1

осаждение защитного покрытия, например, нитроцеллюлозы, полиэфириримида в этилацетате, бутилацетате или гептане (д); удаление оставшегося непрокисленного слоя алюминия (е) и защитного слоя (ж). Следующей операцией является осаждение слоя золота через маску из пористого оксида на кремниевую подложку и селективное травление маски (з), после которого пленка золота остается только в порах оксида

(процесс похожий на обратную литографию). Диаметр точек составляет 40 нм с интервалом 100 нм.

54Самоорганизованные имплантированные наноразмерные структуры в

полупроводниках

Явление самоорганизации в кристаллах с дефектами, что реализуется при использовании радиационных методов воздействия на кристаллические структуры.

Отметим основные направления, которые можно выделить среди результатов по радиационной самоорганизации.

1. Обратимый процесс аморфизация — кристаллизация. В этом случае

стимулированный фазовый переход происходит либо в течение одного

непрерывного цикла (в частности, при ионной имплантации), либо при дополнительном

2. Радиационно-стимулированный процесс формирования упорядоченных в пространстве кластеров (в том числе наноразмерных) при внедрении в аморфные подложки (полимерные слои, пленки SiO2 на кремниевой подложке ионов различных

элементов). В этом случае удается получать квантово-размерные упорядоченные структуры, которые уже в настоящее время используются в устройствах наноэлектроники

инанофотоники.

3.Направление, связанное с сознательным использованием структурных дефектов в качестве активных элементов приборных устройств. Все большее внимание привлекают упорядоченные системы дефектных включений типа дефектов *311+ в облученном быстрыми частицами монокристаллическом кремнии, которые, по-видимому, могут рассматриваться как собственные нанокристаллы в объемной кремниевой матрице и соответственно демонстрировать квантово-размерные эффекты.

Стоит отметить также, что самоорганизованные наноразмерные структуры, как в ряде случаев это уже проверено экспериментально, могут проявлять дополнительные уникальные свойства, в частности повышенную стабильность и радиационную стойкость.

Для устройств наноэлектроники уже сейчас применяются системы с погруженными в пленку SiO2 нанокристаллами кремния и германия, которые служат в качестве

элементов энергонезависимой памяти с длительным временем хранения и большой скоростью перезаписи информации. Эти устройства известны, как МДП-элементы памяти с плавающим затвором.

Механизм формирования нанокластеров в системе SiGe, созданных с помощью ионного внедрения, рассматривается с позиций представлений о формировании таких структур при их создании с помощью молекулярно-лучевой эпитаксии. Основным фактором при этом рассмотрении является механизм релаксации упругих напряжений в сравнительно узком диапазоне толщин наносимого из молекулярного пучка слоя Ge (3—8

моноатомных слоев). Этот механизм, по-видимому, реализуется и для имплантированных SiGe структур.

Имплантированные квантовые точки в структуре SiGe

Рис. 1. Схемы механизмов гетероэпитаксиального роста пленок: a)по механизму Франка -

ван дер Марве; b) по механизму Волмера-Вебера; c) по механизму Странского-

Крастанова.

Для рассмотрения результатов по формированию квантовых точек в

системе SiGe ионными пучками коротко приведем только основные моменты, связанные с механизмом формирования таких структур на поверхности кремниевой пластины, при использовании метода МЛЭ либо CVD (рис. 1). Кластеры, способные обладать возможностью реализации квантово-размерных эффектов, образуются только при нанесении от 3 до 7 монослоев Ge. При увеличении толщины слоя Geформируются сплошные структуры.

Несоответствие периодов кристаллических решеток кремния и германия,

составляющее ~ 4%, является причиной возникновения в структуре SiGeзначительных упругих напряжений, релаксация которых при определенных условиях происходит за счет генерации дислокаций. Поля упругих напряжений, возникающие вокруг дислокаций несоответствия, и их взаимодействие приводят к перераспределению и пространственному упорядочению дислокаций. Пространственно упорядоченные дислокации являются центрами геттерирования германия, что, в свою очередь, приводит к периодическому распределению областей с его повышенным содержанием — квантовых точек.

55 Энергонезависимая память на нанокристаллах, синтезированных ионными пучками

Рис. 2. Схематическое сечение МОП транзистора с плавающим затвором.

Элементарные ячейки флэш-памяти могут состоять как из одного, так и из двух транзисторов. В простейшем случае каждая ячейка хранит один бит информации и состоит из одного полевого транзистора со специальной электрически изолированной областью (плавающим затвором), способной хранить заряд многие годы. Ячейка флэш-

памяти представляет собой одиночный многовходовый МОП-транзистор (рис. 2).

Проводящий поликремниевый слой между внешне доступным затвором и подложкой обозначен как плавающий затвор (FG). Диэлектрики между FG и подложкой (обычно термический оксид кремния), а также между FG и контрольным входом обычно называются туннельным и управляющим диэлектриком соответственно.

Одно из главных преимуществ памяти на нанокристаллах по сравнению с обычными устройствами на основе плавающих затворов состоит в использовании взаимно изолированных узлов хранения заряда вместо непрерывного поликремниего слоя. Такой неоднородный плавающий затвор уменьшает потерю зарядов через дефекты в окисле, где происходит туннелирование, позволяя все более уменьшать толщины туннельного окисла. Кроме того, как в большом числе современных технологий, для улучшения работы памяти на основе плавающего затвора с нанокристаллами, могут быть

использованы эффекты квантовой локализации, кулоновской блокады, а также дискретные ловушки, распределенные в нитридном слое.

