Способ изготовления микро- и наноприборов на локальных подложках
Использование: изобретение может быть использовано в области полупроводниковой техники при изготовлении интегральных схем, полупроводниковых приборов или приборов на твердом теле и их частей. Техническим результатом изобретения является изготовление полупроводниковых приборов, где в одной схеме сочетаются приборные структуры, расположенные на разных локальных подложках, т.е. совмещение на одном чипе - подложке приборных структур, особенности которых требуют их расположения на подложках с разными свойствами. Становится возможным пространственное совмещение микро- и наноприборов, которые трудно или невозможно изготовить уже объединенными. Благодаря тому, что совмещение происходит в пределах одной пластины с использованием процессов самоорганизации, достижима более высокая точность, чем при совмещении двух разных подложек. Сущность изобретения: в способе изготовления микро- и наноприборов формируют многослойную структуру, содержащую, по крайней мере, подложку, жертвенный слой и слои для изготовления приборных структур, удаляют жертвенный слой и переносят освободившуюся от связи с подложкой пленку из активных слоев на новую подложку, которая отлична по свойствам от исходной подложки, причем новую подложку изготавливают локально, на одной подложке с активными слоями и с приборными структурами, многослойную структуру формируют содержащей хотя бы один слой с внутренним упругим напряжением, после того, как удаляют жертвенный слой в заданной области, пленка из активных слоев освобождается от связи с подложкой, и под действием внутренних упругих напряжений меняет форму и перемещается на новую локальную подложку. 6 з.п. ф-лы, 6 ил.
Изобретение относится к области полупроводниковой техники, изготовлению интегральных схем, микроэлектронике, а именно к способам изготовления полупроводниковых приборов или приборов на твердом теле и их частей.
Тенденцией современной технологии твердого тела является освоение наноразмеров, увеличение точности изготовления приборов и увеличение плотности упаковки. С уменьшением размеров приборов возрастают требования к материалам подложки и приборов. Уменьшение размеров приводит к увеличению полей и соответственно к увеличению влияния подложки на работу прибора. Например, в полевых транзисторах с уменьшением размеров существенно возрастают электрические поля и соответственно паразитные процессы инжекции носителей в подложку. Соответственно материал подложки должен существенно отличаться от материала прибора и обычные полупроводниковые или полуизолирующие полупроводниковые подложки не удовлетворяют требованиям. Кроме того, для разных приборов оптимальными будут различные подложки. Так, например, для изготовления наноприборов требуются изолирующие подложки типа кремний на изоляторе. Для увеличения выхода света из светоизлучающих приборов требуются отражающие свет подложки. Для компланарных интегральных схем требуется, чтобы на одной и той же полупроводниковой подложке были области р- и n-типа (локальные подложки). Для вертикальных, мощных транзисторов, тиристоров и т.п. нужны проводящие подложки, для приборов спинтроники необходимы магнитные подожки, в некоторых случаях - сверхпроводящие, экранирующие подложки. В интегральных схемах, содержащих одновременно различные типы приборов, желательно иметь подложку, состоящую из многих локальных подложек с различными свойствами.
Известен способ изготовления гибридных интегральных схем ("Интегральные схемы", Ф.Мейзда, Изд. Мир, Москва, 1981; "Электронные приборы и усилители" Изд.2. Вайсбурд Ф.И., Панаев Г.А., Савельев Б.Н. 2004). На одну подложку механически переносят отдельные области других подложек с изготовленными на них приборами или частями интегральных схем, затем изготовляют электрические соединения между приборами, расположенными на разных подложках - соединяют в единую схему на основной подложке. Такое решение имеет ограничения связанные, прежде всего, с тем, что перенос и совмещение возможно только для относительно больших подложек, которые хорошо видны под оптическим микроскопом. Проблема переноса и совмещения практически не решаема для структур с размерами менее сотен микрон, при наноразмерах совмещение данным способом вообще невозможно.
Известен способ изготовления сложных приборных структур, обладающих высокими характеристиками, использующий структуры типа «полупроводник на изоляторе». Метод получения структур «кремний на изоляторе» включает в себя перенос активного эпитаксиального слоя кремния, пригодного для изготовления приборов с одной полупроводниковой подложки, на которой он был выращен, на другую - диэлектрическую. Например, смарт-кат процесс (smart-cut) предложенный Брюэлом (М. Bruel, "A new silicon-on-insulator material technology", Electron. Lett., vol.31, №14, pp.1201-1202, 1995), в типичном случае состоит в следующем: окисленная подложка имплантируется ионами водорода ˜5×106 Н+/см2 с энергией 5-70 кЭв, за счет этого на пике профиля ионного разрушения формируются микрополости и дефекты. Глубина определяется энергией имплантирующих ионов Н+, что в свою очередь определяет толщину слоя кремния для переноса - примерно 1 мкм. После формирования слоя делают бондинг с кремниевой подложкой, покрытой диэлектриком - термически выращенным слоем оксида кремния SiO2. Проводят две стадии температурной обработки: происходит рост микрополостей и водородных пузырьков преимущественно в плоскости (100), что инициирует отщепление пленки по всей поверхности, и отсоединение, и нагрев с целью усиления бондинга перенесенной пленки. Далее поверхность подвергается небольшой химической и механической полировке с целью удаления дефектов и улучшения поверхности после отделения пленки кремния.
