METODO DE NANOESTRUCTURACION DE LAMINAS ULTRA-FINAS DE UN OXIDO DIELECTRICO DE ALTA PERMITIVIDAD.

Método de nanoestructuración de láminas de un óxido dieléctrico de alta permitividad -high- {ka} - caracterizado porque comprende realizar una nanolitografía por interferometría láser en la configuración "Lloyd's mirror" y posterior tratamiento mediante un ataque con iones reactivos,

siguiendo las siguientes etapas:

a) depósito de una capa antirreflectante sobre una lámina sustrato de partida, preferentemente HfO2 sobre obleas de GaAs,

b) depósito de una capa de SiO2,

c) depósito de una fotorresina sobre el producto de la etapa b),

d) grabado de los motivos en la fotorresina mediante nanolitografía por interferometría láser en la configuración "Lloyd's mirror" (LInL),

e) transferencia de los motivos a la capa de SiO2 mediante ataque por RIE,

f) transferencia de los motivos a la capa de ARC mediante ataque por RIE,

g) eliminación de la fotorresina mediante ataque por RIE y transferencia de los motivos a la lámina sustrato de partida mediante RIE,

h) eliminación de los residuos orgánicos de la capa de ARC mediante RIE.

MÉTODO DE NANOESTRUCTURACIÓN DE LÁMINAS ULTRA-FINAS DE

UN ÓXIDO DIELÉCTRICO DE ALTA PERMITIVIDAD

Sector de la técnica

5 La presente invención pertenece al dominio de la nanotecnología y, más

concretamente, a la definición y preparación de superficies estructuradas a escala

nanométrica con el objetivo de ser aplicables en electrónica, óptica, energía

fotovoltaica, electroquímica y catálisis. De forma mas concreta, la invención se

relaciona con un procedimiento de obtención de películas ultra-finas

1O nanoestructuradas de un óxido dieléctrico de alta permitividad -high-K -,

preferentemente de Hf02 sobre sustratos de GaAs, y su posible aplicación en

transistores de efecto de campo (jield effect transistors, FETs) multi-puerta

tridimensionales.

15 Estado de la técnica

Los procedimientos industriales para reproducir motivos a escala nanométrica

constituyen un campo tecnológico denominado nanolitografia. La demanda de nuevos

dispositivos que hagan posible la continuación del escalado y el aumento de

rendimiento en los circuitos lógicos integrados, permitiendo así el desarrollo de la

20 tecnología complementaria metal-óxido-semiconductor (complementar y metal-oxide

semiconductor, CMOS) , requiere el desarrollo de nuevas tecnologías que superen los

límites físicos impuestos por las técnicas utilizadas con anterioridad. En este sentido,

la formación de motivos estructurales a escala nanométrica ha sido desarrollada de

forma satisfactoria para películas finas de Hf02 mediante ablación con láser ultra-

25 violeta sobre sustratos transparentes [J. Ihlemann, J. Optoelectron. Adv. Mater., 2005,

7, 3, 1191-1195], mediante litografia de ablación con láser ultra-violeta sobre

sustratos de Si [J.M. Rafi, E. Simoen, A. Mercha, N. Collaert, K. Hayama, F.

Campabadal, C. Claeys, Sol. State Electrón., 2007, 51, 1201-1210] y mediante

depósito con ángulo rasante (glancing angle deposition, GLAD) sobre sustratos de Si

30 [J. Ni, Y. Zhu, S. Wang, Z. Li, Z. Zhang, B. Wei, J. Am. Ceram. Soc., 2009, 92, 12,

3077-3080].

El método de ataque RIE es de simple operación, abarca un amplio rango de

materiales sobre los que puede realizarse y permite la elección múltiple del proceso

35 de ataque, esto es, ataque químico (alta velocidad e isotrópico) , ataque inducido por

iones (velocidad media y anisotrópico) o ataque físico (baja velocidad y

anisotrópico) . Esta técnica ha sido satisfactoriamente utilizada en combinación con

técnicas litográficas para llevar a cabo la nanoestructuración de películas finas de

Hf02 depositadas sobre sustratos de Si. Se ha propuesto la combinación de litografía

y RIE con plasma de CHF3/02 [R. Takaki, H. Takemoto, S. Fujikawa, K. Toyoki,

5 Colloids Surf A: Eng. Aspects, 2008, 321, 227-232] y la combinación de litografía y

RIE con plasma de CH2F2/SF6/N2 y HBr/02 [I. Vos, D. Hellin, W. Boullart, J.

Vertommen, Microelect. Eng., 2011, 88, 21-27].

La nanoestructuración de películas ultra-finas de Hf02 depositadas sobre

1O sustratos de GaAs, imprescindible para el desarrollo de una nueva generación de

transistores de efecto de campo metal-óxido-semiconductor, basados en la integración

de semiconductores III-V y dieléctricos de alta permitividad o "high-K" (high-K/111

V metal-oxide-semiconductor field effect transistors, !JI-V MOSFETs) , ha sido

abordada hasta la fecha únicamente por parte de los autores de la presente invención.

