Мета роботи пов'язана з аналізом основних проблем, що виникають при реалізації локального зондового окислення напівпровідникових підкладок і надтонких металевих плівок. Основне завдання теоретичний аналіз кінетики локального зондового окислення, виявлення чинників, що визначають його продуктивність. Досліджено особливості кінетики локального зондового окислення надтонких плівок металів V, Nb, Ta, Ti, TiN, W. Встановлено, що кінетику процесу визначають такі властивості окисляемого матеріалу, як його питомий опір, наявність на поверхні природного оксидної плівки і її товщина, співвідношення питомих щільності металу і оксиду, електрохімічна константа процесу окислення.

Анотація наукової статті з нанотехнологій, автор наукової роботи - Шевяков Василь Іванович


LOCAL PROBE OXIDATION AND ITS MAIN PROBLEMS

The main purpose of this work involves problem analysis encountered during local probe oxidation of semiconductor wafers and ultra-thin metal films. Main goal of presented work is theoretical analysis of local probe oxidation kinetics, to identify factors that determine its performance. Distinctive kinetics features were studied for local probe oxidation of ultrathin V, Nb, Ta, Ti, TiN, W films. It was shown that kinetics of process are determined properties of material. They were specific resistance, presence of natural oxide film, correlations of specific density of metal and oxide, electrochemical constant of oxidation process. Vanadium was chosen as the best metal that provide maximum productivity of anodic oxidation.


Область наук:
  • нанотехнології
  • Рік видавництва: 2011
    Журнал: Известия Південного федерального університету. Технічні науки

    Наукова стаття на тему 'Локальне зондовое окислення. Основні проблеми'

    Текст наукової роботи на тему «Локальне зондовое окислення. Основні проблеми"

    ?Linets Lyudmila Gennad'evna

    E-mail: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. Вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її..

    Phone: +78634371611.

    The Department of Micro- and Nanoelecrtronics; Postgraduate Student.

    VolkovEvgeniyYurievich

    E-mail: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. Вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її..

    Phone: +78634371611.

    The Department of Micro- and Nanoelecrtronics; Postgraduate Student.

    Grigoriev Mikhail Nikolaevich

    E-mail: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. Вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її..

    Phone: +78634371611.

    The Department of Micro- and Nanoelecrtronics; Postgraduate Student.

    УДК 539.216.2

    В.І. Шевяков ЛОКАЛЬНЕ ЗОНДОВОГО ОКИСЛЕННЯ. ОСНОВНІ ПРОБЛЕМИ

    Мета роботи пов'язана з аналізом основних проблем, що виникають при реалізації локального зондового окислення напівпровідникових підкладок і надтонких металевих плівок. Основне завдання - теоретичний аналіз кінетики локального зондового окислення, виявлення чинників, що визначають його продуктивність. Досліджено особливості кінетики локального зондового окислення надтонких плівок металів V, Nb, Ta, Ti, TiN, W. Встановлено, що кінетику процесу визначають такі властивості окисляемого,, -ної плівки і її товщина, співвідношення питомих щільності металу і оксиду, електрохімічна константа процесу окислення.

    Атомно-силова мікроскопія; локальне зондовое окислення; продуктивність .

    V.I. Shevyakov LOCAL PROBE OXIDATION AND IT'S MAIN PROBLEMS

    The main purpose of this work involves problem analysis encountered during local probe oxidation of semiconductor wafers and ultra-thin metal films. Main goal of presented work is theoretical analysis of local probe oxidation kinetics, to identify factors that determine its performance. Distinctive kinetics features were studied for local probe oxidation of ultrathin V, Nb, Ta, Ti, TiN, W films. It was shown that kinetics of process are determined properties of material. They were specific resistance, presence of natural oxide film, correlations of specific density of metal and oxide, electrochemical constant of oxidation process. Vanadium was chosen as the best metal that provide maximum productivity of anodic oxidation.

    Atomic force microscopy; local probe oxidation; productivity of method.

    .

    літографічні, так і нелітографіческіе методи. Останні є більш доступними в умовах лабораторних досліджень. Серед них можна виділити метод, заснований на використанні атомно-силової мікроскопії (ACM). Це метод локального зондового окислення проводять матеріалів (напівпровідников-

    ), -Кальной модифікації провідних властивостей поверхні і для виготовлення ряду активних елементів наноелектроніки [1-2].

    Однак широке використання даного методу стримується низкою існуючих проблем. В першу чергу це роздільна здатність методу і його продуктивність. Роздільна здатність залежить від відносної вологості навколишнього середовища, параметрів напруги, що подається, конструктивних параметрів яка проводить кантільовери (радіус кривизни вістря голки, матеріал провідного покриття), положення голки зонда щодо окислюється метал,, загального опору системи "проводить кантилевер - окислюється поверхню". Використовуючи оптимальні фізико-технологічні параметри процесу і надгострий проводять кантілевери, в даний час можна досягти латерального розміру локальних оксидних областей, рівного ~ 10 нм [3].

