МИКРОЭЛЕКТРОНИКА, 2012, том 41, № 5, с. 364-367
ПРИБОРЫ МИКРО-И НАНОЭЛЕКТРОНИКИ
УДК 621.382
полевой транзистор с каналом-нанопроводом
на основе кремния на изоляторе © 2012 г. Д. Е. Преснов2, 3, С. В. Амитонов1, В. А. Крупенин1, 3
1 Лаборатория криоэлектроники, физический факультет МГУ 2 Научно-исследовательский институт ядерной физики МГУ 3 Институт нанотехнологий микроэлектроники Российской АН E-mail: vladimir.krupenin@phys.msu.ru Поступила в редакцию 2.11.2011 г.
В работе представлены методы изготовления и результаты исследования полевого транзистора на основе кремниевого нанопровода, который может быть основой для создания высокочувствительного полевого и зарядового сенсора с нанометровым пространственным разрешением для применений в различных областях физики, биологии и медицины. Транзистор с каналом-нанопроводом изготавливался из материала "кремний на изоляторе" (КНИ) методами электронной литографии и реактивно-ионного травления. Особое внимание было уделено электрической изоляции подводящих (металлических) контактных проводов к стоку и истоку транзистора как для уменьшения токов утечки на низлежащую кремниевую подложку, так и для предотвращения контакта с проводящей средой при экспериментах в жидкости. Проведенные измерения транзистора в жидкостных растворах с различным рН показывают возможность использования такого полевого транзистора на основе кремниевого нанопровода в качестве сверхчувствительного полевого/зарядового сенсора.
ВВЕДЕНИЕ
Развитие нанотехнологий за последние десятилетия привело к возможности изготовления и исследования широкого спектра оригинальных устройств сверхмалых размеров. Одним из таких ярких примеров является оригинальный полевой транзистор, в котором полупроводниковый канал выполнен в форме нанопровода.
Величина тока, протекающего через полупроводниковый канал транзистора, зависит от напряженности электрического поля, в котором он находится. Поскольку каналом является тонкий (~ 100 нм в диаметре) кремниевый нанопровод, даже небольшие локальные изменения поля в теле нанопровода способны существенно изменить его проводимость. Примером таких локальных возмущений поля могут быть поверхностные заряды или наноразмерные заряженные частицы, приближающиеся к поверхности нанопровода. Возможность регистрации с помощью такого устройства присоединения к (отсоединении от) поверхности нанопровода малых заряженных частиц привела к интенсивной разработке биосенсоров на его основе для определения предельно низких концентраций специфических биомолекул и частиц (белков, ДНК, вирусов) [1—6] влоть до регистрации единичных актов их присоединения [2, 3] к специально подготовленной поверхности нанопровода. Безусловным достижением исследователей является продемонстрированная зарядовая чувствительность транзистора на осно-
ве нанопровода, приближающаяся к чувствительности одноэлектронных транзисторов [6]. Это дает возможность создания на его основе сверхчувствительных зарядовых сенсоров с нанометровым пространственным разрешением для широкого спектра сканирующих и локальных зондовых устройств нового поколения, которые могут найти применение в различных областях науки, техники и медицины.
МЕТОДИКА ИЗГОТОВЛЕНИЯ ОБРАЗЦОВ
В качестве материала для изготовления нано-проводов использовались пластины КНИ (Soitec® "Unibond" wafers), обладающие следующими характеристиками:
— верхний слой кремния р-типа допирован бором, толщина — 110 нм, удельное сопротивление — 7—12 Ом • см;
— изолирующий диэлектрик SiO2, толщина — 200 нм,
— поддерживающая кремниевая пластина р-ти-па допирована бором, толщина — 700 мкм, удельное сопротивление — 7—12 Ом • см;
Структуры транзисторов формировались в верхнем слое кристаллического кремния методом реактивно-ионного травления кремния через металлическую маску. Для формирования маски использовался электронный резист ПММА 950К толщиной 100 нм.
Рис. 1. Схематичное изображение маски нанопровода в ПММА после проведения процесса электронной литографии и проявки резиста.
Рис. 2. Схематичное изображение нанопровода с А1
маской на нем после проведения процесса реактивно-ионного травления.
С помощью электронного литографа (электронный микроскоп Carl Zeiss Supra40 с литографической приставкой Raith-ELPHY Quantum) в электронном резисте, нанесенном на поверхность чипа методом центрифугирования, формировался рисунок областей стока и истока транзистора с нанопроводом между ними (рис. 1). После проявления резиста в смеси изопропанола и толуола на поверхность образца напылялся тонкий слой алюминия (15 нм), который служил маской для травления кремния в последующем процессе. Перенос рисунка алюминиевой маски в верхний слой кремния происходил в результате реактивно-ионного травления кремния в атмосфере газа SF6 (рис. 2). Процесс контролировался методом лазерной интерферометрии, позволяющем регистрировать глубину травления в реальном времени. В зависимости от выбора режима травления размеры и формы структур изменялись: при повышении давления рабочего газа и уменьшения мощности — повышалась изотропность травления, и наоборот — анизотропность повышалась при увеличении мощности и уменьшения давления. На рис. 3 показаны профили структур, полученные при различных режимах травления (давление/мощность ВЧ-разряда): (а) — 1 Па/40 Вт, (б) — 2 Па/50 Вт, (в) — 4 Па/50 Вт. В результате мы остановили свой выбор на режиме с давлением в 1 Па и мощностью 40 Вт (рис. 3а). Дальнейшее понижение давления рабочего газа уже не имело смысла, так как небольшой подтрав под алюминиевую маску позволял даже улучшить предельное разре-
i
2 мкм
I_I
Рис. 3. Профили структур, полученные при различных режимах травления (давление/мощность): (а) — 1 Па/40 Вт; (б) - 2 Па/50 Вт; (в) - 4 Па/50 Вт.
