CAPITOLO IV
REALIZZAZIONE DELLA DOPPIA GIUNZIONE TUNNEL
La caratterizzazione dell’attacco ionico in plasma dell’ SiO
2, mascherato da Al, e dell’attacco umido anisotropo in KOH del Si (110), mascherato da SiO
2, ha avuto come fine la messa a punto di due processi per la realizzazione della giunzione tunnel doppia.
Il primo processo (processo dry) sfrutta l’attacco dry in plasma per la fabbricazione di giunzioni tunnel Al SiO Al /
2/ .
Il secondo processo (processo wet) sfrutta l’attacco umido in KOH per la fabbricazione di giunzioni tunnel Al Si n Al / / .
Sono stati proposti molti approcci per la fabbricazione di giunzioni tunnel di dimensioni nanometriche. Per quanto riguarda i sistemi metallici, i principali sono il metodo dell’evaporazione ombra, il processo SAIL (Self Aligned In Line), ed il SECO (Step Edge Cut Off).
In questo lavoro di tesi è stato deciso di adottare quest’ultima tecnica per la realizzazione delle giunzioni tunnel dei dispositivi.
Per giustificare tale scelta, prima di presentare i dettagli della realizzazione dei dispositivi, saranno in breve discusse le tre suddette tecniche.
I Tecniche di Realizzazione
I.1 Metodo dell’Evaporazione Ombra
La tecnica dell’evaporazione ombra (G. J. Dolan, 1977)è stata la prima ad essere impiegata per la fabbricazione di dispositivi a singolo elettrone basati su sistemi metallici ed è attualmente la più diffusa.
Il passo critico per il successo del processo è quello che permette la sospensione di segmenti estesi di una maschera di resist ad una certa distanza dal substrato. Nei comuni processi di lift-off, i film sono definiti evaporando il metallo attraverso le aperture nella maschera ad incidenza normale al substrato, in modo da assicurare la rottura tra le parti dello strato sul substrato e quelle sulla maschera.
Se la maschera è sospesa, non è più necessario deporre il metallo ad incidenza normale per assicurare il successo del lift-off.
Come mostrato in Fig. 1, si può variare l’angolo di deposizione per ottenere diverse alterazioni dell’immagine della maschera.
La Fig. 1 mostra la sezione trasversa della maschera considerata: essa è costituita da uno stato di supporto di spessore , su cui è steso lo strato su cui sono definite le strutture, di spessore
1 .
2104
REALIZZAZIONE DELLA DOPPIA GIUNZIONE TUNNEL
Fig. 1: Sezione trasversa della maschera per l’evaporazione ombra.
Si può praticare nello strato superiore un’apertura di larghezza W
0
1,
2per produrre un film di larghezza rispetto a W
0, conducendo l’evaporazione ad un angolo rispetto alla normale al substrato.
Se l’angolo di incidenza è maggiore di quello critico:
1 0
0
2
tan W
l’apertura nella maschera viene “chiusa”: il metallo evaporato quindi non arriva sul substrato.
La realizzazione pratica di questo effetto ombra dipende dalla possibilità di realizzare maschere simili a quelle ideali finora presentate.
È importante che i valori di e
1 siano affidabili, e che la sezione trasversa dello strato di resist
2superiore sia rettangolare.
Per la realizzazione di giunzioni tunnel, si deve innanzitutto realizzare una maschera che presenti due aperture molto ravvicinate: tra di esse viene quindi definito un ponte sospeso di resist dello strato superiore.
Si procede poi alla fabbricazione di giunzioni tunnel Al Al O Al /
2 3/ con una sequenza di deposizione- ossidazione-deposizione, che avviene nello stesso ciclo di vuoto. Dopo la prima evaporazione, effettuata ad un angolo (Fig. 2(a)), il film deposto viene ossidato in un’atmosfera di
1O
2: si cresce uno strato di ossido di alluminio Al O
2 3di circa 1nm (Fig. 2(b)). Dopo aver svuotato di nuovo la camera dell’evaporatore, viene deposto il secondo strato ad un angolo (Fig. 2(c)).
2W
0θ
Supporto Maschera
W
δ
1δ
2modo tale che possano parzialmente sovrapporsi: l’ Al O
2 3crea una barriera tunnel tra le isole del primo e del secondo strato evaporato.