К недостаткам известного технического решения следует отнести невозможность переноса уже сформированных приборных структур вследствие достаточно грубых воздействий на переносимую структуру. Кроме того, метод применим для переноса на другую подложку только всей структуры целиком.
Известен метод переноса эпитаксиальной пленки на другую подложку, выбранный прототипом (Y. Sasaki et al, "High-speed GaAs Epitaxial lift-off and bonding with high alignment accuracy using a sapphire plate", Journal of the Electrochemical Society, 146 (2), стр. 710-712, 1999). Этот метод используется для изготовления полупроводниковых светодиодов с повышенной яркостью путем повышения эффективности экстракции света, а фактически за счет уменьшения поглощения света подложкой. С этой целью было предложено переносить полупроводниковую структуру на прозрачную сапфировую подложку или на металлическую светоотражающую подложку (К.Streubel, N.Lnder, R.Wirth, A.Jaeger, "High brightness AlGaInP Light-Emitting Diodes", IEEE J Select. Topics Quantum Electron. 8 (2), 321, 2002). В данном методе переносят тонкую эпитаксиальную пленку GaAs на подложку, покрытую металлическим палладием.
Способ, реализованный Сасаки, заключается в выращивании на GaAs подложке жертвенного слоя AlAs и эпитаксиальной гетероструктуры, пригодной для изготовления светодиодов. Стандартными литографическими методами формируют светодиодные структуры. Далее структуру прикрепляют с помощью резиста к сапфировой подложке. Структуру погружают в раствор HF в воде. HF селективно растворяет слой AlAs и не травит сапфир и GaAs. После растворения жертвенного слоя AlAs приборная структура остается на сапфировой подложке. Далее приборную структуру переносят на кремниевую подложку, покрытую SiO2 и слоем палладия и осуществляют бондинг при повышенной температуре. Растворяя в ацетоне резист, сапфировую подложку отсоединяют и убирают. Эффективность фотолюминесценции светодиодов повышается за счет отражения света от поверхности раздела GaAs и слоя палладия.
Недостатком этих методов является то, что они применимы только к достаточно большим объектам, таким как целые полупроводниковые подложки с однородной поверхностью. Даже используя дорогостоящие и трудоемкие методы совмещения, применяемые в электронной литографии, точность совмещения ограничена микронами. В частности, проблематично совместить две подложки с заготовками приборов так, чтобы совместились части приборов, расположенные на разных подложках, при уменьшении размеров устройств до долей микрона, из-за трудности совмещения такой процесс становится невозможным. Эти методы неприменимы для формирования на одном чипе приборных структур, которые необходимо располагать на различных основаниях - локальных подложках, так как перенос на новую подложку возможен только для всего чипа целиком.
Техническим результатом изобретения является изготовление полупроводниковых микро- и наноприборов, где в одной схеме сочетаются приборные структуры, расположенные на разных локальных подложках (изолирующих, светоотражающих, проводящих, магнитных и т.д.), т.е. совмещение на одном чипе-подложке различных приборных структур, особенности которых требуют их расположения на подложках с разными свойствами.
Становится возможным пространственное совмещение приборных структур, которые трудно или невозможно изготовить уже объединенными. Благодаря тому, что совмещение происходит в пределах одной подложки с использованием процессов самоорганизации достижима более высокая точность, чем при совмещении двух разных подложек. Предлагаемое решение открывает возможность изготовления разных приборов на разных подложках на одном чипе, причем происходит самосовмещение приборов и подложек.
Технический результат достигается тем, что в способе изготовления микро- и наноприборов, включающем формирование многослойной структуры, содержащей, по крайней мере, подложку, жертвенный слой и активные слои, из которых изготавливают приборные структуры, удаление жертвенного слоя и перенесение освободившейся от связи с подложкой пленки из активных слоев, в том числе содержащих изготовленные приборные структуры, на новую подложку, которая отлична по свойствам от исходной подложки, новую подложку изготавливают локально, на одной подложке с активными слоями и приборными структурами, многослойную структуру формируют содержащей дополнительно, по крайней мере, один слой с внутренним упругим напряжением, расположенным непосредственно под или над активными слоями, после направленного удаления жертвенного слоя в заданной области пленка из активных слоев, в том числе содержащих изготовленные приборные структуры, освобождается от связи с подложкой и под действием внутренних упругих напряжений меняет форму и перемещается на новую локальную подложку.
Жертвенным слоем может являться верхний слой подложки.
Локальной подложкой могут являться приборные структуры, изготовленные на той же подложке.
Материалом локальной подложки может являться проводник, диэлектрик, полупроводник.
Многослойную структуру формируют содержащей несколько групп слоев, каждая из которых содержит жертвенный слой, слой с внутренним упругим напряжением и активные слои, последовательно удаляют жертвенные слои групп, что приводит к перемещению пленки из активных слоев группы на локальную подложку, предназначенную для этой группы.
На фиг.1 схематично изображены последовательные стадии изготовления и перемещения приборной структуры на локальную подложку.
А - схематично изображена исходная эпитаксиальная структура.
Б, В - изготовлена локальная подложка из диэлектрика.
