RU2404479C1 - Method for formation of conducting structure in dielectric matrix - Google Patents
Method for formation of conducting structure in dielectric matrix Download PDFInfo
- Publication number
- RU2404479C1 RU2404479C1 RU2009139642/28A RU2009139642A RU2404479C1 RU 2404479 C1 RU2404479 C1 RU 2404479C1 RU 2009139642/28 A RU2009139642/28 A RU 2009139642/28A RU 2009139642 A RU2009139642 A RU 2009139642A RU 2404479 C1 RU2404479 C1 RU 2404479C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- mask
- holes
- oxygen
- atoms
- oxide
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Electron Beam Exposure (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к технологии создания сложных проводящих структур с помощью потока ускоренных частиц и может быть использовано в нанотехнологиях, микроэлектронике для создания сверхминиатюрных приборов, интегральных схем и запоминающих устройств.The invention relates to a technology for creating complex conductive structures using a stream of accelerated particles and can be used in nanotechnology, microelectronics to create ultra-miniature devices, integrated circuits and storage devices.
Известен способ создания элементов проводящей структуры на диэлектрических слоях (см. описание к заявке ФРГ N 19503178, H01L 21/60, 1997 /1/). Способ включает разрушение оксидного слоя на поверхности алюминия и осаждение упрочняющего материала. Для этого упрочняющий материал, находящийся на подложке, переносится с помощью мощного излучения на поверхность алюминия, причем перед этим оксидный слой разрушается под действием мощного излучения и возбужденных частиц упрочняющего материала. При помощи отклоняющего луч устройства на обрабатываемой поверхности создается слоистая металлизированная структура с требуемой геометрией рисунка. Недостатком известного способа является невозможность получения структуры с размерами отдельных элементов в несколько нанометров. Кроме того, использование способа ограничено, поскольку он применим только для алюминиевых подложек.A known method of creating elements of a conductive structure on dielectric layers (see the description of the application of Germany N 19503178, H01L 21/60, 1997/1 /). The method includes the destruction of the oxide layer on the surface of aluminum and the deposition of hardening material. For this, the reinforcing material located on the substrate is transferred by means of high-power radiation to the surface of aluminum, and before that, the oxide layer is destroyed under the action of high-power radiation and excited particles of the reinforcing material. Using a beam-deflecting device, a layered metallized structure with the desired geometry of the pattern is created on the surface to be treated. The disadvantage of this method is the inability to obtain structures with the dimensions of individual elements of several nanometers. In addition, the use of the method is limited since it is applicable only to aluminum substrates.
Известен способ формирования рисунка с применением электронного пучка (см. описание к заявке Японии N 6038411, H01L 21/302, 1994 /2/). Способ заключается в том, что в реакционной камере размещают систему для фокусировки электронного пучка, создают атмосферу из возбужденных реакционноспособных частиц и размещают на держателе обрабатываемую пластину. С помощью электронного пучка, несущего информацию, связанную с определенным рисунком, облучают пластину и в результате изменения ее вещества под воздействием электронного пучка и реакционноспособных частиц на пластине формируется определенный рисунок. Недостатком известного способа являются последовательный (низкопроизводительный) характер и сложность его осуществления, заключающаяся в формировании в камере атмосферы, состоящей из частиц с одинаковой реакционной способностью, чтобы обеспечить воспроизводимость процесса на всех участках рисунка, что требует сложной аппаратуры контроля. Кроме того, известный способ не позволяет обеспечить получение элементов изображения, составляющих рисунок, с размерами в несколько нанометров.A known method of forming a pattern using an electron beam (see the description of Japanese application N 6038411, H01L 21/302, 1994/2 /). The method consists in placing a system for focusing an electron beam in a reaction chamber, creating an atmosphere from excited reactive particles, and placing a workpiece on the holder. Using an electron beam that carries information associated with a particular pattern, the plate is irradiated and, as a result of a change in its substance under the influence of the electron beam and reactive particles, a specific pattern is formed on the plate. The disadvantage of this method is the sequential (low productivity) nature and complexity of its implementation, which consists in the formation in the chamber of an atmosphere consisting of particles with the same reactivity to ensure reproducibility of the process in all areas of the figure, which requires complex control equipment. In addition, the known method does not allow to obtain image elements that make up the picture, with dimensions of several nanometers.
Известен способ формирования проводящей структуры, включающий нанесение на подложку слоя материала и преобразование материала в проводящий под действием излучения от источника заряженных частиц (см. И.А.Аброян, А.Н.Андронов и др. Физические основы электронной и ионной технологии. М., Высшая школа, 1984, с.308-310 /3/).A known method of forming a conductive structure, including applying a layer of material to a substrate and converting the material into conductive under the action of radiation from a source of charged particles (see I.A. Abroyan, A.N. Andronov, etc. Physical fundamentals of electronic and ionic technology. M. , High School, 1984, p. 308-310 / 3 /).
Недостатком известного способа является малая разрешающая способность создаваемого рисунка (проводящей структуры), не позволяющая получать отдельные элементы структуры размером в несколько нанометров.The disadvantage of this method is the low resolution of the created pattern (conductive structure), which does not allow to obtain individual elements of the structure with a size of several nanometers.
