КАНТИЛЕВЕР С ОДНОЭЛЕКТРОННЫМ ТРАНЗИСТОРОМ ДЛЯ ЦЕЛЕЙ ЗОНДОВОЙ МИКРОСКОПИИ
CANTILEVER WITH SINGLE-ELECTRODE TRANSISTOR FOR PROBING MICROSCOPY

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к зондовой микроскопии, и может быть использовано в наноэлектронике и материаловедении.
Зондовая микроскопия высокого разрешения основана на бесконтактном съеме информации при взаимодействии наноразмерных зондов с поверхностью исследуемого объекта и может применяться как в сканирующем варианте, так и в локальном. Она позволяет выявить топологию рельефа, определить электрические и магнитные свойства поверхности и отдельных объектов.
Известны различные конструкции кантилеверов, использующих образованные на острие зонда сверхчувствительные зарядовые полупроводниковые наноструктуры, которые выполняют функции считывающих и сенсорных элементов зондовой микроскопии. Конструирование направлено на повышение чувствительности, уменьшение размеров и создание приемлемой технологии изготовление зондов, чувствительных к состоянию поверхности. К таким наноструктурам, в частности, относятся одноэлектронные транзисторы, изготавливаемые методами наноэлектроники.
Так, в ранних работах (см., например, M.J. Yoo et al., Science, v.276, pp.579-582, 1997 и др.) указывалось на возможность использования кантилевера с одноэлектронным транзистором для сканирующей зондовой микроскопии (СЗМ). В изобретении (US 6516281 B1, Wellstood et al., 04.02.2003) описывалась конструкция криостата для целей картирования температурных полей образца с использованием такого одноэлектронного транзистора, однако конструкция его не раскрывалась. Ряд публикаций посвящен кантилеверам с использованием полевых транзисторов, выполненных на структуре SOI (кремний-на-изоляторе, далее «КНИ») (см., например, Moon Suhk Suh et al., Applied Phys. Letters, v.83, pp 386-388, 2003). В указанной работе указывалась возможность картирования потенциала на поверхности с разрешением менее 300 нм.
2
Принципы функционирования, топология и характеристики одноэлектронного транзистора известны. Одноэлектронный транзистор является самым чувствительным зарядовым сенсором из известных, принципы, лежащие в основе технологии его изготовления описаны. Так, в частности, технология изготовления такого транзистора на основе высокодопированного КНИ приведена в ст. Преснова Д.В. и др., ж. Радиотехника, т.1, 78-84 (2008). Пластины КНИ, изготовленные по технологии UniBond, имеют толщину верхнего слоя кремния - 55 нм, изолятора SiО-140 нм. Верхний слой кремния легирован фосфором так, что проводящие свойства полупроводника становятся близки к металлическим. В этом слое высокодопированного кремния и формируется структура одноэлектронного транзистора.
В патенте (US 6703258 В2, Hopson et al., 09.03. 2004) описан кантилевер, кончик острия которого выполнен в форме совмещенного с усилителем зонда-транзистора, который предназначен для исследования зарядовых процессов в полупроводниковых приборах. В заявке (KR 20050022032 (A), CHOI YOUNG JIN et al., 07.03.2005) описана конструкция кантилевера для атомно-силового микроскопа, выполненного на КНИ, который содержит полевой транзистор со сформированным на его зонде наконечником из углерода, что, однако, технологически крайне сложно выполнить. В патенте (US 7335942 В2, Edinger et al, 26.02.2008) описан сенсор кантилевера на полевом транзисторе, выполненном на кремнии р-типа, области n-типа которого образованы на боковой поверхности самого острия. Однако такая конструкция сложна в изготовлении и имеет технологические ограничения размера зоны чувствительности и соответственно разрешения.
Наиболее близким по техническому существу является зонд для сканирующего зондового микроскопа, а именно атомно-силового микроскопа (АСМ), включающий совмещенный с острием кантилевера зарядовый сенсор на основе транзистора, образованный на подложке в многослойной структуре КНИ (US 7344908, SUH MOON SUHK et al., KOREA ELECTRONICS TECHNOLOGY, 18.03.2008 - ближайший аналог).
Зонд образован на боковой поверхности элемента кантилевера в форме остроконечного пика, сенсор-транзистор которого сформирован на острие этого пика. Сенсор-транзистор, находящийся в контакте с поверхностью анализируемого объекта, имеет канал, и соединенные с ним сток и исток с отличным от подложки типом допирования.
Недостатком такого зонда является принципиальное ограничение в его разрешающей способности, определяемой размером канала транзистора, а также существенно меньшая зарядовая чувствительность по сравнению с одноэлектронными транзисторами.
