СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ ПРОВОДЯЩЕЙ СТРУКТУРЫ Российский патент 1999 года по МПК H01L21/263 

Изобретение относится к технологии создания сложных проводящих структур с помощью потока заряженных частиц и может быть использовано в микроэлектронике для создания сверхминиатюрных приборов, интегральных схем, запоминающих устройств и оптических элементов.

Известен способ создания элементов проводящей структуры на диэлектрических слоях (см. описание к заявке ФРГ N 19503178, H 01 L 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 устройства для луча 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.

Известен способ формирования рисунка с применением электронного пучка (см. описание к заявке Японии N 6038411, H 01 L 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 является сложность его осуществления, заключающаяся в формировании в камере атмосферы реакционноспособных 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.

Наиболее близким к заявляемому по своей технической сущности и достигаемому результату является известный 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/).

Недостатком известного способа является малая разрешающая способность создаваемого рисунка (проводящей структуры), не позволяющая получать отдельные элементы структуры размером в несколько нанометров.

Заявляемый способ формирования проводящей структуры направлен на обеспечение повышения разрешающей способности структуры путем создания отдельных ее элементов размером от нескольких нанометров до десятков нанометров.

Указанный результат достигается тем, что способ формирования проводящей структуры включает нанесение на подложку слоя материала и преобразование материала в проводящий под действием излучения от источника заряженных частиц, при этом на подложку наносят слой материала толщиной 2-20 нм, а преобразование материала в проводящий проводят модулированным излучением после нанесения материала на подложку.

Отличительными признаками заявляемого способа являются
нанесение на подложку слоя материала, преобразуемого в проводящий под воздействием излучения, толщиной 2-20 нм;
преобразование материала в проводящий модулированным излучением после нанесения материала на подложку.

Преобразование материала в проводящий после нанесения его на подложку воздействием модулированного излучения позволяет получать на подложке проводящую структуру с заданным рисунком.

Выбор толщины слоя материала, наносимого на подложку, обусловлен необходимостью локализовать область взаимодействия излучения с преобразуемым материалом, что позволяет существенно уменьшить размеры получаемых элементов проводящей структуры. Экспериментально установлено, что при взаимодействии излучения с материалом, преобразуемым в проводящий, область взаимодействия (и соответственно преобразования материала) имеет локализованное проводящее пятно на поверхности, которое расширяется по мере углубления в материал и в объеме приобретает грушевидную форму, что обусловлено эффектами обратного рассеяния (см. фиг.). Поэтому если слой сделать тонким, то можно получить и более мелкие детали проводящей структуры. Если слой материала сделать толщиной более 20 нм, то, при всех прочих равных условиях, размеры получаемых элементов структуры начинают возрастать, если же наносить слой толщиной менее 2 нм, то будет возникать отсутствие сплошности в слое материала, что отразится на качестве формируемой проводящей структуры.

При этом проводящая структура может формироваться в виде металлического рисунка на слое диэлектрика, в виде полупроводникового рисунка на слое диэлектрика или металла и в виде рисунка одного металла на другом или на полупроводнике.

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).

В качестве источника заряженных частиц может использоваться любой из числа известных - электронная пушка, ионный источник.

В качестве материала, преобразуемого в результате воздействия излучения в проводящий, могут использоваться любые из числа известных. Например, как в прототипе, это может быть нитрид металла, разлагающийся в результате воздействия излучения на азот и металл. Аналогично могут использоваться гидриды металлов и оксиды. Во всех перечисленных случаях газ будет удаляться, а металл оставаться, формируя рисунок (проводящую структуру).

Вид источника заряженных частиц выбирается исходя из свойств материала обрабатываемого слоя. Например, при использовании в качестве материала слоя различных оксидов, предпочтительно использовать ионы водорода, чтобы обеспечить восстановление металла. Режимы работы источников заряженных частиц определяются расчетным путем или подбираются экспериментально. В частных случаях реализации вместо гидридов и нитридов металлов можно использовать материал, представляющий пересыщенный твердый раствор металла в диэлектрике. В качестве диэлектрика могут быть использованы оксиды металлов, окисел кремния, алмазоподобные углеродные или углерод-кремниевые пленки. При облучении заряженными частицами пересыщенный раствор распадается с выделением металлической составляющей на облучаемой площади.