Наиболее близким к заявляемому по своей технической сущности и достигаемому результату является способ формирования проводящей структуры в диэлектрической матрице, включающий нанесение на подложку слоя исходного диэлектрического материала и его преобразование в проводящий под действием излучения от источника заряженных частиц. На подложку наносят слой материала толщиной 2-20 нм, а преобразование материала в проводящий проводят модулированным потоком заряженных частиц после нанесения материала на подложку (RU 2129320 [4]).The closest to the claimed in its technical essence and the achieved result is a method of forming a conductive structure in a dielectric matrix, comprising applying to the substrate a layer of the original dielectric material and converting it into conductive under the influence of radiation from a source of charged particles. A layer of material with a thickness of 2-20 nm is applied to the substrate, and the conversion of the material into conductive is carried out by a modulated flow of charged particles after applying the material to the substrate (RU 2129320 [4]).
Недостатком известного способа являются высокие требования к расходимости потока заряженных частиц, необходимой для получения проводящих элементов очень малых размеров, и невозможность их получения в «толстых» (~100 нм и более) пленках. Хорошо известно, что взаимодействие ускоренных частиц с веществом сопровождается их рассеянием. Эффекты рассеяния приводят к тому, что зона воздействия ускоренных частиц на облучаемый материал всегда превышает размеры пучка или размеры отверстий в маске, если облучение производится через маску. Это превышение тем больше, чем больше энергия ускоренных частиц, а при толщинах материала меньших длины проективного пробега ускоренных частиц в нем - пропорционально толщине материала. При средних и больших энергиях ускоренных частиц профиль рассеяния имеет грушевидную форму (см. фиг. в [4]). Аналогичную форму имеет и зона преобразования состава при использовании способа [4]. Поэтому если слой сделать тонким, то можно получить относительно более мелкие детали проводящей структуры. Если слой материала сделать толщиной более 20 нм, то, при прочих равных условиях, размеры получаемых элементов структуры начинают возрастать.The disadvantage of this method is the high requirements for the divergence of the flow of charged particles, necessary to obtain conductive elements of very small sizes, and the inability to obtain them in "thick" (~ 100 nm or more) films. It is well known that the interaction of accelerated particles with matter is accompanied by their scattering. Scattering effects lead to the fact that the zone of influence of accelerated particles on the irradiated material always exceeds the size of the beam or the size of the holes in the mask, if irradiation is carried out through the mask. This excess is greater, the greater is the energy of accelerated particles, and for material thicknesses shorter than the projective range of accelerated particles in it, it is proportional to the thickness of the material. At medium and high energies of accelerated particles, the scattering profile has a pear-shaped shape (see Fig. In [4]). The composition conversion zone has a similar shape when using the method [4]. Therefore, if the layer is made thin, then relatively smaller details of the conductive structure can be obtained. If the material layer is made thicker than 20 nm, then, ceteris paribus, the dimensions of the resulting structural elements begin to increase.
Заявляемый в качестве изобретения способ формирования проводящей структуры в диэлектрической матрице направлен на создание условий, обеспечивающих формирование элементов структуры с размерами, существенно меньшими размеров отверстий в маске.Declared as an invention, a method of forming a conductive structure in a dielectric matrix is aimed at creating conditions that ensure the formation of structural elements with dimensions substantially smaller than the holes in the mask.
Указанный результат достигается тем, что способ формирования проводящей структуры в диэлектрической матрице включает нанесение маски с отверстиями, образующими требуемый рисунок, на пленку или заготовку окисла металла или полупроводника, облучение маски (заготовки) потоком ускоренных протонов или атомов водорода и последующее воздействие на облученные участки кислородом, при этом отверстия в маске выполняют с аспектным соотношением, обеспечивающим получение элементов структуры меньшего размера, чем поперечный размер отверстий в маске.This result is achieved by the fact that the method of forming a conductive structure in a dielectric matrix includes applying a mask with holes that form the desired pattern onto a film or a metal oxide or semiconductor blank, irradiating the mask (blank) with a stream of accelerated protons or hydrogen atoms, and then exposing the irradiated sites to oxygen , while the holes in the mask are performed with an aspect ratio that ensures the receipt of structural elements of a smaller size than the transverse size of the holes in the mask kyo.
Указанный результат достигается также тем, что воздействие на облученные участки кислородом осуществляют, используя поток ускоренных ионов и/или атомов кислорода.The specified result is also achieved by the fact that the impact on the irradiated areas with oxygen is carried out using a stream of accelerated ions and / or oxygen atoms.
Указанный результат достигается также тем, что воздействие на облученные участки кислородом осуществляют путем выдержки пленки окисла металла или окисла полупроводника на воздухе.The indicated result is also achieved by the fact that the exposure of the irradiated sites with oxygen is carried out by holding a film of metal oxide or semiconductor oxide in air.
Указанный результат достигается также тем, что воздействие на облученные участки осуществляют, используя смесь ускоренных ионов и/или атомов кислорода и азота.The specified result is also achieved by the fact that the impact on the irradiated areas is carried out using a mixture of accelerated ions and / or oxygen and nitrogen atoms.
