СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ ПРОВОДНИКОВ В НАНОСТРУКТУРАХ
METHOD FOR FORMATION OF CONDUCTORS IN NANOSTRUCTURES

Изобретение относится к технологии создания сложных проводящих структур с помощью потока ускоренных частиц и может быть использовано в нанотехнологиях, микроэлектронике для создания сверхминиатюрных приборов, интегральных схем и запоминающих устройств.
Известен способ создания элементов проводящей структуры на диэлектрических слоях (см. описание к заявке ФРГ N 19503178, Н01L 21/60, 1997 /1/). Способ включает разрушение оксидного слоя на поверхности алюминия и осаждение упрочняющего материала. Для этого упрочняющий материал, находящийся на подложке, переносится с помощью мощного излучения на поверхность алюминия, причем перед этим оксидный слой разрушается под действием мощного излучения и возбужденных частиц упрочняющего материала. При помощи отклоняющего луч устройства на обрабатываемой поверхности создается слоистая металлизированная структура с требуемой геометрией рисунка. Недостатком известного способа является невозможность получения структуры с размерами отдельных элементов в несколько нанометров. Кроме того, использование способа ограничено, поскольку он применим только для алюминиевых подложек.
Известен способ формирования рисунка с применением электронного пучка (см. описание к заявке Японии N 6038411, Н01L 21/302, 1994 /2/). Способ заключается в том, что в реакционной камере размещают систему для фокусировки электронного пучка, создают атмосферу из возбужденных реакционноспособных частиц и размещают на держателе обрабатываемую пластину. С помощью электронного пучка, несущего информацию, связанную с определенным рисунком, облучают пластину и в результате изменения ее вещества под воздействием электронного пучка и реакционноспособных частиц на пластине формируется определенный рисунок. Недостатком известного способа являются последовательный (низкопроизводительный) характер и сложность его осуществления, заключающаяся в формировании в камере атмосферы, состоящей из частиц с одинаковой реакционной способностью, чтобы обеспечить воспроизводимость процесса на всех участках рисунка, что требует сложной аппаратуры контроля. Кроме того, известный способ не позволяет обеспечить получение элементов изображения, составляющих рисунок, с размерами в несколько нанометров.
Известен способ формирования проводящей структуры, включающий нанесение на подложку слоя материала и преобразование материала в проводящий под действием излучения от источника заряженных частиц (см. И.А.Аброян, А.Н.Андронов и др. Физические основы электронной и ионной технологии. М.: Высшая школа, 1984, с.308-310 /3/).
Недостатком известного способа является малая разрешающая способность создаваемого рисунка (проводящей структуры), не позволяющая получать отдельные элементы структуры размером в несколько нанометров.
Известен способ формирования проводящей структуры в диэлектрической матрице, включающий нанесение на подложку слоя исходного диэлектрического материала и его преобразование в проводящий под действием излучения от источника заряженных частиц. На подложку наносят слой материала толщиной 2-20 нм, а преобразование материала в проводящий проводят модулированным потоком заряженных частиц после нанесения материала на подложку (RU 2129320 [4]).
Недостатком известного способа является высокие требования к расходимости пучка заряженных частиц, необходимой для получения проводящих элементов очень малых размеров и невозможность их получения в «толстых» (~100 нм и более) пленках. Хорошо известно, что взаимодействие ускоренных частиц с веществом сопровождается их рассеянием. Эффекты рассеяния приводят к тому, что зона воздействия ускоренных частиц на облучаемый материал всегда превышает размеры пучка или размеры отверстий в маске, если облучение производится через маску. Это превышение тем больше, чем больше энергия ускоренных частиц, а при толщинах материала, меньших длины проективного пробега, ускоренных частиц в нем - пропорционально толщине материала. При средних и больших энергиях ускоренных частиц профиль рассеяния имеет грушевидную форму (см. фиг. в [4]). Аналогичную форму имеет и зона преобразования состава при использовании способа [4]. Поэтому если слой сделать тонким, то можно получить относительно более мелкие детали проводящей структуры. Если слой материала сделать толщиной более 20 нм, то, при прочих равных условиях, размеры получаемых элементов структуры начинают возрастать.
