Некоторые альтернативы в наноэлектронике

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Некоторые альтернативы в наноэлектронике

Стандартным материалом современной микро- и наноэлектроники безусловно является кремний. На его основе создаются различные микроэлектронные и микроэлектромеханические (МЭМС) компоненты, а также солнечные элементы, которые могут использоваться в качестве источников питания для устройств микроэлектроники и микромеханики. Основой структурного единства различных технологий создания таких устройств является применение литографических методов, позволяющих получать разнообразные формы на поверхности и в объеме полупроводника. Однако конкретные технологии создания микроэлектронных, микромеханических и оптических устройств зачастую плохо согласуются друг с другом, что сдерживает развитие нанотехнологий, позволяющих создавать энергонезависимые микромеханические устройства с электронным управлением.

Например, основными элементами современных микропроцессорных устройств и интегральных схем памяти являются кремниевые МОП - транзисторы с латеральными размерами менее 100 нм. Наибольшие успехи в этом направлении, видимо, достигнуты при использовании так называемой «технологии напряжен6ного кремния» [1], которая позволяет создавать транзисторы с эффективной длиной канала ~ 45 нм. Но «технология напряженного кремния требует применения специфических материалов и процессов и плохо согласуется с технологией МЭМС. Применение кремния в оптических системах, в частности фотоприемниках, ограничивается его физическими характеристиками. К таким характеристикам в первую очередь относится ширина запрещенной зоны, определяющая оптический диапазон частот кремниевых устройств. Применение же кремния в светоизлучающих приборах сдерживается тем, что он является непрямозонным полупроводником. Поэтому требуется разработка альтернативных технологий позволяющих формировать все указанные системы в интегральном исполнении и едином технологическом цикле.

Ранее было показано [2,3], что при последовательной имплантации в кремний кислорода и таких стеклообразующих элементов как бор и фосфор, на стадии постимплантационной термообработки возможно формирование скрытых слоев силикатных стекол. Слои формируются при относительно невысоких температурах (1000-1050С) и обладают высоким удельным сопротивлением (порядка 10¹⁴ Омсм). Теоретическое моделирование и экспериментальное изучение распределений компонентов в формирующихся структурах показали, что при определенных условия технология скрытых слоев силикатных стекол обеспечивает формирование трехслойных сэндвичей, содержащих два слоя сильнолегированного кремния и слой силикатного стекла между ними. Это позволяет создавать нанотранзисторы с вертикальным затвором, структура которых схематически представлена на рис. 1.

Эффективная длина канала в таких транзисторах составляет несколько десятков нм, в первую очередь, определяется толщиной слоя силикатного стекла, поэтому их создание, вообще говоря, не требует (но и не исключает) использования литографии высокого разрешения. Численные расчеты распределений потенциалов и концентраций носителей зарядов в описываемых структурах, показывают, что наличие слоя стекла уменьшает вероятность прокола структуры по цепи сток-исток и позволяет существенно уменьшить влияние короткоканальных эффектов на работоспособность транзистора, поскольку при переключении область канала (4) переходит из состояния инверсии в состояние полного обеднения. Величина подпорогвого тока при этом снижается на несколько порядков.

Рис. 1. Нанотранзистор со скрытым слоем силикатного стекла. 1 - сток, 2 - исток, 3 - затвор, 4 - область канала, 5 - скрытый слой силикатного стекла, 6 - изолирующие области

микроэлектромеханический нанотехнология кремний

Использование скрытых силикатных слоев расширяет и возможности создания микромеханических устройств, т.к. позволяет легко формировать различные механические элементы, мембраны, консоли и т.п. с помощью селективного химического травления.

Вероятно, наиболее сложной задачей является задача разработки технологии высокоэффективных преобразователей солнечной энергии, согласующейся с технологиями нанотранизисторов и МЭМС. Одним из вариантов решения этой задачи является введение в кремниевую матрицу нанокластеров, ширина запрещенной зоны которых отличается от ширины запрещенной зоны кремния. Например, введение в кремниевую матрицу нанокластеров с шириной запрещенной зоны большей, чем ширина запрещенной кремния, должно приводить к увеличению эффективной оптической ширины запрещенной синтезируемого материала. Это объясняется тем, что ведение в кремний одного такого нанокластера эквивалентно образованию в валентной зоне потенциальной ямы, в которой из-за размерного квантования должны возникать дополнительные уровни энергии E_il, Положение этих уровней определяется материалом нанокластера и его геометрическими размерами. (Рис. 2)

