VIVOS VOCO: Е.П. Велихов, "НАНОЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ"

Важнейший процесс в микро- и наноэлектронных производствах - литография. Стоимость процесса литографии, повторяющегося при производстве интегральной схемы до 20-25 раз, является определяющей в стоимости кристалла. В настоящее время есть уверенность в том, что прогресс в массовом производстве будет определяться развитием оптических степперов или степперов-сканеров с эксимерными лазерными источниками света на длинах волн 248, 193.4, 157 нм и, наконец, степперов в области так называемого экстремального ультрафиолета или мягкого рентгена на длине волны 13.4 нм (табл. 1). Это обеспечит возможность создания интегральных схем, сложность которых исчисляется миллиардами вентилей на одном кристалле.

Основным прибором таких схем является МДП-нанотранзистор, который сохраняет свои усилительные свойства вплоть до длин канала 5 нм. Этот прибор наноструктурный во всех трех измерениях. Рабочие слои нанотранзистора имеют размеры 1-10 нм. Представляет большой интерес и одноэлектронный транзистор, который способен функционировать при комнатной температуре, если размер его элементов (островков) составляет по порядку величины 1 нм. Создание технологии изготовления регулярных полей таких островков открыло бы перспективу разработки одноэлектронных устройств памяти емкостью 1 Тбит.

Наряду с оптической литографией получили развитие методы, с помощью которых уже теперь формируются отдельные наноструктуры и прототипы устройств (схем) на наноэлектронных приборах - ИМПРИНТ и электронная литография (табл. 2). Кроме того, использование современной оптической литографии в сочетании с приемами самоформирования и самосовмещения, а также прецизионных плазменных процессов позволяет реализовать нанотранзисторы с длинами каналов в суб-100 нм диапазоне, а на их основе создавать библиотеки элементов микропроцессоров, прототипы функциональных блоков для перспективных производств.

Рис. 1. Схема многослойной структуры в исходном состоянии (а), после облучения протонами (б)
и дозовая зависимость электросопротивления многослойной структуры в процессе облучения (в)

1 - слой Со (верхний), 2 - слой Сu (нижний)

ИМПРИНТ-литография основана на использовании штампа с нанорельефом, играющего ту же роль, что и шаблон в контактной оптической литографии. Штамп изготавливается методом электронной литографии и анизотропного плазмохимического травления. Нанорельеф "впечатывается" в полимер, покрывающий подложку, в условиях нагрева и высокого давления. Полимер с нанорельефом служит маской в последующих операциях (травление, имплантация и т.д.). С помощью этого метода была продемонстрирована возможность создания рекордных по разрешению и плотности структур. При этом достигнутое разрешение составляет около 6 нм, а расстояние между элементами структуры - 20-30 нм [1, 2]. Главные ограничения метода заключаются в трудностях совмещения штампов для формирования различных слоев структуры. Обычно число литографий в процессе производства интегральных схем достигает 20-25. Поэтому наиболее эффективной ИМПРИНТ-литография может быть, если для создания наноструктуры необходим только один процесс литографии, а для формирования остальных слоев структуры возможно использование приемов самосовмещения, ставших уже привычными в технологии КМОП-схем.

Новый подход к формированию наноструктур, успешно сочетающийся с ИМПРИНТ-процессом, развит в РНЦ "Курчатовский институт" и основан на явлении селективного удаления атомов определенного сорта из двух- или многоатомных веществ в результате смещений атомов пучком ускоренных частиц [3]. Такая модификация приводит к радикальным изменениям физических свойств материала, например, к переходу изоляторов - в металлы или полупроводники, немагнитных материалов - в магнитные, оптически прозрачных материалов - в оптически непрозрачные, позволяет формировать заданный рельеф на поверхности твердых тел и т.д. [4-6]. Метод дает возможность создавать одновременно многослойные структуры с различной геометрией, физическими и функциональными свойствами в разных слоях за счет облучения ионным пучком через одну и ту же маску, что обеспечивает совмещение элементов структуры в различных слоях с точностью около 1 нм [6]. В результате возможно использование только одной маски (только одного штампа в ИМПРИНТ-процессе) для одновременной обработки нескольких слоев в многослойной структуре (рис. 1). Авторами работ [4-6] продемонстрировано разрешение 15 нм при создании многослойных наноструктур.