Наиболее близким к заявляемому по своей технической сущности и достигаемому результату является способ формирования проводящей структуры в диэлектрической матрице, который включает нанесение маски с отверстиями, образующими требуемый рисунок, на пленку или заготовку окисла металла или полупроводника, облучение маски (заготовки) потоком ускоренных протонов или атомов водорода и последующее воздействие на облученные участки кислородом, при этом отверстия в маске выполняют с аспектным соотношением, обеспечивающим получение элементов структуры меньшего размера, чем поперечный размер отверстий в маске (RU 2404479 [5]).
Недостатком известного способа является относительная сложность, поскольку для реализации требуется сложная в изготовлении маска и ограниченность спектра материалов в отношении которых способ применим.
Заявляемый в качестве изобретения способ формирования проводников в наноструктурах направлен на расширение спектра материалов, для которых возможно использование предлагаемого способа для уменьшения размеров формируемых наноразмерных проводников в диэлектрической матрице, а также на упрощение требований на аспектное соотношение отверстий в маске.
Указанный результат достигается тем, что способ формирования проводников в наноструктурах включает нанесение на подложку исходного диэлектрического вещества, в молекулы которого входят атомы металла, полное удаление из него атомов неметалла в выбранных участках путем облучения диэлектрического вещества через маску пучком ускоренных частиц и повторное облучение этих же участков пучками ускоренных ионов или атомов неметаллов, входящих в состав исходного диэлектрического вещества с дозой, обеспечивающей уменьшение объема сформированных при первичном облучении металлических проводников.
Использование маски с отверстиями, образующими требуемый рисунок, и облучение через маску потоком ускоренных частиц нанесенного на подложку слоя исходного диэлектрического вещества до полного удаления из него атомов неметалла в выбранных участках позволяет обеспечить восстановление исходного материала заготовки до практически чистого одноатомного вещества, обладающего проводящими свойствами (металл или полупроводник), и сформировать проводящий рисунок требуемой топологии. Режимы работы источников ускоренных частиц определяются расчетным путем или подбираются экспериментально.
Повторное облучение этих же участков пучками ускоренных ионов или атомов неметаллов, входящих в состав исходного диэлектрического вещества позволяет восстановить исходное диэлектрическое вещество на поверхности ранее восстановленного металла и уменьшить его объем. Дозы, обеспечивающие уменьшение объема сформированных при первичном облучении металлических проводников, определяются расчетным путем или подбираются экспериментально. Таким образом, становится возможным изготавливать проводящие структуры не только в диэлектрических матрицах, представляющих собой окислы металлов или полупроводников, а практически из любых неорганических соединений.
Облучение маски с отверстиями и обрабатываемого слоя материала необходимо осуществлять до достижения минимального флюенса ускоренных частиц, который соответствует значениям, достаточным для полного восстановления соответствующего слоя диэлектрического материала до одноатомного металла или проводника.
Сущность заявляемого способа формирования проводников в наноструктурах поясняется примерами его реализации и фигурой, на которой показана последовательность проведения операции при формировании структуры.
-7
Пример 1. В общем случае способ реализуется следующим образом. В вакуумной камере технологической установки на подложкодержателе устанавливается подложка (заготовка) 1 с нанесенным на ней диэлектрическим материалом 2, который преобразуется под воздействием потока 3 ускоренных протонов или атомов водорода в проводящий материал. Выше этого слоя размещается маска 4 с требуемым рисунком, изготавливаемая по любой из известных технологий. В вакуумной камере, объем которой откачивается до давления 1·10 торр, размещен источник ускоренных частиц - протонов. Заготовка облучается ускоренными частицами, например протонами или атомами водорода или гелия с энергией несколько кэВ до дозы, соответствующей минимальному значению, достаточному для полного удаления атомов неметалла из диэлектрического материала. Соответствующее значение минимальной дозы облучения определяется заранее экспериментальным путем. В результате взаимодействия материала с потоком ускоренных частиц под отверстиями в маске образуются элементы проводящей структуры 5, составляющие заданный рисунок, окруженные областями 6, где восстановление до состояния металла или полупроводника не произошло.
