Расширение функциональных возможностей зондов атомно-силовых микроскопов электрохимическими методами

При исследовании современных полупроводниковых структур и материалов необходимы методы диагностики, позволяющие с высокой локальностью изучать рельеф поверхности и ее различные свойства. Такие возможности предоставляет семейство методов сканирующей зондовой микроскопии [1-2], особенно, атомно-силовая микроскопия (АСМ).

Для проведения исследований материалов с различными свойствами предъявляются специальные требования к рабочим параметрам зондов и методикам на основе АСМ. Так, при исследовании эпитаксиальных слоев материалов с низкими значениями постоянных упругости, например халькогенидов свинца, в контактных режимах атомно-силовой микроскопии (например, сканирующая микроскопия сопротивления растекания SSRM) необходимы методики АСМ с более щадящим воздействием на образец [3-4]. В противном случае, при превышении определенного значения давления зонда на поверхность возможно начало пластического течения в слое халькогенида свинца, что приводит к увеличению плотности дислокаций и снижению рабочих параметров приборных структур на основе таких слоев.

Влияние величины давления зонда АСМ на свойства материала также наблюдалось и при проведении исследований методами АСМ приборных структур на основе кремния [5-6].

Напротив, при исследовании поликристаллических материалов нужны жесткие зонды для того, чтобы создавать сечение зерен-кристаллитов методом силовой литографии и иметь возможность изучить особенности строения и свойства внутри зерна. Для решения многих задач требуются зонды с высоким аспектным соотношением. Один из примеров – исследование пористого оксида алюминия(por-Al₂O₃) [7-8]. Исследование этого материала методами АСМ осложнено тем, что толщина стенок пористого оксида алюминия мала и сопоставима по размеру с типичными размерами радиуса закругления зонда атомно-силового микроскопа (≈ 10-20 нм) даже для слоев с относительно большими размерами пор (мезо- и макро-). В случае, когда размеры исследуемого объекта сопоставимы по размеру с радиусом закругления зонда АСМ, данные о рельефе поверхности будут существенно искажены из-за аппаратной функции зонда. Поэтому, для того чтобы максимально точно воспроизвести рельеф поверхности в АСМ, сканирование por-Al₂O₃ необходимо проводить специальными зондами с малым радиусом закруглением зонда. На рисунке 1 представлена поверхность пористого оксида алюминия. Видно ухудшение разрешения и качества изображения в процессе сканирования (нижняя половина изображения), связанное с деградацией острия.

Другим примером может быть применение методов АСМ для контроля параметров приборных структур интегральных микросхем в процессе их изготовления. Контроль геометрии подзатворной области в процессе ее травления является чрезвычайно важной задачей, так как технологический этап, предполагающий травление этой области, является одной из наиболее значимых технологических операций при формировании транзисторной структуры. От результатов травления будут зависеть параметры конечного прибора (после формирования затворной металлизации) Для того, чтобы максимально точно определить геометрические параметры подзатворной области транзисторной структуры необходимы зонды с высоким аспектным соотношением.

Рис. 1. Поверхность пористого оксида алюминия по данным АСМ в контактном режиме. Сканирование начинается из верхней левой точки в горизонтальном направлении.

Целью данной работы является обобщение наших результатов по модификации зондов атомно-силовых микроскопов электрохимическими методами и применению их в атомно-силовой микроскопии для исследования как эпитаксиальных слоев халькогенидов свинца, поликристаллических излучающих и фотоприемных приборных структур, а также pHEMT транзисторов.

При исследовании приборных структур на основе фоточувствительных легированных поликристаллических слоев PbCdSe были проведены эксперименты по сечению единичного зерна слоя зондом АСМ с последующей визуализацией особенностей внутризеренного строения методом латерально-силовой микроскопии. Достаточно полно результаты приведены в [9-10].

Для проведения электрохимическго осаждения с целью модификации свойств зонда был собран лабораторный стенд[11] позволяющий подводить стакан с раствором к зонду и осуществлять электрический контакт к зонду. При этом раствор заливали во фторопластовый стакан (5мм в диаметре) При контакте поверхности капли раствора возможно изменение поверхности кантилевера и края чипа. Эти разработки были отмечены медалью «за лучшую научную студенческую работу» Всероссийского конкурса научно-исследовательских работ студентов вузов в области нанотехнологий и наноматериалов в 2009 году.