В электронной нанолитографии используют высокоэнергетичные пучки (100-200 эВ) сечением до 1-10 нм. На органических (например, ПММА) и неорганических резистах реализуется разрешение до 10 нм. Главным ограничением электронной нанолитографии является низкая производительность. Электронно-лучевая литография развита в Институте проблем технологии микроэлектроники и особочистых материалов РАН [7], создан электронно-лучевой высоковольтный микрофабрикатор с пучком диаметром не более 20 нм, обеспечивающий "врисовывание" наноэлементов, например затворов полевых транзисторов, длиной 50-100 нм в заранее созданные оптической литографией контуры остальных областей транзисторной структуры. Другой пример применения электронной нанолитографии - разработка сверхчувствительного датчика Холла [8]. Для его изготовления использовалась гетероструктура GaAlAs/GaAs с двумерным электронным газом. Благодаря высокой подвижности в холловском кресте реализуется баллистический транспорт электронов, а выходной сигнал становится пропорциональным средней величине магнитного поля в области чувствительности датчика и не зависит от пространственного распределения поля.

Рис. 2. Центральная часть рабочего образца со сверхпроводящим алюминиевым кольцом и сужением (а) и кривые намагниченности двух колец при температуре 0.3 К (б)

Верхняя кривая соответствует кольцу, приведенному на фотографии, нижняя - сплошному кольцу без сужения; каждый скачок на верхней кривой соответствует проникновению в кольцо одного кванта магнитого потока

На рис. 2а показана центральная часть рабочего образца, где объектом исследования является сверхпроводящее алюминиевое кольцо со "слабым" участком, то есть с сужением. Ширина холловского датчика около 1.5 мкм. Размеры узкого места в кольце шириной 0.2 мкм составляют 0.1х0.1 мкм. Процесс изготовления датчика включает в себя две фотолиграфии, две электронные литографии, два этапа жидкостного травления через маски, многослойную металлизацию контактов Cr/Ge/Au/Cr/Au, формирование отжигом омического контакта к слою с двумерной проводимостью, залегающему на глубине порядка 100 нм. Ошибка совмещения слоев на этапе электронной литографии не превышает 50 нм. На рис. 2б приведены фрагменты кривых намагниченности двух колец при температуре 0.3 К. Верхняя кривая соответствует кольцу, показанному на фотографии; нижняя - сплошному кольцу без сужения. Каждый скачок на верхней кривой соответствует проникновению в кольцо одного кванта магнитного потока (f₀). Уровень шума в экспериментах соответствует изменению внешнего поля на величину порядка 10^-2 Гс, то есть для датчика площадью 2 мкм² чувствительность составляет 10^-3f₀.

Формирование суб-100 нм структур возможно с помощью оптической литографии, например, доступной в промышленности литографии на i-линии ртутной лампы. В Физико-технологическом институте РАН для получения затворов нанотранзисторов длиной 35-40 нм используется прием самосовмещения [9], основанный на формировании хорошо контролируемого "подтрава" тонкой металлической пленки заданной толщины под резист, резкость края которого обеспечивается специальной плазменной обработкой (рис. 3). Это позволило создать оригинальный технологический маршрут для производства нанотранзисторов и интегральных схем на их основе с применением только оптической литографии [10].