366
ПРЕСНОВ и др.
■ 0.1 ПО 0.1
ЫЬ А я
■ а [ н 1 ■ щ
, щ °'2 0-4 0.2 М
-т
1 0 мкм
Рис. 4. Микрофотография кремниевых структур на-нопроводов с контактными площадками.
шение электронной литографии. После травления металлическая маска удалялась в слабом щелочном растворе. Таким образом были изготовлены кремниевые структуры нанопроводов (ширина от 50 до 500 нм, длина 1.5—2.5 мкм) с контактными площадками размером 7x7 мкм (рис. 4).
Для формирования подводящих металлических проводов к изготовленным кремниевым структурам применялась как оптическая так и электронная литография с совмещением. В качестве материала использовался тонкий (30 нм) слой титана, напыляемый методом магнетронно-го распыления через двухслойную резистную маску. В качестве изолированного затвора для на-нотранзистора использовался нижний слой кремния КНИ пластины, к которому прикладывалось положительное напряжение от 0 до 10 В, активируя инверсный канал проводимости. Качество диэлектрического слоя пластины КНИ оказалось недостаточным для полной изоляции от подложки подводящих металлических проводов и нам пришлось увеличивать толщину диэлектрического слоя, чтобы ликвидировать наблюдающуюся утечку тока через собственный 200 нм слой 8Ю2 КНИ пластины. Утолщение производилось двумя последовательными напылениями слоев 8Ю2 толщиной по 200 нм на всю поверхность чипа, за исключением центральной области с наноструктурами (рис. 5).
Для измерений в жидкостной среде необходимо было изолировать от контакта с жидкостью металлические подводящие провода к кремниевой структуре транзистора. Изоляции нанопровода с контактными площадками не требовалось — их покрывал тонкий слой естественного окисла кремния толщиной 2—3 нм. Изоляция титановых проводов проводилась также двумя последовательными напылениями на них изолирующих слоев 8Ю2 толщиной 200 нм (рис. 6). Маска для формирования изолирующего слоя над контактными проводами совмещалась с контактными проводами и почти повторяла маску для их формирования в централь-
Рис. 5. Утолщение слоя диэлектрика под контактными площадками: (а) — схематическое изображение; (б) — фотография границы двух дополнительных напыленных слоев 8Ю2.
Рис. 6. Микрофотография нанопровода и подводящих титановых проводов с изоляцией: 1 — структура нанопровода и контактных площадок; 2 — металлические подводящие провода; 3 — утолщенный слой диэлектрика под проводами; 4 — слой диэлектрика, изолирующий титановые провода от жидкостной среды.
ной области чипа и отличалась от нее лишь небольшим уширением, необходимым для покрытия диэлектриком боковых поверхностей проводов. Остальная часть чипа за центральной областью покрывалась диэлектриком полностью.
Для проведения измерений образцы помещались в керамический держатель, контактные площадки чипа соединялись с контактными площадками держателя алюминиевой проволокой, толщиной 25 мкм, методом ультразвуковой пайки. Для измерений в жидкости поверхность чипа, за исключением центральной его части, покрывалась изолирующим кремнийорганическим герметизирующим компаундом.
I, нА 25
20
15
10
5
0
Tr8
I, нА
-79 г
7V -80 -
-81 -
-82 -
6V -83 -
-84 -
5V -85 -
4V -86 -
3V -87 -
2V -88 -
1V
500
2000
pH 7
pH 6
щmm pH5
1000 1500 V, мВ
Рис. 7. ВАХ транзистора при различных напряжениях на затворе.
РЕЗУЛЬТАТЫ ИЗМЕРЕНИИ
Измерения вольтамперных характеристик транзистора происходили в режиме задания напряжения между стоком и истоком транзистора и измерении тока через нанопровод при различных напряжениях на подложке-затворе транзистора. Основные измерения проводились при положительных напряжениях на затворе, что соответствовало инверсному (электронному) каналу проводимости транзистора. Проводимость дырочного канала транзистора, образующегося при отрицательных напряжениях на затворе, была очень низка в диапазоне напряжений до —10 В и подробно не исследовалась.
Проводимость канала транзистора зависит от напряженности электрического поля, в котором находится нанопровод, и регулируется напряжением на затворе-подложке (рис. 7). Локальные изменения поля достаточной величины также способны изменить проводимость нанопровода, что дает возможность регистрации с помощью такого устройства присоединения к (отсоединении от) поверхности на-нопровода малых заряженных частиц: наночастиц, молекул, вирусов,
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.