способ получения кремниевых наноструктур

Формула изобретения

1. Способ получения кремниевых наноструктур, включающий нанесение на поверхность кремнийсодержащего вещества покрытия и облучение кремнийсодержащего вещества потоком ускоренных ионов, отличающийся тем, что покрытие выполняют из металла, облучение проводят тяжелыми ионами, а длительность облучения кремнийсодержащего вещества определяют из соотношения

jt= N, 1/см²;

где j - заданная плотность потока ионов, 1/см²с;

t - длительность облучения слоя ионами, с;

N - заданная плотность кремниевых наноструктур, 1/см².

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что металлическое покрытие наносят в виде сплошной пленки.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что металлическое покрытие наносят в виде участков заданной геометрии.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что металлическое покрытие наносят в виде нитей.

5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что облучают упомянутыми ионами кремнийсодержащее вещество в виде пленки.

6. Способ по п. 5, отличающийся тем, что облучают упомянутыми ионами кремнийсодержащее вещество в виде пленки, предварительно нанесенной на подложку.

7. Способ по п. 5 или 6, отличающийся тем, что пленку из кремнийсодержащего вещества облучают упомянутыми ионами с длиной свободного пробега в кремнийсодержащем веществе, превышающей толщину пленки.

8. Способ по п. 6, отличающийся тем, что облучают упомянутыми ионами кремнийсодержащее вещество в виде пленки, нанесенной на металлическую подложку.

9. Способ по п. 6, отличающийся тем, что облучают упомянутыми ионами кремнийсодержащего вещества в виде пленки, нанесенной на кремниевую подложку.

10. Способ по п. 6, отличающийся тем, что облучают упомянутыми ионами кремнийсодержащее вещество в виде пленки, нанесенной на диэлектрическую подложку с предварительно сформированными на ее поверхности проводящими участками заданной геометрии.

11. Способ по п. 6, отличающийся тем, что облучают упомянутыми ионами кремнийсодержащее вещество в виде пленки, нанесенной на диэлектрическую подложку с предварительно сформированными на ее поверхности металлическими нитями.

Описание изобретения к патенту

Заявляемое изобретение относится к электронике, а более конкретно к технологии получения наноэлектронных структур с помощью потока заряженных частиц. Подобные структуры используют для передачи, преобразования, хранения или генерации информационных сигналов.

Наноструктуры микронных и субмикронных размеров представляют собой пространственно упорядоченные конструкции из наноразмерных кластеров произвольной геометрической формы. В настоящее время пространственно упорядоченные ансамбли наноразмерных структур различных веществ получают либо путем внедрения соответствующих веществ в наноразмерные полости или каналы, существующие в структуре некоторых природных или искусственных материалов (применяя различные физико-химические процессы); либо путем формирования наноразмерных структур на поверхности или в объеме обрабатываемого материала.

Известен способ получения наноразмерных кластеров на плоской поверхности подложки с помощью туннельного атомного силового микроскопа. По этому способу на подложку окисленного кремния наносят тонкий слой титана. На поверхности напыленного металлического слоя сорбируется тонкая пленка воды. В присутствии сильного электрического поля между подложкой и зондом микроскопа в результате электрохимических процессов производят локальное окисление титана. В результате этого процесса формируется МОМ-транзистор с толщиной базовой области в несколько десятков нм (см. Matsumoto К., Sedawa K-Application of Scanning Tunneling Microscopy Nanofabrication process to Single Electron Transistor. - Joum. Vac. tcchnol.-1996, В 14, p.p. 1331-1335).

Известный способ обеспечивает получение наноструктур различной конфигурации, однако их формирование происходит лишь на поверхности подложки и требует применения сложного оборудования.

