Наноэлектронная элементная база информатики на основе полупроводников и ферромагнетиков

Наноэлектронная элементная база информатики на
основе полупроводников и ферромагнетиков

2-е издание, исправленное

Войтович И.Д.
Корсунский В.М.

Национальный Открытый Университет “ИНТУИТ”
2016

2

Наноэлектронная элементная база информатики на основе полупроводников и ферромагнетиков/ И.Д.
Войтович , В.М. Корсунский - М.: Национальный Открытый Университет “ИНТУИТ”, 2016

Из огромного объема информации – десятков тысяч публикаций, посвященных наноэлектронной
элементной базе информатики (далее НЭБИ) за последние 15-20 лет, – авторами отобрано,
систематизировано и структурировано только самое существенное.
В курсе описаны принципы работы современных средств наблюдения нанообъектов, описаны
качественные изменения свойств элементов при переходе к наноразмерам. Дано описание НЭБИ на
основе полупроводников и ряд лекций посвящен вопросам НЭБИ на основе ферромагнетиков.

(c) ООО “ИНТУИТ.РУ”, 2014-2016
(c) Войтович И.Д., Корсунский В.М., 2014-2016

3

Что такое “Наноэлектронная элементная база информатики”? Как
“увидеть” наноразмерные элементы?

Цель лекции: уточнить предмет изучения и понятие “наноразмерные структурные
элементы”. Объяснить принципы наноскопии, в частности принципы работы
растровых электронных микроскопов, сканирующего туннельного микроскопа,
атомно-силовых микроскопов, сканирующих оптических микроскопов ближнего поля,
позволяющих “видеть” и исследовать наноразмерные объекты. Дать представление о
нанометрологии.

Что такое “Наноэлектронная элементная база информатики”?

Напомним, что термином “элементная база” обозначают систему узлов, схем,
устройств (структурных элементов, строительных “кирпичиков” и блоков), а также
способов и методов их соединения и взаимодействия, необходимых для построения
соответствующих машин, устройств и других изделий.

Информатикой (англ. informatics, information science) называют, как известно, отрасль
науки и техники, изучающую структуру и общие свойства информации,
разрабатывающую технические средства и методы ее передачи, переработки, хранения,
получения, преобразования из одних видов в другие, визуального и звукового
воспроизведения, а также использования в различных сферах деятельности человека.

“Элементная база информатики” – это система структурных элементов, способов и
методов их соединения, необходимых для построения технических средств
информатики.

Под “наноэлектроникой” понимают раздел электроники, занимающийся разработкой
физических и конструктивно-технологических основ создания интегральных
электронных схем со структурными элементами нанометровых размеров – примерно от
1 до 1000 нм.

Исходя из сказанного, “Наноэлектронная элементная база информатики” – это
система наноразмерных структурных элементов, способов и методов их соединения и
взаимодействия, необходимых для построения технических средств информатики. Это
также научно-техническая дисциплина, изучающая и описывающая принципы
построения наноэлектронной элементной базы информатики.

Указанная выше граница – “1000 нм” – между микроэлектроникой и наноэлектроникой
достаточно условна. На самом деле больших и тем более принципиальных различий
между структурными элементами размером, например, 900 нм и 1100 нм нет.
Некоторые специалисты считают верхней границей наноэлектроники не 1000 нм, а 100
нм. Но разве имеются принципиальные различия между элементами размером 100 нм
и, например, 200 нм? Качественные изменения в свойствах и функционировании
элементов проявляются с уменьшением их размеров постепенно. И лишь вблизи
нижней названной границы – “1 нм” – изменения становятся уже очень
существенными, иногда даже разительными. Эти изменения мы конкретно рассмотрим

4

далее.

Мы считаем, что лучше придерживаться простого метрического подхода: если размеры
элементов удобней, естественней задавать в микрометрах, то это – микроэлектроника,
если в нанометрах, то это – наноэлектроника, а если (в будущем) в пикометрах, то это
– пикоэлектроника. Понимая, конечно, всю условность такого деления.