Нанесение маски с отверстиями, образующими требуемый рисунок, на пластину окисла металла или окисла полупроводника и облучение маски потоком ускоренных протонов или атомов водорода позволяет обеспечить восстановление исходного материала заготовки (окисла, имеющего диэлектрические свойства) до практически чистого одноатомного вещества, обладающего проводящими свойствами (металл или полупроводник). Режимы работы источников ускоренных частиц определяются расчетным путем или подбираются экспериментальноApplication of a mask with holes forming the desired pattern on a metal oxide or semiconductor oxide plate and irradiation of the mask with a stream of accelerated protons or hydrogen atoms allows the initial material of the workpiece (an oxide having dielectric properties) to be restored to an almost pure monatomic substance with conductive properties (metal or semiconductor). The operating modes of sources of accelerated particles are determined by calculation or are selected experimentally
Выполнение отверстий в маске с подбираемым экспериментальным или расчетным путем аспектным соотношением позволяет обеспечить получение элементов структуры меньшего размера, чем поперечный размер отверстия в маске, при последующем воздействии на заготовку кислородом.The holes in the mask with the selected experimental or calculated way aspect ratio allows to obtain structural elements of a smaller size than the transverse size of the holes in the mask, with subsequent exposure to the workpiece with oxygen.
В основе предлагаемого способа лежит следующее. Как известно, при падении пучка с заданной угловой расходимостью на маску, содержащую отверстия с определенным аспектным отношением, флюенс ускоренных частиц, попадающих на различные области дна отверстия, будет зависеть от расстояния между центром дна отверстия и какой-либо конкретной областью в соответствии с соотношением:The basis of the proposed method is the following. As you know, when a beam with a given angular divergence falls on a mask containing holes with a certain aspect ratio, the fluence of accelerated particles falling on different areas of the bottom of the hole will depend on the distance between the center of the bottom of the hole and any particular area in accordance with the ratio:
где F - флюенс в точке, находящейся на расстоянии y от центра дна отверстия, Fo - флюенс для открытой точки поверхности; a - ширина отверстия в маске; r=h·tg(β/2) и 
где h - толщина маски и β - полный угол расходимости. При этом максимальные значения флюенса ускоренных частиц будут иметь место в центре дна отверстия и спадать к его периферии. При этом радиус окружности внутри дна отверстия, где реализуется область максимальных значений флюенса ускоренных частиц (при прочих равных условиях), будет тем меньше, чем больше аспектное отношение, характерное для отверстий в маске (отношение высоты отверстия к его диаметру). В случае, если при облучении ускоренными частицами, например протонами, экспериментально определены минимальные значения флюенса, достаточные для полного удаления кислорода из пленки оксида выбранной толщины и превращения его в металл или полупроводник, то решение поставленной в формуле изобретения задачи возможно следующим образом. Облучение маски с отверстиями и нижележащего обрабатываемого слоя материала необходимо осуществлять до достижения минимального флюенса ускоренных частиц, который соответствует значениям, достаточным для полного восстановления соответствующего слоя оксида (до одноатомного металла или проводника). При этом аспектное отношение отверстий в маске и диаметр отверстий в маске должны быть выбраны таким образом, чтобы диаметр внутренней области дна отверстий в маске, где реализуются максимальные значения флюенса ускоренных частиц по площади дна отверстия, был равен диаметру металлической или полупроводниковой области, которую необходимо сформировать. В этом случае после облучения ускоренными протонами в цилиндрической области обрабатываемого слоя заданного диаметра, расположенной под дном отверстия в маске, возникнет область - объем полностью восстановленного металла и/или полупроводника. За границами этой области-объема будет располагаться зона частичного восстановления оксида. При этом концентрация кислорода в этой зоне в соответствии с соответствующими значениями достигнутого флюенса ускоренных частиц будет возрастать по мере удаления от периферии области-объема полного восстановления и центра дна отверстия в маске. Эксперименты, выполненные авторами, показали, что при воздействии кислородом на оксиды, подвергнутые разной степени восстановления при протонном облучении, скорости возврата до исходного оксида значительно отличаются. При этом скорость возврата (окисления) оказывается тем больше, чем ближе к стартовому состоянию (к исходному оксиду) оказывается материал после облучения (восстановления) протонами. Последующее воздействие на облученные участки кислородом обеспечивает повторное окисление металла или полупроводника. Как показали эксперименты, полностью восстановленный материал при воздействии на него кислородом в идентичных условиях практически не окисляется и его сопротивление практически не изменяется. Такое поведение при воздействии кислорода на оксиды, восстановленные в разной степени, обусловлено следующими причинами. Исследованиями показано, что восстановление оксидов при облучении ускоренными частицами (например, протонами) сопровождается значительным уменьшением объема восстанавливаемого материала (до ~ 50% и более) из-за селективного удаления атомов кислорода из объема восстанавливаемого материала. Конкретная величина уменьшения объема материала на каждом этапе облучения (восстановления) зависит от стартового химического состава восстанавливаемого материала и его текущего состава (величине отклонения от стехиометрического содержания кислорода в изначальном оксиде). Соответственно окисление восстановленного (или изначально одноатомного) материала должно сопровождаться значительным увеличением объема материала. Окисление материалов может происходить на поверхности и в объеме материала, в случае значимой диффузии кислорода в объеме материала. Однако для окисления атомов, находящихся внутри (в объеме) материала, требуется дополнительный свободный объем, поскольку окисление сопровождается значительным увеличением объема (до ~50% и более). В обычных ситуациях, например, при комнатной температуре и в большинстве материалов концентрация вакансий низка и совершенно недостаточна для обеспечения требуемых для окисления свободных объемов - пустот. Однако на промежуточных этапах селективного удаления атомов кислорода из оксидов (восстановлении) при их облучении протонами такие пустоты присутствуют в значимых количествах в местах, из которых были удалены атомы кислорода. В то же время в полностью восстановленном материале происходит перестройка атомов в свободные места с образованием плотноупакованной кристаллической решетки, характерной для чистого одноатомного материала из соответствующих атомов, что сопровождается значительным уменьшением объема материала. По этой причине концентрация вакансий в нем также незначительна. Именно по указанным причинам наблюдаются очень большие отличия в скоростях окисления при воздействии кислородом на оксиды после облучения различными флюенсами протонов, т.