Эволюция конструктивно-технологических решений в области разработки и создания элементной базы электронной техники характеризуется в настоящее время следующими тенденциями:
— переходом от микрок наноразмерам, стимулированным быстрым развитием сверхинтегрированных быстродействующих информационных систем и микроволновой электроники гигагерцового диапазона частот;
— активным использованием не только поверхности кристалла, но и третьего измерения, что связано с расширением рынка изделий микросистемной техники;
— внедрением в практику структур с полной диэлектрической изоляцией, а также нетрадиционных материалов электронной техники, например, карбида кремния (SiC), что связано с ужесточением требований к надёжности и условиям эксплуатации электронной компонентной базы (ЭКБ).
Данные тенденции определяют необходимость развития прецизионных гибких методов наноразмерной обработки материалов электронной техники для решения задач создания ЭКБ и её исследования.
В качестве базовой технологии для решения вышеуказанных задач в настоящей работе выбрана наноразмерная ионно-лучевая обработка материалов. В работе проведён комплекс исследований не только в области ионно-лучевого травления, основанного на локальном ионном распылении материалов под действием остросфокусированного ионного пучка при высоких ускоряющих напряжениях, но и для реализации процессов локального избирательного травления и осаждения материалов с использованием активации остросфокусированным ионным пучком газовых реагентов, т. е. с помощью ионно-стимулированных химических реакций.
Характеризуя выбранную технологию, следует выделить следующие особенности ионного пучка как средства воздействия на вещество:
• возможность фокусировки ионного пучка в зонд с наноразмерными геометрическими параметрами, что наряду с малой длиной пробега ионов в твёрдом теле, предопределяет возможность получения высокого пространственного разрешения;
• эффективное взаимодействие ионного пучка с веществом, находящимся не только в твёрдом, но и в газообразном состоянии, благодаря чему могут быть реализованы стимулированные процессы травления и осаждения;
• возможность гибкого управления ионным зондом в пространстве и во времени, что определяет малые времена адаптации ионно-лучевого технологического комплекса для решения задач наноразмерной обработки по заданному геометрическому закону;
• возникновение при взаимодействии ионного пучка с веществом вторичных электронов и ионов, что определяет возможность наблюдения результата процесса обработки с высоким пространственным разрешением непосредственно в технологической камере в микроскопическом режиме с представлением информации в цифровой форме.
Ранее указанные особенности наноразмерных ионных пучков открывают новые возможности в достижении конечного результата по отношению к широкой гамме материалов электронной техники с обеспечением требуемых точностных параметров обработки и препарирования объектов микрои нанотехники. С учётом общих тенденций внедрения процессов создания нанообъектов, выбранное направление исследований в области наноразмерных ионно-лучевых технологий следует считать весьма актуальным.
До настоящего времени аппаратуру для реализации процессов сверхпрецизионной ионно-лучевой обработки можно отнести к уникальному оборудованию и на период начала реализации данной диссертационной работы практически отсутствовали системные исследования, позволяющие целенаправленно реализовать совокупность технологических операций с использованием остросфокусированного ионного пучка для решения следующих задач:
— изготовления 3D и 2D микрои наноразмерных объектов;
— сверхлокального препарирования гомогенных и гетерогенных микрои наноразмерных объектов с целью анализа внутренней архитектуры и топологии;
— ремонта и реконструкции объектов микроэлектроники и микромеханики с целью обеспечения требуемых технических параметров при минимизации временных и экономических затрат.
Дополнительную актуальность данной работе придаёт и тот факт, что оборудование на основе так называемой ФИП-технологии (фокусированный ионный пучок, FIB — focused ion beam) оказалось достаточно сильно востребованным при переходе к наноразмерным объектам и становится всё более доступным для научно-производственных и образовательных организаций.
В соответствии с потребностью развития данной технологии была поставлена цель работы: исследование процессов взаимодействия остросфокусированного ионного пучка с веществом при препарировании, формировании и модификации двумерных и трехмерных микрои наноразмерных объектов.
В диссертации решались следующие задачи.
