Нанотехнологии в микроэлектронике

УДК 621.38
ББК 32.844.1
          Н25

РФФИ

 
 Издание осуществлено при финансовой поддержке Российского фонда  
фундаментальных исследований по проекту № 19-17-00004,  
не подлежит продаже

Авторы:
Авдеев С.П., Авилов В.И., Агеев В.О., Агеев О.А., Алябьева Н.И., Балакирев С.В., 
Блинов Ю.Ф., Бондарев Ф.М., Быков Ал. В., Вакулов З.Е., Варзарев Ю.Н., Волков Е.Ю., 
Громов А.Л., Гусев Е.Ю., Денисенко М.А., Ежова О.А., Еременко М.М., Житяев И.Л., 
Житяева Ю.Ю., Замбург Е.Г., Ильина М.В., Ильин О.И., Исаева А.С., Климин В.С., 
Коломийцев А.С., Коноплёв Б.Г., Коц И.Н., Лисицын С.А., Лысенко И.Е., Михайлин И.А., 
Михайличенко А.В., Писаренко И.В., Приступчик Н.К., Рудык Н.Н., Рындин Е.А., 
Смирнов В.А., Светличный А.М., Солодовник М.С., Сюрик Ю.В., Томинов Р.В., 
Федотов А.А., Хахулин Д.А.,  Чередниченко Д.И. 

Нанотехнологии в микроэлектронике / Под ред. О.А. Агеева, Б.Г. Коноплёва. – М. : 

 Наука, 2019.  –  511 с. – ISBN 978-5-02-040201-0

В книге представлены результаты междисциплинарных фундаментальных, поисковых и прикладных научных исследований по разработке технологий получения новых наноматериалов и элементной 
базы электронных устройств новых поколений информационно-телекоммуникационных систем. Рассмотрены возможности практического применения методов проектирования и изготовления сверхбыстродействующих интегральных элементов СБИС и УБИС, многоосевых микромеханических сенсоров 
угловых скоростей и линейных ускорений, устройств нанопьезотроники, микроэлектронной сенсорики, нейроморфных систем и вакуумной микроэлектроники на основе использования перспективных 
методов нанотехнологии: молекулярно-лучевой эпитаксии, импульсного лазерного осаждения, плазмохимического осаждения из газовой фазы, сканирующей зондовой микроскопии и зондовой нанолитографии, фокусированных ионных пучков, электронно-лучевой обработки, а также перспективных 
методов планарной технологии поверхностной обработки.
Для научных работников и инженеров, специализирующихся в области применения нанотехнологий в микроэлектронике, а также для студентов и аспирантов соответствующего профиля.

Nanotechnology in microelectronics / Ed. by O.A. Ageev, B.G. Konoplev. – М. : Nauka, 
2019.  –  511 р. – ISBN 978-5-02-040201-0

The results of interdisciplinary fundamental, search and applied scientific research on the development of 
technologies for obtaining new nanomaterials and the elemental base of electronic devices of new generations of 
information and telecommunication systems are presented. They expand the possibilities of practical application 
of the methods of design and manufacturing of ultrafast integral elements of VLSI and ULSI, multi-axis micromechanical sensors of angular velocities and linear accelerations, nanoprobe devices, microelectronic sensors, 
neuromorphic systems and vacuum micro-electronics based on the use promising methods of nanotechnology – molecular-beam epitaxy, pulsed laser deposition, plasma-enhanced chemical vapor deposition, scanning 
probe microscopy and probe nanolithography, focused ion beams, electron beam processing, and promising 
methods for the planar surface treatment technology. The monograph characterizes the focus on investigation 
of ways of solving specific problems arising in the formation of nanostructures and devices based on them, as 
well as assessing the prospects and difficulties of introducing the developed technologies and methods into industrial technologies.
For scientists and engineers specializing in the field of nanotechnology in microelectronics, students and 
graduate students of the appropriate profile.