В качестве подложек были использованы кремневые подложки и зондовые датчики марки NSG01 (NT-MDT). Нанесение никелевого покрытия проводилось электрохимическим катодным осаждением из водного раствора хлорида никеля (NiCl₂∙6H₂O).. Такое никелевое покрытие представляет собой интерес как проводящее и как каталитическое покрытие. С его помощью можно катодным осаждением с острия наносить островки никеля по строго заданному рисунку. Кроме того, потенциально можно создавать зонды с высоким аспектным соотношением путем выращивания углеродных нанотрубок на острие зонда с катализатором – никелевым островком. Зонды АСМ погружались в каплю раствора, подавался отрицательный потенциал на зонд АСМ Были использованы растворы двух концентраций 1 и 0,01 %. Формы зондов оценивали в атомно-силовом микроскопе на калибровочной подложке в форме пиков (TGT01 от NT-MDT), а также по сдвигу значения резонансной частоты кантилевера до и после модификации зонда. Область чипа и кантилевера изучалась в оптический микроскоп ПОЛАМ-Р312. На рисунке 2 представлена оптическая фотография зонда после электрохимического осаждения никеля. Резонансная частота зонд уменьшилась с 155,7 до 153,8 кГц. Это свидетельствует об увеличении массы колебательной системы, а именно наличию пленки (в том числе и с никелем) на острие зонда и на поверхности балки кантилевера. Также по оптическим фотографиям на участке чипа была рассмотрена однородность пленок.

Рис. 2. Зонд после электрохимического осаждения никеля

Для модификации зондов химическими функциональными группами предварительно получали структуры пористого кремния. Процесс травления кремния активно разрабатывается в нашей команде [12,13]. Варианты, которые были получены - от небольшого разрыхления поверхности до разрушения острия, что наблюдалось как изменение изображения калибровоного образца в АСМ в процессе сканирования. На рисунке 3 представлена оптическая фотография зонда подвергнутого травлению. Видны крупные поры, находящиеся на кантилевере.

Рис. 3. Зонд после химического травления кремниевого зонда

Особый интерес представляли исследования pHEMT-транзисторов модифицированными зондами[14-16].

Р-HEMT-транзисторы- это транзисторы на основе гетеропереходов, которые образованы материалами с существенно различными константами решетки (AlGaAs/InGaAs, InGaAs/InAlAs, InGaP/InGaAs и т.п.). Общепринятое название- псевдоморфные транзисторы с высокой подвижностью электронов (pHEMT - pseudomorphic High Electron Mobility Transistor).

Анализируемые в этой работе гетероэпитаксиальнае структуры pHEMT представляли собой систему слоев AlGaAs/InGaAs/GaAs, выращенную на подложке полуизолирующего GaAs. В результате разницы в ширине запрещенной зоны контактируемых материалов в канале (слой InGaAs) у границы со спейсером (слой AlGaAs) формируется потенциальная яма – тонкий слой, в котором накапливаются свободные носители, образуя так называемый двумерный электронный газ (ДЭГ). Вследствие хорошего соответствия кристаллических решеток нелегированного полупроводника и легированного полупроводника в гетеропереходе обеспечивается низкая плотность поверхностных состояний и дефектов. По этим причинам для электронов, накопленных в области ДЭГ, в слабых электрических полях достигается очень высокая подвижность.

Верхняя часть барьерного слоя образует с металлом затвора барьер Шоттки, который, как и в обычном полевом транзисторе с барьером Шоттки, управляет проводимостью канала. Сверху к канальному слою InGaAs примыкает так называемый спейсер (spacer) – тонкий слой нелегированного AlGaAs. Основное назначение этого тонкого слоя – предотвратить рассеяние носителей в канале на границе с гетеропереходом.

Формирование омического контакта выполняется с использованием “взрывной” фотолитографии. В качестве металлизации омического контакта используется система слоев Ge-Au-Ni с последующим высокотемпературным вжиганием.

Затвор (Lg=0.25÷0.35 мкм) формируется в результате последовательности операций осаждения нескольких диэлектрических слоев с последующим их травлением, получения субмикронной “щели”, корректировки токов и напыления затворной металлизации V-Mo-Au.

Рис. 4. Поверхность pHEMT транзистора по данным АСМ в контактном режиме

Данные транзисторы используются в усилительных модулях. При воздействии непрерывной СВЧ мощности свыше 120 мВт наблюдается деградация СВЧ параметров усилителя. Методами атомно-силовой микроскопии обнаружены особенности разрывов линии затвора (рис.4). На более детальных изображениях (рис.5) видно, что материал затвора после разогрева структуры скатывается в капли [15, 16].