15 Mediante la combinación de litografía por haz de electrones y RIE con plasmas de

SF6/Ar y BCh/02 [J. Anguita, M. Benedicto, R. Alvaro, B. Galiana, P. Tejedor, Jpn.

J. Appl. Phys., 2010, 49, 106504; M. Benedicto, J. Anguita, R. Alvaro, B. Galiana, J.

M. Molina-Aldereguia, P. Tejedor, J. Nanosci. Nanotechnol, 2011, in press,

doi:10.1166/jnn.2011.3498] se han fabricado patrones constituidos por motivos

20 nanométricos, que presentan perfiles de ataque anisótropos con paredes inclinadas y

trincheras de GaAs que tras el proceso de ataque mantienen intacta su estequiometría,

son atómicamente planas y no presentan residuos de Hf02 o de subproductos de la

reacción en su superficie.

25 La presente invención supone la fabricación de nanoestructuras de Hf02 con

dimensiones laterales mínimas de 100 nm, perfiles de ataque anisótropos con paredes

laterales inclinadas, y zonas de GaAs libres de Hf02 que, tras el proceso de ataque,

son estequiométricas, atómicamente planas y libres de residuos. Estas características

son comunes al proceso descrito anteriormente, pero el nuevo método reúne ventajas

30 adicionales con respecto a los métodos utilizados anteriormente. La técnica LinL

tiene una resolución muy alta, ya que ésta solo está limitada por la longitud de onda

del láser que se utilice en el proceso y presenta una enorme flexibilidad en el diseño

de los motivos, así como la posibilidad de operar en áreas grandes de trabajo dado

que no requiere la utilización de fotomáscaras. Por ello, variando solo la

35 configuración del sistema, podremos fabricar motivos superficiales de varias formas y

otra parte, los gases empleados en el proceso RIE permiten obtener velocidades de ataque muy bajas, con lo que el control del proceso es superior y los valores de rugosidad r.m.s. (root-mean-square) en las áreas de GaAs expuestas tras el ataque corresponden a la de una superficie atómicamente plana, lo que es fundamental para la fabricación de una gran variedad de dispositivos semiconductores.

Documentos citados J. Ihlemann, et al., Patteming of oxide thin films by UV-laser ablation, J. Optoelectron. Adv. Mater., 2005, 7/3, 1191-1195.

J.M. Rafí, et al., Gate induced floating body effects in TiN/SiON and TiN/Hf02 gate stack triple gate SOl nFinFETs, Sol. State Electrón., 2007, 51, 1201-1210.

J. Ni, et al., Nanostructuring Hf02 thin films as antireflection coatings, J. Am. Ceram. Soc., 2009, 92/12, 3077-3080.

R. Takaki, et al., Fabrication of nanofins of Ti02 and other metal oxides via the surface sol-gel process and selective dr y etching, Colloids Surf A: Eng. Aspects, 2008, 321, 227-232.

I. Vos, et al., Interplay of plasma etch, strip and wet clean in patteming La20 3/Hf02-containing high-j/metal gate stacks, Microelect. Eng., 2011, 88, 21-27.

J. Anguita, et al., Nanoscale selective plasma etching of ultrathin Hf02 layers on GaAs for advanced complementar y metal-oxide-semiconductor devices, Jpn. J. Appl. Phys., 2010, 49, 106504-106507.

M. Benedicto, et al., Nanostructuring of ultra-thin Hf02 layers for high-k/III-V

device application, J. Nanosci. Nanotechnol. 2011, m press.

( doi: 1 0.1166/jnn.2011.3498) .

Descripción de la invención

en la configuración "Lloyd' s mirror" y posterior tratamiento mediante un ataque con iones reactivos, siguiendo las siguientes etapas:

a) depósito de una capa antirreflectante sobre una lámina sustrato de partida,

b) depósito de una capa de Si02 ,

e) depósito de una fotorresina sobre el producto de la etapa b ) ,

d) grabado de los motivos en la fotorresina mediante nanolitografia por

interferometría láser en la configuración "Lloyd's mirror" (LinL) .

e) transferencia de los motivos a la capa de Si02 mediante ataque por RIE

f) transferencia de los motivos a la capa de ARC mediante ataque por RIE

g) eliminación de la fotorresina mediante ataque por RIE y transferencia de los motivos a la lámina sustrato de partida mediante RIE

h) eliminación de los residuos orgánicos de la capa de ARC mediante RIE.

El sustrato de partida preferentemente son láminas ultra-finas de Hf02 depositadas sobre obleas de GaAs.

Según realizaciones particulares el depósito de la capa antirreflectante se realiza por centrifugación.

Según realizaciones particulares adicionales en la etapa b) el depósito de la capa de Si02 se realiza por deposición química en fase vapor asistida con plasma.

Según realizaciones particulares adicionales en la etapa e) el depósito de fotorresina se realiza por centrifugación.

Según realizaciones particulares adicionales en la etapa e) la transferencia de los motivos a la capa de Si02 se realiza mediante ataque por RIE con plasma de CF4.

Según...