Затем заготовка подвергается воздействию пучков ускоренных ионов или атомов неметаллов 7, входящих в состав исходного диэлектрического вещества с дозой, обеспечивающей уменьшение объема сформированных при первичном облучении металлических проводников. В результате, как показывают измерения, выполненные с помощью методов атомно-силовой микроскопии, размеры сформированных элементов из металла могут достигать несколько нм.
Пример 2. В конкретных случаях способ реализуется следующим образом. В вакуумной камере технологической установки на подложкодержателе устанавливается подложка (заготовка) с нанесенным на ней диэлектрическим материалом, который преобразуется под воздействием потока ускоренных протонов или атомов водорода в проводящий. Поверх этого слоя размешается маска 4 с требуемым рисунком, изготавливаемая по любой из известных технологий.
-7
Облучаемый материал представлял из себя пленку нитрида висмута толщиной 30 нм, напыленную на стандартную кремниевую пластину В вакуумной камере, объем которой откачивается до давления 1·10торр, размещен источник ускоренных частиц - протонов. Заготовка облучается протонами с энергией 1,5 КэВ до дозы, соответствующей минимальному значению, достаточному для полного удаления атомов азота из пленки нитрида висмута толщиной 30 нм при облучении без маски. Соответствующее значение минимальной дозы облучения определяется заранее экспериментальным путем. В результате взаимодействия материала с потоком ускоренных частиц под отверстиями в маске образуются элементы проводящей структуры, составляющие заданный рисунок. Затем заготовка подвергается воздействию ускоренных ионов или атомов азота.
Как показали последующие измерения, выполненные с использованием различных методов (AFM-микроскопии, электронной микроскопии, электрофизических измерений), минимальный размер проводящих элементов составил ~15 нм.
Пример 3. Способ осуществлялся по той же схеме, что и в примерах 1 и 2, только с тем отличием, что на кремниевую пластину наносился слой нитрида алюминия толщиной 20 нм.
Пример 4. Способ осуществлялся по той же схеме, что и в примерах 1 и 2, только с тем отличием, что на подложку из кремния наносился слой оксида никеля толщиной 40 нм. При проведении экспериментов в качестве маски использовалась маска из электронного резиста с изготовленной в ней двумерной периодической структурой в виде рядов прямоугольных отверстий шириной 60 нм и длиной 800 нм.
Пример 5. Способ осуществлялся по той же схеме, что и в примерах 1 и 2, только с тем отличием, что на подложку из кремния наносился слой нитрида титана толщиной 30 нм.
Пример 6. Способ осуществлялся по той же схеме, что и в примерах 1 и 2, только с тем отличием, что на подложку из кремния наносился слой нитрида галия толщиной 20 нм.
Пример 7. Способ осуществлялся по той же схеме, что и в примерах 1 и 2, только с тем отличием, что на подложку из кремния наносился слой нитрида ниобия толщиной 20 нм.
Пример 8. Способ осуществлялся по той же схеме, что и в примерах 1 и 2, только с тем отличием, что на подложку из сапфира наносился слой нитрида кремния толщиной 20 нм.
Пример 9. Способ осуществлялся по той же схеме, что и в примерах 1 и 2, только с тем отличием, что на подложку из кремния наносился слой гидрида лантана толщиной 20 нм, а первичное облучение проводилось ионами или атомами гелия.
Пример 10. Способ осуществлялся по той же схеме, что и в примерах 1 и 2, только с тем отличием, что на подложку из кремния наносился слой гидрида вольфрама толщиной 20 нм, а первичное облучение проводилось ионами или атомами гелия.
Таким образом, предлагаемый способ позволяет получать проводящие структуры с размерами элементов существенно меньшими, чем размеры отверстий в маске, с помощью которой осуществлялось их формирование в материалах различного химического состава.