Г, Д - на расстоянии от локальной подложки изготовлена приборная структура.
Е, Ж - на приборную структуру нанесен диэлектрик, в месте изгиба удалены активные слои для изготовления приборов.
З, И - изготовлены литографические окна вокруг приборной структуры для доступа травителя к жертвенному слою
К - первоначальная стадия отделения приборной структуры от подложки в результате травления жертвенного слоя
Л - приборная структура перемещена на локальную диэлектрическую подложку.
Фиг.2 Изготовление транзистора с трубчатым каналом.
А - схематично изображена исходная структура с заготовками сворачиваемой трубки (подложка, напряженный би-слой, площадка с диэлектриком). Сделана литография, определяющая участок структуры, который будет сворачиваться в трубку, на заданное место напылен диэлектрик.
Б - Трубка свернулась, центральной частью расположившись на диэлектрической локальной подложке.
В - На концы трубки напылены проводящие контакты.
Фиг.3 Схематическое изображение перемещения приборной структуры с помощью слоя с внутренним упругим напряжением, находящегося над ней.
А - исходная эпитаксиальная структура.
Б - изготовлена приборная структура.
В - приборная структура защищена диэлектриком.
Г - удален участок приборной структуры в месте планируемого изгиба.
Д - участок планируемого изгиба заполнен материалом жертвенного слоя.
Е - нанесен слой с внутренним упругим напряжением.
Ж - по периметру приборной структуры сделана литография для обеспечения доступа растворителя к жертвенному слою.
З - отделение приборной структуры от подложки в результате травления жертвенного слоя.
Фиг.4 - Отделение приборной структуры от подложки с помощью выпучивания.
А - исходная эпитаксиальная структура.
Б - изготовлена приборная структура.
В - приборная структура защищена диэлектриком.
Г - сделана литография для обеспечения доступа растворителя к жертвенному слою.
Д - отделение приборной структуры от подложки в результате травления жертвенного слоя.
Фиг.5 Пространственная самосборка приборов, состоящих из нескольких схем.
А - исходная эпитаксиальная структура с изготовленными приборными структурами.
Б - изготовлено место под локальную диэлектрическую подложку.
В - нанесен диэлектрик.
Г - сделана литография для обеспечения доступа растворителя к жертвенному слою. На месте изгиба удален диэлектрик.
Д - отделение приборной структуры от подложки в результате травления жертвенного слоя. Схема наложилась на локальную изолирующую подложку.
Е - получен прибор, состоящий из двух приборных структур, наложенных друг на друга.
Фиг.6 Формирование вертикальной кольцевой тонкопленочной структуры.
А - литографический рисунок для изготовления полоски, сворачивающейся в кольцо.
Б - свернувшееся кольцо.
В - кольцо положено на бок, нанесен резист, сделана литография.
Г - массив положенных на бок колец.
(1 - подложка; 2 - вспомогательный жертвенный слой; 3 - рабочий слой для изготовления приборных структур; 4 - слой с внутренним упругим напряжением; 5 - диэлектрик; 6 - изготовленные приборные структуры).
Предлагаемое решение: с помощью стандартных технологий на планарной многослойной структуре изготовляются приборные структуры. На этой же структуре изготовляются различные локальные подложки (диэлектрические, металлические, и т.д.). Путем удаления жертвенного слоя отсоединяются от подложки и за счет направленного изгиба или сворачивания напряженной пленки, к которой прикреплены изготовленные приборные структуры, переносятся на рядом расположенную локальную подложку.
Предлагаемое решение достигается за счет введения в структуру двух дополнительных слоев: жертвенного и слоя с внутренним упругим напряжением и размещения локальных подложек на одной подложке с изготовляемыми приборными структурами приборами.
Внутреннее механическое напряжение задается тем, что многослойная структура формируется из материалов, имеющих различные постоянные кристаллической решетки. При выращивании на толстой монокристаллической подложке такой гетероструктуры кристаллические решетки материалов подстраиваются под параметры решетки подложки, происходит упругая деформация слоев - слой из материала с меньшей постоянной кристаллической решетки растягивается, а слой из материала с большей постоянной решетки сжимается. Например, постоянная кристаллической решетки InGaAs больше постоянной решетки GaAs (несоответствие постоянных решетки InAs и GaAs 7%), поэтому слой InGaAs, выращенный на GaAs подложке, в исходном состоянии сжат.
Метод отделения напряженной гетероструктуры от связи с подложкой основан на выращивании между напряженной гетероструктурой и подложкой жертвенного слоя (называемого жертвенным потому, что он будет удален), и его последующим селективном растворении с помощью жидкостного травления или плазменным селективным травлением. Для доступа травителя к жертвенному слою и придания отделяемой области желаемой формы и размера в гетероструктуре формируют, например, с помощью литографии, окна, сквозь которые травитель проникает к жертвенному слою и осуществляет селективное направленное боковое травление.