REiVINDICACIONES

l. Método de nanoestructuración de láminas de un óxido dieléctrico de alta

permitividad -high-K-caracterizado porque comprende realizar una nanolitografia

5 por interferometría láser en la configuración "Lloyd's mirror" y posterior tratamiento

mediante un ataque con iones reactivos, siguiendo las siguientes etapas:

a) depósito de una capa antirreflectante sobre una lámina sustrato de partida,

e) depósito de una capa de Si02 ,

e) depósito de una fotorresina sobre el producto de la etapa b ) ,

1 O d) grabado de los motivos en la fotorresina mediante nanolitografia por

interferometría láser en la configuración "Lloyd's mirror" (LinL) .

d) transferencia de los motivos a la capa de Si02 mediante ataque por RIE

f) transferencia de los motivos a la capa de ARC mediante ataque por RIE

g) eliminación de la fotorresina mediante ataque por RIE y transferencia de los

15 motivos a la lámina sustrato de partida mediante RIE

h) eliminación de los residuos orgánicos de la capa de ARC mediante RIE.

2. Método según la reivindicación 1, caracterizado porque el sustrato de partida son

láminas ultra-finas de Hf02 depositadas sobre obleas de GaAs.

20

3. Método según la reivindicación 1 ó 2, caracterizado porque en la etapa a) el

depósito de la capa antirreflectante se realiza por centrifugación.

4. Método según la reivindicación 1 ó 2, caracterizado porque en la etapa b) el

25 depósito de la capa de Si02 se realiza por deposición química en fase vapor asistida

con plasma.

5. Método según la reivindicación 1 ó 2, caracterizado porque en la etapa e) el

depósito de fotorresina se realiza por centrifugación.

30

6. Método según la reivindicación 1 ó 2, caracterizado porque en la etapa e) la

transferencia de los motivos a la capa de Si02 se realiza mediante ataque por RIE con

plasma de CF4 .

7. Método según la reivindicación 1 ó 2, caracterizado porque en la etapa f) la

transferencia de los motivos a la capa antirreflectante se realiza mediante ataque por

RIE con plasma de 0 2.

5 8. Método según la reivindicación 1 ó 2, caracterizado porque en la etapa g) la

eliminación de la fotorresina se realiza mediante ataque por RIE con plasma de 0 2 y

transferencia de los motivos a la capa de Hf02mediante RIE con plasma de CF 4.

9. Método según la reivindicación 1, caracterizado porque en la etapa h) la

1 O eliminación de los residuos orgánicos de la capa antirreflectante se realiza mediante

RIE con plasma de 0 2 y limpieza final, preferentemente con HCl diluido y posterior

enjuagado con agua destilada y desionizada.

10. Método según la reivindicación 1, caracterizado porque comprende las

15 siguientes etapas:

a) depósito de una capa antirreflectante sobre sustratos de partida consistentes en

láminas ultra-finas de Hf02depositadas sobre obleas de GaAs,

b) depósito de la capa de Si02por deposición química en fase vapor asistida con

plasma.

20 e) depósito de una fotorresina por centrifugación,

d) grabado de motivos en la fotorresina mediante nanolitografía por

interferometría láser en la configuración "Lloyd's mirror",

e) transferencia de motivos a la capa de Si02mediante ataque ataque por RIE con

plasma de CF4,

25 f) transferencia de motivos a la capa de ARC mediante ataque por RIE con

plasma de 02,

g) eliminación de la fotorresina mediante ataque por RIE con plasma de 0 2 y

transferencia de los motivos a la lámina de sustrato capa de Hf02 mediante RIE

con plasma de CF4,

30 h) eliminación de los residuos orgánicos de la capa antirreflectante mediante RIE

con plasma de 0 2 y limpieza final, preferentemente con HCl diluido y posterior

enjuagado con agua destilada y desionizada.

11. Una lámina nanoestructurada de un óxido dieléctrico de alta permitividad -high

35

semiconductor III-V y sobre ella una capa de óxido refractario cuya constante dieléctrica está comprendida entre 10 y 100.

12. Una lámina nanoestructurada sobre un sustrato según la reivindicación 11, caracterizada porque el semiconductor III-V es un arseniuro o un fosfuro.

13. Una lámina nanoestructurada sobre un sustrato según la reivindicación 11, caracterizada porque el óxido dieléctrico está seleccionado entre Hf02, Ab03, Zr02 y Ta2Ü3.

14. Una lámina nanoestructurada sobre un sustrato según la reivindicación 11 caracterizada porque es una lámina de Hf02 sobre una oblea de GaAs.

15. Una lámina nanoestructurada caracterizada porque es obtenible mediante el procedimiento definido en una de las reivindicaciones 1 a 10.

16. Dispositivo caracterizado porque comprende una lámina o láminas definidas en una de las reivindicaciones 11 a 15.

17. Dispositivo según la reivindicación 14, caracterizado porque es un dispositivo seleccionado entre un dispositivo electrónico, óptico, optoelectrónico, fotovoltaico, piezoeléctrico, un sensor de gases y una pila de combustible