1

проводимость канитилевера будет определяться в основном высоколегированной кремниевой его частью, а сверхтонкое покрытие будет обеспечивать лишь защитные свойства, т.е. предотвращать образование естественного окисла на поверхности кремния.

Однако, такой подход может быть осуществим только при отсутствии на границе раздела:

пленка-кремний естественной пленки окисла кремния.

Основные требования к конструктивным и физическим параметрам проводящих кантилеверов: высокая проводимость покрытия кантилеверов; повышенная твердость,

износостойкость покрытия; высокая электромиграционная стойкость; сплошность покрытия при его толщине от единиц нм; отсутствие естественного окисла на поверхности проводящего покрытия и на границе раздела: покрытие — кремний; высокая адгезионная способность материала покрытия к Si и Si3N4; химическая инертность покрытия; малый

уровень встроенных механических напряжений в двухслойной структуре: тонкопленочное покрытие — кремниевая балка; малый радиус кривизны острия иглы кантилевера.

Была предпринята попытка развития процесса локального зондового окисления для создания диэлектрической пленки, модулированной по толщине, имеющей многофункциональное назначение.

Очевидным является тот факт, что если необходимо получить диэлектрическую маску с различной толщиной в различных ее участках, то этого можно достичь вариацией параметров импульсов напряжения в различных точках растра. Следует отметить, что дан-

ный подход позволяет обеспечить создание диэлектрической маски как с дискретно меняющейся толщиной в различных ее частях, так и с непрерывно меняющейся толщиной. По сути, модуляция толщины маски в данном случае определяется задаваемой функцией изменения параметров импульса напряжения в различных точках растра.

Локальное химическое осаждение из газовой фазы

Зондовое локальное химическое осаждение материалов из газовой фазы обычно осуществляют при комнатной температуре в сканирующих туннельных микроскопах,

оснащенных газовым инжектором, сопло которого располагают в непосредственной близости от острия зонда. Метод опробован на металлах и полупроводниках. В качестве исходных реагентов обычно используют те же соединения, что и при традиционном осаждении материалов из газообразных металлорганических соединений.

Процесс осаждения материала под зондом регулируется несколькими механизмами, связанными с действием электрического поля в зазоре зонд-подложка.

Вначале происходит диссоциация исходных реагентов в сильном электрическом поле или за счет электронной бомбардировки. Молекулы газа могут также ионизироваться за счет присоединения электронов. Продукты диссоциации адсорбируются на поверхности подложки исключительно под острием зонда, поскольку неоднородное электрическое поле под зондом заставляет их мигрировать в область максимальной напряженности

поля, т.е. к проекции оси зонда на подложку. Этот метод обеспечивает нанесение полосок

материала толщиной в несколько нанометров при их ширине 3–5 нм. Скорость осаждения составляет порядка 3 нм/с.

Нанотехнологические методы, использующие сканирующие зонды, достаточно перспективны для создания наноразмерных элементов из различных материалов. Они обеспечивают формирование твердотельных элементов–квантовых шнуров и квантовых точек, размерами порядка 10 нм и менее. Существенным ограничением в их широком применении является скорость обработки подложек. Она остается недостаточной для массового производства. Между тем, малые размеры зондов позволяют интегрировать их в многозондовые блоки для одновременной параллельной обработки значительных поверхностей.

48 ЭЛЕМЕНТНАЯ БАЗА НАНОЭЛЕКТРОНИКИ НА ОСНОВЕ ЗОНДОВЫХ НАНОТЕХНОЛОГИЙ

Формирование нанометровых объектов с помощью зонда сканирующего туннельного микроскопа или кантилевера атомно-силового микроскопа становится все более востребованным для создания элементной базы наноэлектроники, создания запоминающих устройств с терабитным объемом памяти. Тем самым понятие «зондовая нанотехнология» становится все более определенным и достаточно распространенным.

Зондовые нанотехнологии: взгляд на развитие

Применительно к электронике зондовую нанотехнологию можно определить как регламентированную последовательность способов и приемов формирования,

модификации и позиционирования элементов нанометровых размеров, состоящих в том числе из отдельных молекул и атомов, на поверхности подложек с помощью зонда-

острия и возможностью одновременной их визуализации и контроля.

Одним из примеров возможного создания запоминающих устройств сверхбольшой емкости может служить запись информации с помощью атомов кремния, находящихся на золотых дорожках. В свою очередь золотые дорожки нанометровой ширины были образованы на кремниевой подложке методом самоорганизации.

Одним из существенных недостатков зондовых нанотехнологии является низкая производительность процессов, осуществляемая одним зондом. Для преодоления этого недостатка разработчики пошли по пути создания многозондовых матричных устройств,

работающих одновременно на одной подложке и расположенных на одном держателе.

Millipede — наномеханическое устройство для параллельной записи/считывания информаци.

наномеханическое устройство для параллельной записи/считывания информации. Чип размером 3x3 мм состоит из 1024 игл.