Рис. 2. Зонная диаграмма кремния, содержащего «широкозонный» нанокластер

В этой связи в настоящей работе исследовалась возможность управления эффективной шириной запрещенной зоны с помощью имплантации в кремний ионов кислорода и бора. При подготовке образцов имплантацию молекулярного кислорода О₂⁺ проводили в кремниевые пластины КЭФ - 4,5 (100) с энергией 300 кэВ. и дозами от 1·10¹⁷ см^-2 до 4·10¹⁷ см^-2. После этого пластины отжигали при температуре 900С в среде сухого кислорода в течение 5 минут. Затем проводили имплантацию бора при энергии ионов В⁺ 100 кэВ, доза имплантации - 8·10¹⁶ см^-2. Имплантированные пластины снова подвергали отжигу при 900С в среде сухого кислорода. Затем проводили отжиги при температурах 1000-1050С. Получаемые структуры, анализировались методом электронной оже - спектроскопии. Перед проведением оже - анализа поверхность образцов очищалась с помощью травления ионами аргона от материала контактов, используемых при электрических измерениях. Измерялись интенсивности основных оже - пиков (KLL - для кислорода, LMM - для кремния). Полученные результаты представлены на рис. 3-4

Кроме того, контроль концентрационных распределений бора и кислорода для образцов с дозой кислорода 3,4·10¹⁷ см^-2 осуществляли методом ВИМС на установке Cameca IMS-4F. Методом ВИМС определяли также распределения бора для образцов с другими дозами кислорода. Измерения показали, что распределения бора практически не зависят от содержания кислорода в образце. При интерпретации результатов оже - анализа необходимо было определить коэффициенты чувствительности характерные для кислорода и кремния в силикатных системах. Обычно при пересчете кривых интенсивностей в концентрационные распределения используются стандартные коэффициенты чувствительности, определенные по отношению к серебряному эталону. Однако, предварительные оценки показали, что использование стандартных коэффициентов относительной чувствительности приводит к ошибочным результатам. Одновременное использование ВИМС и оже - анализа позволило уточнить значения коэффициентов. Пример полученных распределений концентраций представлен на рис. 5.

Рис. 3. Зависимость интенсивности основных оже - пиков кислорода и кремния от глубины: 1 - кремний, 2 - кислород. Температура термообработки 1050С, доза молекулярного кислорода 2·10¹⁷ см^-2

Рис. 4 Зависимость интенсивности основных оже - пиков кислорода и кремния от глубины: 1 - кремний, 2 - кислород. Температура термообработки 1050С, доза молекулярного кислорода 3,4·10¹⁷ см^-2

Рис. 5. Распределения относительных концентраций атомов кислорода, бора и кремния, полученные после термообработки при температуре 1050С в течение 5 минут. 1 - концентрация атомов кремния, 2 - концентрация атомов кислорода, 3 - концентрация атомов бора. Доза молекулярного кислорода 2·10¹⁷ см^-2

Вообще, было обнаружено, что при термообработке образцов с дозой молекулярного кислорода 3,4·10¹⁷ см^-2 и больше формируется скрытый слой с соотношением концентраций близким к стехиометрии диоксида кремния. При обработке же образцов с меньшими дозами кислорода в системе образуются скрытые слои с максимальным содержанием кислорода равным примерно 33 ат.%.

Получаемые структуры, изучали также методом ИК-спектроскопии. Измерения ИК спектров поглощения проводились на Фурье-спектрометре IFS-113v при комнатной температуре в диапазоне волновых чисел 4000 - 400 см^-1 с разрешением 4 см^-1. Прибор IFS-113v является вакуумным, что позволяет избавиться от характерных полос атмосферного поглощения в спектрах исследуемых образцов. В качестве контрольных использовали образцы кремния с нанесенными на них пленками боросиликатного стекла. Свидетельством образования боросиликатного стекла является появление в спектрах ИК поглощения полосы вблизи =1400 см^-1, соответствующей валентным колебаниям B-O и полосы =920 см^-1, соответствующей связи B-O-Si [4]. Трем типам мостиковых колебаний связей Si-O-Si соответствуют полосы поглощения: =1100 см^-1, =810 см^-1, =455 см^-1. Все эти полосы хорошо видны на спектрах пропускания контрольных образцов (см. рис. 6).