1. Исследование процессов обработки материалов электронной техники (кремния и карбида кремния) остросфокусированным ионным пучком с целью формирования 2D и 3D областей с минимальными геометрическими размерами и максимальным аспектным отношением в условиях обеспечения малых времён адаптации аппаратуры для создания требуемых микрои наноразмерных объектов.
2. Исследование ионно-стимулированного химического травления кремния, карбида кремния, диоксида кремния, алюминия и углерода для достижения максимальной селективности процессов избирательного травления.
3. Исследование ионно-стимулированного химического локального осаждения по заданному топологическому закону слоёв коммутации на основе платины и изоляции в виде оксидов кремния при обеспечении максимального пространственного разрешения и требуемых электрических характеристик конструктивных элементов микроприборов.
4. Разработка комплексных маршрутов на основе операций препарирования, диагностики работоспособности и прецизионного ремонта элементной базы интегральной электроники и микросистемной техники с использованием остросфокусированного ионного пучка в режимах локального и избирательного травления, а также локального осаждения вещества.
5. Разработка методик применения ионного пучка для изготовления наноразмерных 3D систем: автоэмиссионных острий, зондов для атомно-силовой микроскопии (АСМ).
Использованная аппаратура и методы исследования.
Основной цикл технологических исследований проводился на установке остросфокусированного ионного пучка Strata FIB 205 фирмы FEI. Изучение морфологии, структуры и состава поверхности после травления и осаждения материалов осуществлялось методами: растровой электронной и ионной микроскопии, атомно-силовой микроскопии, рентгеноспектрального микроанализа, дифракции быстрых электронов и эллипсометрии. При изучении характера воздействия ионного пучка на различные материалы электронной техники использовались результаты моделирования процессов рассеяния ионов в твёрдом теле.
Научная новизна работы заключается в следующем:
1. Разработана методика ионно-лучевого формирования 2D и 3D микрои наноразмерных объектов, основанная на процессах прецизионного травления остросфокусированным ионным пучком в режимах достижения максимальной пространственной разрешающей способности и высокого аспектного отношения.
2. Определены скорости травления и коэффициенты распыления кремния и карбида кремния сфокусированным ионным пучком в условиях различных плотностей токов с учётом геометрической формы и размеров изготавливаемых структур и возможности получения максимального аспектного отношения.
3. Определены скорости ионно-стимулированного химического травления ряда материалов (кремния, карбида и оксида кремния, алюминия, углерода) в условиях ионно-стимулированных химических процессов с участием различных реагентов: йода, фторида ксенона, газообразных паров воды.
4. Определена зависимость скорости осаждения платины и оксида кремния от плотности ионного тока и от ускоряющего напряжения, выработаны рекомендации по оптимальным режимам осаждения для достижения высокой скорости процесса и пространственного разрешения.
Практическая значимость работы заключалась в следующем:
1. Предложена и реализована методика прецизионного локального препарирования интегральных микросхем (ИМС) с помощью остросфокусированного ионного пучка, включающая рекомендации по обеспечению сверхлокальности и избирательности травления отдельных материалов в составе многослойной композиции (до 9 слоев коммутации).
2. Выполнен комплекс работ по восстановлению работоспособности ИМС с субмикронной топологической нормой (0,35 мкм) с использованием операций локального 3D ионно-лучевого травления элементов коммутации и изоляции, с последующим локальным осаждением платины и диоксида кремния для внутренней перекоммутации и изоляции отдельных элементов токоразводки ИМС.
3. Разработан и реализован процесс формирования 3D наноразмерных структур в виде матриц автоэмиссионных острий на кремнии и карбиде кремния (по результатам исследований был получен патент РФ № 67 775 от 02.05.07) и изготовлены образцы зондов АСМ с высоким аспектным отношением (более 1:20) при радиусе острия зонда 60−100 нм.
4. На основе разработанных методик применения фокусированного ионного пучка подготовлена и реализована в учебном процессе СПбГЭТУ лабораторная работа по дисциплине «Процессы микрои нанотехнологии» для магистров, обучающихся по направлениям «Электроника и микроэлектроника» и «Нанотехнологии» .
5. Результаты диссертационной работы были использованы при выполнении НИР: ЦМИД-131 «Шельф-ЦМИД», ЦМИД-152 «Скальпель» ,.