е. находящихся на разных стадиях восстановления. Приведенные результаты показывают, что при наличии значительного количества пустот (вакансий) в материале процессы объемного окисления могут доминировать над процессами поверхностного окисления.where h is the thickness of the mask and β is the total angle of divergence. In this case, the maximum values of the fluence of accelerated particles will take place in the center of the bottom of the hole and fall to its periphery. In this case, the radius of the circle inside the bottom of the hole, where the region of maximum fluence of accelerated particles is realized (all other things being equal), will be the smaller, the greater the aspect ratio characteristic of the holes in the mask (the ratio of the height of the hole to its diameter). If during irradiation with accelerated particles, for example, protons, the minimum fluence values sufficient to completely remove oxygen from an oxide film of a selected thickness and turn it into a metal or semiconductor are experimentally determined, then the solution of the problem posed in the claims is possible as follows. The irradiation of the mask with holes and the underlying processed layer of material must be carried out until the minimum fluence of accelerated particles is achieved, which corresponds to values sufficient to completely restore the corresponding oxide layer (to a monatomic metal or conductor). In this case, the aspect ratio of the holes in the mask and the diameter of the holes in the mask should be chosen so that the diameter of the inner region of the bottom of the holes in the mask, where the maximum fluence of accelerated particles are realized over the area of the bottom of the hole, is equal to the diameter of the metal or semiconductor region that needs to be formed . In this case, after irradiation with accelerated protons in the cylindrical region of the treated layer of a given diameter, located under the bottom of the hole in the mask, a region will appear - the volume of the fully reduced metal and / or semiconductor. Beyond the boundaries of this region of volume, a zone of partial reduction of oxide will be located. In this case, the oxygen concentration in this zone in accordance with the corresponding values of the achieved fluence of accelerated particles will increase with distance from the periphery of the region-volume of full recovery and the center of the bottom of the hole in the mask. The experiments performed by the authors showed that when exposed to oxygen on oxides subjected to varying degrees of reduction under proton irradiation, the rates of return to the starting oxide are significantly different. In this case, the rate of return (oxidation) turns out to be the greater, the closer to the starting state (to the initial oxide) is the material after irradiation (reduction) with protons. Subsequent exposure to the irradiated sites with oxygen provides the reoxidation of the metal or semiconductor. As experiments showed, a completely reduced material, when exposed to oxygen under identical conditions, practically does not oxidize and its resistance remains practically unchanged. This behavior when exposed to oxygen on oxides reduced to different degrees is due to the following reasons. Studies have shown that the reduction of oxides upon irradiation with accelerated particles (for example, protons) is accompanied by a significant decrease in the volume of the reduced material (up to ~ 50% or more) due to the selective removal of oxygen atoms from the volume of the reduced material. The specific amount of reduction in the volume of material at each stage of irradiation (reduction) depends on the starting chemical composition of the material being restored and its current composition (the deviation from the stoichiometric oxygen content in the initial oxide). Accordingly, the oxidation of the reduced (or initially monatomic) material should be accompanied by a significant increase in the volume of the material. Oxidation of materials can occur on the surface and in the bulk of the material, in the case of significant diffusion of oxygen in the bulk of the material. However, for the oxidation of atoms inside (in the volume) of the material, an additional free volume is required, since oxidation is accompanied by a significant increase in volume (up to ~ 50% or more). In ordinary situations, for example, at room temperature and in most materials, the concentration of vacancies is low and completely insufficient to provide the free volumes required for oxidation — voids. However, at the intermediate stages of the selective removal of oxygen atoms from oxides (reduction) when they are irradiated with protons, such voids are present in significant quantities in the places from which the oxygen atoms were removed. At the same time, in the completely reduced material, atoms are rearranged into free places with the formation of a close-packed crystal lattice characteristic of pure monatomic material from the corresponding atoms, which is accompanied by a significant decrease in the volume of the material. For this reason, the concentration of vacancies in it is also insignificant. It is for these reasons that very large differences are observed in the oxidation rates when oxygen is exposed to oxides after irradiation with different proton fluences, i.e. at different stages of recovery. The above results show that in the presence of a significant number of voids (vacancies) in the material, the processes of bulk oxidation can dominate the processes of surface oxidation.