При селективном удалении расположенного между двухслойной пленкой и подложкой жертвенного слоя AlAs гетеропленка освобождается от связи с подложкой. Межатомные силы в сжатом слое InGaAs стремятся увеличить расстояние между атомами, но верхний слой GaAs препятствует этому. Возникающий момент сил приводит к изгибу гетеропленки и, при соответствующем подборе параметров пленки, к последующему ее изгибу. Радиус кривизны изогнутой гетеропленки зависит от ее толщины и величины механических напряжений в ней. Поэтому его можно задавать с высокой точностью, выращивая исходные гетероструктуры с разной толщиной эпитаксиальных слоев и составами твердых растворов (V.Ya.Prinz, V.A.Seleznev, А.К.Gutakovsky, А.V.Chehovskiy, V.V.Preobrazhenskii, M.A.Putyato, Т.А.Gavrilova, "Free-standing and overgrown InGaAs/GaAs nanotubes, nanohelices and their arrays", Physica E 6, стр. 828-831, 2000).
Аналогично получают напряженную структуру, состоящую и не из монокристаллических слоев, а, например, из металлических напыленных пленок (Настаушев Ю.В., Принц В.Я. Способ создания нанотрубок // патент РФ №2003109374/28 от 03.04.2003). Так как металлы имеют разные коэффициенты теплового расширения, то напыленные при соответствующих температурах пленки разных металлов будут иметь разные внутренние напряжения относительно друг друга и подложки.
Следует заметить что, подобрав селективные травители, можно использовать данные методы для структур и из других материалов. Известен целый ряд других напряженных гетероструктур, подходящих для изготовления. Кроме упоминаемых далее, нами были проверены следующие структуры: InGaSb/InAs (жертвенный слой AlAs), InP/GaAs, CdZnTe/CdHgTe.
Некоторые методы направленного травления описаны нами ранее. Цель их в том, чтобы обеспечить отделение и изгиб структуры с внутренним упругим напряжением от подложки в заданном направлении. В работе Принца (A.V.Prinz, V.Ya.Prinz and V.A.Seleznev, "Semiconductor micro- and nanoneedles for microinjection and ink-jet printing", Microelectronic Engineering, V.67-68, p.782-788, 2003) это достигается дифференциальным заданием границ пленочной структуры с внутренним упругим напряжением. Окна для доступа травителя к жертвенному слою делались следующим образом: с той стороны, где должно начинаться травление, формируется сплошное окно, а с остальных сторон - пунктирные окна. Травление через пунктирные окна практически не происходит, так как перемычки препятствуют отгибу пленки от подложки. Это сильно затрудняет доступ травителя к жертвенному слою, так как в этом случае доступ есть только через узкий капиллярный канал, который формируется после растворения материала жертвенного слоя, расположенного непосредственно возле окон. В работе (А.В.Vorob'ev and V.Ya.Prinz, "Directional rolling of strained heterofllms". Semiconductor Science and Technology, 17 (6), стр. 614-616, 2002) с границ пленочной структуры с внутренним упругим напряжением, со сторон, где не должно начинаться травление, удалялся верхний слой бислоя с внутренним упругим напряжением, таким образом, отгиб пленки от подложки с этих сторон не происходил, что приводит к остановке травления с этих сторон. В работе (V.Ya.Prinz, D.Grützmacher, A.Beyer, C.David, B.Ketterer, E.Deccard, "A new technique for fabricating three-dimensional micro- and nanostructures of various shapes superlattices". Nanotechnology 12, p.399-402, 2001) предложен метод направленного травления, основанный на геометрическом выделении стороны, с которой должно начинаться травление. Кроме того, направленности травления достигали, используя травители, обладающие анизотропией травления в сочетании со специальной геометрией пленочной структуры с внутренним упругим напряжением (S.V.Golod, V.Ya.Prinz, P.Wagli, L.Zhang, О.Kirfel, E.Deckhardt, F.Glaus, C.David, D.Gruetzmacher, "Freestanding SiGe/Si/Cr and SiGe/Si/SixNy/Cr microtubes", Appl. Phys. Lett. v.84, N.17, (2004) 3391).
В качестве примеров реализации предлагаемого способа приводим следующие:
Краткое описание:
1. На полупроводниковой подложке выращиваются слои: изолятор, рабочий слой, жертвенный слой, сжатый слой, растянутый слой, рабочий слой.
2. Изготовляются, с использованием литографии, локальные подложки либо напылением, либо стравливанием верхних слоев до того слоя, который будет подложкой, либо дополнительным выращиванием слоев локальных подложек.
3. С помощью серии литографий и травлений (стандартным способом) изготовляются приборные структуры, заготовки приборов.
4. Подготавливаются литографические окна, через которые будет осуществляться доступ к жертвенному слою и которые определят область и направление переноса.
5. Производится селективное вытравливание жертвенного слоя, которое приводит к освобождению слоя с внутренним упругим напряжением от связи с подложкой. Под действием внутреннего напряжения происходит изгиб слоя с внутренним упругим напряжением и отрыв его от подложки вместе с расположенными на нем приборными структурами и/или изготовленные из нее приборные структуры. Перенос и перемещение этой структуры на новое место.
6. Предварительно защитив область локальной подложки с размещенной на ней приборной структурой, удаляется участок слоя с внутренним упругим напряжением, находящийся вне приборной структуры.
7. При необходимости можно удалить слой с внутренним упругим напряжением непосредственно на приборной структуре с помощью селективного или/и дозированного стравливания.
Перемещение схемы на локальную подложку.