I.2 Processo Self Aligned In Line (SAIL)
Il principio della tecnica SAIL (H. Koch, 1987) è quello di fabbricare le giunzioni tunnel ai due lati dell’isola, in modo che le dimensioni della giunzione coincidano con lo spessore e la larghezza minimi tra quelli dei film metallici: si ottiene dunque una configurazione planare con barriere verticali.
Il processo SAIL consiste nei seguenti passi:
i. Preparazione di un film metallico stretto e sottile sul substrato (Fig. 1(a)).
ii. Generazione di una maschera di resist che lasci scoperta l’area del futuro contro elettrodo (Fig. 1(b)).
iii. Attacco anisotropo del film che definisce l’isola(Fig. 1(c)).
iv. Formazione di una barriera dielettrica sulla superficie esposta dell’isola (Fig. 1(d)).
v. Deposizione del secondo film metallico (Fig. 1(e)).
vi. Lift off (Fig. 1(f)).
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REALIZZAZIONE DELLA DOPPIA GIUNZIONE TUNNEL
Fig. 1: Processo SAIL per la preparazione di due giunzioni tunnel in serie (tipo wnw).
La deposizione del metallo dalla quale poi si ricaverà l’isola si può realizzare per sputtering o evaporazione, e il seguente trasferimento del pattern può essere compiuto con lift off o attacco anisotropo.
La maschera generata nel secondo passo definisce la posizione e le dimensioni sia dell’isola, che
degli elettrodi di source e drain. Il processo è autoallineato nella direzione della lunghezza dell’isola,
mentre disallineamenti nella direzione traversa possono essere facilmente compensati definendo una
delle due metal di larghezza maggiore: si può quindi fabbricare un’isola stretta in mezzo a due elettrodi
larghi (wnw), come mostrato in Fig. 1, o un’isola larga in mezzo a due elettrodi stretti (wnw), senza in
ogni caso variare l’area della giunzione tunnel.
infatti il resist deve rimanere abbastanza spesso e solubile da permettere un lift off affidabile, anche dopo aver subito l’attacco ion beam. Si dovrà quindi aumentare lo spessore del resist a seconda delle velocità di attacco relative del resist e del metallo, e dello spessore di quest’ultimo.
La soluzione può essere quella di sostituire l’attacco ion beam, puramente fisico, con un attacco RIE, impiegando un gas con selettività chimica, che migliori quindi il rapporto tra le velocità di attacco.
Un’altra soluzione è quella di usare una maschera multistrato, che consiste in due strati di resist, separati da uno strato intermedio che ha una velocità di attacco minore del resist: il resist più in basso viene quindi protetto, e può essere quindi usato come maschera per il lift off.
Dal momento che deve essere usata per il lift off, la maschera di resist deve presentare in sezione dei fronti a pendenza negativa. La generazione di una maschera adatta è il passo cruciale e più complicato della tecnica SAIL.
La barriera viene creata dopo l’attacco anisotropo della prima maschera: in questo modo si evita di danneggiarla con gli ioni ad alta energia.
Possono sorgere seri problemi di omogeneità della barriera a causa dell’overetching nel substrato durante il passo iii., che porta ad una rideposizione del materiale del substrato sui lati esposti dell’isola (Fig. (3)).
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REALIZZAZIONE DELLA DOPPIA GIUNZIONE TUNNEL
Fig. 3: Schema della sezione traversa reale di una giunzione tunnel SAIL Nb Si N Nb /
x y/ (Bibl. 1).
Per migliorare la qualità della barriera, oltre a rendere minimo l’overetching, si può lavorare su un substrato dello stesso materiale della barriera generata successivamente: si deve notare inoltre che i materiali per la barriera hanno di solito velocità di attacco minori dei corrispondenti metalli puri, e quindi possono formare degli eccellenti strati di stop.
La formazione di un contatto affidabile richiede che il grado di anisotropia dell’attacco (passo iii.) sia molto maggiore di quello della deposizione della seconda metal (passo vi.).
Se confrontato con la tecnica dell’evaporazione ombra, il processo SAIL presenta diversi vantaggi. Innanzitutto, c’è completa libertà nella scelta del processo di deposizione degli strati metallici. Inoltre non si devono realizzare strutture fragili come i ponti sospesi necessari per l’evaporazione ombra.