Обратное окисление частично восстановленного оксида может осуществляться не только выдержкой соответствующих материалов на воздухе, но и облучением ускоренными ионами кислорода. В этом случае скорость окисления может быть значительно увеличена. Однако, как показали эксперименты, селективность обратного окисления (т.е. различие в скоростях окисления частично и полностью восстановленных оксидов) сохраняется только в том случае, если энергия ионов кислорода ниже пороговой энергии смещения атомов окисляемого материала. Это обусловлено тем, что только при выполнении указанного условия в процессе облучения кислородом не происходит образование вакансий, а следовательно, не возникают пустоты, необходимые для образования оксида. В противном случае различия в скорости окисления материалов в указанных состояниях исчезают. Поскольку для получения элементов структуры, в соответствии с формулой изобретения, требуется селективность окисления, то ускоренное окисление с помощью облучения ионами кислорода можно осуществлять, только ограничивая сверху их энергию в соответствии со сказанным выше.The reverse oxidation of partially reduced oxide can be carried out not only by exposure of the corresponding materials to air, but also by irradiation with accelerated oxygen ions. In this case, the oxidation rate can be significantly increased. However, experiments have shown that the selectivity of reverse oxidation (i.e., the difference in the oxidation rates of partially and fully reduced oxides) is preserved only if the energy of oxygen ions is lower than the threshold energy of displacement of atoms of the oxidized material. This is due to the fact that only when this condition is met during the process of oxygen irradiation does not occur the formation of vacancies, and therefore, the voids necessary for the formation of oxide do not occur. Otherwise, the differences in the oxidation rate of materials in these states disappear. Since to obtain structural elements, in accordance with the claims, oxidation selectivity is required, accelerated oxidation by irradiation with oxygen ions can only be performed by limiting their energy from above in accordance with the above.
Значительные различия в скоростях окисления материалов, подвергнутых разной степени восстановления за счет селективного удаления атомов, позволяет создавать функциональные наноструктуры различного назначения с размерами, меньшими размеров отверстий в масках. Как указывалось ранее, при облучении материала пучком ускоренных частиц через маску с отверстиями распределение интенсивности пучка по дну отверстия в маске будет изменяться в зависимости от расстояния от центра отверстия. При этом для заданной расходимости пучка и диаметра отверстия в маске вид и параметры радиального распределения интенсивности пучка будут изменяться в зависимости от аспектного отношения, характерного для отверстий в маске. Чем больше величина аспектного отношения, тем меньше диаметр области в центре отверстия на дне маски, где реализуется максимальная интенсивность пучка падающих на материал ускоренных частиц. В случае, если при селективном удалении атомов из оксидов и их восстановлении не используются избыточные дозы облучения (т.е., если используются минимальные дозы, достаточные для восстановления оксида заданной толщины), то увеличение аспектного отношения отверстий в маске (при заданном диаметре отверстий) позволяет уменьшать диаметр области полного восстановления выбранного материала из оксида. Последующее окисление таких образцов за счет выдержки на воздухе или облучения низкоэнергетическими ускоренными частицами кислорода (ионами или атомами) позволяет доокислить до первоначального оксида области, частично восстановленные при селективном удалении атомов. Таким образом в оксидах могут быть сформированы металлические или полупроводниковые наноструктуры с размерами элементов, значительно меньшими минимального размера отверстий в маске.Significant differences in the oxidation rates of materials subjected to varying degrees of reduction due to the selective removal of atoms make it possible to create functional nanostructures for various purposes with sizes smaller than the size of the holes in the masks. As indicated earlier, when a material is irradiated with a beam of accelerated particles through a mask with holes, the distribution of the beam intensity along the bottom of the hole in the mask will change depending on the distance from the center of the hole. Moreover, for a given divergence of the beam and the diameter of the hole in the mask, the type and parameters of the radial distribution of the beam intensity will vary depending on the aspect ratio characteristic of the holes in the mask. The larger the aspect ratio, the smaller the diameter of the region in the center of the hole at the bottom of the mask, where the maximum intensity of the beam of accelerated particles incident on the material is realized. If during selective removal of atoms from oxides and their reduction excessive doses of radiation are not used (i.e., if minimum doses sufficient to restore oxide of a given thickness are used), then the aspect ratio of the holes in the mask will increase (for a given diameter of holes) allows you to reduce the diameter of the area of complete recovery of the selected material from the oxide. Subsequent oxidation of such samples due to exposure to air or irradiation with low-energy accelerated oxygen particles (ions or atoms) allows the regions partially restored by selective removal of atoms to be oxidized to the initial oxide. Thus, metal or semiconductor nanostructures with element sizes significantly smaller than the minimum size of the holes in the mask can be formed in oxides.