Выращивалась эпитаксиальная структура на GaAs подложке: жертвенный слой AlAs 7 нм, слой In0.2Ga0.8As 7 нм, слой GaAs 8 нм и верхний активный слой для изготовления приборов GaAs 100 нм (фиг.1а). Изготовляли локальную подложку: при помощи литографии удалялись на глубину более 200 нм все верхние слои эпитаксиальной структуры (фиг.1б). В образовавшееся углубление напыляли диэлектрик, напыляли через маску, с последующим lift-off (фиг.1в). Затем на соседней от локальной подложки области делали серию литографий для создания приборной структуры (фиг.1г, д). Между локальной подложкой и приборной структурой удаляли плазменным травлением верхний слой GaAs эпитаксиальной структуры (фиг.1е). На участок, где изготовлена приборная структура, наносился слой диэлектрического материала, например, Si3N4 для защиты ее от травления в ходе последующих операций (фиг.1ж). При помощи литографии на глубину до жертвенного слоя делались окна для того, чтобы обеспечить доступ травителя к жертвенному слою. Причем окна формировались по периметру приборной структуры специальным образом так, чтобы с торца было сплошное окно, а вдоль схемы - пунктирные окна (фиг.1з, и). Далее выполнялось травление в 5% водном растворе HF, при этом жертвенный слой AlAs растворялся, и верхние слои с внутренним напряжением отделялись от подложки (фиг.1к). Эта происходило вследствие деформации, под действием внутренних напряжений. Так как слой InGaAs первоначально был сжатым, после освобождения от связи с подложкой он изогнулся, отделившись от подложки вместе с приборной структурой, расположенной на нем. С наименьшим радиусом изгибается та часть, с которой плазменным травлением удален верхний слой GaAs. Часть, на которой расположена приборная схема, из-за толстого слоя диэлектрика осталась жесткой и практически не деформировалась (фиг.1к). Таким образом, приборная структура наложилась на диэлектрическую локальную подложку (фиг.1л). Защитив область локальной подложки с размещенной на ней приборной структурой, удаляется участок бислоя с внутренним упругим напряжением, находящийся вне приборной структуры. При необходимости, с помощью селективного или/и дозированного стравливания, удаляли бислой InGaAs/GaAs с внутренним упругим напряжением, находящийся непосредственно на приборной структуре. Для закрепления схемы на локальной подложке на полученную конструкцию напыляли диэлектрик.
Si - Перенос схемы на локальную подложку.
Выращивалась эпитаксиальная структура на Si подложке: слой SiGe 20 нм, слой Si-p+ 50 нм. В данном случае нет необходимости выращивать отдельный жертвенный слой, так как жертвенным слоем является подложка из нелегированного кремния (по крайней мере ее слой, прилегающий к эпитаксиальной структуре), которая селективно, относительно легированного кремния и SiGe, растворяется в щелочных травителях. При помощи литографии изготовлялась локальная подложка, удалялись на глубину 200 нм все верхние слои эпитаксиальной структуры. В образовавшееся углубление напылялся диэлектрик. Затем из эпитаксиальной структуры с помощью серии литографий изготовляли приборную структуру. На участок, где изготовлена приборная структура, наносился слой диэлектрического маскирующего материала, например, Si3N4 ил и SiO2 для ее защиты от травления в ходе последующих операций. При помощи литографии в верхних слоях делались окна для того, чтобы обеспечивался доступ травителя к жертвенному слою (подложке). Причем окна делались по периметру приборной структуры специальным образом так, чтобы с торца было сплошное окно, а вдоль схемы - пунктирные окна. Далее выполнялось травление в 3% водном растворе NH4OH, при этом жертвенный слой - нелегированный кремний растворился, а верхние слои с внутренним упругим напряжением отделились от подложки. Эта деформация происходила под действием внутренних напряжений, так как слой SiGe первоначально был сжатым, после освобождения от связи с подложкой он изогнулся, отделившись от подложки вместе с приборной структурой, расположенной на нем.
Изготовление транзистора с трубчатым каналом.
Для изготовления электрических приборов, подобных полевому транзистору с трубчатым затвором, необходимо поместить трубку на изолятор. Для случая углеродной трубки это делали индивидуально для отдельной трубки, например манипуляцией атомно-силовым микроскопом. Аналогично достаточно большую полупроводниковую трубку можно с помощью микроманипулятора оторвать от подложки и перенести в нужное место. Однако даже для больших трубок массовое изготовление подобным образом невозможно, так как требует неправдоподобно большого времени, а изготовление нанотранзистора с трубчатым каналом из полупроводниковой нанотрубки вообще невозможно манипуляционным методом, так как недостаточна пространственная точность.
В качестве тела транзистора вместо балки используется тонкопленочная трубка. Длина такого транзистора определяется периметром цилиндрического канала и равна L=π·D, толщина транзистора определяется толщиной скручиваемой пленки и задается с высокой точностью на стадии изготовления исходной базовой структуры. Технологический процесс изготовления транзистора с цилиндрическим каналом реализуется аналогично технологии изготовления транзистора с каналом из углеродной трубки. Длина затвора определется имеющимися технологическими возможностями. В основе предлагаемой конструкции лежит эпитаксиальная пленка с атомно-гладкими поверхностями (что обеспечивает высокую подвижность) и размерами, которые могут быть заданы с высокой точностью.