Рис. 3. Схема формирования суб-100 нм щели а - литография по фоторезисту, б - контролируемый подтрав металлической пленки под резист, в - нанесение металлической пленки, г - удаление фоторезиста методом "взрыва", д - фотография структуры на стадии (в)

Важную роль в нанотехнологии играют плазменные процессы. В современной технологии кремниевых интегральных схем плазменные процессы следуют за каждой литографией. В промышленном производстве используются технологические установки - кластеры, объединяющие несколько плазмохимических камер. Необходимо не только воссоздать наноразмеры в фоторезисте, но и сформировать наноструктуры в рабочих слоях (например, в SiO₂, Si₃N₄ или в Si). Возможности применения плазменных процессов постоянно расширяются. Это - высокоанизотропное травление отдельных слоев наноструктур, низкотемпературное осаждение диэлектриков, удаление фоторезиста, очистка поверхности пластин от органических загрязнений и атомов тяжелых металлов, планаризация, ионная имплантация и др. Технологии и прототипы оборудования для их реализации разработаны в Физико-технологическом институте РАН на основе новых типов широкоапертурных источников плотной плазмы, обеспечивающих равномерные потоки ионов и электронов (по плотности и температуре) на пластины большого диаметра. Продемонстрировано высокоанизотропное глубокое травление нанощелей шириной до 35-40 нм в SiO₂.

Разработан плазмо-иммерсионный ионный имплантер, который позволяет формировать р-n переходы стока и истока нанотранзисторов с глубиной залегания 10-60 нм при ускоряющих напряжениях 0.5-5 кВ [11]. Методом плазмостимулированного осаждения получены тонкие слои кремнийсодержащих диэлектриков при комнатной температуре подложки [12].

Все большее значение в наноэлектронике обретает моделирование нанотехнологических процессов и приборов. Современные вычислительные средства позволяют осуществлять моделирование такого процесса, как рост тонкой пленки, в том числе из первых принципов, отслеживая послойный рост. Это тем более актуально, что толщина тонких пленок в наноструктурах достигает 1 нм, например, толщина подзатворного диэлектрика в су б-100 нм МДП-транзисторе. Такие работы развиты в РНЦ "Курчатовский институт" и в Физико-технологическом института РАН.

Особая роль моделирования в нанотехнологии определяется тремя факторами. Во-первых, сравнительно небольшие размеры нанообъектов позволяют использовать атомистическое моделирование для описания образования, структуры и свойств объекта. Во-вторых, атомистическое моделирование, как правило, основано на первых принципах, что делает этот подход предсказа-тельным и, в известном смысле, независимым от эксперимента источником фундаментальных знаний о структуре и свойствах нанообъектов. В-третьих, размеры нанообъектов являются промежуточными между размерами молекулярных и протяженных систем. Исследование нанообъектов традиционными экспериментальными методами затруднительно, так как результаты этих исследований (например, результаты, полученные методами туннельной или атомносиловой микроскопии) нуждаются в надежной теоретической интерпретации с использованием атомистических методов. Особый интерес для атомистического моделирования представляют твердотельные наноструктуры: квантовые точки и провода, атомные кластеры, сверхтонкие пленки, нанот-рубки, фуллерены и т.п.

Для атомистического моделирования используют квантово-химические и молекулярно-динамические методы. Они позволяют предсказывать различные физико-химические свойства и структуру большого класса наноразмерных систем. Для описания кинетики образования нанообъектов, а также зависимостей структуры и свойств нанообъектов от условий их получения используются методы кинетического Монте-Карло, молекулярно-динамические методы, а также новые гибридные методы, с помощью которых моделируют реальные процессы формирования и роста наноструктур. Примером успешного применения атомистического моделирования служат работы, направленные на описание процессов роста и свойств диэлектрических пленок [13, 14] для новых поколений интегральных микросхем на основе КМОП-технологии. Исследование выполнено в РНЦ "Курчатовский институт" в рамках развитого в [13] подхода - кМС-DR, основанного на комбинировании метода кинетического Монте-Карло с молекулярно-динамическим. Моделирование позволяет описать структуру пленки ZrO₂ и интерфейса между пленкой и подложкой (рис. 6), определить ее химический и фазовый состав, а также исследовать электрические свойства.