Известен способ создания элементов проводящей структуры на диэлектрических слоях, включающий разрушение оксидного слоя на поверхности алюминия под действием мощного излучения и возбужденных частиц упрочняющего материала, который переносится с подложки на поверхность алюминия. При этом при помощи отклоняющего излучение устройства на обрабатываемой поверхности создается слоистая металлизированная структура с заданной геометрией рисунка (см. заявка ФРГ 19503178, по кл. H 01 L 21/60, опубликован 1997 г.).

Недостатком известного способа является ограниченная область его применения, так как он может быть использован только для алюминиевых подложек и не позволяет получать структуры с размерами отдельных элементов в несколько нанометров.

Известен способ получения кремниевых наноструктур, включающий воздействие потоком электронов с энергией 5-25 кэВ и плотностью электронов в потоке 1-10² мА/см² в течение не менее 50 с на пористую силикатную матрицу и последующее осаждение выделяющегося кремния в наноразмерных полостях силикатной матрицы (см. патент РФ 2153208 по кл. H 01 L 21/263, опубликован 21.07.1999 г.).

Известный способ позволяет формировать в силикатных матрицах локальные области, содержащие кремниевые нанокластеры. Толщина этих областей определяется энергией электронов, а топология - траекторией перемещения электронного луча. При этом поперечные размеры (диаметр) электронного луча определяет минимальные размеры этих локальных областей, которые составляют величину порядка 1 мкм.

Наиболее близким по технической сущности и количеству совпадающих с заявляемым способом существенных признаков является способ формирования проводящей структуры, включающий нанесение на подложку слоя материала толщиной 2-20 им (в частности, окисла кремния, нанесенного на кремниевую подложку) и преобразование материала в проводящий под действием модулированного излучения от источника заряженных частиц после нанесения материала на подложку (см. патент РФ 2129320 по кл. Н 01 L 21/263, опубликован 20.04.1999 г.).

Известный способ позволяет получать наноструктуры заданных размеров и варьировать расстояние между ними, однако наноструктуры с размером элементов в несколько нм формируются лишь при использовании слоев толщиной не более 10 нм. В связи с тем, что в известном способе воздействие осуществляют относительно низкоэнергетическим излучением (потоком электронов со средней энергией 200 кэВ или ионами водорода с энергиями 1 кэВ) при использовании слоев большей толщины размеры получаемых элементов возрастают и становятся соизмеримыми с толщиной слоя вследствие эффектов обратного рассеяния.

Задачей настоящего изобретения являлась разработка такого способа получения стабильных кремниевых наноструктур, который позволял бы формировать локальные области кремния размером в несколько нм независимо от толщины слоя кремнийсодержащего материала.

Поставленная задача решается тем, что в способе получения кремниевых наноструктур, включающем воздействие на кремнийсодержащее вещество потоком заряженных частиц, предварительно на поверхность кремнийсодержащего вещества наносят металлическое покрытие и затем воздействуют ускоренными тяжелыми ионами, при этом длительность облучения кремнийсодержащего вещества ионами определяют из соотношения:

jt=N,1/см²;

где j - заданная плотность потока ионов, 1/см²с;

t - длительность облучения слоя ионами, с;

N - заданная плотность кремниевых наноразмерных кластеров, 1/см².

Металлическое покрытие может быть нанесено в виде сплошной пленки или в виде участков заданной геометрии, например в виде параллельных нитей, которые получают известными способами (например, Appl. Phys. Lett. 2000, т. 77, р.2743). Кремнийсодержащее вещество может быть использовано в виде плешей, в частности в виде пленки, предварительно нанесенной на подложку. При необходимости получить в пленке сквозные каналы, заполненные кремниевыми нанокластерами, облучение пленки осуществляют тяжелыми ионами с длиной свободного пробега в пленке, превышающей ее толщину. Пленку можно наносить на металлическую или полупроводниковую, например, кремниевую подложку. Пленку кремнийсодержащего вещества можно также наносить на диэлектрическую подложку с предварительно сформированными на ее поверхности проводящими участками заданной геометрии, например металлическими параллельными нитями. В частности, при формировании металлических нитей на поверхности диэлектрической подложки в направлении, перпендикулярном направлению металлических нитей на поверхности кремнийсодержащего вещества, появляется возможность использовать полученную структуру в качестве диодной матрицы. В качестве тяжелых ионов могут быть использованы ионы химических элементов с атомным весом А>20. Процесс образования кремниевых наноструктур может быть ускорен путем внешнего нагрева облученного кремнийсодержащего вещества в вакууме при температуре 250-750^oС.