В зависимости от ситуации воздействие кислородом может быть осуществлено, либо используя поток ускоренных ионов или атомов кислорода, либо используя выдержку в кислородсодержащем газе или на воздухе.Depending on the situation, exposure to oxygen can be carried out either by using a stream of accelerated ions or oxygen atoms, or by using exposure in an oxygen-containing gas or in air.
При этом проводящая структура может формироваться в виде металлического рисунка в слое диэлектрика или в виде полупроводникового рисунка на слое диэлектрика.In this case, the conductive structure can be formed in the form of a metal pattern in a dielectric layer or in the form of a semiconductor pattern in a dielectric layer.
Предлагаемый способ позволяет формировать на подложке слой за слоем и таким образом получать объемные проводящие структуры, отдельные слои которой при необходимости могут быть разделены диэлектрическими слоями. В этом случае роль подложки будет выполнять предыдущий слой с выполненной в нем (или на нем) структурой (рисунком).The proposed method allows to form layer by layer on a substrate and thus obtain volumetric conductive structures, individual layers of which, if necessary, can be separated by dielectric layers. In this case, the role of the substrate will be played by the previous layer with the structure (pattern) made in it (or on it).
Сущность заявляемого способа формирования проводящей структуры поясняется примерами его реализации и чертежом, на котором показана последовательность проведения операции при формировании однослойной структуры.The essence of the proposed method of forming a conductive structure is illustrated by examples of its implementation and the drawing, which shows the sequence of operations during the formation of a single-layer structure.
Пример 1. В общем случае способ реализуется следующим образом. В вакуумной камере технологической установки на подложкодержателе устанавливается подложка (заготовка) 1 с нанесенным на ней материалом (окислом металла или полупроводника) 2, который преобразуется под воздействием потока 3 ускоренных протонов или атомов водорода в проводящий. Поверх этого слоя размешается маска 4 с требуемым рисунком, изготавливаемая по любой из известных технологий. Отверстия в маске, образующие рисунок, выполняются с таким аспектным отношением (отношение глубины отверстия к его поперечному размеру), чтобы получить снижение размеров элементов создаваемой наноструктуры по сравнению с размерами отверстий в маске в несколько раз. В вакуумной камере, объем которой откачивается до давления 1·10-7 Торр, размещен источник ускоренных частиц - протонов. Заготовка облучается протонами с энергией несколько КэВ до дозы, соответствующей минимальному значению, достаточному для полного удаления атомов кислорода из пленки оксида без маски. Соответствующее значение минимальной дозы облучения определяется заранее экспериментальным путем. В результате взаимодействия материала с потоком ускоренных частиц под отверстиями в резистной маске образуются элементы проводящей структуры 5, составляющие заданный рисунок, окруженные областями 6, где восстановление до состояния металла или полупроводника произошло не полностью. Затем заготовка подвергается воздействию кислородом - потоком ускоренных ионов или атомов кислорода 7, либо используя выдержку в кислородосодержащей среде, например на воздухе. В результате, как показывают измерения, выполненные с помощью методов атомно-силовой микроскопии, размеры сформированных элементов из металла могут составлять несколько нм.Example 1. In the General case, the method is implemented as follows. In the vacuum chamber of the technological installation, a substrate (preform) 1 with a material deposited on it (metal oxide or semiconductor) 2, which is converted by a stream of 3 accelerated protons or hydrogen atoms into a conducting one, is installed on the substrate holder. A mask 4 with the required pattern, manufactured by any of the known technologies, is placed on top of this layer. The holes in the mask that make up the pattern are made with such an aspect ratio (the ratio of the hole depth to its transverse size) in order to obtain a several-fold reduction in the size of the elements of the nanostructure being created compared to the size of the holes in the mask. In a vacuum chamber, the volume of which is pumped out to a pressure of 1 · 10 -7 Torr, there is a source of accelerated particles - protons. The workpiece is irradiated with protons with an energy of several keV to a dose corresponding to the minimum value sufficient to completely remove oxygen atoms from the oxide film without a mask. The corresponding value of the minimum dose is determined in advance experimentally. As a result of the interaction of the material with the flow of accelerated particles under the holes in the resistive mask, elements of the
Пример 2. В конкретных случаях способ реализуется следующим образом. В вакуумной камере технологической установки на подложкодержателе устанавливается подложка (заготовка) 1 с нанесенным на ней материалом (окислом металла или полупроводника) 2, который преобразуется под воздействием потока 3 ускоренных протонов или атомов водорода в проводящий. Поверх этого слоя размешается маска 4 с требуемым рисунком, изготавливаемая по любой из известных технологий. Отверстия, образующие рисунок, выполняются с таким аспектным отношением (отношение глубины отверстия к его поперечному размеру), чтобы получить снижение размеров элементов создаваемой наноструктуры по сравнению с размерами отверстий в маске, созданной в электронном резисте в 3 раза. В рассматриваемом примере размер отверстий в электронном резисте составлял 45 нм, а аспектное отношение (h/a) в соответствии с оценками было выбрано:Example 2. In specific cases, the method is implemented as follows. In the vacuum chamber of the technological installation, a substrate (preform) 1 with a material deposited on it (metal oxide or semiconductor) 2, which is converted by a stream of 3 accelerated protons or hydrogen atoms into a conducting one, is installed on the substrate holder. A mask 4 with the required pattern, manufactured by any of the known technologies, is placed on top of this layer. The holes forming the pattern are made with such an aspect ratio (the ratio of the hole depth to its transverse size) in order to obtain a reduction in the size of the elements of the created nanostructure compared to the size of the holes in the mask created in the electronic resist 3 times. In this example, the size of the holes in the electronic resist was 45 nm, and the aspect ratio (h / a) in accordance with the estimates was chosen:
