Диссертация (1104202), страница 15
Текст из файла (страница 15)
Продемонстрирована эффективность метода. Он обеспечивает выходболее 10 % годных образцов, что существенно выше, чем 1 – 3 %, обеспечиваемые традиционным методом высушивания раствора с наночастицами. Экспериментально исследован туннельный электронный транспорт через одиночныемалые (2 – 4 нм) золотые наночастицы, а также через несколько наночастиц вшироком диапазоне температур (77 – 300 K).
Продемонстрировано проявлениекоррелированного характера электронного транспорта в этих системах в указанном диапазоне температур, а также управление электронным транспортомчерез одноэлектронный транзистор с помощью затвора при температурах 77 –220 К.79Глава 4. Изготовление одноэлектронных транзисторов на основеодиночных примесных атомовНастоящая глава диссертационной работы посвящена описанию разработанного метода создания одноэлектронных транзисторов на основе одиночныхпримесных атомов, а также ислледованию электрических характеристик полученных устройств. Одноэлектронный транзистор был реализован на основешироко используемых в микро- и наноэлектронных устройствах материалов. Вкачестве примесных атомов использовался фосфор, находящийся в кристаллической решётке кремния.
Однако стоит заметить, что метод является достаточно универсальным, и в принципе может быть применён и для других материалов. Как уже было сказано в главе 1, наиболее актуальной является задачасоздания одноатомных устройств на основе широко используемых в полупроводниковой индустрии технологий. Идея разработанного метода заключается вследующем. Первым шагом с помощью стандартных литографических процедур создаётся кремниевый нанопровод, электронный транспорт в котором осуществляется параллельно через большое количество примесных атомов, затемпоперечное сечение нанопровода постепенно уменьшается с помощью короткихсеансов реактивно-ионного травления до достижения желаемых электрическиххарактеристик образца.
Далее данный метод будет представлен детальнее.4.1Формирование металлических электродов и кремниевогонанопроводаОсновой для создания экспериментальных образцов являлся кремний-наизоляторе (КНИ). Он представляет из себя кристаллический слой кремния толщиной 55 нм, изолированный от массивной кремниевой подложки толщиной0.5 мм изолирующим слоем оксида кремния (рис.4.1).
Исследуемые структурыформировались в верхнем слое кремния. Все технологические процедуры проводились именно с ним.Первым шагом при изготовлении образцов являлась ионная имплантацияатомов фосфора в кристаллическую решётку кремния. После имплантации кри80SiSiO255 нм145 нмSi substrateРисунок 4.1 — Схематичное изображение подложки КНИ.сталлическая структура кремния, частично разрушенная в ходе имплантации,была восстановлена в управляемом процессе быстрого термического отжигаподложки. Итоговое распределение примесных атомов по глубине оказывается неравномерным.
Оно было измерено с помощью метода масс-спектрометриивторичных ионов (ВИМС) и представлено на рис. 4.2 а [131]. Концентрация атомов фосфора в тонком слое глубиной до 10 − 15 нм вблизи поверхности достигала величины ∼ 1020 см−3 . Такая концентрация обеспечивает практическиметаллическую проводимость этого легированного кремниевого слоя. В глубинеКНИ концентрация атомов фосфора падает до уровня ∼ 1019 − 1018 см−3 , прикоторых примесные атомы локализованы и связаны между собой через туннельные барьеры. Верхний хорошо проводящий высоколегированный слой будет далее использоваться для формирования транспортных электродов транзистора.Между этими электродами далее будет формироваться обеднённая примесямиобласть кремния размером 20 × 30 нм2 и толщиной 20 ÷ 30 нм с пониженнойконцентрацией примеси за счёт удаления верхнего высоколегированного слоя.Транспортные электроды обеспечивают электрическую связь с обеднённой областью, где и локализованы одиночные примесные атомы фосфора.
Предложенный метод формирования существенно упрощает процедуру изготовлениянаноструктур транзисторов, снимая необходимость формирования в отдельномцикле литографии транспортных электродов транзистора с зазором нанометрового масштаба между ними.Следующим шагом проводилось изготовление макроскопических металлических электродов на поверхности верхнего кремниевого слоя (рис. 4.2б,рис. 4.3) для электрического соединения исследуемой области, размером в81а)Crб)200 nmAlSiв)100 nmг)CrSiCr20 nmSiSiO2SiO2Рисунок 4.2 — (а) — концентрация примесных атомов и среднее расстояниемежду ними в зависимости от глубины залегания в кремниевом слое послеионной имплантации; (б) – (г) — СЭМ снимки образца на разных этапахизготовления, представленные в искусственных цветах: (б) — металлическиеэлектроды ( + ) и алюминиевая маска после “взрывной” литографии,(в) – (г) — примеры структур после реактивно-ионного травления и удаленияалюминиевой маски.несколько сотен нанометров, где будет располагаться формируемый нанопровод, с измерительной аппаратурой.