Infine, dal momento che la giunzione tunnel è realizzata ai lati dell’isola, gli elettrodi non si sovrappongono come quelli fabbricati con l’evaporazione ombra, e quindi la capacità di giunzione sarà minore.
Il primo SET realizzato con la tecnica SAIL è stato riportato da M. Gotz (1995).
Il dispositivo è basato sul sistema Al Al O Al /
2 3/ . L’isola, spessa 50nm e larga 80-150nm, è stata definita con EBL su un monolayer di resist AR-P 610 e lift off. Il metallo è stato deposto per sputtering. La seconda maschera è stata realizzata con un doppio strato di resist: AR-P671 su AR-P 641. La seconda metal aveva uno spessore di 100nm. L’attacco anisotropo è stato realizzato con ioni Ar. Immediatamente dopo l’attacco è stata creata la barriera dielettrica con un passo di ossidazione in aria secca. La resa riportata è del 40%.
Dalla ampiezza della zona di Coulomb Blockade è stata stimata una capacità di giunzione 0.5fF, che concorda con il valore stimato per una giunzione tunnel di area 50 150nm
2, ed una barriera di spessore dell’ordine del nm.
I.3 Processo Step Edge Cut Off (SECO)
altezza , in condizione di tensioni di polarizzazione intermedie (
0V
e ) (Par. I.3.2 del Cap. I):
1
1 2
0 2 0
2
1
1 2
0 2 0
exp 4 2
2 2
2
exp 4 2
2 2
e eV s eV
J m
h hs
eV s eV
h m
La , sotto la condizione , diventa:
1 1
1 10 2 0 2 0 2 0 2
2
4 3 4
exp exp 3
2 2
2
J e m s m s
h h
hs
Se si fa l’approssimazione di trascurare la variazione del fattore pre-esponenziale con s e , la
0richiesta che sotto la condizione la J sia la stessa per il sistema metallo/dielettrico/metallo caratterizzato da spessore di barriera s ed altezza
0 e quello con spessore s e barriera
0 porta a imporre:
0 0
s s
Per innalzare la temperatura di funzionamento di un dispositivo a singolo elettrone è necessario ridurrne le capacità di giunzione: i problemi tecnologici non derivano infatti dalle capacità di gate, che possono essere ridotte arbitrariamente aumentando la distanza tra gli elettrodi.
Per rispettare la condizione , appare chiaro come un semplice aumento della distanza tra gli elettrodi di un condensatore tunnel non sia una scelta praticabile per la riduzione della capacità.
Usando l’evaporazione ombra o il SAIL per realizzare condensatori tunnel Al Al O Al /
2 3/ , l’unico modo ragionevole di ridurne la capacità è quindi ridurre la larghezza delle piste di metallo. Se però si realizzano giunzioni tunnel usando materiali tali che l’altezza della barriera che gli elettroni devono attraversare sia significativamente minore di quella che presenta la giunzione Al Al O Al /
2 3/ , diventa possibile aumentare la distanza tra gli elettrodi, senza provocare una diminuzione della corrente che attraversa il condensatore tunnel.
Tab. I: Altezze di barriera per diverse possibili coppie di materiali da usare per realizzare una giunzione tunnel.
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REALIZZAZIONE DELLA DOPPIA GIUNZIONE TUNNEL
Osservando la Tab. I, è chiaro come, passando da una giunzione Al Al O Al /
2 3/ , ad una
2 3
/ /
Cr Cr O Cr , si possa rendere la distanza tra gli elettrodi fino a cinque volte maggiore. A parità di area A del condensatore tunnel, la capacità si riduce quindi di 1
5 rispetto all’originale.
L’impiego di materiali con altezze di barriera significativamente ridotte permette di ridurre la capacità di giunzione anche in un altro modo. Le barriere Al Al O Al /
2 3/ hanno tipicamente uno spessore di 1 2nm : usando Cr Cr O Cr /
2 3/ lo spessore si può portare a 10nm . Se lo spessore della barriera è dell’ordine di 10nm , non è più necessario realizzare condensatori piani: se si evapora metallo su uno scalino costituito di materiale di barriera, la metal si interromperà sul bordo dello scalino: questo è il principio del processo SECO.
Fig. 1: Il metallo di spessore d
1viene evaporato su uno scalino costituito di materiale di barriera, di spessore d
2. Se
1 2
