Одно из важных направлений дальнейшего развития цифровой электроники, электронных систем хранения массивов больших данных — создание компактных и дешевых компонент микроэлектроники для цифровых устройств. Двумерные технологии микро- и наноэлектроники, применяемые для их изготовления, достигли по минимальным размерам своего геометрического предела, и возникает необходимость в быстром поиске новых методов конструирования. Увеличение плотности полупроводниковых элементов на плоских структурах микросхем повышает производительность устройства, однако такое увеличение также имеет непреодолимый порог. По этой причине многие ведущие IT-компании мира в настоящее время работают над созданием трехмерных технологий конструирования компонент цифровых устройств. Это позволит совершить рывок в индустрии цифровых технологий.
Исследования последних лет, в том числе мой грант Российского фонда фундаментальных исследований, направлены на создание нового типа широкоапертурного плазменного источника ионных потоков низкой энергии для использования в прецизионных цифровых технологиях атомно-слоевого травления — молекулярно-слоевого травления, сокращенно АСТ-МСТ. Технологии АСТ-МСТ — ключевой инструмент в производстве компонент запоминающих устройств и интегральных микросхем. Они позволяют снимать с поверхности материала контролируемым образом ровно один атомарный или молекулярный слой толщиной менее 1 нанометра, не повреждая другие атомарные или молекулярные слои материала. В этой прецизионности и заключается основное преимущество АСТ-МСТ-технологий, а достигается оно путем использования специального широкоапертурного источника равномерного потока низкоэнергетичных ионов для облучения поверхности материала. Энергия таких ионных потоков должна быть, с одной стороны, достаточной для травления одного атомарного слоя материала, с другой стороны, не слишком высокой, чтобы не повредить следующие атомарные слои материала.
Для более наглядного представления сути данной технологии рассмотрим алгоритм АСТ-МСТ на плазменном источнике. Допустим, имеется кремневая подложка, основа будущей микросхемы. Подложку помещают в газ-прекурсор, чьи молекулы вступают в химическую связь только с одним поверхностным слоем атомов подложки. Происходит химический процесс, адсорбция, и создается так называемая маска, верхний слой вступивших в реакцию атомов подложки. Далее производится откачка остатков газа, после чего подготовленную таким образом поверхность облучают потоком низкоэнергетичных ионов, созданных специальным плазменным источником. Ионы, падая на подложку, образуют связь с поверхностным слоем атомов из летучих соединений молекул, снимая таким образом ровно один атомарный слой. Такой цикл процессов можно продолжить многократно для контролируемого травления требуемого количества слоев атомов или молекул.
Сочетанием технологий атомно-слоевого осаждения сверхтонких слоев материала на поверхности подложки и технологии атомно-слоевого травления можно формировать объемные структуры, размеры которых имеют величину порядка нескольких атомарных слоев, то есть порядка нескольких нанометров. Такая технология может быть использована, например, для изготовления компактной флеш-памяти с большой плотностью информации.
Технология АСТ-МСТ выигрывает у обычного сухого травления в таких аспектах, как, например:
- точный контроль потока и энергии ионов на поверхностях при их обработке;
- превосходный контроль толщины для травления нанометровой глубины;
- гладкая и равномерная поверхность в результате обработки;
- отсутствие повреждения многослойного материала при травлении одного из сверхтонких слоев.
Важным этапом для технологии АСТ-МСТ является создание плазменного источника низкоэнергетичных ионов. Автором разработан прототип плазменного источника низкоэнергетичных потоков ионов, который создает поток ионов с апертурой 5 см х 2 см. В настоящее время ведутся исследования оптимальных режимов работы ионного источника с точки зрения управления энергией и плотностью потоков ионов, что даст возможность использовать в технологиях АСТ-МСТ различные прекурсоры и материалы наноэлектроники. Насколько автору известно, аналогов подобного источника ионов в России на данный момент не имеется.