ISBN 978-5-02-040201-0 
©  Южный федеральный университет, 2019

 
 ©  ФГУП Издательство «Наука», редакционно-издательское оформление, 2019

Предисловие редакторов

Научно-технический прогресс во второй половине XX в. в значительной 
мере был обусловлен стремительным развитием и широким применением 
во всех областях деятельности человека средств радиоэлектроники, автоматики, компьютеров. В свою очередь, создание всех этих сложных электронных 
устройств и систем было бы невозможно без успехов микроэлектроники – направления в науке и технике, берущего свое начало в 50-х годах прошлого столетия: впервые в мире твердотельные интегральные схемы и основы микротехнологий разработали в США в 1958–1959 гг. Д. Килби и Р. Нойс.
Углубление знаний о строении вещества и совершенствование технологий 
обеспечили к началу XXI в. переход от микро- к нанотехнологиям, от микро- 
к наноэлектронике, от микро- к наносистемам, что позволяет значительно 
улучшить характеристики электронных средств, а также создавать принципиально новые материалы и устройства.
Исследования и разработки в области микроэлектроники в Таганрогском 
радиотехническом институте (с 1996 г. – Таганрогский государственный радиотехнический университет, в 2006 г. вошел в состав Южного федерального 
университета (ЮФУ)) ведутся с конца 50-х годов XX в. В 1961 г. в отраслевой 
лаборатории микроэлектроники Таганрогского радиотехнического института под руководством Л.Н. Колесова была разработана и изготовлена первая 
в СССР твердотельная интегральная микросхема (рис. П.1, П.2). Это событие 

Рис. П.1. Коллектив создателей первой в СССР твердотельной интегральной схемы

имело большой резонанс и стимулировало развертывание в 60-х годах работ 
по созданию в стране микроэлектронной промышленности и системы подготовки кадров для нее.
В последующие годы коллективом был разработан метод построения 
функционально-интегрированных структур, обеспечивающий значительное 
уменьшение размеров, потребляемой мощности и повышение быстродействия 
элементов интегральных схем.
Также были разработаны методы построения нетермически активируемых 
технологических операций, что обеспечивает сокращение времени реализации технологических процессов и повышение функциональных параметров 
микросхем.

Рис. П.2. Копия отчета (1961 г.) по результатам разработки, изготовления и испытания 
микросхемы

С использованием полученных результатов выполнен ряд НИОКР по проектированию и разработке технологии производства различных изделий микроэлектроники, разработаны и освоены в массовом производстве на промышленных предприятиях микросхемы ряда серий.
С 1991 г. в университете начаты исследования в области нового научного 
направления – нанотехнологии. За этот период разработаны методы конструирования квантовых, микро- и наномеханических функционально-интегрированных элементов, а также лазерные, плазменные, электронно-, ионно- 
и молекулярно-лучевые технологии формирования наноструктур.
Большое значение для развития исследований имели создание в 2003 г. 
и модернизация в 2008 г. Научно-образовательного центра «Нанотехнологии» 
ЮФУ, а также создание в 2008 г. совместного Научно-образовательного центра «Нанотехнологии» Южного федерального университета и Южного научного центра Российской академии наук (рис. П.3). Центр является одним из 
крупнейших в России, оснащен уникальным оборудованием, позволяющим 
выполнять исследования и разработки мирового уровня.
С 2003 г. в центре осуществляется подготовка инженеров по специальности «Нанотехнология в электронике» (с 2004 г. – бакалавров и магистров по 
направлению «Нанотехнология», с 2011 г. – по направлению «Нанотехнологии 
и микросистемная техника»).
В диссертационном совете Д 212.208.23 при ЮФУ по специальности 
05.27.01 «Твердотельная электроника, радиоэлектронные компоненты, микро- 
и наноэлектроника, приборы на квантовых эффектах» в период с 1991 г. защищены 11 докторских и 124 кандидатские диссертации.

