Сканирующая емкостная микроскопия для исследования наноэлектроники с вакуумными каналами

ИЮН192018

Прилагаемые усилия по упрочнению электронных компонентов и систем, использующих твердотельные устройства, противодействующие воздействию тепла и космической радиации, стали крупной инженерной задачей для космических агентств по всему миру. Такие виды работ являются не только трудоемкими, но и дорогостоящими – при этом большинство поставляемых решений являются технологически более старыми. Для устранения недостатков использования подобных устройств в космосе исследователи начали направлять свои усилия на возрождение технологии вакуумных трубок с использованием моделей, изготовленных на основе кремния в качестве альтернативного решения.

В данной статье описано исследование новых наноэлектронных устройств с вакуумными каналами с помощью емкостной сканирующей микроскопии (SCM) на атомно-силовом микроскопе NX20, чтобы продемонстрировать его возможности как нового и универсального решения в данной области исследований. Исследуемый образец имел свой собственный «сток-исток» интерфейс, а область сканирования составляла 450х800 нм.

Полученные данные о емкости показали, что устройство может быть «электрически жизнеспособным» в качестве функционального транзистора. Исток и сток наблюдаемого образца имели среднюю емкость -1.4 мкВ, тогда как концевые области на каждой из клемм имели среднюю емкость -1.8 мкВ. Было обнаружено, что область вакуумного канала между указанными точками имела наибольшую положительную относительную емкость среди всех значений в области сканирования и составила 2.3 мкВ.

Введение

С момента изобретения в начале 20 века вакуумные трубки использовались как основные электронные компоненты, что поспособствовало распространению устройств, оказавших неоценимое влияние на общество в различных областях: телевидение, радио, телефония, промышленные процессы и многое другое. Однако такие электронные компоненты со временем устарели в связи с появлением твердотельных устройств, работающих на полупроводниковых компонентах.

К середине 20 века полупроводниковые устройства, обладающие меньшими размерами, более высокой эффективностью, большей долговечностью и более низкой стоимостью, стали, по факту, источником для крупносерийного производства электроники и сегодня переросли в многомиллиардную индустрию. Однако, когда прошло уже почти два десятилетия в 21 веке, проблема по расширению исследований космического пространства показала, что полупроводниковые устройства и компоненты сильно уязвимы при воздействии на них космической радиации.

Усилия по упрочнению таких компонентов и систем стали крупной инженерной задачей для всех космических агентств и организаций ^[1], которые стремятся защитить свое оборудование. К сожалению, такие исследования не только трудоемкие, но также очень дорогостоящие – как результат, предлагаемые решения забирают очень много средств, а их потенциал быстро устаревает по сравнению с элементной базой в других областях ^[2].

Чтобы избавиться от появившихся недостатков и создать технологию транзисторов, которая позволит достигать более высоких результатов, чем любые полупроводниковые устройства, исследования начали фокусироваться на возрождении технологии вакуумных трубок на основе кремния и их применении на уровне наномасштабов. В результате получается транзисторное устройство с вакуумным каналом, которое потенциально может изготавливаться в промышленных масштабах с использованием уже существующих кремниевых материалов для твердотельных транзисторных устройств ^[2].

В данном исследовании использовалась технология емкостной сканирующей микроскопии (SCM) для анализа наноэлектрических свойств вакуумного канала, чтобы определить как его применимость в качестве транзистора, так и для понимания можно ли управлять технологическим методом, используемым для изготовления изоляторных затворов.

Методология

Для получения электрических свойств устройства с вакуумным каналом использовался атомно-силовой микроскоп NX20 компании Park Systems – были получены SCM изображения области, содержащей «исток-сток» интерфейс, вакуумный канал и изолированные затворы. Дополнительные данные о топографии исследуемой области были получены одновременно с помощью контактного метода с использованием того же кантилевера.