Рис. 6. Рассчитанная структура пленки ZrO₂ после четырех циклов
послойного химического осаждения из ZrCl₄ и H₂O

Нанообъекты являются составной частью макросистем. Этим объясняется необходимость развития многоуровневых методов описания, совмещающих в себе атомный, мезоскопический и макроскопический масштабы. Такие подходы используются для описания перспективных технологий: молекулярно-лучевой эпитаксии, послойного химического осаждения, осаждения, стимулированного плазмой, плазменного и ионного травления.

Еще одна специфическая особенность моделирования наносистем - необходимость учета статистических и квантовых флуктуаций в их поведении. Это связано с относительно небольшим числом частиц, составляющих такие системы. При моделировании нанообъектов и наноприборов, а также построении соответствующих вычислительных моделей приходится во многих случаях использовать методы квантовой и классической статистики. Необходимость практического применения этих методов моделирования требует их дальнейшего развития: совершенствования методов и алгоритмов, создания интегрированных пакетов компьютерных программ, включающих базы данных, совершенствования методов обработки и визуализации получаемых результатов.

ЛИТЕРАТУРА

1. Chou S., Krauss P., Zhang W. et al. Sub-10 nm imprint lithography and applications // J. Vac. Sci. Technol. 1997. В 15(6). P. 2897-2904.

2. Carcenac F., Vieu С., Lebib A. et al. Fabrication of high density nanostructures gratings (>500 Gbit/in²) used as molds for nanoimprint lithography // Microelectronic Engineering. 2000. V. 53. P. 163-166.

3. Гурович Б.А., Долгий Д.И., Кулешова Е.А., Велихов Е.П. и др. USA Patents № 6.218.278 № 6.004.726 priority 05/22/98.

4. Гурович Б.А., Долгий Д.И., Кулешова Е.А., Велихов Е.П. и др. Управляемая трансформация электрических, магнитных и оптических свойств материалов ионными пучками // Успехи физических наук. 2000. Т. 44. № 1.

5. Gurovich В, Dolgii D., Meilikhov E., Kuleshova E. New Technique for Producing Patterned Magnetic Media // Intermag Europe 2002 (Amsterdam, April-May, 2002). Digest FPIO.

6. Gurovich B.A., Dolgy D.I., Kuleshova Е.А., Meilikhov E.Z. et al. Selective Removal of Atoms as a New Method for Fabrication of Nanoscale Patterned Media // Special issue of Microelectronic Engineering. To be published.

7. Аристов В.В., Казьмирук В.В. Разработка электронно-лучевого оборудования для литографии и электронной микроскопии // Тезисы докладов на Всероссийской конференции "МНЭ-2001". Звенигород, 2001. Т. 1.01-4.

8. Geim A.K., Dubonos S.V., Palacios J.J. et al. Fine Structure in Magnetization of Individual Fluxoid States // Phys. Rev. Lett. 2000. V. 58. P. 1528-1531.

9. Валиев К.А., Горбацевич А.А., Кривоспицкий А.Д. и др. Способ изготовления полупроводникового прибора с Т-образным управляющим электродом субмикронной толщины. ФТИАН. Патент РФ №2192069.10.07.2000.

10. Krivospitsky A.D., Okshin А.А., Orlikovsky А.А., Semin Yu.F. Submicron structures formation with the help of usual photolithography and self-formation method // Proc. of lPT RAS. Ed. By А.А. Orlikovsky. 2000. V. 16. P. 71-83.

11. Аверкин С.Н., Аверкина Т.Н., Валиев К.А. и др. Плазмо-иммерсионный ионный имплантер для формирования супермелкозалегающих р-n переходов // Тезисы докладов Всероссийской конференции "МНЭ-2001". Звенигород, 2001. Т. 1.

12. Орликовский А.А. Плазменные процессы для нанотранзисторной электроники // Информационные технологии и вычислительные системы / Под ред. С.В. Емельянова. ОИВТА РАН. 2000. № 2. P. 74-83.

13. KnizhnikA., Potapkin В., BagaturyantsA., Korkin A. // Comp. Mat. Sci. 2002. V. 24. P. 128.

14. Brodskii V., Rykova E., Bagaturyants A., Korkin A. // Comp. Mat. Sci. 2002. V. 24. P. 278.