Авторам не известен из патентной и другой научно-технической литературы способ получения кремниевых наноструктур, содержащий заявляемую совокупность признаков, что, по их мнению, свидетельствует о соответствии заявляемого способа критерию "новизна".

Известно, что бомбардировка различных материалов тяжелыми ионами сопровождается существенным изменением их свойств в локальной области вблизи трека (Fleischcr R. L. , Price P.B. Walker R.M. - Nuclear Tracks in Solids. - Univ. of California, Berkeley, 1979). В области трека происходит аморфизация кристаллической структуры и декомпозиция химических соединений с образованием наноразмерных структур, ориентированных вдоль трека (Lensen I., Dunlop A. , Della-Negra S. - Microscopic Obser-vations of Metallic Inclusions Generated along the Path of MеV Clusters in CaF₂. - Nuclear Instruments, and Methods in Phys. Res., 1998, v. 146, p.339-404; Krauser J., Waiblinder M. Harneit W. и др. - Conducting Ion Tracks in Diamond-Like Carbon Films. - 1999 Annual Report Jahresbericht Hahn-Meitner-Institut (Berlin).

Проводя исследования с бомбардировкой кремнийсодержащих веществ тяжелыми ионами, авторы обнаружили неизвестный ранее эффект деградации образовавшихся кремниевых наноструктур, проявляющийся через несколько дней после их образования бомбардировкой тяжелыми ионами. По-видимому, причиной этой деградации является взаимодействие внешней среды с нанокластерами кремния и их окисление.

Избавиться от деградации образующихся кремниевых наноструктур авторам удалось путем предварительного нанесения на поверхность кремнийсодержащего вещества перед бомбардировкой тяжелыми ионами металлического покрытия, которое предотвращает окисление образующихся под воздействием тяжелых ионов кремниевых нанокластеров.

Таким образом, отличительные признаки заявляемого способа в совокупности с известными из прототипа признаками обеспечивают получение нового технического эффекта, а именно получение стабильных во времени кремниевых наноструктур размером в несколько нм независимо от толщины кремнийсодержащего материала, что, по мнению авторов, свидетельствует о соответствии заявляемого способа критерию "изобретательский уровень".

На фиг.1 приведена вольт-фарадная характеристика системы Al-SiО₂-Si: 1 - до бомбардировки тяжелыми ионами; 2 - после бомбардировки тяжелыми ионами; на фиг.2 - представлена вольт-амперная характеристика системы Al-SiО₂-Si после облучения тяжелыми ионами.

Заявляемый способ получения кремниевых наноструктур осуществляют следующим образом. На поверхность кремнийсодержащего вещества (например, пластинку опала; кварцевую пластинку; пленку двуокиси кремния, нанесенную на кремниевую подложку) наносят металлическое покрытие(например, из алюминия) - сплошное или в виде участков заданной геометрии. Подготовленное таким образом кремнийсодержащее вещество помещают в устройство, которое содержит последовательно расположенные источник тяжелых ионов, систему формирования потока тяжелых ионов, ионопровод. В качестве такого устройства может быть использован циклотрон. Кремнийсодержащее вещество бомбардируют тяжелыми ионами, например хлором, аргоном, ксеноном. Тип ионов и их энергию выбирают расчетным путем, в зависимости от потерь энергии частиц при их прохождении через кремнийсодержащее вещество.