Рис. П.3. Лаборатория кластерных нанотехнологий НОЦ «Нанотехнологии» ЮФУ

Год создания первой отечественной интегральной схемы считается годом основания сформированной несколькими поколениями ученых Университета ведущей научной школы в области нанотехнологий, наноэлектроники и наносистем.
Коллективная монография подготовлена сотрудниками Научно-образовательного центра «Нанотехнологии» Южного федерального университета по 
результатам междисциплинарных фундаментальных, поисковых и прикладных 
научных исследований, выполненных за последнее десятилетие по достаточно 
широкому спектру проблем, связанных с получением новых наноматериалов 
и наноструктур, объединенных направленностью на разработку элементной 
базы для электронных устройств новых поколений информационно-телекоммуникационных систем. Монография посвящена исследованию путей решения конкретных проблем, возникающих при формировании наноструктур 
и приборов на их основе, а также оценке перспектив и трудностей внедрения 
разработанных технологий и методов в индустриальные технологии.
Авторы главы 1 – Ильин О.И., Рудык Н.Н., Ильина М.В., Климин В.С., Федотов А.А.,  Чередниченко Д.И. , Агеев О.А.; главы 2 – Ильина М.В., Ильин О.И., 
Смирнов В.А., Блинов Ю.Ф., Агеев В.О., Коноплёв Б.Г., Агеев О.А.; главы 3 – 
Ильина М.В., Ильин О.И., Блинов Ю.Ф., Коноплёв Б.Г., Агеев О.А.; главы 4 – 
Солодовник М.С., Балакирев С.В., Еременко М.М., Михайлин И.А., Авилов В.И., Коломийцев А.С., Смирнов В.А., Климин В.С., Агеев О.А.; главы 
5 – Вакулов З.Е., Замбург Е.Г., Михайличенко А.В., Смирнов В.А., Томинов Р.В., 
Алябьева Н.И., Хахулин Д.А.,  Чередниченко Д.И. , Коноплёв Б.Г., Агеев О.А.; 
главы 6 – Коломийцев А.С., Громов А.Л., Лисицын С.А., Коц И.Н., Ильин О.И., 
Быков Ал.В., Агеев О.А.; главы 7 – Смирнов В.А., Авилов В.И., Блинов Ю.Ф., 
Солодовник М.С., Коноплёв Б.Г., Агеев О.А.; главы 8 – Гусев Е.Ю., Авдеев С.П.,  
Чередниченко Д.И. , Агеев О.А.; главы 9 – Сюрик Ю.В.,  Чередниченко Д.И. , 
Агеев О.А.; главы 10 – Светличный А.М., Житяев И.Л., Волков Е.Ю., Алябьева Н.И., Коломийцев А.С., Агеев О.А.; главы 11 – Рындин Е.А., Денисенко М.А., 
Писаренко И.В., Солодовник М.С., Варзарев Ю.Н., Коломийцев А.С., Агеев О.А., 
Коноплёв Б.Г.; главы 12 – Лысенко И.Е., Рындин Е.А., Гусев Е.Ю., Приступчик Н.К., Исаева А.С., Ежова О.А., Бондарев Ф.М., Климин В.С., Житяев Ю.Ю., 
Коломийцев А.С., Агеев О.А., Коноплёв Б.Г.
Представленные результаты позволяют расширить возможности практического применения методов проектирования и изготовления сверхбыстродействующих интегральных элементов СБИС и УБИС, многоосевых микромеханических сенсоров угловых скоростей и линейных ускорений, устройств 
нанопьезотроники, микроэлектронной сенсорики, нейроморфных систем, вакуумной микроэлектроники на основе использования перспективных методов 
нанотехнологии – плазмохимического осаждения из газовой фазы, сканирующей зондовой микроскопии и зондовой нанолитографии, молекулярно-лучевой эпитаксии, импульсного лазерного осаждения, фокусированных ионных 
пучков, электронно-лучевой обработки, а также перспективных методов планарной технологии поверхностной обработки.
Исследования проводились при частичной финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований по проектам №№:  18-37-00299\18; 
18-29-11019; 16-29-14023\16; 16-07-00018\16;  14-08-90010\14;  14-07-31234\14; 
 16-32-00069\16; 14-07-31162\14; 13-97-00274\13; 14-07-31322\14; 12-08-90045; 
06-07-81000; 2007-3-1.3-11-03-005; 07-07-13513.