Сканирующая емкостная микроскопия (SCM) + атомно-силовая микроскопия (AFM)

Технологии SCM и AFM являются мощной комбинацией для исследования транзисторных устройств – оба метода, объединенные в одном процессе, предоставляют пользователю возможность проведения неразрушающего анализа с целью получения информации как о распределении заряда, так и топографии поверхности с высоким пространственным разрешением и чувствительностью ^[3]. При использовании SCM металлический кантилевер и высокочувствительный емкостной датчик дополняют стандартный метод АСМ.

Во время анализа между наконечником кантилевера и поверхностью исследуемого образца прикладывается напряжение смещения, что позволяет создать пару последовательно соединенных конденсаторов (в устройствах металл-оксид-полупроводник) из слоя изоляционного оксида ⁽¹⁾ на поверхности устройства и активного слоя обеднения ⁽²⁾ в межфазной области между слоем оксида и легированным кремнием. Затем суммарная емкость определяется толщиной оксидного слоя, а также слоем обеднения, на который воздействуют как легированная кремниевая подложка, так и величина постоянного напряжения, прикладываемого между кантилевером и поверхностью образца.

Принцип измерения емкости в устройствах с вакуумными каналами с помощью SCM похож на описанный выше. Опять же используется тонкий слой оксида в качестве изоляции на устройстве ^[4], изолируя затвор от интерфейса «исток-сток» на поверхности. Постоянное напряжение прикладывается между кантилевером и исследуемой поверхностью во время сканирования наконечника вдоль выбранной области. Данные об обнаруженных изменениях емкости также дополняются топографическими данными, получаемыми при анализе изгибов кантилевера при его контакте с поверхностью образца ^[5].

Т.е. по мере сканирования образца лазерный луч отражается от задней стороны кантилевера и регистрируется на фотодиоде, чувствительном к отклонению луча на нем от центрального положения. Данные отклонения затем обрабатываются программным обеспечением и строится топографическая карта поверхности.

Результаты измерений

Топография устройства

На устройстве с вакуумным каналом была измерена область 450x800 нм, захватывающая «исток-сток» интерфейс. Контактный метод измерения с помощью АСМ показал, что клеммы истока и стока имеют остроконечную форму. Данный дизайн был применен с той целью, чтобы усилить электрическое поле, генерируемое в данной области ^[4]. Топографические данные сканируемой области показывают расстояние между концами истока и стока, пролет между клеммами интерфейса «исток-сток» и закрытый вакуумный канал, длиной примерно 250 нм (см. рис. 1).

Для справки, длина свободного пробега электронов и молекул газа при нормальном атмосферном давлении составляет 200 нм ^[2]. Если бы напряжения, протекающие через устройство, были достаточно низкими, электроны, проходящие от истока к стоку, не имели бы достаточной энергии для ионизации любых молекул газа, оставшихся в канале ^[4].

Поэтому данное устройство может технически функционировать без отказов при нормальном давлении воздуха – наличие вакуума в канале служит дополнительной мерой предосторожности от ионизированных молекул, повреждающих клеммы интерфейса «исток-сток». Анализ профиля топографии в поперечном сечении показывает, что расстояние от самых высоких пиков до самых глубоких впадин вакуумного канала превышает 5 нм (см. рис. 2).

Дальнейший интерес представляют две вершины, которые предположительно являются квантовыми точками устройства, которые представляют собой самые высокие пики в вакуумном канале и расположены на обоих концах пролета в непосредственной близости от конца каждой клеммы.

Рис. 1. Топографическое изображение интерфейса «исток-сток» в вакуумном канале, полученное с помощью контактной АСМ. Вдоль наложенной красной линии была проанализирована топография канала в поперечном сечении (см. рис. 2).

Рис. 2. Профили топографии вакуумного канала в поперечном сечении вдоль красной линии (см. рис. 1) (красная линия, левая ось Y в «нм») и емкости измеренной области вдоль той же линии (см. рис. 3) (зеленая линия, правая ось Y в «мкВ»).