Патентуемый зонд для сканирующего зондового микроскопа включает размещенный на острие кантилевера зарядовый сенсор в виде транзистора, выполненного в слое кремния структуры кремний-на-изоляторе на подложке.
Отличие состоит в том, что зарядовый сенсор образован в слое кремния, допированном примесью до состояния вырождения и представляет собой одноэлектронный транзистор, имеющий два подводящих электрода, размещенные под острым углом друг к другу в плоскости подложки, сходящиеся концы которых контактируют с проводящим островом транзистора и выполняют функции истока и стока, и средний электрод заостренной формы, размещенный в зоне схождения подводящих электродов, острие которого направлено в сторону проводящего острова с образованием емкостного зазора с последним, выполняющий функции затвора транзистора. Перемычки в зоне контакта концов подводящих электродов с островом транзистора выполнены резистивными с возможностью образования туннельного перехода, ребро подложки скошено, а остров транзистора, перемычки и примыкающие к скосу оконечные части подводящих и среднего электродов выступают за пределы слоя изолятора.
20
-3
Зонд может характеризоваться тем, что угол между подводящими электродами лежит в диапазоне 20-160°, преимущественно 90°, а также тем, что слой кремния допирован примесями до концентрации, превышающей 10 см, а его толщина составляет 5-50 нм.
Зонд может характеризоваться и тем, что линейный размер острова транзистора лежит в диапазоне 5-50 нм, а также и тем, что транзистор и балка кантилевера с острием выполнены за одно целое на подложке методами электронной литографии, реактивного ионного и изотропного травления.
Технический результат состоит в реализации одноэлектронного транзистора на игле кантилевера таким образом, чтобы исключить паразитное шумовое влияние подвижных зарядов, сосредоточенных в слое изолятора пластины КНИ, на которой и формируется транзистор. Это позволяет увеличить зарядовую чувствительность зондового устройства.
Сущность патентуемого изобретения поясняется на фигурах, где на:
фиг.1 представлена конструкция зонда в изометрии;
фиг.2, 3 - вид на область острова транзистора сверху и сбоку, соответственно;
фиг.4 - принцип работы в составе зондового микроскопа;
фиг.5, 6 - вольтамперные и модуляционные характеристики зонда с одноэлектронным транзистором.
20
-3
2
На фиг.1-4 показана конструкция зонда для сканирующего зондового микроскопа, выполненная на КНИ. Зарядовый сенсор 1 образован в слое 2 кремния, легированном примесью (например, фосфором) до состояния вырождения; концентрация носителей превышает 10 см. Слой 2 имеет толщину 5-50 нм и размещен на слое 3 изолятора, выполненного из SiО толщиной ~150 нм. Подложка 4 изготовлена из кремния, ее толщина (0,3-0,75 мм) определяется типом пластины КНИ. В области, примыкающей к сенсору 1, толщина подложки при необходимости может быть уменьшена до единиц и десятков микрон методом травления кремния.
Зарядовый сенсор 1 выполнен в виде одноэлектронного транзистора 5, и содержит два подводящих электрода 51 и 52, размещенный между ними средний электрод 53 и остров 54 транзистора. Электроды 51 и 52 размещены под острым углом а друг к другу в плоскости подложки 4, сходящиеся концы которых контактируют с проводящим островом 54 и выполняют функции истока и стока транзистора 5. Линейный размер острова 54 лежит в диапазоне от единиц до десятков нм и эта величина определяется возможностями технологии изготовления. Угол а между подводящими электродами 51, 52 составляет 20-160°, преимущественно 90°. Электрод 53 заостренной формы выполняет функцию затвора транзистора 5, размещен в зоне схождения подводящих электродов 51, 52. Острие 531 электрода 53 направлено в сторону острова 54, установлено с зазором, обеспечивая емкостную связь с островом 54.
Электроды 51, 52 стока и истока соединяются с островом 54 транзистора через узкие перемычки 55, сопротивление которых доводится до величины более 100 кОм путем их утоньшения методом изотропного травления всей структуры транзистора. В процессе изотропного травления уменьшается также и размер острова 54 транзистора, что улучшает его важный параметр - рабочую температуру.
Ребро 41 подложки 4 скошено, а остров 54 транзистора, обе перемычки 55 и примыкающая к скосу ребра 41 часть электродов 51, 52 и 53, выполненных в верхнем слое 2 кремния, выступают за пределы слоя 3 изолятора. Соответственно устраняется контакт острова 54 со слоем 3 изолятора, что и позволяет снизить уровень зарядового шума транзистора и повысить чувствительность зарядового сенсора в целом.