Для формирования рисунка проводящей структуры поток заряженных частиц может модулироваться двумя различными способами. Во-первых, модуляцией по интенсивности всего сечения пучка заряженных частиц с одновременным сканированием сфокусированного пятна по поверхности обрабатываемого слоя (по аналогии с телевизионным кинескопом). Во-вторых, возможна пространственная модуляция, когда сформированным соответствующим образом пучком заряженных частиц просвечивают шаблон с нанесенным на нем рисунком, а затем уменьшенное его изображение фокусируют на обрабатываемой поверхности.

Сущность заявляемого способа формирования проводящей структуры поясняется примерами его реализации и чертежом, на котором штриховкой условно показана в сечении форма объема превращающегося в металл материала при его взаимодействии с пучком заряженных частиц, а незаштрихованным - весь объем слоя материала.

Пример 1. В общем случае способ реализуется следующим образом. В вакуумной камере технологической установки на подложкодержателе устанавливается подложка (или несколько) с нанесенным на ней материалом, который преобразуется под воздействием излучения в проводящий. В вакуумной камере размещен источник заряженных частиц (электронная пушка с вольфрамовым катодом) и электронные линзы для формирования луча, при этом одна из линз установлена между подложкой и шаблоном с нанесенным на нем рисунком. Внутренний объем установки откачивается до давления 10^-8 - 10^-9 торр, после чего включается источник заряженных частиц, излучение которого проходит сквозь шаблон и электронной линзой проецируется в уменьшенном виде на поверхность слоя материала, нанесенного на подложку. В результате взаимодействия материала с потоком заряженных частиц, в точках куда они попали, образуются элементы проводящей структуры, составляющие заданный рисунок.

Пример 2. В вакуумной камере размещалась подложка из кремния размером 5 • 5 • 0,4 мм, на которую наносился слой гидрида лантана или нитрида галлия различной толщины, в пределах от 2 до 100 нм. На пути электронного пучка устанавливалась маска с рисунком-оригиналом. При проведении экспериментов в качестве маски использовалась маска из кремния размером 50 • 50 • 0,4 мм с изготовленной в ней регулярной структурой в виде рядов круглых отверстий диаметром 100 нм и линий шириной 100 нм и длиной 30 мм с расстоянием между элементами 1000 нм. Вакуумная камера откачивалась сначала турбомолекулярным насосом, а затем ионным до давления 10 ^-9торр. В качестве источника электронов использовалась электронная пушка с термокатодом из вольфрама. После откачки включалась электронная пушка и обеспечивалось облучение подложки потоком электронов со средней энергией 200 КэВ и токе электронного пучка 1 мкА. Эксперименты по описанной процедуре осуществлялись на слоях преобразуемого в проводящий материала различной толщины. Результаты экспериментов для удобства сведены в таблицу 1.

Пример 3. Способ осуществлялся по той же схеме, что и в примерах 1 и 2, только с тем отличием, что в качестве источника заряженных частиц использовался источник протонов, обеспечивающий генерацию ионов водорода с энергиями 1 КэВ. В этом случае на подложки наносились слои гидрида иттербия или двуокиси урана. Результаты экспериментов приведены в таблице 2.

Таким образом, предлагаемый способ позволяет получать проводящие структуры с размерами отдельных элементов, их составляющих, порядка нескольких нанометров.

Использование: в микроэлектронике для создания сверхминиатюрных приборов, интегральных схем, запоминающих устройств и оптических элементов. Техническим результатом изобретения является повышение разрешающей способности структуры путем создания отдельных ее элементов размером от нескольких нанометров до десятков нанометров. Сущность изобретения: способ включает нанесение на подложку слоя материала толщиной 2-20 нм, преобразуемого в проводящий воздействием модулированного излучения от источника заряженных частиц. 1 ил., 2 табл.

Способ формирования проводящей структуры, включающий нанесение на подложку слоя материала и преобразование материала в проводящий под действием излучения от источника заряженных частиц, отличающийся тем, что на подложку наносят слой материала толщиной 2 - 20 нм, а преобразование материала в проводящий проводят модулированным излучением после его нанесения на подложку.