Емкость устройства

Данные в режиме SCM были также получены для области 450x800 нм, как и в предыдущем случае. На соответствующем рисунке показана каждая из клемм интерфейса «исток-сток», являющаяся более темная по цвету и более отрицательно заряженная по сравнению с другими частями устройства (см. рис. 3).

Особое внимание стоит обратить на разницу в цвете клемм и близлежащих предполагаемых квантовых точек – эти компоненты имеют более отрицательный заряд. Это подтверждается профилем емкостной линии (зеленая, см. рис. 2), который отображает среднюю емкость (представлена в единицах напряжения) около -1.4 мкВ в областях, соответствующих клеммам истока и стока. Далее также отмечаются другие отрицательные значения величиной -1.8 мкВ, наблюдаемые в областях, соответствующих квантовым точкам, смежными с концами каждой клеммы.

Еще одна важная особенность, которая хорошо видна на емкостном изображении – это часть вакуумного канала устройства между квантовыми точками. Данная область отображается как самая яркая, а измеренное значение емкости было положительным и составило 2 мкВ. Эта область, длиной примерно 175 нм не различима на топографическом изображении, но четко наблюдается на высококонтрастном емкостном изображении. Изменение емкости от предполагаемых квантовых точек до середины вакуумного канала составляет 3.8 мкВ, что является наибольшим перепадом вдоль выбранной линии.

Рис. 3. Емкостное изображение интерфейса «исток-сток» в вакуумном канале, полученное с помощью метода SCM. Светлые области соответствуют относительно более положительно заряженным зонам устройства, тогда как темные области соответствуют относительно более отрицательно заряженным зонам устройства. Вдоль наложенной зеленой линии была проанализирована емкость канала в поперечном сечении (см. рис. 2).

Рис. 4. SEM изображение вакуумного канала того же устройства для визуального сравнения.

Заключение

Технологии совместного исследования методами SCM и AFM успешно помогли получить характеристики как о пространственном распределении емкости, так и о топографической структуре вакуумного канала в новом разработанном наноустройстве. Путем анализа поперечных сечений полученных топографического и емкостного изображений вдоль одной и той же линии, было получено дополнительное понимание взаимосвязи ключевых физических структур с изменениями емкости.

Была получена топография интерфейса «исток-сток» и оценена длина вакуумного канала (250 нм), которая характеризуется наличием пиков и впадин с максимальным расстоянием между ними в > 5 нм. Электрическая функциональность устройства оценивалась путем анализа емкостного изображения. В результате были обнаружены области с отрицательным зарядом (-1.4…-1.8 мкВ), соответствующие интерфейсу «исток-сток» и квантовым точкам, а также положительно заряженный вакуумный канал (2 мкВ) между ними. На основании анализа данных перемен в емкости вдоль вакуумного канала можно сделать вывод, что устройство такого типа способно функционировать как самостоятельный транзистор.

Ссылки

1. A.S. Keys and M.D. Watson, Radiation Hardened Electronics for Extreme Environments, Huntsville, AL: NASA Marshall Space Flight Center, 2007.
2. Vacuum Nanoelectronics: Interview with M. Meyyappan and Jin Woo Han, EEWeb, 2013. Retrieved from https://www.eeweb.com/blog/eeweb/interview-with-m.-meyyappan-and-jin-woo-han-on-vacuum-nanoelectronics
3. Scanning Capacitance Microscopy (SCM), Park Systems, 2016. Retrieved from http://www.parkafm.com/index.php/park-spm-modes/94-electrical-properties/235-scanning-capacitance-microscopy-scm
4. J.W. Han and M. Meyyappan, Introducing the Vacuum Transistor: A Device Made of Nothing, IEEE Spectrum, 2014. Retrieved from http://spectrum.ieee.org/semiconductors/devices/introducing-the-vacuum-transistor-a-device-made-of-nothing
5. How AFM Works, Park Systems, 2016. http://www.parkafm.com/index.php/medias/nano-academy/how-afm-works