3.2 Экспериментальное определение избирательности травления с участием химических реагентов 52.
3.3 Факторы, влияющие на эффективность ионно-стимулированных химических процессов 56.
3.4 Применение селективного ионно-стимулированного травления с XeF2 58.
3.5 Применение селективного ионно-стимулированного травления с 12 59.
3.6 Ионное и ионно-стимулированное газовое декорирование 60.
3.7 Выводы 62 Глава 4. Ионно-стимулированные процессы осаждения материалов 64.
4.1 Ионно-стимулированное локальное осаждение Pt 64.
4.2 Ионно-стимулированное осаждение диэлектрика SiOx 65.
4.3 Исследование режимов осаждения Pt и SiOx 67.
4.4 Выводы 70 Глава 5. Практическое использование фокусированного ионного пучка при препарировании и формировании микрои 72 наноразмерных объектов 72.
5.1 Ионно-лучевое препарирование кристаллов ИМС.
5.2 Формирование контактных площадок для электрических 76 зондовых измерений.
5.3 Локальная ионно-лучевая перекоммутация электрической 80 схемы СБИС 83.
5.4 Формирование микрои нанообъектов 90.
5.5 Выводы.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
91.
Литература
93.
Приложение 96.
1. Публикации автора по теме диссертационной работы.
2. Пример расчёта параметров экспериментальных структур
3. Акты внедрения.
ЦМИД-156 «Аналитика-FIB», ЦМИД-165 «Эпитаксия» и ОКР: ЦМИД-145 «Зонд-4», ЦМИД-158 «Зонд-7», ЦМИД-159 «Зонд-8», а также договоров на оказание услуг: ЦМИД-135, 167, 171, 183.
6. Имеются акты, подтверждающие внедрение результатов диссертационной работы в НИИСИ РАН, ФТИ им. А. Ф. Иоффе, ОАО «НИИ «Гириконд» .
Положения, выносимые на защиту:
1. При ионно-лучевом травлении материалов наноразмерным сфокусированным ионным пучком латеральное пространственное разрешение определяется в первую очередь диаметром остросфокусированного ионного пучка, величина которого зависит от тока пучка и ускоряющего напряжения, а глубина обработки преимущественно определяется током (пучка и продолжительностью процесса травлениятаким образом, основным параметром оптимизации в достижении требуемого пространственного разрешения и аспектного отношения при ионно-лучевом наноразмерном травлении является ток ионного пучка.
2. При ионно-стимулированном химическом травлении скорость процесса травления различных материалов определяется выбором активируемого химического агента и плотностью тока ионного пучка, а обеспечение требуемой селективности травления достигается выбором оптимального значения плотности тока при определённых ускоряющих напряжениях.
3. При ионно-стимулированном осаждении материалов определяющим фактором в обеспечении скорости процесса является плотность тока ионного пучка, оптимальное значение которой устанавливается, исходя из соотношения скоростей процессов осаждения и перераспыления осаждаемого материала, а локальность процесса осаждения, т. е. латеральное пространственное разрешение, ухудшается в условиях больших значений токов и ускоряющих напряжений.
Апробация результатов работы. Материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях и семинарах:
— Научные молодёжные школы по твердотельной электронике, СПб, 20 042 008;
— Научно-технические семинары «Вакуумная техника и технология», СПб, 2004, 2006, 2008;
— 5-я Международная научная конференция «Химия твёрдого тела и современные микрои нанотехнологии», Кисловодск, 18−23 сентября 2005;
Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция «Микроэлектроника и информатика», Зеленоград, 2005, 2006;
— 8-й всероссийский семинар «Проблемы теоретической и прикладной электронной и ионной оптики», Москва, 29−30 мая 2007;
— Международная конференция по нанонауке и технологии (ICN+T 2007), Стокгольм, Швеция, 2−6 июля 2007;
— Итоговый семинар по физике и астрономии для молодых ученых Санкт-Петербурга, 29 ноября 2007;
— 12-я Российская конференция по электронной микроскопии, 3−6 июня 2008, Черноголовка.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 научных работ, из них: 10 статей (3 статьи опубликованы в рецензируемых научных журналах, определенных ВАК), 1 работа — параграф в монографии, 1 патент РФ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, списка литературы, включающего 45 наименований. Основная часть работы изложена на 95 страницах машинописного текста. Диссертация содержит 84 рисунка и 7 таблиц.