Становление и развитие наноэлектронной элементной базы информатики (далее для
краткости мы будем использовать аббревиатуру “НЭБИ”) являются закономерным
продолжением развития микроэлектроники и многих других областей науки и техники.
В своем стремительном развитии, в постоянной борьбе за уменьшение так называемых
“проектно-технологических норм” микроэлектронная промышленность пересекла
условную границу в 1000 нм уже в 90-х годах ХХ в. В 1995 г. проектнотехнологические нормы на передовых производствах составляли 0,35 мкм = 350 нм, а
сейчас пересекают черту в 32 нм.

Предпосылки становления НЭБИ вызревали давно, однако бурное её развитие началось
только в последние десятилетия и продолжается сейчас. Не только дальновидные
научно-производственные фирмы, но и парламенты и правительства многих развитых
стран выделяют на развитие нанотехнологий, в т.ч. НЭБИ, значительные финансовые
ресурсы. Подобный “героический период” микроэлектроника переживала в 60-70 гг.
ХХ в. Тогда в ней одновременно развивалось много разных направлений,
конкурировали между собой различные подходы, разные полупроводниковые,
пленочные и прочие материалы, разные принципы организации логики, схемотехники,
различные технологические направления. И только со временем, в упорном, честном
соревновании различных направлений стало ясно, каким из них следует отдать
предпочтение с точки зрения экономики. Приблизительно так же происходит сейчас и
в наноэлектронике. Параллельно развиваются много разных традиционных и новых
направлений. Какие из них будут воплощены в жизнь и окажутся ведущими, – сейчас
сказать еще нельзя. Поэтому мы ознакомим вас со всеми перспективными
направлениями развития НЭБИ, раскрывая принципы и идеи, лежащие в их основе.
Какие из них останутся на основном пути развития наноэлектроники, окажутся
экономически наиболее выгодными, – покажет лишь время.

Вы, нынешние студенты, будете жить в обществе, в котором средства информатизации
будут пронизывать уже все сферы производства, коммуникации, образования,
управления государством, большинство процессов повседневной жизни. И постепенно
эти средства будут становиться в основном наноэлектронными. О принципах действия
наноэлектронных структурных элементов и устройств, об их ожидаемых технических
характеристиках, о физических явлениях и закономерностях, лежащих в их основе, о
способах их структурной организации и о технологиях их изготовления мы и
расскажем вам в этом учебном пособии.

Как “увидеть” наноразмерные элементы?

Первым очевидным качественным изменением при переходе от микроэлектронной
элементной базы информатики к наноэлектронной является невозможность увидеть

5

наноразмерные структурные элементы не только невооруженным глазом, но и в
оптический микроскоп, невозможность рассматривать сквозь него и контролировать с
его помощью размеры и качество наноразмерных элементов.

Оптические микроскопы были единственным средством визуализации микрообъектов
до 30-х годов ХХ в. С их помощью удалось рассмотреть живые биологические клетки и
бактерии размером в единицы микрометров, структуру микроорганизмов, невидимых
невооруженным глазом, строение микрокристаллов и магнитных доменов и т.п. Они
же были основным средством контроля размеров и качества элементов в
микроэлектронике. Но из-за дифракции световых волн разрешающая способность
оптических микроскопов не может превышать половину длины волны видимого света
(от 400 до 700 нм). Даже у наилучших современных оптических микроскопов
разрешающая способность не превышает 0,2 мкм = 200 нм. Для визуализации
наноразмерных объектов надо было использовать излучение со значительно меньшей
длиной волны – рентгеновское ( или электронное (. В рентгеновском диапазоне
электромагнитных волн сформировать качественные увеличенные изображения никак
не удавалось из-за отсутствия рентгеновских линз. Поэтому основные усилия были
сконцентрированы на использовании электронов.