При переходе к нанометровым диаметрам возникает проблема плохой проводимости трубок на основе GaAs из-за того, что поверхностное состояние захватывает электроны, в результате чего пленка обедняется носителями заряда. Эта проблема отсутствует в трубках изготовленных из InAs, нами была показана возможность формирования достаточно проводящих InAs трубок. Однако использовать InAs трубки напрямую не удается из-за того, что не существует изолирующих или полуизолирующих подложек InAs (ширина запрещенной зоны 0.4 эВ). Используя предлагаемый способ, показанный на фиг.2, нам удалось изготовить макет полевого транзистора. По способу данного изобретения трубка саморасполагается в заданном месте подложки, этот процесс может одновременно идти по всей площади шайбы, независимо от количества трубок, то есть массовым образом. Проверка данного способа была осуществлена на структурах InGaAs/GaAs и SiGe/Se.
Выращивалась эпитаксиальная структура на InAs подложке: жертвенный слой AlAs 5 нм, слой InAs 2 нм, слой InGaAs 3 нм. При помощи литографии изготовлялась локальная подложка: В местах, где планировалось иметь локальные подложки, удалялись на глубину 200 нм (или больше) все верхние слои эпитаксиальной структуры. В образовавшееся углубление, через резист, напыляли диэлектрик, например, 200 нм Si3N4 (фиг.2а, 5), так, чтобы уровень локальной изолирующей подложки примерно совпадал с уровнем основной структуры. Получали структуру с локальной изолирующей подложкой. Либо если не предъявляются повышенные требования к подложке, то слой диэлектрика напыляли непосредственно на бислой InAs/InGaAs (фиг.2а, 4).
Затем, чтобы задать участок и направление сворачивания, делалась литография - в бислое - делались окна для того, чтобы обеспечить доступ травителя к жертвенному слою. Участок для сворачивания формировался в виде буквы П, так чтобы локальная изолирующая подложка находилась в ее центре (фиг.2а). Детали отличаются в зависимости от используемого способа направленного травления. Далее выполнялось травление в растворе HF, (предварительно защитив от травления основную часть структуры) через литографические окна травитель поступал к жертвенному слою, при этом жертвенный слой AlAs растворился, а верхние слои с внутренним упругим напряжением отделились от подложки. Эта деформация происходила под действием внутренних напряжений, так как слой InGaAs первоначально был растянутым, после освобождения от связи с подложкой бислой отделился от подложки и свернулся в трубку. Трубка наворачивалась центральной частью на слой диэлектрика - локальную подложку (фиг.2б). Далее структура высушивалась.
Для сушки применяли сушку через суперкритический CO2. Напыляя металл (через литографические окна), формировались контакты к трубке - исток, сток и затвор так, что контакты находятся на изолирующей локальной подложке и одновременно трубка закрепляется на подложке. Следующей литографией и травлением в плазме или жидкостным удалялись края трубки, которые находятся не на изолирующей локальной подложке (фиг.2в).
Перенос структуры с помощью слоя с внутренним упругим напряжением, находящегося над ней
На GaAs подложке с помощью молекулярной эпитаксии выращивался жертвенный слой AlAs 11 нм, на нем активный слой для изготовления приборов (фиг.3а). Стандартными методами (литографии, травления и т.д.), изготавливалась приборная структура (фиг.3б). На нее напыляли слой диэлектрика 150 нм, например Si3N4 для ее защиты от травления в ходе последующих операций (фиг.3в). С помощью литографии удалялся до глубины жертвенного слоя участок диэлектрика и рабочей структуры, прилегающий к приборной структуре с одной стороны, на месте которого будет находиться изгибающаяся петля (фиг.3г). Далее через это литографическое окно до уровня основной структуры напыли AlAs (фиг.3д). Стандартными методами удалялся литографический резист. Напылялся слой сжатого напряженного материала - хром (Cr) толщиной 20 нм (фиг.3е). При помощи литографии определялась область, которая будет отделяться от подложки (фиг.3ж). До глубины жертвенного слоя формировали окна для того, чтобы обеспечить доступ травителя к жертвенному слою. Причем окна делались по периметру приборной схемы так, чтобы с торца было сплошное окно, а вдоль схемы - пунктирные окна (фиг.3ж). Далее выполнялось травление в 5% водном растворе HF. Травитель через окна проникал к жертвенному слою AlAs и растворял его, верхний слой Cr с внутренним упругим напряжением стремился расшириться, в результате чего происходило выпучивание и отделение от подложки приборной структуры. Эта деформация происходила под действием внутренних напряжений. Так как слой Cr первоначально был сжатым, после освобождения от связи с подложкой он изогнулся, отделился от подложки вместе с приборной схемой, расположенной под ней. Участок, на котором находится приборная схема, из-за толстого слоя диэлектрика практически не деформировался (фиг.3з).
В зависимости от задачи можно подобрать степень напряженности изгибающегося слоя (меняя толщину слоя металла и/или температуру напыления) так, чтобы схема либо просто отделялась от подложки, либо чтобы схема перевернулась и легла так, чтобы приборная структура оказалась сверху, а металл - снизу.
Отделение схемы от подложки с помощью выпучивания.