5.5 Выводы.
Технология остро сфокусированного ионного пучка находит применение во многих направлениях, наиболее распространёнными из которых являются:
• исследование внутренней микроструктуры материалов и микрообъектов;
• препарирование интегральных микросхем для проверки правильности топологии и технологии либо для изменения электрической схемы;
• формирование с помощью травления или осаждения 2D и 3D микрои наноразмерных приборов и структур.
Все указанные операции основываются на базовых процессах FIB технологии: прецизионном ионно-лучевом травлении, селективном ионно-химическом травлении и ионно-стимулированном осаждении. Большим преимуществом является возможность прецизионно обрабатывать практически любые материалы (карбиды, алмаз, вольфрам) и их композиции, осаждать металлы (Pt) и диэлектрики (SiOx) с высокой локальностью — порядка 100−200 нм.
Использование сфокусированного ионного пучка является наиболее актуальным при отработке конструкции и проверке работоспособности изделий, а также при создании единичных образцов или мелкосерийном производстве. Затрачиваемое время изготовления при этом оказывается значительно меньшим по сравнению с другими традиционными способами микропрофилирования, требующими изготовления шаблонов, проведения операций литографии и собственно травления. Рисунок для травления может задаваться произвольной формы или возможно экспонирование нанесённого на поверхность слоя резиста для ионной литографии.
Рис. 5.33. Эксперимент по созданию композитного актюатора (биметаллической структуры) средствами ФИП.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
.
Исследованы процессы обработки материалов электронной техники остросфокусированным ионным пучком, разработана методика ионно-лучевого формирования 2D и 3D микрои наноразмерных объектов и показано, что основным параметром оптимизации в достижении требуемого пространственного разрешения и аспектного отношения при ионно-лучевом наноразмерном травлении является ток ионного пучка. Определены коэффициенты распыления базовых материалов электронной техники кремния и карбида кремния, а также определены зависимости скорости ионно-лучевого распыления материалов от угла падения ионного пучка.
Исследованы процессы ионно-стимулированного химического травления Si, SiC, Si02, А1, С (графит), разработана методика высокоразрешающего локального селективного травления гетерогенных многослойных объектов и показано, что при ионно-стимулированном химическом травлении скорость процесса травления различных материалов наряду с составом активируемого химического агента в значительной степени определяется выбором плотности ионного тока. Определены селективности травления совокупности материалов электронной техники по отношению к двум основным ионно-активируемым химическим агентам 12 и XeF2, и установлено, что переход от ионно-лучевого травления галлием к ионно-стимулированному химическому травлению позволяет повысить скорость травления до 30 раз.
Исследованы процессы ионно-стимулированного химического локального осаждения платины и оксида кремния, разработана методика их нанесения по заданному топологическому закону для формирования слоев коммутации на основе Pt и изоляции в виде SiOxПоказано, что при ионно-стимулированном осаждении материалов определяющим фактором в обеспечении скорости процесса является плотность ионного тока, а локальность, т. е. латеральное пространственное разрешение, ухудшается в условии больших значений токов и ускоряющих напряжений ионного пучка.
Разработан комплекс процессов препарирования, модифицирования и формообразования объектов интегральной электроники и микросистемной техники с использованием остросфокусированного ионного пучка в режимах локального и избирательного травления, а также локального осаждения вещества. Разработанный комплекс применён в условиях:
— прецизионного локального препарирования ИМС с топологической нормой 0,13 мкм и 9 слоями коммутации;
— восстановления работоспособности ИМС с топологической нормой 0,35 мкм локальной внутренней перекоммутации отдельных элементов во втором и третьем уровнях токоразводки ионно-стимулированным осаждением Pt и SiOx;
— формирования 3D наноразмерных структур в виде Si и SiC матриц автоэмиссионных острий, а также зондов АСМ с высоким аспектным отношением при радиусе острия 60−100 нм.