Облучаемый материал представлял из себя пленку оксида висмута толщиной 30 нм, напыленную на стандартную кремниевую пластинуThe irradiated material was a 30 nm thick bismuth oxide film deposited on a standard silicon wafer
В вакуумной камере, объем которой откачивается до давления 1·10-7 Торр, размещен источник ускоренных частиц - протонов. Заготовка облучается протонами с энергией 1,5 КэВ до дозы, соответствующей минимальному значению, достаточному для полного удаления атомов кислорода из пленки оксида висмута толщиной 30 нм при облучении без маски. Соответствующее значение минимальной дозы облучения определяется заранее экспериментальным путем. В результате взаимодействия материала с потоком ускоренных частиц под отверстиями в резистной маске образуются элементы проводящей структуры 5, составляющие заданный рисунок. Затем заготовка подвергается воздействию кислородом - потоком ускоренных ионов или атомов кислорода, либо используя:In a vacuum chamber, the volume of which is pumped out to a pressure of 1 · 10 -7 Torr, there is a source of accelerated particles - protons. The workpiece is irradiated with protons with an energy of 1.5 KeV to a dose corresponding to the minimum value sufficient to completely remove oxygen atoms from a 30 nm thick bismuth oxide film when irradiated without a mask. The corresponding value of the minimum dose is determined in advance experimentally. As a result of the interaction of the material with the flow of accelerated particles under the holes in the resistive mask, elements of the
Вакуумная камера откачивалась до давления 1·10-7 торр. В качестве источника ускоренных протонов использовался ВЧ-плазменный источник, который включался после откачки. Для селективного удаления атомов кислорода из оксида германия использовались протоны с энергией 2 КэВ, облучение осуществлялось в течение 50 мин. После этого заготовка облучалась ионами кислорода с энергией ~20 эВ в ВЧ-плазменном источнике в течение 10 мин. Как показали последующие измерения, выполненные с использованием различных методов (AFM-микроскопии, электронной микроскопии, электрофизических измерений), минимальный размер элементов обоих типов областей составил ~15 нм.The vacuum chamber was pumped out to a pressure of 1 · 10 -7 torr. An RF plasma source was used as a source of accelerated protons, which was switched on after pumping. For the selective removal of oxygen atoms from germanium oxide, protons with an energy of 2 KeV were used; irradiation was carried out for 50 min. After that, the preform was irradiated with oxygen ions with an energy of ~ 20 eV in an RF plasma source for 10 min. As subsequent measurements showed using various methods (AFM microscopy, electron microscopy, electrophysical measurements), the minimum size of elements of both types of regions was ~ 15 nm.
Пример 3. Способ осуществлялся по той же схеме, что и в примерах 1 и 2, только с тем отличием, что аспектное отношение (h/a), в зависимости от величины угла расходимости пучка, для круглых отверстий в электронном резисте диаметром 50 нм было установлено равным:Example 3. The method was carried out according to the same scheme as in examples 1 and 2, only with the difference that the aspect ratio (h / a), depending on the magnitude of the beam divergence angle, for round holes in an electron resistor with a diameter of 50 nm was set equal to:
В результате в пленке из оксида вольфрама толщиной 70 нм были получены элементы из чистого вольфрама диаметром ~10 нм, что в 5 раз меньше размера круглых отверстий в маске.As a result, elements of pure tungsten with a diameter of ~ 10 nm were obtained in a tungsten oxide film 70 nm thick, which is 5 times smaller than the size of the round holes in the mask.
Пример 4. Способ осуществлялся по той же схеме, что и в примерах 1 и 2, только с тем отличием, что на подложку из кремния наносился слой оксида никеля толщиной 40 нм. При проведении экспериментов в качестве маски использовалась маска из электронного резиста с изготовленной в ней двумерной периодической структурой в виде рядов круглых отверстий диаметром 60 нм. Аспектное отношение (h/a), в зависимости от величины угла расходимости пучка, было установлено равным:Example 4. The method was carried out according to the same scheme as in examples 1 and 2, only with the difference that a 40 nm thick nickel oxide layer was deposited on a silicon substrate. During the experiments, a mask made of an electronic resist with a two-dimensional periodic structure made in it in the form of rows of round holes with a diameter of 60 nm was used as a mask. The aspect ratio (h / a), depending on the magnitude of the beam divergence angle, was set equal to:
В результате в оксиде никеля были получены элементы из чистого никеля диаметром ~15 нм, что в 4 раз меньше размера круглых отверстий в маске.As a result, elements of pure nickel with a diameter of ~ 15 nm were obtained in nickel oxide, which is 4 times smaller than the size of the round holes in the mask.