Выращивалась эпитаксиальная структура на GaAs подложке: жертвенный слой AlAs 7 нм, сжатый слой с внутренним упругим напряжением InGaAs 8 нм и верхний слой - приборная структура А3B5 (фиг.4а), из которой стандартными методами (литографии, травления и т.д.) изготавливалась приборная схема (фиг.4б). На нее напыляли слой диэлектрика 150 нм, например, Si3N4 для ее защиты от травления в ходе последующих операций (фиг.4в). С помощью литографии определялась область, которая будет отделяться от подложки - с двух противоположных сторон этой области делались литографические окна и вытравливалась структура до жертвенного слоя, чтобы обеспечивался доступ травителя к жертвенному слою AlAs (фиг.4г). Далее выполнялось травление в 5% водном растворе HF. Травитель через окна проникал к жертвенному слою AlAs и растворял его, сжатый слой с внутренним упругим напряжением InGaAs стремится расшириться, в результате чего происходит выпучивание и отделение его от подложки вместе с приборной структурой (фиг.4д).
Аналогичный метод применим к структурам из других материалов. Например, для структуры на Si подложке и слоем внутренним упругим напряжением -SiGe отличие в травителе. Травление осуществляли в 3% водном растворе NH4ОН. Травитель через окна растворял Si подложку под слоем SiGe, при этом приборные структуры были защищены от травителя снизу SiGe, а с другой - слоем диэлектрика Si3N4, слой SiGe стремится расшириться, в результате чего происходит выпучивание и отделение его от подложки вместе с приборной структурой.
Пространственная самосборка приборов, состоящих из нескольких схем.
По нашей технологии можно организовать самосборку приборов, состоящих из большого количества схем. В заданных местах планарной технологией изготовляют приборные схемы, которые затем собираются в многослойные пространственные конструкции по вышеописанной технологии. Причем взаимное расположение схем относительно друг друга задается контролируемым. Рассмотрим технологию на примере сборки устройства, состоящего из двух схем, расположенных друг над другом.
Выращивалась эпитаксиальная структура на InP подложке: жертвенный слой AlAs 7 нм, слой In0.8Ga0.2As 7 нм, слой In0.2Ga0.8As 8 нм и верхний слой In0.5Ga0.5As (фиг.5а). На месте сборки трехмерной приборной конструкции изготовлялась локальная подложка при помощи литографии, удалялись на глубину 200 нм все верхние слои эпитаксиальной структуры (фиг.5а, 5). В образовавшееся углубление напылялся диэлектрик. В заданных местах делалась серия литографий для создания приборных схем (фиг.5б, 6). Создавались две приборные схемы, расположенные на разных заданных расстояниях от места сборки, будущей многоуровневой трехмерной конструкции. Причем места расположения приборных схем располагались на одной прямой по обе стороны от места сборки. На всю структуру напылением наносился слой диэлектрического материала, например, Si3N4 для их защиты от нежелательного травления в ходе последующих операций (фиг.5в). При помощи литографии на глубину до жертвенного слоя, вокруг схемы, расположенной к месту сборки ближе, чем другая, делаются окна для того, чтобы обеспечить доступ травителя к жертвенному слою (фиг.5г). Причем окна делаются по периметру приборной схемы, с трех сторон в виде буквы П, таким образом, что захватываются противоположные стороны участка между структурой и местом сборки. Затем в этой области (между местом сборки и приборной схемой) плазменным травлением до слоя с внутренним упругим напряжением удаляется верхний слой диэлектрика и эпитаксиальной структуры (фиг.5д). Далее выполняется травление в 5% водном растворе HF, при этом жертвенный слой AlAs растворяется, а верхние слои с внутренним упругим напряжением вместе с приборной схемой отделяются от подложки (фиг.5е). Участок между приборной схемой и местом сборки под действием внутренних напряжений изгибается в дугу и приборная схема накладывается на место сборки. Для защиты и закрепления схемы на месте сборки напыляется диэлектрик. Диэлектрик и слой с внутренним упругим напряжением, находящийся теперь уже над приборной схемой, удаляется плазменным травлением. Делаем литографию в виде буквы П для доступа травителя к жертвенному слою вокруг второй приборной схемы (аналогично литографии вокруг первой приборной схемы). Освобождаем участок между местом сборки и второй приборной схемой от диэлектрика и части верхнего слоя In0.5Ga0.5As, расположенного над слоем с внутренним упругим напряжением. Часть верхнего слой In0.5Ga0.5As необходимо оставить для того, чтобы увеличить радиус изгиба за счет увеличения толщины слоя с внутренним упругим напряжением. Затем выполняется травление в 5% водном растворе HF, при этом жертвенный слой AlAs растворяется, а верхние слои с внутренним упругим напряжением вместе с приборной схемой отделяются от подложки. Участок между приборной схемой и местом сборки под действием внутренних напряжений изгибается в дугу, и приборная схема накладывается на место сборки поверх первой приборной схемы (фиг.5ж). Для защиты и закрепления схемы на месте сборки напыляется диэлектрик. Диэлектрик и слой с внутренним упругим напряжением, находящийся теперь уже над приборной схемой, удаляется плазменным травлением. Для объединения схем между собой делаются сквозные проводящие каналы с помощью серии литографий и напыления.