    Серйозна проблема даного методу пов'язана з його низькою продуктивністю. Рішення проблеми вимагає зменшення тривалості процесу, що забезпечує при цьому ефективне протікання зондового окислення. Для вирішення даного завдання необхідний пошук перспективних матеріалів з високою швидкістю анодного зондового окислення.

    У даній роботі процес локального зондового окислення досліджений теоретично з фізико-хімічних позицій і проведено порівняльний аналіз кінетики локального зондового окислення різних надтонких плівок металів в порівнянних умовах з метою визначення властивостей матеріалів, які б забезпечували підвищену продуктивність процесу.

    Фізико-хімічне уявлення процесу локального зондового окислення. Згідно з уявленнями про кінетику анодного окислення металів товщина утворюється оксиду залежить від прикладеного потенціалу і длитель-.

    Фарадея, представленої в [1]:

    де Aox - молярна маса утворюється речовини, pox - його питома щільність, S - площа окисленої поверхні, F - постійна Фарадея, Q - сумарний заряд, витрачений на окислення, J (t) - миттєве значення сили струму, що протікає в ланцюзі, г / - вихід за струмом, z - число електронів, необхідних для проти-

    у - Aox

    Канія реакції окислення, л п f - електрохімічна константа процесу

    roxZF

    .

    В [1] автори також показали, що закон зміни товщини оксиду при по-тенціостатіческом окисленні має вигляд

    t

    E

    f (Ey лл

    1 - exp ---------- 1

    v I RcS / У

    (2)

    де і - величина клемного напруги, і0 - порогове напруга процесу утворення оксидної плівки, Е - напруженість електричного поля в діелектрику, Яс - опір системи "проводить поверхню - проводить зразок".

    Однак при створенні моделі процесу зондового окислення автори не враховували має місце в скануючому зондовом мікроскопі приладове обмеження величини струму.

    Вираз (2) справедливо для випадку Яс > Кіп, де Кіп - опір джерела живлення АСМ. В даному випадку Яс = (і-і0) / 1, де I <1мах - максимально можлива величина струму, що протікає в системі.

    При Кс = (і-і0) / 1 "шх і менших значеннях опорів в системі« провідний кантилевер - провідна поверхня "протікає постійний струм, обмежений величиною 1мах. Іншими словами, при окисленні високопровідного зразків кантільоверамі з малим опором можливий випадок Яс < Ят і має місце комбінований режим анодування, коли протягом часу від 0 до ^ зростання оксиду здійснюється в гальваностатичного режимі, при цьому товщина оксиду зростає за лінійним законом:

    Гальваностатичного режим здійснюється до моменту г1, коли товщина оксиду досягне значення, рівного П-П / Е. Після цього процес здійснюється в потенціостатичному режимі, коли за дуже короткий проміжок часу струм 0.

    Таким чином, при Яс < Яіп з урахуванням виразу (3) товщина оксиду описується виразом

    Даний режим дозволяє більш відтворено контролювати товщину , .

    Значення часу здійснення гальваностатичного режиму процесу локального зондового окислення при максимальній величині струму 10 нА і при клемному напрузі 10 В склало ~ 1 мс. Для процесу локального зондового окислення ця величина досить значна, оскільки при локальному зонд-вом окисленні тривалість імпульсів клемного напруги варіюють від сотень мікросекунд до десятків мілісекунд. Даним обставиною не слід нехтувати при локальному зондовом окисленні високопровідного зразків.

    Вплив матеріальних констант на кінетику процесу локального зондового окислення. У техніці скануючої зонд виття мікроскопії вдається вимірити не товщину оксиду, а зміна висоти виступу шару оксиду щодо рівня неокисленого поверхні металу - (ДНох). Освіта оксиду металу завжди супроводжується зміною обсягу твердої фази. Це призводить до того, що з плівки металу товщиною КМЕ утворюється плівка оксиду товщиною Кох, яка визначається співвідношенням:

    де рме, Амі, ріх, аих - питомі щільності і молярні маси металу і оксиду відповідно, до - коефіцієнт, що визначає зміна положення зовнішньої поверхні зростаючої плівки щодо вихідної поверхні металу.

    На підставі рівнянь (2) і (5) вираз для Акох набирає вигляду

    (3)

    (4)

    (5)

    (6)

    Згідно (5) і (6), швидкість процесу модифікування вихідної плівки металу залежить від електричних режимів окислення і від фізико-хімічних властивостей даної системи, таких як питомий опір металу, співвідношення питомих щільності металу і оксиду, напруженість електричного поля в зростаючому оксиді і електрохімічна константа процесу окислення.

    Величина напруженості електричного поля в зростаючому оксиді для зазначених металів становить приблизно однакову величину - (3,5-5) 106 В / см [4].

    У табл. 1 наведені дані порівняльного аналізу величин матеріальних, -талл / анодний оксид.