Введение

Множество уникальных свойств, которыми обладают углеродные нанотрубки (УНТ) [1–6], открывают широкие перспективы их применения в качестве функциональных элементов приборов микро- и наноэлектроники [7–14]. 
В условиях глобального социально-экономического кризиса и ограничительных экономических мер со стороны ряда стран против Российской Федерации интеграция новых технологий позволит решить проблему импортозамещения, обеспечить переход к передовым производственным технологиям. 
При этом для интеграции методов выращивая УНТ в технологии массового 
производства приборов микро- и наноэлектроники особый интерес представляют упорядоченные одиночные УНТ и массивы на их основе, расположенные по месту применения в соответствии с разрабатываемой конструкцией 
устройства  [15–20]. В связи с этим возникает необходимость обеспечения требований, предъявляемых к структуре, свойствам и геометрическим параметрам УНТ [21, 22].
Для обеспечения требований, предъявляемых к УНТ, наиболее перспективен метод плазмохимического осаждения из газовой фазы (ПХОГФ) [23]. 
Начальным этапом технологического процесса получения УНТ этим методом является формирование на подложке тонкого слоя переходного металла, 
из которого при последующем отжиге формируются каталитические центры 
(КЦ), на поверхности которых осуществляются диссоциация сконденсированных молекул углеродсодержащего газа и транспортировка атомов свободного углерода к основанию растущих УНТ. Параметры каталитических 
центров (размер, дисперсия, химический состав и др.) [24] определяют параметры углеродных нанотрубок (диаметр, высоту, хиральность, электрические свойства, кинетику роста и т.п.), которые лежат в основе их приборного 
применения [25, 26].
На практике наиболее часто используются массивы УНТ, выращенные на 
наноразмерных КЦ, образовавшихся в результате коагуляции пленки металла 
наноразмерной толщины после нагрева [27, 28]. Для исключения взаимодействия между КЦ и подложкой необходимо создавать буферные слои на основе 
пленок металлов или диэлектрика. При этом размеры КЦ являются определяющими при росте УНТ, однако на сегодняшний день отсутствуют теоретические модели, описывающие процесс эволюции наноразмерной пленки катализатора в результате термической обработки с учетом влияния материала 
подслоя и подложки.

Глава 1

Получение вертикально ориентированных 
углеродных нанотрубок методом плазмохимического 
осаждения из газовой фазы

В методе ПХОГФ существует большое количество взаимосвязанных параметров (температура, давление, потоки технологических газов, сорт газов, материал пленки катализатора и др.), оказывающих влияние на процессы формирования КЦ и роста УНТ.
Таким образом, изучение влияния параметров технологических режимов 
метода ПХОГФ на процессы формирования КЦ и роста УНТ для контролируемого получения УНТ с необходимыми геометрическими параметрами 
и свойствами является актуальной задачей.

1.1. Термодинамический анализ процессов в структуре 
катализатор/подслой/подложка при выращивании углеродных 
нанотрубок методом осаждения из газовой фазы

Анализ литературных данных показывает, что при различных сочетаниях 
материалов «катализатор/подслой/подложка» выращенные на них УНТ значительно различаются по параметрам. В [29, 30] было показано, что использование Ni в качестве катализатора и Cr в качестве подслоя позволяет получить 
трубки с наибольшей скоростью роста, лучшей вертикальной ориентацией 
и наименьшей дисперсией диаметров.
Поэтому термодинамический анализ взаимодействия материалов проводился для системы Ni (10 нм)/Cr (20 нм)/Si (380 мкм) на различных этапах 
формирования КЦ и роста УНТ, с учетом состава технологических сред на 
всех этапах осаждения из газовой фазы.
Термодинамический анализ проводился путем сравнения температурных зависимостей изменения свободной энергии Гиббса ∆G(T) возможных 
химических реакций. В расчетах использовался коммерчески доступный пакет FACT Sage 6.2 (GTT Technologies, Germany), который позволяет учитывать давление газообразных компонентов, нелинейные температурные зависимости термохимических свойств элементов и соединений [31]. Учитывались 
мольные (стехиометрические) коэффициенты реакций химического взаимодействия между веществами, однако для удобства восприятия на графических 
изображениях данные коэффициенты не приводятся.
Взяв за основу технологические режимы выращивания УНТ методом 
осаждения из газовой фазы на используемом в работе оборудовании, можно 
ввести следующие допущения:
– нагрев проводится до температуры 1000 °С;
– слои материалов в структуре не действуют как диффузионные барьеры, 
препятствуя взаимодействию компонентов в системе (вследствие их нанометровой толщины);
– пленка каталитического материала может иметь естественный оксид, 
образованный окислением образца в остаточной атмосфере реакционной 
камеры.