Аналогичным образом можно собирать и большее число схем, располагая их вокруг места сборки.
Пространственная самосборка приборов из многослойной структуры.
Выше описана сборка приборов, изготовленных из одной исходной структуры, содержащей жертвенный слой, слой внутренним упругим напряжением и приборный слой. Наш метод применим для сборки сложных трехмерных конструкций. Можно собирать сложные многослойные пространственные конструкции, если использовать эпитаксиальные структуры с несколькими слоями с внутренним упругим напряжением и, соответственно, несколькими жертвенными слоями, при этом каждый слой может иметь разную степень напряженности и толщины, соответственно разные заданные радиусы изгиба. Преимущество такого подхода еще и в том, что экономится площадь кристалла, так как на одном и том же участке кристалла можно изготовить несколько приборных схем - из каждого набора одного и того же участка изготовляется столько приборных схем, сколько наборов слоев.
Кольцо.
Наш метод может применяться не только для переноса приборных структур, но и также для перемещения слоя с внутренним упругим напряжением, который сам будет являться частью приборной структуры. Рассмотрим случай отделения участка пленки от подложки, с перемещением его на изолирующую подложку и поворотом на 90° (фиг.6). На кремниевой подложке с помощью CVD эпитаксии выращивали структуру, содержащую слои: стоп-слой сильно легированного Si p+50 нм, жертвенный слой Si 100 нм, сжатый слой SiGe 10 нм, слой Si p+8 нм. Для того, чтобы обеспечить доступ травителя к жертвенному слою при помощи литографии, делались окна на глубину до жертвенного слоя. Литографические окна задавали контуры узкой полоски шириной 200 нм (фиг.6а), которая будет сворачиваться в кольцо. Так, как ширина такого кольца много меньше его диаметра, эта структура неустойчива в вертикальном положении, поэтому ее легко положить на бок так, чтобы стенки были перпендикулярны подложке. Для того чтобы она падала в нужном нам направлении, литографический рисунок представлял собой две параллельные линии, различающиеся по длине на некоторую величину (большую радиуса кольца). Далее выполнялось травление подложки в 5% водном растворе аммиака, при этом жертвенный слой нелегированного Si растворялся, и верхние слои с внутренним упругим напряжением отделялись от подложки. Так как слой SiGe первоначально был сжатым, после освобождения от связи с подложкой он изогнулся, отделившись от подложки - заданная нами узкая полоска свернулась в кольцо (фиг.6б) и упала на бок (фиг.6в, г). Предварительно на этом месте могла быть изготовлена локальная изолирующая подложка - через маску напыляли тонкий слой диэлектрика. Полученное кольцо достаточно устойчиво для того, чтобы являться частью прибора. Эти структуры выдерживают дальнейшие стандартные технологические операции, кольца выдерживают многократное нанесение и смывание резиста, литографию (см. фиг.6г), напыление и т.п. без изменения положения кольца. Из таких колец можно изготавливать приборы типа вертикального транзистора по стандартной схеме.
Данное изобретение делает возможным изготовление полупроводниковых приборов и интегральных схем, где в одной схеме сочетаются приборы, расположенные на разных локальных подложках (изолирующих, светоотражающих, проводящих, магнитных и т.д.), т.е. совмещение на одном чипе приборов, особенности которых требуют их расположения на разных подложках. Становится возможным пространственное совмещение микро- и наноприборов или элементов приборов, которые трудно или невозможно изготовить уже объединенными. Благодаря тому, что совмещение происходит в пределах одной подложки с использованием процессов самоорганизации, достижима более высокая точность, чем при совмещении двух разных подложек.
1. Способ изготовления микро- и наноприборов, включающий формирование многослойной структуры, содержащей, по крайней мере, подложку, жертвенный слой и активные слои, из которых изготавливают приборные структуры, удаление жертвенного слоя и перенесение освободившейся от связи с подложкой пленки из активных слоев, в том числе содержащих изготовленные приборные структуры, на новую подложку, которая отлична по свойствам от исходной подложки, отличающийся тем, что новую подложку изготавливают локально, на одной подложке с активными слоями и приборными структурами, многослойную структуру формируют содержащей дополнительно, по крайней мере, один слой с внутренним упругим напряжением, расположенным непосредственно под или над активными слоями, после направленного удаления жертвенного слоя в заданной области пленка из активных слоев, в том числе содержащих изготовленные приборные структуры, освобождается от связи с подложкой и под действием внутренних упругих напряжений меняет форму и перемещается на новую локальную подложку.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что жертвенным слоем является верхний слой подложки.
3. Способ по п.1, отличающийся тем, что локальной подложкой являются приборные структуры, изготовленные на той же подложке.
4. Способ по п.1, отличающийся тем, что материалом локальной подложки является проводник.
5. Способ по п.1, отличающийся тем, что материалом локальной подложки является диэлектрик.
6. Способ по п.1, отличающийся тем, что материалом локальной подложки является полупроводник.
7. Способ по п.1, отличающийся тем, что многослойную структуру формируют содержащей несколько групп слоев, каждая из которых содержит жертвенный слой, слой с внутренним упругим напряжением и активные слои, последовательно удаляют жертвенные слои групп, что приводит к перемещению пленки из активных слоев группы на локальную подложку, предназначенную для этой группы.