Растровые электронные микроскопы

В 1931 г. был выдан первый патент на просвечивающий электронный микроскоп.
Начала быстро развиваться электронная оптика. В конце 30-х годов появились первые
серийные просвечивающие электронные микроскопы. Длина волны де Бройля для
электронов с энергией 
 (здесь  – электрический заряд электрона, 
 –

электрическое напряжение, используемое для ускорения электронов) задается
формулой

(1.1)

где  – постоянная Планка, 
 – масса электрона. По этой формуле легко подсчитать,

что электрон, ускоренный в электрическом поле с разностью потенциалов 100 В, имеет
длину волны 
, а при разности потенциалов 10 кВ – длину

волны 
. Благодаря этому разрешающая способность просвечивающих

электронных микроскопов по сравнению с оптическими возросла сразу на много
порядков величины.

Однако просвечивающие электронные микроскопы позволяли исследовать лишь
относительно тонкие пленки. Нанообъекты на поверхности относительно толстых
образцов можно было исследовать лишь методом реплик. Поэтому уже к началу 40-х
гг. были изобретены растровые электронные микроскопы. Однако их серийное
производство началось лишь в 1965 г. – аж четверть столетия спустя.

Функциональная схема современного растрового электронного микроскопа (РЭМ)
показана на рис. 1.1.

6

Функциональная схема растрового электронного микроскопа

Рис. 1.1.  Функциональная схема растрового электронного микроскопа

РЭМ состоит из электронно-оптической колонны (1), рабочей камеры (2),
персонального компьютера (ПК) и ряда электронных блоков. В состав электроннооптической колонны (1) входят:

электронная пушка, которая состоит из катода (3) и анода (4);
блок питания электронной пушки (5);
блок регулирования интенсивности электронного пучка (6)
электронно-оптическая система (7) и блок ее питания (8);
катушки отклонения электронного пучка в двух ортогональных направлениях (Х)
и (Y) и блок сканирования (9);
система фокусировки (10).

В состав рабочей камеры (2) входят:

координатный (предметный) стол (11) с прецизионным электромеханическим
приводом (12);
место крепления и исследуемый образец (13);
набор детекторов (14);
блок усиления и преобразования сигналов (15).

Внутри электронно-оптической колонны (1) и рабочей камеры (2) создается и
поддерживается вакуум, – для того, чтобы свести на нет столкновения электронов с
молекулами и атомами газа и обеспечить электронам достаточно длинный (0,2-0,5 м)
свободный пробег. Блок питания электронной пушки (5) подает на катод (3) ток
накала, вследствие чего из нагретого до высокой температуры катода начинается
термоэмиссия электронов. Этот же блок подает на анод (4) высокое положительное
напряжение, вследствие чего электроны ускоряются электрическим полем до
значительных энергий. Интенсивность электронного пучка регулируется блоком (6) с
помощью т.н. “цилиндра Венельта”, размещенного вокруг катода. Электроннооптическая система (7) и блок ее питания (8) формируют осесимметричные магнитные
поля специальной формы, – “электронные линзы”, – благодаря которым образованный
пушкой пучок электронов, условно показанный штриховыми линиями, превращается в
сходящийся остро сфокусированный монохроматический луч. С помощью катушек
отклонения (Х) и (Y) и блока сканирования (9) электронный луч малыми шагами
перемещается вдоль строки (по координате Х) и от строки к строке (по координате Y).
Траектория его перемещения вдоль поверхности исследуемого образца напоминает
растр, изображенный справа внизу. Отсюда и название “растровый” электронный
микроскоп. Прецизионный координатный стол (11) и электромеханический привод (12)
позволяют точно выставить под электронный луч нужный участок исследуемого
образца (13) и наклонить последний под заданным углом к оси электронного пучка.

В каждой точке исследуемого образца (13) электронный луч локально взаимодействует
с веществом. Размещенные рядом с образцом детекторы (14) воспринимают

7

результаты этого взаимодействия. Сигналы от них усиливаются и фильтруются от
помех в электронном блоке (15). Там же они проходят аналоговую обработку и
превращаются в цифровые коды, которые передаются в компьютер (ПК). В
компьютере накапливается и формируется соответствующая информация об
исследуемом участке. В информационном массиве каждой точке растра ставится в
соответствие величина сигнала от этой точки. Это может быть сигнал от одного из
детекторов или совокупность сигналов от нескольких детекторов, а также
определенная комбинация этих сигналов. Накопленный информационный массив
может быть визуализирован на мониторе (М) в виде черно-белого или цветного
изображения.