Параметры памяти на нанокристаллах и в первую очередь ее производительность сильно зависят от следующих факторов: (а) возможности создания простым и гибким методом, совместимым с существующей КМОП-технологией, однородных,

воспроизводимых и перестраиваемых структур; (б) выбора технологии производства,

совмещающей в себе введение примеси, управление оксидом и освобождение от дефектов границы раздела SiO2/Si для производства нанокристаллов в нужном месте

подзатворного окисла; (в) структурных характеристик изолированных кластеров (размер,

форма, плотность), которые влияют на потенциальную энергию захваченных электронов,

энергии кулоновской блокады, эффективное экранирование канала и электрическую изоляцию хранимых зарядов.

Поскольку оптимальный средний размер нанокристалла ниже современной разрешающей способности литографии, весьма привлекательным оказался способ изготовления нанокристаллов путем самоформирования.

Среди различных способов получения захороненного слоя нанокристаллов,

исследуемых в течение последних лет, методика ионно-лучевого синтеза обратила на себя большое внимание из-за своей гибкости и производственных преимуществ.

Один из механизмов создания области затвор-диэлектрик, состоящей из управляющего оксида (верхний слой), слоя оксида с захороненными нанокристаллами германия (средний слой) и туннельного оксида (нижний слой), представлен на рис. 5..

Рис. 5. Формирование слоя нанокристаллов Ge в подзатворном диэлектрике для хранения заряда в устройствах памяти.

Такая техника создания нанокристаллов позволяет очень точно контролировать толщину оксидов окружающих захороненный слой нанокристаллов. В первую очередь на поверхности кремниевой подложки создается тонкий эпитаксиальный слой Si1-

xGex с последующим высокотемпературным влажным окислением, которое заставляет

имплантированный Ge скапливаться на границе раздела Si/SiO2 (вследствие отделения

растущего оксида в данных условиях окисления). После удаления слоя высокотемпературного оксида верхний слой оксида выращивается при 800°С в атмосфере сухого О2. В таких условиях Ge не взаимодействует с растущим оксидом. Затем слой Si1-

xGexO2 выращивается при 650оС во влажной среде таким образом, что Ge проникает в

область затвор-диэлектрик. На заключительном этапе выращивается туннельный оксид

при 800оС в атмосфере сухого О2, а затем структура отжигается при температуре 900оС, что

приводит к образованию преципитатов Ge и формированию захороненного слоя нанокристаллов.

Возможность ионно-лучевого синтеза применительно к памяти на нанокристаллах была недавно расширена за счет синтеза в режиме сверхнизкой энергии (1 кэВ)

двумерных массивов кремниевых нанокристаллов в тонких слоях SiO2. Комбинация

сверхнизкой энергии ионно-лучевого синтеза и толщины оксида позволяет формировать

нанокристаллы Si вблизи границы раздела SiO2/Si, что может быть применено в создании

ОЗУ и ПЗУ типов памяти.

56 Высокотемпературные сверхпроводники в наноэлектронике

Основой для создания электронных элементов с использованием высокотемпературного сверхпроводника (ВТСП) являются технологии формирования

тонких и совершенных слоев этого материала.

Формирование наноразмерной планарной активной зоны

Для формирования джозефсоновского перехода в сверхпроводниковой структуре необходимо разделить две области сверхпроводника слоем диэлектрика или нормального проводника размером 3—30 нм, что связано с длиной корреляции связанных электронов в этих материалах. Поскольку разработанные методы позволяют получать структуры, содержащие один слой сверхпроводника, необходимо создание наноразмерной дефектной зоны в плоскости пленки.

Один из методов создания наноразмерных планарных зон — это использование бикристаллических подложек. Другой метод основан на изменении рельефа подложки по длине микрополоски. Третий метод использует свойства поликристаллических структур.

Границы между зернами являются естественными активными зонами с характерным размером от долей нанометра до нескольких нанометров. Недостатком такой структуры является большое число таких границ на длине сверхпроводникового элемента,

неоднородность структурных и электрических свойств границ, сложность управления их свойствами.

Датчики магнитного поля

Интересный вариант использования слоев сверхпроводника толщиной до 100 нм для изготовления датчика магнитного поля основан на использовании магнитных барьеров.

Однако для практической реализации этой идеи требуется создание бездефектной структуры, что в настоящее время затруднительно. Наиболее простой и эффективный

способ изготовления датчика магнитного поля на этом этапе развития технологии основан на использовании эффектов на границах зерен сверхпроводника. Фактически каждая межзеренная граница работает как джозефсоновский переход, а по совокупности вся структура может рассматриваться как «джозефсоновская среда». Именно эти границы значительно изменяют сопротивление при воздействии внешнего магнитного поля.

Наличие таких границ хотя и снижает критический ток, но одновременно повышает чувствительность структуры к внешнему магнитному полю. К достоинствам сверхпроводникового датчика магнитного поля можно отнести векторный характер его магниточувствительности.

Фотоника волноводных наноразмерных структур

Нанофотоника — наука о взаимодействии света с веществом в нанометровом масштабе. Ключевой факт — то, что нанофотоника имеет дело со взаимодействиями между светом и веществом в масштабе короче, чем длина волны света.

В нанофотонике можно концептуально выделить три направления исследований и применений. Первое направление связано с изучением процессов, инициированных в веществе при возбуждении пучком света, сфокусированным до нанометровых размеров.

При этом сам объект исследования может иметь достаточно протяженные размеры

(больше, чем длина волны возбуждающего света). Необходимое уменьшение размера площади, на которой фокусируется свет, требует специальной техники. Поэтому эти исследования связаны в основном с применением микроскопии ближнего поля.

Второе направление связано с исследованиями оптических свойств (линейных и нелинейных) наноразмерных частиц. В этих исследованиях размервозбуждающего светового пятна может быть любым, но объект исследований либо состоит из наноразмерных частиц, либо имеет нанометровые размеры хотя бы в одном измерении.