Время облучения выбирают из соотношения:

jt=N,1/cм²;

где j - заданная плотность потока ионов, 1/см²с;

t - длительность облучения слоя ионами, с;

N - заданная плотность кремниевых наноструктур, 1/см².

Облучение кремнийсодержащего вещества ускоренными тяжелыми ионами приводит к формированию в веществе вдоль трека иона сильно разупорядоченной области диаметром от единиц до десятков нм (в зависимости от свойств вещества и массы иона), представляющей собой канал, заполненный нанокластерами кремния. О наличии нанокластеров кремния свидетельствует появление интенсивной зеленой полосы в спектре катодолюминисценции облученных ускоренными ионами образцов. Катодолюминисценция в зеленой области (~550 им) свидетельствует о возникновении нанокластеров кремния размером 20-50 ангстрем (см. "Микроэлектроника". - 1998, т. 27, 1, с.46-48). Возникновение нанокластеров кремния, маркирующих трек прошедшего через кремнийсодержащее вещество иона, по-видимому, обусловлено частичным восстановлением кремния при разрыве межатомных связей. При облучения пленки кремнийсодержащего вещества, нанесенной на кремниевую подложку, тяжелыми ионами с длиной пробега, превышающей толщину пленки, формирующийся в конце трека иона тепловой клин (с практически мгновенной передачей энергии атомам кремния) может привести к локальному плавлению кремния и выплескиванию вдоль трека кремниевой иглы. В любом случае вдоль трека ускоренного иона формируется наноразмерный канал проводимости.

Заявляемым способом были изготовлены кремниевые наноструктуры, характеристики которых приведены на фиг.1 (кривая 2) и на фиг.2. Изготавливали эти структуры следующим образом. На поверхности окисленной пластины n-Si (толщина пленки двуокиси кремния, выращенной в сухом кислороде при температуре 1050^oС составляла 0,45 мкм) с помощью фотолитографии формировались локальные области алюминиевого покрытия толщиной 1,5 мкм. Затем производили облучение структуры ионами Аr⁺⁷ с энергией 40 МэВ при плотности тока 510⁹ 1/см²с в течение 10²с, что обеспечило формирование 510¹¹ треков на 1 см². После окончания облучения ионами производили измерение вольт-амперной характеристики в области облученной структуры, покрытой алюминием, и в области, не закрытой алюминиевым покрытием, при импульсной подаче напряжения (длительность импульса - 1 мкс, частота повторения - 500 Гц). Вольт-амперная характеристика в обеих областях структуры была нелинейна и имела один и тот же вид, приведенной на фиг.2, который свидетельствует о том, что в двуокиси кремния возникли каналы с нелинейной проводимостью. Однако после выдержки структуры в течение 1 недели нелинейная вольт-амперная характеристика в области, не покрытой алюминием, не наблюдалась. По-видимому, причиной этого являлось взаимодействие внешней среды с нанокластерами кремния и их окисление. Вольт-фарадная характеристика окисла, измеренная до облучения тяжелыми ионами (фиг.1, кривая 1), и вольт-фарадная характеристика структуры после облучения ионами (фиг.1, кривая 2) резко отличаются. Вольт-фарадная характеристика окисла после облучения свидетельствует о том, что на поверхности пластины n-Si появляется тонкий слоя инверсной проводимости, нарушается однородность ее легирования и при этом резко возрастает плотность поверхностных состояний. Эти изменения обусловлены процессами, которые сопровождают пролет быстрого тяжелого иона через кремнийсодержащее вещество (пленку двуокиси кремния), а именно;

- разрыв межатомных Si-О связей вдоль трека иона;

- уход кислорода из области трека во внешнюю среду (стимулированный нагревом структуры при облучении);

- формированием проводящего канала вдоль трека в результате объединения свободных атомов кремния в нанокластеры или оседания их в области трека;

- выращивание кремниевых усов вдоль трека в результате релаксации термического пика.