Пример 5. Способ осуществлялся по той же схеме, что и в примерах 1 и 2, только с тем отличием, что на подложку из кремния наносился слой оксида кобальта толщиной 30 нм. При проведении экспериментов в качестве маски использовалась маска из электронного резиста с изготовленной в ней регулярной структурой в виде рядов круглых отверстий диаметром 20 нм. Аспектное отношение (h/a), в зависимости от величины угла расходимости пучка, было установлено равным:Example 5. The method was carried out according to the same scheme as in examples 1 and 2, only with the difference that a 30 nm thick cobalt oxide layer was deposited on a silicon substrate. In the experiments, a mask of an electronic resist with a regular structure made in it in the form of rows of round holes with a diameter of 20 nm was used as a mask. The aspect ratio (h / a), depending on the magnitude of the beam divergence angle, was set equal to:
В результате в оксиде кобальта были получены элементы из чистого кобальта размером 10 нм, что в 2 раза меньше размера круглых отверстий в резистной маске.As a result, elements of pure cobalt with a size of 10 nm were obtained in cobalt oxide, which is 2 times smaller than the size of the round holes in the resist mask.
Таким образом, предлагаемый способ позволяет получать проводящие структуры с размерами элементов существенно меньшими, чем размеры отверстий в маске, с помощью которой осуществлялось их формирование.Thus, the proposed method allows to obtain conductive structures with element sizes substantially smaller than the size of the holes in the mask, with the help of which they were formed.
Claims (4)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2009139642/28A RU2404479C1 (en) | 2009-10-28 | 2009-10-28 | Method for formation of conducting structure in dielectric matrix |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2009139642/28A RU2404479C1 (en) | 2009-10-28 | 2009-10-28 | Method for formation of conducting structure in dielectric matrix |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2404479C1 true RU2404479C1 (en) | 2010-11-20 |
Family
ID=44058538
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2009139642/28A RU2404479C1 (en) | 2009-10-28 | 2009-10-28 | Method for formation of conducting structure in dielectric matrix |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2404479C1 (en) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2477902C1 (en) * | 2011-10-04 | 2013-03-20 | Федеральное государственное бюджетное учреждение "Национальный исследовательский центр "Курчатовский институт" | Method for formation of conductors in nanostructures |
| RU2526236C1 (en) * | 2013-03-22 | 2014-08-20 | Федеральное государственное бюджетное учреждение "Национальный исследовательский центр "Курчатовский институт" | Method of forming magnetic patterned structure in non-magnetic matrix |
-
2009
- 2009-10-28 RU RU2009139642/28A patent/RU2404479C1/en active
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2477902C1 (en) * | 2011-10-04 | 2013-03-20 | Федеральное государственное бюджетное учреждение "Национальный исследовательский центр "Курчатовский институт" | Method for formation of conductors in nanostructures |
| RU2526236C1 (en) * | 2013-03-22 | 2014-08-20 | Федеральное государственное бюджетное учреждение "Национальный исследовательский центр "Курчатовский институт" | Method of forming magnetic patterned structure in non-magnetic matrix |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| KR20190040313A (en) | Pseudo-atomic layer etching method | |
| US20110027999A1 (en) | Etch method in the manufacture of an integrated circuit | |
| Honda et al. | Benefits of atomic-level processing by quasi-ALE and ALD technique | |
| KR102473382B1 (en) | Resist film manufacturing method | |
| US4510173A (en) | Method for forming flattened film | |
| Park et al. | Atomic layer etching of chrome using ion beams | |
| Lercel et al. | Plasma etching with self‐assembled monolayer masks for nanostructure fabrication | |
| RU2404479C1 (en) | Method for formation of conducting structure in dielectric matrix | |
| RU2477902C1 (en) | Method for formation of conductors in nanostructures | |
| JPH0458178B2 (en) | ||
| US20190212656A1 (en) | PVD Films For EUV Lithography | |
| Miyazoe et al. | Highly selective dry etching of polystyrene-poly (methyl methacrylate) block copolymer by gas pulsing carbon monoxide-based plasmas | |
| US10990014B2 (en) | Performance improvement of EUV photoresist by ion implantation | |
| Drouin et al. | Method for fabricating submicron silicide structures on silicon using a resistless electron beam lithography process | |
| Takeuchi et al. | Surface roughness development on ArF-photoresist studied by beam-irradiation of CF4 plasma | |
| JPH04240729A (en) | Pattern formation | |
| JPH03174724A (en) | Method of forming pattern | |
| Omura et al. | Layer-by-layer etching of LaAlSiOx | |
| JP2010070788A (en) | Substrate processing method | |
| TW201543545A (en) | Process for fabricating integrated circuit | |
| Gu et al. | A new metallic complex reaction etching for transition metals by a low-temperature neutral beam process | |
| Le et al. | Atomic layer deposition and its derivatives for extreme ultraviolet (EUV) photoresist applications | |
| JPS6376438A (en) | Pattern formation | |
| WO2003015145A1 (en) | Micromachining method using ionbeam | |
| JPH03291929A (en) | Dry etching method |