Взаимодействуя с материалом образца, быстрые электроны пучка рассеиваются и
постепенно теряют свою энергию. Эта энергия идет на

ионизацию внешних электронных оболочек атомов или молекул (часть “выбитых”
из них электронов выходит через поверхность образца наружу; такие электроны
называют “вторичными”);
возбуждение внешних электронных оболочек атомов или молекул (возвращаясь в
основное состояние, атомы (молекулы) вещества излучают кванты света; это
называют катодолюминесценцией);
ионизацию внутренних электронных оболочек атомов (это становится причиной
спонтанного перехода одного из электронов внешней оболочки на
освободившееся место на внутренней и сопровождается излучением
рентгеновских квантов, энергия которых является специфической для каждого
вида атомов; такое рентгеновское излучение называют “характеристическим”).

В процессе взаимодействий с электронами и ядрами атомов образца быстрые
электроны первичного пучка рассеиваются, изменяя направление своего движения, и
часть из них выходит в обратном направлении наружу, имея еще значительную
энергию. Такие электроны называют “отраженными” или, что точнее, “обратно
рассеянными”. Число обратно рассеянных электронов намного меньше числа
вторичных электронов.

Пробег быстрых электронов в веществе в зависимости от их начальной энергии
составляет от единиц до сотен микрометров.

В РЭМ, как правило, имеется несколько детекторов (14): детектор вторичных
электронов, детектор катодолюминесценции, детектор обратно рассеянных электронов
и детектор характеристического рентгеновского излучения. Используют также датчик
электрического тока в образец.

Наибольшую разрешающую способность обеспечивают детекторы вторичных
электронов. Это обусловлено тем, что такие электроны имеют малую энергию (от 0 до
50 эВ) и поэтому могут вырваться на поверхность образца лишь из приповерхностных
слоев глубиной в единицы нанометров. Ведь детектор вторичных электронов “видит”
лишь электроны, которые выходят непосредственно из-под электронного пучка. При
диаметре пучка, например, 3 нм обеспечивается разрешающая способность
приблизительно 4 нм. Величина сигнала от детектора вторичных электронов зависит от

8

материала, из которого состоят приповерхностные слои исследуемого образца, а еще
больше – от рельефа его поверхности. Поэтому изображения, которые формируются в
режиме наблюдения вторичных электронов, имеют значительный контраст и большую
глубину резкости. Качество этих изображений иллюстрирует рис. 1.2, на котором
показана одна из полученных в РЭМ микрофотографий мельчайшей пыльцы от разных
цветов.

РЭМ может обеспечить очень широкий диапазон увеличений – от 10х, как обычная
оптическая лупа, до 1000000х, как просвечивающий высоковольтный электронный
микроскоп. С помощью РЭМ удалось визуализировать вирусы гриппа и другие вирусы
размером меньше 100 нм, двойную спираль ДНК, наночастицы металлов,
полупроводников, диэлектриков размерами 5-500 нм. РЭМ позволил надежно
контролировать элементы интегральных схем указанного размера.

В детекторах обратно рассеянных электронов используют тормозное электрическое
напряжение, которое позволяет отклонить и не пропустить на детектор электроны с
энергией ниже 100-1000 эВ. В результате такие детекторы формируют сигнал,
пропорциональный числу лишь высокоенергичных обратно рассеянных электронов.
Этот сигнал позволяет обнаруживать на поверхности исследуемого образца и под ней
наличие микро - и нанокластеров с большей плотностью вещества. Например, легко
можно выявить наличие и локализацию наночастиц золота размером 5-50 нм в
биологических объектах. (Когда они находятся на глубине свыше 50 нм под
поверхностью, то в режиме регистрации вторичных электронов их “увидеть” очень
тяжело).