Рис. 5. Область затвора pHEMT транзистора с местом разрыва линии затвора и скатыванием материала затвора в каплю

Таким образом, в статье рассмотрены обобщенные результаты по модификации зондов атомно-силового микроскопа. Особое внимание уделено вопросам использования модифицированных зондов для исследования дефектов возникающих при эксплуатации pHEMT транзисторов.

Литература:

1. В. Л. Миронов. Основы сканирующей зондовой микроскопии: Учеб. Пособие, 2004. 114с

2. Мошников В.А., Спивак Ю.М. Атомно-силовая микроскопия для нанотехнологии и диагностики: Учеб. пособие. СПб.: Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2009. 80с.

3. Канагеева Ю.М., Мошников B.A., Arnold М., Zogg H., Felder F., Rahim M. Электрофические свойства фотодиодов на основе эпитаксиальных слоев для среднего ИК-диапазона // Вакуумная техника и технология. 2008. Т. 18. № 1. С. 3-8

4. Канагеева Ю.М., Мошников В.А. Исследование свойств матриц на основе In/PbTе методами атомно-силовой микроскопии с помощью специальной системы наноконтактов// Вакуумная техника и технология. 2008. Т. 18. № 2. С. 87-94

5. Minomura S., Drickamer H. G. Pressure induced phase transistor in silicon, germanium and some III-V compounds // J. Phys. Chem. Solids. 1962. Vol. 23. P. 451–456.

6. Recent insights into the physical modeling of the spreading resistance poin con-tact / T. Clarysse, P. De Wolf, H. Bender, W. Vandervorst // J. Vac. Sci. Technol. 1996. № 14(1). P. 358–368

7. Спивак Ю.М., Горелов М.В., Пермяков Н.В. Формирование нанокластеров металлов методом электролитического осаждения на пористые темплаты // Тезисы докладов 11-я научная молодежная школа по твердотельной электронике «Нанотехнологии, наноматериалы, нанодиагностика», 23-25 мая 2008, Санкт - Петербург, 2008, с. 59-60.

8. Мошников В.А, Соколова Е.Н., Спивак Ю.М. Формирование и анализ структур на основе пористого оксида алюминия // Известия СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2011, вып 2. С. 13-19.

9. Ю.М. Спивак, В.А. Мошников Особенности строения фоточувствительных поликристаллических слоев на основе PbCdSe сетчатого типа // «Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования», 2010, № 1, с. 97-102.

10. Gracheva I.E., Spivak Y.M., Moshnikov V.A AFM TECHNICQUES FOR NANOSTRUCTURED MATERIALS USED IN OPTOELECTRONIC AND GAS SENSORS //В сб.: IEEE EUROCON 2009, EUROCON 2009 St. Petersburg, 2009. С. 1246-1249.

11. Пермяков Н.В., Исследование возможности модификации зондов для атомно-силовых и туннельных микроскопов. "Всероссийский конкурс научно-исследовательских работ студентов в области нанотехнологий и наноматериалов".// Сборник студенческих научных работ. - НИЯУ МИФИ, 2009, 420 с., с278-287

12. V. A. Moshnikov,I. E.Gracheva,A. S. Lenshin,Yu. M. Spivak, etc. Porous silicon with embedded metal oxides for gas sensing applications // Journal of Non-Crystalline Solids, vol. 358, is. 3, 1 February 2012, Pages 590–595.

13. Леньшин А.С., Кашкаров В.М., Спивак Ю.М., Мошников В.А., Исследование электронного строения и фазового состава пористого кремния // Физика и химия стекла. 2012.Т.38 №3, с.383-392

14. Козловский Э.Ю., Спивак Ю.М., Мошников В.А., Пономарева А.А., Селезнев Б.И., Иванов Н.Н., Желаннов А.В. Транзисторные структуры pHEMT: исследование особенностей полупроводниковой гетероструктуры методами атомно-силовой микроскопии// Научно-технические ведомости Санкт-Петербургского государственного политехнического университета. 2010. № 94. С. 18-28

15. Пермяков Н.В., Платонов С.В Исследование мест пробоя HEMT-транзистора методами СЗМ, // Труды всероссийской школы-семинара студентов, аспирантов и молодых ученых по направлению «ДИАГНОСТИКА НАНОМАТЕРИАЛОВ И НАНОСТРУКТУР», сборник. Рязань: РГРТУ, 2011. Том III, с.138-142

16. Платонов С.В., Пермяков Н.В., Селезнев Б.И., Мошников В.А., Козловский Э.Ю., Осипов А.М. Малошумящие арсенид-галлиевые усилители при воздействии электромагнитных помех повышенных интенсивностей // Вестник Новгородского Государственного Университета, сер. Технические науки, 2012, т.67, стр.29-32