Для каждого транзистора формировалось4 электрода (рис. 4.2б) - два транспортных (сток, исток) и два управляющих(затворы). Всего на одной подложке формировалось 10 таких систем металлических электродов. Они изготавливались по технологии "взрывной"литографиианалогично тому, как это было проделано для золотых нанопроводов (глава 2.1).На подложку методом центрифугирования наносился позитивный электронныйрезист PMMA A2 при скорости вращения 3500 об./мин. Резист высушивался 10минут при температуре 180∘ C на горячей плитке. Экспонирование резиста повсей поверхности образца проводилось электронным лучом на автоэмиссион82ном сканирующем электронном микроскопе (СЭМ) Supra 40 (Carl Zeiss), оборудованным литографической приставкой Elphy-Quantum (Raith), с дозой 260мкКл/см2 . Экспонированные участки резиста были удалены во время проявления образца (1 мин.) при температуре 20∘ C в смеси изопропанола и водыв соотношении 93:7.
Далее весь образец покрывался металлической плёнкойметодом вакуумного термического испарения. Использовалась двуслойная металлическая плёнка: 20 нм хрома, покрытые сверху 5 нм золота. После растворения слоя резиста в ацетоне (процедура "взрыва") с подложки удалялась металлическая пленка (Cr + Au), покрывающая защищённые резистом участки.Оставшаяся на проявленных открытых участках поверхности образца плёнка(Cr + Au) образовывала макроскопические электроды изготавливаемой структуры. Вместе с электродами на образце были сформированы маркеры в формеперекрестий для выполнения совмещения при последующих процессах литографии.
Тонкий слой золота, лежащего поверх хрома, позволял получать болееконтрастные изображения маркеров во вторичных электронах.200 µmРисунок 4.3 — Подводящие электрический контакт к исследуемой структурепровода: (а) — шаблон для экспонирования структуры проводов размером1.5 × 1.5 мм2 , (б) — СЭМ снимки одной из КНИ подложек после их создания.Затем методом "взрывной"литографии на подложку была нанесена маскаиз алюминия толщиной 10 нм, определяющая форму формируемого кремниевого нанопровода (рис.
4.2б). Ширина алюминиевой маски в наиболее узком местесоставляла 25 − 40 нм. Точность совмещения алюминиевой маски с металлическими электродами была порядка 30 нм. Рисунок алюминиевой маски переносился в нижележащий слой кремния с помощью реактивного ионного травленияв высокочастотном разряде плазмы SF6 при давлении 0.18 Па. После травления83алюминиевая маска удалялась в 3% водном растворе KOH. В результате междуэлектродами образовывался кремниевый нанопровод шириной менее 30 нм. Егоширина получалась меньше ширины алюминиевой маски на 10 – 20 нм ввиду того, что процесс реактивного ионного травления не был идеально анизотропным.На рис.
4.2 в показано характерное изображение структуры транзистора.В некоторых случаях происходило формирование геометрии нанопровода, в которой верхняя часть кремниевого слоя практически удалялась в процессе травления из-за наличия изотропной компоненты при проведении реактивно-ионного процесса рис. 4.2 г. Это происходило, если перед травлением ширина алюминиевой маски в месте наименьшего сужения находилась в диапазоне30 ÷ 35 нм. На рис.
4.4 а показан пример структуры после реактивного ионноготравления, где в верхней части нанопровода образовывалась выемка глубинойоколо 25 нм. Именно такие варианты структур являются наиболее интереснымии были исследованы более подробно. В таких структурах электронный транспорт определяется обеднённым примесями слоем кремния. Если ширина алюминиевой маски оказывалась больше 35 нм, то такая выемка не образовывалась.В случае, когда ее ширина оказывалась чуть менее нужного размера (30 нм), товыемка становилась слишком глубокой и доходила почти до дна кремниевогослоя, как показано на рис.
4.4 б.a)20 nmб)20 nmРисунок 4.4 — СЭМ снимки нанопроводов с выемкой в верхнем слое кремния:(а) — выемка нужной глубины (около 25 нм), (б) — слишком большая выемка,образовавшаяся вследствие недостаточной ширины алюминиевой маски.844.2Электрические измерения сформированных нанопроводовЭлектрические характеристики изготовленных структур были подробноисследованы при температуре 4.2 К. Была измерена зависимость транспортного тока транзисторов от напряжения между стоком и истоком, а также отнапряжения на затворе G . На основе этих данных были построены контурныедиаграммы стабильности (ДС) измеряемых образцов. Измерения были проведены при нулевом потенциале поддерживающей кремниевой подложки экспериментальных образцов, симметричном напряжении сток-исток транзистора(± /2) и одинаковом управляющем напряжении на обоих боковых затворахустройства.Изготовленные экспериментальные структуры можно разделить нанесколько групп в зависимости от вида их вольтамперных ( ) и сигнальных (затворных) (G ) характеристик.
Далее они представлены в порядкеувеличения их характерного асимптотического сопротивления.Кпервойгруппе относятся структуры с почти обычной омической проводимостью. Эти образцы обладали наименьшим сопротивлением, лежащим вдиапазоне 100 − 200 кОм, и характеризовались слабой или практически полностью отсутствующей зависимостью тока от напряжения на затворе.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