Рис. 1.2.  Микрофотография пыльцы от различных цветов, полученная в РЭМ при
увеличении приблизительно 500х

Разрешающая способность РЭМ в режиме наблюдения обратно рассеянных
электронов, а также в режимах наблюдения характеристического рентгеновского
излучения и катодолюминесценции значительно ниже, чем в режиме вторичных
электронов. Ведь при этом фиксируются сигналы от всей области проникновения
электронов в вещество, а она имеет размеры порядка микрометров. Зато в таких
режимах наблюдения можно анализировать локальный состав вещества образца.
Режим характеристического рентгеновского излучения позволяет, например,
определить химический состав вещества, а режим наблюдения катодолюминесценции
– обнаруживать области с повышенным или пониженным квантовым выходом
люминесценции.

Сканирующий туннельный микроскоп

Довести разрешающую способность до субнанометрового, атомарного уровня удалось
с помощью сканирующего туннельного микроскопа (СТМ, англ. scanning tunnelling
microscope, STM), созданного в 1981 г. Вместо остро сфокусированного электронного
пучка здесь для исследования используют очень остро заточенный вольфрамовый зонд,

9

острие которого поддерживают на очень малом (порядка 0,1-5 нм) расстоянии от
поверхности электропроводящего образца (рис. 1.3, слева). Зонд формируют из
вольфрамовой проволоки диаметром 200 мкм путем многоступенчатого
электрохимического травления. Микрофотография острия такого зонда показана на
рис. 1.3 в центре. Для поддержания зонда на заданном очень малом расстоянии от
поверхности образца используют обратную связь по туннельному току и прецизионное
перемещение зонда с помощью пьезоэлектрика.

Рис. 1.3.  Слева – взаимное расположение зонда и образца в СТМ; в центре –
микрофотография острия вольфрамового зонда, полученная в РЭМ; справа –
энергетическая диаграмма промежутка между зондом и образцом

Энергетическая диаграмма контакта между зондом и образцом показана на рис. 1.3
справа. Здесь вдоль вертикали отложена энергия, вдоль горизонтали – расстояние от
острия зонда. Через 
 обозначен уровень энергии Ферми в вольфраме; через 
 –

уровень энергии Ферми в материале исследуемого образца; через 
 – работа выхода

электронов из вольфрама в вакуум; через 
 – небольшое электрическое напряжение,

приложенное между образцом и зондом.

Квантово-механический расчет вероятности туннелирования электронов из зонда в
образец показывает, что “прозрачность” вакуумного барьера и туннельный
электрический ток сильно зависят от расстояния 
 между зондом и образцом, –

приблизительно как экспонента

(1.2)

где  – постоянная Планка, 
 – масса электрона. Зависимость эта очень резкая, и уже

небольшие изменения расстояния 
 между зондом и образцом приводят к

значительным изменениям электрического тока (напр., в 10 раз при изменении
расстояния на 0,1 нм).

Вольфрамовый зонд механически крепят к монокристаллу кварца, который, будучи
пьезоэлектриком, изменяет свой размер при приложении электрического напряжения.
Схему обратной связи настраивают таким образом, чтобы при возрастании
туннельного тока относительно заданного значения кварц изменялся в своем размере
так, что зонд немного отдаляется от образца, а при уменьшении туннельного тока –
чтобы зонд приближался к поверхности образца. Благодаря такой отрицательной
обратной связи острие зонда автоматически поддерживается на заданном очень малом
(порядка единиц нанометра) расстоянии от поверхности образца. А напряжение на
монокристалле кварца пропорционально положению зонда по вертикали. Такой режим
работы называют режимом постоянного тока.

Функциональная схема СТМ показана на рис. 1.4. Исследуемый образец (Обр)
закрепляют на координатном столе (КC) и электрически соединяют проводником со
схемой обратной связи (1). Остро заточенный вольфрамовый зонд крепится к зондовой
головке (ЗГ) через пьезоэлектрический привод (ППz).

10