Рис. 6. Инфракрасный спектр пропускания для образца с осажденной пленкой боросиликатного стекла

ИК - спектр пропускания для образца, имплантированного молекулярным кислородом с дозой 2·10¹⁷ см^-2, представлен на рис. 7.

Рис. 7. Инфракрасный спектр пропускания для образца, полученного в результате ионной имплантации молекулярного кислорода (доза 2·10¹⁷ см^-2), бора и последующей термообработки

Видно, что в этом спектре наблюдаются все основные полосы, характерные для пленок боросиликатного стекла. Однако, полосы поглощения, соответствующие мостиковым колебаниям связей Si-O-Si (=1100 см, =810 см^-1, =455 см^-1) несколько уширены по сравнению с контрольными образцами. Соотношение амплитуд этих полос также отличается от соотношений амплитуд, наблюдавшихся для контрольных образцов. Полосы, соответствующие валентным колебаниям B-O и связи B-O-Si выражены слабее. Последнее обстоятельство, видимо, обусловлено более низким содержанием бора в силикатных слоях, формируемых с помощью ионной имплантации, чем в осажденных пленках боросиликатного стекла

Уменьшение дозы имплантации молекулярного кислорода до 1,2·10¹⁷ см^-2 привело к существенному искажению вида спектров пропускания (Рис. 8). Основная полоса поглощения (=1100 см^-1) существенно уширилась и сместилась в область низких частот. Подобное искажение спектра может быть обусловлено появлением значительного количества немостикового кислорода.

На полученных структурах, были проведены измерения величины вентильной фотоэдс в зависимости от длины волны падающего излучения. Измерения проводились с помощью монохроматора c дифракционной решеткой (МДР). В качестве контрольных использовались образцы кремния, имплантированного только бором и отожженного при температуре 1050С. Результаты измерения фотоэдс представлен на рис. 9. Появление в спектре двух максимумов обусловлено наложением спектральной зависимости вентильной фотоэдс исследуемых образцов и приборной функции монохроматора

Рис. 8. Инфракрасный спектр пропускания для образца, полученного в результате ионной имплантации молекулярного кислорода (доза 1,2·10¹⁷ см^-2), бора и последующей термообработки

Рис. 9. Спектральная зависимость вентильной фотоэдс. 1 - образец, легированный бором и кислородом. 2 - контрольный образец

Видно, что по сравнению с контрольными значениями, максимальное значение вентильной фотоэдс увеличивается для образцов, легированных бором и кислородом с дозами кислорода меньшими, чем стехиометрическая. При этом максимум фотоэдс смещается в область более коротких длин волн. Это свидетельствует о том, что в структурах, содержащих «достехиометрические» дозы кислорода, происходит увеличение эффективной ширины запрещенной зоны в скрытом слое. Это подтверждается и измерениями удельного сопротивления скрытых слоев, которые показали, что последнее составляет величину порядка10⁸ - 10¹⁰ Ом см.

Полученные результаты подтверждают возможность образования в скрытом слое системы нанокластеров, содержащих, наряду с атомами кремния, атомы кислорода и бора. При этом «растворимость» нанокластеров в кремнии оказывается величиной ограниченной. Последнее обстоятельство и приводит к образованию скрытых слоев с максимальным содержанием кислорода близким к 33 ат.%. Эти результаты подтверждают также возможность управления эффективной шириной запрещенной зоны и повышения эффективности преобразователей солнечной энергии. Пи этом технологический процесс формирования солнечных элементов хорошо согласуется с технологией создания нанотранзисторов и микромеханических устойств, содержащих скрытые слои силикатного стекла.

Литература

[1] А.Л. Асеев. Российские нанотехнологии. 1 (2006) с. 97

[2] Кривелевич С.А., Бачурин В.И, Денисенко Ю.И., Селюков Р.В., Известия РАН. Сер. Физическая. 70, 883 (.2006).

[3] Krivelevich S.A., Buchin E.Y., Denisenko Y.I, Selyukov R.V. Proc. SPIE. 6260, 52 (2006).

[4] W. Kern, RCA Rev. 32. (1971) 429.

Размещено на Allbest.ru