Методы зондовых нанотехнологий весьма разнообразны. Используются многие известные физические эффекты, в том числе локальный тепловой эффект от ускоренного пучка электронов в межэлектродном зазоре. Например, при типичном значении тока

между зондом и подложкой 1 мкА и площади локализации тока 10*10 нм2 плотность тока

составляет 106 А/см2, и при напряжениях в несколько вольт между электродами может выделяться мегаваттная плотность мощности. Эффект локальной деформации подложки под воздействием электростатического притяжения электродов, пороговый эффект испарения атомов с поверхности электродов в сильном электрическом поле объясняются тем, что между зондом и подложкой весьма просто создать электрические поля,

сравнимые с внутриатомными. Действительно, если расстояние между острием зонда и подложкой составляет 0,5 нм (это типичный туннельный зазор) и приложено напряжение

всего 5 В, то напряженность электрического поля будет составлять 108 В/см. Объемный эффект электродинамических сил возникает за счет высокой плотности тока и относительно слабого собственного магнитного поля. Эффект электронного «ветра» возникает тогда, когда суммарный импульс, переносимый пучком электронов может приводить к пластической деформации электродов. Между зондом и подложкой возможно проведение различных электрохимических реакций, в частности, достаточно той влаги на поверхности подложки, которая образуется в обычных лабораторных условиях, чтобы с помощью зонда проводить локальное анодное окисление.

Зондовое формирование полимерных микропроводников

В межэлектродном зазоре между туннельным зондом и подложкой возможно создание электрических полей, сравнимых с внутриатомными при напряжениях, не превышающих порог ионизации. В таких полях происходит поляризация молекул и атомов среды такая, что за счет диполь-дипольного взаимодействия возможно

образование упорядоченных пространственных структур, в частности молекулярных мостиков.

Заметим, что для предотвращения деструкции среды за счет электрического поля в межэлектродном зазоре приложенная разность потенциалов не должна превышать соответствующие потенциалы ионизации молекул среды.

Рис. 8. Схематическое изображение элемента с вертикальным микроконтактом: 1 —

металлическая подложка; 2— игольчатый электрод (зонд); 3—микропроводник; 4—

диэлектрическая матрица.

Впервые явление формирования проводящих каналов длиной до 100 нм было обнаружено в сканирующем туннельном микроскопе, работающем на воздухе. При определенных условиях, в частности при медленном отведении зонда от поверхности подложки (не более 2 нм/с) возникали проводящие мостики между электродами из адсорбата воздуха, которым они покрыты. Найденные закономерности, очевидно,

должны проявляться при определенных условиях и в жидких диэлектриках.

49 Методы формирования металлических квазиодномерных микроконтактов на

подложках

Одним из наиболее эффективных является метод, связанный с процессом зондового окисления полупроводниковых материалов или металлических пленок.

В обычных атмосферных условиях поверхности практически всех изделий покрыты пленкой адсорбата. Основу адсорбата составляет вода, находящаяся в квазижидком состоянии. При стимулировании током зонда возможно окисление металлических и полупроводниковых подложек. Если происходит анодирование поверхности проводящих подложек, то потенциал на подложке должен быть положительным. Например,

электрохимическая реакция для пленок титана может происходить по схеме:

Ti + 2Н20 = ТiO2 + 4е + 4Н+.

Реакция сдвигается в сторону окисления за счет инъекции электронов с зонда и оттока положительных ионов водорода на зонд.

Метод локального анодного окисления получил широкое распространение при создании функциональных элементов наноэлектроники. В качестве инструмента для проведения зондовой литографии используются методики сканирующей зондовой микроскопии с применением проводящих кантилеверов. Наиболее перспективными считаются тугоплавкие металлы IV — VI групп ввиду их устойчивости к пропусканию больших плотностей тока.

При формировании наноэлементов на подобных тонкопленочных структурах существуют проблемы получения высокой проводимости и снижения дефектности исходного материала. Эти свойства определяются в основном технологией напыления пленок. Таким образом, стабильность и воспроизводимость характеристик устройств

наноэлектроники напрямую зависит от качества исходных пленок и подложек, на которые они наносятся.

Металлическая наноэлектроника

Элементная база такой электроники может быть создана на основе металлических квазиодномерных проводов — квазиодномерных микроконтактов, проявляющих квантовые свойства проводимости при комнатных температурах.

Предполагается использовать двухэтапный процесс: на первом этапе методами традиционной микроэлектронной технологии создаются матричные кристаллы на диэлектрических подложках с металлическими проводящими дорожками; на втором этапе методами зондовой нанотехнологии создаются планарные элементы металлической наноэлектроники.

Квазиодномерный металлический канал в некотором роде аналогичен квантовому проводу. Однако, в отличие от квантового провода, в канале не удалось наблюдать явно выраженного квантования при комнатной температуре, поскольку поперечные размеры канала недостаточно малы для эффекта квантования в условиях комнатных температур.

Размещая двухэлектродные планарные квазиодномерные микроконтакты в стандартные микроэлектронные корпуса, можно создать ряд элементов электроники с нанометровыми активными областями. При этом возможности зондовой нанотехнологии позволяют создать на исходном кристалле необходимую характеристику. Возможности такого устройства зависят в том числе от используемых частот.

Топография квазиодномерного канала, полученного окислением танталового

«крестика». Процесс получения такой структуры насчитывал три технологических операции: «отсечка» нижнего контакта, «отсечка» верхнего контакта и получение квазиодномерного канала с шириной < 10 нм. После первой и второй технологических

операций проводилось измерение тока, проходящего через контакт, для нижнего и

верхнего контакта. Измерения показали полное отсутствие какого-либо тока утечки.