Транзистор 5, выполненный в слое 2 кремния пластины КНИ и выполняющий также и роль острия кантилевера, и балка кантилевера, выполненная из материала изолятора на подложке 4, могут быть сформированы как единое целое из пластины КНИ традиционными методами электронной литографии, реактивно-ионного и жидкостного травления.
-4
-5
-1/2
Зонд патентуемой конструкции может быть использован в сканирующей зондовой микроскопии для измерения потенциальных и зарядовых профилей объектов с пространственным разрешением, определяемый размером острова 54 транзистора, его собственная зарядовая чувствительность может достигать величин 10-10 e/Hz.
b
b
g
Использование устройства удобно пояснить на примере функционирования зонда в составе АСМ (фиг.4). Кантилевер 6 помещают в держателе АСМ таким образом, чтобы зарядовый сенсор 1, т.е. остров 54 одноэлектронного транзистора 5, находился над исследуемым объектом 7. Питание и съем сигнала осуществляется посредством блока 8 задающей и измерительной электроники. При работе на электроды 51, 52 и 53 подаются соответствующие напряжения - на сток и исток (+V/2 и -V/2), а на затвор (V).
t
Остров 54 является одновременно чувствительным сенсором и кончиком иглы кантилевера АСМ. При сканировании исследуемой поверхности объекта 7 поддерживается постоянный зазор между островом 54 транзистора и объектом 7 и одновременно регистрируется электрический сигнал в виде тока I через транзистор. Этот сигнал отражает потенциальный (зарядовый) профиль исследуемой поверхности, что дает возможность осуществить картирование одиночных зарядов на исследуемой поверхности с высоким пространственным разрешением, пропорциональным размеру острова 54.
b
b
b
t
b
g
t
g
t
g
g
g
t
g
g
t
При проведении измерений на электроды 51, 52 подаются напряжения смещения +V/2 и -V/2. Величина V выбирается близкой к напряжению Кулоновской блокады V, которое определяется по предварительно измеренной вольтамперной характеристике транзистора (фиг.5) и составляет величину от 2-3 мВ для транзистора с рабочей температурой 4 К и до 150-200 мВ для транзистора с комнатной рабочей температурой. При зафиксированном напряжении V на электрод 53 подается напряжение V, его величина определяется из измеренной зависимости величины транспортного тока I от напряжения V на затворе (фиг.6). Зависимость I(V) - периодическая, с периодом в один электрон по наведенному на остров заряду Q, а по напряжению V - от долей до единиц Вольт в зависимости от величины емкости между электродом 53 и островом транзистора. Рабочую точку на кривой I(V) выбирают на склоне периодической зависимости с максимальной крутизной, что определяет величину V. Изменение регистрируемого сигнала I зависит от потенциала (заряда) области на поверхности исследуемого объекта 7, к которому на расстояние R приближается остров 54 транзистора. Величина R может находиться в пределах 0-50 нм и определяется режимом работы АСМ.
В случае использования патентуемого зонда в качестве локального сенсора для исследования локальных объектов (квантовых точек, зарядовых ловушек и т.п.) приближение острова транзистора к исследуемому объекту может производиться под визуальным контролем, например, с помощью электронного микроскопа. В этом случае величина R - произвольна и определяется свойствами объекта.
-4
-5
-1/2
2
Зарядовая чувствительность при измерении реального объекта определяется размером острова транзистора и расстоянием до объекта: при минимальном расстоянии до объекта (порядка размера острова) она может приближаться к собственной зарядовой чувствительности одноэлектронного транзистора - 10-10 e/Hz. В случае необходимости удаления от объекта она уменьшается как 1/R.
-4
-5
-1/2
Таким образом, патентуемое устройство способно обеспечить пространственную разрешающую способность от единиц до десятков нанометров, определяемую размером острова одноэлектронного транзистора, и высокую зарядовую чувствительность - на уровне 10-10 e/Hz.
Поскольку размер острова 54 может составлять менее 10 нм, устройство может работать при комнатной температуре, что резко упрощает реализацию сканирующего зондового микроскопа. Патентуемое устройство может быть использовано в зондовых микроскопах множественного типа и в сканирующей потенциальной микроскопии.
Промышленная применимость. Устройство может быть реализовано с использованием известных материалов, методов и оборудования нано- и микроэлектроники и включать следующие приемы:
20
-3
- легирование верхнего слоя 2 кремния пластин КНИ при помощи ионной имплантации до концентрации ~10 см с последующим отжигом для рекристаллизации кремниевого слоя;
- электронную литографию топологии транзистора;
- формирование металлической маски структуры транзистора напылением тонкой пленки алюминия;
- формирование структуры транзистора в слое кремния при помощи технологии анизотропного и изотропного реактивного ионного травления.