массивами точек окисления после проведения ЛАО (размер сканируемой области 10^10 мкм)

На АСМ-изображении (рис. 1) видно, что при увеличении прикладываемого напряжения к системе «зонд-подложка» увеличиваются высота и диаметр ОНС.

В результате по полученным данным были построены зависимости средних значений высоты (рис. 2, а) и диаметра (рис. 2, б) ОНС 81 от приложенного потенциала между зондом и поверхностью при различных значениях относительной влажности.

Анализ полученных зависимостей показывает, что при повышении относительной влажности и напряжения увеличивается высота и диаметр ОНС. Кроме того, при повышении относительной влажности с (45±3) до (85±3) % происходит снижение порогового напряжения, при котором начинают формироваться ОНС с -6 до -5 В. Данное значение порогового напряжения соответствует пороговому напряжению, полученному в работе [4] для образца ОаЛ8. Таким образом, зависимость порогового напряжения ЛАО экспериментальных образцов 81 и ОаЛ8 может быть обусловлена количеством молекул воды в водном мениске. При невысокой относительной влажности количества молекул адсорбированной на поверхности подложки влаги недостаточно, чтобы обеспечить протекание реакции ЛАО. Поэтому пороговое напряжение, при котором начинается реакция окисления, будет снижаться с увеличением относительной влажности.

а б

Рис. 2. Зависимость высоты (а) и диаметра (б) ОНС 81 от величины приложенного потенциала

при относительной влажности: 1 - (45±3) %; 2 - (75±3) %; 3 - (85±3) %

В результате работы получены зависимости геометрических размеров ОНС от приложенного напряжения к системе «зонд-поверхность» и относительной влажности. Увеличение приложенного напряжения приводит к увеличению геометрических размеров формируемых ОНС. Установлено, что повышение влажности под колпаком АСМ также приводит к увеличению геометрических размеров ОНС и уменьшению порогового напряжения, что может быть связано с увеличением количества ки-слородосодержащих ионов, обеспечивающих протекание реакции окисления.

Библиографические ссылки

1. Агеев, О. А., Федотов А. А., Смирнов В. А. Методы формирования структур элементов нано-электроники и наносистемной техники : учеб. пособие. Ч. 1. Таганрог : Изд-во Южного федер. ун-та, 2010. 73 с.

2. Морфология и структура локальных анодных пленок оксида кремния, полученных зондовым окислением с использованием атомно-силового микроскопа / С. А. Ковалева, В. А. Пилипенко, В. С. Сякерский и др. // Методологические аспекты сканирующей зондовой микроскопии : материалы VIII Междунар. семинара. Минск, 2008. С. 210.

3. Щеглов, Д. В. Наноразмерная модификация поверхности полупроводников и металлов зондом атомно-силового микроскопа : автореф. дис. ... канд. физ.-мат. наук. Новосибирск, 2004.

4. Королёв Е. В., Кожухов А. С. Исследование процессов формирования наноразмерных структур методом локального анодного окисления с использованием атомно-силового микроскопа [Электронный ресурс] // Актуальные проблемы авиации и космонавтики : тезисы X Всерос. науч.-практ. конф. творческой молодежи : в 2 т. Т. 1 / под общ. ред. Ю. Ю. Логинова ; Сиб. гос. аэрокосмич. ун-т. Красноярск, 2014. С. 132-133. URL: http://www.sibsau.ru/images/document/2014/2014_11_13_APAK_ 1_tom.pdf (дата обращения: 29.04.2016).

© Королёв Е. В., Александрова Г. А., 2016