    1

    Характеристики процесу локального зондового окислення різних металів

    Ме / Мехо до (к-1) / к X, см3 / Ас рме, 10 6 Ом-м

    Ті / ТіО2 1,76 0,43 4,86x10 ° 0,480

    Ті1Ч / ТіО2 1,65 0,39 1,9х10-4 0,850

    У / У2О5 3,03 0,67 5,61х10-5 0,248

    '№ ^ О2 1,87 0,47 4,62х10-5 0,055

    №>/ №>2О5 2,69 0,63 6,16х10-5 0,140

    Та / Та2О5 2,32 0,57 5,24х10-5 0,155

    Значення питомої опору металів в таблиці наведені для випадку об'ємних матеріалів.

    Виходячи з проведеного вище теоретичного аналізу процесу зондового окислення металів і даних таблиці, можна зробити висновок, що з перерахованого ряду металів V потенційно повинен володіти найбільш високою швидкістю .

    Наведені дані можуть служити основою для аналізу швидкості зондового , -.

    . -

    кального зондового окислення використовували надтонкі плівки V, №>, Та, Т1, Т1 ^ W товщиною 10 нм, нанесені методом імпульсно-тім'яної осадження [5] на поверхню термічно окислених кремнієвих підкладок. Для нанесення металу використовували мішені з плавлених в вакуумі металів 99,999% чистоти.

    Зондовое окислення проводили на повітрі з використанням скануючого зондового мікроскопа СОЛВЕР Р47 в контактній моді в потенціостатичному режимі при постійній відносній вологості навколишнього середовища (30%). Як зондів для здійснення локального зондового окислення використовували кремнієві кантілевери з проводять покриттям на основі W2C.

    Як приклад на рис. 1 наведені дані дослідження кінетики процесу локального зондового окислення танталу. Тут окремі смужки форми-

    (1-10, 2-9 ,

    3-8 В, 4-7 В).

    Результати дослідження показали, що кінетика локального зондового окислення надтонких металевих плівок узгоджується з теорією електрохімічного анодування макро- і мікрооб'єктів. Різні метали характеризуються різною швидкістю росту оксиду. Виявлено, що швидше за всіх окислюється V, а найбільш повільно зростає оксид на Т1, що підтверджують теоретичні оцінки, наведені на підставі даних табл. 1. Швидкість окислення інших досліджених металів знаходиться в проміжному значенні між характерними для № та Т1.

    мні

    2

    нм

    0.8

    0.4

    1.2

    1.6

    0 40 80 120 160 200 240 280 320 нм

    Г

    0 40 80 120 160 200 240 280 нм

    Мал. 1. АСМ-зображення поверхні плівки танталу після її локального зондового окислення (а) і профіль перетину поверхні поперек оксидних смужок (б)

    Таким чином, показано, що швидкість процесу окислення залежить від електричних режимів окислення і від фізико-хімічних властивостей даної системи, таких як властивості окисляемого металу (питомий опір, наявність на поверхні природного оксиду і його товщина), співвідношення питомих щільності металу і оксиду, електрохімічна константа процесу окислення. ,

    методу локального зондового окислення найкращим є ванадій, як забезпечує максимальну швидкість окислення, а слідчий, .

    БІБЛІОГРАФІЧНИЙ СПИСОК

    1. Lemeshko S., Gavrilov S., Shevyakov V., Roschin V. and Solomatenko R. Investigation of tip-induced ultra thin Ti film oxidation kinetics // Nanotechnology. - 2001. - Vol. 12, № 3.

    - P. 273-276.

    2. Jen Fin Lin, Chih Kuang Tai, Shuan Li Lin. Theoretical and experimental studies for nanooxidation of silicon wafer by ac atomic force microscopy // J. Appl. Phys. Lett. - 2006. - Vol. 99.

    - P. 054312-1 - 054312-11.

    3. . ., . ., . .

    // / ред. Ю.А. Чаплигіна. - М .: Техносфера, 2005. - С. 73-98.

    4. Юнг Л. Анодні океідние плівки. - J1 .: Енергія, 1967. - 232 с.

    5. Anders S., Raoux S., Krishnan K. et al. Plasma distribution of cathodic arc deposition systems // J. Appl. Phys. - 1996. - Vol. 79. - P. 6785-6789.

    Статтю рекомендував до опублікування д.т.н., професор Д.Г. Громов.

    Шевяков Василь Іванович

    Г осударственного освітня установа вищої професійної освіти "Московський державний інститут електронної техніки (технічний університет)".

    E-mail: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. Вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її..

    124498,. ,,. 4806, 5.

    Тел .: 89859766123.

    д.т.н .; професор.

    Shevyakov Vasily Ivanovitch

    Moscow Institute of Electronic Technology (Technical University).

    E-mail: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. Вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її..

    5, 4806-th Street, Moscow, Zelenograd, 124498, Russia.

    Phone: +79859766123.

    Dr. of Eng. Sc., Professor.


    Ключові слова: АТОМНО-СИЛОВА МІКРОСКОПІЯ / ЛОКАЛЬНЕ ЗОНДОВОГО ОКИСЛЕННЯ / ПРОДУКТИВНІСТЬ МЕТОДУ / ATOMIC FORCE MICROSCOPY / LOCAL PROBE OXIDATION / PRODUCTIVITY OF METHOD

    Завантажити оригінал статті:

    Завантажити